액상 분리막 제조를 위한 Mg-Al LDHs(Layered Double Hydroxides)의 합성

장석흥, 박진원*

연세대학교 화학공학과

jwpark@yonsei.ac.kr

Synthesis of Mg-Al LDHs(Layered Double Hydroxides) for production liquid phase separation membrane

Seok-Heung Jang, Jin-Won Park*

Department of chemical Engineering Yonsei university

jwpark@yonsei.ac.kr

서론

Clay 광물은 수분과 다른 화학 물질의 상호 작용을 통해서 전이 상태를 결정하는데 중요한 역할을 한다. 각각의 다른 온도와 그리고 지정된 시간을 통해 batch 실험을 포함한 여러 실험 방법에 의하여 광물 표면에 물과 이온 화합물들의 수착, 다른 형태의 상호작용에 대해서 연구되어져 왔다. 원심 분리에 의한 고․액 분리도 이에 따른다. 또한 고형물 표면 위에 생기는 기․액상의 상호 반응을 통해 다공성 물질의 비표면적을 높이는 것이 중요하다. 특히 액상 분리 공정은 일반적으로 기체분리와는 달리 고압 공정이므로 막의 기계적 강도가 높아야만 한다. 따라서 일반적으로는 기공이 큰 지지체(기공크기 1∼10㎛정도) 위에 슬립캐스팅법이나 슬러리 코팅법을 이용하여 기공크기가 0.1∼1㎛ 정도인 정밀여과막 층을 그리고 그 위에 졸-겔 코팅법을 이용한 한외여과막 층을 형성시키는 방법으로 제조한 복합막 형태가 주로 이용되고 있다. Layered Double Hydroxides(LDHs)는 염기성 고형산화물로서 잘 알려진 천연 clay의 일종이며 층상 복수산화물(hydrotalcite)로 불리기도 한다. 이는 최근 들어서 그 가치성 측면에서 볼 때 주된 관심의 대상이 되고 있다. LDHs는 극도의 조건하에서도 안정하며 금속 성분의 분산도가 우수하고 염기적인 특성과 상대적으로 큰 비표면적을 갖고 있다는 것이 특징이다. 또한 이를 통해서 pH가 높은 강산성 화합물을 함유한 부식제에 염기성 고형 산화물로 이용이 가능하며 촉매나 촉매 지지체, 이온 교환제, 흡수제, 분리 및 막 기술 등등에 응용이 가능하다. 이에 본 연구에서는 액상 분리막을 제조하기 위한 막 코팅 재료로써 hydrotalcite 구조를 가지고 있는 Mg-Al LDHs를 합성하고자 한다. 향후, 합성된 LDHs에 적절한 유기 용매를 혼용하여 막 코팅에 적용할 예정이다.

실험

① LDHs의 제조

본 실험은 Mg-Al LDHs를 제조하기 위하여 상온인 25℃에서 실시하였으며 공침법을 적용하였다. 출발 물질로는 2가와 3가의 금속 양이온 염인 Mg(NO3)2‧6H2O와 Al(NO3)2‧9H2O를 이용하였으며 LDHs의 염기적 특성을 고려해 NaOH와 Na2CO3를 사용하여 pH 9.5가 될 때까지 적정을 통해 합성하였다. Table 1에서 Mg2+/Al3+= 2∼5까지 몰 비의 변화에 따른 각각의 함량 변화를 나타내었으며 NaOH/Na2CO3 = 8/1.18(약 6.8) 몰 비로 하였다.

