KR100854775B1 - 촉매필터 제조방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 촉매필터 제조방법 및 장치에 관한 것으로서, 그 단계는, (a) 첨가제가 함유된 용매에 촉매를 투입하여 분산도를 일정하게 유지하는 콜로이드 용액을 제조하는 단계; (b) 전압을 인가한 전도성의 분사노즐을 사용하여 상기 콜로이드 용액을 필터담체에 분사하는 단계; (c) 상기 필터담체로부터 상기 첨가제의 일부를 제거하는 단계; 및 (d) 상기 필터담체에 상기 촉매를 견고하게 부착하는 단계;를 포함하며, 간단한 공정 및 시스템으로 필터담체와 촉매입자 간의 강한 부착력을 지니는 안정된 촉매필터를 제조할 수 있고, 필터담체에 콜로이드 용액을 빠르고 균일하게 도포할 수 있을 뿐만 아니라, 미세패턴에 대한 도포가 가능하여 다양한 형태의 촉매필터를 제조할 수 있다는 효과가 있다.

촉매필터, 전도성 분사노즐, 스프레이, 제트, 압착롤러, 가열압착

Description

촉매필터 제조방법 및 장치{Method for preparation of catalyst filters and preparation apparatus}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 촉매필터 제조장치의 용액제조부재와 분사부재를 도시한 개념도.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 촉매필터 제조장치의 압착부재를 도시한 개념도.

도 3은 도 1의 용액제조부재의 다른 실시예를 도시한 개념도.

도 4a 및 도 4b는 도 1의 분사부재의 다른 실시예들을 도시한 개념도.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 촉매필터 제조방법을 도시한 순서도.

도 6은 종래 촉매필터 제조방법을 도시한 순서도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 용액제조유닛 11 : 챔버

13 : 초음파 교반기 13a : 초음파 발생기

14 : 자력 교반기 14a : 자력 발생기

14b : 마그네틱 휠 14c : 마그네틱 바

20 : 분사유닛 21 : 배관

23 : 스프레이 노즐 24 : 덮개

24a : 홀 25 : 제트 노즐

26 : 전압인가부 27 : 정량펌프

28 : 개폐밸브 30 : 압착유닛

31 : 압착롤러 C : 촉매

F : 필터담체 S : 콜로이드 용액

본 발명은 촉매필터 제조방법 및 장치에 관한 것이다.

최근 에너지 효율의 증대와 환경오염 규제가 점차 엄격하게 요구되는 가운데 화력발전소, 소각로, 그리고 각종 산업공정 등의 고정원으로부터 발생되는 공해물질을 효과적이고 경제적으로 처리하는 기술 개발이 중요하게 인식되고 있다. 이상의 고정원에서 배출되는 공해물질은 주로 분진, 황산화물, 질소산화물, 염소화합물, 그리고 중금속 가스 등으로 분류된다. 이들 물질을 개별적으로 처리할 수 있는 기술은 이미 많이 소개되어 있지만 공해물질이 포함된 가스 중의 에너지를 활용하고, 보다 경제적인 처리 시스템을 개발하기 위하여 최근에 복합처리기술이 많이 소개되고 있다.

이중 분진의 집진을 동시에 수행할 수 있는 촉매필터가 지속적으로 개발이 이루어지고 있으며, "분진과 질소산화물을 동시에 처리하기 위한 촉매필터의 제조 방법"이 대한민국 특허 공개번호 제2002-0089925호에 개시되어 있다.

상기의 공보에 따르면, 도 6에 도시한 바와 같이, (ⅰ) 고온 집진용 세라믹 필터를 물로 세척하고; (ⅱ) 수산화나트륨 또는 염산 수용액으로 전처리한 후, 건조시키고; (ⅲ) 상기 필터를 0.5 ~ 5 중량% 티타늄 수용액과 0.2 ~ 2 중량% 바나듐 수용액에 순서대로 함침 또는 공침시켜 촉매를 부착시킨 후 건조시키고, 필요에 따라 단계를 반복하며; 및 (ⅳ) 400 ~ 500 ℃에서 소성시키는 단계로 이루어진다.

그러나 전술한 촉매필터의 제조방법은 다음과 같은 문제가 있다.

