나노 세공 분자체 를 대표 하는 제 올 라 이 트 나노바이오화학과 04502017 박지연

목차 1. 제올라이트란 ? 2. 제올라이트 무기막의 구성 3. 제올라이트 무기막의 형성과정 4. 제올라이트 무기막의 제조방법 1. 제올라이트란 ? 2. 제올라이트 무기막의 구성 3. 제올라이트 무기막의 형성과정 4. 제올라이트 무기막의 제조방법 5. 제올라이트의 종류 6. 산업전망 결론

제올라이트란 ? *결정성 알루미노규산염의 총칭 *비등하다(zeo) + 돌(Lite) = 제올라이트 *나노 미터 크기보다 작은 극미세공을 내부에 무수히 갖고 있는 다공성결정체 그리스어로 비등하다(zeo)와 돌(Lite)이라는 의미로 이것은 제올라이트를 가열, 감압하면 내부의 결정수를 방출하는 특성이 있어 그모습이 비등하는 것처럼보이기 때문에 붙여진 이름이다. 이온교환제 분리제 또는 촉매 등의 용도로 널리 사용되고 있습닞다. 특히 제올라이트 분자체의 고표면적, 세공구조의 균일성 및 분자 형상선택성특성으로인하여 현재 정유및 석유화학 흡착공정에서 기체나 화합물을 분리 정제하는데 널리사용되고 있습니다. 기체분리: 질소에 대한 이같은 선택적인 흡수성때문에 제올라이트는 대기의 두가지 주요구성성분을 싼비용으로 분리하는데 사용된다. 제올라이트가 질소를 선택적으로 흡수하는 이유는 질소와 산소기체는 모두 거의 같은 크기의 비극성 분자들입니다. 이 질문제 답하기 위해서전자보다는 원자핵을 살펴보아야하는데 핵은 구형일수도 있지만 타원형일수도있습니다. 핵이 럭비공처럼 타원형이라면 핵은 사중극자모멘트라고 알려진 불균일하게 분포된 핵전하를 갖게됩니다. 산소의 핵은 구형이므로 사중극자모멘트를 갖지않습니다. 제올라이트공동의 내부는 아주 높은전자전하를 포함하고있기때문에 질소분자등과 같이 사중극자 모멘트를 갖는 핵을 끌어당기고 있습니다. 이러한 효과는 전자의 쌍극자 모멘트보다는 훨씬더 작고 화학적 성질의 관점에서 그다지 중요하지 않습니다.

미세세공체인 제올라이트는 거대세공체에비하여 세공의 크기가 극히 작은것을 눈으로 확인 할 수 있습니다.

Faujasite structure,zeolites X and Y history 1970-> 실리카 함량이 매우 높은 제올라이트합성 1980-> AlPO4-n 이라는 알루미늄과 인으로 구성된 실리콘없는 세공체 합성 1990-> 메조 세공체 1980-> 12개의 사면체구조 세제 흡착제 촉매 (정유,석유화학공정) Zeolite A structure Faujasite structure,zeolites X and Y

나노세공체의 크기에 따라서 미세세공체 메조세공체 거대세공체가 있습니다. 다음그림은 현재까지 개발된 시기에 따른 미세세공체의 세공구조와 세공크기를 보여주고있으며 다양한 구조의 세공체가 계속 만들어지고있습니다.

제올라이트 무기막의 구성 막투과를 조절할 수있는 제올라이트의 막층의 여러가지 형태 A B 다공성 또는 메조세공을 갖는 담체에 제올라이트층을 주로 수열합성법에 의해 형성시키는 경우로 점토 알루미나 금속막 등의 다공성 담체에서 많이 시도되었다. MFI - 형태의 제올라이트 층이 주로 코팅되었으며 일반적으로 제올라이트 층이 담체의 계면과 강하게 화학결합을 형성한다. 반면 테프론이나 탄소 담체에 제올라이트가 코팅될 경우에는 결합력이 없기때문에 제올라이트층이 담체에서 분리된다. C D 규칙적으로미세한 구멍이나있는 스테인레스 스틸과 같은 무다공성의 담체 상에 제올라이트층이 형성될때 담체의 전표면을 뒤덮거나 담체의 구멍입구에서 제올라이트가 성장하는 경우 F Silicalite과 같은 고분자 막에 제올라이트 결정을 담지하는 경우 , 기체투과시 고분자 막에 함유된 제올라이트 결정은 선택적인 기체의 저장 자리로서작용한다.

