KR101242605B1 - 활성탄소섬유를 포함하는 세라믹 필터 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 활성탄소섬유를 포함하는 세라믹 필터 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 특히 세라믹 필터의 공극에 작은 입경과 넓은 비표면적을 가지는 활성탄소섬유가 구비됨으로써 세라믹필터의 흡착면적이 증가되어 유해물질에 대한 흡착성, 탈취성능이 향상되며, 내구성, 내마모성, 및 내열성이 우수하고, 미생물에 대한 살균효과가 우수하고, 빠른 탈착에 의하여 재사용이 가능하며, 동시에 성형성이 우수할 뿐만 아니라, 대형필터의 생산이 용이하고, 기공도 조절이 용이한 활성탄소섬유를 포함하는 세라믹 필터 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
세라믹 필터, 활성탄소섬유

Description

활성탄소섬유를 포함하는 세라믹 필터 및 그의 제조방법 {CERAMIC FILTER COMPRISING ACTIVE CARBON FIBER AND METHOD FOR PREPARING THEREOF}
도 1에는 본 발명의 세라믹 필터에 사용되는 활성탄소섬유의 표면의 기공구조를 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명의 세라믹 필터의 제조방법의 일실시예에 의하여 제조된 원형 튜브 세라믹 필터의 사진이다.
도 3은 본 발명의 세라믹 필터의 제조방법의 일실시예에 의하여 제조된 방사형 절곡 튜브 세라믹 필터의 사진이다.
본 발명은 활성탄소섬유를 포함하는 세라믹 필터 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 세라믹 필터의 공극에 작은 입경과 넓은 비표면적을 가지는 활성탄소섬유가 구비됨으로써 세라믹필터의 흡착면적이 증가되어 유해물질에 대한 흡착성, 탈취성능이 향상되며, 내구성, 내마모성, 및 내열성이 우수하고, 미생물에 대한 살균효과가 우수하고, 빠른 탈착에 의하여 재사용이 가능하며, 동시에 성형성이 우수할 뿐만 아니라, 대형필터의 생산이 용이하고, 기공도 조절이 용이한 활성탄소섬유를 포함하는 세라믹 필터 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
각 산업공정에서 발생하는 분진, 매연, 폐가스, 연기, 휘발성 유기 화합물(volatile organic chemicals, VOC's) 등의 유해물질의 폐해가 심각한 환경문제로 대두되고 있으며, 이들 오염물질의 정화 및 분리에 있어서 매우 높은 관심을 갖게 되었다.
상기와 같은 공해물질의 방출을 방지하고자 일부에서는 고분자 필터를 사용하고 있으나, 고분자 필터의 경우에는 내열성, 내화학성, 내마모성, 및 난연성이 취약하다는 문제점이 있다.
이에 따라, 세라믹 필터의 개발이 이루어져 왔는데 세라믹 필터는 고분자 필터에 비하여 내열성, 내화학성, 내마모성 등이 훨씬 우수하고, 특히 내열성이 우수하여 배기장치 내에 냉각장치 등을 별도로 설치할 필요가 없어 설치비 및 유지비를 절감할 수 있다는 장점이 있다.
종래 개발된 세라믹 필터의 경우 일반적으로 세라믹 섬유(fiber)를 이용한 튜브 형태를 진공성형이나 압출성형해서 사용하는 것이 보편적인 방법으로 여과 효율과 배압 특성이 우수하다는 장점이 있으나, 제조비용이 고가이고, 장시간 사용시 세라믹 섬유의 열화로 인해 필터의 내구성이 떨어져 여과효율이 저하될 뿐만 아니라, 필터의 재생시 압축 공기를 역분사하여 외벽의 분진을 털어 낼 때 세라믹 섬유가 파손되고, 이렇게 파손된 세라믹 섬유가 정상운전시 배기가스 중에 포함되어 배출됨으로써 2차 공해를 발생시키는 문제가 있을 뿐만 아니라, 또한 세라믹 필터의 기공도 조절이 어려우며, 세라믹 필터 전체가 동일한 기공도를 가지는 구조로 이루 어져 내부에 분진이 걸리는 경우에는 필터의 눈막힘 현상의 발생으로 압력손실이 커지고 배압이 증가한다는 문제가 있다.
한편, 최근 오염물질의 정화 및 분리를 위하여 미세기공(micropore)을 갖는 활성탄소섬유(acivated carbon fiber, ACF)를 펠트(felt) 또는 필터(filter)의 성형품으로 제조되어 물의 정화, 살균에서부터 공기정화기, 용제회수 장치 등에 사용되고 있다.
활성탄소섬유는 종래의 활성탄과 비교하여 비표면적이 넓고 입경분포가 균일하며, 상기 입경이 작기 때문에 흡착제 외부 및 내부의 물질이동저항을 최소화하여 흡착속도가 매우 빠르다. 뿐만 아니라, 흡착용량 및 흡착속도가 더욱 향상되고, 빠른 탈착에 의하여 재사용이 가능하며, 폭넓은 성형성을 가지고 있다.
