[국내논문]종결정 코팅층이 다공성 ${\\alpha}$-알루미나 지지체 표면에 성장되는 NaA 제올라이트 분리층의 미세구조에 미치는 영향 Effect of Seed Coating Layer on the Microstructure of NaA Zeolite Separation Layer Grown on ${\\alpha}$-alumina Support원문보기
본 연구에서는 종결정 코팅층이 NaA 제올라이트 분리막 형성에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. NaA 제올라이트 분리막은 평균입경 100 nm 종결정을 다공성 ${\alpha}$-알루미나 표면에 진공여과 코팅하고 $100^{\circ}C$에서 24시간 수열처리하여 합성되었다. 이때 지지체 표면에 분포된 종결정 양을 조절한 후 형성된 NaA 제올라이트 분리층의 두께와 결정입 크기 등 미세구조에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. 종결정 코팅 양은 지지체를 통과한 종결정 수용액의 여과 양을 조절하여 제어하였다. 종결정을 단일층으로 코팅한 후 합성하였을 경우, 코팅 양이 증가함에 따라 분리층 단면에서의 두께와 균일도는 증가하였으며, 표면에서의 결정입 크기는 감소하면서 균일도는 증가하였다. 반면, 종결정을 다층으로 코팅한 후 합성하였을 경우, 균일한 분리층을 형성하였지만 단일층으로 코팅된 경우에 비하여 불균일하였으며 두꺼운 분리층이 형성되었다. 균일하고 초박형의 결함이 없는 제올라이트 분리층을 형성하기 위해서는 종결정을 균일하고 단일층으로 코팅하여야 함을 알 수 있었다. 본 연구로부터 종결정의 코팅 상태가 이차성장에 의한 NaA 제올라이트 분리층의 미세구조를 결정하는 중요한 인자임을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 종결정 코팅층이 NaA 제올라이트 분리막 형성에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. NaA 제올라이트 분리막은 평균입경 100 nm 종결정을 다공성 ${\alpha}$-알루미나 표면에 진공여과 코팅하고 $100^{\circ}C$에서 24시간 수열처리하여 합성되었다. 이때 지지체 표면에 분포된 종결정 양을 조절한 후 형성된 NaA 제올라이트 분리층의 두께와 결정입 크기 등 미세구조에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. 종결정 코팅 양은 지지체를 통과한 종결정 수용액의 여과 양을 조절하여 제어하였다. 종결정을 단일층으로 코팅한 후 합성하였을 경우, 코팅 양이 증가함에 따라 분리층 단면에서의 두께와 균일도는 증가하였으며, 표면에서의 결정입 크기는 감소하면서 균일도는 증가하였다. 반면, 종결정을 다층으로 코팅한 후 합성하였을 경우, 균일한 분리층을 형성하였지만 단일층으로 코팅된 경우에 비하여 불균일하였으며 두꺼운 분리층이 형성되었다. 균일하고 초박형의 결함이 없는 제올라이트 분리층을 형성하기 위해서는 종결정을 균일하고 단일층으로 코팅하여야 함을 알 수 있었다. 본 연구로부터 종결정의 코팅 상태가 이차성장에 의한 NaA 제올라이트 분리층의 미세구조를 결정하는 중요한 인자임을 확인할 수 있었다.
NaA zeolite/${\alpha}$-alumina composite membranes were hydrothermally synthesized at $100^{\circ}C$ for 24 hr by using nanosize seed of 100 nm in diameter and an ${\alpha}$-alumina support of $0.1{\mu}m$ in pore diameter, and then effect of seed coating l...
NaA zeolite/${\alpha}$-alumina composite membranes were hydrothermally synthesized at $100^{\circ}C$ for 24 hr by using nanosize seed of 100 nm in diameter and an ${\alpha}$-alumina support of $0.1{\mu}m$ in pore diameter, and then effect of seed coating layer on the microstructure of NaA zeolite separation layer was systematically investigated. In cases when nanosize seed was coated with a monolayer, increment in seed coverage induced small grained and thick NaA zeolite separation layer. On the other hand, in case when nanosize seed was coated with a multilayer, much small grained and thick separation layer was formed. It was clear that an uniform monolayer seed coating is required to grow hydrothermally a thin and defect-free NaA zeolite separation layer. In the present study, it was clearly announced that seed coating layer is a key factor to determine the microstructure of NaA zeolite layer, secondary grown on a porous support.
