KR101683006B1 - Preparation of steam-activated carbon by polyolefine and manufacuring methode - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 수증기로 활성화시킨 폴리올레핀 기반의 활성탄 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 폴리올레핀을 가교한 후 고온로에서 탄화시킨 후에 수증기로 활성화시켜 활성탄을 제조함으로써 기존의 야자각(殼), 코크스, 페놀 기반 활성탄보다 우수한 기공 특성 및 전기화학적 특성의 구현을 가능하게 하는 활성탄 및 이의 제조방법이다.The present invention relates to a polyolefin-based activated carbon activated by water vapor and a process for producing the activated carbon. More particularly, the present invention relates to a process for producing polyolefins, which comprises crosslinking polyolefins, carbonizing them at high temperature, activating them with water vapor to produce activated carbon, thereby realizing excellent pore characteristics and electrochemical characteristics than conventional coconut shells, coke and phenol- Activated carbon and a method for producing the same.
최근 고유가와 스마트 휴대용 기기의 대중적인 사용으로 인하여 신재생에너지 및 에너지 저장 장치에 대한 관심이 높아지고 있다. 활성탄은 특유의 기공특성으로 인하여 환경 정화 및 에너지 저장 등에 주요하게 적용되는 소재이다. 이러한 기존의 활성탄은 수증기를 이용한 야자각(殼), 코크스 기반 활성탄 및 수산화칼륨을 이용한 페놀계 활성탄 등이 생산되고 있다. 하지만, 야자각과 코크스 내부에는 많은 회분이 존재하여 전극이나 흡착제로의 이용에 부반응을 일으킬 수 있으며, 수산화칼륨을 이용한 기존의 페놀계 활성탄은 활성화제의 사용으로 인하여 제조비용이 고가인 단점이 있다.Recently, due to high oil prices and popular use of smart portable devices, interest in renewable energy and energy storage devices is increasing. Activated carbon is a material mainly applied to environmental purification and energy storage because of its peculiar pore characteristics. These conventional activated carbons are produced by using coconut shells based on water vapor, activated carbon based on coke, and phenol based activated carbon using potassium hydroxide. However, a large amount of ash is present in the coconut shell and the coke, which may cause side reactions to the use as an electrode or an adsorbent, and the conventional phenol-based activated carbon using potassium hydroxide has a disadvantage of high production cost due to the use of an activator.
활성탄의 제조와 관련한 종래기술로서, 등록특허공보 제10-0476713호에는 “기공형 폴리올레핀재료로서 폴리스티렌계 음이온교환수지 또는 아크릴계 음이온교환수지를 산성의 약품활성화제 수용액으로 첨착 처리한 후 불활성 분위기 하에서 활성화시키는 것을 포함하는, 활성탄소의 제조방법”이 개시되어 있다. 그러나 상기 발명은 약품활성화제를 사용함으로써 공해 발생 및 제품인 활성탄의 비표면적이 크지 않아 제품의 품질이 우수하지 못한 문제가 있다.As a conventional technique relating to the production of activated carbon, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-0476713 discloses a method in which a polystyrene-based anion exchange resin or an acrylic-based anion exchange resin as a porous polyolefin material is impregnated with an acidic aqueous solution of a chemical activator, , &Quot; a method for producing activated carbon, " However, the use of the chemical activator has the problem that the pollution and the specific surface area of the activated carbon, which is a product, are not so large, resulting in poor product quality.
따라서, 친환경적인 활성화법을 사용한 기공특성 및 전기화학적 특성이 우수하여 품질이 탁월할 뿐만 아니라 활성탄을 저렴하게 제조할 수 있는 새로운 기술개발이 절실히 필요한 실정이다.Therefore, it is inevitable to develop a new technology that not only has excellent pore characteristics and electrochemical characteristics using an environmentally friendly activation method, but also is excellent in quality and can be produced at a low cost.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 폴리올레핀을 이용하여 활성탄을 친환경적으로 제조함으로써 기공 특성 및 전기화학적 특성이 우수할 뿐만 아니라, 제조원가를 저렴하게 제조할 수 있는 수증기로 활성화시킨 폴리올레핀 기반의 활성탄 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a polyolefin-activated polyolefin which is not only excellent in pore characteristics and electrochemical characteristics by producing environmentally friendly activated carbon using polyolefin, Based activated carbon and a method for producing the same.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 폴리올레핀을 황산을 이용하여 가교하는 단계; (b) 상기 가교된 폴리올레핀을 질소 분위기에서 가열하여 탄화시켜 비결정질 탄소를 생성하는 단계; (c) 상기 비결정질 탄소를 질소 분위기에서 가열한 후에 수증기 분위기에서 활성화시켜 활성탄을 생성하는 단계; 및 (d) 상기 생성된 활성탄을 질소 분위기에서 냉각시켜 활성탄을 제조하는 단계;를 포함하는 수증기로 활성화시킨 폴리올레핀 기반의 활성탄 제조방법을 제공할 수 있다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing a polyolefin comprising: (a) crosslinking a polyolefin using sulfuric acid; (b) carbonizing the crosslinked polyolefin by heating in a nitrogen atmosphere to produce amorphous carbon; (c) heating the amorphous carbon in a nitrogen atmosphere and then activating the amorphous carbon in a steam atmosphere to produce activated carbon; And (d) cooling the generated activated carbon in a nitrogen atmosphere to produce activated carbon. The present invention can provide a method for producing activated carbon based on polyolefins based on water vapor.