그러나 지금까지 활성탄소섬유를 세라믹 필터에 적용한 예는 없으며, 여러 가지 장점을 갖는 활성탄소섬유를 세라믹 필터에 적용하는 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 세라믹필터의 흡착면적이 증가되어 유해물질에 대한 흡착성, 탈취성능이 향상된 세라믹 필터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 내구성, 내마모성, 및 내열성이 우수한 세라믹 필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 형상변경 및 대형필터의 생산이 용이하고, 내마모 성, 내열성, 및 기공도 조절범위가 용이한 세라믹 필터의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 상기의 특성을 가지면서 분진들을 표면에서 포집하여, 눈막힘 현상을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 동시에 압력손실을 낮추고, 통기도 및 포집효율을 현저히 향상시킬 수 있는 세라믹 필터의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 세라믹 필터에 있어서, 상기 세라믹 필터의 공극에 구비되는 활성탄소섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터를 제공한다.
또한 본 발명은
a) 세라믹 분말을 주재로 하는 슬러리를 제조하는 단계;
b) 상기 a)단계에서 제조한 슬러리를 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트
에 담지시켜 성형물을 제조하는 단계;
c) 상기 b)단계에서 슬러리가 담지된 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트
성형물을 건조하는 단계; 및
d) 상기 c)단계에서 건조된 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트 성형물을
질소(N2)분위기 하에서 소결하는 단계
를 포함하는 세라믹 필터의 제조방법을 제공한다.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 활성탄소섬유를 포함하는 세라믹 필터는 세라믹 필터의 공극에 구비되는 활성탄소섬유를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 활성탄소섬유를 포함하는 세라믹 필터는 세라믹 분말들이 소결되어 결합된 세라믹 필터의 공극부분에 작은 입경과 넓은 비표면적을 가지는 활성탄소섬유가 구비되어 세라믹 필터의 유해물질에 대한 흡착면적을 현저히 향상시킨다. 도 1은 본 발명에서 사용되는 활성탄소섬유 표면의 기공구조를 나타내는 바, 미세한 기공이 균일하게 배치되어 있음을 알 수 있다. 바람직하게는 상기 공극 내에 구비된 활성탄소섬유들끼리는 부직포 또는 펠트의 형태로 연결되어 있는 것이 좋다. 이 경우 세라믹 필터의 재사용을 위하여 탈착을 할 경우 활성탄소섬유가 공극에서 빠져나가지 않고 탈착공정 후에도 계속 공극 내에 구비될 수 있다.
본 발명의 상기 활성탄소섬유는 통상의 탄화(활성화 공정을 포함) 및 소결과정을 통하여 제조된 활성탄소섬유를 사용할 수 있음은 물론이며, 구체적인 일 예로 상기 활성탄소섬유는 고분자계 섬유를 유기용매에 용해시키고 방사하여 제조된다.
상기 고분자계 섬유로는 셀룰로오즈(cellulose)계 섬유, 페놀수지섬유, PAN계 섬유, 또는 핏치(pitch) 등을 사용할 수 있으며, 특히 셀룰로오즈(cellulose)계 섬유를 사용하는 것이 좋다.
상기 유기용매는 고분자계 섬유를 용해시킬 수 있는 것은 모두 사용할 수 있으며, 특히 테트라하이드로퓨란, 피리딘, 또는 이와 유사한 용해도를 나타내는 유기용매를 사용하는 것이 좋다.
상기 고분자계 섬유와 유기용매는 0.1∼0.5 : 1 중량%의 비율로 혼합하는 것 이 바람직하며, 그 비율이 상기 범위내일 경우에는 탄화 후 활성화가 잘 되는 장점이 있다.
또한 상기 활성탄소섬유는 평균입경이 1-40 Å이고, 비표면적이 700∼2500 ㎡/g인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 평균입경이 10∼40 Å이고, 비표면적이 700∼1500 ㎡/g인 단섬유인 것이 좋다.
또한 본 발명에서 세라믹 필터에 포함되는 활성탄소섬유의 양은 적용하고자 하는 용도에 따라 적절하게 변경할 수 있음은 물론이며, 바람직하게는 본 발명의 세라믹 필터에 대하여 1 내지 98 부피%로 포함되는 것이다. 그 함량이 상기 범위내일 경우에는 유해물질에 대한 흡착성, 탈취성능, 미생물에 대한 살균효과가 더욱 우수하고, 빠른 탈착에 의하여 재사용이 가능한 효과가 있다.
본 발명의 활성탄소섬유를 포함하는 세라믹 필터는 내열성, 내화학성, 내마모성이 뛰어난 세라믹 필터의 장점과 세라믹 필터의 공극에 작은 입경과 넓은 비표면적을 가지는 활성탄소섬유가 구비됨으로써 세라믹필터의 흡착면적이 현저히 증가되어 유해물질에 대한 흡착성, 탈취성능이 향상되며, 미생물에 대한 살균효과가 우수하고, 기공도 조절이 용이하며, 빠른 탈착에 의하여 재사용이 가능하다.