NaA zeolite/${\alpha}$-alumina composite membranes were hydrothermally synthesized at $100^{\circ}C$ for 24 hr by using nanosize seed of 100 nm in diameter and an ${\alpha}$-alumina support of $0.1{\mu}m$ in pore diameter, and then effect of seed coating layer on the microstructure of NaA zeolite separation layer was systematically investigated. In cases when nanosize seed was coated with a monolayer, increment in seed coverage induced small grained and thick NaA zeolite separation layer. On the other hand, in case when nanosize seed was coated with a multilayer, much small grained and thick separation layer was formed. It was clear that an uniform monolayer seed coating is required to grow hydrothermally a thin and defect-free NaA zeolite separation layer. In the present study, it was clearly announced that seed coating layer is a key factor to determine the microstructure of NaA zeolite layer, secondary grown on a porous support.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 평균 기공경 0.1 µm의 다공성 α-알루미나 튜브형 지지체 표면에 평균 입경 100 nm 종결정을 도입한 후 이차성장하여 NaA 제올라이트 분리막을 합성하였고, 종결정 코팅층이 NaA 제올라이트 분리층의 형성 거동 특히, 결정입 크기와 분리층 두께에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다.
본 연구에서는 α-알루미나 표면에 종결정을 코팅하고 이차성장 공정에 의하여 NaA 제올라이트 분리층을 형성할 때에, 종결정 코팅층이 NaA 제올라이트 분리층의 미세구조에 미치는 영향에 대하여 자세히 고찰하였으며 다음과 같은 사실을 알 수 있었다.
제안 방법
지지체 표면에 종결정을 도입하기 위해 제조된 1 wt%의 종결정 수용액은 증류수에 분산시켜 0.001 wt%의 종결정 수용액을 제조하였으며, 이를 이용하여 진공여과법으로 지지체 표면에 종결정을 코팅하였다. 이때 여과되는 종결정 수용액의 양을 10, 40, 70, 100mL로 하여 지지체 표면에 코팅되는 종결정 양을 조절하였다.
001 wt%의 종결정 수용액을 제조하였으며, 이를 이용하여 진공여과법으로 지지체 표면에 종결정을 코팅하였다. 이때 여과되는 종결정 수용액의 양을 10, 40, 70, 100mL로 하여 지지체 표면에 코팅되는 종결정 양을 조절하였다. 진공여과코팅 방법은 튜브형 지지체의 한쪽 끝을 고무마개로 막아주고 다른 한쪽 끝을 진공장치와 연결하였다.
이때 여과되는 종결정 수용액의 양을 10, 40, 70, 100mL로 하여 지지체 표면에 코팅되는 종결정 양을 조절하였다. 진공여과코팅 방법은 튜브형 지지체의 한쪽 끝을 고무마개로 막아주고 다른 한쪽 끝을 진공장치와 연결하였다. 이때 지지체 반대편은 진공을 유지함으로써 일부 수용액이 지지체의 기공을 통과하고, 그 결과 통과하지 못한 종결정들은 지지체 표면에 도포될 수 있었다.
종결정 코팅 시에 여과되는 종결정 양을 조절하여 종결정 코팅된 지지체는 NaA 제올라이트층을 형성하기 위해 수열용액에 담가 수열처리하였다. 수열용액은 물 유리(sodium silicate solution, Wako, Japan), 알루민산 나트륨(sodium aluminate, SHOWA, Japan), 수산화나트륨(sodium hydroxide, Junsei, Japan)의 원료를 이용하여 1Al2O3-2SiO2-4.
