제올라이트

소개글

제올라이트에 대한 보고서 자료입니다.

목차

제올라이트(Zeolite)란?

제올라이트의 특성

제올라이트의 제조

제올라이트의 응용분야

제올라이트의 전망

본문내용

면)
수조
입체망목구조, Channel
결정계
단사정계, 사방정계
pH
6~9
비중
201~2.2
경도
3.5~5.0
굴절률
1.47~1.49
pore size
3~10Å
양이온 교환용량
70~130meq/100g
비표면적
80~100m/g
산출 형태
괴상으로 산출되며, 깨어지면 평판모양 단위결정은 침상 결정이나 분쇄시는 입상으로 분쇄 결정내는 무수한 통로 및 pore를 보유
광물적 특성
완전 건조한 것은 물 속에서 기포가 발생
[제올라이트의 주요 특성]
2. Zeolite의 종류
1949년 A-형 제올라이트가 합성된 이래, 새로운 구조 및 특성을 갖는 제올라이트를 합성하기 위한 연구가 꾸준히 진행되어 현재 200 여종에 달할 정도로 많은 합성 제올라이트가 알려져 있다.
이 중에는 천연 제올라이트와 구조나 화학 조성에 있어서 흡사한 것들이 있을 뿐만이 아니라, 천연 제올라이트와는 달리 단지 상업적인 목적에서 엄밀한 구조 해석이나 동정이 이루어지지 않은 상태에서 보고된 것들도 많다.
여기에 합성 제올라이트의 명칭 상에 있어서의 다소 혼란한 체계와 동일 광종에 대한 상이한 상품명의 범람 등으로 인해서 합성 제올라이트의 정확한 광종의 숫자를 파악하기는 매우 어려운 실정이다.
이중에서도 Mobil 사에 의해서 개발된 ZSM-5는 molecular sieve로서의 효능이 특히 우수하고 독특한 세공 구조를 갖기 때문에 가장 주목을 받고 있다.
[ZSM-5]
지금까지 알려진 제올라이트들이 모두 산업에 활용되는 것은 아니다. 대부분의 제올라이트 광종들은 단지 학술적 목적에서 다루어지고 있거나 현재로서는 경제성이 없는 것들이다. 현재 효능, 공급 및 가격 면에 있어서 경쟁력을 갖춘 제올라이트로는 천연 및 합성 제올라이트를 막론하고 10 종 미만에 불과하다.
일반적으로 합성 제올라이트에 비해서 천연 제올라이트는 불순물을 함유하고 효능 면에서 뒤떨어지지만 가격이 저렴하다. 따라서 상대적으로 부가 가치가 높은 산업에는 주로 합성 제올라이트가 활용되고 있는 실정이다.
그러나 합성 제올라이트의 가격 ($500-600/t)이 천연 제올라이트 ($50-100/t)에 비해서 5배 이상 비사고, 최근에는 천연 제올라이트의 품질 개선에 관한 연구 개발이 국내외에서 지속적으로 이루어지고 있기 때문에 이들은 장차 화학공업 분야의 응용에서도 치열한 경쟁 관계에 놓일 것으로 예견된다.
현재 산업에 응용되고 있는 제올라이트 광종들은 기본적으로 구조적 공동의 구경 (pore size)에 따라 그 종류와 응용 범위가 구분된다.
최대 구경이 7.5Å에 달하는 대구경 제올라이트로는 합성 제올라이트 X와 Y, 그리고 천연종인 모오데나이트 (mordenite)가 있다.
이 제올라이트들은 상대적으로 우수한 표면 활성과 큰 결정 공극을 가지므로 촉매로서 뛰어난 특성을 보인다.
특히 촉매 효과를 극대화하기 위해서 X 및 Y형 제올라이트에 Pt나 Pd 등을 담지한 제올라이트를 정밀 화학공업에 적용하는 연구 개발이 최근 많이 시도되고 있다. 이 대구경 제올라이트들은 일반적으로 석유 크래킹, 휘발유 및 LPG 정제, 천연 가스 건조 등의 석유화학 공정에 많이 사용된다.
이에 비해서 중구경 (최대 구경: 6.3Å) 제올라이트로는 합성종인 ZSM-5와 L형 제올라이트, 천연종으로 페리어라이트 (ferrierite)가 여기에 속한다. 이 중구경 제올라이트들은 석유 정제 고정에서 뛰어난 분자체 기능을 발휘하는 특징이 있다.
상대적으로 선택적 흡착 능력이 뛰어나기 때문에 휘발유나 경유의 옥탄가 향상을 위한 소위 FCC (Fluid Catalytic Cracking) 촉매 공정 등에 응용된다. 또한 최대 구경이 4.3Å인 소구경 제올라이트로는 대표적인 합성종인 A형 제올라이트가 있다.
[Na-A] [Na-Y]
천연종으로 클리놉틸로라이트 (clinoptilolite)와 체바자이트 (chabazite)가 이에 해당된다. 이들은 촉매나 흡착 능력은 구경이 큰 제올라이트들 보다 떨어지지만, 상대적으로 우수한 이온교환 특성을 지닌다.
따라서 수질 개선이나 각종 환경 개선 목적의 사업에 널리 이용된다. 특히 제올라이트 A는 합성세제 산업에 많이 응용된다. 전 세계적으로 세제 산업에서 환경 오염원이 되는 인을 대체하여 이 제올라이트가 널리 사용되는 추세이기 때문에 그 수요가 급증하고 있는 실정이다.
3. Zeolite의 구조
그림에서 제올라이트 A, ZSM-5, Zeolite-X or Y, Zeolite-L의 구조를 나타내었다. 제올라이트 A는 입구 크기가 교환된 양이온에 따라 3~5Å이며 내부에 지름 11Å 정도의 supercage, 또는 a-cage라 불리우는 큰 공동이 있다.
실리콘과 알류미늄의 비율(Si/Al)에 따라 X(Si/Al=1~1.5) 또는 Y(Si/Al=1.6~3)라 불리우는 제올라이트는 입구 크기가 7.4Å이며 내부에는 13Å 크기의 지름을 갖는 supercage가 있다.
이러한 형태의 제올라이트를 케이지형 제올라이트라 부르기도 한다. 이에 반해서 ZSM-5와 제올라이트-L과 같은 채널형 제올라이트도 있다.
ZSM-5의 경우 5.5 * 5.1Å 크기의 채널과 5.3 * 5.6Å 크기의 채널이 직교하고 있으며 제올라이트-L의 경우에는 직경이 7.1Å 크기의 채널이 한 방향으로만 흐르고 있다.
이러한 나노 세공 속으로는 물 분자는 물론이며 커다란 양이온들의 내부공동 출입이 자유롭게 일어난다. 이러한 성질들이 제올라이트를 장석으로부터 구별 짓게 하는 것이다. 사실 표면에 위치한 원자들은 내부에 위치한 원자들 보다 높은 에너지를 가지고 있다.
따라서 열역학적인 면에서 보면 내부에 커다란 세공이 많이 존재하는 제올라이트들은 장석류 보다 넒은 표면적을 가지고 있으므로 결국 장석류 보다 불안정한 광물들이다. 실제로 제올라이트들은 오랜 세월동안 지층 속으로 지열과 압력을 받으면 장석으로 변모한다.
이러한 관점에서 “제올라이트들은 장석류 중에서 분자들의 출입이 가능한 크기의 세공을 지니고 있는 다소 불안정한 장석류의 특수 계열”이라 정의할 수 있다.
[몇가지 대표적인 제올라이트의 골격구조와 결정 모양]
자연계에서

키워드

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