다층 구조를 가진 5A 제올라이트를 탄소 분자체 분리막에 첨가한 복합막을 제조하고 질소/산소의 분리 특성을 평가하였다. 제올라이트의 첨가는 선택도에는 미세한 영향을 주지만 투과도를 크게 증가시키는 방법으로 전체적인 탄소막의 질소/산소의 분리 성능을 상승시켰다. 특히 메조포어를 함유한 다층구조의 제올라이트 첨가제는 분리막의 투과도를 보다 효율적으로 상승시켜 아주 우수한 분리 성능에 도달하였다. 이 연구의 결과는 저렴한 탄소막 전구체와 제올라이트 소재를 활용하 고도 고성능의 질소/산소 분리막을 손쉽게 제조할 수 있다는 것을 제시한다.

(주)파인텍에서 개발한 제올라이트 4A 분리막을 이용하여 물/알코올의 단일및 혼합성분의 투과증발 실험을 수행하였다. 다양한 온도 및 농도 조건 실험을 통해 물/메탄올(분리계수 250 이상) 물/에탄올(3,000 이상), 물/이소프로필알코올(1,500 이상), 물/부탄올 (1,500 이상) 혼합물로 부터 물을 선택적으로 분리할 수 있음을 확인하였다. 활동도계수-퓨개시티 모형, GMS 모형 및 Dusty Gas 모형을 이용하여 단일성분 및 혼합물의 투과증발 거동을 모사하였으며, GA (Genetic Algorithm) 및 SQP (sequential quadratic programming)를 이용한 상수추정을 통하여 제올라이트 활성층의 흡착 및 확산 상수를 구하였다.

본 연구에서는 제올라이트 4A 분리막((주)파인텍)에서의 물과 알코올(메탄올, 에탄올, IPA, 부탄올)의 1성분, 2성분 그리고 3성분 투과증발 특성을 실험 및 모형을 통해 분석하였다. 다양한 온도 및 농도 조건 실험을 통해 제올라이트 4A 분리막이 알코올로 부터 물을 선택적으로 분리할 수 있음을 확인하였으며, 이때 분리계수는 각각 물/메탄올 150 이상, 물/에탄올 3,000 이상, 물/IPA 1,500 이상, 물/부탄올 1,500 이상이었다. Generalized Maxwell Stefan 모형 및 Dusty Gas 모형을 이용하여 단일성분 및 혼합물의 투과증발 거동을 모사하였으며, Genetic Algorithm을 이용한 상수추정을 통하여 비지지체의 흡착 및 확산 상수를 구하였다.

본 연구에서는 (주)파인텍에서 제조한 제올라이트 4A 분리막을 이용하여 물/메탄올, 물/부탄올 혼합물의 투과증발 실험을 수행하였다. 분리막을 투과한 기체분자들은 액체질소트랩을 이용하여 포집하였으며, 기체크로마토그래피(TCD)를 이 용하여 혼합물의 조성을 분석하였다. 실험을 통해 물과 메탄올(분리계수 최대 250 이상), 물과 부탄올(분리계수 최대 1,500 이상)의 혼합물에서 선택적으로 물을 분리하는 것을 확인하였다. GMS (generalized Maxwell Stefan) 이론을 적용하여 2성분 계의 투과증발 거동을 모사하였으며, 상수추정을 통하여 제올라이트 비지지체의 흡착상수 및 확산상수를 구하였다. 제올라이 트 4A 분리막의 경우 기공의 크기가 물보다는 크고, 메탄올, 부탄올 보다는 작기 때문에, 알코올로부터 물을 분리시키는 공정 에 적용시킬 수 있다. 바이오 에탄올 분리, 부탄올 분리, 막반응기, 하이브리드 반응-탈수 공정 등에 적용할 수 있을 것으로 사료된다.

