소다라이트, 기스몬딘, 제올라이트의 합성 메커니즘 연구

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 3232(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

본 연구에서는 레이들로 슬래그(LFS)와 플라이애시(FA)를 사용하여 지오폴리머를 제조한 후 수열 처리를 사용하여 지스몬딘, 제올라이트-P1 및 소다라이트 상을 포함하는 벌크 제올라이트 분자체를 합성했습니다. 제올라이트 분자체의 결정상에 대한 합성 조건의 영향을 XRD로 조사했습니다. 결과는 LFS:FA 비율 4:6, 경화 온도 40°C, 경화 시간 12시간, 규산나트륨 모듈러스(Ms) 1.4, NaOH 농도로 최고의 제올라이트 분자체를 제조한 것으로 나타났습니다. 4mol/L, 열수 온도 120°C, 열수 시간 12시간. 이를 바탕으로 SEM, N2흡착, FT-IR로 제품을 분석하였다. 그 결과, 합성된 제올라이트 분자체는 메조다공성 특성을 가지며, 수열 처리 후에 실리카-알루미네이트 겔의 중합도와 가교결합도가 향상되는 것으로 나타났습니다. 또한, 제올라이트 형성 과정에서 실리카-알루미나의 변화를 통해 제올라이트 분자체의 형성 메커니즘을 규명하였다. 이 논문은 LFS-FA 기반 폴리머에서 제올라이트 분자체의 열수 전환을 사용하여 LFS 및 FA의 자원 활용에 대한 지침을 제공하는 최초의 논문입니다.

레이들로 슬래그(LFS)와 플라이애시(FA)는 철강 산업과 석탄 화력 발전 산업에서 배출되는 주요 고형 폐기물 중 두 가지입니다1,2,3. 매년 전 세계적으로 약 200~250억 톤의 고형 폐기물(폐석, 슬러지, 슬래그 등)과 약 50~70억 톤의 광미가 생산됩니다1,4. 한편, 중국, 인도 및 미국의 최대 제조업체는 매년 최소 8억 톤의 FA를 생산하지만 이 FA의 20%만이 시멘트 및 콘크리트 관련 응용 분야의 첨가제로 사용됩니다5. LFS와 FA가 적절하게 처리되지 않으면 폐기물이 축적되어 잠재적으로 환경에 심각한 영향과 측정할 수 없는 해를 끼칠 수 있습니다6. 따라서 벌크 LFS를 활용하는 효과적인 방법이 시급히 필요합니다. 고형 폐기물로부터 지오폴리머를 제조하는 것은 이러한 목적에 유용할 수 있는 경제적이고 안전하며 환경 친화적인 전략입니다. 또한, 고형 폐기물을 재사용하고 부가가치를 높이는 것은 유엔의 지속가능발전목표(SDGs)와 파리협정 이행에도 부합합니다. 제올라이트는 흡착, 이온 교환, 촉매 작용, 분자체 및 기타 응용 분야에 널리 사용되기 때문에7,8,9,10 합성 제올라이트의 세계 시장은 2023년 약 59억 달러에 이를 것으로 추산됩니다11. [SiO4]4-와 [AlO4]5- 사면체로 구성된 지오폴리머는 일반적으로 결정질 제올라이트의 비정질 프리폴리머로 간주됩니다12,13. 제올라이트는 열수 방법으로 제조할 수 있으며, 이러한 열수 방법으로 제조된 제올라이트는 더 나은 결정 구조와 중금속 이온 고정 성능을 나타냅니다. 동시에 특정 거시적 구조를 가진 제올라이트는 고형 폐기물 재활용 분야에서도 폭넓은 응용 가능성을 갖고 있습니다. Cheng et al.14은 니켈-철 슬래그에서 SiO2를 추출하고 열수법으로 4A 제올라이트를 제조했으며, 최적의 열수 조건은 열수 온도 100°C, 열수 시간 8시간이라고 보고했습니다. Liu 등15은 초미세 순환유동층 FA를 원료로 하여 알칼리 활성화 수열합성법으로 A형 제올라이트를 제조하였으며, 최적 합성조건은 알칼리 농도 2.6 mol/L, 열수온도 90°였다. C, 열수 시간은 6시간입니다.

그러나 LFS의 높은 칼슘 함량으로 인해 LFS를 실리콘 및 알루미늄 공급원으로 사용하여 제올라이트를 합성한 보고는 거의 없습니다. 일반적으로 칼슘 함량이 높은 물질이 제올라이트로 전환되면 다공도가 낮고 양이온 교환 용량이 낮은 규산칼슘 종 또는 수산화소달라이트가 형성되어 제올라이트의 형성을 억제하는 것으로 알려져 있습니다12,16. 고칼슘 기반 원료를 제올라이트로 전환하려면 일반적으로 특정 전처리 또는 합성 방법이 필요합니다. 예를 들어 Murakami et al.17은 구연산과 포름산 용액을 사용하여 볼밀링 반응기에서 고로 슬래그로부터 칼슘을 선택적으로 3회 용출한 후 잔류물로부터 제올라이트 A를 합성했습니다. Park et al.18은 FA, NaOH, NaNO3를 350°C에서 24시간 동안 처리한 후, 생성된 고체를 과량의 탈이온수로 7회 이상 세척한 후 105°C에서 밤새 건조하여 소다라이트를 함유한 제올라이트 물질을 제조하였다. Lei 등19은 분산 현탁 경화 기술을 사용하여 메타카올린/슬래그 기반 제올라이트 미세구를 제작했습니다. 그런 다음 이 구체를 85°C 오븐에서 24시간 동안 경화하고 여과하고 세척한 다음 120°C에서 8시간 동안 건조하고 최종적으로 500°C에서 3시간 동안 하소하여 제올라이트 미소구체를 얻었습니다.