천연제올라이트를 이용한 다기능 흡습제 개발

한연희, 이두형, 최병렬, 임창진, 장원철, 이태진

영남대학교 화학공학과

Development of Multifuntional Drying Agents using Natural Zeolite

Youn-hee Han, Doo-hyoung Lee, Byung-yul Choi, Chang-jin Lim, Won-chul Chang, Tae-jin Lee

School of Chemical Engineering and Technologe, Yeungnam University

서론

천연 zeolite는 1756년 Cronstedt에 의해 최초로 발견된 이래 현재까지 30여종이 알려져 있으며, 1940년 Barrer 등에 의하여 알칼리성 aluminate와 silicate 혼합액으로부터 수열합성된 것으로부터 지금까지 100여종의 합성 zeolite가 알려져 있다. 촉매와 흡착제로서 합성 zeolite가 각광을 받고 있는 것은 이미 널리 알려져 온 바이지만 천연 zeolite가 가격이 비교적 저렴하고 그의 광물적 특성과 화학적 표면작용이 새롭게 평가됨으로 인하여 여러방면에 있어서 공업적인 이용이 높이 평가 되고 있는 것은 최근의 일이다. 또한, 합성 zeolite는 천연산보다 그 품질이 균일하고 특성이 우수하여 지금까지 이에 관한 연구가 많이 진행되어 오고 있고, 이의 공업적 응용도도 급속히 개발되어 흡착제, 촉매, 세제보조제, 토지개량제 등 여러 분야에 이용되고 있다[1-5]. 그러나 합성 zeolite를 흡습제에 이용할 경우 기존의 silica gel의 흡습제보다 원료의 비용면에서 높은 가격을 유지함에 따라 천연 zeolite의 우위성이 대두된다. 그러므로 본 연구에서는 흡습제의 공업화 및 상품화에 있어서 천연 zeolite의 가격적인 우위와 국내에서 원만한 원료 공급이 가능한 점에 착안하여 천연 zeolite를 이용한 흡습제 개발 실험을 수행하였다.

종래의 생활습관이 개선되어지면서 흡습제의 용도가 다양해지고 있는 것과 함께 그 양적인 수요도 증가하고 있다. 이는 산업용뿐만 아니라 생활용으로도 많은 제품이 생산되면서 그에 따른 시장형성이 대형화되는 추세로 전환되었기 때문이다. 그러나 현재 사용되고 있는 흡습제는 여러 가지 목적에 다용도로 사용되어지는 것이 아니라 제품이 한 가지 목적에만 국한되고 있어 흡습제에 대한 수요자의 다양한 욕구를 만족시키기에는 부족한 실정이다. 즉, 흡습제는 흡습만 하는 기능을 가지며 탈취제는 탈취의 능력만 가지는 등의 제한된 기능만을 가지고 있다. 그러므로 이번 연구에서는 여러 가지 용도 즉, 한 제품으로서 흡습은 물론 방향, 방충, 기능뿐만 아니라 탈취의 기능까지 포함된 다기능성 흡습제를 개발하는 것이 그 목적이다. 또한, 부분적인 응용가능성이 있는 흡습과 방향, 흡습과 탈취등의 형태로의 즉, 흡습기능에 바탕을 둔 다른 기능을 짝으로 연결시켜 새로운 기능을 가지는 흡습제의 용도를 다양화시켜 보는 것도 본 실험 내용중의 하나이다.

이를 위하여 천연 zeolite를 이용한 흡습제개발에 대하여 방향제의 첨가방법과 지속성 시험, 그리고 흡습제를 위주로 첨가제를 사용하여 탈취능력을 가지게 하는 시도를 행하였다. 또한, 기존 흡습제에 탈취제를 혼합하여 탈취력 측정 시험도 함께 행하여서 흡습성이 그대로 유지되면서 다기능 또는 목적하는 다른 기능이 첨가된 복합적인 능력을 가진 흡습제의 개발가능성을 타진하였다.