또한 본 발명은 활성탄소섬유를 포함하는 세라믹 필터의 제조방법을 제공하는 바, 본 발명의 세라믹 필터의 제조방법은 세라믹 분말을 주재로 하는 슬러리를 제조하고, 상기 제조한 슬러리를 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트에 담지시켜 성형물을 제조한 후, 상기 성형물을 건조하고, 소결하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세라믹 필터의 제조방법을 단계별로 설명하면 다음과 같다.
a) 슬러리 제조
본 단계는 세라믹 분말을 주재로 하는 슬러리를 제조하는 단계로, 상기 슬러리는 ⅰ) 탄화규소, 알루미나, 실리마나이트(sillimanite group, Al2O3·SiO2), 카올린(kaolin group, Al2O3·2SiO2·2H2O), 실리카(SiO2), 티타니아, 규조토, 고로슬래그, 폐주물사, 및 회분(ash)으로 이루어지는 군으로부터 1 종 이상 선택되는 세라믹 분말 25 내지 60 중량부, ⅱ) 점토 10 내지 40 중량부, ⅲ) 조공제 5 내지 40 중량부, ⅳ) 바인더 1 내지 20 중량부, 및 ⅴ) 분산액 20 내지 33.3 중량부를 혼합하여 100 중량부로 제조된다.
본 발명에 사용되는 상기 ⅰ)의 세라믹 분말은 소결 후 세라믹 필터의 기본 구조를 이루는 성분으로, 세라믹 필터의 지지체 역할을 한다.
상기 세라믹 분말은 당업계에서 사용되는 통상의 다양한 형태의 세라믹 분말이 사용될 수 있다. 상기 세라믹 분말은 탄화규소, 알루미나, 실리마나이트(sillimanite group, Al2O3·SiO2), 카올린(kaolin group, Al2O3·2SiO2·2H2O), 실리카(SiO2), 티타니아, 규조토, 고로슬래그, 폐주물사, 또는 회분 등을 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 알루미나, 탄화규소 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것이다.
상기 세라믹 분말은 다양한 입도를 가지는 성분을 사용할 수 있고, 일정성분이 동일한 입도를 가질 수도 있고, 각각 다른 입도를 가지는 동일성분을 혼합하여 사용할 수 있음은 물론이며, 특히 0.001 ㎛ 내지 1 ㎜의 입도인 것이 바람직하다. 상기 세라믹 분말의 입도가 상기 범위내일 경우에는 세라믹 필터의 기공형성 및 기계적 강도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
상기 세라믹 분말은 25 내지 60 중량부로 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 30 내지 50 중량부로 포함되는 것이다. 그 함량이 상기 범위내인 경우에는 세라믹 필터의 물리적 강도 및 형상을 유지할 수 있는 효과가 있으며, 동시에 여과효율을 현저히 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 소결시 뒤틀림 및 균열을 방지하고 세라믹 필터의 내마모성을 증대할 수 있다. 또한, 폐기물을 재활용할 수 있다는 점에서도 더욱 좋다.
본 발명에 사용되는 상기 ⅱ)의 점토는 소결후 세라믹 필터의 기본 구조를 이루는 성분으로 소결시 세라믹 입자간의 결합을 용이하게 하는 작용을 한다.
상기 점토는 다양한 입도를 가지는 성분을 사용할 수 있고, 일정성분이 동일한 입도를 가질 수도 있고, 각각 다른 입도를 가지는 동일성분을 혼합하여 사용할 수 있음은 물론이며, 특히 0.001 ㎛ 내지 1 ㎜의 입도인 것이 바람직하다. 상기 점토의 입도가 상기 범위내일 경우에는 세라믹 필터의 기공형성 및 기계적 강도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
상기 점토는 10 내지 40 중량부로 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 15 내지 25 중량부로 포함되는 것이다. 그 함량이 상기 범위내인 경우에는 세라믹 필터의 물리적 강도 및 형상을 유지시킬 수 있는 효과가 있으며, 동시에 여과효율을 현저히 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 소결시 뒤틀림 및 균열을 방지하고 세라믹 필터의 내마모성을 증대할 수 있다.
본 발명에 사용되는 상기 ⅲ)의 조공제는 세라믹 필터의 기공을 형성하는 작용을 한다.
상기 조공제는 탄소, 활성탄, 목재분말, 톱밥, 소금, 나프탈렌, 또는 활석 등을 사용할 수 있다.
상기 조공제는 다양한 입도를 가지는 성분을 사용할 수 있음은 물론이며, 특히 0.001 ㎛ 내지 1 ㎜의 입도인 것이 바람직하다. 상기 조공제의 입도가 상기 범위내일 경우에는 세라믹 필터의 적절한 크기의 기공형성 및 기계적 강도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
상기 조공제는 소결과정에서 연소되어 없어져 세라믹 필터의 기공을 형성하며, 그 함량은 5 내지 40 중량부로 포함되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10 내지 25 중량부로 포함되는 것이다. 그 함량이 상기 범위내인 경우에는 소결시 완전히 연소되어 세라믹 필터의 기공을 효과적으로 형성할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 사용되는 상기 ⅳ)의 바인더는 슬러리와 담체의 결합을 이루는 작용을 한다.
상기 바인더는 통상의 유기바인더, 무기바인더, 또는 이들을 혼합하여 사용할 수 있으며, 특히 무기바인더와 유기바인더의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 바인더는 프리트(frit), 또는 탄산바륨(BaCO3)의 무기바인더 또는 MAP(Mono aluminium phosphate), 물풀(water binder), 폴리비닐부티랄, 폴리비닐알코올, 또는 폴리비닐아세테이트 등의 유기바인더를 사용할 수 있으며, 특 히 프리트와 물풀을 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 바인더는 1 내지 20 중량부로 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 5 내지 10 중량부로 포함되는 것이다. 그 함량이 상기 범위내인 경우에는 슬러리와 담체를 효과적으로 결합시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 사용되는 상기 ⅴ)의 분산액은 바인더의 종류에 따라 그 종류를 달리할 수 있으며, 특히 물 또는 알코올을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 분산액은 20 내지 60 중량부로 포함되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 20 내지 30 중량부로 포함되는 것이다. 그 함량이 상기 범위내인 경우에는 슬러리에 포함되는 각 성분을 효과적으로 혼합할 수 있으며, 슬러리가 적정한 점도를 유지하여 담체에 효과적으로 결합할 수 있는 효과가 있다.