합성된 분리막은 증류수로 pH가 6-8이 될 때까지 세척한 후 상온에서 24시간 동안 건조하였다. 진공여과코팅 시에 여과되는 종결정 수용액의 양을 10, 40, 70, 100 mL로 하여 코팅한 후 수열합성된 분리막은 NaA-M10, NaA-M40, NaA-M70, NaA-M100으로 명명하였다.
합성된 NaA 제올라이트 종결정의 형상을 관찰하기 위해 주사전자현미경(SEM, JSM-7000F, JEOL) 분석을 수행하였다. 또한 종결정 입경을 보다 정확하게 관찰하기 위해 이미지 분석 장비(isolution DT, IMT I-solution Inc., Korea)를 사용하여 이미지 분석(image analyze)을 수행하였으며 종결정 입경은 주사전자현미경 사진에서 관찰된 종결정 입자들의 모서리 길이로 간주하였다.
진공여과코팅 시에 여과되는 종결정 수용액의 양을 10, 40, 70, 100 mL로 하여 지지체 표면에 도포된 종결정 양을 조절한 지지체의 표면 형상을 관찰하기 위해 주사전자현미경 분석을 수행하였다. 또한 지지체 표면에 도포된 종결정의 분포 빈도를 확인하기 위해 EDS 성분 분석과 EDS Si 맵핑(Mapping) 분석을 수행하였다.
진공여과코팅 시에 여과되는 종결정 수용액의 양을 10, 40, 70, 100 mL로 하여 지지체 표면에 도포된 종결정 양을 조절한 지지체의 표면 형상을 관찰하기 위해 주사전자현미경 분석을 수행하였다. 또한 지지체 표면에 도포된 종결정의 분포 빈도를 확인하기 위해 EDS 성분 분석과 EDS Si 맵핑(Mapping) 분석을 수행하였다.
X-선 회절 분석은 형성된 분리막의 표면을 조사하여 측정되었으며, 2θ는 5-60° 범위에서 분석되었다. 또한 형성된 분리막의 표면과 단면의 형상을 관찰하기 위하여 주사전자현미경 분석을 수행하였으며, 표면에서의 결정입 크기와 단면에서의 분리층의 두께를 정확히 측정하기 위해 이미지 분석을 수행하였다.
위에서 언급된 결정입 크기와 분리막 두께를 정확히 측정하고자 이미지 분석기(image analyzer)를 이용하여 그 값을 결정하여 보았다.
6의 표면사진을 이용하여 이미지 분석기로 분석된 종결정 수용액의 여과 양을 달리하여 합성된 NaA 제올라이트 분리막 표면의 결정입 크기 분포를 나타낸 그림이다. 결정입 크기는 주사전자현미경 표면 사진에서 일부 관찰되는 정육면체의 완전한 모서리 길이를 측정하여 비교하였다. 종결정 수용액의 여과 양이 10 mL인 경우(Fig.
합성된 NaA 제올라이트 종결정의 형상을 관찰하기 위해 주사전자현미경(SEM, JSM-7000F, JEOL) 분석을 수행하였다. 또한 종결정 입경을 보다 정확하게 관찰하기 위해 이미지 분석 장비(isolution DT, IMT I-solution Inc.
여과되는 종결정 수용액의 양을 달리하여 형성된 분리막의 결정성을 확인하기 위해 X-선 회절(X-ray diffraction, X-Pert Pro, Netherlands) 분석을 수행하였다. X-선 회절 분석은 형성된 분리막의 표면을 조사하여 측정되었으며, 2θ는 5-60° 범위에서 분석되었다.
대상 데이터
나노크기의 NaA 제올라이트 종결정 입자를 합성하기 위해 사용된 원료는 TMAS (tetramethylammonium silicate solution, 15-20 wt%, ≥ 99.99%, Aldrich, USA), TMAOH (tetramethylammonium hydroxide pentahydrate, 98%, Alfa Aesar, USA), 알루미늄 이소프로폭사이드(aluminum isopropoxide, ≥ 98%, Aldrich), 수산화나트륨(97%, Junsei, Japan)이었다.
