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무기공업화학레포트 Report

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무기공업화학레포트



제올라이트

(Zeolite)

Ⅰ. 제올라이트의 정의

※제올라이트(Zeolite)란

→ 제올라이트(Zeolite)란 끓는(zeo)+돌(lithos)이라는 그리스어에서 유래

1756년 스웨덴의 광물학자인 ‘Cronstedt’에 의해 처음 발견되었다.
제올라이트는 고체 산화물이어서 가열하여도 끓지 않으나, 가열할 때 수증기가 발생하는 모양이 마치 끓는 것처럼 보여 붙여진 이름이다.
비석(沸石)이라고도 한다.

다양한 산화물들 중에 지각을 이루는 가장 흔한 장석류 중에는 분자출입이 가능한

3-10Å 정도의 일정한 크기를 갖는 나노 세공(nanopore)들이 규칙적으로 배열된 광물들이 있는데 이러한 광물들을 제올라이트(zeolite)라 칭한다.

그 후 여러 학자들에 의해 제올라이트의 구조가 밝혀지면서 cage나 channel 구조를 갖는 결정성 규산알루미늄(crystalline aluminosilicate)으로 정의되고 있다.

국제 제올라이트 학회(International zeolite association, IZA)에서는 제올라이트를 “3차원 구조로 결합되고 세공이 발달한 ABn(n≒2)조성의 화합물”로 정의

Ⅱ. 제올라이트의 구조

(1) 구조

제올라이트는 중심원자인 실리콘(silicon)과 알루미늄(aluminum) 원자가 산소(oxygen)원자 네 개와 정사면체 형태로 배위 구조를 이루며 결합한 결정성 복합 산화물이다.
이런 구조적 특징을 반영해 제올라이트를 ‘결정성 알루미노실리케이트(crystalline aluminosilicate)`라고 부른다.

다시 말하면 와 가 산소원자에 의해 정사면체를 이루며 결합한다.
단위는 산소원자를 서로 공유하면서 결합한다.

단위가 모인 구조를 2차 결합 구조(Secondary building unit:SBU)라고 부른다.
SBU 종류도 상당히 많으며 제올라이트는 한 종류 또는 여러 종류의 SBU가 3차원적 규칙성을 유지하면서 결합하여 만든 결정성 물질이다.

※SBU(Secondary building unit)

→ SBU는 결합 방법이 드러나도록 이름을 붙여 구분한다.
아래 그림은 여러 결합 방법에 따른 SBU 명칭을 보여준다.

단위 네 개가 모여 사각형을 이룬 SBU를 S4R이라고 부른다.
사각형 고리가 두 개 겹친(double) SBU는 겹사각형 고리이므로 D4R(double 4-ring)로 부르고, 겹육각형 고리는 D6R으로 구분한다.
그림에서 ‘SBU
6-1’은 육각형 고리에 단위가 하나 더 붙은 구조를 뜻한다.
SBU
6-6은 결국 D6R과 같고, SBU
2-
6-2는 육각형 고리에 양쪽으로 단위가 두 개씩 붙은 구조를 뜻한다.

(2) 구조에 따른 명명

제올라이트의 종류를 나누는 일차적인 근거는 골격(framework)의 구조이다.

예전에는 합성 순서, 특징, 소속 기관에 따라 이름을 붙이다 보니 일관성이 없고 혼란스러워 현재는 국제 제올라이트 학회(International Zeolite Association, IZA)에서 골격에 따라 알파벳 세 글자로 이루어진 구조 코드를 부여한다.

처음으로 천연에 없는 구조의 제올라이트를 합성했다고 알파벳의 첫 글자를 붙여 제올라이트 A라고 불렀다.
제올라이트 A의 코드명은 LTA, 포자사이트는 FAU, ZSM-5 제올라이트는 MFI이다.

제올라이트 A,X,Y는 소달라이트 공이 각각 다른 방법으로 결합하여 이루어진 제올라이트다.

※ 소달라이트(sodalite)

→ S4R과 S6R이 결합하면 소달라이트 공(sodalite cage 또는 β-cage)이 생긴다.

