제올라이트란?

제올라이트란?

   제올라이트(zeolite)는 장석(feldspar)류 광물의 일종으로 내부에 있는 나노 크기의 세공 속에 물 분자들을 가득 채우고 있습니다. 이 광석을 가열하면 무기물이어서 광석은 끓지 않으나 내포된 물 분자가 증발하여 수증기를 발생하는데, 이 모양이 마치 끓는 것처럼 보여 그리스어로 [ "끓는(zeo) 돌(lithos)"]이라는 의미로 명명된 광석입니다.오늘날에는 여러 가지 검증을 거쳐 [ Cage나 Channel 구조를 갖는 결정성 규산알루미늄]으로 정의 되고있습니다.  제올라이트는 촉매, 흡착제, 세제의 첨가제, 사료의 첨가제, 토질 개량제 등으로 많이 사용되며 천연과 합성으로 총 200여종이 존재하고 있음이 알려져 있습니다.
아래는 우리가 일상생활에서 쉽게 접할 수 있는 대표적인 제올라이트의 사례를 들었습니다.

  

 

 

 [ 4A형 제올라이트(합성세제용) ]
   정확한 명칭은 [Zeolite A]이며, 분자식은 Na12[Al12Si12O48].27H2O 로 Si와 Al의 몰 비율(Si/Al)이 1인 구조입니다. 아래 그림과 같이 4개의 소달라이트(축구공과 같이 생긴 것)가 서로 결합하면서 공 사이에 조그만 공간이 생성되는데 이 크기가 4Å(1Å=0.1㎚)이어서 보통 4A 제올라이트라고 많이 부릅니다. 합성세제가 개발된 초창기에는  물속의 양이온(Ca,Mg등 우리라 센물이라 부르는 원인 무기물)을 제거하기 위하여(양이온이 제거되어야 세제가 물에 잘 풀립니다) 인산염을 사용하였습니다. 하지만 이 인산염이 호수의 부영양화(미생물의 영양을 과잉 공급하여 물이 썩게되는 현상)의 원인이 되면서 새로운 세제용 첨가제로 제올라이트를 사용되게 되었습니다. 제올라이트는 무기물이어서 부영화와 같은 부작용이 없이 센물을 단물을 바꾸어 주는 좋은 재료로서 지구 환경을 보존하는데 실로 막대한 역할을 하고 있습니다. 이러한 원리로 가정에서 사용하는 연수기에는 대부분이 Zeolite A가 사용되고 있습니다.

 

 [ 제올라이트4A를 이용한 항균제 ]
   분자식이 Na12[Al12Si12O48].27H2O 인 Zeolite A에는 Na가 12개 있습니다. Si는 [+4]이고 Al은 [+3]이기에 Si와 Al이 동수인 구조에서는 [+12]가 부족한 현상이 발생합니다. 이를 구조적으로 보완하기 위해 [+1]인 Na이 12개 필요한 것입니다. 이 양이온은 특정한 자리에 고정되어 있지 않고 음전하를 띠는 제올라이트 골격에 대전되어 있어서 조건에 따라 다른 양이온으로 바뀔 수 있습니다. Na을 Ca이나 K으로 변경할 수 있는데 이를 [양이온교환]이라 합니다. K으로 교환된 것은 세공이 3Å으로 작아지고 Ca으로 교환된 것은 5Å으로 커지는 효과가 있습니다.  항균제는 일반적으로 Zeolite A의 Na를 Ag,Cu,Zn 와 같은 항균효과가 높은 금속이온으로 양이온교환을 통하여 제조합니다. 그래서 제올라이트 항균제는 이온교환형이라 부르며, 다른 형태의 항균제(점착,착염,금속)보다는 훨씬 구조적으로 안정하고 항균력이 지속적으로 나타나게 됩니다.  [Ag-Zn-Zeolite A]가 대표적인 제올라이트계 항균제이며 이는 Na를 Ag와 Zn로 양이온 교환을 통하여 만들어 졌다는 의미입니다. 항균제의 사용과 용도는 본 블로그의 항균제 편에 자세히 설명되어 있습니다.

