KR101724233B1 - 성형성이 우수한 시트형 카트리지 및 이를 포함하는 대기오염 저감용 촉매 담체 - Google Patents

성형성이 우수한 시트형 카트리지 및 이를 포함하는 대기오염 저감용 촉매 담체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 성형성이 우수한 시트형 카트리지 및 이를 포함하는 대기오염 저감용 촉매 담체로서, 실리카(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화칼슘(CaO) 및 산화마그네슘(MgO)을 포함하는 세라믹 섬유 시트에 콜로이드상 실리카, 클레이, 실란, 유리섬유, 유기산 및 부착방지제를 포함하는 유무기첨가제가 함침되어 형성되되, 연속된 패턴의 측단면을 가지는 성형성이 우수한 시트형 카트리지 및 이를 포함하는 대기오염 저감용 촉매 담체를 제공한다.
본 발명에 따른 시트형 카트리지가 적층된 대기오염 저감용 촉매 담체는 육각형의 셀로 구성되어 기하학적 접촉 면적이 높고, 입자상 물질의 침적을 방지하는 동시에 기계적 충격에 강한 장점이 있다. 또한 시트형 카트리지를 적층하여 생산함으로써 공정을 단순화하고 공정별 최적화가 용이한 장점이 있다.

Description

성형성이 우수한 시트형 카트리지 및 이를 포함하는 대기오염 저감용 촉매 담체{SHEET TYPE CARTRIDGE HAVING EXCELLENT FORMABILITY AND AIR POLLUTION REDUCING APPARATUS USING THE SAME}
본 발명의 기술적 사상은 성형성이 우수한 시트형 카트리지 및 이를 포함하는 대기오염 저감용 촉매 담체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 성형성이 우수한 시트형 카트리지를 적층하여 넓은 접촉 면적 및 높은 공극률을 가지는 동시에 내진동 특성이 우수한 대기오염 저감용 촉매 담체에 관한 것이다.
교토 프로토콜에 따라 현재 선진국을 우선으로 온실가스 배출 규제가 이루어지고 있으며 온실가스 배출 규제는 에너지, 운송, 농업 등의 여러 분야에서 이루어지고 있다. 특히, 고온의 연소시스템을 이용하는 고정 및 이동오염원에 대한 배출가스 규제가 지속적으로 강화되고 있다.
IMO(International Maritime Organization, 국제해사기구)에서 시행한 연구에 따르면, 선박에서 NOx(질소산화물), SOx(황산화물), CO2(이산화탄소) 등의 유해물질이 배출됨에 따라 선진국들은 이미 IMO 규제에 대비한 기술개발 노력과 함께 자국 영해의 규제를 강화하여 기술 보호 및 선점을 동시에 추진하고 있는 실정이다.
고정오염원에서 사용되는 촉매는 제조방법과 촉매의 제조방법 및 형상에 따라 평판형(plate)형, 허니컴형(honeycomb)형, 파(corrugate)형의 3가지 타입의 촉매가 사용되고 있다. 평판형(plate) 촉매는 기계적 물성이 뛰어나지만 기하학적 접촉 면적이 낮아 SCR 촉매 시스템 적용에 따른 설치 체적에 대한 문제가 있고, 파(corrugate)형 촉매는 넓은 접촉 면적으로 활성이 우수하나 제조공정상 낮은 내마모 특성 및 압축강도와 물결무늬 형상의 특성상 예각을 이루는 모서리에서부터 입자상 물질의 침적이 발생하여 압력 손실이 증가하는 문제가 있어 주로 허니컴(honeycomb)형 촉매가 선박에 주로 사용되고 있으나 모노리스(monolith) 압출촉매의 특성상 무게가 무겁고 진동 및 기계적 충격에 약한 단점이 있다.
선박 및 자동차 등은 고정오염원에 비해 공간이 협소하여 촉매 반응기의 소형화가 필수요건이며, 엔진에서 발생하는 검댕 및 진동 등 촉매의 적용환경이 고정오염원과 다른 특징을 가진다. 고정오염원에 사용되는 촉매에 비해 공간의 제약으로 촉매 소형화를 위하여 넓은 접촉 면적이 요구될 뿐만 아니라 엔진의 안정적인 운전을 위하여 촉매층에 걸리는 압력손실 및 내진동 특성을 동시에 만족해야하므로, 촉매 전단의 셀막힘 문제에 따른 압력손실과 진동에 대한 구조적 안정성을 모두 개선 할 수 있는 촉매의 개발이 필요한 실정이다.