또한 상기와 같은 성분을 함유하는 슬러리 조성물은 최종 세라믹 필터의 기공형성을 위하여 ⅵ) 난연제를 추가로 포함할 수 있다.
통상의 난연제는 모두 사용할 수 있음은 물론이며, 특히 인계, 질소계, 또는 할로겐계 등과 같은 유기화합물과 안티몬과 같은 무기화합물을 사용할 수 있다. 상기 난연제는 단독 또는 2 종 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 특히 인-질소계 화합물, 인-할로겐계 화합물, 또는 안티몬-할로겐계 화합물이 사용되는 것이 좋다.
구체적으로, 상기 난연제는 인, 브롬, 염소, 불소, 안티몬, 질소, 보론, 브롬화인산염, THPC-NH3, 포스포니르릴 염화물(phosphonitrilic chloride 등), 붕사-붕소산, 유기인산염-요소, 안티몬산화물-할로겐화합물, THPC-디아민, 테트라 브로모 비스페놀 A(tetra bromo bisphenol A, TBBA), 브로미네이티드 에폭시 올리고머(brominated epoxy oligomer, BEO), 데카 브로모 디페닐 에테르, 데카 브로모 디페닐 에탄, 옥타 브로모 디페닐 에테르, 테트라 브로모 비스페놀 A계 카보네이트 올리고머, 테트라 브로모 비스페놀 A 디브로모 프로필 에테르, 헥사 브로모 디페녹시 에탄, 트리스 트리 브로모 페녹시 시아누레이트, 테트라 브로모 비스페놀 A계 에폭시 수지, 에틸렌 비스 테트라 브로모 프탈이미드, 삼산화 안티몬, 또는 오산화 안티몬 등이 있다.
상기 난연제는 상기 슬러리 조성물에 5 내지 60 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 그 함량이 상기 범위내일 경우에는 세라믹 필터의 기공을 효율적으로 형성하여 여과 효율과 내구성이 더욱 뛰어나다.
상기 슬러리 조성물이 난연제를 추가로 포함할 경우 상기 ⅴ)의 분산액은 난연제의 종류에 따라 그 종류를 달리하여 난연제를 충분히 용해시킬 수 있을 정도의 용매를 사용할 수도 있으며, 뿐만 아니라 상기 분산액은 난연용매를 사용할 수도 있다.
상기와 같은 세라믹 분말, 점토, 조공제, 바인더, 또는 난연제는 분산액에 동시투입하여 혼합할 수도 있으며, 일정간격으로 순차적으로 분리투입하여 혼합할 수도 있다. 특히, 상기 성분의 혼합은 분산액에 세라믹 분말, 점토, 조공제, 무기바인더(무기바인더를 사용할 경우에만 혼합), 또는 난연제를 혼합한 후, 상기 혼합물에 유기바인더를 혼합하는 것이 혼합의 편의성을 위해 더욱 좋다.
상기 혼합물의 혼합시간은 1 내지 10 시간 동안 실시되는 것이 좋다.
상기와 같이 혼합된 슬러리는 안정화를 위하여 1 시간 이상의 숙성을 시키면 더욱 좋다.
b) 담지
본 단계는 상기 a)단계에서 제조된 슬러리를 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트에 담지시켜 성형물을 제조하는 단계이다.
본 발명에 사용되는 상기 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트는 슬러리가 담지될 수 있는 다공성 구조를 가지며, 그 크기는 제조하고자 하는 세라믹 필터의 크기에 따라 달리할 수 있음은 물론이다.
상기 활성탄소섬유는 통상의 탄화(활성화 공정을 포함) 및 소결과정을 통하여 제조된 활성탄소섬유를 사용할 수 있음은 물론이며, 구체적인 일 예로 상기 활성탄소섬유는 고분자계 섬유를 유기용매에 용해시키고 방사하여 제조된다.
상기 고분자계 섬유로는 셀룰로오즈(cellulose)계 섬유, 페놀수지섬유, PAN계 섬유, 또는 핏치(pitch) 등을 사용할 수 있으며, 특히 셀룰로오즈(cellulose)계 섬유를 사용하는 것이 좋다.
상기 유기용매는 고분자계 섬유를 용해시킬 수 있는 것은 모두 사용할 수 있으며, 특히 테트라하이드로퓨란, 피리딘, 또는 이와 유사한 용해도를 나타내는 유기용매를 사용하는 것이 좋다.
상기 고분자계 섬유와 유기용매는 0.1∼0.5 : 1 중량%의 비율로 혼합하는 것이 바람직하며, 그 비율이 상기 범위내일 경우에는 탄화 후 활성화가 잘 되는 장점이 있다.
