무기화학실험 | The Preparation and Characterization of X-Type Zeolite

 

 

 

TIP

 

 

1. 이온교환, 촉매, 흡착제 및 탈수제, 분자 체로서의 기능을 갖고 있다. 
2. 벤젠을 이용하여 흡착시키므로 제올라이트의 특성을 알수 있다
3. 열적 안정성, 이온교환에 대하여 확인해 볼 수 있다.
4. IR과 TGA (Thermogravimetric Analyzer)로 확인해 볼 수 있다.

 

 

 

제올라이트(Zeolite)

제올라이트는 끓는(zein) 돌(litos)라는 그리스어에서 유래한 알루미노 규산염 (aluminosilicate) 의 총칭으로, 일반적으로 그 결정 내부에 존재하는 특이한 세공구조 때문에 산업적으로 유용한 각종 물리화학적 특성을 갖는 천연 및 합성 광물질을 일컫는다.

 

1756년 스웨덴의 광물학자 Cronstedt는 취관(blowpipe)으로 가열하면 수증기를 발생시켜 마치 끓는 듯한 양상을 보이는 특이한 광물 (오늘날의 제올라이트 광종 분류 체계로는 스틸바이트(stilbite)에 해당)을 보고하였다. 그는 이 광물의 명칭을 그리스 어원의 끓는 돌(zein lithos)이라는 의미를 갖는 말을 사용하여 zeolite라고 부를 것을 제안했다. 오늘날 제올라이트는 천연 제올라이트와 합성 제올라이트로 크게 분류할 수 있으며 천연 제올라이트가 발견된 이후, 합성 제올라이트는 1938년 처음으로 Besser등에 의해 연구되어, 1945년 이후 대량 생산이 이루어졌다.

 

많은 학자들의 연구 결과로 현재 46종의 천연 제올라이트와 200여종의 합성 제올라이트가 알려져 있다. 이들은 결정 구조, 화학 조성, 및 물리화학적 특성 면에서 서로 다르지만, 주변 조건에 따라 그 구조 내에 분자들이 쉽게 드나들 수 있을 만큼 큰 공간을 형성한다는 공통적인 특징이 있다. 오늘날 제올라이트는 이와 같은 결정 구조상의 특징을 갖는 천연 및 합성 광물들의 군집 명칭으로서 사용된다.

 

 

천연에서 산출되는 제올라이트는 양이온 교환특성을 이용한 경수 연화제 외에 별다른 용도가 없었다. 1950년대에 알카리성 반응물을 수열반응(hydrothermal reaction)시켜 제올라이트가 합성되고, 천연물과 구조가 다르고 공업적 용도가 있는 제올라이트가 합성되면서 제올라이트에 관한 연구가 매우 활발해 졌다. 제올라이트의 결정구조가 밝혀지고 세공크기의 제한으로 인하여 분자크기에 따라 선택적으로 흡착된다는 현상이 알려지면서, 흡착제와 촉매 분야에서 많이 연구되었다. 분자크기에 따른 분리 효과를 강조하여 분자체(molecular sieve)라는 이름을 불리기도 한다.

 

1960년대 초 합성 제올라이트가 크래킹 반응에서 실리카-알루미나 보다 촉매 활성이 높다는 점이 알려지면서 제올라이트는 촉매로서 연구되기 시작하였다. 양이온을 교환시키거나 실리카/알루미나의 구성비를 바꾸어 제올라이트의 산성도를 조절할 수 있고, 분자체 효과에 의해 특정한 촉매반응만 선택적으로 진행된다는 특징이 있어, 고체산 촉매로서 관심이 높아졌다.

 

크래킹 이외에도 산 촉매반응인 크실렌의 이성화, 톨루엔의 알킬화, 접촉개질(catalytic reforming)등 다양한 반응에 제올라이트가 촉매로 연구되었으며, 이제는 중요한 공업 촉매로서 여러 공정에 사용되고 있다. 1976년 Mobil사가 특이한 구조를 가진 제올라이트 ZSM-5 촉매를 이용하여 메탄올을 가솔린으로 전화시키는 공정 (methonal to gasoline, MTG)를 발표하여 제올라이트 촉매의 새로운 응용 가능성을 열어주었다.