본 연구는 고방사성해수폐액 (HSW)으로부터 Barium (Ba)이 함침된 4A 제올라이트 (BaA)에 의한 고방사성핵종 중에 하나인 Sr의 흡착 제거를 수행하였다. BaA에 의한 Sr의 흡착 (BaA-Sr)은 Ba의 함침농도 20.2wt% 이상에서 Ba의 함침농도가 증가 할수록 감소하며 Ba 함침농도는 20.2wt% 정도가 적당하였다. 그리고 BaA-Sr 흡착은 BaA 내 4A에 의한 Sr 흡착 (4A-Sr)에 BaSO4 침전에 따른 Sr 공침이 첨가되어, Sr의 농도가 0.2 mg/L 이하 (HSW 내 실제 Sr 농도 수준)에서 BaA는 m/V (흡착제 량/용액 부피)=5 g/L, 4A는 m/V >20 g/L에서 99% 이상의 Sr 제거가 가능하였다. 이는 흡착제 단위 g 당 Sr의 처리용량 및 2 차 고체폐기물 (폐흡착제 등) 발생량 저감화 차원에서 BaA-Sr 흡착이 4A-Sr 흡착보다 우수함을 나타낸다. 또한 BaA-Sr 흡 착이 증류수보다 해수폐액에서 Sr의 제거능이 우수하여 HSW로부터 직접 Sr을 제거하는 데 효과적일 것으로 보인다. 반면 에 BaA에 의한 Cs의 흡착 (BaA-Cs)은 주로 BaA 내 4A에 의해서 이루어지고 있어 함침 Ba의 영향은 거의 없는 것 같다. 한 편 BaA-Sr 흡착속도는 유사 2차 속도식으로 표현할 수 있으며, Sr의 초기농도 및 V/m 비 증가에 따라서 속도상수 (k2)는 감 소하지만 평형흡착량 (qe)은 증가하고 있다. 그러나 용액의 온도증가에 따라서는 반대로 k2는 증가하지만 qe는 감소하고 있 다. BaA-Sr 흡착 활성화에너지는 약 38 kJ/mol 로 강력한 결합 형태를 이룬 화학흡착은 아니더라도 물리적 흡착보다 화학적 흡착이 지배적일 것으로 보인다.

석탄회를 NaOH로 용융시킨 후 수열 처리에 의하여 제올라이트 A를 합성하였다. NaOH/석탄회의 비, 용융 온도, NaAlO2의 첨가량, 수열 처리 온도 및 시간이 생성된 제올라이트의 종류와 결정도에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 결정도가 높은 제올라이트의 생성에 필요한 최적의 NaOH/석탄회의 중량비는 1.2, 최적의 용융 온도는 550℃이었다. 용융된 석탄회로부터 Si4+ 와 Al3+의 용출은 교반 시간의 영향을 받지 않았다. 생성된 제올라이트의 형태는 첨가한 NaAlO2의 영향을 받는 것으로 나타났다. 적은 양의 NaAlO2를 첨가하면 제올라이트 X가 생성되나 NaAlO2의 양이 증가하면 단일상의 제올라이트 A가 생성되었다. 수열처리 시간과 온도가 증가하면 제올라이트 A는 hydroxysodalite로 변화하였다. 승온 속도를 낮춰 반응 온도까지의 도달시간을 증가시키면 결정도가 좋은 제올라이트 A를 얻을 수 있었다.

This study was carried out to synthesis the zeolite using the bituminous coal fly ash emitted from power plant that occurs several environmental problems. In spite of fly ash has contained high content of SiO2 and Al2O3, it disposed mainly landfill. If the effective methods to recover the SiO2 and Al2O3 were developed, the fly ash could be utilized valuable raw materials. In this study, fly ash was used as raw material to synthesize the zeolite by pressurized hydrothermal reaction. Also, experimental parameters included temperature(70~110℃, and pressure(140~200 psi) of crystallization were investigated. The more crystallization pressure was increased, the more Zeolite 4A was synthesized at 70 and 90℃. Zeolite 4A of metastable phase tend to be transformed into sodalite of stable phase at 110℃.

경북 감포지역에서 산출되는 천연 벤토나이트를 이용하여 제올라이트를 합성하였으며 세제용 builder로서 가능성을 연구하였다. 최적의 합성조건은 기질의 몰비가 SiO2/Al2O3=2, Na2O3/Al2O3=1, H2O/A12O3=30이고 90˚C에서 3시간 반응시킬 경우였고, 이 조건에서는 A형 제올라이트가 합성되는 것을 XRD를 통하여 확인하였다. 최적 조건에서 합성된 제올라이트의 이온교환능을 측정하기 위하여 경도 40˚Dh의 CaCl2용액과 30˚C에서 IS분 접촉시킨 결과 264.9mg CaO/g-zeolite 정도로 우수한 값을 나타내었다. 이 시료의 백색도는 89%이었고, 평균 입자크기는 9.95μm이었다.