또한 상기 활성탄소섬유는 평균입경이 1-40 Å이고, 비표면적이 700∼2500 ㎡/g인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 평균입경이 10∼40 Å이고, 비표면적이 700∼1500 ㎡/g인 단섬유인 것이 좋다.
상기 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트는 제작하고자 하는 세라믹 필터의 요구되는 두께에 맞추어 사용할 수 있음은 물론이며, 바람직하게는 제작의 용이성을 고려하여 두께가 0.5 내지 50 ㎜인 것이 좋다.
본 단계의 담지는 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트에 상기 슬러리를 도포하거나, 상기 슬러리에 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트를 침지시키거나, 또는 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트에 상기 슬러리를 살포(스프레이)하는 방법을 사용하여 실시할 수 있다.
또한 상기 슬러리가 담지된 활성탄성섬유 부직포 또는 펠트는 목적에 따라 원하는 형태대로 다양하게 성형할 수 있음은 물론이다. 특히, 상기 성형은 슬러리가 담지된 활성탄성섬유 부직포 또는 펠트를 예비건조한 후, 실시하는 것이 보다 바람직하며, 상기 예비건조는 1 내지 2 시간 동안 실시하는 것이 좋다.
상기 성형은 원형튜브, 방사형 절곡튜브, 또는 사각튜브 형태의 성형틀에 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트를 밀착하여 결합시키고, 클램프 등으로 고정하여 원형튜브 형상, 방사형 튜브 형상, 또는 사각 튜브형상 등으로 성형할 수 있다. 특히, 상기 방사형 절곡튜브 형상의 성형틀을 이용하여 방사형 절곡튜브 형상의 세라믹 필터를 제조하는 경우에는 원형 튜브가 적용되는 곳에 동일하게 적용이 가능하면서도 여과 면적을 최대화하여 필터링 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
또한 상기 성형틀에 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트를 밀착 결합하는 경우에 건조후 성형틀과 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트의 분리를 용이하게 하기 위하여 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트 성형틀 사이에 탈형필름을 추가할 수 있다. 상기 탈형 필름에는 바람직하게는 고무, 우레탄 수지, 또는 에폭시 수지 등을 재질로 하는 수지 필름이나 크라프트지와 같은 종이필름을 사용할 수 있다.
c) 건조
본 단계는 상기 b)단계에서 슬러리에 담지된 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트 성형물을 건조하는 단계이다. 이때, 건조는 안전한 소결과 소결 준비과정 및 소결 과정 중에 성형물의 형상 변형을 방지하는 작용을 한다.
상기 건조는 자연건조, 열풍건조, 일광건조, 또는 응달건조 등의 방법으로 실시할 수 있으며, 특히 건조시간의 단축 및 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트 성형물의 변형 방지와 크랙이 발생하지 않도록 적외선 건조를 20 시간 이상 실시하는 것이 바람직하다.
d) 소결
본 단계는 상기 c)단계에서 건조된 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트 성형물을 질소(N2) 분위기 하에서 소결하는 단계이다.
상기 소결은 건조된 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트 성형물의 성형틀을 제거하고, 질소(N2)분위기의 소결로에 넣은 후, 소결로의 온도를 소결온도까지 승온시켜 일정한 온도에서 소결시킬 수 있다.
또한 상기 소결은 제조하고자 하는 세라믹 필터의 크기로 절단하여 필터의 몸체를 만드는 가공단계; 및 몸체 외경크기에 맞는 하부 캡과 턱 받침 날개가 있는 형태의 상부 캡을 슬러리에 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트를 담지하여 건조하여 제작하고, 상기 상부 및 하부 캡을 세라믹 접착제로 조립하여 하부는 막히고, 상부는 날개 형태로 열린 형태로 조립하는 조립단계를 추가로 실시한 후, 소결시킬 수도 있다.
상기 소결은 슬러리의 성분 및 성분비에 따라 적정한 소결온도를 설정하여 소결을 진행할 수 있으며, 특히 상기 소결시 승온 중 발생할 수 있는 성형물 변형, 쪼그라듬, 및 파손을 방지할 수 있도록 상온∼500 ℃까지는 0.5∼3 ℃/min의 속도로 승온시키는 것이 바람직하며, 특히 150∼450 ℃의 온도에서는 0.5∼1 ℃/min의 속도로 천천히 승온시키는 것이 바람직하며, 최종적으로 세라믹 분말의 조성에 따라 900∼1,500 ℃의 소결온도까지 승온시켜 2∼48 시간 동안 유지시켜 소결을 완료하는 것이 좋다.
본 발명은 상기와 같은 제조방법에 따라 동일한 내부 구조를 가지는 단일층 세라믹 필터를 제조할 수도 있으며, 하기에 설명하는 방법에 따라 기공의 크기를 달리하는 층을 내부에 포함하는 세라믹 필터를 제조할 수도 있다.
상기 기공의 크기를 달리하는 세라믹 필터의 제조방법에는 소결전 다중층을 형성하는 방법과 소결후 다중층을 형성하고 2차 소결을 하는 방법이 있다.
<소결전 다중층 형성방법>
c-1) 추가도포
본 단계는 상기 세라믹 필터의 제조방법에 있어서, 상기 c)단계에서 건조된 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트 성형물의 내부 또는 외부에 제2슬러리를 추가도포하는 단계이다. 이때, 상기 제2슬러리는 ⅰ) 세라믹 분말 40 내지 80 중량부, ⅱ) 조공제 10 내지 40 중량부, ⅲ) 바인더 7 내지 30 중량부, 및 ⅳ) 분산액 10 내지 50 중량부를 포함한다.
