KR101449445B1 - 강도와 내구성을 가진 이산화탄소 흡착제 제조방법 - Google Patents

강도와 내구성을 가진 이산화탄소 흡착제 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 과제 해결 수단은 버스와 지하철 내부에 존재하는 이산화탄소를 흡착시켜 제거하기 위한 강도와 내구성을 구비한 이산화탄소 흡착제 제조를 위하여 분말 상태의 수산화리튬, 제올라이트 및 바인더를 소정 비율로 혼합하여 물을 이용하여 반죽하는 단계를 거쳐서, 반죽된 혼합물 덩어리를 수분이 건조되지 않도록 비닐 봉지 또는 밀폐된 용기에 넣어서 2℃ 내지 5℃에서 하루 이상 동안 냉장 방치하여 숙성시키는 단계를 거치고, 숙성된 혼합물 덩어리를 꺼내어 상온에서 빚어서 필렛형 이산화탄소 흡착제를 제조하는 단계를 거쳐서, 27℃ 내지 32℃에서 하루이상 건조시키는 단계를 포함하는 이산화탄소 흡착제 제조방법에 관한 것이다.

Description

강도와 내구성을 가진 이산화탄소 흡착제 제조방법{Carbon dioxide absorbent manufacturing method}
본 발명은 버스 및 지하철 내부에 존재하는 이산화탄소를 제거하기 위하여 진동에 강하고 내구성이 우수한 이산화탄소 흡착제 제조방법 및 본 제조 방법을 이용하여 제조된 이산화탄소 흡착제에 관한 것이다.
대중교통수단은 밀폐된 좁은 공간에 다수의 승객들이 밀집되어 있어 적정환기 등 관리가 되지 않을 경우에는 차내 공기질 악화로 인한 불쾌감을 유발하고, 노약자들의 건강적 피해가 발생할 수 있다. 그러나 아직까지 우리나라는 자동차의 실내 공기질에 대한 관리기준이 마련되어 있지 않아 관리의 사각지대로 지적되어 왔었다.
이에 따라 환경부에서 2007년 1월 도시철도, 열차, 고속버스, 직행버스 등을 대상으로 실내공기질 적정수준을 제시하는 "대중교통수단 실내공기질 관리 가이드라인"을 발표하였다. 비록 강제성이 없는 가이드라인이기는 하지만 열차와 고속 및 직행형 시외버스의 경우 평상시엔 이산화탄소 2,000ppm 이하, 미세먼지 150㎍/㎥ 이하로 주말 및 휴일 등 혼잡시엔 이산화탄소 3,000ppm 이하, 미세먼지 200㎍/㎥ 이하로 유지해야 한다.
이러한 가이드라인을 제정한 이후인 2012년 5월에 실시(국회 환경노동위원회 강성천 의원실)된 고속버스 실내공기질 측정에서 오후 5시경에 출발한 하행선 차량의 이산화탄소 농도는 평균 3216ppm, 미세먼지는 농도는 평균 42.2㎍/㎥으로 나타났고, 오후 8시경에 출발한 상행선 차량의 이산화탄소 농도는 평균 3873ppm, 미세먼지는 농도는 평균 46.6㎍/㎥으로 측정되었다고 밝힌 바 있다.
아울러 환경부에 대하여서는 "운수업 노동자가 이 정도 이산화탄소에 장시간 노출될 경우 집중력 저하 및 졸음 증상이 나타나기에 충분하다"고 지적하면서, "운수업 노동자의 건강과 승객의 안전을 위해 대중교통의 실내공기질 개선을 위한 실질적 조치가 시급"하다고 강조했다.
대중교통수단의 경우는 환기가 가장 바람직하지만 황사 및 공해 등으로 인하여 대기질이 좋지 않아 환기를 통한 공기 정화가 현실적으로 어려운 경우가 많으며, 많은 양의 외기를 실내로 도입할 경우에 추가로 발생되는 냉난방 에너지 비용을 부담하여야 한다.
