KR100674255B1 - Catalytic nanoparticles for reducing harmful materials generated from incinerator, and functional additives and polymers containing the nanoparticles - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고분자 소각으로 발생하는 유해물질인 다이옥신이나 불완전연소로 인해 생성되는 일산화 탄소, VOC(휘발성 유기 화합물)을 억제하거나 제거하는데 활성을 가지는 금속 산화물 나노 입자에 흰색을 띄는 다공성 무기물 층을 코팅하여 최종적으로 나노 이중층의 촉매 나노입자를 제조한다. 이렇게 만들어진 촉매는 저온에서의 유해물질 산화특성이 우수하면서도 흰색이나 옅은 색을 띄어 염색성이 좋고 입자크기가 작아서 다양한 고분자에 첨가제로 사용 가능하다. 이렇게 첨가제가 함유된 고분자는 폐기 후 소각로에서 소각시킬 때 유해물질의 발생량이 월등하게 줄어 들어 환경 친화적이다. The present invention is coated with a porous inorganic layer of white color on the metal oxide nanoparticles having an activity to inhibit or remove carbon monoxide, VOC (volatile organic compounds) generated by dioxin or incomplete combustion, which are harmful substances caused by incineration of polymers Finally, the nanobilayer catalyst nanoparticles are prepared. These catalysts are excellent in oxidizing toxic substances at low temperature but have white or light color and have good dyeability and small particle size. In this way, the polymer containing additives is environmentally friendly since the generation of harmful substances is greatly reduced when incinerated in an incinerator.

다이옥신, 휘발성 유기 화합물, 나노 촉매입자 Dioxins, volatile organic compounds, nano catalyst particles

Description

소각로에서 발생하는 유해물질 저감용 촉매 나노 입자, 이를 포함하는 기능성 첨가제 및 고분자{CATALYTIC NANOPARTICLES FOR REDUCING HARMFUL MATERIALS GENERATED FROM INCINERATOR, AND FUNCTIONAL ADDITIVES AND POLYMERS CONTAINING THE NANOPARTICLES} Catalytic Nanoparticles for Reducing Hazardous Substances in Incinerators, Functional Additives and Polymers Comprising the Same

도 1은 폴리에틸렌을 소각하는 경우 발생하는 유해물질을 측정하여 도시한 것이다. 1 is a view illustrating the measurement of harmful substances generated when incineration of polyethylene.

도 2는 실시예 3의 촉매를 10 중량% 함유한 폴리에틸렌을 소각하는 경우 발생하는 유해물질을 측정하여 도시한 것이다. Figure 2 shows the measured harmful substances generated by incineration of polyethylene containing 10% by weight of the catalyst of Example 3.

급속한 산업의 발달로 인하여 인간생활의 편리함과 안락함은 크게 향상되었으나, 이로 인해 발생된 산업폐기물과 같은 부산물들은 다른 한편으로는 환경의 파괴라는 심각한 문제를 낳고 있다. 최근에는 이러한 환경 오염에 대한 관심도가 높아져 국가적인 차원에서도 많은 노력을 기울이고 있으나 아직까지 만족할만한 해결책을 찾지 못하고 있는 실정이다. The rapid development of industry has greatly improved the convenience and comfort of human life, but by-products such as industrial waste generated on the other hand have serious problems of environmental damage. Recently, due to the increased interest in environmental pollution, a lot of efforts have been made at the national level, but there are still no satisfactory solutions.

그 중에서도, 사용한 플라스틱 폐기물들을 소각하게 되면 불완전연소로 인해 일산화 탄소, VOC(휘발성 유기 화합물) 특히 유독한 다이옥신 등이 발생하게 된다.  특히, 다이옥신류는 쓰레기 속에 대량으로 함유된 유기염소화합물(예, 염화비닐, 염화비닐리덴, 염소화 파라핀, 디클로로벤젠 등)이 열분해에 의해 환원반응을 일으켜서 생성되는 것이다. In particular, incineration of used plastic wastes results in carbon monoxide, VOCs (volatile organic compounds), particularly toxic dioxins, due to incomplete combustion. In particular, dioxins are produced by pyrolysis of organochlorine compounds (eg, vinyl chloride, vinylidene chloride, chlorinated paraffin, dichlorobenzene, etc.) contained in a large amount in the waste.

쓰레기의 소각에서 유해물질을 발생시키지 않기 위하여 소각 조건을 조정하는 방안을 선택할 수도 있으나 아직까지 그러한 기술이 개발되지 않거나 경제적이지 않기 때문에 채택하기 어렵다. You may choose to adjust the incineration conditions in order to avoid the generation of hazardous substances in the incineration of waste, but it is difficult to adopt as such technologies are not yet developed or economical.

따라서, 현재에는 소각로의 방지시설을 강화하여 설치하는 것이 일반적이다. 이러한 방지시설을 이용하는 방식으로는 (1) 전기 집진기의 단독 운전, (2) 전기집진장치와 습식세정장비의 조합운전, (3) 전기집진장치 + 습식세정장비 + 특수 SCR(Selective Catalyst Reduction: 선택적 촉매환원) 촉매탑의 조합운전, 및 (4) 반건식 반응설비 + 여과집진설비 + SCR 촉매탑 조합운전을 하는 방식들이 있다. Therefore, it is now common to strengthen and install incinerator prevention facilities. Such prevention facilities include (1) independent operation of the electrostatic precipitator, (2) combined operation of the electrostatic precipitator and the wet cleaning equipment, and (3) the electrostatic precipitator + the wet cleaning equipment + the special selective catalytic reduction (SCR). Catalytic reduction) Combined operation of the catalyst tower, and (4) Semi-dry reaction equipment + bag filter + SCR catalyst tower combined operation.