몰 비	Mg(NO3)2‧6H2O	Al(NO3)2‧9H2O	8.0NaOH	1.18Na2CO3
2	32.1g	23.4g	20g	7.8g
2.5	40.1g	23.4g	20g	7.8g
3	48.1g	23.4g	20g	7.8g
3.5	56.1g	23.4g	20g	7.8g
4	64.1g	23.4g	20g	7.8g
4.5	72.1g	23.4g	20g	7.8g
5	80.1g	23.4g	20g	7.8g

Table 1. Mg2+/Al3+=2-5까지 몰 비 변화에 따른 함량 변화

먼저 각각의 증류수 250ml에 Mg(NO3)2‧6H2O 32.1g과 Al(NO3)2‧9H2O 23.4g을 녹인 후 두 용매를 혼합시켜 약 10분간 stirring 시켜준다. 이 때 mass scale은 1/16으로 하였다. 이와 동일한 방법으로 5mol까지 각각의 용매를 혼합시켜 주었다. 그리고 나서 각각의 증류수 250ml에 NaOH 20g과 Na2CO3 7.8g을 녹인 후 두 용매를 혼합시켜 약 10분간 stirring 하였다. heating mentle에 둥근 4구 플라스크를 놓고 2개의 separate funnel을 설치하여 각각의 혼합된 두 용매 Mg2+/Al3+과 NaOH/Na2CO3를 나누어 넣었다. 이 때 중요한 것은 입자의 agglomeration을 최소화하고 nano particle을 합성하기 위해 2개의 separate funnel 하부에 약간의 증류수를 넣어준다. Figure 1에서와 같이 본 실험에서는 공침법을 적용하였으며 혼합된 이 두 용매를 pH가 9.5가 될 때까지 서서히 적정해준다. 적정이 완전히 끝난 후 합성을 위해 24시간 동안 vigorous하게 stirring 해준다. 합성이 끝나면 oven에서 완전히 건조시킨 후 분말로 만들었다.

Figure 1. 공침법에 의한 금속염 용액과 알칼리 수용액의 적정

② 특성분석

합성된 분말의 특성을 조사하기 위해 XRD, SEM, TGA, BET 등을 분석하였다. 이러한 특성 조사를 통해서 입자의 결정구조, 표면 상태, 입자 크기 및 온도 증가에 따른 무게 감량의 변화 등을 알 수 있었다.

결과          및        토론

합성된 Mg-Al LDHs 입자의 상 결정 유무를 조사하기 위해 XRD를 통해 특성 조사를 하였다. Figure 2는 Mg-Al LDHs의 금속 양이온 염의 몰비가 Mg2+/Al3+= 2.5일 때를

Figure 2. 합성된 Mg-Al LDHs 분말의 결정상 구조

나타낸 것이다. 이 때 2Theta의 range는 5°-60°로 하였다. 그 결과 nano scale의 무정형의 결정상이 이루어졌음을 확인할 수 있었으나 약 29°에서 불순물인 MgO가 나타났다. 이는 반응 과정에서 대기 중에 O2와의 접촉 시간이 길어짐에 따라 나타난 결과라고 짐작된다.

Figure 3. Mg2+/Al3+의 mole ratio 변화에 따른 TGA 분석결과

Figure 3은 두 금속 양이온 염에 대한 몰 비의 변화에 따른 TGA 분석결과를 나타낸 것이다. 이 때의 승온 속도는 5℃/min으로 하였으며 최대 700℃까지 운전하였다. 그 결과 온도가 증가함에 따라서 Weight loss가 감소하고 있음을 알 수 있었으며 250℃와 400℃부근에서 급격한 변화가 있음을 알 수 있었다. Mg2+/Al3+의 몰 비가 3일 때 가장 Weight loss의 손실이 가장 적었음을 통해서 최적의 양이온 금속염의 몰 배합비를 찾을 수 있었다.

결론

본 실험을 통해서 Mg-Al LDHs 합성의 최적 운전 조건을 도출해 낼 수 있었으며 그 결과 분말의 particle size가 150-100nm 정도가 됨을 알 수 있었다. 또한 양이온 금속염인 Mg2+/Al3+의 몰 비가 3일 때 가장 Weight loss가 적었으며 이 때의 BET는 75㎡/g으로 나타나 다른 몰 비보다 상대적으로 비표면적이 크고 입자의 분산도가 우수함을 알 수 있었다.

참고문헌

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