 

 

 [ 흡착제로서의 제올라이트,탈취제/소취제 ]
   계면에서 특정 물질의 농도가 증가하는 현상을 흡착(adsorption)이라 부릅니다, 계면 뿐 아니라 계 전체에서 농도가 고르게 증가하면 흡수(Absorption)라 불러 흡착과 구분합니다. 아주 작은 세공이 치밀하게 발달된 고체에서는, 세공 표면을 경계면으로 보면 흡착질이 표면에 흡착되었다고 할 수 있으나, 전체적으로 보면 흡착질이 계면에 고르게 퍼져 있습니다. 이렇게 흡착과 흡수를 구별하기 어려운 경우를 수착(Sorption)이라고 합니다. 제올라이트에서 관찰되는 흡착 현상은 대부분 수착으로 분류해야 하는 경우가 많으나, 관례상 흡착이라고 부릅니다.
  제올라이트의 장점은 높은 온도에서는 안정하다는 것입니다. 활성탄이나 숯이 다공성은 좋으나 400℃를 넘어서면 연소되는 단점이 있는 반면 제올라이트는 연소가 되지 않는다는 장점이 있으며 열처리를 통하여 쉽게 흡착된 것을 탈착하고 다시 새로운 것을 흡착할 수 있습니다. 흡착에 있어 중요한 비표면적도 참숯:250~300m2/g, 활성탄:800~1000m2/g에 비하여 천연제올라이트 : 300~600m2/g, 합성제올라이트 : 800~900m2/g 정도로 상당히 높은 편입니다. 물론 천연제올라이트와 합성 제올라이트는 구체적 종류에 따라 비표면적이 많이 차이 납니다. 아래 그림은 모데나이트의 골격을 나타낸 것인데 단위 셀의 가운데가 비어있는 세공으로 어림잡아도 전체 부피의 40% 정도가 빈 부분으로 나타납니다. 이 많은 빈 부분에 여러가지 분자를 흡착할 수 있기에 탈취제 혹은 소취제로 사용되는 것입니다. 탈취/소취의 구체적 사항에 대해서는 별도의 항목에서 자세히 설명토록 하겠습니다.
    

 

  [ 화학공업의 촉매, 분자체 ]
   석유화학 공업에서는 많은 부분에 전문적으로 사용되고 있으며 이를 목적으로 다양하게 새로이 합성되고 있습니다. 전문적인 분야이기에 여기에서는 생략토록 하겠습니다.

 

  [ 흡습제 ]
   제올라이트 내부에 있는 많은 세공속에는 보통 물분자들이 가득 채우고 있는데,
이를 가열하면 내포된 물분자가 증발하여 수증기를 발생합니다. 이 결정수는 가열이나 감압에 의해서 제올라이트의 구조에 본질적 변화를 미치는 일없이 탈리하고 대기 중에 방치하면 다시 흡착하는 성질을 가지고 있습니다. 일반적으로 300~400℃에서 건조된 제올라이트를 대기 중에 일주일 정도 방치 할 경우 약 35wt%의 중량 증감을 쉽게 확인 할 수 있습니다. 물론 형태는 분말상을 그대로 유지하는 것이 장점입니다.

