KR100724298B1 - 흡습 소자 - Google Patents

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Abstract

친수성 제올라이트와 실리카 겔의 장점 둘 다를 모두 갖는 흡습제, 및 이를 이용한 흡습 소자를 제공하기 위하여, 친수성 제올라이트 중의 나트륨의 일부가 란탄족 원소로 대체된 알루미노-실리케이트를 흡습제로 사용한다. 흡습 소자는, 당해 흡습제가 무기 섬유지로 이루어진 담체에 담지되도록 구성된다.
흡습제, 흡습 소자, 친수성 제올라이트, 실리카 겔, 알루미노-실리케이트,

Description

흡습 소자{Humidity adsorbent element}
본 발명은 흡습제 및 이를 이용한 흡습 소자의 개량에 관한 것이다.
재생식 제습기 또는 전열 교환기로 도입되는 흡습 소자로서, 벌집상으로 가공된 무기 섬유지로 이루어진 담체의 표면상에 실리카 겔, 제올라이트 등의 흡습제를 담지시킨 것이 공지되어 있다. 이들 중에서, 흡습제로서 실리카 겔이 사용된 흡습 소자가 흡습능이 높다는 특징 외에 재생이 용이하고 비용이 저렴하다는 이점을 갖는다는 이유로 주로 사용되고 있다.
통상적으로, 흡습 소자는 벌집상으로 가공된 무기 섬유지로 이루어진 벌집상 회전자(rotor)의 표면상에 상기 흡습제가 담지되도록 구성된다. 벌집상 회전자의 주변부는 습기 흡착을 위한 흡착대, 흡착된 습기를 탈착시켜 벌집상 회전자의 흡착력을 회복하기 위한 탈착대, 및 탈착대에서 가열된 벌집상 회전자를 급냉시키기 위한 냉각대로 분할 설치되어 있다.
위에서 언급된 벌집상 회전자를 회전시킴으로써, 회전자는 흡착대, 탈착대 및 냉각대를 순차적으로 순환한다. 이로써, 상온에서의 습기 흡착과 가열에 의한 탈착의 순환이 반복적으로 교대로 이루어진다.
탈착 공정은 외기를 가열기 또는 열 교환기로 가열시킨 후, 벌집상 회전자를 통과시키는 방법으로 수행한다.
외기를 가열하는 데 필요한 온도는, 벌집상 회전자의 습기 흡착량 및 벌집상 회전자로부터 습기를 탈착시키는 데 필요한 에너지(탈착 에너지)를 고려하여 결정한다.
탈착 에너지는 탈착 온도와 풍량의 곱으로서 표현된다. 이로써, 습기량이 동일한 경우, 탈착 에너지가 작아지면, 탈착 온도와 풍량이 더 작아진다.
상기한 벌집상 회전자의 가열 온도는, 사용된 가열기 또는 열 교환기의 성능 및 유틸리티(열원 또는 전기 등의 효용)에 의해 일정한 한계가 있다. 특히, 습기량이 많은 경우, 더 많은 탈착 에너지가 필요하다. 탈착 에너지를 증가시키기 위하여 탈착 풍량을 증가시키는 경우, 후처리 공정의 효율이 악화되고, 필요 장치가 대형화되고, 유틸리티의 이용이 증가되는 문제가 있다.
지금까지 친수성 제올라이트가 실리카 겔보다 습기 흡착력이 강하다는 이유로 바람직하게는, 제올라이트가 흡습제(건조제)로서 사용되어 왔다. 그러나, 친수성 제올라이트는, 제올라이트의 증발열을 높이기 위하여 탈착 온도를 180 내지 200℃로 비교적 높게 하면, 흡습성을 발휘할 수 없는 단점이 있다. 따라서, 지금까지, 제올라이트는 특수 용도, 예를 들면, 플라스틱 건조기 등으로 제한되었다.