1. 한국 등록특허 1308496호 2. 한국 등록특허 1042018호
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 성형성이 우수한 시트형 카트리지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 제조공정을 단순화 하여 공정별 최적화가 용이하고 생산 시간 및 비용을 단축할 수 있는 시트형 카트리지의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
더불어, 본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 성형성이 우수한 시트형 카트리지를 적층하여 넓은 접촉 면적 및 높은 공극률을 가지는 동시에 내진동 특성이 우수한 대기오염 저감용 촉매 담체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 성형성이 우수한 시트형 카트리지는 실리카(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화칼슘(CaO) 및 산화마그네슘(MgO)을 포함하는 세라믹 섬유 시트에 콜로이드상 실리카, 클레이, 실란, 유리섬유, 유기산 및 부착방지제를 포함하는 유무기첨가제가 코팅되어 형성되되, 연속된 패턴의 측단면을 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 세라믹 섬유 시트는 상기 실리카(SiO2) 30 내지 50 wt% , 상기 산화알루미늄(Al2O3) 10 내지 15 wt%, 상기 산화칼슘(CaO) 30 내지 50 wt% 및 상기 산화마그네슘(MgO) 1 내지 5 wt%을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 세라믹 섬유 시트는 상기 유무기첨가제에 10초간 침지하고 무게를 측정하여, 하기 식 1으로 정의되는 침지율이 300% 이상일 수 있다.
[식 1]
Wm(%)= (W2(g) - W1(g) / W1(g) X 100)
(여기서, Wm(%)는 침지율, W1(g)는 침지 전 무게, W2(g)는 침지 후 무게임)
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 유무기첨가제는 상기 콜로이드상 실리카 50 내지 80 vol%, 상기 클레이 5 내지 40 vol%, 상기 실란 1 내지 30 vol%, 상기 유리섬유 1 내지 30 vol%, 상기 유기산 0.01 내지 5 vol% 및 상기 부착방지제 0.01 내지 5 vol%을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 연속된 패턴은 반-육각형 패턴일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 성형성이 우수한 시트형 카트리지의 제조방법은 실리카(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO) 및 유기물을 포함하는 지료를 형성하고 건조하여 세라믹 섬유 시트를 제조하는 단계, 콜로이드상 실리카, 클레이, 실란, 유리섬유, 유기산 및 부착방지제를 혼합하여 유무기첨가제를 제조하는 단계, 상기 유무기첨가제를 세라믹 섬유 시트에 코팅하고 압착하는 단계, 압착한 상기 세라믹 섬유 시트를 수분 함량을 조절하도록 건조하는 단계 및 건조한 상기 세라믹 섬유 시트의 측단면에 롤프레스를 이용하여 연속적인 패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 건조 단계는 최소 150℃ 이상의 온도에서 1 내지 100초간 건조할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 패턴을 형성하는 단계는 150 내지 400℃로 발열하는 상하부 롤러에 상기 세라믹 섬유 시트를 투입하여 연속적인 패턴을 형성할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 육각형상의 셀이 적층된 대기오염 저감용 촉매 담체는 상기 시트형 카트리지가 둘 이상 적층되어 형성되되, 상기 시트형 카트리지의 측단면은 연속된 반-육각형 패턴으로 이루어져, 상기 시트형 카트리지가 반복적으로 적층되어 복수의 육각형의 셀을 형성하고, 상기 유무기첨가제가 촉매를 포함하여 대기오염을 저감할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 대기오염 저감용 촉매 담체는 자동차 또는 선박용 엔진의 배기가스 후처리 시스템으로 적용될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 육각형상의 셀이 적층된 대기오염 저감용 촉매 담체는 고가의 촉매원료 사용량을 감소하고 우수한 촉매활성을 나타낼 수 있다.
