포항지역 널리 분포하고 있는 규질이암으로부터 상업화를 위한 50리터 bench scale 수열장치를 사용하여 Na-A형 제올라이트의 합성을 성공적으로 수행하였고 또한 이 제올라이트를 이용하여 환경 개선재로 활용하는 연구를 수행하였다. 초기물질로 사용된 규질이암은 제올라이트의 주요 성분인 SiO2 및 Al2O3가 각각 70.7% 및 10.0% 함유되어 제올라이트의 합성에 유리한 조성을 가지고 있다. 이전의 실험실적 규모에서 수행된 동일한 조건인 Na2O/SiO2 = 0.6, SiO2/Al2O3 = 2.0, H2O/Na2O = 98.6의 조성비로 80℃에서 18시간 동안 합성한 결과, Na-A형 제올라이트의 결정도 및 결정형태는 실험실적 규모와 유사하였고, 회수율 및 양이온 교환능은 각각 95% 및 215 cmol/kg으로 실험실적 규모에서 보다 약간 우수한 결과를 나타냈다. 합성된 Na-A형 제올라이트를 이용하여 모사폐액(Pb, Cd, Cu, Zn 및 Mn)에 중금속 제거율을 조사한 결과, 중금속 제거율은 Pb 〉 Cd 〉 Cu = Zn 〉 Mn의 순서이었다. Mn을 제외한 다른 중금속들은 1500 mg/L에서 99% 이상의 제거율을 보였고, Mn의 경우도 98%의 제거율을 보여 합성된 Na-A형 제올라이트는 중금속 흡착제로서 우수한 특성을 나타냈다.

본 연구는 마포소각장에서 발생된 용융슬래그로부터 Na-A형 제올라이트를 합성하여 환경 저감재로 재활용키 위한 목적에서 수행되었다. 초기물질로 사용된 용융슬래그는 용제(flux)로 사용된 Fe 성분(19.6% of Fe2O3, and 18.9% of FeO)이 비교적 높기는 하지만, 상대적으로 제올라이트의 주요 성분인 SiO2, Al2O3 및 Na2O가 각각 26.6%, 10.9% 및 2.7% 함유되어 제올라이트의 합성에 유리한 조성을 가지고 있다. 제올라이트의 수열합성은 80℃에서 수행되었으며, SiO2/Al2O3 = 0.80~1.96인 넓은 범위의 화학조성에서 Na-A형 제올라이트가 합성되는 것을 확인하였다. 제올라이트의 양이온 교환 능력은 10 h 이상의 합성시간에서 일정하게 거의 220 cmol/kg인 것으로 측정되었다. 합성된 제올라이트의 중금속 (As, Cr, Cd, Cu, Mn 및 Pb)에 대한 흡착능을 측정한 결과, As 및 Cr을 제외한 모든 중금속에서 높은 흡착율을 보였다. As와 Cr은 Eh-pH분석을 통해 각각 HAsO42-와 CrO42-인 이온상으로 존재하고 있음을 확인하였다. As와 Cr에 대한 제올라이트의 흡착률이 낮은 것은 이들 이온상들의 크기가 Na-A형 제올라이트의 pore size (4 a)보다 상대적으로 큰 유효 이온반경(4 a, 직경 8 a)을 가지고 있기 때문인 것으로 결론지었다.

포항부근에 널리 분포하는 제3기 퇴적암인 규질이암(siliceous mudstone)으로부터 Na2O/SiO2 =0.6, SiO2/Al2O3 = 2.0, H2O/Na2O=119 몰 비의 수열조건에서 반응시간(10~70시간)을 변화시켜 Na-A형 제올라이트를 합성하는 반응기구에 대한 연구를 수행하였다. 각 조건에서의 합성상은 X-선회절분석을 통하여 확인하였고, 적외선 분광분석, 열분석 및 주사전자현미경에 의한 특성분석을 수행하였다. 이러한 결과를 토대로, 규질이암으로부터 Na-A형 제올라이트의 단계별 반응기구는 초기에 규산 소다와 알루민산 소다의 반응에 의해 Na-A형 제올라이트가 1차적인 핵생성이 이루어진 후, 반응시간이 증가됨에 따라 잔여 알루민산 소다와 용해된 규질이암의 반응에 의해 Na-A형 제올라이트의 결정이 성장하였고 또한 하이드록시 소달라이트가 생성되었다. 그리고 반응 시간이 50시간의 장시간이 되면 Na-A형 제올라이트로부터 용해되면서 빠져나온 성분은 하이드록시 소달라이트와 반응에 의해 새로운 상인 Na-P형 제올라이트가 생성되는 일련의 과정으로 해석될 수 있다.

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.