상기 단계 (a)에서 상기 폴리올레핀의 가교방법은 온도를 150~180℃인 상태에서 1~2 시간 동안 가열할 수 있다.In the step (a), the crosslinking method of the polyolefin may be heated at a temperature of 150 to 180 ° C for 1 to 2 hours.
상기 수증기로 활성화시킨 폴리올레핀 기반의 활성탄 제조방법은 상기 단계 (b)에서 상기 가열시 온도를 800~1,000℃인 상태에서 1~2 시간 동안 가열할 수 있다.The activated polyolefin-based activated carbon may be heated in the step (b) at a temperature of 800 to 1,000 ° C for 1 to 2 hours.
상기 단계 (c)에서 상기 활성화는 질소 분위기에서 900℃로 유지한 이후, 수증기 분위기에서 20~40분 동안 이루어질 수 있다.In the step (c), the activation may be carried out in a steam atmosphere for 20 to 40 minutes after the temperature is maintained at 900 DEG C in a nitrogen atmosphere.
상기 단계 (c)에서 상기 활성화는 질소 분위기에서 1,000℃로 유지한 후에, 수증기 분위기에서 20~30분 동안 이루어질 수 있다.In the step (c), the activation may be carried out in a steam atmosphere for 20 to 30 minutes after the temperature is maintained at 1,000 DEG C in a nitrogen atmosphere.
상기 단계 (d)는 질소 분위기에서 상온(常溫)으로 냉각할 수 있다.The step (d) may be cooled to room temperature in a nitrogen atmosphere.
또한, 본 발명은 상기 활성탄 제조방법 중 적어도 하나의 제조방법에 의하여 제조되되, 비표면적이 950~2,430㎡/g인 것을 특징으로 하는 활성탄을 제공할 수 있다.The present invention also provides an activated carbon according to at least one of the above methods for producing activated carbon, which has a specific surface area of 950 to 2,430
본 발명의 실시 예에 따른 수증기로 활성화시킨 폴리올레핀 기반의 활성탄 및 이의 제조방법은 종래 상용화된 활성탄의 제조방법에 비해 더 높은 기공특성 및 전기화학적 특성을 구현할 수 있으며, 종래의 약품활성화제와 같은 화학약품을 사용하지 않으므로 친환경적일 뿐만 아니라 활성탄을 저렴하게 제조할 수 있다.The polyolefin-based activated carbon activated by water vapor according to an embodiment of the present invention and its manufacturing method can realize higher pore characteristics and electrochemical characteristics than conventional commercial activated carbon production methods, Since no chemicals are used, it is not only environmentally friendly, but also can produce inexpensive activated carbon.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 수증기로 활성화시킨 폴리올레핀 기반의 활성탄 및 이의 제조방법은 종래 상용화된 활성탄에 비해 더 높은 기공특성 및 전기화학적 특성을 구현할 수 있으므로 전기화학축전기용 전극소재, 수소저장용 전극소재, 이산화탄소 저장소재 등의 에너지 저장 및 환경정화용 소재로서 유용하게 사용될 수 있는 효과가 기대된다.Also, the polyolefin-based activated carbon activated by water vapor according to the embodiment of the present invention and the manufacturing method thereof can realize higher pore characteristics and electrochemical characteristics than conventional commercialized activated carbon. Therefore, the electrode material for electrochemical capacitors, Electrode material, carbon dioxide storage material, and the like, which are useful for energy storage and environmental purification.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 수증기로 활성화시킨 폴리올레핀 기반의 활성탄 제조방법을 순적으로 도시한 흐름도.
도 2는 수증기로 활성화시킨 폴리올레핀 기반의 활성탄을 제조하기 위한 제조 장치를 개략적으로 도시한 개념도.