유해물질을 제거하기 위해 현재 소각로 후단에 설치되는 촉매탑은 하니콤 타입의 모듈을 이용한 저압차 촉매반응기의 설치가 보편화 되고 있다 (Catalysis Review-Sci, and Eng., 36(2), 179-270, 1994년 참조).  비록 이러한 하니콤을 이용한 사후 처리방법이 유해물질을 효과적으로 제거할 수 있지만, 소각로 후단에 부가적으로 또 하나의 유해물질 제거를 위한 방지시설을 갖추어야 한다는 면에서, 또한 소형 소각로나 노천에서 행해지는 간이 소각에는 적용이 어렵다는 면에서 여전히 유해물질의 발생을 원천적으로 해결하지는 못하는 실정이다. In order to remove harmful substances, catalyst towers installed at the rear end of incinerators are now commonly installed in low pressure catalyst reactors using honeycomb type modules (Catalysis Review-Sci, and Eng., 36 (2), 179-270). , 1994). Although the post-treatment method using honeycomb can effectively remove the harmful substances, it is also necessary to provide a prevention facility for removing another harmful substance at the back of the incinerator, and also to carry out simple incinerators or open air. Incineration is still difficult to apply, so the generation of harmful substances still cannot be solved.

이러한 문제를 원천적으로 해결하려는 노력으로, 종래 고분자에 무기 입자를 첨가하여 고분자의 소각에서 발생하는 유해물질을 동시에 제거하는 방법에 대해 고려하기 시작했다. 기존의 발명에 의하면 백운석 (일본공개특허공보 제2000-327400호), 철 산화물 (일본공개특허공보 제2000-309718호), 제올라이트 (일본공개특허공보 제2001-31107호) 등을 고분자에 첨가하여 소각으로 발생하는 다이옥신을 줄일 수 있다고 한다.  그러나 첨가되는 물질의 유해물질 제거 활성이 낮고 촉매 고유의 색깔 때문에 쓰레기 봉투와 같은 극히 제한된 분야에서만 사용되고 있는 실정이다.In an effort to fundamentally solve this problem, it has begun to consider a method of adding inorganic particles to a conventional polymer to simultaneously remove harmful substances generated from incineration of the polymer. According to the existing invention, dolomite (Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2000-327400), iron oxide (Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2000-309718), zeolite (Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2001-31107) and the like are added to a polymer. Dioxins produced by incineration can be reduced. However, due to the low activity of removing harmful substances of the added materials and the inherent color of the catalyst, they are used only in extremely limited fields such as garbage bags.

따라서, 쓰레기의 소각으로 발생하는 유해물질의 량을 획기적으로 줄이면서, 동시에 촉매 고유의 색깔을 제거하여 고분자의 착색에 긍정적인 기여를 할 수 있는 흰색 계통의 나노 크기의 촉매의 개발이 절실히 요구되어 왔다. Therefore, there is an urgent need to develop a white nanoscale catalyst that can significantly reduce the amount of toxic substances generated by incineration of waste and at the same time remove the catalyst's own color to make a positive contribution to the coloring of polymers. come.

본 발명은 쓰레기의 소각으로 발생하는 CO, 다이옥신, 휘발성 유기 화합물 같은 유해물질을 400℃의 비교적 저온에서도 고효율로 제거할 수 있는 활성 금속 산화물로부터 촉매 나노입자를 제조하고, 아울러 이 활성 촉매 입자 위에 흰색 다공성 층을 코팅하여 촉매 활성이 유지되면서도 최종적으로 고분자 등의 제품 착색을 용이하게 달성할 수 있는 복합층의 촉매 나노입자를 제조하는데 그 목적이 있다. The present invention provides catalyst nanoparticles from active metal oxides that can efficiently remove harmful substances such as CO, dioxins, and volatile organic compounds generated by incineration of waste at a relatively low temperature of 400 ° C. The purpose of the present invention is to prepare catalyst nanoparticles of a composite layer that can easily achieve product coloring such as polymers, while maintaining catalytic activity by coating a porous layer.

또한, 이렇게 제조된 촉매 나노입자를 포함하는 첨가제 및 그러한 첨가제를 포함시킨 고분자를 성형하여, 사용후 소각되는 고분자를 포함한 쓰레기로부터 유해물질의 발생을 감소시키는 것이 또 다른 목적이다. In addition, it is another object to reduce the generation of harmful substances from the waste, including the polymer comprising the catalyst nanoparticles prepared as described above and the polymer containing such additives, which are incinerated after use.

본원발명은 쓰레기의 소각으로 발생하는 유해물질을 원천적으로 효과적으로 제거하고자 안출된 것으로서, The present invention is intended to effectively remove the harmful substances generated by incineration of waste,

FeOx 및 TiO2의 2성분을 필수적으로 포함하는 촉매 나노입자;Catalytic nanoparticles essentially comprising two components of FeOx and TiO 2 ;

FeOx 성분을 나노 크기의 TiO2상에 담지시킨 촉매 나노입자; 및Catalytic nanoparticles having FeO x components supported on nanoscale TiO 2 ; And

FeOx와 TiO2의 성분을 함께 나노 크기의 Al2O3, SiO2, 제올라이트, ZrO2, MgO, CaO 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 촉매지지체에 담지하여 분산시킨 촉매 나노입자에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst nanoparticle in which FeO x and TiO 2 are supported and dispersed together on a catalyst support selected from the group consisting of nano-sized Al 2 O 3 , SiO 2 , zeolite, ZrO 2 , MgO, CaO, and combinations thereof. .

본원발명의 일 구체예로서, 본원발명은 상기 촉매 나노입자에 추가로 TiO2, Al2O3, SiO2, 제올라이트, ZrO2, MgO, CaO 및 이들의 조합을 포함하는 흰색 무기물을 다공성으로 피복하여 형성된 복합층의 촉매 나노입자에 관한 것이다.In one embodiment of the present invention, the present invention is a porous coating of a white inorganic material including TiO 2 , Al 2 O 3 , SiO 2 , zeolite, ZrO 2 , MgO, CaO and combinations thereof in addition to the catalyst nanoparticles It relates to a catalyst nanoparticle of a composite layer formed by.