경북 감포지역에서 산출되는 천연 벤토나이트를 이용하여 제올라이트 A를 합성하기 위해 반응기질의 몰비, 반응온도, 반응시간 등에 따른 최적의 합성조건을 조사하였다. 실리카원은 40%-황산용액으로 처리한 천연 벤토나이트를 사용하였고, 알루미늄원은 NaA1O₂를 합성하여 사용하였다. 반응기질의 몰비는 SiO₂ : A1₂O₃ : NaO₂ : H₂O=2 : 1 : 1 : 25와 2 : 1 : 1 : 30이었고, 60℃에서 1시간 묵힘과정을 거친 후 90, 100, 120℃에서 1, 3, 5hr반응시켰다 제올라이트 A의 최적의 합성조건은 SiO₂: Al₂O₃ : Na₂O = H₂O=2 : 1 : 1 : 30이고, 90℃에서 3hr 반응시키는 경우였고, 이 조건에서 합성된 제올라이트의 열적 성질은 79.2℃에서 층간수가 증발하였고, 503.0℃에서 결정수가 탈리되었다. 수분의 감소량은 제올라이트 중량비의 5.9%이었다.

Tl+ 이온으로 교환된 제올라이트 A (|Tl12|[Si12Al12O48]-LTA, Tl12-A) 단결정을 진공 탈수시킨 후, 623 K 에서 72시간 동안 ZrI4 (g, 6.0 × 103 Pa) 와 반응시켜, Zr,I,Tl-A (|Zr0.25I1.5Tl12|[Si12Al12O48]-LTA)를 제조하였다. 제조된 단결정의 구조는 294 K에서 단결정 X-선 회절 기술을 이용하여 Pm3m (a = 12.337(2) Å) 입방 공간군에 속함을 확인 하였고, Fo> 4σ(Fo)를 사용하여 최종 오차 인자를 R1/wR2= 0.055/0.189로 정밀화 하였다. 이 구 조에서 Tl+ 이온은 6-ring 맞은편의 3-fold 축상의 서로 다른 3개의 결정학적 위치에서 단위세포당 7.5개가 발 견되었고, 모든 8-ring 근처(단위세포당 3개)에서 3개의 결정학적 위치로 채워졌다. 그리고 단위세포당 1.5개의 Tl+ 이온은 ZrI4(g)와 반응 후 sodalite cavity 안에서 3-fold 축상을 벗어난 자리에서 골격산소 O2 및 O3와 결 합하면서 발견되었다. Zr4+ 이온은 6개의 I- 이온과 함께 8면체의 ZrI6 2- 형태로 large cavity 정중앙에 존재하 였고, 이들은 8-ring 및 6-ring 근처에 존재하고 있던 Tl+ 양이온과 3차원적으로 연결하면서 ZrI6Tl11 9+ cationic cluster을 형성하였다. 이러한 cationic cluster은 Zr,I,Tl-A의 large cavity 중에서 약 25%에만 존재하였다.

이온교환 용액내 Na+ 이온의 몰농도 증가에 따른 zeolite A의 Sr2+ 이온교환 특성을 연구하기 위하여, Sr2+ 및 Na+ 이온으로 교환된 4개의 zeolite A 단결정을 혼합 이온교환 용액을 이용하여 회분법으로 준비하였 다. 이들 이온교환용액의 전체 몰농도는 0.05M이며, Sr(NO3)2:NaNO3 몰비는 각각 1:1(crystal 1), 1:100(crystal 2), 1:250(crystal 3), and 1:500(crystal 4) 이다. 이들 단결정은 623 K와 1×10-4 Pa의 진공하에서 2 일간 탈수 시 켰다. 이들의 구조는 단결정 싱크로트론 X-선 회절법으로 입방공간군 Pm3-m을 사용하여 해석하였으며 crystals 1, 2, 3 및 4의 최종 오차 인자를 각각 0.047/0.146, 0.048/0.142, 0.036/0.128, and 0.040/0.156로 정밀화하였다. Crystal 1과 2에서는 6개의 Sr2+ 이온이 결정학적으로 서로 다른 3개의 위치에서 발견되었다. Crystal 3에서는 1 개의 Sr2+ 이온과 10개의 Na+ 이온이 large cavity와 sodalite 내부에서 발견 되었다. Crystal 4 에서는 단지 12 개의 Na+ 이온만이 3개의 서로 다른 결정학적 자리에 점유하고 있었다. Sr2+ 이온의 이온교환율은 초기 Na+ 이온의 농도가 증가하고 Sr2+ 이온의 농도가 감소함에 따라 100에서 16.7 및 0%로 급격하게 감소 하였다. 또한, Sr2+ 이온 교환률이 감소 함에 따라 제올라이트 골격의 단위 격자 상수 값이 갑소 하였다.

