제올라이트(Zeolite)

개요

(Si, Al)O4에 의해 구성되는 사면체구조(tetrahedral) 산소원자에 의하여 3차원의 골격구조를 만들고 있는 다공성 물질이다. 물 분자를 이온 교환 등으로 흡착할 수 있는 양이온이 있어 물 등을 많이 흡착된다. 따라서 물 분자는 가열에 의하여 쉽게 제거되고 다량의 수증기를 발생시키기 때문에 비석(沸石)이라고도 불린다. 그러나, 실리카-알루미나로 구조의 골격은 변하지 않으므로 공기 중의 수증기를 흡수하여 또 물을 흡착할 수 있으며, 다른 원자/분자를 흡착하는 능력도 상당하다. 따라서 수중의 양이온을 제거하기 위하여 다양하게 이용되며 자연에도 광물질로 많이 존재하고 인공적으로도 생산된다. 통상 Ca2+, Mg2+ 등의 양이온을 제거하고, 연수화를 목적으로 많이 이용되며, 이온 교환능력이 소멸한 경우는 소금물을 사용하여 재생시킬 수 있다.

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역사

제올라이트라는 용어는 원래 1756년 스웨덴 광물학자 액셀 프레드릭 크롱스테트에 의해 생겨났는데, 그는 스테일라이트인 것으로 추정되는 물질을 빠르게 가열하면 그 물질에 의해 흡착된 많은 양의 수증기를 발생시킨다는 것을 발견했다. 이를 바탕으로 그는 이 물질을 그리스어 ζέω(제오)에서 온 제올라이트(제오)라고 불렀는데, 이는 "끓는 것"을 의미하며 "돌"을 의미한다.

제올라이트는 광석의 형태로 자연적으로 채취되거나, 산업적으로 대규모로 생산된다. 제올라이트는 현재 약 245개의 다양한 구조가 있는 것으로 알려져 있으며, 자연적으로 발생하는 제올라이트 구조도 40개 이상 알려져 있다. 획득한 모든 새로운 제올라이트 구조물은 국제 제올라이트 협회 구조 위원회에서 검토하여 3자 지정을 받는다.

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구조

제올라이트는 그림과 같이 SiO45-, AlO44-로 구성되는 4면체의 기본구조들이 여러개 연결되어서 이루어진다. 그림에 나타낸 제올라이트는 다양한 제올라이트 중 하나인 Zeolite A인대, SiO45-, AlO44-가 여러 개 연결되어 β-cage를 구성하고, β-cage들이 연결되어 제올라이트 구조를 형성한다. 그림에서 β-cage에 의해 α-cage라는 공극(porous structure)가 형성되는데, 이와 같은 공극에 양이온(cation)이 흡착할 수 있으며, 수 나노미터 크기의 공극이 연속적으로 형성된 제올라이트의 비표면적은 수십~수백 ㎡/g으로 커져 흡착제 등으로서의 사용될 수 있게 한다. 실제 제올라이트는 그림에 보여준 Zeolite A외에 다양한 구조가 있으며, 대부분 높은 비표면적을 가지고 있다.

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특성

제올라이트는 풍화, 열수 변화 또는 변성 조건 하에서 다른 광물로 변한다.

몇 가지 예를 들면 다음과 같다.

실리카가 풍부한 경우 일반적으로 다음과 같이 변이된다.

Clay → quartz → mordenite–heulandite → epistilbite → stilbite → thomsonite–mesolite-scolecite → chabazite → calcite

실리카가 부족한 경우 일반적으로 다음과 같이 진행된다.

Cowlesite → levyne–offretite → analcime → thomsonite–mesolite-scolecite → chabazite → calcite.

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생산

산업적으로 중요한 제올라이트는 인위적으로 합성된다. 일반적인 절차는 수산화나트륨을 포함한 알루미나 실리카의 수용액을 가열하는 것이다.

합성 제올라이트는 자연에서 광물로 생산되는 것 보다 균일하고, 불순물이 없다는 장점을 가지고 있으며, 자연상태에서 생성되지 않는 특수한 구조도 합성할 수 있다.

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용도

제올라이트는 국내 및 상업용 정수, 연화, 기타 용도에 이온교환을 위한 기재(bed)로 널리 사용된다. 화학적으로 제올라이트는 특정 분자를 분리하는 용도로도 사용된다.

제올라이트는 촉매와 흡착제로도 널리 쓰인다. 이것은 제올라이트 특유의 규칙적인 다공성 구조와 표면의 산성도(브뢴스테드 산성도)변화가 용이하다는 특징에 기인한다.

합성 제올라이트(MCM-41)는 석유화학 산업 등에서 촉매제 혹은 담체로 널리 사용된다. 제올라이트는 분자를 작은 공간에 가두어 그들의 구조와 반응성에 변화를 일으킨다.

Zeolites는 핵폐기물 재처리에도 이용된다. 이것은 제올라이트의 흡착력 및 이온선택성에 기인한다. 또한 제올라이트 구조는 내구성이 강하고 다공성 형태에서도 방사선에 저항력이 있다.

또한 제올라이트는 태양열 집열기와 흡수냉장에 이용되기도 한다. 이것은 제올라이트가 구조적 안정성을 유지하면서 수분을 공급하고 탈수하는 능력에 기인한다. 하지만, 제올라이트의 가장 큰 단일 용도는 세계 세탁 세제 시장이다.

합성제올라이트 중 MCM-41 높은 표면적과 응용성 등으로 상당히 유명하다. MCM-41(Matter No. 41)은 모빌오일 연구진이 처음 개발하였다. MCM-41은 계면활성제인 (Cetyltrimethylamoniumbromide, CTAB)이 계면활성제 특유의 구조로 인해 형성된 micelle 사이로 제올라이트가 위치하고 이를 건조/소성시켜 제올라이트 구조를 형성하고 계면활성제를 분해시켜 제작한다.