KR101567145B1 - 자동차 배기가스 정화 필터용 선택적 촉매환원 촉매 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 배기가스 정화 필터용 선택적 촉매환원 촉매 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이산화티탄, 바나듐, 텅스텐, 점토, 이산화규소, 유리섬유 및 바인더로 이루어지는데, 질소산화물을 정화하는 성분들과, 압출성 및 건조 후 기계적 물성이 우수한 바인더가 함유되어 질소산화물에 대해 우수한 정화효과를 나타내며, 제조비용이 저렴한 허니컴 구조의 필터를 제공할 수 있다.

Description

자동차 배기가스 정화 필터용 선택적 촉매환원 촉매 조성물 {SCR CATALYSTS COMPOSITION FOR PURIFYING EXHAUST GAS FILTER OF AUTOMOBILE}

본 발명은 자동차 배기가스 정화 필터용 선택적 촉매환원 촉매 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 질소산화물을 정화하는 성분들과, 압출성 및 건조 후 기계적 물성이 우수한 바인더 혼합물이 함유되어 질소산화물에 대해 우수한 정화효과를 나타내며, 기계적 물성이 우수한 허니컴 구조의 필터를 제공할 수 있는 자동차 배기가스 정화 필터용 선택적 촉매환원 촉매 조성물에 관한 것이다.

디젤 자동차는 우수한 연료의 연소효율로 유지비용이 저렴하고 오염물질의 총 배출량이 적기 때문에 가솔린 자동차에 비해 경쟁력이 있다.

최근에는 디젤엔진 제조기술의 발전으로 전세계적으로 디젤 차량이 증가되는 추세에 있으며, 이와 함께 엔진의 설계, 제작 기술발전에 따라서 오염물의 배출량이 꾸준하게 감소되고 있기는 하나, 오염물에 대한 규제가 더욱 강화되고 있으므로 그 규제치의 만족에 어려움이 있다.

디젤 자동차 배출물을 저감시키기 위한 방법으로는 저과잉공기연소법, 배가스재순환법, 저NOx 버너활용법 등 연소기술 및 버너기술을 이용하여 생성 메카니즘상 연소조건을 개선하여 질소산화물의 생성을 억제하는 전처리방법과 선택적촉매환원법(Selective Catalytic Reduction, SCR), 선택적비촉매환원법(Selective Non-Catalytic Reduction, SNCR), 플라즈마법 및 습식처리법 등 연소하여 배출되는 질소산화물을 후처리하는 방법이 있는데, 전처리 방법은 근본적으로 질소산화물의 생성을 억제하는 이상적인 방법이지만 에너지효율과 질소산화물 제거효율이 후처리 방법에 비해 매우 낮아 완전히 질소산화물을 제거할 수 없기 때문에 대부분의 질소산화물 저감 시스템은 후처리 기술이 주류를 이루고 있으며, 이 중에서도 암모니아나 우레아 및 탄화수소 등의 환원제를 사용하여 비교적 낮은 온도에서 질소산화물과 환원제를 혼합시켜 촉매층에서 질소산화물을 인체에 무해한 질소와 수증기로 환원시키는 선택적촉매환원법을 주로 채택하고 있다.

이러한 선택적촉매환원 기술에 사용되고 있는 촉매는 형태에 따라 크게 압출성형공정으로 제조하는 허니컴구조형 모노리틱 촉매, 금속판을 이용하여 제조하는 메탈 플레이트 촉매, 펠렛 촉매 등으로 구분될 수 있으며, 일반적으로 허니컴구조체형 모노리틱 촉매와 플레이트 촉매가 주로 사용되고 있다. 이러한 촉매는 비표면적 크고, 화학적으로 안정한 담체원료인 티타니아, 알루미나, 지르코니아, 실리카, 제올라이트 등에 바나듐산화물, 텅스텐산화물, 몰리브덴산화물, 철산화물 등의 활성금속 산화물을 1종 또는 그 이상 담지시켜 제조한 촉매원료 분말을 사용하여 제조한다. 특히 벌집구조체형 모노리틱 촉매는 위의 촉매원료에 각종 유기, 무기첨가제를 투입하여 만든 배토를 원하는 형상의 금형을 통과시켜 허니컴구조체형으로 압출성형하여 건조시킨 후, 하소하여 사용되고 있다.

