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MFI형 제올라이트 분리막을 이용한 에틸벤젠/파라자일렌 분리에 대한 연구
Ethylbenzene Separation from Ethylbenzene/p-xylene Mixture with MFI-type Zeolite Membranes 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.51 no.4, 2013년, pp.476 - 481  

이기천 (연세대학교 화공생명공학과) ,  전유권 (연세대학교 화공생명공학과) ,  주영환 (상지대학교 신에너지자원공학과) ,  최성환 (롯데케미칼(주)) ,  서영종 (롯데케미칼(주)) ,  설용건 (연세대학교 화공생명공학과)

초록
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본 연구에서는 물리적 특성이 유사한 에틸벤젠과 파라자일렌의 혼합물을 분리하고자 MFI형 제올라이트(TS-1, ZSM-5, Silicalite-1) 분리막을 제조하였으며 이를 이용하여 기상에서 분리 실험을 진행하였다. 제올라이트 입자가 코팅된 분리막을 제조함에 있어서 마이크로웨이브 합성 방법을 사용하여 합성 시간을 단축하였으며, 500 nm 내외의 균일한 입자를 튜브타입의 지지체 막에 안착시켜 제올라이트 입자가 $3{\sim}4{\mu}m$ 두께로 치밀하게 코팅된 분리막을 제조하였다. 제조한 분리막으로 에틸벤젠/파라자일렌 혼합물 원료의 혼합비를 변경하여 투과 분리한 결과 에틸벤젠:파라자일렌=5:5 비율에서 가장 높은 분리도를 가짐을 알 수 있었다. 세 종류의 서로 다른 제올라이트 물질(TS-1, ZSM-5, Silicalite-1)을 각각 코팅하여 제조된 분리막을 이용하여 $160{\sim}220^{\circ}C$의 실험온도에서 에틸벤젠/파라자일렌을 투과 실험을 실시한 결과, TS-1 분리막이 $1,666mol/m^{2*}s^*Pa$의 가장 높은 투과 플럭스를, Silicalite-1 분리막이 1.73의 가장 높은 분리도를 $200^{\circ}C$의 온도에서 각각 보임을 확인할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Ethylbenzene (EB) which has a similar physical properties with p-xylene (pX) was separated from EB/pX mixture by using MFI-type zeolite (TS-1, ZSM-5, and Silicalite-1) coated membranes. The zeolites were synthesized by microwave method to reduce the synthesis time and uniformly formed zeolite partic...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 물리적 성질이 유사한 에틸벤젠과 파라자일렌 혼합물은 분리가 어려워 연구 사례가 보고된 바가 없었다. 본 연구에서는 마이크로웨이브 방법으로 제조한 MFI형 제올라이트분리막(TS-1, ZSM-5, Silicalite1)을 이용한 에틸벤젠과 파라자일렌 혼합물의 투과 분리 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
  • 이에 본 연구는 MFI형 제올라이트(Silicalite-1, ZSM-5, TS-1)가 코팅된 분리막을 제조하여 비슷한 물리적 특성을 가지는 에틸벤젠/파라자일렌 혼합물로부터 에틸벤젠을 선택적으로 분리하고자 하였다. 분리막은 mesoporous silica로 코팅한 지지체 표면에 surface functionalization 기법으로 제올라이트를 안착시켜 제조하였으며 이차성장법을 이용하여 치밀한 막을 제조하고자 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
C8 방항족인 자일렌 이성질체의 예로 어떤 물질들이 있는가? C8 방항족인 자일렌 이성질체들은 납사 크래킹 공정에 의해 생산되는 물질들로서 에틸벤젠, 오쏘자일렌, 파라자일렌, 메타자일렌 등이 있다. 이들 자일렌 이성질체 중에서, 에틸벤젠은 스티렌 생산에서 모노머 역할을 하는 공업적으로 중요한 물질 중 하나이며, 파라자일렌 역시 폴리에스터의 원료가 되는 테레프탈산(terephthalic acid)과 디메틸테레프탈레이트(dimethylterephthalate)의 전구체로서 중요한 물질로 알려져 있다[1].
C8 방항족인 자일렌 이성질체는 어떤 공정으로 생산되는가? C8 방항족인 자일렌 이성질체들은 납사 크래킹 공정에 의해 생산되는 물질들로서 에틸벤젠, 오쏘자일렌, 파라자일렌, 메타자일렌 등이 있다. 이들 자일렌 이성질체 중에서, 에틸벤젠은 스티렌 생산에서 모노머 역할을 하는 공업적으로 중요한 물질 중 하나이며, 파라자일렌 역시 폴리에스터의 원료가 되는 테레프탈산(terephthalic acid)과 디메틸테레프탈레이트(dimethylterephthalate)의 전구체로서 중요한 물질로 알려져 있다[1].
자일렌 이성질체 각각이 원료로 사용되기 위하여 필수적으로 거쳐야 하는 작업은 무엇인가? 이들 자일렌 이성질체 중에서, 에틸벤젠은 스티렌 생산에서 모노머 역할을 하는 공업적으로 중요한 물질 중 하나이며, 파라자일렌 역시 폴리에스터의 원료가 되는 테레프탈산(terephthalic acid)과 디메틸테레프탈레이트(dimethylterephthalate)의 전구체로서 중요한 물질로 알려져 있다[1]. 각각의 물질들이 원료로서 사용되기 위해서는 고순도화작업이 필수적인데자일렌이성질체들을분리하는 대표적인 방법인 증류기법은 이성질체들 간의 물리적 성질이 비슷하여 분리가 어렵다고 알려져 있다. Table 1에 나타낸 바와 같이 에틸벤젠과 파라자일렌은 kinetic diameter, 끓는점 등의 물리적 특성이 거의 유사하기 때문에 추출제를 이용한 증류 연구가 발표된 이후로 뚜렷한 연구 진행이 보고되지 않고 있다[2,3].
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참고문헌 (19)