또한, 실리카 겔이 흡습제로서 공지되어 있다. 실리카 겔은 탈착 온도가 80 내지 150℃로서 제올라이트보다 낮다. 그러나, 습도가 낮고 벌집상 회전자중에 공급된 공기의 온도가 높은 경우, 실리카 겔은 흡습성을 충분히 발휘하지 못하는 단점이 있다.
전술한 문제점의 관점에서, 본 발명의 주목적은, 친수성 제올라이트와 실리카 겔의 장점을 겸비한 흡습제, 즉 제올라이트와 동등한 흡습력을 보유하고 실리카 겔과 동일한 정도의 탈착 온도를 지닌 흡습제, 및 흡습 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명자들은, 친수성 제올라이트 중의 나트륨의 일부가 란탄족 원소로 대체된 알루미노-실리케이트가 흡습제로서 바람직하다는 것을 인식하게 되었고, 이러한 인식의 바탕하에 본 발명을 완성하였다.
본 발명에서 사용되는 알루미노-실리케이트는 후술될 것이다.
일반적으로, 화학식 xM2/nAl2O3ySiO2(M은 n가의 금속이다)의 결정성 알루미노-실리케이트(들)는 x와 y가 상이함에 따라 결정성 구조의 터널 구조가 상이하며, 많은 종류의 알루미노-실리케이트가 존재한다. 이들 알루미노-실리케이트 중에서, 본 발명에서는, A형 제올라이트(Na2O·Al2O3·2SiO2·4.5H2O), X형 제올라이트(Na2O·Al2O3·2.5SiO2·3H2O), 및 Y형 제올라이트(Na2O·Al2O3·4.8SiO2·8.9H2O)의 각 제올라이트 중의 Na의 일부가 La를 주체로 하는 임의의 란탄족 원소로 대체된 구조의 알루미노-실리케이트가 사용될 수 있다. 사용된 본 발명의 물질은 화학식 aMxOy·bNa2O·cAl2O3·dSiO2·eH2O(M은 란탄족 원소이다)로 표현된다.
본 발명에서, 제올라이트 중의 Na의 일부가 대체되는 란탄족 원소(들)은 란탄족 원소로부터 선택된 일종의 원소이거나 복수종의 원소이다.
본 발명에서, La를 주체로 하는 란탄족 원소로 대체된 구조의 알루미노-실리케이트는 흡착열과 증발열이 낮으며, 흡착열과 증발열이 거의 동일하기 때문에 당해 알루미노-실리케이트의 유효한 흡착 용적이 큰 것으로 알려져 있다.
이러한 알려진 사실이 의미하는 것은, 본 발명에 따른 흡습제가 지금까지의 친수성 제올라이트와 동일하게 저습도 내지 고습도에서 흡습성이 높으며, 실리카 겔과 동일한 정도의 탈착 온도에서 제습성을 발휘한다는 것이다.
즉, 본 발명의 제1 양태에 따르면, 상기 목적을 성취하기 위해 친수성 제올라이트 중의 나트륨의 일부가 란탄족 원소(들)로 대체된 알루미노-실리케이트가 제공된다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 본 발명의 제1 양태에 있어서, 흡습제는, 화학식 aMxOy·bNa2O·cAl2O3·dSiO2·eH2O(M은 란탄족 원소이다)로 표현되고, 여기서 란탄족 원소는 란탄족 원소로부터 선택된 일종의 원소이거나 복수종의 원소인 알루미노-실리케이트인 물질이다.
본 발명의 제3 양태에 따르면, 본 발명의 제2 양태에 있어서, 흡습제는, aMxOy가 La2O3, Nd2O3, CeO3 및 Pr6O11로부터 선택된 일종 또는 복수종을 포함하며, bNa2O로서 Na2O를 5중량% 이하의 비로 함유하며, cAl2O3로서 Al2O3를 10 내지 35중량%의 비로 함유하며, dSiO2로서 SiO2를 20 내지 80중량%의 비로 함유하는 물질이다.
