Molecular Sieve(분자체, 몰큘라 시브)

정의 및 특성

미국의 린데사(社)가 공업적으로 제조하고 있는 합성 제올라이트의 상품명으로 천연 제올라이트류와 비슷한 결정구조를 가진 물질로 다양한 종류가 있으며, 현재는 일반명사로 사용된다. Molecular sieve는 nm 사이즈 혹은 그보다 작은 균일한 크기의 기공을 가지고 있으며, 이러한 기공에 크기가 작은 분자는 들어가서 흡착될 수 있으나, 큰 분자는 들어가기 어렵기 때문에 이를 분자체 즉 Molecular Sieve라고 부른다.

Molecular Sieve의 화학식은 일반적으로 Nam(AlO2)m(SiO2)n·xH2O로 표시되는데(m≤n), SiO4사면체와 AlO4사면체가 3차원적인 그물구조를 형성하는 결정체이며, 이 그물눈이 기공을 형성하고, 그 속에 일반적으로 나트륨이온이 존재한다. 앞에서 언급하였듯이 기공은 균일한 지름을 가지며, 가느다란 구멍이 가로 세로로 연결되어 있다.

Molecular Sieve는 4A, 5A, 13X 등의 종류가 있는데, 각각 기공의 지름(크기단위 : Å)을 나타낸다. 일반적으로 산화나트륨(또는 산화칼슘)·산화규소·산화알루미늄·물의 화합물을 150∼155℃, 고압하에서 처리하여 수열합성반응에 의해 생성된 것이다.

Molecular Sieve는 지름이 균일한 가느다란 구멍을 다량으로 가져 흡착(adsorption)력이 크므로 그 이름이 뜻하는 것같이 분자를 체질하는 것과 비슷한 기느을 가진다. 따라서, 공업용 및 실험실에서의 흡습제로 광범위하게 사용되며, 이산화탄소나 황화수소 등의 흡수제로 사용되거나, 노말파라핀과 아이소파라핀 등의 분자를 분리하는 데 사용된다. 또 탄화수소의 분해·중합·이성질체화(異性質體化)·불균일화 등 각종 촉매활성을 지니며, 또한 촉매운반자로서도 우수하기 때문에, 특히 석유·석유화학 공업용 촉매로서 다량으로 사용되며, 종전의 고(高)옥테인값 가솔린 제조용 실리카알루미나 촉매는 상당수 molecular sieve로 교체되었다. 다만, 값이 비싼 것과 내열성에 약간의 문제가 있다.

 

molecular sieve는 고진공 하에서 purge gas의 공급을 통한 가열 등을 통해 재성할 수 있다. 재생 온도 범위는 molecular sieve의 유형에 따라 175°C(350°F)에서 315°C(600°F)일 수 있다.

 

간혹 molecular sieve가 합성제올라이트 뿐 아니라, 활성탄 및 다공성 점토(할로이사이트) 등 특정 분자를 선택적으로 흡착하는 물질에 혼용하여 사용되는 경향도 있다.

 

그림. Molecular Sieve의 구조(출처 : www.wikipedia.org)

주요 molecular sieve의 물성과 특징

3Å, 기공직경 : 0.3 nm, 겉보기 밀도(Bulk density) : 0.60–0.68 g/ml, 주요 용도 : 석유 cracking 공정 알켄(alkene) 건조, H2O의 선택적 흡착, 가솔린과 혼합하기 위한 에탄올 연료 건조.

4Å, 기공직경 : 0.4 nm, 겉보기 밀도(Bulk density) : 0.60–0.65 g/ml, 주요용도 : 의료용, 식품 흡습제 기타 흡습공정 등

5Å-DW, 기공직경 : 0.5 nm, 겉보기 밀도(Bulk density) : 0.45–0.50 g/ml, 주요용도 : 항공 등유 및 디젤의 탈지 및 유동점 강하, 알켄 분리 등

5Å small oxygen enriched, 기공직경 : 0.5 nm, 겉보기 밀도(Bulk density) : 0.4–0.8 g/ml, 주요용도: 의료용 산소 발생 등

5Å 기공직경 : 0.5 nm, 겉보기 밀도(Bulk density) : 0.60–0.65 g/ml, 주요용도 : 공기 건조 및 정화, 천연 가스 및 액체 석유 가스의 탈수 및 탈황 등

10X 기공직경 : 0.8 nm, 겉보기 밀도(Bulk density) : 0.50–0.60 g/ml, 주요용도 : 고효율 흡착, 건조, 기체 및 액체의 탈황 및 방향족 탄화수소 분리 등

13X 기공직경 : 1.0 nm, 겉보기 밀도(Bulk density) : 0.55–0.65 g/ml, 주요용도 : 석유 가스 및 천연 가스의 건조, 탈황 및 정화 13X-AS : 이산화탄소 분리 및 건조, 산소발생기에서 질소 분리 등, Cu-13X : 티올제거 등