따라서 대중교통 차량의 실내 공기질을 일정 수준 이상으로 유지하면서 승객의 쾌적성을 향상시킬 수 있는 시스템의 개발이 필요하며, 특히 차량 내 이산화탄소를 일정 수준 이하로 유지시킬 수 있는 기술의 적용이 필요하다.
지금까지 사용되어온 이산화탄소를 제거하기 위한 이산화탄소 흡착제는 진동에 약하여 버스 또는 지하철에 장착할 경우에 진동에 의하여 쉽게 파손되어 사용할 수 없거나 성능이 크게 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명과 관련된 종래기술을 살펴보면, 본 발명 출원인 및 발명자가 출원하여 등록된 대한민국 등록특허공보 제10-0879312호에는 직경이 2㎜내지 5㎜의 알갱이 형태의 제올라이트 또는 상기 제올라이트에 수산화리튬 또는 소다석회를 첨착시켜 제조한 이산화탄소의 흡착제 및 그 제조 방법에 대한 기술적 구성이 개시되어 있으나, 진동에 견딜 수 있는 내구성 및 강도와는 무관하다.
본 발명과 관련된 또 다른 종래기술을 살펴보면, 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0085416호에는 이온교환수지와 금속 화합물 활성화제의 혼합물로 합성된 활성탄소를 포함하며 이산화탄소의 선택적 흡착성능이 향상된 이산화탄소 흡착제를 제공하는 것이나, 이 또한 진동에 견딜 수 있는 내구성 및 강도와는 무관하다.
본 발명이 해결하려는 과제는 분말 상태의 수산화리튬(LiOH), 제올라이트(zeolite) 및 바인더(binder)를 소정 비율로 혼합하여 물로 반죽한 혼합물 덩어리를 수분이 건조되지 않도록 비닐봉지 또는 밀폐된 용기에 넣어서 저온에서 하루 이상 냉장 상태로 방치한 후, 꺼내어 상온에서 펠렛형으로 제조하여 강도와 내구성을 향상시킬 수 있는 이산화탄소 흡착제 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 혼합물 중에서 수산화리튬을 70℃ 내지 90℃와, 130℃ 내지 170℃와, 420℃ 내지 480℃ 3단계로 나누어 소성 및 밀링작업을 수행한 후, 분말상태로 제조함으로써 흡착효율, 강도 및 내구성이 향상된 이산화탄소 흡착제 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 과제 해결 수단은 진동이 심한 버스와 지하철 내부에 존재하는 이산화탄소를 흡착시켜 제거하기 위하여 강도와 내구성이 향상된 이산화탄소 흡착제 제조를 위해 분말 상태의 수산화리튬(LiOH), 제올라이트(zeolite) 및 바인더(binder)를 각각 67중량% 내지 75중량%와, 32중량% 내지 20중량%와, 1중량% 내지 5중량% 비율로 혼합하여 물을 이용하여 반죽하는 단계를 거쳐서, 반죽한 혼합물 덩어리를 수분이 건조되지 않도록 비닐 봉지 또는 밀폐된 용기에 넣어서 2℃ 내지 5℃에서 하루(24시간)이상 동안 냉장 방치하여 숙성시키는 단계를 거치고, 숙성된 혼합물 덩어리를 꺼내어 상온에서 빚어서 필렛형 이산화탄소 흡착제를 제조하는 단계를 거쳐서, 필렛형 이산화탄소 흡착제를 25℃ 내지 35℃에서 하루(24시간)이상 건조시키는 단계를 포함하는 이산화탄소 흡착제 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 과제 해결 수단은 필렛형 이산화탄소 흡착제 제조 시에 흡착효율, 강도 및 내구성을 높이기 위하여 수산화리튬을 70℃ 내지 90℃와, 130℃ 내지 170℃와, 420℃ 내지 480℃ 3단계로 나누어 소성 및 밀링작업을 수행한 후, 분말상태로 제조하는 단계와 제올라이트를 세척하여 상온에서 건조하는 단계를 더 포함하는 이산화탄소 흡착제 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 분말 상태의 수산화리튬(LiOH), 제올라이트(zeolite) 및 바인더(binder)를 소정 비율로 혼합하여 물로 반죽한 혼합물 덩어리를 수분이 건조되지 않도록 비닐봉지 또는 밀폐된 용기에 넣어서 저온에서 하루 이상 냉장 상태로 방치한 후, 혼합물 덩어리를 꺼내어 상온에서 펠렛형으로 이산화탄소 흡착제를 제조하여 강도와 내구성을 향상시킬 수 있는 유리한 효과가 있다.