본 발명의 제4양태에 따르면, 흡습 소자는, 본 발명의 제1 양태 내지 제3 양태의 흡습제가 담체에 담지된 흡습 소자이다.
목적하는 성능을 달성하기 위하여, aMxOy가 1중량% 이상 함유된 것이 바람직하다. aMxOy에서, 가장 바람직하게는 La2O3가 사용되며, 보다 높은 효과를 바라는 경우, La2O3가 4 내지 10중량%의 비로 함유된 것이 보다 바람직하다.
La2O3, Nd2O3, CeO3 및 Pr6O11 의 함유량의 상한은 일반적으로 La2O3의 경우 10중량%이고, Nd2O3, CeO3 및 Pr6O11의 경우, 각각 약 5중량%이다. 본 발명에 있어서, 이러한 함유량으로 제한되지 않으며, 보다 많은 비율의 함유량이 사용될 수 있다.
본 발명의 흡습 소자의 양호한 제습성을 발휘하기 위하여, 벌집상 회전자의 밀도는 250g/리터 이하가 바람직하며, 보다 바람직하게는 200g/리터이다.
본 발명의 바람직한 실시 양태에서, 6중량%의 La2O3, 3중량%의 Na2O, 2중량%의 Nd2O3, 2중량%의 CeO3, 2중량%의 Pr6O11, 27중량%의 Al2O3 및 58중량%의 SiO2를 함유하는 흡습제 중에 무기 결합제를 가하여 슬러리화한 다음, 벌집상 회전자의 표면에 당해 슬러리를 함침시키고 건조시킨다. 이로써, 흡습 소자가 구성된다.
실시예
본 발명의 실시예가 비교 실시예와 함께 후술될 것이다.
실시예 1
대부분의 알루미나 실리카 섬유 중에 소량의 유기 섬유를 가한 물질을 원료로 하여, 두께가 0.2mm이고, 밀도가 0.25g/cm3인 페이퍼를 제조한다. 수득된 원지를 사용하여, 각 파장이 3.3mm이고 각 파고가 1.9mm인 벌집상으로 코르게이트(corrugate)-가공하고, 원통상으로 성권가공(rolling)함으로써, 원통상 벌집 구조체(직경 400mm, 길이 400mm)의 섬유가 수득된다. 란탄족 원소로서 6중량%의 La2O3, 3중량%의 Na2O, 2중량%의 Nd2O3, 2중량%의 CeO3, 2중량%의 Pr6O11, 27중량%의 Al2O3 및 58중량%의 SiO2를 함유하는 알루미노-실리케이트로 이루어진 흡습제 중에 무기 결합제를 가한 슬러리상에 상기 벌집 구조체를 함침시킨 후, 건조시킨 다음, 소성(baking)으로 벌집 구조체의 유기물을 제거한다. 이로써, 벌집상 흡습 소자가 수득된다.
비교 실시예 1
실시예 1과 동일한 제조 방법을 사용하여, A형의 제올라이트가 담지된 원통상 벌집 구조체(직경 400mm, 길이 400mm)의 흡습 소자를 수득한다.
비교 실시예 2
E 유리 섬유지(단위 면적당 중량 30g/m2, 두께 0.2mm)를 상기 슬러리 상에 함침시킨다. 수득된 원지를 사용하여, 최대 피크 피치가 각각 3.3mm이고, 피크 높이가 1.9mm인 벌집상으로 코르게이트-가공하고, 원통상으로 성권가공함으로써, 원통형 벌집 구조체(직경 400mm, 길이 400mm)가 수득된다. 벌집 구조체를 나트륨 실리케이트 용액 속에 함침시킨 후, 벌집 벽면상에서 실리카 겔을 화학 반응으로 합성한다. 이 후, 이를 세척하고, 건조시킨 다음, 소성시켜 벌집상 흡습 소자 중의 유기물을 제거하여, 실리카 겔이 담지된 벌집상 흡습 소자를 수득한다.