본원발명의 또 다른 구체예로서, 본원발명은 상기 촉매 나노입자에 추가로 TiO2, Al2O3, SiO2, 제올라이트, ZrO2, MgO, CaO 및 이들의 조합을 포함하는 흰색 무기물을 다공성으로 피복하여 형성된 촉매 나노입자를 포함하는 첨가제에 관한 것이다.In still another embodiment of the present invention, the present invention provides a porous white inorganic material comprising TiO 2 , Al 2 O 3 , SiO 2 , zeolite, ZrO 2 , MgO, CaO and combinations thereof in addition to the catalyst nanoparticles. It relates to an additive comprising a catalytic nanoparticle formed by coating.

본원발명의 또 다른 구체예로서, 본원발명은 촉매 나노입자에 추가로 TiO2, Al2O3, SiO2, 제올라이트, ZrO2, MgO, CaO 및 이들의 조합을 포함하는 흰색 무기물을 다공성으로 피복하여 형성된 촉매 나노입자를 함유하는 고분자에 관한 것이다. 고분자가 촉매 나노입자를 포함하는 경우에 바람직하게는 50 중량% 이하, 보다 바람 직하게는 10 중량% 이하로 함유한다.In another embodiment of the present invention, the present invention provides a porous coating of a white inorganic material comprising TiO 2 , Al 2 O 3 , SiO 2 , zeolite, ZrO 2 , MgO, CaO and combinations thereof in addition to the catalytic nanoparticles. It relates to a polymer containing the catalyst nanoparticles formed by. When the polymer contains catalyst nanoparticles, it is preferably contained at 50 wt% or less, more preferably 10 wt% or less.

본원발명의 추가의 구체예로서, 본원발명은 나노 크기의 FeOx 입자 표면 위에 다공성의 TiO2 층을 피복하여 형성된 촉매 나노입자를 포함한다.In a further embodiment of the present invention, the present invention includes catalytic nanoparticles formed by coating a porous TiO 2 layer on a nano-sized FeO x particle surface.

또한, 본원발명의 또 다른 구체예로서, 본원발명은 나노 크기의 FeOx 입자 표면 위에 다공성의 TiO2 층을 피복하여 형성된 촉매 나노입자를 포함하는 첨가제를 포함한다.In addition, as another embodiment of the present invention, the present invention includes an additive comprising catalytic nanoparticles formed by coating a porous TiO 2 layer on a nano-sized FeO x particle surface.

본원발명의 또 다른 구체예로서, 본원발명은 나노 크기의 FeOx 입자 표면 위에 다공성의 TiO2 층을 피복하여 형성된 촉매 나노입자를 함유하는 고분자를 포함한다. 고분자가 촉매 나노입자를 포함하는 경우에, 촉매 나노입자는 바람직하게는 50 중량% 이하, 보다 바람직하게는 10 중량% 이하로 포함되는 것이 바람직하다. In another embodiment of the present invention, the present invention includes a polymer containing catalytic nanoparticles formed by coating a porous TiO 2 layer on a nano-sized FeO x particle surface. In the case where the polymer comprises catalyst nanoparticles, the catalyst nanoparticles are preferably contained at 50 wt% or less, more preferably 10 wt% or less.

상기 촉매 나노입자를 포함하는 기능성 고분자의 제조에 사용되는 고분자로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리염화비닐, 폴리초산비닐, 폴리에테르, 폴리에스테르, 폴리술폰, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리우레탄 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 이것에 제한되는 것은 아니다. Polymers used in the production of the functional polymer including the catalytic nanoparticles include polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyvinyl chloride, polyvinyl acetate, polyether, polyester, polysulfone, polyamide, polyimide, polyurethane, or Although it may be selected from the group consisting of a combination thereof, it is not limited thereto.

보다 구체적으로 본원발명에 대하여 살펴보면, 본원발명에서는 다이옥신 등의 유해가스를 제거하는 활성 금속 산화물로부터 촉매 나노입자를 제조한다. In more detail with respect to the present invention, in the present invention, catalyst nanoparticles are prepared from active metal oxides that remove harmful gases such as dioxins.

활성 금속 산화물로부터 본원발명의 촉매 나노입자를 제조하는데 있어서, 제조된 촉매 내에 철산화물(FeOx)과 TiO2가 반드시 공존하고 있어야 한다.In preparing catalyst nanoparticles of the present invention from an active metal oxide, iron oxide (FeOx) and TiO 2 must coexist in the prepared catalyst.

쓰레기의 소각으로 발생하는 유해가스를 제거하는데 활성이 있는 본원발명의 금속산화물은 철산화물과 TiO2의 복합성분으로서 반드시 공존하고 있어야 한다. 이를 위해 Fe2O3, Fe3O4, FeO, FeOOH 등의 철산화물 나노 입자를 TiO2 나노 입자 위에 담지하거나, 철산화물과 TiO2를 함께 다른 촉매 지지체용 나노 입자 표면 위에 담지시켜 제조할 수 있다. The metal oxide of the present invention, which is active in removing harmful gases generated by incineration of waste, must coexist as a complex component of iron oxide and TiO 2 . To this end, iron oxide nanoparticles such as Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , FeO and FeOOH may be supported on TiO 2 nanoparticles, or iron oxide and TiO 2 may be supported on the surface of nanoparticles for other catalyst supports. have.

