석탄은 오랜 전부터 사용해온 유용한 산업 자원이다. 그러나 채굴과정에서 많은 폐기물인 석탄 폐석이 발생된다. 석탄 폐석은 주변 환경오염의 주범이며, 그 양 또한 수억 톤이 적치된 상태이다. 이러한 석탄 폐석에 포함된 성분 중 상당량이 $SiO_2$와 $Al_2O_3$ 성분이고 이것은 여러 산업에서 유용하게 사용되는 제올라이트의 주원료이기도 하다. 본 연구는 석탄 폐석을 이용하여 제올라이트를 합성하고, 상용 제올라이트와의 물성 및 흡착 성능을 비교한 것이다. 합성제올라이트는 상용 제올라이트와 유사한 물성을 보여주고 있으며, 대기 환경오염 유발가스($CO_2$, Toluene, $SO_2$, 등)에 대한 흡착성능 또한 우수하였다.
석탄은 오랜 전부터 사용해온 유용한 산업 자원이다. 그러나 채굴과정에서 많은 폐기물인 석탄 폐석이 발생된다. 석탄 폐석은 주변 환경오염의 주범이며, 그 양 또한 수억 톤이 적치된 상태이다. 이러한 석탄 폐석에 포함된 성분 중 상당량이 $SiO_2$와 $Al_2O_3$ 성분이고 이것은 여러 산업에서 유용하게 사용되는 제올라이트의 주원료이기도 하다. 본 연구는 석탄 폐석을 이용하여 제올라이트를 합성하고, 상용 제올라이트와의 물성 및 흡착 성능을 비교한 것이다. 합성제올라이트는 상용 제올라이트와 유사한 물성을 보여주고 있으며, 대기 환경오염 유발가스($CO_2$, Toluene, $SO_2$, 등)에 대한 흡착성능 또한 우수하였다.
The coal is a useful industrial resource for a long time. However, coal waste is generated by the mining process. Coal wastes are the main cause of pollution in the surrounding environment, and the amount of coal waste is set at hundreds of millions of tons. Significant amounts of these components i...
The coal is a useful industrial resource for a long time. However, coal waste is generated by the mining process. Coal wastes are the main cause of pollution in the surrounding environment, and the amount of coal waste is set at hundreds of millions of tons. Significant amounts of these components in the coal waste are $SiO_2$ and $Al_2O_3$, which is also the main source of zeolites useful in various industries. This study is that the synthesis-zeolite was prepared from coal waste and properties and adsorption performance of synthesis-zeolite were compared with commercial zeolite. The synthesis-zeolite is showed similar properties to the commercial zeolite and also showed excellent adsorption performance against atmospheric pollution induced gases ($CO_2$, Toluene, $SO_2$, etc).
The coal is a useful industrial resource for a long time. However, coal waste is generated by the mining process. Coal wastes are the main cause of pollution in the surrounding environment, and the amount of coal waste is set at hundreds of millions of tons. Significant amounts of these components in the coal waste are $SiO_2$ and $Al_2O_3$, which is also the main source of zeolites useful in various industries. This study is that the synthesis-zeolite was prepared from coal waste and properties and adsorption performance of synthesis-zeolite were compared with commercial zeolite. The synthesis-zeolite is showed similar properties to the commercial zeolite and also showed excellent adsorption performance against atmospheric pollution induced gases ($CO_2$, Toluene, $SO_2$, etc).
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문제 정의
본 연구는 강원도 태백시 지역에서 발생되는 석탄 폐석을 이용하여 산업에 유용하게 사용되고 있는 합성제올라이트를제조하고, 물성 및 흡착 성능에 대하여 상용 제올라이트와 비교한 것이다.
본 연구는 강원도 태백지역에서 발생되는 석탄 폐석을 이용하여 우수한 물성 및 흡착 성능을 가진 합성제올라이트를제조하는 것이다. 기존의 상용 제올라이트와의 물리화학적 물성 특성을 비교하였으며, 환경오염 유발가스에 대한 흡착성능에 대한 측정 평가도 진행하였다.
본 연구에서 석탄 폐석 및 제조된 합성제올라이트의 물리 화학적 특성을 살펴보기 위하여, X선 형광분석(XRF), X선 회절분석(XRD), 주사전자현미경(scanning electron microscope,SEM) 사진 분석, 질소 등온 흡탈착 측정(N2 adsorption-desorption isotherms)을 진행하였다.