위 그림은 소달라이트 단위(sodalite unit)로 불리는 것으로 정팔면체의 각 꼭지점을 잘라낸 모습이어서 꼭지점이 잘린 정팔면체(truncated octahedral)이라고도 불린다.

소달라이트 공의 정사각형 면이 거리를 두고 결합하면 소달라이트 공 사이에 D4R SBU가 생성된다.
D4R SBU가 끼어 있어서 서로 떨어져 있는 입방체 구조의 제올라이트를 제올라이트 A라고 부른다.
소달라이트 공 사이에 산소 원자가 8개 이어진 입구가 있으며, 이 안에는 소달라이트 공으로 둘러싸인 빈 공간이 있다.

반면에 제올라이트 X는 그림에서 보듯이 소달라이트 공의 육각형 면이 겹육각형 고리 D6R을 만들면서 결합할 때 생기는 결정성 물질이다.

또 제올라이트 A에 비해 훨씬 큰 공간이 생긴다.
관용명에는 조성이나 세공 크기 등 구조 이외의 특징이 포함되어 있다.
구조만을 생각하면 합성 포자사이트는 모두 FAU 제올라이트라고 불러야 하나, 관용명에서는 Si/Al 몰비에 따라 구분한다.
Si/Al 몰비가 1.5보다 작아 알루미늄이 많이 들어있는 FAU 제올라이트는 제올라이트 X이고, 구조는 같지만 Si/Al 몰비가 1.5보다 커서 알루미늄 함량이 적은 FAU 제올라이트는 제올라이트 Y로 구분한다.
Si/Al 몰비에 따라 물성이나 촉매로서 성격이 다르고, 제올라이트 Y 골격에서 알루미늄을 일부 뽑아내어 Si/Al 몰비를 5보다 높이면 수열 안정성이 향상되고 산성도 강해져 산촉매 성질이 크게 좋아진다.

이를 초안정 제올라이트 Y(Ultrastable zeolite Y, USY)라고 한다.

(3) 세공크기에 따른 제올라이트의 분류

코드 이름이 LTA인 제올라이트 A는 양이온에 따라 세공 입구 크기가 달라진다.

이온이 교환된 제올라이트 A의 세공 입구 크기는 3Å정도로 작아 3A 분자체라고 부른다.
이온보다 조금 작은 이온으로 교환하면 세공 입구가 조금 커져서4A 분자체라고 한다.
세공 입구보다 작은 물질만 제올라이트의 세공 안에 들어가므로 세공 입구의 크기에 따라 제올라이트의 응용 가능성이 달라진다.
산소원자 8개 고리, 10개 고리, 12개 고리로 이루어진 제올라이트라야 물질이 드나들 수 있어 촉매나 흡착제로 사용할 수 있다.
산소원자 8개 고리로 이루어진 작은 세공(small pore) LTA 제올라이트로 선형 파라핀과 가지 있는 파라핀을 분리한다.

크기대표적인 제올라이트작은세공(small pore)LTA, ERI, CHA중간세공(medium pore)MFI, MWW, FER큰세공(large pore)FAU, BEA, MOR, LTL, MTW다음 Table은 세공 크기에 따른 제올라이트의 분류이다.



일반적으로 세공 안에는 물이 차있다.

Ⅲ. 천연제올라이트

천연에서 광물로 산출되는 제올라이트를 인위적으로 합성한 제올라이트와 구분하여 ‘천연 제올라이트’라고 부른다.
천연 제올라이트는 생성 조건에 따라 제올라이트의 종류와 함량이 다르고, 섞여있는 이물질도 다르다.

다음 그림은 여러 종류의 천연 제올라이트의 결정 모습이다.

(1) 생성환경과 조건

제올라이트는 낮은 온도 및 압력을 이루는 천연의 조건하에서 흔히 산출되는 함수규산염 광물로서 대체로 다음과 같은 지질환경에서 많이 산출되는 것으로 알려져 있다.

ⅰ. 속성 작용을 받은 화산쇄설성 퇴적암 내에서 변질광물로 산출되는 경우

ⅱ. 염도가 높은 호수나 심해저에서 화학적 퇴적작용에 의하여 일차적으… Report



..... (중략)






제목 : 무기공업화학레포트 Report
출처 : 레포트서치 자료실



[문서정보]

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