도 3은 본 발명의 활성탄 제조방법에 의해 제조된 활성탄의 주사전자 현미경(SEM) 사진.
도 4는 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 활성탄의 X선 회절곡선.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a flow chart illustrating a method of manufacturing a polyolefin-based activated carbon activated with water vapor according to an embodiment of the present invention; FIG.
2 is a conceptual view schematically showing a production apparatus for producing activated carbon based on polyolefins activated with water vapor.
3 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of activated carbon produced by the activated carbon production method of the present invention.
4 is an X-ray diffraction curve of activated carbon produced by the production method of the present invention.
이하, 도면을 참조한 본 발명의 설명은 특정한 실시 형태에 대해 한정되지 않으며, 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있다. 또한, 이하에서 설명하는 내용은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, the description of the present invention with reference to the drawings is not limited to a specific embodiment, and various transformations can be applied and various embodiments can be made. It is to be understood that the following description covers all changes, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the present invention.
이하의 설명에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되는 용어로서, 그 자체에 의미가 한정되지 아니하며, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.In the following description, the terms first, second, and the like are used to describe various components and are not limited to their own meaning, and are used only for the purpose of distinguishing one component from another component.
본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.Like reference numerals used throughout the specification denote like elements.
본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 이하에서 기재되는 "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로 해석되어야 하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.As used herein, the singular forms "a", "an" and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise. It is also to be understood that the terms " comprising, "" comprising, "or" having ", and the like are intended to designate the presence of stated features, integers, And should not be construed to preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도 1 내지 도 4를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 4 attached hereto.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 수증기로 활성화시킨 폴리올레핀 기반 활성탄의 제조방법을 도시한 흐름도이고, 도 2는 도 1의 활성탄의 제조를 위한 제조장치를 계략적으로 도시한 개념이다. 이하 도 1 및 도 2를 참조하여 수증기로 활성화시킨 폴리올레핀 기반 활성탄 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다.FIG. 1 is a flowchart illustrating a method for producing activated polyolefin-based activated carbon according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 schematically illustrates a manufacturing apparatus for producing activated carbon of FIG. Hereinafter, a method for producing a polyolefin-based activated carbon activated by water vapor will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 수증기로 활성화시킨 폴리올레핀 기간 활성탄의 제조방법은 폴리올레핀을 가열 가능한 용기에 황산과 함께 담지하는 단계(S100), 담지된 폴리올레핀을 가열하여 가교하는 단계(S200), 가교된 폴리올레핀을 세척하는 단계(S300), 세척이 완료된 가교된 폴리올레핀을 고온로에 장입시키는 단계(S400), 장입된 가교된 폴리올레핀을 질소 분위기의 고온로에서 가열하여 탄화시킴으로써 비결정성 탄소를 생성하는 단계(S500), 비결정성 탄소를 가열한 후에 수증기 분위기에서 활성화시켜 활성탄을 생성하는 단계(S600) 및 생성된 활성탄을 냉각시켜 활성탄을 제조하는 단계(S700)를 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 2, a method of manufacturing activated carbon for polyolefin activated with water vapor according to an embodiment of the present invention includes: supporting polyolefin in a heatable container together with sulfuric acid (S100); heating the supported polyolefin (S300) washing the crosslinked polyolefin (S300), charging the crosslinked polyolefin having been cleaned into the high temperature furnace (S400), heating the crosslinked polyolefin in the high temperature furnace in a nitrogen atmosphere to carbonize A step of forming amorphous carbon (S500), a step of heating the amorphous carbon to activate activated carbon in a steam atmosphere to generate activated carbon (S600), and a step of cooling activated carbon to produce activated carbon (S700) have.
먼저, 가열가능한 용기에 황산을 넣고 폴리올레핀을 담지한다(S100). First, sulfuric acid is added to the heatable container and the polyolefin is carried thereon (S100).
이어서, 용기를 가열하여 폴리올레핀을 가교시킨다(S200). 폴리올레핀을 가교하기 위하여 본 발명에서는 황산을 사용한다. 이들에서 가교반응을 끌어내기 위해서는 황산을 가열시키는데, 황산은 온도가 올라가면 탈 수소화 반응을 일으킴으로써 폴리올레핀 섬유의 고리화가 진행되고, 황산의 가교반응을 원활하게 하기 위해서는 진한황산을 사용하는 것이 바람직하다. 황산에 폴리올레핀을 용이하게 담지하여 화로에 용이하게 넣기 위해, 예를 들면, 도가니에 안에 황산에 폴리올레핀이 완전히 담지 되게 한다.Subsequently, the container is heated to crosslink the polyolefin (S200). In the present invention, sulfuric acid is used to crosslink the polyolefin. In order to induce the crosslinking reaction, the sulfuric acid is heated. When the temperature of the sulfuric acid increases, the dehydrogenation reaction is caused to cause the polyolefin fibers to cyclize and to use the sulfuric acid in order to smooth the crosslinking reaction of the sulfuric acid. In order to easily carry the polyolefin in the sulfuric acid and to easily put it into the furnace, for example, polyolefin is completely supported on the sulfuric acid in the crucible.
