KR101892342B1 - 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 측면에 따르면, 전이금속 산화물 및 세라믹 중에서 적어도 하나로 이루어진 다공성 지지체 및 다공성 지지체상에 침착된 오존 및 대기오염 물질 분해촉매를 포함하는 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매가 제공된다.
Description
오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 휘발성 유기화합물 또는 일산화탄소와 같은 대기오염 물질과 오존을 분해하여 제거하는 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매 및 그 제조방법에 관한 것이다.
오존은 강력한 살균력을 보유하고 있어 살균작용, 유기물 분해작용, 악취 제거작용, 탈색작용 등을 할 수 있으므로, 대기오염 물질 처리분야, 수처리 분야, 폐기물 처리분야 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 그러나, 오존은 강력한 산화력을 가지고 있기 때문에, 사용 후 배출되는 미반응 오존(이하 “배오존”이라 함)은 눈의 염증, 두통 및 신체적 불쾌감을 유발하고 감기 및 폐렴에 대한 저항력을 감소시켜 만성적 심장질환, 천식, 기관지염 등을 유발하는 등 인체에 치명적인 영향을 주게 된다.
최근, 배오존을 분해하기 위한 촉매 개발과 배오존을 처리하기 위한 시스템에 대한 연구가 이루어지고 있다. 다만, 기존의 배오존 처리 시스템은 여러 가지 문제점을 가지고 있다. 배오존을 처리하기 위하여, 세라믹 형태의 오존 분해촉매가 사용되고 있다. 이러한 세라믹 형태의 오존 분해촉매는 대부분 볼 형태 또는 펠렛 형태로 형성되어 있기 때문에, 오존을 함유한 유체를 통과시키기 위해서는 많은 압력 손실이 발생한다. 이에, 오존을 함유하는 유체를 원활하게 이동시키기 위해 많은 에너지가 필요하고 펌프의 용량이 커져야 되는 문제가 있다. 또한, 오존 분해촉매가 사용되는 장소는 일반적으로 오존을 이용하여 오염물질을 분해하는 곳으로, 오존과 함께 휘발성 유기화합물 또는 부유물질 등이 오존 분해촉매 층에 유입되어 촉매의 효율을 감소시키는 문제가 있다.
대한민국 공개 특허 제 10-2007-0041653(이하, 특허문헌 1)는 오존 제거용 촉매필터 및 그 제조방법을 제안하고 있다. 이 특허는 전이금속 산화물의 촉매작용으로 오존을 산소로 분해시키는 오존 제거용 촉매필터에 대한 내용을 개시하고 있다. 다만, 이 특허는 촉매를 이용하여 오존을 분해하고 있을 뿐, 휘발성 유기화합물 또는 일산화탄소와 같은 대기오염 물질은 분해하지 못하는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 오존을 산소와 산소 라디칼로 분해하고, 분해된 산소 라디칼을 이용하여 대기오염 물질을 산화시키는 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전이금속 산화물 및 세라믹 중에서 적어도 하나로 이루어진 다공성 지지체 및 다공성 지지체상에 침착된 오존 및 대기오염 물질 분해촉매를 포함하는 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매가 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전이금속 산화물 및 세라믹 중에서 적어도 하나로 이루어진 다공성 지지체를 제조하는 단계, 다공성 지지체상에 오존 및 대기오염 물질 분해촉매 또는 그 전구체를 부착시키는 단계 및 오존 및 대기오염 물질 분해촉매 또는 그 전구체가 부착된 다공성 지지체를 100℃ 내지 900℃에서 열처리하여 다공성 지지체상에 오존 및 대기오염 물질 분해용 촉매를 침착시키는 단계를 포함하는 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매의 표면상에서 오존을 산소와 산소 라디칼로 분해하고, 분해된 산소 라디칼을 이용하여 대기오염 물질을 산화시킬 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 필터 형태의 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매는 탈착 및 부착이 용이하며, 오존 및 대기오염 물질이 함유된 유체가 촉매를 통과할 때 발생하는 압력손실을 감소시킬 수 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 다공성 지지체를 50배 확대하여 나타낸 이미지이고, 도 1b는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 다공성 지지체를 400배 확대하여 나타낸 이미지이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매를 400배 확대하여 나타낸 이미지이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에서 제조된 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매를 400배 확대하여 나타낸 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매를 사용한 오존 및 대기오염 물질 분해 장치의 개략적인 구성을 나타낸 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매의 오존 분해 성능을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에서 제조된 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매의 오존 분해 성능을 나타낸 그래프이다.
도 7은 실시예 2에서 제조된 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매의 공간속도에 따른 오존 분해 성능을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매를 400배 확대하여 나타낸 이미지이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에서 제조된 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매를 400배 확대하여 나타낸 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매를 사용한 오존 및 대기오염 물질 분해 장치의 개략적인 구성을 나타낸 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매의 오존 분해 성능을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에서 제조된 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매의 오존 분해 성능을 나타낸 그래프이다.