본 발명의 또 다른 효과는 혼합물 중에서 수산화리튬을 70℃ 내지 90℃와, 130℃ 내지 170℃와, 420℃ 내지 480℃ 3단계로 나누어 소성 및 밀링작업을 수행한 후, 분말상태로 제조함으로써 흡착효율, 강도 및 내구성을 높이는데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이산화탄소 흡착제 제조방법의 흐름도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따라 이산화탄소 흡착제 제조방법에 의하여 제조된 이산화탄소 흡착제의 강도 시험결과를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따라 이산화탄소 흡착제 제조방법에 의하여 제조된 이산화탄소 흡착제의 진동에 대한 내구성을 시험한 결과이다.
도 4는 본 발명에 따라 이산화탄소 흡착제 제조방법에 의하여 제조된 이산화탄소 흡착제로 20 시간 이상 흡착 성능 결과를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따라 이산화탄소 흡착제 제조방법에 의하여 제조된 이산화탄소 흡착제로 30 시간 이상 흡착성능 결과를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따라 제조된 이산화탄소 흡착제의 수명(Life Time)평가하기 위하여 100시간 동안 흡착 실험한 결과를 나타낸 것이다.
본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용에 대하여 살펴본다.
본 발명에 따른 이산화탄소 흡착제 제조방법은 버스와 지하철 내부에 존재하는 이산화탄소를 흡착시켜 제거하기 위하여 진동에 견딜 수 있도록 분말 상태의 수산화리튬(LiOH), 제올라이트(zeolite) 및 바인더(binder)를 각각 67중량% 내지 75중량%와, 32중량% 내지 20중량%와, 1중량% 내지 5중량% 비율로 혼합하여 물을 이용하여 반죽하는 단계를 거쳐서, 반죽한 혼합물 덩어리를 수분이 건조되지 않도록 비닐 봉지 또는 밀폐된 용기에 넣어서 2℃ 내지 5℃에서 하루(24시간)이상 냉장 방치하여 반죽된 혼합물을 숙성시키는 단계를 거치고, 숙성된 혼합물 덩어리를 꺼내어 상온에서 빚어서 필렛형 이산화탄소 흡착제를 제조하는 단계를 거쳐서, 제조된 필렛형 이산화탄소 흡착제를 27℃ 내지 32℃에서 하루(24시간)이상 건조시키는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명은 필렛형으로 제조 시에 흡착효율, 강도 및 내구성을 높이기 위하여 수산화리튬을 70℃ 내지 90℃와, 130℃ 내지 170℃와, 420℃ 내지 480℃ 3단계로 나누어 소성 및 밀링작업을 수행한 후 분말상태로 제조하는 단계와 제올라이트를 상온에서 건조하는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명의 구체적인 실시 예에 대하여 살펴본다.
<실시 예>
본 발명의 구체적인 실시 예를 도면에 기초하여 살펴본다. 도 1은 본 발명에 따른 이산화탄소 흡착제 제조방법의 흐름도를 도시한 것이다.
본 발명에 따른 이산화탄소 흡착제 제조방법은 버스와 지하철 내부에 존재하는 이산화탄소를 흡착시켜 제거하기 위하여 진동에 견딜 수 있도록 분말 상태의 수산화리튬(LiOH), 제올라이트(zeolite) 및 바인더(binder)를 각각 67중량% 내지 75중량%와, 32중량% 내지 20중량%와, 1중량% 내지 5중량% 비율로 혼합하여 물을 이용하여 반죽하는 단계를 포함한다.