이때, 폴리올레핀을 가교하기 위해서는 황산에 담지한 후 150~180℃에서 1 ~ 2시간 동안 가교반응을 일으킨다. 용기를 가열하는 가열온도 온도가 150℃ 미만일 경우 가교반응이 거의 이루어지지 않아 탄화과정에서 수율이 크게 감소하며, 180℃에서 가교반응이 완료되므로 180℃이상 온도를 승온시켜도 추가적인 가교반응이 이루어지지 않기에 생산단가가 상승하게 된다. At this time, in order to crosslink the polyolefin, it is supported on sulfuric acid and then crosslinked at 150 to 180 ° C for 1 to 2 hours. When the heating temperature for heating the container is lower than 150 ° C, the crosslinking reaction hardly occurs and the yield is greatly reduced during the carbonization process. Since the crosslinking reaction is completed at 180 ° C, the crosslinking reaction is not performed even if the temperature is raised above 180 ° C The production cost will rise.
이어서, 가교된 폴리올레핀을 세척한다(S300). The crosslinked polyolefin is then washed (S300).
세척한 후, 가교된 폴리올레핀을 도 2의 관튜브(30)를 이용하여 고온로(10)에 장입한다(S400).After washing, the crosslinked polyolefin is charged into the
이어서, 고온로(10)에 장입된 가교된 폴리올레핀을 질소 분위기에서 가열하여 탄화시켜 비결정 탄소를 생성한다(S500). 이때, 도 2의 제조장치가 사용된다.Subsequently, the crosslinked polyolefin charged in the high-
여기서, 도 2의 제조장치는 고온로(10)는 관튜브(30)의 외각에 회전가능하도록 형성되며, 밀폐되도록 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 관튜브(30)의 내부에 질소와 수증기 투입이 가능하도록 형성된다. 예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 관튜브(30)의 일측단에 질소 주입관(40)이 내부로 관통되도록 형성된다. 또한, 수증기를 공급하도록 물탱크(80)와 연결되어 공급된 물을 가열하는 가열로(70)에 결합된 가열 튜브(50)가 관튜브(30) 내부로 관통된다. 여기서, 관튜브(30) 내부로 공급되는 수증기의 양을 조절하도록 물탱크와 가열로 사이에 유량조절기(60)가 형성될 수 있다. 이때, 고온로(10)에 삽입되는 관튜브(30)로서는 철(스테인레스스틸 포함), 알루미나, 알루미늄 등 다양한 재질이 가능하나, 고온에서 회전 시에 관튜브(30)의 내구성 문제를 해결하기 위하여 재질을 철(鐵)로 하는 것이 바람직하다. 또한, 물을 가열하여 승온시키는 장치면 어떠한 것도 가능하다.2, it is preferable that the
고온로(10)에 장입된 가교된 폴리올레핀을 질소 분위기에서 가열하여 탄화시켜 비결정 탄소를 생성할 때, 전체적인 탄화 및 활성화 조건이 800℃ 내지 1000℃의 고온에서 이루어지기 때문에 이에 적합한 SiC 발열체가 관튜브(30)의 위, 아래로 위치하게 하는 것이 바람직하다. 이때, 제조장치는 비결정성 탄소(20)와 활성탄을 제조하기 위하여 관튜브(30) 내부의 공기를 모두 제거하여야만 한다. 이를 위해 99.99% 이상의 질소(N2) 가스를 투입관(40)으로부터 관튜브(30)의 내부에 30분 이상 충전시킴으로써 승온(昇溫) 전에 그 내부를 안정화시킨다. When the crosslinked polyolefin charged in the
관튜브(30)의 질소분위기에서 가교된 폴리올레핀을 800~1000℃에서 1~2시간 동안 탄화시킨다. 이때, 온도가 800℃ 미만일 경우 탄화가 완벽히 이루어지지 않고, 활성화 공정에서 활성화 잘 되지 않아 기공 특성이 약화되며, 1000℃를 초과할 경우 구성 성분의 대부분이 탄소만 남게 되고 과한 활성화 반응으로 인하여 수율이 낮게 되는 문제점이 발생한다.The crosslinked polyolefin is carbonized at 800 to 1000 ° C for 1 to 2 hours in a nitrogen atmosphere of the tube tube (30). If the temperature is lower than 800 ° C., carbonization is not completely performed, activation is not performed well in the activation process, and pore characteristics are weakened. When the temperature exceeds 1000 ° C., most of the constituents remain only carbon, A problem occurs in that it becomes low.
