비정질 알루미나로 부터 제조된 □-알루미나의 흡착특성

고형신, 서정권, 박병기, 정순용, 이정민, 하백현*

한국화학연구소 화학공정연구센터

한양대학교 공과대학 화학공학과*

The adsorption properties of □-alumina prepared from amorphous alumina

Hyoung-Shin Ko, Jeong-Kwon Suh, Byung-Ki Park, Soon-Yong Jung, Jung-Min Lee

Baik-Hyon Ha*

Center of Chem. Eng., Korea Research Institute of Chemical Technology

Dept. of Chem. Eng., Hanyang University*

서론

배기가스 정화, 석유화학, 화학공업 등에 사용되는 촉매담체 및 흡착소재로는 □-알루미나가 많이 사용되고 있다1).  이는 □-알루미나가 우수한 표면화학적 활성을 나타내며, 적절한 비표면적과 기공분포를 갖고 있기 때문이다2).

□-알루미나의 전구체인 무정형 알루미나는 보통 베이어 공정(Bayer Process)으로 얻어진 결정성 수산화알루미늄 즉, Al2O3·xH2O(0.2□x□1.0)인 깁사이트(gibb-

site)를 저압탈수 또는 급속열분해 하여 제조하며3,4), 또한 온도와 시간 그리고 물/알루미나 비와 분말의 크기 등과 같은 수화변수에 따라 의사메마이트(pseudo- boehmite)와 베마이트(boehmite) 그리고 베이어라이트(bayerite)등으로 상전이 된다.□-알루미나는 의사베마이트를 430∼750℃에서 소성하면 얻어지며, 구형이나 펠렛 형태의 성형체로 제조하여 사용되거나 또는 분말 형태로 사용된다5,6).

보통 무정형 알루미나가 물과 접촉하여 수화반응이 진행되는 초기에는 aquohy-

droxo complex gel 즉, [Al(H2O)OH]+2이 생성된다.  이 겔은 시간에 따라 밀도 와 두께가 증가하며 수화과정에서 내부의 OH-가 물분자와 대체되는 속도에 따라 의사베마이트나 베이어라이트로 재결정된다6).  베이어라이트는 상조성에 따라 비표변적, 기공부피, 기공크기 그리고 성형체 제조시 기계적 강도와 같은 물리적 특성을 저하시키는 원인이 되는 반면 의사베마트의 성장은 □-알루미나를 제조하는데 있어서 비표면적, 기공부피 및 기공크기등과 같이 물리적 특성의 향상에 기여하므로 베이어라이트의 과도한 성장을 억제하는 것이 바람직하다.

본 실험에서는 급속열분해법으로 제조된 비정질 알루미나를 높은 물/알루미나비에서 분말상태로 직접 수화하여 시료를 제조하는 방법과 wet pelletization 방법으로 구형 성형체를 만들고 수화하여 시료를 제조하는 방법을 이용하였으며, 이들 시료를 각각 하소하여 □-알루미나로 상전이 시킨 다음 질소 및 수분흡착 특성을 조사하였다.

실험

1. 비정질 알루미나 제조

출발물질로 베이어 공정으로 제조된 한국종합화학(주)의 수산화알루미늄을 사

용하여 스테인레이스 강구를 solid heat carrir로 하는 bed에서 580℃에서 0.5초 내에 급속 열분해 하여 비정질 알루미나 분말을 제조하였으며, XRD와 DTA로 상분석하였다.

2. □-알루미나 제조

급속열분해하여 제조된 비정질 알루미나 분말과 에틸알코올을 혼합한 용액을 ball mill로 9시간동안 습식분쇄하고 이를 여과 및 건조하여 평균입자크기가 2.72□의 분말을 제조하였다.

제조된 분말을 이용하여 수화조건에 따른 상조성과 질소흡탈착 및 수분흡착특성 조사하기 위해 다음과 같이 수화하였다. 먼저 물/알루미나 비를 2.0, 및 1.0이 되게 하여 100℃에서 5시간 수화하여 각각의 시료(A1, A2)를 제조하였다.  다음으로  wet pelletization 방식으로 크기가 약 5□인 구형 성형체를 제조하고 40℃와 60℃의 moisture chamber 내에서 1시간동안 숙성시킨 후 100℃ 수증기로 5시간동안 수화하여 각각의 시료(A3, A4)를 제조하였으며, 또한 60℃ moisture chamber 내에서 1시간 숙성시킨 후 100℃ 물에 넣어 수화하여 시료(A5)를 제조하였다.