제올라이트 무기막의 형성과정 수열합성법에 따른 제올라이트합성방법 은 잘알려진것처럼 90도이상의 온도와 그때 발생되는 압력에서 알루미노실리케이트겔의 결정화에 의해 진행된다. 그림2 : 제올라이트 막을 담체에 코팅하는 설계방법은 그림에 나타낸 것과 같이 몇가지 방법으로 구분해 볼 수있다. 첫번째로 미리 형성된 제올라이트결정을 담체에 담지 시키는 방법이 있다 제올라이트막을 성장시키는 방법으로 두번째그림과 같이 콜로이달 또는 폴리머릭 무정형의 전구체가 담체안으로 전달된후 과포화상태를 제공하는 수열합성 조건에서 담체의 빈공간내에서 결정을 성장시켜 표면을 막는 방법으로 때로는 담체 자체가 제올라이트합성에 필요한물질을 제공하는 역할을 하기도 한다.

제올라이트 무기막의 제조방법 수열합성법 농도가 낮은 합성용액의 중간 or 위 부분에 담체를 고정시킨 후 담체(알루미나, 석영, 테프론 등)의 밑 부분에서 결정이 자라도록 하는방법 제올라이트가 과포화 상태의 용액 상에서 제올라이트전구체의 겔과 물 및 아민용액 기체가 공존된 상태에서 서로 반응하여 제올라이트로 결정화 종래의 수열 합성에서는 핵생성과 결정성장이 동시에 일어날 수 있기때문에 고상 석출이 병행되는 용액의 각 성분 농도가 연속적으로 변화하여 매우 균일한 입자경 조성을 갖는 제올라이트의 합성이 어려웠다. 최근에는 핵용액의 합성과 핵성장을 분리한 2단계합성법을 개발함으로써 교반조선하에서 포저사이트의 합성에 성공하였다. 지금까지는 포저사이트의 합성은 무교반하에서 행하였기때문에 장치내 흐름제어가 어려워 대형화가 곤란하였고 교반시키면 충분한결정화가 일어나지 않았다. 또한 제올라이트및 ZSM-5의 합성에 이러한 개념을 이용하여 제올ㄹ라이트 나노콜로이드의 합성 및 제올라이트막 합성이 보고되고 있으며 제올라이트의 핵을 합성하고 이를 박막합성에 이용하려는 시도가 활발해지고 있어 향후 전개가 기대되고있다. 기질표면[[기질의 표면 성질과 합성용액의 조성(제올라이트막의 유형결정)]] 동일한 제올라이트합성조성과 합성온도에서도 알파-Al2O3 표면에서는 analcime이 점토효면에서는 ZSM-5그리고 ZrO2-알파-Al2O3복합막의 표면에서는 analcime, ZSM-5홈합물이 생성되었다.