본 발명에 사용되는 상기 ⅰ)의 세라믹 분말은 상기 세라믹 필터의 제조방법에서 a)단계의 ⅰ)의 세라믹 분말과 동일한 성분을 사용할 수 있다.
상기 세라믹 분말은 슬러리 조성물에 40 내지 80 중량부로 포함되는 것이 바람직하며, 그 함량이 상기 범위내인 경우에는 성형층의 외부 또는 내부에 더욱 미세한 기공을 형성함으로써 필터 내부의 눈막음 현상을 줄일 수 있고, 필터의 재활용이 용이하다는 효과가 있다.
본 발명에 사용되는 상기 ⅱ)의 조공제는 상기 세라믹 필터의 제조방법에서 a)단계의 ⅲ)의 조공제와 동일한 성분을 사용할 수 있다.
상기 조공제는 슬러리 조성물에 10 내지 40 중량부로 포함되는 것이 바람직하며, 그 함량이 상기 범위내인 경우에는 소결시 완전히 연소되어 세라믹 필터의 기공을 효과적으로 형성할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 사용되는 상기 ⅲ)의 바인더는 상기 세라믹 필터의 제조방법에서 a)단계의 ⅳ)의 바인더와 동일한 성분을 사용할 수 있다.
상기 바인더는 슬러리 조성물에 7 내지 30 중량부로 포함되는 것이 바람직하며, 그 함량이 상기 범위내인 경우에는 슬러리가 성형물에 효과적으로 결합될 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 사용되는 상기 ⅳ)의 분산액은 상기 세라믹 필터의 제조방법에서 a)단계의 ⅴ)의 분산액과 동일한 성분을 사용할 수 있다.
상기 분산액은 슬러리 조성물에 10 내지 50 중량부로 포함되는 것이 바람직하며, 그 함량이 상기 범위내인 경우에는 슬러리에 포함되는 각 성분을 효과적으로 혼합할 수 있으며, 슬러리가 적정한 점도를 유지하여 성형물에 효과적으로 결합할 수 있는 효과가 있다.
상기와 같은 성분으로 이루어지는 제2슬러리는 필요에 따라 ⅴ) 점토를 추가로 포함할 수 있다.
상기 점토는 상기 세라믹 필터의 제조방법에서 a)단계의 ⅱ)의 점토와 동일한 성분을 사용할 수 있으며, 그 함량은 슬러리 조성물에 10 내지 40 중량부로 포함되는 것이다.
상기와 같은 성분을 포함하는 제2슬러리는 상기 d)단계의 소결전에 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트 성형물의 내부 또는 외부에 추가도포되며, 상기 추가도포는 목적하는 세라믹 필터 및 각 층이 요구하는 목적에 따라 달리하여 2 회 이상 반복하여 실시할 수 있음은 물론이다.
또한, 상기 추가도포시 슬러리는 세라믹 필터의 용도에 따라 표면층의 기공도, 표면층의 강도, 추가 도포에 필요한 슬러리 용액의 점도, 또는 표면층의 기능성 등을 달리하기 위하여 그 함량 및 두께를 달리할 수 있음은 물론이다. 특히, 조공제의 함량 및 입도를 조절하여 기공도 및 기공의 크기를 조절할 수 있다.
상기 추가도포는 붓으로 덧칠하는 등의 도포하는 방법, 성형물을 슬러리에 침지시키는 방법, 또는 스프레이 등을 이용한 분사하는 방법 등으로 실시할 수 있다.
본 단계의 추가도포는 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트를 포함하지 않는 소결층을 형성함으로써 조밀한 소결층이 표면에 형성되어 세라믹 필터의 강도를 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 동시에 표면층에 조공제 또는 바인더만으로 기공이 조절되므로 더욱 미세한 기공을 가지는 표면층이 형성되어 집진이 표면에서 주로 이루어지게 하여 필터의 내부의 눈막음 현상을 줄일 수 있고, 이를 통하여 필터의 재활용이 용이하게 이루어질 수 있으며, 특히 고온고압형에 적용가능한 효과가 있고 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트를 포함하는 영역의 소결층에 비하여 표면조도가 개선되어 이후의 추가도포가 용이하다는 효과가 있다.
c-2) 건조
본 단계는 상기 c-1)단계에서 제2슬러리가 추가도포된 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트 성형물을 건조하는 단계로, 상기 건조는 상기 세라믹 필터의 제조방법의 c)단계와 동일한 방법으로 실시할 수 있다.
<소결후 다중층 형성방법>
e) 추가도포
본 단계는 상기 세라믹 필터의 제조방법에 있어서, 상기 d)단계의 소결된 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트 성형물의 내부 또는 외부에 제2슬러리를 추가도포하는 단계이다. 이때, 상기 제2슬러리는 ⅰ) 세라믹 분말 40 내지 80 중량부, ⅱ) 조공제 10 내지 40 중량부, ⅲ) 바인더 7 내지 30 중량부, 및 ⅳ) 분산액 10 내지 50 중량부를 포함한다.
