JP6431879B2 - 支持体表面に噴射されたナノ金属触媒を含む触媒 - Google Patents
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Description
(1)ナノ金属触媒粉末の作製
本実施例において使用されるチタニア粒子および酸化マンガンは、大韓民国特許出願10‐2012‐0076675号の[実施例1]または大韓民国特許出願10‐2012‐0054254号の[実施例]の部分に記載された内容によって作製された。
具体的に、チタニウムテトラ‐イソ‐プロポキシド(TTIP;Titanium tetra‐iso‐propoxide、Ti[OCH(CH3)2]4)溶液に、酢酸マンガン(Manganese acetate、Mn(CH3COO)2)を、前駆体全体重量を基準として5.0重量%となるように添加した。そして、前記前駆体混合物をオイルバスに浸漬されたバブラーに投入し、バブラーの温度を95℃に維持して気化させた。次に、気化した前駆体混合物を、アルゴン(Ar)ガスを利用して、電気炉のアルミナチューブ(Alumina tube)に移送されるようにした。これと共に、圧縮空気をアルミナチューブに供給した。
このとき、アルゴン(Ar)ガスは0.7L/min、圧縮空気は7.0L/minの流量でアルミナチューブに注入し、アルミナチューブ内の温度を900℃に維持して、チタニア(TiO2)の表面に二酸化マンガン(MnO2)がコーティングされたコア‐シェル構造の酸化マンガン‐チタニア触媒を気相合成した。その後、作製された触媒を、冷却水が流れる二重管形態の捕集器で50℃に冷却させて、2時間間隔で触媒粒子を捕集、回収した。
触媒支持体にナノ金属触媒を噴射させるために、このような触媒を含むコーティングスラリーを、図1に示した順序どおりに作製した。コーティングスラリーは、前記ナノ金属触媒の重量を基準に重量比を設定して作製した。このようなコーティングスラリーは、金属触媒15〜20wt%、ベントナイト8〜12wt%、メチルセルロース1〜2wt%および水65〜75wt%の混合比率で作製されてよい。
具体的に、純粋な蒸留水100Lにメチルセルロースを2g添加し、40℃で2時間ほど撹拌して、蒸留水にメチルセルロースを十分に混ぜた。そのように作られたスラリーが十分に混ざった後に、ベントナイト15gを、凝集が起こらないように少量ずつ添加し、同一温度(40℃)で2時間ほど撹拌して粘度を調節した。このように作製されたスラリーに、(1)で作製された酸化マンガン‐チタニア触媒25gを添加し、同一温度(40℃)で混ぜられるまで2時間ほど攪拌してコーティングスラリーを作製した。
(2)において作製されたコーティングスラリーを、図2に示したところのように、スプレー噴射方式で、図3のような形態のカーボン段ボール紙((株)NGEテック)の表面に噴射させた。このようにカーボン段ボール紙の表面に噴射させたコーティングスラリーを、圧縮空気を利用して、塊状部分がないように均一に広げた。その後、カーボン段ボール紙を60℃の乾燥機に入れ、4時間乾燥させた。乾燥したカーボン段ボール紙の裏面に、同様にコーティングスラリーを噴射させ、圧縮空気を利用して、塊状部分がないように均一に広げた後、60℃の乾燥機に入れ、8時間乾燥させた。このように両面がナノ金属触媒を含む薄膜層でコーティングされたカーボン段ボール紙に、圧縮空気を吹き込んで異物質を除去し、図3のような形態の、ナノ金属触媒が噴射されたカーボン段ボール紙フィルター触媒を収得した。
(2)において作製されたコーティングスラリーを利用して、既存の方式に従って、ディップコーティング方法でカーボン段ボール紙触媒フィルターを作製した。
