제올라이트
Zeolite
1. 개요
1756년 광물연구가 크롱스테드가 발견했다. 그리스어로 끓는다는 뜻의 zeo, 돌이라는 의미의 lite의 합성어다. 한자어로는 불석이 아니라 비석(沸石). 물에 넣고 뜨겁게 가열하면 잔 거품이 나며 마치 물이 끓는(沸騰, 비등) 것처럼 보이기 때문에 끓는 돌이란 뜻으로 비석이라고 부른다.
광물학적으로 망상 규산염 광물에 속하는 하나의 광물군 이름이다.[1] 정확히는 알루미늄규산염(Aluminosilicate) 광물이다. 보통 크게 자라지 않고 무척 작고 밀집되어 나타난다. 상업적으로 다양한 용도를 갖기 때문에 인공적으로 합성된 제올라이트가 많이 알려져 있다.
대중들 사이에는 수 나노미터 지름의 구멍이 수없이 많이 뚫려 있는 돌 정도로 알려져 있다. 탈취제, 탈수제, 건축자재, 이온 교환재, 합성세제, 촉매제 등에 다양하게 응용된다. 비슷한 성질을 가진 물질로는 흡습제로 많이 쓰이는 실리카 겔, 흡수제로 많이 쓰이는 규조토가 있다.
2. 역사
제올라이트는 화산 폭발로 흘러나온 용암과 해수가 만나 화학반응을 일으켜 생성된 광물이다. 제올라이트는 흡착성이 뛰어나 불순물 제거와 탈취에 적합하다. 이에 따라 합성세제 첨가제, 항균제, 가축사료첨가제, 건축자재, 정화제, 토양 보습제 등 현재 다양한 방면에서 많이 활용되고 있다. 이는 포털사이트 검색창에 제올라이트를 쳐보면 제일 먼저 제올라이트 판매 관련 내용들이 뜨는 것만 봐도 알 수 있다.
이탈리아에서는 제올라이트의 미세한 구멍이 여름에는 습기를 빨아들이고 겨울에는 공기를 머금어 실내 온도를 유지시켜 줘 집 지을 때 제올라이트 벽돌을 사용했다고 한다.
제올라이트는 천연과 합성으로 나뉘는데 천연 제올라이트는 위에서 서술한바와 같이 크롱스테드가 발견했다. 노천 광산에서 생산되는 천연 제올라이트는 콘크리트 산업에서 주로 사용된다.
합성 제올라이트는 1948년 리처드 배럴이 자연에서 발견되지 않는 유형을 최초로 제조했으며 현재 200여 가지 종류가 있다. 제올라이트를 인공적으로 만들어내면 고유한 구조를 지니면서도 오염되지 않은 순수한 최종 제품을 얻을 수 있다. 합성 제올라이트는 연수 및 정수 시스템의 이온필터, 석유화학 공정의 속도를 높이는 등 산업적으로 중요하게 쓰이고 있다.
제올라이트는 규칙적인 모양과 구멍을 가진 구조물이기에 구멍에 어떤 물질을 넣느냐에 따라 물질의 특성과 용도가 달라진다. 이런 성질을 응용해 정유 업계 등에서는 제올라이트 구멍에 유기 물질을 붙여 화학반응을 빨리 일어나게 하는 촉매로도 사용한다.
하지만 중력이 있는 지구에서 제올라이트를 생산하는 데는 한계가 있다. 2차원 또는 3차원적으로 질서정연하게 결합되는 제올라이트 결정이 중력 때문에 원하는 대로 정렬되지 않아서다. 무중력상태에서는 제올라이트 결정들이 외부 힘의 영향을 받지 않아 모양과 크기가 완벽하게 같은 입자를 만들 수 있다.
3. 종류
규소와 알루미늄의 비로 구분하는 방법이 있다.
- 제올라이트 A : Si와 Al의 비가 1:1인 제올라이트. 일단 비율상으로는 1:1이지만 구조상의 특징 때문에 실제로는 Si를 좀 더 넣어야 구조를 형성할 수 있다.
- 제올라이트 X : Si와 Al의 비가 1:1~1.5:1인 제올라이트.
- 제올라이트 Y : Si와 Al의 비가 1.5:1 이상인 제올라이트.
형태로 구분하는 방법이 있다
- FAU zeolite: 마치 실타래처럼 생긴 제올라이트. 제올라이트 X와 제올라이트 Y가 여기에 해당된다.
- P1 zeolite: 다이아몬드처럼 생긴 제올라이트로 매우 밀도 높은 구조를 취하고 있다.
- Sodalite: 솜털처럼 생긴 제올라이트이나, 제올라이트가 아니라 유사 제올라이트로 구분되어지기도 한다.