다음으로, 비결정성 탄소를 가열한 후 수증기로 활성화시켜 활성탄을 생성한다(S600). 이때, 질소로 충전된 관튜브(30)의 온도를 900℃ 내지 1000℃로 유지시켜 고온로(10)가 활성온도까지 상승되면, 질소의 투입을 중지하고, 이어서 수증기를 관튜브(30)로 투입하여 수증기 분위기로 전환시킨 후에 비결정성 탄소를 10 내지 40분 동안 활성화시킨다. 이는 수증기에 의한 하드카본의 활성화 반응을 시간에 따라 조절하기 위함이다. 이때, 활성화 온도가 900℃ 미만일 경우 온도가 낮아 하드카본의 활성화 반응이 잘 이루어지지 않았으며, 1000℃를 초과할 경우 과한 활성화 반응으로 인하여 수율이 매우 낮게 나타난다.Next, the amorphous carbon is heated and activated with water vapor to produce activated carbon (S600). At this time, when the temperature of the
다음으로, 생성된 활성탄을 냉각시켜 활성탄을 제조한다(S700). 수증기로 활성화시킨 활성탄을 질소 분위기에서 냉각시켜 활성탄을 제조한다. 이때, 관튜브(30)로 수증기 투입을 중지하고 질소를 충전하여 질소 분위기로 전환함으로써 관튜브(30)의 내부를 안정화시킨다. 이어서 활성탄을 질소 분위기에서 상온으로 냉각시킴으로써 기공 특성 등 물성이 우수한 최종제품인 활성탄을 얻을 수 있다. 또한, 제조된 활성탄은 사용 용도에 맞게 10~1500 메쉬로 분쇄하여 사용할 수 있다.Next, the generated activated carbon is cooled to produce activated carbon (S700). Activated carbon activated by water vapor is cooled in a nitrogen atmosphere to produce activated carbon. At this time, the supply of water vapor is stopped with the
도 3은 상기 활성탄 제조방법에 의해 제조된 활성탄의 주사전자 현미경(SEM) 사진으로 기공 특성이 우수한 활성탄이 제조된 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 4에 x-선 회절법으로 측정한 2θ의 그래프를 얻을 수 있다. 측정시 CuKa선의 파장은 0.15406mm로 하였다. 이때, 측정범위는 5° ~ 80°까지 이며, 측정 속도는 2 °/min으로 하였다. 측정결과 002 영역에서와 같이 피크 폭이 넓은 비결정 활성탄이 제조된 것을 확인할 수 있다.FIG. 3 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the activated carbon produced by the method for producing activated carbon, showing that activated carbon having excellent pore characteristics was produced. Further, a graph of 2? Measured by x-ray diffraction can be obtained in Fig. The wavelength of the CuKa line was 0.15406 mm. At this time, the measurement range was 5 ° to 80 ° and the measurement speed was 2 ° / min. As a result of the measurement, it can be confirmed that amorphous activated carbon having a wide peak width was produced as in the 002 region.
이하, 상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것일 뿐 본 발명이 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention as described above can be better understood by the following examples, and the examples are for illustrative purposes only, and the present invention is not limited by these examples.
이후의 설명은 상기 제조방법을 통해 제조되는 실시 예들과, 제조된 활성탄을 분석한 실험예 및 상기 제조방법을 통해 제조된 활성탄으로 제조된 전극 및 축전지의 활용예를 설명하기로 한다.The following description will be directed to embodiments produced through the above-described production method, an experimental example in which the activated carbon produced is analyzed, and an application example of the electrode and the battery made of the activated carbon produced through the above-described manufacturing method.
<실시예 1> ≪ Example 1 >
폴리올레핀을 황산에 담지하여 화로에 넣고 170℃까지 승온시켜 고리화반응을 이끌어 낸 후에 30 min간 유지하여 고리화가 이루어진 폴리올레핀을 제조하였다. The polyolefin was supported on sulfuric acid and placed in a furnace, and the temperature was raised to 170 ° C to induce the cyclization reaction. The temperature was maintained for 30 minutes to prepare a cyclized polyolefin.
