Al2O3-SiO2-TiO2 세라믹 복합막의 제조 및 투과측정

김명원, 김영채

한양대학교 화학공학과

Preparation and premeance measurement of Al2O3-SiO2-TiO2 ceramic composite membrane

Myoungwon Kim and Young Chai Kim

Department of Chemical Engineering, Hanyang University

서론

유기막의 단점을 보완하기 위하여 무기막의 개발에 많은 연구가 진행중이다. 무기막은 유기막에 비해 열적, 기계적, 화학적으로 안정한 특성을 지니고 있기 때문에 그 응용분야가 포괄적이어서 분리기술의 발달에 광범위하게 이용되어질 것이다[1]. 본 연구는 단일 성분으로서의 세라믹 재질이 그 성능을 최대한 발휘하지 못하는 것을 보완하고, 기존의 막이 지지체 위에 박막(thin film)을 입히는 공정을 통해 투과도와 선택도를 높이는 과정을 생략하기 위하여 세라믹 소재로서 활성이 좋은 세 개의 Al2O3-SiO2-TiO2를 몰비를 다르게 하며 졸-겔법으로 합성 하였다[3]. 졸-겔법이란 화학적인 방법에 의하여 무기재료를 만드는 공정을 광범위하게 일컫는 말로서, 분자단위의 혼합으로 균질도가 매우 높고 비평형 상태의 물질도 제조 가능하므로 기존의 방법으로는 만들 수 없는 무기물질의 제조가 가능하다. 출발 물질로 보통 무기염 또는 금속유기화합물(metalorganic compound)이 이용되며, 균일한 졸의 생성, 졸의 겔화(gelation) 및 열처리 단계를 거쳐 원하는 형태의 무기물을 만드는 과정으로 이루어진다. 출발물질의 가수분해반응(hydrolysis)과 축합반응(polycondensation)이 저온의 액상에서 일어나는 등 졸-겔법은 기존의 방법들에 비하여 여러가지의 장점을 가지고 있다[2,4]. 이러한 졸-겔법의 장점을 이용하여 제조된 몰비가 다른 세 개의 복합막이 같은 제조조건에서 각각 다른 성질을 지니고 있음을  확인할 수 있었다. 이렇게 제조된 세 개의 복합막을 대기환경과 지구온난화의 주요인인 CO2 분리에 이용하기 위하여 그 구조특성과 투과특성을 중점적으로 연구 하였다.

이론

전형적인 세라믹은 천연무기물로 이루어져 있다. 그러나 기존의 세라믹 물질로는 원하는 분리에서 효과적인 결과를 산출하지 못하는 경우가 많다. 그리하여 복합 세라믹이 등장하게 되었고, 이렇게 만들어진 복합세라믹 멤브레인을 이용하여 기체분리에 적용하고 투과도와 선택도가 높은 막을 제조한다. 복합세라믹 멤브레인을 제조하는 방법에는 졸-겔법, Davis법, Suzuki법 등이 있는데 본 연구에서는 졸-겔법으로 제조 하였다.

실험

복합세라믹 멤브레인을 제조하기 위하여 Aluminium iso propoxide(ALDRICH사),TEOS(JANSSEN사),Tetrabutyltitanium(ALDRICH사)을 몰비를 바꾸어 가면서 Fig.1에 나타나는 바와 같이 합성 하였다. 원자비를 Al:Si:Ti = 5:1:1, 1:5:1 그리고 1:1:5로 다르게 하고 하소과정을 거친 후 세라믹 재질로서의 특성을 갖추기 위하여 1200℃에서 소성 하였다. 이렇게 만들어진 각각의 복합세라믹 멤브레인의 구조특성을 알아보기 위하여 SEM, XRD, BET, 입도분석기 등으로 구조특성을 조사하였고 투과특성을 위한 투과장치 만들어 CO2의 투과특성을 알아 보았다.

결과 및 토의

조성이 다른  복합세라믹 멤브레인은 각각이 서로 다른 성질을 지니고 있음을 알 수 있었다. SEM 분석시 조성이 다른 세 개의 합성막은 그 구조가 grain structure, intermediate structure, dense strucrure로 구분되어 지는데 이것은 구조와 밀접한 관계가 있음을 알 수 있었다. 또한 Fig.2의 XRD pattern을 보면 세 개의 복합막에 4개의 상이 생기는 것을 확인할 수 있었다. 즉, phase configuration은 복합막의 조성에 따라 결정된다. 한편 BET 분석의 결과 각각 다른 표면적과 기공지름을 지닌다. 5-1-1, 1-5-1, 1-1-5의 서로다른 조성을 지닌 복합세라믹 멤브레인은 겉보기로의 차이점도 있지만, 구조적으로는 더욱더 큰 차이를 지니고 있다. Table1에서 볼 수 있듯이 각각의 surface area는 152.9015 sq. m/g, 53.2589 sq. m/g, 295.7654 sq. m/g으로 1-1-5의 조성을 지닌 복합세라믹 멤브레인의 표면적이 가장 큰 것으로 나타났다. 이것은 투과실험시 상대적으로 높은 선택도를 나타내는 것으로 나타났다. 또한 pore size 역시 1-1-5에서 44.97Å으로 나머지와 비교해서 3배에서 4배 가량 작은 것으로 나타났다. 이것 역시 1-1-5 복합세라믹 멤브레인이 상대적으로 조성이 다른 복합막에 비하여 선택도가 높을 것이라는 것을 확인시켜 준다. 본 연구에서 1-1-5 복합세라믹 멤브레인이 나머지 두 개의 복합막에 비하여 그 결정이 더 crystalline 하고, 만족스러운 기공크기와 표면적을 지니고 있음을 확인하였다.

참고문헌

1. Takeshi Matsuura; Synthetic membrane and Membrane separation              process

2. Mikiro Nomura, Takeo Yamaguchi, and Shin-ichi Nakao;

Silicate Membranes Modified by Counterdiffusion CVD Technique.

Ind. Eng. Chem. Res. 1997, 36, 4217-4223

3. Zhiqiang Zeng, Xiaoyou Xiao, Zhilun Gui, Longtu Li; AFM study on           surface Morphology of Al2O3-SiO2-TiO2 Composite ceramic                   membranes. J. of Membrane Sci. 136(1997)153-169

4. Takao Masuda, Atsushi Sato, Hirohisa Nouno; Preparation of a dense          ZSM-5 film on the surface of an alumina ceramic filter. Applied              Catalysis A:General 111(1994) 143-150

Fig.1 Preparation of Al2O3-SiO2-TiO2 composite ceramic membranes

Table1. Comparison of characterization in composite ceramic membrane

Sample (composite)	Surface Area(BET) (m2/g)	Pore Volume (mL/g)	Porosity (%)	Pore Diameter (Å)
A	81.03	0.314	53	64
B	53.25	0.176	40	121
C	295.77	0.135	64	45

Al2O3:SiO2:TiO2=5;1:1(A), Al2O3:SiO2:TiO2=1;5:1(B), Al2O3:SiO2:TiO2=1;1:5(C)

Fig.2 Composite Al2O3-SiO2-TiO2 membrane of XRD pattern