 

석탄이나 오일 셰일(oil shale)로부터 메탄올을 거쳐 탄화수소를 합성하는, 즉 여러 화석연료 자원에서 에너지 및 화학공업의 원료를 제조하는 획기적인 기술로 인정받고 있다. 에너지를 자국산 천연가스로부터 확보하려는 노력으로 추진되었다고 하나, 1986년 뉴질랜드에 MTG 공장이 건설되어 조업되고 있다.

 

ZSM-5 촉매를 이용한 메탄올 전환공정은 가솔린 제조뿐 아니라 메탄올이나 합성가스로부터 올레핀 또는 방향족 화합물 등 특정한 석유화학공업의 원료를 생산하려는 시도로 확대되고 있다. 올레핀을 출발물질로 하는 기존의 석유화학공업 대신 메탄올을 석유화학공업의 출발물질로 하는 새로운 체계도 검토되고 있어, 제올라이트 촉매에 관한 연구는 여러 분야로 확장되고 있다.

 

제올라이트 결정의 기본단위는 규소와 알루미늄원자(T)가 네 개의 산소원자와 배위하여 이룬 TO₄ 단위이다. 다양한 결정구조는 이 단위들의 배열방법에 따라 이루어진다. 제올라이트는 규소와 알루미늄으로 이루어지나, 이들을 다른 원소로 대치한 제올라이트 유사물질도 합성되었다. 규소 대신 알루미늄과 인으로 이루어진 AlPO₄ 계열 분자체, 알루미늄대신 티타늄이 들어있는 규소-티타늄 분자체외에도 붕소, 칼륨, 철 및 망간 등이 골격을 이루고 있는 분자체들도 보고되고 있다.

 

이들을 제올라이트 유사물질(zeo-lite like material)로 분류하기도 하나, 제올라이트의 특징인 가역 흡착-탈착, 분자체 효과를 보이며, 제올라이트와 같은 방법으로 이루어진 다공성 결정이라는 점에서, 제올라이트의 정의를 확대하여 이들도 제올라이트라고 보는 편이 타당하리라 생각한다. 즉, 구성원소보다 결합방법에 기준을 두는 쪽으로 개념을 확대시키는 것이 바람직하나, 아직은 알루미늄과 규소로 이루어진 물질을 제올라이트로 제한하여 부르기도 한다. 금속원소가 골격에 포함된 금속 제올라이트(metallozeolite)는 금속 고유의 성질과 제올라이트 골격이 상승 작용하여 독특한 촉매작용을 나타낼 가능성이 있어, 새로운 촉매 재료로 기대되고 있다.

728x90

 

 

실험 방법

1. Zeolite 합성

1) Silicalgel 3.0g+ NaOH 2.4g+ 6㎖ 증류수

 

2) Al(OH)₃ 2.64g + NaOH 2.4g + 9㎖ 증류수(10m, 80℃, stirring)

 

3) 두 용액을 혼합+ 증류수 27㎖ (stirring)

 

4) Polypropylene screw cap bottle에 넣고 90℃ 3h

 

5) 식힌 후 Filter, 여과, 세척, 건조

 

6) 무게 측정, IR,TGA

 

2. TGA(열무게 분석 측정법)

1) 시간에 따라 시효의 온도를 일정 속도로 증가

 

2) 시료의 무게를 시간 또는 온도의 함수로 연속적 기록

 

3) 온도 범위 : 실온 ~ 1500 ℃ (실온 ~ 700 ℃)

 

4) 가열 및 냉각 속도 : 0 ~ 200 ℃ /min

 

5) 질소 or 아르곤 기류

 

6) 분해, 산화, 기화, 승화, 탈착 등의 변화

 

 

 

[Chemistry/무기화학] - 무기화학실험 | 제올라이트 특징 및 제조(The Preparation and Characterization of an X-Type Zeolite)

 

 

[무기화학실험]제올라이트 합성과 물리적 특성 확인(Synthesizing zeolite and identification of physical charac

 

 

[무기화학실험]The Preparation and Characterization of X-Type Zeolite 레포트