천연제올라이트를 이용한 방습제개발

한연희,이태진

영남대학교 화학공학과

Development of Drying Agent using Natural Zeolite.

Youn-Hee Han, Tae-Jin Lee

Department of Chemical Engineering, Yeungnam University

서론

방습제의 용도범위가 날로 증가해가고 있는 것과 함께 그 양적인 수요도 증가 하고 있다. 이런 현실적 배경하에서 기존의 silica gel을 중심으로 한 방습제에서 천연 제올라이트(natural zeolite)를 이용한 방습제에로의 전환과 품질향상을 통해 대부분 포장재 위주인 공업적 용도에서 가정용품 및 식의 약품 용도로의 원활한 용도전환이 필요하다. 기존의 silica gel의 제품은 산-알카리처리후에 나타나는 현저한 산성화로 인해 사용후 폐기되었을 때 토양과 수질을 산성화 시키며 공해의 원인이된다. 반면에 천연 zeolite는 산-알카리처리후에도 염기성으로 변화되기 때문에 비교적 폐기때의 공해의 위험성이 적은 것으로 알려져 있기 때문이다. 천연 zeolite를 사용함에 따라 파격적인 원가절감과 함께 공정의 단순화를 꾀할수 있으며 또한, 방습제에 대한 제품향상과 개선을 통한 신제품의 창출로 해외시장의 원활한 개척 및 수출증대 효과를 가져올 수 있으리라 여겨진다.

그리고 합성 zeolite는 미세공 결정구조, 선택적 흡착능력, 양이온 교환성 등의 특성이 있기 때문에 흡착제, 촉매, 이온교환제 등으로 활용하고 있다. 현재 상업화된 응용분야로는 원자로 핵폐기물중의 방사성 동위원소의 제거, 폐수중의 암모니아/암모늄 이온의 제거, 세제의 빌더 등이 있으며 특정 중금 속의 제거와 비철금속의 정제도 상업화가 진행중인 것으로 보고 되어있다[1,2].

본 연구에서는 천연 zeolite만을 이용하여 고온열처리 과정을 거친후에 방습제로서의 사용 유무를 확인하기 위한 실험을 수행하였다.

실험

천연 zeolite의 내부에 있는 불순물을 제거하기에 가장 적당하며 소성할 수 있는 적정온도를 찾기위해 기기분석(TGA)을 통하여 최적의 소성온도를 찾아보았다.

그리고 천연 zeolite의 방습효과를 알아보기 위해 천연 zeolite를 온도별로 소성하여 표면적과 흡습능력을 측정하였고 여기서 찾은 적정온도에다가 다시 원광을 산-알카리처리를 해서 표면적관계와 흡습능력을 비교측정하였다.

소성온도를 200℃, 400℃, 600℃ 및 800℃의 다양한 온도로서 천연 zeolite를 전기로(Electric Muffle Furnace)를 이용하여 소성하고 소성시간은 2시간으로 하였다. 그리고 이것을 BET(gemini;micrometrics)로 표면적을 측정하고 일차적인 흡습능력을 측정하였다.

산-알칼리처리에 사용된 시약은 산처리시에는 1N-H2SO4가 사용되었으며 알칼리처리시에는 1N-NaOH를 각각 사용하였고 산-알칼리처리시에는 산처리후 알칼리처리를 한후 세척하였다.

결과 및 고찰

Fig.1에 천연 Zeolite의 온도에 따른 무게비 감량을 확인하기위하여 TGA분석결과를 나타내었다.

Fig.1. 천연 zeolite의 TGA측정

분석한결과로서 200℃까지는 수분의 영향으로 볼수가 있으며 그이후의 온도에서 감소하는 것을 미생물또는 불순물로 볼수가 있다. 이 분석결과로 보면 200℃까지는 비교적 많은양이 감소하지만 400℃이후의 온도에서는 무게가 조금씩 감소함을 알수가 있다. 또한 600℃이상에서는 무게 감소가 거의 미미하게 나타난다. 이 분석으로 인해 소성온도는 400℃내외가 적당한 것으로 보였다. 그리고 이 TGA curve가 보여주는 다른 측면은 이 천연 zeolite가 다른 기존의 알려진 방습제에 비해서 높은 온도까지도 흡착이 가능함을 보여주고 있다.