실험

흡습제의 제조는 천연 zeolite에 CaCl2 8wt%를 함침하여 전기로에서 250℃, 90분동안 소성하여 제조하였다. 그리고 방향성 흡습제의 제조는 경제적인면을 생각해볼 때 합성 방향제의 원액을 생산하는 것 보다 직접 구입하여 사용하는 것이 경제적이라고 판단되어 본 실험에서는 원액대비 약 15%의 방향제를 구입하여 사용하였다. 이 원액의 방향제를 먼저 제조한 흡습제에 첨가하여 방향성 흡습제를 제조하였다. 방향제를 첨가하는 방법에 있어서는 조성의 비로 무게비에 의해 첨가를 하였으며 그 무게비로는 5wt%, 15wt%, 30wt%의 것을 각각 제조하였다. 또한, 방향제의 첨가 후에 휘발방지를 위해 소성을 시키지 않고 건조기(100±5℃)에서 건조만 하였으며 건조 시간을 달리 하여 제조하기도 하였다.

그리고 탈취성 흡습제의 제조는 최근 악취를 제거하기 위해 공기청정기나 실내 에어컨에 탈취성능을 부여한 필터를 사용하는 경우가 많다. 이와 같은 탈취성 필터는 악취를 순간적으로 제거하면서도 필터 교환빈도를 적게 함으로써 탈취 성능을 장기간 지속시키는 것이 요구되고 있다. 종래에는 필터에 탈취성능을 부여하기 위해 사용되는 탈취제로는 zeolite 등의 다공질 재료에 금속염을 함침시킨 탈취제, 플라보노이드계 탈취제, 금속염과 유기산으로 이루어진 탈취제 등이 알려져 있다. 그러나 이러한 탈취제를 부착시킨 탈취성 필터는 탈취 효용성 및 지속성이 낮았고 표면적을 가진 탈취기능의 물질로 활성탄이 잘 알려져 있다. 활성탄은 비표면적이 크고, 높은 흡착능을 보이는 탄소체로서 수소, 산소, 무기성분을 포함한 것 외에 글라페이트상의 평면결정자가 복잡하게 조합된 무정형탄소로서 다공성인 물질이다. 그리고 활성탄은 소수성 흡착제로 물보다 유분을 강하게 흡착시키고, 또 전자 수용체로서 할로겐을 잘 흡착시킬 수 있다. 그러므로 본 실험에서는 공정의 단순화를 위해 금속의 미립자를 담체에 담지를 시키거나 흡수시키는 방법이 아닌 탈취성 물질과 흡습제를 혼합하는 방법으로 탈취제를 제조하였다. 기존의 흡습제 원료로 사용되고 zeolite를 가지고 흡습제를 제조한 후 탈취성 물질과 혼합하는 방법으로 제조하였다. 또한, 흡습제에 혼합할 탈취제의 첨가물로서는 탈산제 또는 탈취제로 외국에서도 많이 사용되어지는 산화철(Fe2O3)과 수산화철(Fe2O(OH))등 과 Iron powder등을 기존의 제품에 무게비로 혼합하여 제조하였다.

탈취능력을 측정할 수 있는 실험장치를 그림1에 나타내었다. 악취실험을 위한 모사 가스로는 H2S가스를 사용하였으며, 500ml 삼각플라스크에 제조된 탈취제를 넣고 40cc/min 으로 H2S를 5분동안 흘리고 난 뒤 24시간 뒤에 삼각플라스크에 남아있는 가스를 Gas-Chromatograph(이하 GC)로 분석하였다.