바인더 재료는 폴리비닐 알콜(Polyvinyl alcohol), 덱스트린(dextrin), 벤토나이트(bentonite) 등이 사용된다. 이들 중 하나를 선택하여 사용할 수 있다.
본 발명에서는 필렛형 이산화탄소 흡착제 제조 시에 흡착효율, 강도 및 내구성을 높이기 위하여 수산화리튬을 70℃ 내지 90℃와, 130℃ 내지 170℃와, 420℃ 내지 480℃ 3단계로 나누어 소성 및 밀링작업을 수행한 후 분말상태로 제조하는 단계를 상기 3 가지 물질을 혼합하기 전 단계에 포함할 수 있다.
이산화탄소 흡착제는 직경이 2㎜ 내지 7㎜ 정도로 필렛형으로 제조되고, 제조된 이산화탄소 흡착제는 공기가 자유롭게 이동할 수 있는 메쉬(mesh) 형상으로 직육면체 또는 다양한 형태로 제작된 박스에 충진되어 이산화탄소를 흡착 제거하기 위한 필터로 사용된다.
상기 3가지 조성물을 혼합하여 반죽한 덩어리를 수분이 건조되지 않도록 비닐봉지 또는 밀폐된 용기에 넣어서 2℃ 내지 5℃에서 하루(24시간)이상 동안 냉장 방치하여 숙성시키는 단계를 포함한다.
숙성시킨 혼합물 반죽 덩어리를 꺼내어 상온에서 빚어서 필렛형 이산화탄소 흡착제를 제조하는 단계를 포함한다.
필렛형으로 제조된 이산화탄소 흡착제를 25℃ 내지 35℃에서 하루(24시간)이상 건조시키는 단계를 포함한다.
제올라이트의 경우에도 분말상태로 제조하기 전 단계에서 세척 후 상온에서 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
이와 같은 단계를 거쳐서 제조된 이산화탄소 흡착제는 버스 또는 지하철 내부와 같이 진동이 심한 장소에서 견딜 수 있는 강도와 내구성을 구비함은 물론이고, 흡착효율 역시 종래기술에 기재된 본 출원인이 제조한 이산화탄소 흡착제보다 약 25% 내지 35% 향상되었다.
본 발명의 보호범위는 본 발명에 따라 제조된 이산화탄소 흡착제 제조방법에 의하여 제조된 이산화탄소 흡착제를 포함한다.
다음은 본 발명에 따라 제조된 이산화탄소 흡착제 제조방법에 의하여 제조된 이산화탄소 흡착제의 성능을 테스트한 결과에 대하여 살펴본다.
진동에 대한 테스트 결과를 살펴본다.
도시철도차량의 『철도 차량 부품의 진동 시험 방법(KS R 9144)』의 2종 진동시험인 '여객차 또는 기관차의 차체에 부착하는 부품' B종 시험규격인 10Hz, 은진폭 3.5mm, 가속도 은진폭 13.7m/s2 조건에서 맞추어서 전후 2시간, 좌우 2시간, 상하 4시간 진동시험을 진행하여 내구성을 시험하였으며, 표1과 같다.
상기와 동일한 조건에서 수차례 반복하여 실험을 실시한 결과 동일 내지 유사한 결과를 얻었다.
Figure 112013015351597-pat00001
본 발명 명세서의 종래기술에 기재된 등록특허공보 제10-0879312호에 개시된 방법으로 제조된 이산화탄소 흡착제와 대비하여 진동에 대한 내구성이 비교할 수 없을 만큼 크게 향상되었다.
종래의 이산화탄소 제조방법(이하 '등록특허공보 제10-0879312호'를 의미한다)으로 제조된 이산화탄소 흡착제의 경우에는 견디지 못하고 파손되면서 심하게 먼지를 발생시키는 것을 확인할 수 있었다.
다음은 본 발명의 이산화탄소 흡착제 제조방법에 의하여 제조된 이산화탄소 흡착제의 강도테스트에 대하여 살펴본다.
도 2에서 x 축의 strain(mm)은 필렛형 이산화탄소 흡착제의 변형률을 나타낸 것이며, 압력 테스트에 의하여 필렛형 이산화탄소 흡착제가 늘어난 길이를 나타낸 것이다.