먼저, 철산화물을 나노 크기의 TiO2 위에 담지시키는 경우에, TiO2의 입자 크기는 나노 등급에 해당하는 한 제한이 없으나, 바람직하게는 10-5,000 nm, 보다 더 바람직하게는 10-500 nm 이다. 이 경우, 담지되는 철산화물은 2-40 중량%가 바람직하며, 보다 더 바람직하게는 각각 5-10 중량%가 좋다First, in the case of supporting the iron oxide on TiO 2 nano-size, the particle size of the TiO 2 is but one limitation for the nano-grade, preferably 10-5,000 nm, and more preferably 10-500 nm . In this case, the supported iron oxide is preferably 2-40% by weight, more preferably 5-10% by weight, respectively.

촉매 지지체용 나노 입자로는 Al2O3, SiO2, ZrO2 등이 있으나, 이것에 제한되지 않는다. 촉매지지체 (예로 TiO2, Al2O3 나노 입자 등)는 나노 등급에 해당하는 한 크기에 제한은 없으나 바람직하게는 10-5,000 nm, 보다 더 바람직하게는 10-500 nm 크기이다. Nanoparticles for the catalyst support include Al 2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 and the like, but are not limited thereto. The catalyst support (eg TiO 2, Al 2 O 3 nanoparticles, etc.) is not limited in size as long as it corresponds to nanoscale, but is preferably 10-5,000 nm, even more preferably 10-500 nm.

촉매지지체에 활성 금속 산화물, 특히 본원발명의 철산화물과 Ti을 담지시키는 경우에, 담지되는 Fe 의 중량%는 각각 2-40 중량%가 바람직하며, 보다 더 바람직하게는 각각 5-10 중량%가 좋다. Ti가 Fe와 함께 담지되는 경우에 Ti성분의 중량%는 5-60 중량%, 바람직하게는 5-30 중량%가 좋다.In the case of supporting the active metal oxide, in particular the iron oxide and Ti of the present invention, the weight of the supported Fe is preferably 2-40% by weight, more preferably 5-10% by weight. good. When Ti is supported with Fe, the weight percentage of the Ti component is 5-60 wt%, preferably 5-30 wt%.

본원발명의 추가의 구체예로서, 상기와 같에 제조된 촉매 나노입자의 표면에 흰색을 띄는 물질을 다공성으로 코팅하여 최종적으로 흰색으로 색이 입혀진 나노 크기의 촉매를 제조한다. In a further embodiment of the present invention, a white-colored material is porously coated on the surface of the catalyst nanoparticles prepared as described above to prepare a nano-sized catalyst finally colored white.

위와 같이 촉매 나노입자에 흰색 계통을 갖는 물질을 코팅하여 피복층을 형성하는 경우에, 그 피복층은 가스가 활성촉매 입자 표면에 확산되어 들어갈 수가 있게 다공성이어야 하며, 피복 후 최종 입자는 나노 크기라야 한다. 흰색 계통을 띄는 물질로는 예를 들어 TiO2, Al2O3, SiO2, ZrO2, 제올라이트 등을 포함할 수 있으나, 이것에 제한되는 것은 아니다. 최종 피복층의 두께는 활성 촉매입자의 색깔을 흰색으로 피복할 수 있는 최소한의 두께가 좋으며 더 이상 두꺼우면 유해가스가 활성촉매 표면에 확산 침투하는데 시간이 걸려서 불리하다. 피복물질에 따라 다르나 통상 10-1,000 nm 정도의 두께가, 더 바람직하게는 10-100 nm 두께가 적당하다.In the case of forming a coating layer by coating a material having a white system on the catalyst nanoparticles as described above, the coating layer should be porous so that gas can diffuse into the surface of the active catalyst particles, and the final particles after coating should be nano-sized. The white-based material may include, for example, but not limited to TiO 2 , Al 2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 , zeolite, and the like. The thickness of the final coating layer is a minimum thickness that can cover the color of the active catalyst particles in white color, and if the thickness is longer, it is disadvantageous because harmful gas takes time to diffuse and penetrate the surface of the active catalyst. Depending on the coating material, usually a thickness of about 10-1,000 nm, more preferably 10-100 nm thick is appropriate.

본원발명에 따른 또 하나의 간단한 촉매 제조 방법으로서, 나노크기의 철산화물 입자위에 TiO2를 직접 다공성으로 피복하는 방법이 있다. 이 경우, 철산화물의 크기는 10-100 nm 크기가 바람직하며, TiO2 피복층의 함량은 철산화물 입자 및 피복 방법에 따라 달라지나 전체 촉매무게의 20-90% 정도가 적당하다.As another simple catalyst preparation method according to the present invention, there is a method of directly coating the TiO 2 on the nano-sized iron oxide particles with a porous. In this case, the size of iron oxide is preferably 10-100 nm, the content of the TiO 2 coating layer depends on the iron oxide particles and coating method, but about 20-90% of the total catalyst weight is appropriate.

또한, 본원발명에 따르면, 본원발명에 따라 제조된 상기 촉매 나노입자를 포함하는 첨가제 및 상기 촉매를 포함하는 유해가스 저감용 기능성 고분자 물질이 제공될 수 있다. 상기 첨가제는 본원발명에 따라 기능성을 부여할 수 있는 한, 산업용 또는 가정용 고분자 성형품의 제조에 사용될 수 있는 어떠한 첨가제도 가능하다. In addition, according to the present invention, an additive including the catalyst nanoparticles prepared according to the present invention, and a functional polymer material for reducing harmful gases including the catalyst may be provided. The additive may be any additive that can be used in the manufacture of industrial or household polymer molded articles, as long as it can impart functionality according to the present invention.