Ca2+ 이온으로 부분적으로 치환된 제올라이트 A (|Ca4Na4|[Si12Al12O48]-LTA) 단결정과 Se을 가는 모세관에 넣은 후 523 K 에서 5일동안 반응을 시켜 Se이 흡착된 제올라이트 A 단결정을 합성 하였다. 이 결정의 구조는 294 K 에서 단결정 X-선 회절 기술을 이용하여 Pm3m (a = 12.2787(13) Å) 입방 공간군에 속함을 확인 하였고, Fo> 4s(Fo)를 사용하여 최종 오차 인자를 R1/wR2= 0.0960/0.3483로 정밀화 하였다. 이 구조에서는 4개의 Na+와 4개의 Ca2+ 이온이 모든 6-ring 자리에 채워져 있었으며, 이들 이온들은 모두 6-ring 맞 은편의 3-fold 축상의 결정학적 위치에서 발견되었다. Se 원자들은 뚜렷하게 서로 다른 3개의 결정학적 위 치에서 발견되었다. 단위 세포당 2개의 Se(1) 원자는 sodalite cavity 내 6-ring 맞은편 (Se(1)-Na(1) = 2.53(5) Å), 1개의 Se(2) 원자는 4-ring 맞은편 (Se(2)-O(1) = 2.76(10) Å), 그리고 1개의 Se(3) 원자는 large cavity 내 6-ring 맞은편 (Se(3)-Na(1) = 2.48(5) Å)에 각각 위치하고 있었다. 2가지 형태의 Se2 분자 (Se(1)-Se(1) = 2.37(7) or 2.90(8) Å and Se(2)-Se(3) = 2.91(5)) Å)가 sodalite cavity와 large cavity 내에서 발견되었으며, Se4와 Se8 과 같은 형태의 클러스터가 large cavity 내에 존재할 수 있었다. 이들 클러스터내 Se 원자들 사이의 거리는 기체상태의 Se2 분자내 Se 원자 사이의 거리보다 더 길게 나타났다.

A zeolitic material (Z-Y2) was synthesized from Coal Fly Ash (CFA) using a fusion/hydrothermal method under low-alkali condition (NaOH/CFA = 0.6). The adsorption performance of the prepared zeolite was evaluated by monitoring its removal efficiencies for Sr and Cs ions, which are well-known as significant radionuclides in liquid radioactive waste. The XRD (X-ray diffraction) patterns of the synthesized Z-Y2 indicated that a Na-A type zeolite was formed from raw coal fly ash. The SEM (scanning electron microscope) images also showed that a cubic crystal structure of size 1~3㎼ was formed on its surface. In the adsorption kinetic analysis, the adsorption of Sr and Cs ions on Z-Y2 fitted the pseudo-second-order kinetic model well, instead of the pseudo-first-order kinetic model. The second-order kinetic rate constant (k2) was determined to be 0.0614 g/mmol·min for Sr and 1.8172 g/mmol·min for Cs. The adsorption equilibria of Sr and Cs ions on Z-Y2 were fitted successfully by Langmuir model. The maximum adsorption capacity (qm) of Sr and Cs was calculated as 1.6846 mmol/g and 1.2055 mmol/g, respectively. The maximum desorption capacity (qdm) of the Na ions estimated via the Langmuir desorption model was 2.4196 mmol/g for Sr and 2.1870 mmol/g for Cs. The molar ratio of the desorption/adsorption capacity (qdm/qm) was determined to be 1.44 for Na/Sr and 1.81 for Na/Cs, indicating that the amounts of desorbed Na ions and adsorbed Sr and Cs ions did not yield an equimolar ratio when using Z-Y2.

In this study, zeolite (Z-C1) was synthesized using a fusion/hydrothermal method from coal fly ash. The morphological structures of Z-C1 were confirmed to be highly crystalline with a cubic crystal structure. Exchange capacities of Ca2+ and Mg2+ ions in a single and a mixed solution reached equilibrium within 120 min. The exchange kinetics of these ions were well predicted by the pseudo-second-order rate equation. The exchange isotherms of the Ca2+ and Mg2+ ions matched the Langmuir isotherm better than the Freundlich isotherm. The maximum cation exchange capacities (qm) obtained by the Langmuir isotherm model were 2.11 mmol/g (84.52 mg/L) and 1.13 mmol/g (27.39 mg/L) for the Ca2+ and Mg2+ ions, respectively.