그러나 종래에 허니컴구조체형 모노리틱 촉매는 비표면적, 기공크기 등의 조절이 용이하고, 활성금속산화물의 담지에 따른 질소산화물 저감효율이 우수한 장점이 있는 반면, 촉매 자체가 고가의 활성금속산화물과 티타니아, 감마알루미나, 제올라이트 등으로 구성되어 있어 고가원료 소모가 많을 뿐 아니라, 성형이 잘되지 않는 티타니아의 문제 및 저온 하소로 인한 낮은 강도를 극복하기 위하여 각종 유기, 무기 공정첨가제를 다량으로 첨가되어야 하며, 압출성이 낮아 압출성형시에 공정효율성이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 질소산화물을 정화하는 성분들이 함유되어 질소산화물에 대해 우수한 정화효과를 나타내는 필터를 제공하는 자동차 배기가스 정화 필터용 선택적 촉매환원 촉매 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 압출성 및 건조 후 기계적 물성이 우수한 바인더와 점토가 함유되어 제조비용이 저렴하고, 기계적 물성이 우수한 필터를 제공하는 자동차 배기가스 정화 필터용 선택적 촉매환원 촉매 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 이산화티탄, 바나듐, 텅스텐, 점토, 이산화규소, 유리섬유 및 바인더로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스 정화 필터용 선택적 촉매환원 촉매 조성물을 제공함에 의해 달성된다.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 자동차 배기가스 정화 필터용 선택적 촉매환원 촉매 조성물은 이산화티탄 100 중량부, 바나듐 1.5 내지 8 중량부, 텅스텐 4 내지 15 중량부, 점토 0.1 내지 10 중량부, 이산화규소 0.1 내지 10 중량부, 유리섬유 0.1 내지 15 중량부 및 바인더 4 내지 5 중량부로 이루어지는 것으로 한다.

본 발명의 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 바인더는 하이드록시프로필메틸셀룰로오스 및 메틸셀룰로오스로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것으로 한다.

본 발명의 더욱 바람직한 특징에 따르면, 상기 유리섬유는 길이가 0.1 내지 1.0 밀리미터인 것으로 한다.

본 발명에 따른 자동차 배기가스 정화 필터용 선택적 촉매환원 촉매 조성물은 질소산화물을 정화하는 성분들이 함유되어 질소산화물에 대해 우수한 정화효과를 나타내는 필터를 제공한다.

또한, 압출성 및 건조 후 기계적 물성이 우수한 바인더와 점토가 함유되어 제조비용이 저렴하고, 기계적 물성이 우수한 필터를 제공한다.

도 1은 본 발명의 실시예 5을 통해 제조된 자동차 배기가스 정화용 필터와 비교예 1을 통해 제조된 필터의 질소산화물 제거효율을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 2는 Urea injection이 100% 일때, 본 발명의 실시예 5을 통해 제조된 자동차 배기가스 정화용 필터와 비교예 1을 통해 제조된 필터의 질소산화물 제거효율을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 3은 Urea injection이 130% 일때, 본 발명의 실시예 5을 통해 제조된 자동차 배기가스 정화용 필터와 비교예 1을 통해 제조된 필터의 질소산화물 제거효율을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 5을 통해 제조된 자동차 배기가스(Extrusive SCR, 200) 정화용 필터와 비교예 1을 통해 제조된 필터(Coating SCR, 200) 및 셀밀도가 높은 필터(Coating SCR, 380)의 단면을 나타낸 사진이다.
도 5는 비교예 2를 통해 제조된 허니컴 구조를 갖는 자동차 배기가스 정화용 필터를 나타낸 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1 내지 2 및 비교예 3 내지 4를 통해 제조된 허니컴 구조를 갖는 자동차 배기가스 정화용 필터를 나타낸 사진이다.

이하에는, 본 발명의 바람직한 실시예와 각 성분의 물성을 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

본 발명에 따른 자동차 배기가스 정화 필터용 선택적 촉매환원 촉매 조성물은 이산화티탄, 바나듐, 텅스텐, 점토, 이산화규소, 유리섬유 및 바인더로 이루어지며, 이산화티탄 100 중량부, 바나듐 1.5 내지 8 중량부, 텅스텐 4 내지 15 중량부, 점토 0.1 내지 10 중량부, 이산화규소 0.1 내지 10 중량부, 유리섬유 0.1 내지 15 중량부 및 바인더 4 내지 5 중량부로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 이산화티탄, 바나듐, 텅스텐 및 이산화규소 등은 자동차 배기가스에 함유된 질소산화물을 정화하는 역할을 하는데, 상기의 성분들은 유리섬유 및 바인더와 혼합된 후에 압출과정을 거쳐 허니컴 구조의 필터로 제조된다.

이때, 질소산화물의 정화과정은 질소산화물을 함유하고 있는 자동차 배기가스가 허니컴 구조의 필터를 통과하면서 이루어지는데, 정화과정이 주로 필터의 표면에서 이루어지기 때문에, 허니컴 구조의 필터의 표면에서 질소산화물의 제거효율성을 높이기 위해 이산화티탄 100 중량부에 대해 바나듐 1.5 내지 8 중량부, 텅스텐 4 내지 15 중량부 및 이산화규소 0.1 내지 10 중량부가 함유되는 것이 바람직하다.