실시예 1, 비교 실시예 1 및 비교 실시예 2와 동일한 방법을 사용함으로써 제조된 벌집상 흡습 소자를 회전 재생식 제습기에 설치한다. 수득된 결과는 표 1 내지 표 2에 제시된다.
표 1은 처리 출구의 이슬점 온도를 실시예 1과 비교 실시예 1 및 비교 실시예 2를 비교하여 제시한다. 표 2는 처리 출구의 동일한 이슬점 온도가 수득되는 실시예 1 및 비교 실시예 1에서의 재생 온도를 비교하여 제시한다.
입구 온도 10℃ 20℃
입구 절대 습도 5g/kg 5g/kg
출구 이슬점 온도 실시예 1 -56℃DP -45℃DP
비교 실시예 1 -43℃DP -35℃DP
비교 실시예 2 -38℃DP -28℃DP
시험 조건: 통과 풍속 2m/s;
재생 온도 140℃;
℃DP: 이슬점 온도(℃로 나타낸 이슬점)
실시예 1 비교 실시예 1
재생 온도 140℃ 160℃
출구 이슬점 온도 -53℃DP -53℃DP
시험 조건: 통과 풍속 2m/s;
처리 입구 온도 10℃;
처리 입구 절대습도 5g/kg
표 1 내지 표 2를 통해 명백히 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 흡습제가 담지된 흡습 소자를 사용하는 경우에, 실리카 겔을 사용하는 종래의 흡습제와 동일하게 흡습량이 크다. 친수성 제올라이트가 사용되는 저습도 영역에서의 제습 용도에 있어서, 제습·가습 성능이 향상되며, 탈착 에너지의 저하가 달성될 수 있다.
또한, 실리카 겔을 사용하는 흡습제와 동일한 흡습량(제습, 가습의 성능)을 수득하는 데 필요한 탈착 온도가 낮아질 수 있다. 이들 효과는, 흡습제를 담체 표면상에 편재시킴으로써 증가한다.
게다가, 단지 친수성 제올라이트를 이용하는 경우의 낮은 탈착 온도가 사용될 수 있고, 폐열을 이용하는 사용방법이 고려될 수 있다. 이들 효과는, 흡습제(들)를 담체 표면에 편재시킴으로써 증가한다.
따라서, 본 발명을 상세히 기술하면, 본 발명을 따름으로써, 친수성 제올라이트와 실리카 겔의 장점 둘 다를 모두 갖는 흡습제가 제공된다. 즉, 흡습력이 제올라이트와 동등하고 탈착 온도가 실리카 겔과 동일한 정도인 흡습제 및 이를 이용한 흡습 소자가 제공된다.

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 흡습제가 담체에 담지되어 있는 흡습 소자로서,
    당해 흡습제가 친수성 제올라이트 중의 나트륨의 일부가 란탄족 원소로 대체된 화학식 aMxOy·bNa2O·cAl2O3·dSiO2·eH2O의 알루미노-실리케이트(여기서, M은 란탄족 원소이다)이고, aMxOy가 Nd2O3, CeO3 및 Pr6O11로부터 선택된 일종 또는 복수종및 La2O3을 포함하고 Nd2O3, CeO3 및 Pr6O11로부터 선택된 일종 또는 복수종을 각각 5중량% 이하의 비로 함유하고 La2O3을 1 내지 10중량%의 비로 함유함을 특징으로 하는 흡습 소자.
  5. 제4항에 있어서, 알루미노-실리케이트가 bNa2O로서 Na2O를 5중량% 이하의 비로 함유하고 cAl2O3로서 Al2O3를 10 내지 35중량%의 비로 함유하며, dSiO2로서 SiO2를 20 내지 80중량%의 비로 함유함을 특징으로 하는 흡습 소자.
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