가교된 폴리올레핀 10 g을 상온에서 고온로에 넣은 후에 질소를 투입하여 질소 분위기로 한 다음 고온로의 온도를 900℃로 상승시켜 120 분간 탄화시켜 5 g의 비결정성 탄소를 얻었다. 이어서 고온로의 온도를 900℃로 유지하면서 고온로에 수증기를 투입하여 수증기 분위기로 전환한 후에 비결정성 탄소를 900℃에서 10분간 활성화시켜 활성탄을 얻었다. 계속하여 고온로에 질소를 투입하여 질소 분위기로 한 후에 활성탄을 상온으로 냉각시켜 최종제품인 활성탄 3.5 g을 제조할 수 있었다. 10 g of the crosslinked polyolefin was put into a high temperature furnace at room temperature, and then nitrogen was introduced into the furnace to raise the temperature of the furnace to 900 ° C. and carbonization for 120 minutes to obtain 5 g of amorphous carbon. Subsequently, while the temperature of the high-temperature furnace was kept at 900 ° C, steam was introduced into the high-temperature furnace to convert it into a steam atmosphere, and the amorphous carbon was activated at 900 ° C for 10 minutes to obtain activated carbon. Subsequently, nitrogen was introduced into the high temperature furnace to set the atmosphere to nitrogen, and then the activated carbon was cooled to room temperature to obtain 3.5 g of activated carbon as the final product.
<실시예 2> ≪ Example 2 >
실시예 1과 비교하여 수증기 활성화 시간을 10분 대신에 20분간 활성화한 점만 다를 뿐 나머지 공정은 동일하게 하였다. The remaining processes were the same except that the steam activation time was activated for 20 minutes instead of 10 minutes as compared with Example 1.
<실시예 3> ≪ Example 3 >
실시예 1과 비교하여 수증기 활성화 시간을 10분 대신에 30분간 활성화한 점만 다를 뿐 나머지 공정은 동일하게 하였다. The remaining steps were the same except that the steam activation time was activated for 30 minutes instead of 10 minutes as compared with Example 1.
<실시예 4> <Example 4>
실시예 1과 비교하여 수증기 활성화 시간을 10분 대신에 40분간 활성화한 점만 다를 뿐 나머지 공정은 동일하게 하였다. The remaining steps were the same except that the steam activation time was activated for 40 minutes instead of 10 minutes as compared with Example 1.
<실시예 5> ≪ Example 5 >
실시예 1과 비교하여 수증기 활성화 온도를 900℃ 대신에 1000℃로 활성화한 점만 다를 뿐 나머지 공정은 동일하게 하였다. Compared to Example 1, the remaining steps were the same except that the steam activation temperature was activated at 1000 占 폚 instead of 900 占 폚.
<실시예 6> ≪ Example 6 >
실시예 5과 비교하여 수증기 활성화 시간을 10분 대신에 20분간 활성화한 점만 다를 뿐 나머지 공정은 동일하게 하였다. The remaining steps were the same except that the steam activation time was activated for 20 minutes instead of 10 minutes as compared with Example 5.
<실시예 7> ≪ Example 7 >
실시예 5과 비교하여 수증기 활성화 시간을 10분 대신에 30분간 활성화한 점만 다를 뿐 나머지 공정은 동일하게 하였다. The remaining steps were the same except that the steam activation time was activated for 30 minutes instead of 10 minutes as compared with Example 5.
<비교예><Comparative Example>
전기화학적 축전기에 보편적으로 사용되고 있는 kuraray사의 상용 활성탄(YP-50F)를 사용하였다.Commercial activated carbon (YP-50F) of kuraray, which is commonly used for electrochemical capacitors, was used.
상기 실시예 1 내지 7 및 비교예에서 제조된 활성탄에 대하여 다음과 같은 시험을 실시하였다.The following tests were conducted on the activated carbon prepared in Examples 1 to 7 and Comparative Examples.
<시험예 1> 활성탄의 기공 특성 분석<Test Example 1> Analysis of pore characteristics of activated carbon
실시예 1 내지 7과 비교예에서 제조된 활성탄의 기공 특성 분석을 위하여 각 시료들은 573K에서 잔류 압력을 10-3torr 이하로 유지한 상태로 6시간 동안 탈기시킨 후에 등온흡착장치(BELSORP-max, BEL JAPAN, Japan)를 이용하여 77K에서 상대압력 (P/P0)에 따른 질소(N2) 기체의 흡착량을 측정하여 활성탄의 비표면적을 산출하였으며, 그 결과를 [표 1]에 나타내었다.For the analysis of the pore characteristics of the activated carbon prepared in Examples 1 to 7 and Comparative Examples, each sample was deaerated at 573 K for 6 hours while keeping the residual pressure at 10 -3 torr or less. Thereafter, an isothermal adsorption device (BELSORP-max, BEL The specific surface area of activated carbon was calculated by measuring the adsorption amount of nitrogen (N 2 ) gas according to the relative pressure (P / P 0 ) at 77 K using JAPAN, Japan. The results are shown in Table 1.