도 2에서, y 축은 필렛형 이산화탄소 흡착제에 가한 압력강도를 나타낸 것이다.
실험결과에서 알 수 있듯이 종래 기술에 의하여 제조된 이산화탄소 흡착제보다 본 발명의 이산화탄소 흡착제 제조방법에 의하여 제조된 이산화탄소 흡착제보다 훨씬 높은 압력에서 손상 또는 파손되지 아니하고 견딜 수 있음을 알 수 있었다.
이하, 본 발명에 따라 제작된 이산화탄소 흡착제의 컬럼테스트는 실험실 스케일(lab scale)로 컬럼 부피가 1ℓ이고, 주입되는 흡착제 량은 30g이다.
이하, 본 발명에 따라 제작된 이산화탄소 흡착제의 챔버테스트는 챔버부피가 4 ㎥, 형상은 330mm x 260mm x 30mm 규격의 알루미늄 케이싱의 모듈로 설계 제작하여 필렛형 이산화탄소 흡착제를 충진시켜 챔버테스트를 수행하였으며, 이산화탄소 흡착제 량은 약 800g(약 1.5L)이다.
다음은 본 발명에 따라 제조된 이산화탄소 흡착제의 내구성 및 흡착 효율을 시험한 결과에 대하여 살펴본다.
내구성 실험에 사용된 컬럼의 부피는 1 ℓ이며, 실험에 사용된 이산화탄소 흡착제는 30 g이다. 실험절차를 요약한다.
첫째, 이산화탄소(CO2) 가스와 질소(N2) 가스를 유량조절의 방식으로 혼합하여 이산화탄소 농도를 5,000ppm으로 유지한다.
둘째, 이산화탄소 농도를 5,000ppm으로 유지하도록 구성하며, 이산화탄소와 질소의 혼합가스를 이산화탄소 흡착제가 충진된 컬럼을 통과하도록 구성한다.
셋째, 이산화탄소 분석기를 사용하여 이산화탄소 농도를 측정한다. 분석방법은 비분산적외선법을 사용한다.
넷째, 이산화탄소 흡착제의 이산화탄소 제거효율을 분석한다.
이산화탄소 흡착제의 흡착 성능 컬럼테스트는 1,400분 동안 수행하였으며, 수행한 결과 도 3에서와 같이 200분 이내 5,000ppm으로부터 950ppm으로 이산화탄소의 농도가 감소되어 81%가 회수 제거되었음을 확인하였다.
400분 이내 400ppm으로 이산화탄소의 농도가 저감되어 92%가 회수되었으며 이후 400ppm 으로 동일한 이산화탄소 농도를 유지하였다.
이산화탄소 흡착제의 흡착성능 평가 시 유입되는 기체 중의 이산화탄소의 농도를 4,000ppm∼5,000ppm으로 고정하는 이유는 다중이용시설 또는 대중교통수단의 최대혼잡 시 측정된 이산화탄소의 농도가 3,500ppm(최대 5,000ppm 이상)이 측정되기 때문에 실제 상황에 대응하여 시험을 하기 위한 것이다.
다음은 배치형 챔버테스트(batch type chamber test) 결과를 살펴본다.
이산화탄소 흡착제의 흡착 성능평가를 위해 배치형 챔버테스트를 수행하였다.
실험에 사용된 챔버 부피는 4 m3이고, 실험에 사용된 이산화탄소 흡착제는 30 g이다. 밀폐된 챔버 안에서 이산화탄소 초기농도를 4,000 ppm에 맞춘 후 30분 동안 제거효율 실험을 실시한 결과 도 4에서와 같이 15분 이내 76%의 저감효율을 보였으며, 30분 이내 400ppm 까지 감소하여 90%의 저감효과를 나타내어 우수한 이산화탄소 제거 효율을 나타내었다.
다음은 본 발명에 따라 제조된 이산화탄소 흡착제 제조방법에 의하여 제조된 이산화탄소 흡착제를 이용하여 시험한 연속형 챔버테스트(continuous type chamber test)에 대하여 살펴본다.