NaA 제올라이트 복합 분리막 제조에 사용된 지지체는 10 cm 길이의 외경 7.5 mm, 내경 5 mm, 기공경 0.1 µm, 기공율 약 35%의 다공성 α-알루미나 튜브형 지지체(나노기공소재)이었으며, 지지체 표면에 종결정을 도입한 후 NaA 수열용액을 이용하여 이차성장시켜 제조하였다.
1 µm, 기공율 약 35%의 다공성 α-알루미나 튜브형 지지체(나노기공소재)이었으며, 지지체 표면에 종결정을 도입한 후 NaA 수열용액을 이용하여 이차성장시켜 제조하였다. 사용한 지지체는 지지체 내부에 존재하는 불순물을 제거하기 위해 아세톤으로 세척하고 600℃에서 12시간 열처리한 후에 사용하였다.
종결정 코팅 시에 여과되는 종결정 양을 조절하여 종결정 코팅된 지지체는 NaA 제올라이트층을 형성하기 위해 수열용액에 담가 수열처리하였다. 수열용액은 물 유리(sodium silicate solution, Wako, Japan), 알루민산 나트륨(sodium aluminate, SHOWA, Japan), 수산화나트륨(sodium hydroxide, Junsei, Japan)의 원료를 이용하여 1Al2O3-2SiO2-4.5Na2O-600H2O의 몰 비로 제조하였고, 50℃에서 24시간 동안 숙성하였다. 수열합성 반응기에 지지체와 숙성된 수열용액을 넣고 100℃에서 24시간 동안 수열처리하여 NaA 제올라이트 분리막을 합성하였다.
모서리 길이 분석은 X 50,000 배율에서 측정된 Fig. 2(a)의 주사전자현미경 사진을 이용하였으며, 사진에서 확인된 총 302개의 종결정 입자들에 의해서 분석되었다. 그 결과 합성된 NaA 종결정의 모서리 길이는 평균 100 nm임을 확인하였으며, 30 nm 이하와 160 nm 이상의 입경은 관찰되지 않았으므로 합성된 종결정은 매우 균일한 크기를 가짐을 확인할 수 있다.
성능/효과
그들은 종결정 크기와 지지체 기공경의 관계가 형성된 NaA 제올라이트 분리막의 미세구조와 열적 안정성에 큰 영향을 미친다고 보고하였다. 종결정층이 제올라이트 분리막 형성에 미치는 영향에 관한 문헌을 종합해 보면 종결정 크기 및 코팅 상태가 제올라이트 분리층 형성과 분리성능에 매우 큰 영향을 미치는 것으로 알 수 있다.
2(a)에 나타내었다. 합성된 종결정 입자는 2차원적으로 사각형 모양이나 입체적으로는 정육면체 즉, 큐브(cube) 모양의 약 100 nm 크기의 입자이었고 일반적으로 보고된 NaA 제올라이트 입자 모양과 매우 일치하였다. 합성된 종결정은 일반적으로 상용입자에서 보여지는 입자간 응집현상은 관찰되지 않았다.
합성된 종결정은 일반적으로 상용입자에서 보여지는 입자간 응집현상은 관찰되지 않았다. 또한, 큐브 형태 이외의 형상은 관찰되지 않았으므로 합성된 NaA 제올라이트 종결정은 매우 순도가 높은 것으로 사료되었다. 본 연구에서 사용된 NaA 제올라이트 종결정 합성 방법은 문헌에 이미 보고되었다[28].
2(a)의 주사전자현미경 사진을 이용하였으며, 사진에서 확인된 총 302개의 종결정 입자들에 의해서 분석되었다. 그 결과 합성된 NaA 종결정의 모서리 길이는 평균 100 nm임을 확인하였으며, 30 nm 이하와 160 nm 이상의 입경은 관찰되지 않았으므로 합성된 종결정은 매우 균일한 크기를 가짐을 확인할 수 있다.
합성된 순수한 NaA 종결정은 약 100 nm 크기와 매우 좁은 입도분포를 갖는 정육면체 입자이고 입자간 응집현상이 없는 것으로 보아 지지체 표면에 균일한 코팅이 가능하여 균일한 분리막 형성에 적합할 것으로 사료된다.