보다 구체적으로, 본원발명에 따르면, 흰색 계통을 띄는 물질을 다공성으로 코팅하여 형성된 촉매 나노입자를 고분자 물질에 적당량, 바람직하게는 50 중량% 이하, 보다 바람직하게는 10 중량% 이하로 혼합함으로써 고분자 물성을 크게 손상함이 없이 본래의 목적대로 사용이 가능하다. 본원발명의 촉매 나노입자를 포함하는 고분자의 경우에는, 사용 후 폐기되는 고분자 폐기물의 소각으로 발생하는 유해가스의 발생량을 현저히 줄일 수가 있다. More specifically, according to the present invention, polymer nanoparticles formed by coating a white-based material with a porous coating are mixed with a suitable amount, preferably 50% by weight or less, and more preferably 10% by weight or less, in the polymer material. It can be used for its original purpose without seriously damaging it. In the case of the polymer including the catalytic nanoparticle of the present invention, the amount of harmful gas generated by incineration of the polymer waste disposed of after use can be significantly reduced.

본원발명에 따른 촉매 나노입자를 제조하기 위하여 흰색 계통의 물질을 다공성으로 코팅하는 방법으로는, 종래 당업자에게 공지된 습식법이나 건식법 중 어느 방법을 이용하여도 무방하다.As a method of coating a white-based material porously to prepare the catalyst nanoparticles according to the present invention, any of wet or dry methods known to those skilled in the art may be used.

습식코팅 중 입자 코팅법은 활성 촉매 나노입자와 코팅을 하려는 흰색 나노입자 사이의 제타 포텐셜의 차이를 이용하여 인력을 발생시켜 흰색 나노입자를 코팅한다. Particle coating during wet coating utilizes the difference in zeta potential between the active catalyst nanoparticles and the white nanoparticles to be coated to generate attraction to coat the white nanoparticles.

또 다른 습식코팅의 예로 Grafting 방법을 응용하여 코팅하고자 하는 경우, 적절한 용매에 촉매 나노입자를 잘 분산시킨 뒤 흰색 계통을 발색할 수 있는 전구체 물질을 용매에 녹여 준비된 용액에 천천히 떨어뜨리면서 촉매 나노입자 표면에서 반응을 일으키면서 흰색 코팅층을 형성한다. Another wet coating example is to apply the Grafting method to coat the catalyst nanoparticles surface by dispersing the catalyst nanoparticles in a suitable solvent and then dropping the precursor material, which can develop a white system, into a solvent and slowly dropping it in the prepared solution. Reacts at to form a white coating layer.

또 다른 예로는 제올라이트를 피복할 경우 활성 촉매 나노입자를 제올라이트 합성용 전구체 용액에 분산시키고 제올라이트를 합성시켜 최종적으로 제올라이트가 피복된 나노 입자를 제조한다. In another example, when the zeolite is coated, the active catalyst nanoparticles are dispersed in the precursor solution for zeolite synthesis, and the zeolite is synthesized to finally prepare the zeolite-coated nanoparticles.

건식 코팅은 준비된 활성 촉매 나노입자 위에 흰색 계통의 코팅층을 기상 증 착시킨다. 증착제로는 공기 또는 불활성 기체에 금속 염화물, 유기 금속 화합물(예를 들어, 금속 알콕사이드) 등을 증발시켜 고온에서 촉매 나노 입자 표면에서 분해, 산화시켜 나노 크기 코팅층을 형성시킨다. 이때 코팅층을 다공성으로 만들기 위해 Si 또는 Al 성분을 함께 증착시킨 후, 산 또는 알칼리로 Si 또는 Al 성분을 추출하고 제거하여 최종적으로 흰색 계통의 다공성 나노층이 추가로 코팅된 촉매 나노 입자를 제조한다. Dry coating vapor-deposits a white coating layer on the prepared active catalyst nanoparticles. As a deposition agent, metal chlorides, organometallic compounds (eg, metal alkoxides) and the like are evaporated in air or an inert gas to decompose and oxidize the surface of the catalyst nanoparticles at a high temperature to form nanoscale coating layers. At this time, in order to make the coating layer porous, Si or Al components are deposited together, and then Si or Al components are extracted and removed with an acid or an alkali to finally prepare catalyst nanoparticles further coated with a white nanoporous porous nanolayer.

위에서 준비된 촉매 나노입자를 고분자 성형 과정에서 적당량 혼합 한 후 가공하면 소각으로 발생하는 유해가스를 저감시킬 수 있는 기능성 고분자가 만들어지게 된다. When the catalyst nanoparticles prepared above are mixed and processed in an appropriate amount in a polymer molding process, a functional polymer that can reduce harmful gases generated by incineration is produced.

여기에서 사용될 수 있는 고분자는 복합 촉매 나노 입자의 종류에 관계없이 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리염화비닐, 폴리초산비닐, 폴리에테르, 폴리에스테르, 폴리술폰, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리우레탄 등과 같은 산업용 및 생활용 고분자 전반에 적용될 수 있다. Polymers that can be used herein are polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyvinyl chloride, polyvinyl acetate, polyether, polyester, polysulfone, polyamide, polyimide, polyurethane, etc., regardless of the type of composite catalyst nanoparticles. It can be applied to industrial and household polymers in general.

이하에서는, 본원발명의 구체적인 실시예를 들어 본원발명을 설명하고자 한다. 그러나, 본원발명이 하기 실시예로 인해 제한되는 것은 아니고, 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 정도의 개변을 배제하는 것도 아니다. Hereinafter, the present invention will be described with reference to specific examples of the present invention. However, the present invention is not limited by the following examples, and does not exclude the extent of modification that is obvious to those skilled in the art to which the present invention belongs.