제안 방법
이 실험은 질소 등온 흡탈착 측정(BET 측정) 실험과 유사한 방식으로 진공상태에서부터 상압까지 압력변화에 따른 CO2 흡착량을 일정한 온도(298K)에서 측정하였다. CO2의 흡착량은 시료에 흡착된 CO2 양을 측정한 다음 무게로 환산하여 시료 양에 따른 CO2의 중량비로나타냈었다.
본 연구는 강원도 태백지역에서 발생되는 석탄 폐석을 이용하여 우수한 물성 및 흡착 성능을 가진 합성제올라이트를제조하는 것이다. 기존의 상용 제올라이트와의 물리화학적 물성 특성을 비교하였으며, 환경오염 유발가스에 대한 흡착성능에 대한 측정 평가도 진행하였다.
또한 환경오염 유발 가스인 톨루엔, 이산화황, 황화수소,메틸메르캅탄에 대한 흡착성능 실험을 진행하였다. 테들라백(10 L)에 샘플(20 g)을 넣고 일정농도(50 ppm)의 가스를 주입한 후, 일정시간(1시간) 뒤에 가스농도분석을 진행하여 측정하였다.
석탄 폐석 및 합성제올라이트의 구성 성분을 측정하기 위해서, XRF 측정 장비(S8 Tiger, BRUKER)를 이용하였다. 합성제올라이트의 결정 구조를 살펴보기 위해서, XRD 측정 장비(D8 ADVANCE, Bruker Corporation)를 이용하였다.
석탄 폐석으로 제조한 합성제올라이트 4A type에 대한 흡착 성능을 상용제올라이트 4A type과 비교하였다. 그 결과 CO2 흡착 등온선 분석에서 합성제올라이트는 상용제올라이트의 CO2 흡착 성능에 95% 수준으로 나타났다.
2로 혼합한 다음 850 ℃에서2시간 동안 용융하였다. 용융된 석탄 폐석은 30 mesh 사이즈이하로 재 분쇄한 후 비이커형 batch 합성반응기에 투입한 후 SiO2/Al2O3 몰비가 2.0이 되도록 NaAl2O3를 추가 투입하고 합성제올라이트 시드(zeolite A type)를 용융된 석탄 폐석의 1% 내외로 투입하였다. 그리고 증류수를 용융된 석탄 폐석의 무게의 2배로 투입한 후 교반하면서 상온에서 2시간 동안 숙성을 한 다음, 결정화 반응으로 90 ℃로 승온한 후 3시간 동안유지시켰다.
adsorption isotherms)을 진행하였다 (BELsorp, BEL Japan). 이 실험은 질소 등온 흡탈착 측정(BET 측정) 실험과 유사한 방식으로 진공상태에서부터 상압까지 압력변화에 따른 CO2 흡착량을 일정한 온도(298K)에서 측정하였다. CO2의 흡착량은 시료에 흡착된 CO2 양을 측정한 다음 무게로 환산하여 시료 양에 따른 CO2의 중량비로나타냈었다.
질소 등온 흡탈착 측정은 제올라이트의 물리적 성질을 알아보기 위해서 실시하였다(BELsorp, BEL Japan). 이를 통해서 제올라이트의 비표면적 및 기공부피, 기공사이즈를 측정하였다. 제올라이트의 비표면적은 Brunauer-Emmett-Teller (BET) 방법을 이용하였다.
합성제올라이트의 입자를 자세히 관찰하기 위해서 주사전자현미경(FE-SEM, JSM6700F, JEOL)을 이용하였다. 질소 등온 흡탈착 측정은 제올라이트의 물리적 성질을 알아보기 위해서 실시하였다(BELsorp, BEL Japan). 이를 통해서 제올라이트의 비표면적 및 기공부피, 기공사이즈를 측정하였다.
또한 환경오염 유발 가스인 톨루엔, 이산화황, 황화수소,메틸메르캅탄에 대한 흡착성능 실험을 진행하였다. 테들라백(10 L)에 샘플(20 g)을 넣고 일정농도(50 ppm)의 가스를 주입한 후, 일정시간(1시간) 뒤에 가스농도분석을 진행하여 측정하였다. 측정온도는 298 K이며, 습도는 상대습도 40 ~ 45%이다.