(a)), 약 50-80개 종결정 입자로 이루어진 종결정 덩어리가 좁게는 1 µm 간격, 넓게는 5 µm 간격으로 분포됨을 확인할 수 있다.
(b)), 10 mL 여과시킨 경우에 비하여 대부분의 α-알루미나 표면이 종결정으로 코팅되었으며, 일부 조대한 알루미나 결정입 부근에서 종결정이 코팅되지 않음을 알 수 있다.
또한, 기저층 즉 α-알루미나 표면에서 조대한(coarse) 알루미나 결정입 부근에는 종결정이 코팅되고 있지 않음을 확인할 수 있다.
3(a)-(d)는 코팅 중에 여과된 종결정 수용액의 양이 각각 10, 40, 70, 100 mL일 때에 종결정 코팅을 종료하여 얻어진 종결정 코팅된 지지체의 주사전자현미경 사진이다. 즉, 여과되는 종결정 수용액의 양을 조절하여 종결정 코팅 양을 조절하였으며, Fig. 3으로부터 여과되는 종결정 수용액의 양이 증가함에 따라 종결정의 양도 증가함을 확인할 수 있었다. 종결정 수용액을 10 mL 여과시킨 경우(Fig.
종결정 수용액을 70 mL 여과시킨 경우(Fig. 3(c)), 종결정 코팅의 양이 증가하였고 단일 코팅층 이외에 많은 다층 코팅 상태를 확인할 수 있었으며, 40 mL 여과시킨 경우에 나타났던 조대한 알루미나 결정입 부근에서 종결정이 코팅되지 않는 현상은 아직도 지속적으로 나타났다. 그러나 전체적으로 종결정은 단일층(mono-layer)으로 잘 코팅되어 있었다.
3(d)에 종결정 수용액을 100 mL 여과시킨 시편의 단면 주사전자현미경 사진을 같이 나타내었다. 약 100 nm 직경을 갖는 종결정이 2~4층의 다층(multi-layer)으로 균일하게 코팅되어 있음을 확인할 수 있으며, 종결정은 지지체 내부로 도입되지 않았다.
지지체 표면에 코팅된 종결정 양의 분포를 다시 확인하기 위하여, 종결정 수용액 여과 양을 10, 40, 70, 100 mL로 증가하여 얻어진 종결정 코팅된 지지체의 표면에 대한 EDS 성분표를 Table 1에 나타내었다. 종결정 수용액의 여과 양이 10, 40, 70, 100 mL로 증가함에 따라서 Si 함량은 0.12, 0.57, 1.43, 3.36 wt%로 증가하였다. 즉, Si은 종결정에만 포함된 화학 원소임을 고려할 때에 여과 양이 증가될수록 종결정 코팅 양이 증가함을 알 수 있다.
종결정 수용액의 여과 양이 증가할수록 Si 분포 빈도가 증가하였으며, 특히 종결정 수용액을 100 mL 여과시킨 경우(Fig. 4.(d))에는 매우 균일하고 촘촘한 실리콘 분포를 나타내어 나노크기 종결정이 매우 균일하게 코팅됨을 재확인하였다.
6(a)), 표면 사진으로부터 수 µm 크기의 큰 정육면체 결정입과 약 1 µm 이하의 작은 정육면체 결정입으로 구성됨을 알 수 있었고, 단면사진의 경우에도 1-2 µm 크기의 결정입과 1 µm 이하의 작은 결정입으로 이루어짐을 확인할 수 있다.
약한 결정성 피크는 NaA 제올라이트에 의한 회절 피크이었다. 종결정 수용액의 여과 양이 10, 40, 70, 100 mL로 증가함에 따라서 NaA 제올라이트 피크 강도는 전체적으로 증가하는 경향을 나타내었다. X-선 회절 분석으로부터 모든 시편에서 NaA 제올라이트 분리층이 형성되었고 종결정 양이 증가함에 따라서 NaA 제올라이트 형성 정도가 증가함을 확인하였다.