앞서 사용한 챔버와 동일한 크기를 가지며, 이산화탄소의 유입과 유출이 연속적으로 이루어지는 환경을 조성하여 연속시험을 30분 동안 수행한 결과, 도 5에서와 같이 초기농도 4,042 ppm에서 10분 후 농도는 1,986 ppm으로 측정되어 51%의 이산화탄소 저감효율을 보였으며, 30분이내 1,218 ppm으로 저감되어 2,824ppm 회수되어 70% 저감되었음을 확인하였다.
다음은 본 발명에 따라 제조된 이산화탄소 흡착제의 수명(Life Time)을 평가한 결과에 대하여 살펴본다.
본 발명에 따라 제작된 이산화탄소를 선택적으로 제거하는 이산화탄소 흡착제의 수명을 알아보기 위해 챔버테스트(Chamber Test)로 100시간씩 10번에 걸쳐 실험을 수행하였으며, 그 결과는 도6에서와 같다.
도 6에서와 같이 이산화탄소 흡착제는 100시간 동안 약 90% 제거 효율을 유지함을 알 수 있다.
또한, 챔버 내 이산화탄소 농도를 3000ppm으로 일정하게 유지시키고, 이산화탄소 흡착제 모듈을 장착한 공기청정기를 가동시켰다.
계속 시험을 수행한 결과 200-400시간 이산화탄소 흡착성능에서 눈에 띄게 흡착성능이 감소하는 경향을 보였다. 최대 흡착 량은 약 100ppm 까지 감소하였고, 시간이 지속될수록 파과점에 도달하지 않았지만 유지시간이 감소되는 경향을 그래프로 확인할 수 있다.
본 발명은 버스 및 지하철 내부에 존재하는 이산화탄소를 제거하기 위하여 진동에 강하고 내구성이 우수한 이산화탄소 제거용 흡착제 제조방법 및 본 제조 방법을 이용하여 제조된 이산화탄소 제거용 흡착제를 제공할 수 있으므로 산업상 이용가능성이 매우 높다.

Claims (7)

  1. 이산화탄소 흡착제 제조방법에 있어서,
    분말 상태의 수산화리튬, 제올라이트 및 바인더를 각각 67중량% 내지 75중량%와, 32중량% 내지 20중량%와, 1중량% 내지 5중량% 비율로 혼합하여 물을 이용하여 반죽하는 단계;
    반죽한 혼합물 덩어리를 수분이 건조되지 않도록 비닐봉지 또는 밀폐된 용기에 넣어서 하루이상 냉장 방치하여 숙성시키는 단계;
    숙성시킨 혼합물 덩어리를 꺼내어 상온에서 빚어서 필렛형으로 이산화탄소 흡착제를 제조하는 단계; 및
    필렛형으로 제조된 이산화탄소 흡착제를 건조시키는 단계를 포함하는 이산화탄소 흡착제 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    반죽하는 단계의 이전 단계로 이산화탄소 흡착제의 내구성과 강도를 높이기 위하여 수산화리튬을 70℃ 내지 90℃와, 130℃ 내지 170℃와, 420℃ 내지 480℃ 3단계로 나누어 소성 및 밀링작업을 수행한 후 분말상태로 제조하는 단계를 더 포함하는 이산화탄소 흡착제 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    혼합물 덩어리를 숙성시키는 단계는 2℃ 내지 5℃에서 24시간 내지 30시간 동안 냉동 방치함을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착제 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    이산화탄소 흡착제를 건조시키는 단계는 27℃ 내지 32℃에서 24시간 내지 30시간 동안 건조시킴을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착제 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 이산화탄소 흡착제 제조방법에 의하여 제조된 필렛형 이산화탄소의 직경은 2㎜ 내지 7㎜ 크기로 형성함을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착제 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 바인더는 폴리비닐 알콜, 덱스트린 및 벤토나이트 중에서 하나를 선택하여 사용함을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착제 제조방법.
  7. 삭제
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