상기 바나듐의 함량이 1.5 중량부 미만이거나 텅스텐의 함량이 4 중량부 미만이면, 질소산화물의 제거효율성이 저하되며, 상기 바나듐의 함량이 8 중량부를 초과하거나, 텅스텐의 함량이 15 중량부를 초과하게 되면, 질소산화물의 제거효율성은 더 이상 향상되지 않고, 필터의 기계적 물성을 저하시키며 제조비용을 증가시키게 된다.

상기 점토는 0.1 내지 10 중량부가 함유되며, 본 발명에 따른 자동차 배기가스 정화용 필터 조성물에 함유되어 각 성분의 결속력을 높여주는 역할을 하는데, 점토의 종류로는 다양한 입도를 갖는 성분을 사용할 수 있으나, 입자크기가 0.001 ㎛ 내지 1 mm인 것을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 점토의 입도가 상기 범위 내일 경우에는 필터의 기공형성 및 기계적 강도를 향상시키는 역할을 하는데, 점토의 함량이 상기의 함량범위를 벗어나거나 상기의 입자크기를 벗어나면 상기에 나타낸 효과가 저하된다.

상기 유리섬유는 0.1 내지 15 중량부가 함유되며, 본 발명에 따른 자동차 배기가스 정화용 필터 조성물에 함유되어 필터의 기계적 물성을 보완하는 역할을 하는데, 상기의 성분들이 바인더 혼합물에 의해서만 결속됐을 때에 비해 유리섬유가 함유되면, 내충격성 및 내마모성과 같은 기계적 물성이 향상된다.

상기 유리섬유의 함량이 0.1 중량부 미만이면, 상기와 같은 기계적 물성의 향상효과가 미미하며, 상기 유리섬유의 함량이 15 중량부를 초과하게 되면 필터의 질소산화물 제거효율을 저하시키게 된다.

또한, 상기 유리섬유는 길이가 0.1 내지 1.0 밀리미터인 것을 사용하는 것이 바람직한데, 상기 유리섬유의 길이가 0.1 밀리미터 미만이면 쉽게 비산되어 작업성이 저하되며, 상기 유리섬유의 길이가 1.0 밀리미터를 초과하게 되면, 필터가 막히는 현상이 발생할 수 있다.

상기 바인더는 4 내지 5 중량부가 함유되며, 상기 바나듐, 텅스텐, 점토, 이산화규소 및 유리섬유를 물리적으로 결속시키는 역할을 하는데, 하이드록시프로필메틸셀룰로오스 및 메틸셀룰로오스로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것이 바람직한다.

상기 바인더의 함량이 4 중량부 미만이면, 성형된 필터에 크랙이 발생할 수 있으며, 상기 바인더의 함량이 5 중량부를 초과하게 되면 제조비용을 증가시키게 된다.

이하에서는, 본 발명에 따른 자동차 배기가스 정화용 필터 조성물의 물성을 실시예를 들어 설명하기로 한다.

<실시예 1>

이산화티탄 100 중량부, 바나듐 4 중량부, 텅스텐 10 중량부, 점토 5 중량부, 이산화규소 5 중량부, 유리섬유(길이가 0.6 밀리미터) 8 중량부 및 하이드록시프로필메틸셀룰로오스 4.5 중량부를 혼합하여 자동차 배기가스 정화 필터용 선택적 촉매환원 촉매 조성물을 제조하였다.

<실시예 2>

이산화티탄 100 중량부, 바나듐 4 중량부, 텅스텐 10 중량부, 점토 5 중량부, 이산화규소 5 중량부, 유리섬유(길이가 0.6 밀리미터) 8 중량부, 하이드록시프로필메틸셀룰로오스 3 중량부 및 메틸셀룰로오스 1.5 중량부를 혼합하여 자동차 배기가스 정화 필터용 선택적 촉매환원 촉매 조성물을 제조하였다.

<실시예 3>

이산화티탄 100 중량부, 바나듐 4 중량부, 텅스텐 10 중량부, 점토 5 중량부, 이산화규소 5 중량부, 유리섬유(길이가 0.6 밀리미터) 8 중량부, 하이드록시프로필메틸셀룰로오스 1.5 중량부 및 메틸셀룰로오스 3 중량부를 혼합하여 자동차 배기가스 정화 필터용 선택적 촉매환원 촉매 조성물을 제조하였다.

<실시예 4>

이산화티탄 100 중량부, 바나듐 4 중량부, 텅스텐 10 중량부, 점토 5 중량부, 이산화규소 5 중량부, 유리섬유(길이가 0.6 밀리미터) 8 중량부 및 메틸셀룰로오스 4.5 중량부를 혼합하여 자동차 배기가스 정화 필터용 선택적 촉매환원 촉매 조성물을 제조하였다.