Table 1. 각소성온도별 Surface area

	원광	200℃ Cal.	400℃ Cal.	600℃ Cal.	800℃ Cal.
Serface area	38.2	39.7	51.7	54.0	24.1

각각의 온도에 따른 Serface area를 보면 원광에서부터 400까지는 급격한 증가를 나타내고 600℃에서는 약간의 증가를 보이다가 800℃에서는 오히려 감소하는 것을 볼수가 있다. 통상적으로 표면적이 넓을수록 반응성이 크다고 알려져 있으므로 600℃이상이 되면 오히려 반응성이 줄어든다고 볼수가 있다. 그것은 600℃이상의 온도에서는 원광에 다른 저해한 물성변화가 일어난다고 생각할 수가 있다.

과연 측정한 표면적이 흡습율에는 어떠한 영향을 미치는지를 알기위해 흡습율실험을 행하였다. 그결과는 다른 소성온도에서는 거의 비슷하거나 온도가 높을수록 약간 높은 흡습율을 보였지만 800℃에서 소성한 것은 다른것에 비해 반정도의 흡습율밖에 나타내지 못하였다. 이런 결과로 얻을수 있는 것은 원광을 600℃이상까지 소성할필요가 없다는 것을 알게되었다.

이것으로 볼 때 전처리의 온도가 높아질수록 Surface area가 증가하면서 흡습율도 다소 증가함을 알수가 있다(단, 800℃이상은 오히려 감소함). 그러나 소성온도가 증가하는 만큼 흡습율이 증가하지 않으므로 경제적인 가치면에서 본다면 소성온도를 너무 높게 올릴필요가 없는 것으로 예상된다. 400℃까지만 소성하더라도 흡습에는 별지장을 주지않는 것으로 Fig.2를 보면 알수가 있다.

다음 실험은 천연 zeolite에 각각 산처리와 알칼리처리를 한것과 산-알칼리 동시처리한 것을 비교하였다. 그리고 이후의 소성온도는 위에서 나타난 적정소성온도 400℃에서 고정시켰다.

Fig.2. 각소성온도별 흡습율 측정

Table 2로 볼 때 산처리한 것이 표면적이 제일 많게 나타나고 그다음은 알칼리처리한것과 동시에 처리한 것이 비슷한 것으로 나타났다. 그러나 이 화학적처리를 한것들의 표면적으로만 봤을땐 화학적처리를 거치지 않고 열처리만 한것보다 표면적이 훨씬 작음을 알수가 있다. 이 수치로 보자면 열처리 한것보다 흡습율이 떨어진다고 말할 수도있다. 그러나 zeolite는 균일한 기공구조(pore structure)로 이루어져 있고 기공구조내에는 전하의 평형을 유지하기 위하여 양이온들이 존재하게 되는데 존재하는 양이온의 종류 및 위치에 따라 기공의 크기가 달라지고 따라서 침투가능한 분자의 선택범위는 달라진다고 한다[3]. 그러나 이런 기공구조내의 변화가 있더라도 수분의 흡습에는 별 영향이 없는 것으로 생각된다.

Table 2. 화학처리후의 Surface area

	산성처리	알칼리처리	산-알칼리처리
소성온도(400℃)	44.7	32.7	33.1

위 결과들을 종합해보면 천연 zeolite를 가지고 방습제를 만들때의 열처리는 온도가 높을수록 좋지만 경제적으로 알맞는 온도는 200∼400℃부근이며 특히, 800℃이상에서는 오히려 효과가 감소하는 것으로 나타났다. 그리고 산-알칼리처리시에는 산처리만 하는 것이 흡습에 가장 좋은 결과를 얻을 수 있다는 것을 알게 되었으나 실제로 흡습에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다.

참고문헌

1. Semmens, J.D. and Ross, R.J.: "Proceedings of the InternationalConference            on Zeolite", 823(1980).

2.  Wiers, H.H. et al.: Envir. Sci. Tech., 16, 617(1982).

3.  김동현, 허남호, 김종택: □이온교환한 제올라이트 A의 연료기체분자 저장특성     Ⅱ. Cs-A 제올라이트내 수소의 확산□, 29(6), 712(1991).