The adsorption characteristics of Cu ions were studied using the zeolite Na-A synthesized from Jeju volcanic rocks. The effects of various operating parameters such as initial concentration of Cu ions, contact time, solution pH, and solution temperature were investigated in batch experiments. The adsorption of Cu ions by Na-A zeolite was fitted well by pseudo-second-order kinetics and the Langmuir isotherm model. The maximum adsorption capacity determined using the Langmuir isotherm model was 152.95 mg/g. In addition, the adsorption of Cu ions by zeolite Na-A was primarily controlled by particle diffusion model in comparison with the film diffusion model. As the temperature increased from 303 K to 323 K, ΔG˚ decreased from -2.22 kJ/mol to –3.41 kJ/mol, indicating that the adsorption of Cu ions by Na-A zeolite is spontaneous process.

This study evaluates the adsorption properties of Sr ions in an aqueous solution of the synthetic zeolite (Z-Y1) prepared using coal fly ash generated from a thermal power plant. In order to investigate the adsorption characteristics, the effects of various parameters such as the initial concentrations of Sr ion, contact time, and solution pH were investigated in a batch mode. The Langmuir and Redlich-Peterson model fitted the adsorption isotherm data better than the Freundlich model. The maximum adsorption capacity of Sr ions, as determined the Langmuir model, was 181.68 mg/g. It was found that by varying the Sr ion concentration, pH, and temperature, the pseudo-second-order kinetic model describes the adsorption kinetics of the Sr ion better than the pseudo-first-order kinetic model. The calculated thermodynamic parameters of ΔH0 and ΔG0 showed that the adsorption of Sr ions on Z-Y1 was occurred through a spontaneous and an endothermic reaction. We found that the adsorption of Sr ions by Z-Y1 was more affected by pH than by temperature and Sr ion concentration.

The adsorption characteristics of Sr ions and Cs ions in single and binary solution by zeolite A were investigated in batch experiment. The adsorption rate of Sr ions and Cs ions by zeolite A obeyed pseudo-second-order kinetic model in single and binary solution. The initial adsorption rates (h) and adsorption capacities of both ions obtained from pseudo-second-order kinetic model, and the values were decreased with increasing concentration of the competitive ions (0~1.5 mM). Also, adsorption isotherm data in binary solution were well fitted to the extended Langmuir model, the maximum adsorption capacities of Sr and Cs calculated from the model were 1.78 mmol/g and 1.64 mmol/g, respectively. The adsorption of Sr and Cs ions by zeolite A was carried out in the presence of other cations such as Na+, K+, Mg2+, and Ca2+. The results showed that the zeolite A can maintain a relatively high adsorption capacity for Sr and Cs ions and exhibits a high selectivity in the presence of competitive cations. The effect of competition had an order of Ca2+>K+>Mg2+>Na+ for Sr ions and K+>Ca2+>Na+>Mg2+ for Cs ions at the same cation concentration.

소각재 용융슬래그를 출발물질로 하여 알카리 조건하에서 활성화시킴으로써 Na-A형 제올라이트를 합성하였다. 합성실험은 스텐레스 철재로 제작된 반응용기를 사용하였다. 출발물질은 슬래그 외에 수정인공합성 공장에서 배출되는 '규산질 수용액'과 NaAlO₂ 수용액을 사용하였는데, 전자의 화학조성은 SiO₂ 5.7 wt% Na₂O 3.2 wt%이고, 후자는 몰비가 Na₂O/Al₂O₃= 1.2와 H₂O/Ma₂O=9의 조건으로 알루미늄 드로스와 NaOH 수용액을 반응시켜 제조하였다. 위에서 언급된 슬래그, '규산질 수용액' 그리고 NaAlO₂ 수용액을 혼합시킨 혼성물을 약 80℃에서 7∼8시간 반응시키면 Na-A형 제올라이트가 단일상으로 합성되었다. 출발물질의 이상적인 혼합비율은 Na₂O:Al₂O₃:SiO₂의 몰비가 1.3∼l.4 : 0.8∼0.9 : 2이었으며 반응용액과 슬래그의 비율은 1 : 7∼10 (g/cc)이었다. 합성된 제올라이트의 형태는 균일한 입방형이었으며 입도는 약 1 ㎛이었다. 한편, Ca<SUP>2+</SUP>이온에 대한 이온교환 용량(CEC)은 180∼210 meq/100 g이었으므로 통용되는 세제용 제올라이트와 비교하면 약 80% 수준이었으므로 폐수처리나 오염된 중금속처리와 같은 환경처리용으로 사용될 수 있을 것이다.