종결정 수용액의 여과 양이 10, 40, 70, 100 mL로 증가함에 따라서 NaA 제올라이트 피크 강도는 전체적으로 증가하는 경향을 나타내었다. X-선 회절 분석으로부터 모든 시편에서 NaA 제올라이트 분리층이 형성되었고 종결정 양이 증가함에 따라서 NaA 제올라이트 형성 정도가 증가함을 확인하였다.
(c)), 일부 1 µm 크기의 큰 결정입이 보여지기는 하나 그 빈도는 매우 낮았으며, 단면 사진으로부터 매우 균일한 두께의 분리막이 형성됨을 확인할 수 있었다.
(d)), 표면 사진으로부터 제올라이트 분리막은 1 µm 이하의 균일한 작은 결정입들로 구성됨을 확인할 수 있으며, 단면 사진으로부터 분리막의 두께는 매우 균일한 약 2 µm임을 확인할 수 있다.
그리고 종결정 수용액의 여과 양이 100 mL인 경우(Fig. 6(d)), 표면 주사전자현미경 사진으로부터 결정입의 모양이 정육각형 즉, 큐브 모양이기는 하나 큐브의 모서리와 꼭짓점 부근 둥글게 파인(rounded) 구조를 갖는 것을 확인하였으며, 표면 부의 결정입계면 또는 결정입 표면에 수십 nm 직경의 공공(void)이 관찰되었다. 이러한 rounded 큐브 모양의 결정입이 형성과 표면에 공공이 나타나는 이유에 관한 연구는 추가적으로 진행될 필요성이 있다.
종결정 수용액의 여과 양이 10 mL인 경우(Fig. 7(a)), 400-500 nm 범위의 모서리 길이를 갖는 결정입과 1000-1500 nm 범위의 모서리 길이를 갖는 결정입 즉, 이중크기 분포(bimodal size distribution)를 가졌으며 평균 모서리 길이는 868 nm이었다. 종결정 수용액의 여과 양이 40 mL인 경우(Fig.
종결정 수용액의 여과 양이 40 mL인 경우(Fig. 7(b)), 500-600 nm 범위의 모서리 길이를 갖는 결정입과 1000-1500 nm 범위의 모서리 길이를 갖는 결정입으로 구성되어 있었으며 평균 모서리 길이는 782 nm이었다. 종결정 수용액의 여과 양이 10 mL인 경우(Fig.
종결정 수용액의 여과 양이 70 mL인 경우 (Fig. 7(c)), 300-600 nm 범위의 모서리 길이를 갖는 결정입 즉, 단일크기 분포(unimodal size distribution)에 가까운 상태로 균일하게 형성되었으며 평균 모서리 길이는 497 nm이었다. 수용액의 여과 양이 100 mL인 경우(Fig.
본 연구에서는 α-알루미나 표면에 종결정을 코팅하고 이차성장 공정에 의하여 NaA 제올라이트 분리층을 형성할 때에, 종결정 코팅층이 NaA 제올라이트 분리층의 미세구조에 미치는 영향에 대하여 자세히 고찰하였으며 다음과 같은 사실을 알 수 있었다. 첫째, 종결정이 도입된 부분에서의 NaA 제올라이트층의 성장은 종결정 표면에서의 NaA 제올라이트 상의 성장에 의해 지배되므로 상대적으로 결정입 크기가 작은 제올라이트 분리층이 형성된다. 반면 종결정이 도입되지 않은 부분에서의 α-알루미나 표면에서는 비균일 핵생성(heterogeneous nucleation)과 성장에 의해 NaA 제올라이트 상이 성장하므로 상대적으로 결정입 크기가 큰 제올라이트 분리층이 형성된다.
종결정이 다층으로 도입된 경우가 종결정이 단층으로 도입된 경우보다 상대적으로 분리층의 두께는 증가하였으며, 종결정이 다층으로 도입되고 종결정 코팅 두께가 불균일할 경우 형성된 NaA 제올라이트 두께는 불균일해진다. 지금까지의 결과를 종합해 보면, 매우 얇고 결함이 없으며 균일한 NaA 제올라이트 분리층을 형성하기 위해서는 나노크기 종결정이 촘촘하고 균일하게 코팅되어야 함을 알 수 있었고, 이러한 종결정 코팅 상태 조절이 NaA 제올라이트 분리층의 미세구조를 결정하는 중요한 인자임을 확인하였다.