<실시예 1> <Example 1>

25 nm 크기의 TiO2 나노 입자를 FeCl3가 용해된 수용액에 넣고 교반시킨다.  NH4OH 용액을 상기 용액에 천천히 떨어뜨리면서 최종적으로 TiO2 입자 표면에 Fe(OH)x를 침전 담지 시킨다.  여과 후 건조 소성과정을 거쳐 최종적으로 Fe가 5 중량% 담지된 Fe3O4/TiO2 성분의 활성 나노입자 촉매를 제조하였다. TiO 2 nanoparticles having a size of 25 nm were placed in an aqueous solution of FeCl 3 and stirred. The NH 4 OH solution was slowly dropped into the solution, and finally Fe (OH) x was precipitated on the TiO 2 particle surface. After filtration and dry firing, an active nanoparticle catalyst of Fe 3 O 4 / TiO 2 component containing 5 wt% Fe was finally prepared.

<실시예 2> <Example 2>

25 nm 크기의 Al2O3 입자를 FeCl3와 Ti(SO4)2를 Fe/Ti 중량 비 1/4로 용해된 수용액에 넣고 교반시킨다.  NH4OH 용액을 상기 용액에 천천히 떨어뜨리면서 최종적으로 Al2O3 입자 표면에 Fe와 Ti를 수산화물 형태로 공침전시켜 담지시킨다.  여과 후 건조 소성과정을 거쳐 최종적으로 Fe가 5 중량%, Ti가 20 중량% 함께 담지된 Fe-Ti/Al2O3 성분의 복합 금속 산화물 나노 촉매입자를 제조하였다. Al 2 O 3 particles having a size of 25 nm were added to an aqueous solution in which FeCl 3 and Ti (SO 4 ) 2 were dissolved at a Fe / Ti weight ratio of 1/4 and stirred. The NH 4 OH solution is slowly dropped into the solution, and finally Fe and Ti are co-precipitated in the form of hydroxide to support Al 2 O 3 particle surface. After filtration and dry firing, Fe-Ti / Al 2 O 3 component metal oxide nano catalyst particles having 5 wt% Fe and 20 wt% Ti were finally prepared.

<실시예 3> <Example 3>

25nm 크기의 TiO2 입자를 물에 분산시켜 pH를 6으로 고정시킨다 (용액 A).  30 nm 크기의 Fe3O4를 마찬가지로 물에 분산시키고 최종 pH를 6으로 조정한다 (용액 B). 상기 용액 B에 용액 A를 떨어뜨리면서 격렬하게 교반한다. 떨어짐과 동시에 Fe3O4와 TiO2사이에 인력이 발생하여 Fe3O4 입자위에 다공성의 TiO2 입자층이 80 중량% 코팅된다. 코팅이 끝난 후 나노 기공을 가지는 멤브레인을 이용해 걸러낸 후, 건조 소성과정을 거쳐서 최종적으로 연회색의 촉매 나노 입자를 제조한다. TiO 2 particles of 25 nm size are dispersed in water to fix the pH to 6 (solution A). Fe 3 O 4 , 30 nm in size, is likewise dispersed in water and the final pH is adjusted to 6 (solution B). Stir vigorously while dropping Solution A into Solution B. At the same time, attraction is generated between Fe 3 O 4 and TiO 2 so that the porous TiO 2 particle layer is coated on the Fe 3 O 4 particles by 80% by weight. After the coating is finished, the membrane is filtered using a membrane having nano pores, and finally, a light gray catalyst nanoparticle is prepared through a dry firing process.

<실시예 4> <Example 4>

실시예 2에서 제조된 5 중량% Fe3O4-TiO2/Al2O3 촉매 나노입자를 유동상 반응기로 된 CVD (chemical vapor deposition) 장치에 넣고 건조한 공기를 이용하여 유동층을 형성시킨다. Ti(OC4H9)4 와 SiCl4를 각각 100ppm, 50ppm의 농도로 넣어주면서 반응기의 온도와 유량을 조절하여 코팅 두께를 조절한다. 10nm 두께로 코팅 후 HF 용액에 담구어 Si를 용출시킨다. 여과, 세척, 건조 후 400℃ 에서 소성하여 TiO2가 다공성으로 피복된 흰색 촉매 나노입자를 제조한다. 5 wt% Fe 3 O 4 -TiO 2 / Al 2 O 3 catalyst nanoparticles prepared in Example 2 were placed in a CVD (chemical vapor deposition) apparatus of a fluidized bed reactor to form a fluidized bed using dry air. Ti (OC 4 H 9 ) 4 and SiCl 4 were added at a concentration of 100ppm and 50ppm, respectively, to control the coating thickness by controlling the temperature and flow rate of the reactor. After coating to a thickness of 10nm and immersed in HF solution to elute Si. After filtration, washing and drying, the mixture was calcined at 400 ° C. to prepare white catalyst nanoparticles coated with TiO 2 .

<실시예 5> <Example 5>

다이옥신과 구조가 유사한 1,2-디클로로벤젠 산화반응을 이용하여 실시예 1~4에서 만들어진 촉매 나노 입자의 활성을 테스트 하였다.  고정층 반응장치에서 유입농도는 1,000ppm으로 하고 유속은 WHSV 6,000 L/kg cat h로 하였다. 반응온도를 200~800℃로 변화시키면서 활성을 관찰하였다. 비교 예로 30 nm크기의 Fe3O4 와 25 nm 크기의 촉매입자들의 활성을 함께 나타내었다. The activity of the catalytic nanoparticles produced in Examples 1-4 was tested using 1,2-dichlorobenzene oxidation, which is similar in structure to dioxin. In a fixed bed reactor, the inlet concentration was 1,000 ppm and the flow rate was WHSV 6,000 L / kg cat h. The activity was observed while changing the reaction temperature to 200 ~ 800 ℃. As a comparative example, the activities of Fe 3 O 4 with a size of 30 nm and catalyst particles with a size of 25 nm were shown.