석탄 폐석 및 합성제올라이트의 구성 성분을 측정하기 위해서, XRF 측정 장비(S8 Tiger, BRUKER)를 이용하였다. 합성제올라이트의 결정 구조를 살펴보기 위해서, XRD 측정 장비(D8 ADVANCE, Bruker Corporation)를 이용하였다. 합성제올라이트의 입자를 자세히 관찰하기 위해서 주사전자현미경(FE-SEM, JSM6700F, JEOL)을 이용하였다.
합성제올라이트의 이산화탄소 흡착능력을 확인하기 위해서, CO2 흡착 등온 측정(CO2 adsorption isotherms)을 진행하였다 (BELsorp, BEL Japan). 이 실험은 질소 등온 흡탈착 측정(BET 측정) 실험과 유사한 방식으로 진공상태에서부터 상압까지 압력변화에 따른 CO2 흡착량을 일정한 온도(298K)에서 측정하였다.
대상 데이터
석탄 폐석은 강원도 태백시에 위치한 장성광업소에서 채취한 것으로 그 형상, 성분은 Figure 1, Table 1과 같다. Figure 1과 같은 석탄 폐석은 30 mesh (0.
석탄 폐석은 제올라이트 합성에 필요한 SiO2, Al2O3 성분이 충분히 적당한 비율로 존재하였으며, 이를 활용하여 합성제올라이트 4A type으로 제조하였다. X선 회절분석(XRD)에서합성제올라이트는 상용제올라이트 4A type과 비교하여도 거의 유사한 구조와 강도를 보였으며, X선 형광분석(XRF)에서 94%의 높은 순도를 보였다.
흡착율은 흡착전후 농도차이를 측정한 값을 백분율로 나타내었다. 이산화황의 경우 MK6000을 이용하여 농도를 측정하였으며, 나머지 톨루엔, 황화수소, 메틸메르캅탄은 가스검지관(GV-100S, 가스텍)을 이용하여 측정하였다.
이론/모형
이를 통해서 제올라이트의 비표면적 및 기공부피, 기공사이즈를 측정하였다. 제올라이트의 비표면적은 Brunauer-Emmett-Teller (BET) 방법을 이용하였다.
합성제올라이트의 결정 구조를 살펴보기 위해서, XRD 측정 장비(D8 ADVANCE, Bruker Corporation)를 이용하였다. 합성제올라이트의 입자를 자세히 관찰하기 위해서 주사전자현미경(FE-SEM, JSM6700F, JEOL)을 이용하였다. 질소 등온 흡탈착 측정은 제올라이트의 물리적 성질을 알아보기 위해서 실시하였다(BELsorp, BEL Japan).
성능/효과
성분이 충분히 적당한 비율로 존재하였으며, 이를 활용하여 합성제올라이트 4A type으로 제조하였다. X선 회절분석(XRD)에서합성제올라이트는 상용제올라이트 4A type과 비교하여도 거의 유사한 구조와 강도를 보였으며, X선 형광분석(XRF)에서 94%의 높은 순도를 보였다. 또한 주사전자현미경(SEM)을 통해 합성제올라이트 입자를 관찰한 결과, 상용제올라이트와 일반적인 제올라이트 4A type과 유사한 정육면체모양이 나타났다.
석탄 폐석으로 제조한 합성제올라이트 4A type에 대한 흡착 성능을 상용제올라이트 4A type과 비교하였다. 그 결과 CO2 흡착 등온선 분석에서 합성제올라이트는 상용제올라이트의 CO2 흡착 성능에 95% 수준으로 나타났다. 그리고 악취 및 환경오염 유발가스에 대한 흡착성능을 측정한 결과에서는합성제올라이트가 상용제올라이트에 비해 비교적 우수한 성능을 보였다.
Figure 3은 상용 제올라이트 4A type(코스모촉매 주식회사 제품)과 석탄 폐석을 이용하여 제조한 합성제올라이트 4Atype의 XRD 패턴을 나타낸 것이다. 그 결과, 석탄 폐석으로 제조한 합성제올라이트는 상용 제올라이트와 구조가 거의 일치함을 알 수 있다. 이것은 용융된 석탄 폐석이 합성 반응기에서 결정화 과정을 거치면서 상용 제올라이트 4A type과 거의 동일한 구조로 변화된 것을 알 수 있다[13-15].