<실시예 5>

상기 실시예 1의 자동차 배기가스 정화 필터용 선택적 촉매환원 촉매 조성물을 압출하여 30-30-150mm/200cpsi의 허니컴 구조를 갖는 자동차 배기가스 정화용 필터로 제조하였다.

<비교예 1>

상기 실시예 1을 통해 제조된 자동차 배기가스 정화 필터용 선택적 촉매환원 촉매 조성물을 30-30-150mm/200cpsi의 허니컴 구조의 담체의 표면에 코팅하여 자동차 배기가스 정화용 필터로 제조하였다.

<비교예 2>

상기 실시예 1과 동일하게 진행하되, 길이가 5 밀리미터인 유리섬유를 사용하여 허니컴 구조를 갖는 자동차 배기가스 정화용 필터로 제조하였다.

<비교예 3>

상기 실시예 1과 동일하게 진행하되, 하이드록시프로필메틸셀룰로오스를 함유하지 않고 허니컴 구조를 갖는 자동차 배기가스 정화용 필터로 제조하였다.

<비교예 4>

상기 실시예 1과 동일하게 진행하되, 하이드록시프로필메틸셀룰로오스 3 중량부를 혼합하여 허니컴 구조를 갖는 자동차 배기가스 정화용 필터로 제조하였다.

상기 실시예 5 및 비교예 1를 통해 제조된 자동차 배기가스 정화용 필터의 질소산화물 제거효율을 측정하여 아래 도 1에 나타내었다.

(단, 공간속도:20,000/hr, 질소산화물의 농도:900ppm, NH₃/질소산화물 비율=1.00, 수분농도:10%, 산소농도:13%, CO₂ 농도:6%의 조건에서 측정하였다.)

아래 도 1에 나타낸 것처럼, 본 발명의 실시예 5를 통해 제조된 자동차 배기가스 정화용 필터는 비교예 1을 통해 제조된 필터보다 월등히 우수한 질소산화물 제거효율(동일한 셀밀도일 경우)을 나타내는 것을 알 수 있다.

또한, 아래 도 2 및 도 3에 나타낸 것처럼, 본 발명의 실시예 5를 통해 제조된 배기가스 정화용 필터(Extruded SCR)는 비교예 1을 통해 제조된 자동차 배기가스 정화용 필터(200cpi coating SCR)에 비해 질소산화물의 제거효율이 월등히 우수한 것을 알 수 있다.

또한, 도 2 및 도 3에도 나타낸 바와 같이, 본원발명의 실시예 5를 통해 제조된 필터는 380cpsi의 코팅 제품과 거의 유사한 성능을 나타내기 때문에, 촉매에 걸리는 차압이 감소하여 차량의 출력 및 연비 개선에도 효과적이다.

또한, 상기 비교예 2를 통해 제조된 허니컴 구조를 갖는 자동차 배기가스 정화용 필터를 아래 도 5에 나타내었다.

아래 도 5에 나타낸 바와 같이 유리섬유의 길이가 5 밀리미터인 경우에는 필터가 막히는 현상이 발생하는 것을 알 수 있다.

또한, 상기 실시예 1 내지 2 및 비교예 3 내지 4를 통해 제조된 허니컴 구조를 갖는 자동차 배기가스 정화용 필터를 아래 도 6에 나타내었다.

아래 도 6에 나타낸 것처럼, 셀룰로오스 바인더가 함유되지 않은 필터나 셀룰로오스 바인더의 함량이 4 중량부 미만인 경우에는 필터에 균열이 발생하는 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 자동차 배기가스 정화 필터용 선택적 촉매환원 촉매 조성물은 질소산화물을 정화하는 성분들이 함유되어 질소산화물에 대해 우수한 정화효과를 나타내며, 압출성 및 건조 후 기계적 물성이 우수한 바인더 혼합물과 점토가 함유되어 제조비용이 저렴하고, 기계적 물성이 우수한 필터를 제공한다.

Claims (4)

1. 삭제
2. 이산화티탄 100 중량부, 바나듐 1.5 내지 8 중량부, 텅스텐 4 내지 15 중량부, 점토 0.1 내지 10 중량부, 이산화규소 0.1 내지 10 중량부, 유리섬유 0.1 내지 15 중량부, 및 하이드록시프로필메틸셀룰로오스 및 메틸셀룰로오스로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 바인더 4 내지 5 중량부로 이루어지며, 압출과정을 거쳐 허니콤 구조의 필터로 제조되는 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스 정화 필터용 선택적 촉매환원 촉매 조성물.
   
3. 삭제
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 유리섬유는 길이가 0.1 내지 1.0 밀리미터인 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스 정화 필터용 선택적 촉매환원 촉매 조성물.

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