수산화나트륨, 염산 수용액, 티타늄 수용액, 다나듐 수용액 등을 사용하는 액상 화학공정으로 인하여 공정이 매우 복잡하고, 환경적으로 유해한 가스, 폐수 및 폐기물 등의 환경유해물질이 발생하여 작업자가 주변환경을 오염시킨다는 문제점이 있다.

또한, 필터담체와 촉매입자 간의 부착력이 강하지 못하고, 부착력이 지속적으로 유지되지 못하며, 필터담체에 촉매입자를 여러 가지 형태로 부착시키는 데에는 한계가 있다.

나아가, 필터담체와 촉매입자를 다양한 성분으로 적용하는 데에는 한계가 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 간단한 공정 및 시스템으로 필터담체와 촉매입자 간의 강한 부착력을 지니는 안정된 촉매필터를 제조할 수 있고, 필터담체에 콜로이드 용액을 빠르고 균일하게 도포할 수 있을 뿐만 아니라, 미세패턴에 대한 도포가 가능하여 다양한 형태의 촉매필터를 제조할 수 있는 촉매필터 제조방법 및 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 촉매필터 제조방법은, (a) 첨가제가 함유된 용매에 촉매를 투입하여 분산도를 일정하게 유지하는 콜로이드 용액을 제조하는 단계; (b) 전압을 인가한 전도성의 분사노즐을 사용하여 상기 콜로이드 용액을 필터담체에 분사하는 단계; (c) 상기 필터담체로부터 상기 첨가제의 일부를 제거하는 단계; 및 (d) 상기 필터담체에 상기 촉매를 견고하게 부착하는 단계;를 포함한다.

상기에 있어서, 상기 (d)단계에서 상기 필터담체를 건조시켜 상기 촉매를 견고하게 부착시키는 것이 바람직하다.

상기에 있어서, 상기 (d)단계에서 상기 필터담체를 가열압착하여 상기 촉매를 견고하게 부착시키는 것이 바람직하다.

상기에 있어서, 상기 (c)단계에서 상기 첨가제를 휘발시켜 제거하는 것이 바람직하다.

상기에 있어서, 상기 첨가제는 분산조절제, 점도조절제, 부착개선제로 구성되고, 상기 (c)단계에서 상기 분산조절제와 상기 점도조절제를 제거하는 것이 바람직하다.

또, 이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 촉매필터 제조장치는, 첨가제가 함유된 용매와 촉매가 각각 투입되는 챔버와, 상기 챔버의 일측에 마련되고 상기 챔버 내에 투입된 용매와 촉매를 교반하기 위한 교반기를 포함하여 콜로이드 용액을 제조하는 용액제조유닛; 상기 챔버와 연결되어 상기 콜로이드 용액을 이송하는 배관과, 상기 배관의 일단에 마련되고 상기 배관으로부터 이송된 상기 콜로이드 용액을 필터담체에 분사하는 전도성의 분사노즐과, 상기 분사노즐과 연결되어 상기 분사노즐에 전압을 공급하는 전압인가부를 포함하는 분사유닛; 및 상기 분사유닛의 일측에 마련되어 상기 콜로이드 용액이 분사된 상기 필터담체를 가열압착하여 상기 촉매를 견고하게 부착하는 압착롤러를 포함하는 압착유닛;을 포함한다.

상기에 있어서, 상기 분사노즐은 스프레이(spray) 방식으로 분사되는 스프레이 노즐인 것이 바람직하다.

상기에 있어서, 상기 분사노즐은 스프레이(spray) 방식으로 분사되는 스프레이 노즐이고, 상기 필터담체의 상부에는 홀이 형성된 덮개가 마련되어 있어, 상기 분사노즐에 의해 상기 콜로이드 용액은 상기 홀을 통과하여 상기 필터담체에 분사되는 것이 바람직하다.

상기에 있어서, 상기 분사노즐은 제트(jet) 방식으로 분사되는 제트 노즐인 것이 바람직하다.

상기에 있어서, 상기 분사유닛에는, 상기 배관의 일측에 마련되어 상기 분사노즐로 이송되는 상기 콜로이드 용액의 양을 조절하는 정량펌프를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 바람직한 일실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 촉매필터 제조장치의 용액제조부재와 분사부재를 도시한 개념도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 촉매필터 제조장치의 압착부재를 도시한 개념도이며, 도 3은 도 1의 용액제조부재의 다른 실시예를 도시한 개념도이고, 도 4a 및 도 4b는 도 1의 분사부재의 다른 실시예들을 도시한 개념도이다.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 촉매필터 제조장치는 용액제조유닛(10)과 분사유닛(20)과 압착유닛(30)을 포함한다.