또한 육각형상의 셀이 적층된 대기오염 저감용 촉매 담체는 넓은 접촉 면적 및 공극률을 가지는 동시에 내진동 특성이 우수한 특성을 가진다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 육각형상의 셀이 적층된 대기오염 저감용 촉매 담체의 제조방법은 제조공정을 단순화 하여 공정별 최적화가 용이하고 생산 시간 및 비용을 단축할 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시트형 카트리지의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압착 공정을 나타내는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 시트형 카트리지(a)가 적층된 육각형상의 셀이 적층된 대기오염 저감용 촉매 담체의 단면을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 육각형상의 셀이 적층된 대기오염 저감용 촉매 담체를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정사각형 구조 및 육각형 구조의 외부 충격 분산 현상을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 성형성이 우수한 시트형 카트리지는 실리카(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화칼슘(CaO) 및 산화마그네슘(MgO)을 포함하는 세라믹 섬유 시트에 콜로이드상 실리카, 클레이, 실란, 유리섬유, 유기산 및 부착방지제를 포함하는 유무기첨가제가 코팅되어 형성되되, 연속된 패턴의 측단면을 가질 수 있다.
상기 세라믹 섬유 시트는 상기 실리카(SiO2) 30 내지 50 wt%, 상기 산화알루미늄(Al2O3) 10 내지 15 wt%, 상기 산화칼슘(CaO) 30 내지 50 wt% 및 상기 산화마그네슘(MgO) 1 내지 5 wt%를 포함할 수 있다.
상기 세라믹 섬유시트는 기본적으로 세라믹 섬유시트의 네트워크를 형성하여 안정화시키도록 30 내지 50 wt%의 실리카(SiO2)를 포함한다. 또한 충진 기능을 가지면서 점도를 감소시키도록 산화칼슘(CaO)을 포함할 수 있다. 30 내지 50 wt%의 산화칼슘(CaO)을 포함하여 일정 수준의 점도를 가질 수 있다.
또한, 10 내지 15 wt%의 산화알루미늄(Al2O3)을 포함하여 네트워크 형성제의 기능을 가지고, 1 내지 5 wt%의 산화마그네슘(MgO)을 포함하여 액상 온도의 조절 기능을 가질 수 있다.
상기 세라믹 섬유 시트는 상기 유무기첨가제에 10초간 침지하고 무게를 측정하여, 하기 식 1으로 정의되는 침지율이 300% 이상일 수 있다.
[식 1]
Wm(%)= (W2(g) - W1(g) / W1(g) X 100)
(여기서, Wm(%)는 침지율, W1(g)는 침지 전 무게, W2(g)는 침지 후 무게임)
침지율이 300% 이상인 세라믹 섬유 시트에 유무기첨가제를 함침함으로써 세라믹 섬유 담체의 성형성을 부여하고 형상을 유지할 수 있다. 침지율이 300% 이하인 경우, 세라믹 섬유 시트에 충분한 유무기첨가제를 함침할 수 없어 위와 같은 효과를 가질 수 없다.
상기 유무기첨가제는 상기 콜로이드상 실리카 50 내지 80 vol%, 상기 클레이 5 내지 40 vol%, 상기 실란 1 내지 30 vol%, 상기 유리섬유 1 내지 30 vol%, 상기 유기산 0.01 내지 5 vol% 및 상기 부착방지제 0.01 내지 5 vol%을 포함할 수 있다.
상기 유무기첨가제 중 무기물 첨가제인 5 내지 40 vol% 클레이 및 1 내지 30 vol% 유리섬유는 성형 과정 중의 균열을 감소시키며, 최종 구조에 충분한 강도를 부여하는 역할을 한다. 상기 유리섬유는 분쇄한 유리 섬유로서 평균 10 내지 17 ㎛ 직경의 파우더 형태를 사용할 수 있으며, 소성을 위한 열처리 이후 우수한 경도를 가질 수 있다.
상기 콜로이드상 실리카는 50 내지 80 vol%를 포함한다. 산성조건에서 용해되거나 연화지 않도록 하는 등의 물리적인 강도가 클 뿐만 아니라 고온에서도 화학적으로 안정되며 고표면적을 가질 수 있다. sodium silicate로부터 이온교환방법 및 산-중화법을 이용하여 제조하고 입자를 성장시켜 균일한 크기분포의 입자를 제조할 수 있다.