표 1. 온도에 따른 촉매 나노 입자의 활성비교 Table 1.Activity Comparison of Catalyst Nanoparticles with Temperature

촉매반응온도    Catalytic reaction temperature Fe3O4 (비교예)Fe 3 O 4 (Comparative) TiO2 (비교예)TiO 2 (Comparative) 실시예1Example 1 실시예2Example 2 실시예3Example 3 실시예4Example 4 300℃300 ℃ 4040 2525 4545 4747 4242 4444 400℃400 ℃ 6565 4040 9898 9595 9292 9595 500℃500 ℃ 9090 7575 9898 9797 9595 9797 700℃700 ℃ 9898 9898 9898 9898 9898 9898

표 1에서 알 수 있듯이 실시예 1-3에 따라 제조된 철산화물-TiO2 복합성분의 촉매는 Fe3O4 또는 TiO2와 같은 단독성분의 촉매 나노 입자보다 저온 (400℃ 부근)에서의 활성이 월등하게 향상된다. 또한 실시예 4에서 보듯이 상기 촉매 나노입자에 흰색의 다공성 층을 피복해도 최종적인 촉매활성은 감소하지 않고 거의 그대로 유지된다. Can be seen from Table 1, as an exemplary iron oxide prepared according to Example 1-3 of the catalyst -TiO 2 composite component is active at a low temperature (near 400 ℃) than the catalyst nanoparticles of the sole components, such as Fe 3 O 4 or TiO 2 This is greatly improved. In addition, as shown in Example 4, even when the white porous layer is coated on the catalyst nanoparticles, the final catalytic activity is maintained without being reduced.

<실시예 6> <Example 6>

폴리에틸렌에 30 nm 크기의 Fe3O4 입자와 실시예 4에서 만들어진 TiO2가 피복된 흰색 Fe-Ti 복합촉매입자를 각각 10 중량%를 넣은 후 압출기로 여러번 혼합하여 최종적으로 촉매가 혼합된 기능성 폴리에틸렌을 제조하였다. 10 wt% of the Fe 3 O 4 particles having a size of 30 nm and the TiO 2 coated white Fe-Ti composite catalyst particles prepared in Example 4 were added to the polyethylene, and then mixed several times with an extruder to finally prepare a functional polyethylene mixed with a catalyst. Prepared.

<실시예 7> <Example 7>

실시예 6에서 만들어진 기능성 폴리에틸렌의 물성(인장력, 투과도 등)을 테스트 하였다.The physical properties (tensile strength, permeability, etc.) of the functional polyethylene made in Example 6 were tested.

인장력 테스트Tensile test

PE 고분자 종류PE polymer type 순수 LDPEPure LDPE LDPE+Fe3O4 LDPE + Fe 3 O 4 LDPE+실시예4촉매LDPE + Example 4 Catalyst 항복인장강도(MPa)Yield Tensile Strength (MPa) 2020 1313 1818

빛 파장에 따른 투과도 테스트Transmittance test by light wavelength

PE 고분자 종류PE polymer type 상대적투과도(400 nm)Relative transmittance (400 nm) 상대적투과도(800 nm)Relative transmittance (800 nm) 순수 LDPEPure LDPE 100100 100100 LDPE+Fe3O4 LDPE + Fe 3 O 4 3535 4747 LDPE+실시예4촉매LDPE Example 4 Catalyst 7878 9292

상기 실험 결과에서 보듯이 Fe3O4 나노 촉매 입자를 단독으로 사용한 경우보다 Fe와 Ti 입자를 복합적으로 사용하되 더 작은 입자로 분산시킨 경우가 고분자 물성면에서도 더 우수하다.As shown in the experimental results, Fe and Ti particles are used in combination with the Fe 3 O 4 nanocatalyst particles alone, but dispersed in smaller particles are better in terms of polymer properties.

<실시예8>  Example 8

촉매를 함유하지 않은 폴리에틸렌과 실시예 3에서 제조된 촉매를 10 중량% 함유한 폴리에틸렌 고분자를 이용하여 소각 실험을 하였다. 100℃에서 한시간 동안 전처리 한 뒤 100℃에서 800℃까지 온도를 올리면서 나오는 물질을 측정하였다. 첨부한 도 1 및 2에서 제시된 바와 같이, 촉매 나노 입자를 함유한 기능성 고분자의 경우 그렇지 않은 경우에 비해 유기화합물의 발생량이 80% 이상 줄어 들었음을 알 수 있었다. Incineration experiments were performed using polyethylene without a catalyst and a polyethylene polymer containing 10% by weight of the catalyst prepared in Example 3. After pretreatment at 100 ° C. for 1 hour, the temperature was measured while raising the temperature from 100 ° C. to 800 ° C. As shown in the attached Figures 1 and 2, the functional polymer containing the catalytic nanoparticles was found to be reduced by more than 80% of the amount of generation of the organic compound compared to the other case.

폐 플라스틱의 소각으로 발생하는 유해화합물을 저감하기 위해 첨가되고 있는 기존의 무기물 (백운석, 제올라이트, 철산화물) 촉매 입자들은 저온에서의 활성이 좋지 않거나 촉매 고유의 진한 색깔로 인해 사용 용도가 제한된다. 또한 제조된 촉매의 크기가 비교적 커서 굵기가 가는 고분자 섬유사 등을 제조할 경우 끊어짐 현상을 나타낸다. Existing inorganic catalyst particles (Dolomite, Zeolite, Iron Oxide) catalyst particles added to reduce the harmful compounds generated by incineration of waste plastics are limited in their use at low temperatures or due to their inherent dark color. In addition, the size of the prepared catalyst is relatively large, when the polymer fiber yarn, such as thin, shows a break phenomenon.