상기 추가도포 단계는 소결전 다중층을 형성하는 세라믹 필터의 제조방법의 c-1)단계와 동일한 방법으로 실시할 수 있다.
f) 건조
본 단계는 상기 e)단계에서 추가도포된 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트 성형물을 건조하는 단계로, 상기 건조는 소결전 다중층을 형성하는 세라믹 필터의 제조방법의 c-2)단계와 동일한 방법으로 실시할 수 있다.
g) 소결
본 단계는 상기 f)단계에서 건조된 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트 성형물을 소결하는 단계로, 상기 소결은 상기 세라믹 필터의 제조방법의 d)단계와 동일한 방법으로 실시할 수 있다.
또한 상기의 소결후 추가도포하는 제조방법은 상기 기술한 바와 같이 소결전 추가도포를 실시하지 않은 경우는 물론이고, 소결전 추가도포가 이루어진 경우에도 적용될 수 있다. 또한 상기 소결후 추가도포하는 방법도 2 회 이상 반복하여 실시하는 것이 가능하며, 소결후 2차 소결전에 상기 소결전 추가도포의 방법을 적용하여 2차 소결전에 추가도포를 2 회 이상 실시할 수도 있다.
상기와 같은 방법에 따라 제조된 최종 세라믹 필터는 도 2, 3에 나타낸 바와 같이 다양한 형태로 제작이 가능하다. 또한, 이외에 2 개 이상의 세라믹 필터를 접착제로 접착하여 길이가 확장된 형태의 세라믹 필터로도 사용할 수 있다. 이때, 세라믹 필터의 사이에는 세라믹 필터의 내주면보다 작은 크기의 파이프가 투입될 수 있다.
상기 접착제는 당업계에서 사용하는 통상의 접착제를 사용할 수 있음은 물론이며, 바람직하게는 세라믹 접착제를 사용하는 것이다.
본 발명에 따르는 활성탄소섬유를 포함하는 세라믹 필터의 제조방법은 활성탄소섬유를 용이하게 세라믹필터의 공극부분에 구비시킬 수가 있으며, 기공도 조절이 용이하며, 제조비용이 저렴하고, 형상변경 및 대형필터의 제작이 가능하며, 또한 추가도포를 포함하는 제조방법의 경우 세라믹 필터의 내부 또는 외부의 표면에 조밀한 소결층을 형성하여 세라믹 필터의 강도를 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 동시에 더욱 미세한 기공을 가지는 표면층을 형성하여 필터의 내부의 눈막힘 현상을 줄일 수 있고, 필터의 재활용이 용이하게 이루어질 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1
혼합기에 물 50 중량부를 첨가하고, 여기에 알루미나(Al2O3) 40 중량부, 점토 25 중량부, 활성탄 25 중량부, 및 무기바인더로 프리트(VA950, 덕림소재) 5 중량부를 첨가하여 혼합하였다. 상기 혼합물에 유기바인더로 물풀 5 중량부를 첨가한 후, 혼합기에서 2 시간 동안 혼합하여 슬러리 용액을 제조하였다.
가로 1000 mm×세로 1500 mm×두께 2 mm 크기의 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트에 상기 제조한 슬러리 용액이 충분히 담지되도록 도포하였다.
그 다음, PVC로 원형튜브 형태의 성형틀을 만들고, 상기 성형틀 표면에 탈형필름을 결합한 후, 상기 슬러리 용액에 침지시킨 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트를 성형틀의 형태대로 감아 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트 성형물을 제조하고, 30∼90 ℃의 온도에서 1∼20 시간 동안 열풍건조하였다.
상기 조립 건조된 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트 성형물에서 성형틀 및 탈형필름을 제거한 후, 상기 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트 성형물을 전기로에 넣어 질소(N2)분위기 하에서 상온∼150 ℃까지는 3 ℃/min의 속도로 승온시키고, 150∼450 ℃까지는 0.5∼1 ℃/min의 속도로 천천히 승온시키고, 900∼1,300 ℃의 온도에서 2 시간 동안 유지시켜 소결을 완료하였다.
상기와 같이 제조된 세라믹 필터의 중량은 소결 실시 전과 후를 비교하여 10∼30 % 감소하였으며, 5∼25 % 정도의 수축이 발생했음을 확인할 수 있었다. 도 2 및 도3은 각각 상기 실시예 1에 따라 제조한 세라믹 필터의 원형필터 및 방사형 절곡 튜브를 나타낸 사진이다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 슬러리 조성물에 브롬화인산염 40 중량부를 더욱 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
실시예 3
상기 실시예 1에서 건조된 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트 성형물의 내부 및 외부에 물 25 중량부, 알루미나(Al2O3) 70 중량부, 활성탄 25 중량부, 및 바인더로 프리트(VA950, 덕림소재) 5 중량부와 물풀 10 중량부를 포함하는 제2슬러리 용액을 붓으로 덧칠하여 추가도포하고 30∼90 ℃의 온도에서 1 시간 동안 열풍건조한 후, 소결한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
실시예 4
상기 실시예 1에서 소결이 완료된 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트 성형물의 내부 및 외부에 상기 실시예 3에서 제조한 제2슬러리 용액을 붓으로 덧칠하여 추가도포하고, 30∼90 ℃의 온도에서 1 시간 동안 열풍건조한 후, 상기 건조된 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트 성형물을 질소분위기의 전기로에 넣어 상온∼150 ℃까지는 3 ℃/min의 속도로 승온시키고, 150∼450 ℃까지는 0.5∼1 ℃/min의 속도로 천천히 승온시키고, 900∼1,300 ℃의 온도에서 2 시간 동안 유지시켜 소결을 완료하였다.