상기 콜로이드상 실리카의 실리카 함량은 20 내지 50 중량%를 포함할 수 있다. 50 중량% 이상의 고농도의 콜로이드 실리카는 실리카의 겔 또는 침전이 되기 쉬어 저장 및 유무기첨가제 제조가 불가능하다. 또한 상기 콜로이드상 실리카는 50 내지 70 중량% 폴리에틸렌 글리콜을 포함하여 안정적으로 분산되어 저장 및 운반되도록 할 수 있다. 산화에틸렌을 중합해 얻을 수 있는 물질로서 분자 구조적으로 뛰어난 용매가 될 수 있다.
또한 1 내지 30 vol%의 실란을 첨가하여 silica의 합성을 통한 성형성 극대화 및 경도 부여하는 하도록 하나, 1 vol% 미만의 실란 첨가는 이를 위한 효과가 없으며, 30 vol% 이상의 실란 첨가는 결정화 석출 및 겔화 등의 안정화에 문제가 발생한다.
더불어 0.01 내지 5 vol%의 부착방지제를 첨가하여 금형으로 형상 가공시 상기 유무기첨가제를 함침한 세라믹 섬유 담체가 패턴형성을 위한 금형에 달라붙는 것을 방지할 수 있으며, 글리세린, 미네랄 오일, 페로졸 등을 사용할 수 있다. 0.01 vol% 이하의 부착방지제 첨가는 이에 대한 효과를 나타낼 수 없으며, 5 vol% 이상의 부착방지제 첨가는 0.01 내지 5 vol% 첨가에 비하여 우수한 효과를 나타내지 않으며, 다량의 유기물을 제거하기위한 열처리 공정의 시간 및 온도를 증가시킬 수 있다.
상기 유무기첨가제는 부착방지제와 더불어 유기첨가제인 유기산은 0.01 내지 5 vol%를 포함할 수 있다. 유기산은 아세트산, 라틱산, 개미산 등을 사용할 수 있으며, 산화물 입자 등의 각종 입자의 분산에 매우 우수한 효과를 나타낼 수 있다. 0.01% 이하의 첨가는 위의 효과를 나타내지 못하며 5 vol% 이상의 첨가는 0.01 내지 5 vol% 첨가에 비해 우수한 효과를 나타내지 못하며, 부착방지제와 같이 다량의 유기물을 제거하기위한 열처리 공정의 시간 및 온도를 증가시킬 수 있다.
상기 시트형 카트리지의 연속된 패턴의 측단면을 가질 수 있으며, 상기 연속된 패턴은 반-육각형 패턴일 수 있다. 상기 세라믹 섬유 시트에 상기 유무기첨가제를 코팅하여 성형성을 향상시켜 패턴 형성 후 안정된 구조를 유지할 수 있다. 특히 연속된 반-육각형 패턴을 형성하여 안정적인 기하학적 구조를 가져 시트형 카트리지의 내진동 및 압력 손실 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시트형 카트리지의 제조방법을 나타낸 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시트형 카트리지의 제조방법의 제조 방법을 나타낸 개념도이다. 도 1 및 도 2와 같이, 본 발명에 따른 성형성이 우수한 시트형 카트리지의 제조방법은 세라믹 섬유 시트 제조단계(S100), 유무기첨가제 제조단계(S200), 코팅단계(S300), 건조단계(S400) 및 패턴 형성 단계(S500)를 포함한다.
상기 세라믹 시트 제조단계(S100)는 실리카(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO) 및 유기물을 포함하는 지료를 형성하고 건조하여 세라믹 섬유 시트를 제조하는 단계이다. 특히, 상기 세라믹 섬유 시트는 실리카(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO) 및 유기물을 포함하는 원료를 배합 및 교반하는 단계, 상기 배합된 원료로 지료를 형성하는 단계, 상기 지료의 표면 평활성을 개선하는 단계 및 평활성을 개선한 상기 지료를 건조하는 단계를 포함하여 제조할 수 있다.
상기 유무기첨가제 제조단계(S200)은 콜로이드상 실리카, 클레이, 실란, 유리섬유, 유기산 및 부착방지제를 혼합하여 유무기첨가제를 제조하는 단계이다. 상기 유무기첨가제를 제조하는 단계는 초음파 분산기로 혼합하여 제조할 수 있다.