1. N2 gas                  2. Mass flow controler

3. On-off Valve             4. 삼각 flask

5. Gas-Chromatograph

그림1. 탈취력 측정 실험장치

결과 및 고찰

그림 2에 CaCl2의 농도별 흡습율을 나타내었다. CaCl2의 농도가 높으면 높을수록 흡습율이 증가함을 알수가 있다. 그러나 그림에서 보면 10wt%와 8wt%일때는 흡습율에서 별 차이가 나타나지 않으므로 이후의 실험에서 사용한 CaCl2의 농도는 8wt%로 하였다.

방향성 흡습제의 실험결과를 표 1에 나타내었다. 표 1의 실험은 미분 발생방지 포장지로 포장된 상태로 실험을 하였기 때문에 bulk형태의 흡습율보다 다소 낮게 나타났다. 그러나 이런 결과는 방향성의 지속성면에서는 좋은 결과를 나타냈다.

탈취제의 실험에서도 방향성 흡습제와 마찬가지인 기존의 흡습제에 여러 가지 첨가물을 무게비로 혼합하는 방법으로 탈취제를 제조하였다.

그림2. CaCl2의 농도별 흡습율측정

표 1. 방향제의 농도별 흡습률과 지속성 (건조시간 - 2시간, 포장품)

방향제 농 도 시간 (hr)	5wt%		15wt%		30wt%
	흡습율	지속성	흡습율	지속성	흡습율	지속성
25	8.09%	○	7.20%	○	6.36%	○
70	17.48%	○	14.28%	○	13.31%	○
120	24.73%	○	22.14%	○	20.52%	○
200	34.61%	○	30.57%	○	28.75%	○
250	36.76%	○	32.49%	○	30.58%	○
300	38.54%	○	34.21%	○	31.74%	○
650	61.07%	○	55.27%	○	52.37%	○
750	65.74%	○	58.73%	○	55.08%	○

그림1의 실험장치를 이용하여 탈취실험을 행하였다. 실제 삼각플라스크에 들어가는 H2S의 양이 얼마인지를 측정하기 위하여 용기에 H2S를 200cc/5min을 흘린 뒤 GC로 측정하였다. 그리고 염화칼슘을 함침한 것을 삼각플라스크에 넣고 성능 실험을 수행하였다. 1g의 흡습제를 삼각플라스크에 넣고 24시간 경과 후에 GC로 검출한 결과 H2S성분이 남아있는 것이 확인되었으며 이 때 H2S의 제거율은 85.46%였다. 이런 결과로부터 흡습제로 쓰이는 zeolite 자체의 기공이 가스를 흡착할 수 있다고 판단되었고다. 그러나 여전히 흡습제 자체만으로는 탈취성이 부족하다고 볼 수가 있었다. 그러므로 이런 단점 보완을 위한 실험으로 흡습제에 Fe2O(OH) 0.1g을 첨가하여 탈취성능 향상 여부를 확인하여 보았다. 24시간후의 GC분석결과를 보면 H2S가 검출되지 않았으며 H2S 가스의 제거율이 100%로 나타났다. 탈취 첨가제를 달리하여 Fe2O3 0.1g을 첨가한 후 측정결과는 H2S성분이 완전히 없어지지 않고 남아있는 것으로 나타났으며 Fe2O3의 H2S가스의 제거율은 91.93%로 나타났다. 그리고 흡습제 1g에 Fe Powder 사용하여 측정한 결과는 제거율이 84.83%로 다소 저조하게 나타났다.

이런 결과로부터 본 실험에서 실험한 결과로는 탈산제로 쓰이는 첨가제 중에서는 Fe2O(OH)가 H2S가스의 제거율이 가장 좋다고 볼 수가 있었으며 그 첨가비율은 흡습제 100중량당 10으로 하는 것이 적절하다고 판단되었다.

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.   原伸宜, 高矯浩.: □ □□□□□□基礎와應用□, p.314, 講談社, (1975).

4.  Barrer,  R.M.: Trans. Faraday Soc., 40, 555(1944).

5.  Sherry, H.S. and Walton, H.: J. Phys. Chem., 71, 1475 (1969).