 

  [ 토양개량제 ]
   제올라이트는 결정성 물질이기에 세공 부피에 해당되는 물만 흡수하기에 물이 더 많이 가해지더라도 흡수되지 않고 그대로 흘러가 버립니다. 이런 이유로 천연 제올라이트를 섞은 흙은 장마철에도 배수가 잘 되어 작물의 뿌리가 썩지 않습니다. 반면 가뭄에는 제올라이트에 들어 있는 물을 식물이 이용할 수 있어서 가뭄을 이기는 데 도움이 됩니다. 배수가 잘 되면서도 일정량의 물은 가지고 있어서 수분 조절 능력이 우수합니다. 이러한 특성 때문에 천연 제올라이트를 논에 뿌려 주면 가뭄 때 거북등처럼 땅이 갈라지는 현상이 크게 완화됩니다. 골프장을 조성할 때도 잔디 심을 땅을 파고 천연 제올라이트를 채워 넣으면 장마철에 잔디의 뿌리가 썩지 않고,일정량의 물을 흙이 항상 가지고 있어 잔디 생육에 매우 효과적입니다. 최근에는 골프장에서 사용하는 농약의 유출 방지 효과에 대해서도 연구가 되고 있습니다.
또한 클리놉타이로라이트계 천연 제올라이트에는 K+,Na+ 등 알카리 금소 이온이 맣이 들어 있어 산성화된 토양에 넣어 주면 중성화되어 지력이 증강되는 효과가 있습니다.

  [ 가축 사료의 첨가제 ]
   닭 사료에 제올라이트를 첨가하면 설사 등 질병에 대한 저항력이 증진되는 것으로 알려져 있습니다. 천연 제올라이트에는 소량의 금속 성분 외에 영양소나 양분이 없기 때문에 제올라이트를 먹여서 자항성이 증진되었다고 보기는 어렵습니다. 이보다는 제올라이트가 사료의 물을 흡착하여 제거하므로 부패가 방지되어 신선한 상태를 유지하기 때문으로 이해하는 편이 합리적일 것입니다. 천연 제올라이트가 장 내에 미생물 성장에 관여한다는 설명도 있습니다. 유익한 미생물의 번식을 촉진하여 가축의 건강에 기여한다는 뜻이나 확인을 위한 연구가 필요한 것으로 알려져 있습니다. 소 사료에도 천연 제올라이트를 첨가합니다. 부패방지 목적도 있겠지만,요소를 먹일 때 첨가제로 사용합니다. 소가 단백질을 합성하기 위해서는 질소 성분이 들어 있는 사료를 먹어야 하나, 고단백 사료의 조달이 어려울 때에는 소에게 요소를 먹입니다. 요소가 위에 들어가면 우레아제라는 요소 분해 효소에 의해 암모니아로 분해된다. 이 암모니아는 혈액으로 전달되는데, 혈액속의 암모니아 농도가 지나치게 되면 소가 죽을 수도 있습니다. 요소와 함께 제올라이트를 먹이면 암모늄 이온이 제올라이트의 양이온과 교환되어 위에서 암모니아 농도가 급격히 증가하는 현상을 일부 억제할 수 있는 것으로 알려져 있습니다.

 

  [ 건축자재 ]
   제올라이트에는 열전도도가 낮은 공기가 채워진 세공이 많아 단열효과가 우수하고
습할 때는 수분을 흡수하고 건조하면 수분을 방출하는 습도 조절 기능이 있습니다.
이러한 특성을 이용하여 원석이 건축용 벽돌로도 사용됩니다. 탈취 기능이 좋은 분말은 부직포에 코팅하여 초배지로 사용하고, 기능성 페인트의 첨가제로도 많이 사용합니다.

 

  [ 물의 정화제 ]
제올라이트의 양이온 교환 능력을 폐수 처리에 활용합니다. 물에 녹아 있는 암모니아성 질소 성분의 제거 및 각종 중금속을 이온교환을 통하여 제거할 수 있습니다. 암모니아성 질소는 그 자체가 훌륭한 비료가 되기에 암모니아성 질소를 흡착한 제올라이트는 아주 좋은 비료로 재활용할 수 있습니다. 양어장이나 수족관에 제올라이트 원석을 사용하는 경우가 이러합니다.

 

자세한 문의 및 내용은 010-5041-5894

http://blog.daum.net/ionkore2006/