상기 코팅단계(S300)는 상기 유무기첨가제를 세라믹 섬유 시트에 코팅하고 압착하는 단계이다. 세라믹 섬유를 이용한 촉매는 세라믹 섬유로 담체를 제조한 후, 슬러리 형태로 촉매물질을 담체에 코팅하고 건조/열처리 공정을 거쳐서 촉매를 제조할 수 있으나, 이러한 촉매의 경우 촉매물질과 담체사이의 부착력이 약하여 촉매물질이 배기가스 중의 입자상 물질 등에 의해 쉽게 박리될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압착 공정을 나타내는 개념도이다. 도 2와 같이, 본 발명에 따른 코팅 및 압착 단계는 상기 유무기첨가제를 세라믹 섬유 담체에 코팅하고 압착기로 롤링하여 압착함으로써, 촉매 물질과 담체간의 부착력을 향상시키고, 촉매 물질을 세라믹 섬유 담체의 내부까지 침투시켜 표면층이 마모되어도 촉매 활성을 유지할 수 있다. 또한 압착함으로써 세라믹 섬유 담체의 두께를 감소시키고 기계적 강도를 증대 시킬 수 있다.
상기 건조단계(S400)는 압착한 상기 세라믹 섬유 시트를 수분 함량을 조절하도록 건조하는 단계이다. 상기 세라믹 섬유 시트가 포함하는 수분 함량을 조절하고 상기 세라믹 섬유 담체의 성형성을 극대화하기 위한 공정으로, 1~100초 진행할 수 있다. 상기 세라믹 섬유 시트 내의 수분함량이 너무 높으면 형상 가공시 금형에 달라 붙어 성형 파괴가 일어나며, 건조가 너무 되어 수분함량이 낮은 경우 성형성도 함께 낮아짐으로 섬유 시트 내의 수분함량은 적절하게 조절되어야 한다.
상기 패턴 형성 단계(S500)는 건조한 상기 세라믹 섬유 시트의 측단면에 롤프레스를 이용하여 연속적인 패턴을 형성하는 단계이다. 상기 패턴을 형성하는 단계는 150 내지 400℃로 발열하는 상하부 롤러에 상기 세라믹 섬유 시트를 투입하여 연속적인 패턴을 형성할 수 있다. 상기 금형의 온도가 150 내지 400℃로 발열하여 상기 세라믹 섬유 시트 내부의 유기물을 제거함과 동시에 첨가된 무기물을 건조ㅇ결합함으로써 성형성을 극대화할 수 있다.
롤프레스 금형이 최대 온도 400℃ 이상으로 발열하도록 고출력 히터 장착하고 이에 따른 온도 센서를 통하여 출력 온도를 제어할 수 있다. 또한 히터에 의한 롤러 스핀들 열손상 방지를 위하여 칠러를 구비하고 냉각수 순환로를 금형 내부에 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 시트형 카트리지(a)가 적층된 대기오염 저감용 촉매 담체의 단면을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 육각형상의 셀이 적층된 대기오염 저감용 촉매 담체를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 대기오염 저감용 촉매 담체는 상기 유무기첨가제가 촉매를 포함하여 대기오염을 저감할 수 있다. 상기 대기오염 저감용 촉매 담체는 탈질 촉매를 포함하여 질소산화물(NOx)을 환원하거나, 다이옥신 및 일산화탄소(CO)를 제거할 수 있다.
상기 유무기첨가제가 함침된 상기 세라믹 섬유시트의 촉매 담체는 이러한 대기 정화용 촉매 담체로의 적용에 있어 높은 기하학적 접촉면적을 가짐과 동시에, 내진동 및 비산재에 의한 플러깅(plugging)등 내구성이 우수한 강점을 가질 수 있다.
상기 유무기첨가제에 활성물질을 더 포함하여 시트형 카트리지가 적층된 담체에 활성물질이 도입되어 형성될 수 있다. 촉매 성분만을 사용하여 촉매의 표면적이나 기공구조를 제어하는데 한계가 있으므로, 촉매 담체 담지시켜 촉매 성능을 충분히 발휘시키기 위해 사용될 수 있다. 활성 물질은 탈질 활성을 갖는 금속, 금속의 산화물, 금속의 염 및 이들의 혼합물이 사용될 수 있으며, 특히, Vanadium(V2O5, V2O5-WO3, V2O5-MoO3) 이 사용될 수 있으며, 안티몬 등의 조촉매 첨가 물질로 추가할 수 있다.