후속연구
최근, 제올라이트 분리막의 분리성능을 결정짓는 요인으로는 제올라이트 기공(zeolitic pore) 뿐만 아니라, 결정 입계면(intergranular) 또는 결정입 내부(intraganular)의 공공(void) 등 비제올라이트 기공(non-zeolitic pore)에 의해서도 큰 영향을 받는다는 사실이 밝혀지고 있다[24-27]. 따라서 종결정의 코팅 상태가 NaA 제올라이트 분리막의 분리층의 두께 및 균일성뿐만 아니라, 결정입 크기, 비제올라이트 기공 등에 미치는 영향에 대한 체계적인 연구가 필요하다.
6(d)), 표면 주사전자현미경 사진으로부터 결정입의 모양이 정육각형 즉, 큐브 모양이기는 하나 큐브의 모서리와 꼭짓점 부근 둥글게 파인(rounded) 구조를 갖는 것을 확인하였으며, 표면 부의 결정입계면 또는 결정입 표면에 수십 nm 직경의 공공(void)이 관찰되었다. 이러한 rounded 큐브 모양의 결정입이 형성과 표면에 공공이 나타나는 이유에 관한 연구는 추가적으로 진행될 필요성이 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이차성장법 이란?
NaA 제올라이트 분리막은 유기용매 분리, 바이오 알코올을 포함한 유기용매 탈수 등에 산업화 성공한 유일한 제올라이트 분리막으로 현재도 많은 관심과 연구의 대상이 되고 있고, 결함이 없고 균일한 제올라이트 분리층 형성에 관한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다[6-10]. 일반적으로 NaA 제올라이트 분리막은 다공성 지지체 표면에 제올라이트 결정성장의 핵(nuclei) 역할을 해주는 종결정(seed crystal)을 도입시킨 후 수열합성하여 종결정으로부터 제올라이트 결정을 성장시켜 층을 형성하는 기술에 의해 제조되는 데, 이를 이차성장(secondary growth)법이라 한다[11-13]. 지지체 표면에 종결정을 도입시켜 이차성장 시킬 경우, 종결정 표면에서 결정화에 의해 제올라이트 상의 성장(growth)이 유발되므로 균일한 두께의 제올라이트층을 단시간에 형성시킬 수 있다[14-18].
종결정 양이 증가함에 따라서 NaA 제올라이트 분리층의 두께는 증가하는 이유는?
그리고 종결정이 단일 층으로 코팅된 즉, 종결정 수용액의 여과 양이 10, 40, 70 mL인 경우, 종결정 코팅 양이 증가할수록 분리층 두께의 균일도는 증가하였다. 이는 종결정 코팅 양이 증가할수록 점점 비균일 핵생성(heterogeneous nucleation)과 성장 기구에 의한 성장의 비율이 감소하기 때문으로 설명되었다. 그러나 종결정 수용액의 여과 양이 100 mL인 경우 넓은 분포의 분리층 두께를 갖는 것을 확인 하였는데 이는 종결정이 다층으로 코팅될 경우 균일한 종결정 코팅층을 얻을 수 없기 때문으로 판단된다.
제올라이트 분리막은 어떤 물질인가?
제올라이트 분리막은 결정구조에 기인된 매우 좁은 미세기공 분포, 즉 분자체가름(molecular sieving) 특성으로 인하여 투과증발, 증기투과, 기체분리 등의 분리분야에 적용이 기대되는 물질이다[1,2]. 분리공정에서의 응용을 위하여 분리성능이 우수한 제올라이트 분리막의 저비용 안정적 제조 기술 확보가 필요하며, 이를 해결하기 위한 방안으로 다공성 지지체 표면에 결함이 없는 균일한 제올라이트 분리층을 형성시키는 조건을 확보하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다[3-5].
참고문헌 (28)
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