본 발명에 따른 활성탄소섬유를 포함하는 세라믹 필터는 내열성, 내화학성, 내마모성이 뛰어난 세라믹 필터의 장점과 세라믹 필터의 공극에 작은 입경과 넓은 비표면적을 가지는 활성탄소섬유가 구비됨으로써 세라믹필터의 흡착면적이 현저히 증가되어 유해물질에 대한 흡착성, 탈취성능이 향상되며, 미생물에 대한 살균효과가 우수하고, 기공도 조절이 용이하며, 빠른 탈착에 의하여 재사용이 가능하다.
또한 본 발명에 따른 활성탄소섬유를 포함하는 세라믹 필터의 제조방법은 활성탄소섬유를 용이하게 세라믹필터의 공극부분에 구비시킬 수가 있으며, 기공도 조 절이 용이하며, 제조비용이 저렴하고, 형상변경 및 대형필터의 제작이 가능하며, 또한 추가도포를 포함하는 제조방법의 경우 세라믹 필터의 내부 또는 외부의 표면에 조밀한 소결층을 형성하여 세라믹 필터의 강도를 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 동시에 더욱 미세한 기공을 가지는 표면층을 형성하여 필터의 내부의 눈막음 현상을 줄일 수 있고, 필터의 재활용이 용이하게 이루어질 수 있다.

Claims (11)

  1. 세라믹 필터에 있어서,
    100 중량부가 기준이 되어 알루미나, 탄화규소 또는 이들의 혼합물을 나타내는 세라믹분말 25 내지 60 중량부와, 점토 10 내지 40 중량부와, 조공제 5 내지 40 중량부와, 바인더 1 내지 20 중량부 및 분산액 20 내지 33.3 중량부로 제조된 슬러리 100 중량부를 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트에 담지시켜 상기 세라믹 필터를 생성하며,
    상기 세라믹 필터의 공극에 구비되는 활성탄소섬유를 포함하고, 상기 세라믹분말, 상기 점토와 상기 조공제가 0.001㎛-1mm의 입도인 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 활성탄소섬유가 셀룰로오즈(cellulose)계 섬유, 페놀수지섬유, PAN계 섬유, 또는 핏치(pitch)를 유기용매에 용해시키고 방사하여 제조된 것을 포함하는 세라믹 필터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 활성탄소섬유의 평균입경이 1-40 Å이고, 비표면적이 700∼2500 ㎡/g인 단섬유인 것인 활성탄소섬유를 포함하는 세라믹 필터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트가 세라믹 필터에 대하여 1 내지 95 부 피%로 포함되는 활성탄소섬유를 포함하는 세라믹 필터.
  6. a) 세라믹 분말을 주재―상기 주재는 세라믹 필터의 기본 구조를 이루는 성분을 나타냄―로 하는 슬러리를 제조하는 단계;
    b) 상기 a)단계에서 제조한 슬러리를 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트
    에 담지시켜 성형물을 제조하는 단계;
    c) 상기 b)단계에서 슬러리가 담지된 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트
    성형물을 건조하는 단계; 및
    d) 상기 c)단계에서 건조된 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트 성형물을
    질소(N2)분위기 하에서 소결하는 단계를 포함하며,
    상기 슬러리는 알루미나, 탄화규소 또는 이들의 혼합물을 나타내는 세라믹분말 25 내지 60 중량부와, 점토 10 내지 40 중량부와, 조공제 5 내지 40 중량부와, 바인더 1 내지 20 중량부 및 분산액 20 내지 33.3 중량부를 혼합하여 100 중량부로 제조되며, 상기 세라믹분말, 상기 점토와 상기 조공제가 0.001㎛-1mm의 입도인 것 특징으로 하는 활성탄소섬유를 포함하는 세라믹 필터의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 d)단계 이전에
    c-1) 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트 성형물의 내부 또는 외부에 제2
    슬러리를 추가도포하는 단계; 및
    c-2) 상기 c-1)단계에서 제2슬러리가 추가도포된 활성탄소섬유 부직
    포 성형물을 건조하는 단계
    를 추가로 포함하는 활성탄소섬유를 포함하는 세라믹 필터의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 d)단계 이후에
    e) 상기 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트 성형물의 내부 또는 외부에
    제2슬러리를 추가도포하는 단계;
    f) 상기 e)단계에서 제2슬러리가 추가도포된 활성탄소섬유 부직포 또
    는 펠트 성형물을 건조하는 단계; 및
    g) 상기 f)단계에서 건조된 활성탄소섬유 부직포 또는 펠트 성형물을
    소결하는 단계
    를 포함하는 활성탄소섬유를 포함하는 세라믹 필터의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 제6항에 있어서,
    상기 슬러리가 슬러리 조성물에 ⅵ) 난연제 5 내지 60 중량부로 추가로 포함하는 활성탄소섬유를 포함하는 세라믹 필터의 제조방법.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 d)단계의 소결이 150∼450 ℃의 온도에서는 0.5 내지 1 ℃/min의 속도로 승온시키는 것인 활성탄소섬유를 포함하는 세라믹 필터의 제조방법.
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