본 발명에 따른 육각형상의 셀이 적층된 대기오염 저감용 촉매 담체는 상기 시트형 카트리지가 둘 이상 적층되어 형성되되, 상기 시트형 카트리지의 측단면은 연속된 반-육각형 패턴으로 이루어져, 상기 시트형 카트리지가 반복적으로 적층되어 복수의 육각형의 셀을 형성할 수 있다. 이때, 상기 반-육각형 패턴의 한 변의 길이는 2 내지 15mm 일 수 있다.
상기의 활성 물질로 사용되는 WO3, V2O5, MnO2, MoO3 등의 원재재 가격이 급상승함에 따라 촉매 제조 비용 역시 급격히 증가하게 된다. 세라믹 섬유 시트를 담체 재료로 사용함에 따라 기존 모노리스(monolith) 압출촉매 대비 고가의 촉매원료 사용량을 50% 수준 이하로 사용하여 동일한 촉매활성을 나타낼 수 있으며, 제조공정 특성상 압출 촉매 대비 건조, 열처리 등에 소요되는 생산시간을 단축할 수 있어 제조비용이 저렴하고, 수요처의 요구에 신속히 대응할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정사각형 구조 및 육각형 구조의 외부 충격 분산 현상을 나타내는 도면이다. 도 5와 같이, 기하학적 구조가 안정적인 육각형 구조로 내진동 및 압력 손실 특성을 향상시킬 수 있다. 육각형 셀 형상을 갖는 구조는 변이 곧은 요철형 다각형 구조 중 최소의 재료로 가장 넓은 표면적을 만들 수 있어 무게가 가벼울 뿐만 아니라 정사각형 구조와 달리 외부의 충격을 쉽게 분산 시킬 수 있다.
또한, 변과 변이 이루는 각이 120˚로 예각에 의한 촉매 전단의 셀 막힘 문제를 방지할 수 있고 높은 공극률을 갖기 때문에 압력 손실을 최소화 할 수 있어 기존의 촉매 형상에서 발생할 수 있는 문제를 구조적으로 해결할 수 있다. 동일 피치(Pitch)의 사각형상 대비 공극률을 4%이상 증대 시킬 수 있다.
더불어, 육각형 구조를 통하여 선박용에 적용시 가장 우선적으로 요구되는 내진동 특성(2.0g 이상의 가속도 실험조건 만족)을 향상시킬 수 있고, 압력손실 또한 90mmH2O 이하로 유지할 수 있다.
상기 건조한 상기 세라믹 섬유 시트의 단면을 연속적인 반-육각형 형상을 갖는 회전하는 상하롤에 삽입하여 반-육각형으로 성형하여 시트형 카트리지를 제조하는 단계이다. 상기 시트형 카트리지를 제조하는 단계는 상하 톱니의 형상이 맞물려져 일치하는 롤프레스 금형으로 연속적인 반-육각형 형상의 요철부를 성형할 수 있다. 촉매 물질과 담체간의 부착력을 향상시켜 내마모 특성을 증대시킬 수 있다. 특히, 기존 파(corrugate)형 촉매제조 방식에 비해 내마모도 50% 이상 향상 시킬 수 있다.
상기 육각형 셀 형성 단계는 성형된 상기 시트형 카트리지를 적층하여 육각형 셀을 형성하는 단계이다. 기존 파(corrugate)형 탈질촉매는 세라믹 섬유를 이용하여 담체의 형상을 제조한 후 담체 모듈을 제조하는 공정과 촉매물질을 코팅하는 공정이 분리되어 있어 코팅 후 모듈 표면 오염 및 건조, 열처리 과정에서 불량 발생시 생산손실이 커지는 문제가 발생할 수 있다.
