제올라이트-W의 압력전달매개체에 따른 체적탄성률 비교 연구 (Comparative Compressional Behavior of Zeolite-W in Different Pressure-transmitting Media)

서지정보

· 발행기관 : 한국광물학회
· 수록지 정보 : 광물과 암석 / 34권 / 3호 / 169 ~ 176페이지
· 저자명 : 성동훈, 김현수, 김표상, 이용문

초록

본 연구는 압력을 이용한 제올라이트 내 중금속 양이온 또는 CO2 기체 포집 등의 응용연구를 하기위한 기초 단계로 제올라이트의 압력 및 압력전달 매개체(Pressure-transmitting medium, PTM)에 따른 결정구조의 변화를 알아보기위한 목적으로 실험을 진행하였다. 천연 제올라이트 멜리노이트(Merlinoite, (K,Ca0.5,Ba0.5,Na)10 Al10Si22O64×22H2O)와 동일한 골격구조를 가지는 합성 물질인 제올라이트-W(K6.4Al6.5Si25.8O64× 15.3H2O, K-MER)의압력 하 압력전달 매개체에 따른 선형 압축률 및 체적 탄성률의 변화에 대한 X선 회절연구를 진행하였다. 합성된 시료는 정방정계에 속하는 I4/mmm 공간군으로 확인되었다. 압력전달 매개체 중 제올라이트의 동공 및 채널을 투과할 수 있는 투과 매개체(Penetrating medium)로 물, 이산화탄소를, 비투과 매개체로 실리콘 오일(Silicone-oil)을 각각 사용하였으며, 상압에서 최대 3 GPa까지 약 0.5 GPa 간격으로 가압하였다. 다이아몬드 고압유도장치 및 방사광 X-선원을 이용하여 압력 하 시료의 분말 회절을 측정하였고, 르바일(Le-Bail)법 및 버치-머내한 상태방정식을 이용하여 격자상수 및 체적탄성률의 변화를 관찰하였다. 모든 실험에서 c축의 선형압축률(βc)은 0.006(1) GPa-1또는 0.007(1) GPa-1의 값을 보여 압력 증가 대비 유사한 압축률을 보인 반면, a축의압축률(βa)은 실리콘 오일 실험에서 0.013(1) GPa-1을 보여 물과 이산화탄소 (βa=0.006(1) GPa-1) 실험결과에비해 압축률이 약 두 배정도 큰 것으로 확인할 수 있었다. 체적탄성률(K0)은 물, 이산화탄소, 실리콘 오일의실험에서 각각 50(3) GPa, 52(3) GPa, 29(2) GPa로 도출되었다. 압력 증가에 따른 ac면의 orthorhombicity를측정한 결과 물과 이산화탄소 실험에서는 0.350~0.353의 비교적 일정한 값을 보였으나, 실리콘 오일의 실험에서는 y = -0.005(1)x + 0.351(1)의 함수를 만족시키며 압력이 증가할수록 값이 점차 작아졌다.

영어초록

This study aimed to fundamentally understand structural changes of zeolite under pressure and in the presence of different pressure-transmitting media (PTM) for application studies such as immobilization of heavy metal cation or CO2 storage using pressure. High-pressure X-ray powder diffraction study was conducted on the zeolite-W (K6.4Al6.5Si25.8O64× 15.3H2O, K-MER) to understand linear compressibility and the bulk moduli in different PTM conditions. Zeolite-w is a synthetic material having the same framework as natural zeolite merlinoite ((K, Ca0.5, Ba0.5, Na)10 Al10Si22O64× 22H2O). The space group of the sample was identified as I4/mmm belonging to the tetragonal crystal system. Water, carbon dioxide, and silicone-oil were used as pressure-transmitting media. The mixture of sample and each PTM was mounted in a diamond anvil cell (DAC) and then pressurized up to 3 GPa with an increment of ca. 0.5 GPa. Pressure-induced changes of powder diffraction patterns were measured using a synchrotron X-ray light source. Lattice constants, and bulk moduli were calculated using the Le-Bail method and the Birch-Murnaghan equation. In all PTM conditions, linear compressibility of c-axis (βc) was 0.006(1) GPa-1 or 0.007(1) GPa-1. On the other hand, the linear compressibility of a(b)-axis (βa) was 0.013(1) GPa-1 in silicone-oil run, which is twice more compressible than the a(b)-axis in water and carbon dioxide runs, βa= 0.006(1) GPa-1. The bulk moduli were measured as 50(3) GPa, 52(3) GPa, and 29(2) GPa in water, carbon dioxide, and silicone-oil run, respectively. The orthorhombicities of ac-plane in the water, and carbon dioxide runs were comparatively constant, near 0.350~0.353, whereas the value decreased abruptly in the silicone-oil run following formula, y = -0.005(1)x + 0.351(1) by non-penetrating pressure fluid condition.

참고자료

· 없음