위와 같은 방법으로 수화시켜 제조한 시료를 대하여 150℃로 1시간 건조시킨 후 XRD로 상분석을 실시하였고, 500℃ 전기 소성로에서 2시간동안 소성하여 □-알루미나로 상전이 시킨 다음 기상 흡착장치를 이용하여 질소 흡탈착실험(N2 BET법)과 상대습도 100%에서 수분흡착 실험을 실시하였다.

결과 및 고찰

수산화알루미늄을 급속 열분해한 시료의 XRD 및 DTA 분석결과는 Fig. 1,2에 나타나 있는데, 100℃근처에서 표면에 흡착된 수분의 증발로 인한 흡열피크와 830℃ 근처에서 비정질 알루미나가 □-알루미나로 상전이 되면서 나타나는 아주 약한 발열피크 이외에는 분해 및 생성피크가 나타나지 않는 것으로 보아 비정질 알루미나로 완전히 분해되었음을 알 수 있다.

Fig. 3에서와 같이 알루미나/물의 비가 감소할수록 베이어라이트의 결정성장이 감소된 반면 의사베마이트의 성장은 증가되었다.  그러나 전체적으로 물의 양이 적어 물에 대한 알루미나의 용해도가 감소함으로 인해서 물/알루미나 비에 비례하는 비표면적 및 기공부피는 낮게 나타났다.

Table 1은 500℃에서 2시간 하소한 후 기상흡착장치를 이용하여 질소 흡탈착실험을 실시한 결과로 써 구형 성형체보다 분말형태로 수화시킨 시료가 기공부피 및 기공크기와 같은 물리적 성질이 우수하게 나타남을 알 수 있다.  따라서 촉매담체로 사용하기 위한 충분한 비표면적 및 기공부피를 나타내는 □-알루미나를 제조하기 위해서는 물/알루미나 비를 2이상 충분히 높게 하여 수화시켜 의사베마이트를 만들고, 이로부터 성형체를 제조하는 방법이 유리하다는 사실을 알 수 있다.

Table 1. Physical properties of calcined aluminas

Sample Name	BET Surface Area (□/g)	Total Pore Volume (□/g)	Average Pore Diameter (Å)
A1	322	0.695	86.3
A2	282	0.623	88.3
A3	287	0.457	63.5
A4	286	0.450	62.8
A5	286	0.472	66.0

Fig. 4는 건조제(desiccant)로서 적용 가능성을 검토하기 위해 구형 성형체로 제조한 시료를 상대습도 100%에서 시간의 경과에 따른 수분흡착량을 무게증가율로나타낸 것이다.  수분흡착 실험 결과 수증기 분위기에서 수화시킨 시료가 우수한 흡착특성이 나타났다.  따라서 건조제로 사용하기 위한 □-알루미나를 제조하기 위해서는 비정질 알루미나 분말을 wet pelletization 방식으로 성형하고 moisture chamber내에서 수화하기 전에 60℃로 숙성하여 전처리를 한 후 100℃로 승온하여 수증기 분위기에서 5시간 수화하면 우수한 수분흡착특성을 나타내므로 건조제로 적용할 수 있음을 알 수 있다.

참고문헌

1. R. K. Oberlander, “Aluminas for Catalysts-Their Preparation and Properties,”       Applied Industrial Catalysis, vol. 3, 63 (1984).

2. B. C. Lippens and J. J. Steggerda, “Active Alumina,”Physical and Chemical       Aspects of Adsorbents and Catalysts, 4, 171 (1970).

3. N. Jovanovic et al. : J. Coll. Interface. Sci., 150(1), 36 (1992).

4. 김성연, 김연식, “깁사이트를 원료로 한 고온촉매용 담체의 제조(Ⅰ),”요업학     회지, 32(9), 1065 (1995).

5. Z. J. Galas et al. : J. Mat. Sci., 28, 2075 (1993).

6. C. C. Huang and H. O. Kono, “Granulation and Rehydration of Rehydratable       Alumina Powders,”Ind. Eng. Chem. Res., 28, 910 (1989).