용액제조유닛(10)은 콜로이드 용액(S)을 제조하며, 첨가제가 함유된 용매와 촉매가 각각 투입되는 챔버(11)와, 챔버(11)의 일측에 마련되고 챔버(11) 내에 투입된 용매와 촉매를 교반하기 위한 교반기(13)를 포함하여 구성된다.

본 실시예에서 용매는 정제수(Deionized Water ; DI Water), 알콜(Alcohol) 계통의 용매 등을 사용하였으며, 첨가제는 촉매입자의 장시간 균분산을 유도하는 분산조절제(Surfactants), 분사되는 용액의 안전성을 유도하는 점도조절제(Viscosity Control reagents), 광투과성 부착개선제(Transparent Adhesion Promotion)를 사용하였다.

본 실시예에서 촉매(C)는 금속촉매(Ag, Au, Pd, Ni, Cu), 광촉매(TiO₂, WO₃, WO₃-TiO₂, Fe₂O₃, NiO, ZnS 등), 금속산화물촉매(CuO, MnO₂, V₂O₅), 금속과 금속산화물이 통합된 복합촉매 등이 다양하게 사용될 수 있다.

또한, 본 실시예에서 교반기는 초음파 발생기(13a)에서 발생하는 초음파를 이용하여 챔버(11) 내의 용매와 촉매를 교반하는 초음파 교반기(13)이다.

교반기의 다른 실시예를 도 3에 도시하였으며, 도 3에 도시한 교반기(14)는 자력 발생기(14a)와, 자력 발생기(14a)에 의해 자력을 인가받는 마그네틱 휠(14b)과, 챔버(11) 내에 마련되어 마그네틱 휠(14b)의 자력에 의해 회전하여 챔버(11) 내의 용매와 촉매(C)를 교반하는 마그네틱 바(14c)로 구성된 자력 교반기(14)이다. 이러한 실시예 이외에도 여러 가지 교반기가 사용될 수 있음은 물론이다.

분사유닛(20)은, 도 1에 도시한 바와 같이, 챔버(11)와 연결되어 콜로이드 용액(S)을 이송하는 배관(21)과, 배관(21)의 일단에 마련되고 배관(21)으로부터 이송된 콜로이드 용액(S)을 필터담체(F)에 분사하는 전도성(Conductive)의 분사노즐(23)과, 분사노즐(23)과 연결되어 분사노즐(23)에 전압을 공급하는 전압인가부(26)를 포함한다.

필터담체(F)는 일반적으로 사용되는 활성탄소섬유(Activated Carbon Fiber ; ACF) 이외에도 세라믹(Ceramics), 활성탄(Activated Carbon), 유리(Grass), 석영(Quartz), 금속메쉬(Metal Mesh) 등이 사용될 수 있다.

상기에서, 분사노즐의 일실시예로서, 스프레이(spray) 방식으로 분사되는 스프레이 노즐(23)로 구성되어 있다. 이렇게 스프레이 노즐(23)로 구성되면, 도 1에 도시한 바와 같이 콜로이드 용액(S)을 필터담체(F)에 균일하게 분사할 수 있다.

한편, 분사노즐의 다른 실시예로서, 도 4a에 도시한 바와 같이, 분사노즐은 스프레이 방식으로 분사되는 스프레이 노즐(23)이고, 필터담체(F)의 상부에는 홀(24a)이 형성된 덮개(24)가 마련된다.

덮개(24)에 형성되는 홀(24a)은 필터담체(F)에 콜로이드 용액(S)를 코팅하고자 하는 부분의 형상과 같도록 형성되며, 스프레이 노즐(23)에 의해 콜로이드 용액(S)은 홀(24a)을 통과하여 필터담체(F)에 분사된다. 이와 같이 콜로이드 용액(S)이 분사된 필터담체(F)는 도 4a와 같다.

한편, 분사노즐의 또 다른 실시예로서, 도 4b에 도시한 바와 같이, 분사노즐은 제트(jet) 방식으로 분사되는 제트 노즐(25)로 구성되며, 제트 노즐(25)을 특정한 패턴대로 이동되도록 프로그래밍 또는 매뉴얼로 구동시키며, 이 방식의 경우 수 나노미터에서 수십 마이크로미터로 선폭을 다양하게 하여 콜로이드 용액(S)을 분사할 수 있다.