본 발명에서 개발된 철산화물/TiO2로 구성된 2성분의 촉매 나노 입자는 유해가스를 산화시키는데 철과 TiO2의 상승 효과에 의해 단독 성분의 활성보다 활성이 뛰어나며, 특히 400oC 정도의 저온에서도 유해가스의 산화 활성이 뛰어나다. 또한 여기에 다공성의 흰색 무기물층을 피복하여 최종적으로 색깔이 없어져서 착색이 쉬워지므로 고분자에 적용시킬 수 있는 범위를 넓힐 수 있다. 또한 크기를 훨씬 줄임으로 인해 비교적 얇고 가는 고분자 제품의 성형도 가능케 한다. 그러므로 고분자 폐기물의 소각으로 발생하는 여러 가지 유해물질을 제거하거나 줄일 수 있는 환경친화적인 기능성 고분자를 제조할 수 있는 방법을 제공한다. The two-component catalyst nanoparticles composed of iron oxide / TiO 2 developed in the present invention are superior to the activity of the single component due to the synergistic effect of iron and TiO 2 to oxidize harmful gases, especially at low temperatures of about 400 o C. Excellent oxidation activity of noxious gas. In addition, by coating a porous white inorganic layer here, the final color disappears, so that coloring becomes easy, and thus the range of application to a polymer can be widened. The much smaller size also allows the molding of relatively thin and thin polymer products. Therefore, it provides a method for manufacturing environmentally friendly functional polymer that can remove or reduce various harmful substances generated by incineration of polymer waste.

Claims (13)

FeOx 및 TiO2 2성분을 포함하는 촉매 나노입자에 있어서, 상기 FeOx 및 상기TiO2의 성분을 함께 입도 10~5000nm의 Al2O3, SiO2, 제올라이트, ZrO2, MgO, CaO 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 혹은 2종 이상의 촉매지지체에 담지하여 분산시킨 것을 특징으로 하는 촉매 나노입자. In the catalyst nanoparticles containing FeO x and TiO 2 2 component, the FeO x and Al 2 O 3, SiO 2, zeolites, ZrO 2, MgO, CaO and combinations of 10 ~ 5000nm particle size with components of the TiO 2 Catalyst nanoparticles characterized in that the support and dispersed in one or two or more catalyst supports selected from the group consisting of. 제1항에 있어서, 상기 FeOx는 입도 10~5000nm의 상기 TiO2상에 담지되어 있는 것을 특징으로 하는 촉매 나노입자. The catalyst nanoparticle of claim 1, wherein the FeO x is supported on the TiO 2 having a particle size of 10 to 5000 nm. 삭제delete 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 촉매 나노입자에 추가로 TiO2, Al2O3, SiO2, 제올라이트, ZrO2, MgO, CaO 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 혹은 2종 이상의 물질을 포함하는 흰색 무기물을 다공성으로 피복하여 형성된 촉매 나노입자. According to claim 1 or 2, in addition to the catalyst nanoparticles, one or two selected from the group consisting of TiO 2 , Al 2 O 3 , SiO 2 , zeolite, ZrO 2 , MgO, CaO and combinations thereof. Catalyst nanoparticles formed by coating a white inorganic material containing the above material with porous. 제1항 또는 제2항에 따른 촉매 나노입자에 추가로 TiO2, Al2O3, SiO2, 제올라이트, ZrO2, MgO, CaO 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 혹은 2종 이상의 물질을 포함하는 흰색 무기물을 다공성으로 피복하여 형성된 촉매 나노입자를 포함하는 첨가제. One or two or more materials selected from the group consisting of TiO 2 , Al 2 O 3 , SiO 2 , zeolite, ZrO 2 , MgO, CaO and combinations thereof in addition to the catalyst nanoparticles according to claim 1. An additive comprising a catalyst nanoparticle formed by coating a porous white inorganic material comprising a. 제1항 또는 제2항에 따른 촉매 나노입자에 추가로 TiO2, Al2O3, SiO2, 제올라이트, ZrO2, MgO, CaO 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 혹은 2종 이상의 물질을 포함하는 흰색 무기물을 다공성으로 피복하여 형성된 촉매 나노입자를 함유하는 고분자. One or two or more materials selected from the group consisting of TiO 2 , Al 2 O 3 , SiO 2 , zeolite, ZrO 2 , MgO, CaO and combinations thereof in addition to the catalyst nanoparticles according to claim 1. A polymer containing catalyst nanoparticles formed by coating a porous white inorganic material comprising a. 제6항에 있어서, 촉매 나노입자를 50 중량% 이하로 함유하는 고분자. The polymer according to claim 6, which contains 50 wt% or less of catalyst nanoparticles. 제7항에 있어서, 촉매 나노입자를 10 중량% 이하로 함유하는 고분자. 8. The polymer of claim 7, wherein the polymer contains 10 wt% or less of catalyst nanoparticles. 제1항에 있어서, 입도 10-5000nm의 FeOx 입자 표면 위에 다공성의 TiO2 층을 피복하여 형성된 촉매 나노입자.The catalyst nanoparticle of claim 1, formed by coating a porous TiO 2 layer on a surface of a FeO x particle having a particle size of 10-5000 nm. 입도 10-5000nm의 FeOx 입자 표면 위에 다공성의 TiO2 층을 피복하여 형성된 촉매 나노입자를 포함하는 첨가제. An additive comprising catalytic nanoparticles formed by coating a porous TiO 2 layer on a FeO x particle surface having a particle size of 10-5000 nm. 입도 10-5000nm의 FeOx 입자 표면 위에 다공성의 TiO2 층을 피복하여 형성된 촉매 나노입자를 함유하는 고분자. A polymer containing catalytic nanoparticles formed by coating a porous TiO 2 layer on a FeO x particle surface having a particle size of 10-5000 nm. 제11항에 있어서, 촉매 나노입자를 50 중량% 이하로 함유하는 고분자. 12. The polymer of claim 11, wherein the polymer contains up to 50% by weight of catalytic nanoparticles. 제12항에 있어서, 촉매 나노입자를 10 중량% 이하로 함유하는 고분자. 13. The polymer of claim 12, wherein the polymer contains 10 wt% or less of catalyst nanoparticles.
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