그 결과 CO2 흡착 등온선 분석에서 합성제올라이트는 상용제올라이트의 CO2 흡착 성능에 95% 수준으로 나타났다. 그리고 악취 및 환경오염 유발가스에 대한 흡착성능을 측정한 결과에서는합성제올라이트가 상용제올라이트에 비해 비교적 우수한 성능을 보였다. 이것은 석탄 폐석으로 합성제올라이트를 제조하여도 기존의 상용제올라이트와의 유사한 물성 및 흡착 성능을 보여준 것이다.
X선 회절분석(XRD)에서합성제올라이트는 상용제올라이트 4A type과 비교하여도 거의 유사한 구조와 강도를 보였으며, X선 형광분석(XRF)에서 94%의 높은 순도를 보였다. 또한 주사전자현미경(SEM)을 통해 합성제올라이트 입자를 관찰한 결과, 상용제올라이트와 일반적인 제올라이트 4A type과 유사한 정육면체모양이 나타났다. 비표면적은 합성제올라이트가 상용제올라이트보다 우수하게 나타났으며 전체적으로 상용제올라이트와 거의 유사한 물성을 나타냈다.
또한 주사전자현미경(SEM)을 통해 합성제올라이트 입자를 관찰한 결과, 상용제올라이트와 일반적인 제올라이트 4A type과 유사한 정육면체모양이 나타났다. 비표면적은 합성제올라이트가 상용제올라이트보다 우수하게 나타났으며 전체적으로 상용제올라이트와 거의 유사한 물성을 나타냈다.
Table 2는 제올라이트의 성분을 XRF로 분석한 것을 나타낸 것이다. 상용 제올라이트와 합성제올라이트 모두 주성분이 SiO2, Al2O3, Na2O으로 나타나며, 상용 제올라이트는 99% 이상의 순도를 나타내며, 합성제올라이트는 94% 이상의 순도를 나타낸다. 또한 합성제올라이트는 Fe2O3, TiO2 등 초기 석탄 폐석에서 포함된 불순물이 소량 남아있는 것을 알 수 있다.
후속연구
그 이유는 국내에서 제올라이트 원료는 거의 없기 때문에 해외에서 전량 수입을 해야 한다. 석탄 폐석과 같이 제올라이트 성분으로 합성이 가능한 폐기물을 이용한다면 제올라이트 생산을 국내에서 대량으로 할 수 있을 것이라고 판단이 되며, 이에 대한 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
광미란 무엇인가?
석탄은 화력발전소 및 가정용 연료, 제철소 용광로 등 오래전부터 각종 산업에 이용되고 있는 유용한 자원이다. 상기 석탄은 채굴을 한 다음, 선탄과정을 거친 후 산업에 이용되는 석탄 외 나머지 폐기물을 광미라 부르며, 그중에서 석탄성분이 거의 없어서 폐기되는 암석을 석탄 폐석(맥석)이라고 부르며, 탄광 이외에 기타 광물광산에서 폐기되는 암석을 포함한다. 우리나라 무연탄 탄광의 경우 폐기되는 석탄 폐석은 선탄과정에서 선별된 석탄 량과 거의 비슷한 양으로 생성된다.
흡착제 원료 및 세제 빌더 등 대용량, 소모성으로 사용되는 대량생산 제품을 중국 등지에서 수입을 하는 이유는 무엇인가?
특수목적으로 일부 소량 생산하지만 흡착제 원료 및 세제 빌더 등 대용량, 소모성으로 사용되는 대량생산 제품은 중국 등지에서 수입을 한다. 그 이유는 국내에서 제올라이트 원료는 거의 없기 때문에 해외에서 전량 수입을 해야 한다. 석탄 폐석과 같이 제올라이트 성분으로 합성이 가능한 폐기물을 이용한다면 제올라이트 생산을 국내에서 대량으로 할 수 있을 것이라고 판단이 되며, 이에 대한 연구가 필요하다.
기존 비산재를 이용한 제올라이트 제조방법의 단점은 무엇인가?
국내에서 발생되는 폐기물을 이용하여 합성제올라이트 생산방법에 대한 연구는 대부분 화력발전소에서 발생되는 비산재를 이용한 제올라이트 제조방법에 관한 것이다[6,8,10-13].또한, 기존 비산재를 이용한 제올라이트 제조방법에서 비산재는 탈황공정에서 투입되는 석회석의 영향으로 CaO 함량이 20 wt% 이상으로 비교적 높으며, CaO 영향으로 제올라이트합성 및 순도, 수취량, 결정도 등이 낮아져서 원하는 성상의 제올라이트를 제조하기 어려운 단점이 있다.
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