반면, 본 발명에 따른 육각형상의 셀이 적층된 대기오염 저감용 촉매 담체는 롤프레스 공정에서 셀 형상을 가공함과 동시에 촉매 물질을 압착시킴으로써 기존 공정에 비해 공정을 단순화시킬 수 있으며, 단위 촉매 카트리지를 건조, 열처리하기 때문에 공정별 최적화가 용이하고 작은 설비투자로 가능한 장점이 있다.
상기 대기오염 저감용 촉매 담체는 자동차 또는 선박용 엔진의 배기가스 후처리 시스템으로 적용될 수 있다. 본 발명에 따른 육각형상의 셀이 적층된 대기오염 저감용 촉매 담체 넓은 접촉 면적 및 공극률을 가지는 동시에 내진동 특성이 우수하여 선박 및 자동차 등은 이동오염원의 엔진의 배기가스 후처리 시스템으로 적용될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 의하여 상세하게 설명한다. 그러나 하기 실시에는 본 발명을 예시하는 것일 뿐이며, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
1. 세라믹 섬유 시트 제조
무기물 100 중량부에 대하여 10 내지 30 중량부의 유기물을 준비하고, 상기 무기물은 Al2O3 10~15 wt%, SiO2 30~50 wt%, CaO 30~50 wt%, MgO 1~5 wt%의 함량비로 준비한다. 상기 무기물 및 유기물 원료를 배합하고 교반하는 단계, 상기 배합된 원료로 지료를 형성하는 단계, 상기 지료의 표면 평활성을 개선하는 단계 및 평활성을 개선한 상기 지료를 건조하는 단계를 포함하여 0.4mm ㅁ 0.2 mm의 두께로 제조 될 수 있다.
2. 유무기첨가제 제조 및 혼합성 평가
콜로이드상 실리카(Bindzil CC301, AkzoNobel), 클레이(NCMA-40, Mizusawa Industrial Chemicals), 실란(Tetraethoxysilane, 이성소재), 유리섬유(화이바맨), 유기산 및 부착방지제를 혼합하여 유무기첨가제를 제조하며 초음파 분산기(Watts Ultrasonic Processor VC-505, SONICS)를 사용하여 혼합한다.
제조된 유무기첨가제에 대한 점도 평가, 겔화 평가 및 혼합성 평가를 실시하였다.
조성(volume %) 평가
silica clay silane organic acid oil g/f 점도 겔화 혼합성
실시예 1 80 5 1 0.5 0.5 13 ◎ ◎ ◎
실시예 2 68 17 7 0.5 0.5 7 ◎ ◎ ◎
실시예 3 60 20 10 0.5 0.5 9 ◎ ◎ ◎
실시예 4 50 30 10 0.5 0.5 9 ○ ◎ ◎
비교예 1 40 30 20 0.5 0.5 9 △ ○ ○
비교예 2 30 30 30 0.5 0.5 9 Ⅹ △ △
비교예 3 20 35 35 0.5 0.5 9 Ⅹ Ⅹ Ⅹ
비교예 4 10 45 35 0.5 0.5 9 Ⅹ Ⅹ Ⅹ
우수: ◎, 양호: ○, 미흡: △, 불량: Ⅹ
점도는 클레이, 실란, 유리섬유에 비례적으로 증가하며, 겔화 및 혼합성는 실란의 양에 직접적으로 영향을 받는 것으로 확인하였다. 실란의 양이 30 vol% 이상으로 초과하면 상온에서 얼마 지나지 않아 겔화가 진행되며, 혼합성도 실란의 양이 30% 이상 첨가되어 겔화되는 경우 혼합이 불가능하다.
상기 유무기첨가제는 상기 콜로이드상 실리카 50 내지 80 vol%, 상기 클레이 5 내지 40 vol%, 상기 실란 1 내지 30 vol%을 포함하는 경우, 실란화된 콜로이드 실리카 입자가 침전 또는 겔화 없이 안정하게 분산되고, 각종 입자의 혼합성이 우수하였으며, 시트형 카트리지 제조를 위한 적정 점도를 가질 수 있는 것으로 확인되었다.