상기와 같은 제트 노즐(25)에 의해 콜로이드 용액(S)을 분사하면, 도 4b와 같이 콜로이드 용액(S)이 필터담체(F)에 특정한 패턴을 이루며 분사된다.

상기에서, 분사유닛(20)에는, 배관(21)의 일측에 마련되어 분사노즐로 이송되는 콜로이드 용액(S)의 양을 조절하는 정량펌프(27)를 더 포함하는 것이 바람직하다.

정량펌프(27)는 실린지 펌프(Syringe Pump), 유량제어 튜브 연동식 펌프(Peristaltic Pump) 등이 될 수 있으며, 이와 같이 정량펌프(27)가 구비되면, 콜로이드 용액(S)의 공급량을 분당 0.1㎕까지 적절하게 조절할 수 있다.

배관(21)에는 콜로이드 용액(S)의 공급을 차단 또는 차단해제 하는 개폐밸브(28)가 부착되는 것이 바람직하다.

압착유닛(30)은, 도 2에 도시한 바와 같이, 분사유닛(20)의 일측에 마련되어 콜로이드 용액(S)이 분사된 필터담체(F)를 가열압착하여 촉매(C)를 견고하게 부착하는 압착롤러(31)를 포함한다.

압착유닛(30)의 압착롤러(31)를 통과하기 전에 용매에 첨가된 첨가제 중 분산조절제와 점도조절제를 제거하기 위하여 비활성기체 분위기에서 압착롤러의 고열을 이용해 휘발시켜 분산조절제와 점도조절제를 제거할 수 있으며, 필터담체(F)는 압착롤러(31)를 통과하며 촉매(C)입자가 필터담체(F)에 더욱 견고하게 부착된다.

본 명세서의 도면에서는 도시하지 않았지만, 분사유닛(20)에서 압착유닛(30)으로의 필터담체(F)의 이동은 벨트, 롤러, 체인과 같은 컨베이어(미도시)를 이용하여 용이하게 필터담체(F)를 이송시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 촉매필터 제조방치를 이용한 촉매필터 제조방법은 다음과 같은 단계로 이루어진다. 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 촉매필터 제조방법을 도시한 순서도이다.

도 5를 참조하여 설명하면, 먼저, 첨가제가 함유된 용매에 촉매를 투입하여 분산도를 일정하게 유지하는 콜로이드 용액을 제조한다. (a 단계)

다음으로, 전압을 인가한 전도성의 분사노즐을 사용하여 콜로이드 용액을 필터담체에 분사한다. (b 단계)

이 단계를 상세히 설명하면, 도 1에 도시한 바와 같이, 전도성의 분사노즐(23)에는 전압인가부(26)에 의해 고전압이 인가되며, 분사노즐(23)의 끝단에 맺히는 콜로이드 용액(S)의 물방울 표면에 전하가 고밀도로 축적된다. 축전된 전하 간의 분산력(Dispersion Force)가 콜로이드 용액(S)의 물방울 표면의 표면장력보다 커지면 물방울은 크기가 작은 다수의 물방울로 분산되어 분사된다. 분사된 크기가 작은 물방울은 촉매입자와 이를 둘러싸는 액적으로 구성되는데, 물방울 크기가 작을수록 그 상대적인 표면적이 넓어져 잔류물이 빠르게 분리된다.

결과적으로 필터담체(F)에 도포된 콜로이드 용액(S)은 촉매입자와 부착개선제와 분산조절제와 점도조절제의 성분을 포함하는 형태로 필터담체(F)에 부착된다.

다음으로, 필터담체로부터 첨가제의 일부를 제거한다. (c 단계)

본 실시예에서 첨가제는 분산조절제, 점도조절제, 부착개선제로 구성되고, 이 단계에서 첨가제 중 분산조절제와 점도조절제를 제거하는 것이 바람직하다.

첨가제를 제거하는 방법으로는 분산조절제와 점도조절제를 휘발시켜 제거하는 방법을 사용하는 것이 바람직하다.

다음으로, 필터담체에 촉매를 견고하게 부착하여 촉매필터를 제조한다. (d 단계)

촉매를 견고하게 부착하는 방법으로는 필터담체를 건조 또는 진공건조시키는 방법과, 필터담체를 가열압착하는 방법을 사용할 수 있다.