具体的に、図3のようなカーボン段ボール紙を準備し、コーティングスラリーに10分ほど浸漬させた。10分経過後、触媒スラリーからカーボン段ボール紙を取り出して、段ボール孔(cell)に入っている触媒スラリーを、圧縮空気などを利用して、触媒粒子がすべて飛散することなく、かつ段ボールの孔(cell)は確保されるように吹き込んで、触媒スラリーが均一にカーボン段ボール紙に付着するようにした。当該作業が完了し、触媒スラリーが均一にカーボン段ボール紙に分布した状態になると、乾燥炉(Dryer)を利用して、60℃の温度で2時間乾燥させた。その後、乾燥したカーボン段ボール紙に対して、前記方法を3回さらに繰り返した。その後、触媒スラリーが付着したカーボン段ボール紙を、乾燥炉(Dryer)を利用して、一晩(10時間以上)の間、60℃の内部空気温度で維持しながら乾燥させた。その後、乾燥炉から取り出した、触媒が付着したカーボン段ボール紙を、焼成器を利用して、60℃の温度(昇温10℃/min.)で3時間、空気が流れる雰囲気で焼成した。
(2)において作製されたコーティングスラリーを利用して、既存の方式に従って、ディップコーティング方法でコーディエライトフィルターを作製した。
ハニカム(Honeycomb)形態のコーディエライト支持体は、触媒スラリーを利用して触媒を付着する前に、蒸留水で希釈された硝酸水溶液を使用して表面を洗浄する前処理を行った。使用した希釈された硝酸水溶液は、硝酸(Nitric Acid,69.0〜70.0%)を使用し、蒸留水1L基準で硝酸を200mL入れて作製した。前記硝酸水溶液は、水温を100℃に維持した。ハニカム形状のコーディエライト支持体を、前記硝酸水溶液にすべての部分が浸かるまで浸漬して、2時間放置しておいた。その後、水溶液から取り出したハニカム形状のコーディエライトは、蒸留水を利用して表面をきれいに洗い流した後、乾燥炉(Dryer)を利用して、100℃の温度で7時間乾燥を行った。
本発明の一側面によりナノ金属触媒が分散されたカーボン段ボール紙フィルターである実施例1と、ディップコーティング方法で作製されたカーボン段ボール紙フィルターである比較例1の耐久性を評価した。具体的に、実施例と比較例に記載された方法によって作製されたカーボン段ボール紙フィルターが、コーティングおよび作製された後に、その外形がどのように変形するのかを基準として耐久性を評価し、このような結果を図3に示した。
したがって、本発明の一側面による触媒フィルターは、フィルター外形の耐久性を維持させつつ、揮発性有機化合物を分解することができる優れた効果を有する。
実施例1および比較例1、2の触媒フィルターのオゾン分解率を測定した。具体的に、オゾンを反応器(直径4cmの円柱形状)内部に流し入れ、反応器後端にそれぞれの触媒フィルターを配置させて反応器前後端の濃度を測定することにより、分解率を測定した。オゾン濃度は、10ppmの条件に設定し、触媒フィルターの大きさは、外径4cmの円形状、厚さは1cmの大きさのものを利用し、流量は、1.25LPMの条件で、空間速度6,000h−1で実験を行った。ディップコーティング方式によって作製されたカーボン段ボール紙フィルターである比較例1の場合、試験例1から分かるように、作製後に外形が変形するため、これについてはオゾン分解率を測定することができず、このような結果を下記表1に示した。
実施例1において作製されたカーボン段ボール紙触媒フィルターについて、光学顕微鏡(Olympus,BX51‐P)および走査電子顕微鏡(Hitachi,S‐4100)を利用してその表面を観察し、このような結果を図4に示した。
実施例1に従って作製された触媒フィルターの物理的特性を調べるために、次のような実験を遂行した。
作製された実施例1の触媒の直径、重量を測定した。触媒フィルターの直径は4cmで、面積は12.56cm2である。コーティング前のフィルター素材自体の重量は1.87g、コーティング後のフィルターの重量は2.35gであって、コーティングされた触媒の重量は0.48gであった。これによると、フィルターの重量を基準として、触媒の重量は約20wt%に該当するということが分かる。