  1. Z.-Y. Gu, D.-Q. Jiang, H.-F. Wang, X.-Y. Cui and X.-P. Yan, "Adsorption and Separation of Xylene Isomers and Ethylbenzene on Two Zn-Terephthalate Metal-Organic Frameworks," J. Phys. Chem. C, 114, 311-316(2010). 

  2. X. Gu, J. Dong, T. M. Nenoff and D. E. Ozokwelu, "Separation of p-xylene From Multicomponent Vapor Mixtures Using Tubular MFI Zeolite Membranes," J. Membrane Sci., 280, 624-633(2006). 

  3. B. Lloyd, Separation of Ethyl Benzene from p-xylene by Extractive Distillation, US Patent 5,425,855(1994). 

  4. Ana M. Tarditi, Silvia Irusta and E. A. Lombardo, "Xylene Isomerization in a Membrane Reactor Part I: The Synthesis of MFI Membranes for the p-xylene Separation," Chem. Eng. J., 122, 167-174(2006). 

  5. G. Xomeritakis and M. Tsapatsis, "Permeation of Aromatic Isomer Vapors through Oriented MFI-Type Membranes Made by Secondary Growth," Chem. Mater., 11, 875-878(1999). 

  6. Z. Lai, M. Tsapatsis and J. P. Nicolich, "Siliceous ZSM-5 Membranes by Secondary Growth of b-Oriented Seed Layers," Adv. Funct. Mater., 14 716-729(2004). 

  7. Y. Hu, C. Liu, Y. Zhang, N. Ren and Y. Tang, "Microwave-assisted Hydrothermal Synthesis of Nanozeolites with Controllable size," Microporous Mesoporous Mater., 119, 306-314(2009). 

  8. S.-E. Park, J.-S. Chang, Y. K. Hwang, D. S. Kim, S. H. Jhung and J. S. Hwang, "Supramolecular Interactions and Morphology Control in Microwave Synthesis of Nanoporous Materials," Catal. Surv. Asia, 8, 91-110(2004). 

  9. Chelsey, D. Baertsch, Hans H. Funke, John L. Falconer and Richard D. Noble, "Permeation of Aromatic Hydrocarbon Vapors through Silicalite-Zeolite Membranes," J. Phys. Chem., 100, 7676-7679(1996). 

  10. K. Keizer, A. J. Burggraaf, Z. A. E. P. Vroon and H. Verweij, "Two Component Permeation Through Thin Zeolite MFI Membranes," J. Membrane Sci., 147, 159-172(1998). 

  11. Y. Lu, R. Ganguli, C. A. Drewien, M. T. Anderson, C. J. Brinker, W. Gong, Y. Guo, H. Soyez, B. Dunn, M. H. Huang and J. I. Zink, "Continuous Formation of Supported Cubic and Hexagonalmesoporous Films by Sol-gel Dip-coating", Nature, 389, 364-368(1997). 

  12. Y. K. Jeon, G.-C. Lee, Y. H. Chu, S. H. Choi, Y. J. Seo and Y. G. Shul, "Microwave-assisted TS-1 Membrane for the Separation of Ethylbenzene from Xylene Mixture," Membrane Journal, 22, 120-127(2012). 

  13. K. T. Jung and Y. G. Shul, "Preparation of Transparent TS-1 Zeolite Film by Using Nanosized TS-1 Particles," Chem. Mater., 9, 420-422(1997). 

  14. K. T. Jung and Y. G. Shul, "Preparation of ZSM-5 Zeolite Film and Its Formation Mechanism," J. Membr. Sci., 191, 189-197(2001). 

  15. M. Taramasso, G. Perego and B. Notari, "Preparation of Porous Crystalline Synthetic Material Comprised of Silicon and Titanium Oxides," US Patent 4,410,501(1983). 

  16. B. Sulikowski, J. Rakoczy, H. Hamdan and J. Klinowski, "Structural and Catalytic Consequences of lsomorphous Substitution of Silicon by Aluminium and vice versa in the Framework of Pentasil Zeolites," J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1542-1543(1987). 

  17. C. Algieri, P. Bernardo, G. Golemme, G. Barbieri and E. Drioli, "Permeation Properties of a Thin Silicalite-1 (MFI) Membrane," J. Membr. Sci., 222, 181-190(2003). 

  18. G. Xomeritakis, Z. Lai and M. Tsapatsis, "Separation of Xylene Isomer Vapors with Oriented MFI Membranes Made by Seeded Growth," Ind. Eng. Chem. Res., 40, 544-552(2001). 

  19. G. Valerio, J. Plevert, A. Goursot and F. di Renzo, "Modeling of Boron Substitution in Zeolites and Implications on Lattice Parameters," Phys. Chem. Chem. Phys., 2, 1091-1094(2000). 

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