위와 같이 본 발명에 따른 시트형 카트리지는 실리카(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화칼슘(CaO) 및 산화마그네슘(MgO)을 포함하는 세라믹 섬유 시트에 콜로이드상 실리카, 클레이, 실란, 유리섬유, 유기산 및 부착방지제를 포함하는 유무기첨가제가 함침되어 형성되어, 우수한 성형성을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 대기오염 저감용 촉매 담체는 성형성이 우수한 상기 시트형 카트리지가 적층되어 육각형의 셀을 구성되어 기하학적 접촉 면적이 높고, 입자상 물질의 침적을 방지하는 동시에 기계적 충격에 강한 장점이 있다. 또한 시트형 카트리지를 적층하여 생산함으로써 공정을 단순화하고 공정별 최적화가 용이한 장점이 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (11)

  1. 실리카(SiO2) 30 내지 50 wt%, 산화알루미늄(Al2O3) 10 내지 15 wt%, 산화칼슘(CaO) 30 내지 50 wt% 및 산화마그네슘(MgO) 1 내지 5 wt%을 포함하는 세라믹 섬유 시트에
    콜로이드상 실리카 50 내지 80 vol%, 클레이 5 내지 40 vol%, 실란 1 내지 30 vol%, 유리섬유 1 내지 30 vol%, 유기산 0.01 내지 5 vol% 및 부착방지제 0.01 내지 5 vol%를 포함하는 유무기첨가제가 코팅되어 형성되되,
    연속된 패턴의 측단면을 가지는 자동차 및 선박용 성형성이 우수한 시트형 카트리지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 섬유 시트는 상기 유무기첨가제에 10초간 침지하고 무게를 측정하여, 하기 식 1으로 정의되는 침지율이 300% 이상인 성형성이 우수한 시트형 카트리지.
    [식 1]
    Wm(%)= (W2(g) - W1(g) / W1(g) X 100)
    (여기서, Wm(%)는 침지율, W1(g)는 침지 전 무게, W2(g)는 침지 후 무게임)
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연속된 패턴은 반-육각형 패턴인 것에 특징이 있는 성형성이 우수한 시트형 카트리지.
  6. 실리카(SiO2) 30 내지 50 wt%, 산화알루미늄(Al2O3) 10 내지 15 wt%, 산화칼슘(CaO) 30 내지 50 wt% 및 산화마그네슘(MgO) 1 내지 5 wt%을 포함하는 지료를 형성하고 건조하여 세라믹 섬유 시트를 제조하는 단계;
    콜로이드상 실리카 50 내지 80 vol%, 클레이 5 내지 40 vol%, 실란 1 내지 30 vol%, 유리섬유 1 내지 30 vol%, 유기산 0.01 내지 5 vol% 및 부착방지제 0.01 내지 5 vol%를 혼합하여 유무기첨가제를 제조하는 단계;
    상기 유무기첨가제를 세라믹 섬유 시트에 코팅하고 압착하는 단계;
    압착한 상기 세라믹 섬유 시트를 수분 함량을 조절하도록 건조하는 단계; 및
    건조한 상기 세라믹 섬유 시트의 측단면에 롤프레스를 이용하여 연속적인 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 자동차 및 선박용 성형성이 우수한 시트형 카트리지의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 건조 단계는 250℃ 이상의 온도에서 1 내지 100초간 건조하는 성형성이 우수한 시트형 카트리지의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 패턴을 형성하는 단계는 150 내지 400℃로 발열하는 상하부 롤러에 상기 세라믹 섬유 시트를 투입하여 연속적인 패턴을 형성하는 성형성이 우수한 시트형 카트리지의 제조방법.
  9. 제1항의 시트형 카트리지가 둘 이상 적층되어 형성되되,
    상기 시트형 카트리지의 측단면은 연속된 반-육각형 패턴으로 이루어져, 상기 시트형 카트리지가 반복적으로 적층되어 복수의 육각형의 셀을 형성하고,
    상기 유무기첨가제가 촉매를 포함하여 대기오염을 저감하는 것을 특징으로 하는 육각형상의 셀이 적층된 대기오염 저감용 촉매 담체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 반-육각형 패턴의 한 변의 길이는 2 내지 15mm 인 육각형상의 셀이 적층된 대기오염 저감용 촉매 담체.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 대기오염 저감용 촉매 담체는 자동차 또는 선박용 엔진의 배기가스 후처리 시스템으로 적용되는 육각형상의 셀이 적층된 대기오염 저감용 촉매 담체.
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