<제조예 1> 활성탄을 이용한 전기화학 축전기용 전극의 제조Preparation Example 1 Preparation of electrode for electrochemical capacitor using activated carbon
바인더로서 스티렌-부타디엔고무(SBR), 카복시메틸셀룰로오스(CMC)를 1:2의 비율로 사용하고, 도전재로서 Timcal사의 Super-P를 사용하며, 실시예 1 내지 7 및 비교예에서 제조된 활성탄을 10 : 5 : 85의 중량비로 하여 3차원 혼합기를 이용하여 혼합한다. 혼합한 후에는 0.125㎜의 두께로 알루미늄 호일에 코팅한 후에 이를 150℃에서 롤프레스를 이용하여 압착을 한 다음 150℃의 진공오븐에서 12시간 동안 건조하여 전기화학축전기용 전극을 제조하였다.(SBR) and carboxymethyl cellulose (CMC) were used as a binder in a ratio of 1: 2, Super-P of Timcal Co. was used as a conductive material, and activated carbon prepared in Examples 1 to 7 and Comparative Example Are mixed at a weight ratio of 10: 5: 85 using a three-dimensional mixer. After mixing, the mixture was coated on an aluminum foil with a thickness of 0.125 mm, followed by compression using a roll press at 150 ° C., followed by drying in a vacuum oven at 150 ° C. for 12 hours to prepare an electrode for an electrochemical capacitor.
<제조예 2> Coin cell 타입의 전기화학 축전기 제조Preparation Example 2 Coin cell type electrochemical capacitor production
상기 제조예 1에서 제조된 전극을 Φ12㎜로 천공하여 Coin cell 형태의 전극으로 가공하였으며, 분리막은 일본 NKK사의 셀룰로오스를 Φ18㎜로 천공하여 사용하였다. 셀 제조 시에 직경 Φ27㎜에 높이가 12㎜인 코인 유닛 제품을 사용하였고, 전해액은 1 M 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트(TEABF4), 용매는 프로필렌 카보네이트(Propylene Corbonate)을 사용하여 Coin cell 타입의 전기화학축전기를 제조하였다.The electrode prepared in Preparation Example 1 was drilled to a diameter of 12 mm and processed into a coin cell type electrode. The separator was made by drilling cellulose of NKK Co., Ltd., Japan, with a diameter of 18 mm. A coin unit product having a diameter of? 27 mm and a height of 12 mm was used for the preparation of the cell. The electrolytic solution was 1 M tetraethylammonium tetrafluoroborate (TEABF4) and the solvent was propylene carbonate. Electrochemical capacitors were manufactured.
<시험예 2> 활성탄의 전기화학적 특성 분석<Test Example 2> Electrochemical characterization of activated carbon
충·방전테스트는 미국 MACCOR사의 충방전기기(MACCOR 4300K DESKTOP)를 사용하여 2 mA/cm2의 전류로 충·방전 측정 후 방전그래프에서 도전재와 바인더를 합산한 중량당 축전용량(F/g)을 기준으로 산출하였다. 상기와 같이 제조된 Coin cell의 축전용량 값을 [표 1]에 나타내었다.The charging and discharging tests were carried out by using a charge / discharge device (MACCOR 4300K DESKTOP) manufactured by MACCOR, USA and measuring the charge / discharge with a current of 2 mA / cm 2 . ). The capacitances of the Coin cells prepared as described above are shown in Table 1.
온도(℃)Activation
Temperature (℃)
시간(min)Activation
Time (min)
수율(%)After activation
yield(%)
축전용량(F/g)Activated carbon
Capacitance Capacity (F / g)
표 1은 실시예 1 내지 7에 따른 활성탄의 기공 및 전기화학적 특성을 비교한 표이다. Table 1 is a table comparing pore and electrochemical characteristics of activated carbon according to Examples 1 to 7.
상기 [표 1]로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 3, 4, 6 및 7에서 제조된 활성탄은 비교예의 활성탄보다 활성탄의 비표면적이 커 기공 특성이 우수하였고, 전기화학적 특성인 축전용량도 대부분 우수한 것으로 나타났다. As can be seen from the above Table 1, the activated carbon prepared in Examples 3, 4, 6, and 7 had a larger specific surface area of activated carbon than that of the activated carbon of the comparative example, and the electrochemical capacity .