상기와 같은 방법으로 제조된 촉매필터는 유해가스, 오폐수, 정수처리 등의 환경분야로 응용할 수 있고, 수소, 메탄 등의 에너지 분야로의 응용 및 기능성 재료 생성 등으로 다양하게 응용할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 촉매필터 제조방법 및 장치에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.

간단한 공정 및 시스템으로 필터담체와 촉매입자 간의 강한 부착력을 지니는 안정된 촉매필터를 제조할 수 있고, 필터담체에 콜로이드 용액을 빠르고 균일하게 도포할 수 있을 뿐만 아니라, 미세패턴에 대한 도포가 가능하여 다양한 형태의 촉매필터를 제조할 수 있다.

나아가, 환경적으로 유해한 가스, 폐수 및 폐기물 등의 환경유해물질의 발생을 방지할 수 있어 친환경적이다.

한편, 전도성 분사노즐을 사용하여 콜로이드 용액을 분사함으로써, 분사노즐의 막힘 현상을 최소화할 수 있어, 작업이 효율적이며, 빠른 분사로 인해 공정시간이 단축되며, 콜로이드 용액 내의 촉매입자의 손실을 최소화할 수 있다.

나아가, 필터담체에 촉매입자와 촉매입자를 둘러싼 액적으로 구성되어 도포되므로 촉매와 용매의 분리를 효율적으로 수행할 수 있다.

Claims (10)

1. (a) 분산조절제, 점도조절제, 부착개선제로 구성된 첨가제가 함유된 용매에 촉매를 투입하여 분산도를 일정하게 유지하는 콜로이드 용액을 제조하는 단계;

   (b) 전압을 인가한 전도성의 분사노즐을 사용하여 상기 콜로이드 용액을 필터담체에 분사하는 단계;

   (c) 상기 필터담체로부터 상기 첨가제 중 상기 분산조절제와 상기 점도조절제를 제거하는 단계; 및

   (d) 상기 필터담체를 가열압착하여 상기 촉매를 부착하는 단계;를 포함하는 촉매필터 제조방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,

   상기 (c)단계에서 상기 분산조절제와 상기 점도조절제를 휘발시켜 제거하는 것을 특징으로 하는 촉매필터 제조방법.
5. 삭제
6. 첨가제가 함유된 용매와 촉매가 각각 투입되는 챔버와, 상기 챔버의 일측에 마련되고 상기 챔버 내에 투입된 용매와 촉매를 교반하기 위한 교반기를 포함하여 콜로이드 용액을 제조하는 용액제조유닛;

   상기 챔버와 연결되어 상기 콜로이드 용액을 이송하는 배관과, 상기 배관의 일단에 마련되고 상기 배관으로부터 이송된 상기 콜로이드 용액을 필터담체에 분사하는 전도성의 분사노즐과, 상기 분사노즐과 연결되어 상기 분사노즐에 전압을 공급하는 전압인가부를 포함하는 분사유닛; 및

   상기 분사유닛의 일측에 마련되어 상기 콜로이드 용액이 분사된 상기 필터담체를 가열압착하여 상기 촉매를 부착하는 압착롤러를 포함하는 압착유닛;을 포함하는 촉매필터 제조장치.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 분사노즐은 스프레이(spray) 방식으로 분사되는 스프레이 노즐인 것을 특징으로 하는 촉매필터 제조장치.
8. 제 6항에 있어서,

   상기 분사노즐은 스프레이(spray) 방식으로 분사되는 스프레이 노즐이고, 상기 필터담체의 상부에는 홀이 형성된 덮개가 마련되어 있어,

   상기 분사노즐에 의해 상기 콜로이드 용액은 상기 홀을 통과하여 상기 필터담체에 분사되는 것을 특징으로 하는 촉매필터 제조장치.
9. 제 6항에 있어서,

   상기 분사노즐은 제트(jet) 방식으로 분사되는 제트 노즐인 것을 특징으로 하는 촉매필터 제조장치.
10. 제 6항에 있어서,

    상기 분사유닛에는, 상기 배관의 일측에 마련되어 상기 분사노즐로 이송되는 상기 콜로이드 용액의 양을 조절하는 정량펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매필터 제조장치.

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