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통계적 실험계획법을 이용한 제올라이트 4A 합성 최적화
Optimization of Synthesis Process for Zeolite 4A Using Statistical Experimental Design 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.28 no.3, 2017년, pp.286 - 289  

윤미희 (서울과학기술대학교 화공생명공학과) ,  유계상 (서울과학기술대학교 화공생명공학과)

초록
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통계적 실험계획법을 이용하여 나노입자 합성 공정의 최적화 방법론을 제시하기 위하여 대상 물질로 제올라이트 4A의 합성을 수행하였다. 실리콘 전구체인 sodium metasilicate (SMS)의 농도를 조절하여 합성한 제올라이트 4A를 XRD, SEM 및 질소흡착법으로 특성분석 하였다. 특히 XRD 분석으로 결정한 결정도로 제올라이트 4A의 합성결과를 판단할 수 있었다. 실험계획법 중 일반요인분석을 이용하여 반응장치, 반응온도 및 반응시간에 따른 주효과도 및 교호작용을 분석하였다. 또한 반응표면분석법을 통하여 결정도 최대치를 가지는 제올라이트 4A를 합성할 수 있는 최적의 조건으로 계산하였다. 구체적으로는 autoclave를 사용하고 반응시간 3 h 및 반응온도 $110^{\circ}C$의 반응조건이 제시되었다. 더욱이 실리콘 전구체로 Ludox를 사용하는 조건하에서, 다양한 결정화도를 가지는 제올라이트 4A에 대한 최적의 합성조건을 모든 범위에서 대하여 표면도와 등고선도를 이용하여 제시하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Synthesis of zeolite 4A was carried out to optimize the nanoparticle synthesis process using statistical experimental design method. The zeolite 4A was synthesized by controlling the concentration of the silicon precursor, sodium metasilicate (SMS), and characterized by XRD, SEM and nitrogen adsorpt...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 일반적으로 제올라이트를 합성한 후 합성된 물질의 물성을 측정하기 위하여 결정도를 측정하는 XRD법, 결정의 모양을 측정하는 SEM 및 비표면적을 측정하는 질소흡착법을 수행한다. 본 연구에서는 실험의 종류를 최소화하기 위하여 합성된 제올라이트 4A의 특성분석 결과를 통해 하나의 대표적인 특성분석 값을 이용하여 통계적 실험계획법의 데이터로 사용하였다. 이를 위해 먼저 실리콘 전구체의 SMS의 농도를 변화시키면서 Autoclave에서 합성을 수행하였다.
  • 이를 극복하기 위한 방법으로 통계적 실험계획법에 대한 연구의 필요성이 제기되고 있다. 이에 본 연구에서는 제올라이트 4A를 합성하기 위한 최적의 반응공정을 실험계획법을 이용하여 제시하였다. 일반 요인 실험을 이용한 분석에서 반응기의 종류, 반응시간 및 반응온도 모두 주요인자로 확인되었다.
  • 이와 같이 다양한 분야에 적용이 가능하므로 다양한 루트의 제올라이트 4A 합성법이 제시되고 있다. 이에 본 연구에서는 통계적 실험실습법 중에서 인자의 모든 실험조건에 대하여 실험을 실시하는 일반 요인 실험 설계를 통해 공정변수간 주효과도와 교호작용도를 살펴보았다. 더불어 반응표면식을 이용하여 독립변수의 변화에 대한 반응변수의 변화를 분석할 수 있는 반응표면분석법을 이용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
일반적인 실험계획법은 어떤 단계로 구성되는가? 이를 극복하기 위하여 통계적 실험계획법을 이용한 연구에 관심이 높아지고 있다. 일반적으로 실험계획법은 실험에서 적은 비용으로 최대의 정보를 얻고자 계획하는 것으로, 실험은 설계(design) 단계, 실험 자료의 분석(analysis) 단계와 최적화(optimization) 단계로 구성된다[1]. 실험의 설계 단계에서는 실험의 목적을 효율적이고 실용적으로 달성하기 위한 실험들의 선택과 실험 실시 순서인 랜덤화가 결정이 된다.
제올라이트는 주로 어디에 사용되는가? 1960년대 이후 합성 제올라이트가 흡착제 및 촉매로 사용되기 시작하면서 합성방법에 대한 연구가 활발히 시작되었다[3,4]. 제올라이트는 주로 석유분해를 위한 촉매로 사용되어 왔으며, 최근에는 변형된 제올라이트를 이용하여 다양한 분야의 촉매로서 사용되고 있다[5]. 선택적 흡착제로서의 제올라이트는 기체 및 액체로부터 수분제거 및 유기물에서의 불순물제거, 복잡한 혼합물에서 파라핀, 올레핀 및 방향족 성분의 분리에 사용되고 있다[6].
나노소재 합성공정이 다양해지고 복잡해질수록 가지는 한계점은 무엇인가? 하지만 나노소재 합성공정이 다양하고 복잡해질수록 최적의 합성조건을 찾기 위한 실험의 경우의 수는 기하급수적으로 증가한다. 특히 고가의 원료를 사용하거나 합성시간이 긴 실험의 경우 기존의 trial and error 방법으로는 최적의 합성 조건을 찾는데 한계가 있다.
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참고문헌 (9)

  1. R. E. Walpole, K. E. Ye, Raymond, H. Myers, and S. L. Myers, Probability and Statistics for Engineers and Scientists, 9th ed., 639-652, Prentice Hall, Boston, MA, USA (2012). 

  2. R. L. Mason, R. F. Gunst, and J. L. Hess, Statistical Design and Analysis of Experiments, with Applications to Engineering and Science, 2nd ed., 568-597, Wiley-Interscience, NJ, USA (2003). 

  3. T. B. Reed and D. W. Breck, Crystalline zeolites. II. Crystal structure of synthetic zeolite, type A. J. Am. Chem. Soc., 78, 5972-5977 (1956). 

  4. R. Szostak, Molecular Sieves: Principles of Synthesis and Identification, 79-101, Van Nostrand Reinhold, NY, USA (1989). 

  5. M. Estermann, L. B. McCusker, C. Baerlocher, A. Merrouche, and H. Kessler, A synthetic gallophosphate molecular sieve with a 20 - tetrahedral - atom pore opening, Nature, 352, 320-323 (1991). 

  6. B. Smit and T. L. M. Maesen, Molecular simulations of zeolites: Adsorption, diffusion, and shape selectivity, Chem. Rev., 108, 4125-4184 (2008). 

  7. M. W. Ackley, S. U. Rege, and H. Saxena, Application of natural zeolites in the purification and separation of gases, Microporous Mesoporous Mater., 61, 25-42 (2003). 

  8. R. M. Barrer, J. A. Davies, and L. V. C. Rees, Comparison of the ion exchange properties of zeolites X and Y, J. Inorg. Nucl. Chem., 31, 2599-2609 (1969). 

  9. L. Gora, K. Streletzky, R. W. Thompson, and G. D. J. Phillipes, Study of the crystallization of zeolite NaA by quasi-elastic light-scattering spectroscopy and electron microscopy, Zeolites, 18, 119-131 (1996). 

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