기상전달법 고상의 겔과 용액의 기체가 직접 반응하여 제올라이트가 생성 ( 액상과 고상의 겔의 직접적인 접촉 없음 ) 막의 두께나 크기를 조절하는 방법 수열합성법에비해 수월

ZSM-5 Ferrierite 제조에 이용 상단:고상의 겔 , 하단: 아민+물 180˚C .3일 제올라이트 (결정성과 구조는 겔뿐아니라 유기용액 증기의 조성에 의존) 이 장치는 상단에 고상의 겔과 하단에 아민 및 물의 용액이 위치하는 부분으로 나눠집니다. 이때 겔은 다공성고분자필터위에 놓이고 아민과 물의 증기와의 반응에 의해 결정화되는데 180도에서 3일간 반응시켜 제올라이트가 제조됩니다. 이때 제올라이트의 결정성과 구조는 겔뿐만아니라 유기용액 증기의 조성에 의존한다고 알려져 있습니다. ((이 제조방법은 겔의 조성과 합성된 제올라이트결정의 비율이 동일하며 액상과 제올라이트결정이 분리되기 때문에 연속적인 제조가 가능합니다. 또한 원하는 모양으로 미리 배열되는 무정형의 겔로부터 제올라이트를 제조할 수있다는 점이 특징으로 지적됩니다. )) 다른방법은 유기막으로 제조되므로 제올라이트 무기막에 비해 내열성이 문제가 있어 그 이용에 한계가 있습니다.

제올라이트의 종류 ZSM-5 MFI구조 : 5.5Å 크기의 미세세공의 직선형 채널과 사인곡선형 채널이 서로 직교하는 결정성을 갖는 제올라이트 큰 나노세공과 작은 나노세공이 공존하는 ZSM-5 제올라이트의 전자현미경 사진. 제올라이트 입자 하나하나가 머리카락 굵기의 수십만분의 1에 해당하는 작은 나노결정으로 이루어져 있으며 결정 사이의 공간이 큰 나노세공에 해당한다./KAIST 제공/경제/과학/ 2006.8.7 KAIST 제공/경제/과학/ 2006.8.7

다공성 알루미나 담체를 비교적 농도가 낮은 합성용액의 수면 부위에 위치시켜 ZSM-5제올라이트막 제조 ( 175℃ 수열합성법 ) 알루미나 담체의 기공안쪽, 과포화상태 ( 결 정 화 시 작 ) 기공 바깥쪽으로 결정화 진행 ( 연속적 분리막층형성 ) 담체표면에 대하여 수직방향의 결정이 서로 연결되어 이루어져있는데 제올라이트 결정형태는 합성용액의 조성보다는 담체의 영향이 더 큰것으로 알려져있다.

ZSM-5외에도 silicalite-1 제올라이트는 앞에서 설명된 ZSM-5와 동일한 M랴 구조로서 실리카 성분으로만 이루어진 제올라이트이고 Ferrierite 제올라이트는 높은 si/Al비를 가지며 4.2x5.4Å 크기의 채널과 4.8x3.5Å 크기의 채널이 서로 직교하는 구조를 지닌다. A형 제올라이트는 촉매, 세제에서 가장 많이 사용되는 제올라이트로 Si/Al비가 1로서 3~4.5Å 크기의 세공을 지닌 제올라이트 , 세공크기가 작고 합성이 쉽다는 점에서 분리막으로 이용될 가능성이 높은 제올라이트로 알려져있다.

산업전망, 결론 균일한 미세공을 갖는 결정성 알루미노규산염으로 형상선택성이 우수한 촉매, 고체산촉매, 금속담지촉매로서 기대 배기가스정화(탈지촉매), 가스분리(흡착분리제) 석유화학산업의 고체산 촉매및 흡착제로 사용 Al과 Si을 함유하지 않는 새로운 나노세공분자체개발 => 훨씬 넓고 다양한 연구활동 기대 제올라이트를 의학적으로 응용할 수 있는 방법을 빨리 모색하여 제올라이트의 극미세공을 이용한 세균의 잡힘 혹은 극미세공의 크기조절과 탄소나노튜브를이용한 병의 진단과 치료에 쓰일 수있는 방안이 빨리 발전해야겠습니다.(제올라이트는 병원체를 잡고 탄소나노튜브에는 병원체를 치료할 수있는 물질을 넣어 치료하는 방법이 빨리 발전 되었으면 좋겠다는 생각으로 제올라이트에대한 발표를 마치겠습니다.)