また、単位面積あたりのコーティング率を計算してみると、382.16g/m2という数値が得られた。
Claims (19)
- 触媒支持体および触媒支持体表面に噴射されたオゾン分解ナノ触媒を含む触媒フィルターであって、オゾン分解ナノ触媒は、酸化マンガン‐チタニア触媒であり、前記触媒フィルターにおける単位面積あたりのオゾン分解ナノ触媒の重量は、200g/m2〜450g/m2である、触媒フィルター。
- オゾン分解ナノ触媒は、触媒支持体表面にスプレーコーティングされたものである、請求項1に記載の触媒フィルター。
- オゾン分解ナノ触媒は、触媒支持体表面に噴射されて薄膜層を形成するものである、請求項1に記載の触媒フィルター。
- 触媒支持体は、綿織物、カーボンペーパー、カーボン段ボール紙(corrugated type carbon paper)、カーボンクロス(carbon cloth)、カーボンフェルト(carbon felt)、繊維素材織物紙、セルロースパルプ紙、不織布、ハニカムペーパーフィルターおよびコーディエライトで構成された群から選択された一つ以上である、請求項1に記載の触媒フィルター。
- 酸化マンガン‐チタニア触媒は、チタニア粒子に酸化マンガンが担持された触媒であって、比表面積が200m2/g〜300m2/gである、請求項1に記載の触媒フィルター。
- オゾン分解ナノ触媒は、触媒フィルターの重量を基準として、15重量%〜30重量%である、請求項1に記載の触媒フィルター。
- オゾン分解ナノ触媒を触媒支持体表面上に噴射させる噴射ステップを含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の触媒フィルターの製造方法。
- 噴射は、スプレーコーティング方式である、請求項7に記載の方法。
- 噴射ステップの後に、オゾン分解ナノ触媒を触媒支持体表面上に均一に広げる分配ステップをさらに含む、請求項7に記載の方法。
- 分配ステップは、圧縮空気を利用してオゾン分解ナノ触媒を触媒支持体表面上に均一に広げるステップである、請求項9に記載の方法。
- 噴射ステップの後に、触媒支持体を乾燥させる乾燥ステップをさらに含む、請求項7に記載の方法。
- 乾燥ステップは、40〜70℃の温度で、2〜10時間遂行される、請求項11に記載の方法。
- 乾燥ステップの後に、異物質を除去するステップをさらに含む、請求項11に記載の方法。
- 異物質を除去するステップは、圧縮空気を触媒支持体に吹き込んで遂行するものである、請求項13に記載の方法。
- 前記方法は、触媒支持体の一側表面に、オゾン分解ナノ触媒の噴射ステップ、分配ステップ、および乾燥ステップを遂行した後、触媒支持体の反対側表面に、オゾン分解ナノ触媒の噴射ステップ、分配ステップ、および乾燥ステップを遂行するものである、請求項7に記載の方法。
- 一側表面の乾燥ステップは3〜5時間遂行し、反対側表面の乾燥ステップは7〜9時間遂行するものである、請求項15に記載の方法。
- 噴射ステップの前に、オゾン分解ナノ触媒を含むコーティングスラリーを製造するステップをさらに含み、噴射ステップは、前記コーティングスラリーを触媒支持体に噴射するものである、請求項7に記載の方法。
- コーティングスラリーを製造するステップは、a)蒸留水にメチルセルロースを添加して、30〜50℃で1時間〜3時間攪拌し、b)a)のスラリーにベントナイトを添加して、30〜50℃で1時間〜3時間攪拌し、c)b)のスラリーにオゾン分解ナノ触媒を添加して、30〜50℃で1時間〜3時間攪拌することを含む、請求項17に記載の方法。
- コーティングスラリーは、コーティングスラリーの総重量を基準として、オゾン分解ナノ触媒15〜20wt%、ベントナイト8〜12wt%、メチルセルロース1〜2wt%および水65〜75wt%の比率で混合されたものである、請求項17に記載の方法。
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