또한, 본 발명의 제조방법에 의한 활성탄은 기존 야자각 기반 활성탄들의 단점인 회분이 없기 때문에 흡착이나 전극의 이용에 있어서 부반응을 제거할 수 있으며, 수증기 활성화를 이용하여 친환경적인 활성화법을 사용하므로 화학약품을 사용하지 않아 제조단가가 저렴하며, KOH 등의 활성화제를 이용하는 고가의 페놀계 활성탄과 비교하여도 기공특성이 우수하였다. In addition, the activated carbon according to the production method of the present invention can remove the side reaction in the adsorption or the use of the electrode because there is no ash which is a disadvantage of the existing coconut angle based activated carbon, and since the environmentally friendly activation method is used by using the steam activation, The manufacturing cost is low because no chemicals are used, and the porosity is also excellent in comparison with the expensive phenol-based activated carbon using an activator such as KOH.
나아가 본 발명에 의한 상기 활성탄을 이용한 전극을 전기화학축전기에 적용하였을 때에도 우수한 전기화학적 성능을 보이는 것을 확인하였다.Further, when the electrode using the activated carbon according to the present invention was applied to an electrochemical capacitor, it was confirmed that the electrochemical performance was excellent.
이상, 본 발명의 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다. Having described specific portions of the present invention in detail, those skilled in the art will appreciate that these specific descriptions are only for the preferred embodiment and that the scope of the present invention is not limited thereby. It will be obvious. Accordingly, the actual scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.
10 : 고온로 20 : 비결정성 탄소
30 : 관 튜브 40 : 질소 투입관
50 : 가열 튜브 60 : 유량조절기
70 : 가열로 80 : 물탱크10: high temperature furnace 20: amorphous carbon
30: tube tube 40: nitrogen inlet tube
50: heating tube 60: flow regulator
70: Heating furnace 80: Water tank
Claims (7)
(b) 상기 가교된 폴리올레핀을 질소 분위기에서 가열하여 탄화시켜 비결정질 탄소를 생성하는 단계;
(c) 상기 비결정질 탄소를 질소 분위기에서 가열한 후에 수증기 분위기에서 활성화시켜 활성탄을 생성하는 단계; 및
(d) 상기 생성된 활성탄을 질소 분위기에서 냉각시켜 활성탄을 제조하는 단계;를 포함하고,
상기 단계 (a)는
상기 폴리올레핀의 가교 온도는 150~180℃인 것을 특징으로 하는 수증기로 활성화시킨 폴리올레핀 기반의 활성탄 제조방법.
(a) crosslinking the polyolefin with sulfuric acid;
(b) carbonizing the crosslinked polyolefin by heating in a nitrogen atmosphere to produce amorphous carbon;
(c) heating the amorphous carbon in a nitrogen atmosphere and then activating the amorphous carbon in a steam atmosphere to produce activated carbon; And
(d) cooling the generated activated carbon in a nitrogen atmosphere to produce activated carbon,
The step (a)
Wherein the crosslinking temperature of the polyolefin is 150 to 180 ° C.
상기 단계 (b)에서
상기 가열시 온도를 800~1,000℃인 상태에서 1~2 시간 동안 가열하는 것을 특징으로 하는 수증기로 활성화시킨 폴리올레핀 기반의 활성탄 제조방법.
The method of claim 1, wherein
In the step (b)
Wherein the heating is carried out at a temperature of 800 to 1,000 DEG C for 1 to 2 hours.
상기 단계 (c)에서,
상기 활성화는 질소 분위기에서 900℃로 유지한 이후, 수증기 분위기에서 20~40분 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 수증기로 활성화시킨 폴리올레핀 기반의 활성탄 제조방법.
The method of claim 1, wherein
In the step (c)
Wherein the activation is performed at a temperature of 900 ° C in a nitrogen atmosphere and then in a steam atmosphere for 20 to 40 minutes.
상기 단계 (c)에서,
상기 활성화는 질소 분위기에서 1,000℃로 유지한 후에, 수증기 분위기에서 20~30분 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 수증기로 활성화시킨 폴리올레핀 기반의 활성탄 제조방법.
The method of claim 1, wherein
In the step (c)
Wherein the activation is carried out in a steam atmosphere for 20 to 30 minutes after being maintained at 1,000 DEG C in a nitrogen atmosphere.
상기 단계 (d)는
질소 분위기에서 상온(常溫)으로 냉각하는 것을 특징으로 하는 수증기로 활성화시킨 폴리올레핀 기반의 활성탄 제조방법.
The method according to claim 1,
The step (d)
Wherein the polyolefin-based activated carbon is cooled in a nitrogen atmosphere at a normal temperature.
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