도 7은 실시예 2에서 제조된 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매의 공간속도에 따른 오존 분해 성능을 나타낸 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
본 발명에 있어서, "휘발성 유기화합물(VOCs)"이란, 대기중에 휘발되어 악취나 오존을 발생시키는 탄화수소 화합물을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전이금속 산화물 및 세라믹 중에서 적어도 하나로 이루어진 다공성 지지체 및 다공성 지지체상에 침착된 오존 및 대기오염 물질 분해촉매를 포함하는 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매가 제공된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매의 표면상에서 오존을 산소와 산소 라디칼로 분해하고, 분해된 산소 라디칼을 이용하여 대기오염 물질을 산화시킬 수 있다.
다공성 지지체상에 침착된 오존 및 대기오염 물질 분해촉매에 의하여, 하기 반응식 1에서와 같이 오존은 산소와 산소 라디칼로 분해된다.
[반응식 1]
O3 + 촉매 → 02 + 0*(산소 라디칼)
오존에서 분해되는 산소 라디칼은 산화력이 큰 물질로서, 생물학적 오염물질 또는 화학적 오염물질을 산화시킬 수 있다. 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매에 의하여 오존에서 분해된 산소 라디칼을 이용하여, 휘발성 유기화합물(VOCs) 또는 일산화탄소와 같은 대기오염 물질을 분해할 수 있다. 하기 반응식 2와 반응식 3에서와 같이, 휘발성 유기화합물(VOCs)과 일산화탄소(CO)는 산소 라디칼에 의하여 이산화탄소로 산화될 수 있다.
[반응식 2]
0* + VOCs → CO2 + H2O
[반응식 3]
0* + CO → CO2
오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매는 전이금속 산화물 및 세라믹 중에서 적어도 하나로 이루어진 다공성 지지체를 포함한다. 촉매의 내구성 향상 및 촉매의 제조비용 측면에서 다공성 지지체로 세라믹을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
다공성의 지지체는 매우 큰 표면적을 보유하는 구조로, 본 발명의 일 측면에 따른 다공성의 오존 및 대기오염 물질 분해용 촉매는 오존 및 대기오염 물질 분해반응에 대한 큰 활성 및 우수한 분해효율을 가질 수 있다.
또한, 촉매의 제조비용 감축 및 우수한 오존 및 대기오염 물질 분해 성능을 보유하는 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매를 제공하기 위하여, 오존 및 대기오염 물질 분해촉매가 침착되는 양이 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매 전체 중량 대비 2 중량% 내지 10 중량%인 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매는 약 1000℃에서도 변형이 발생하지 않으므로, 영하 100℃ 내지 영상 1000℃의 조건에서 사용이 가능하다. 세라믹을 다공성 지지체로 사용한 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매는 1000℃ 이상에서도 변형이 발생하지 않는다. 또한, 전이금속 산화물을 다공성 지지체로 사용하는 경우에는 전이금속 산화물의 입자 크기, 전이금속의 종류에 따라 상이할 수 있으나, 전이금속 산화물을 사용한 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매는 1000℃ 이하에서는 변형이 발생되지 않을 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 전이금속 산화물은 Ba, Ce, W, La, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, V 및 Mo 중에서 선택되는 적어도 하나의 금속의 산화물을 포함할 수 있다.
전이금속 산화물은, 예를 들면, Fe2O3, Cu2O3 또는 Zn2O를 포함할 수 있으며, Fe2O3와 Cu2O3가 혼합된 것을 포함할 수 있다. 다만, 전술한 전이금속 산화물은 설명을 위한 예시일 뿐 전이금속 산화물의 종류를 한정하는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 세라믹은 Al2O3, TiO2, SiO2 및 ZrO2 중에서 선택되는 적어도 1종을 포함할 수 있다. 또한, Al2O3로, 예를 들면, α- Al2O3, β- Al2O3, γ- Al2O3를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 다공성 지지체는 필터 형태일 수 있다. 필터 형태의 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매는 탈착 및 부착이 용이하여 교체가 쉬우며, 기존의 볼 형태 또는 펠렛 형태에 비하여 오존 및 대기오염 물질이 함유된 유체가 촉매를 통과할 때 발생하는 압력손실을 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 구현예에 따른 필터 형태의 촉매를 사용한 오존 및 대기오염 물질 분해용 시스템에서는 촉매에 유체를 공급하기 위하여 소비되는 전력을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매는 일회성이 아니라 재생이 가능하여 재사용할 수 있다. 사용된 촉매를 소성로에서 약 500℃ 내지 1000℃에서 열처리함으로써, 촉매 내부에 잔존하고 있는 유기물, 대기오염 물질 등을 산화시켜 제거할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 구현예에 따른 촉매는 반영구적인 재생이 가능하다.
본 발명의 일 구현예에 따른 오존 및 대기오염 물질 분해촉매는 Al, Ag, Rh, Pd, Ba, Ru, Pt, Au, Ce, W, La, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn 및 V 중에서 선택되는 적어도 1종의 원소 또는 그 산화물을 포함할 수 있다.
Mn, Ag, Ru, Pd, Pt 또는 Rh는 오존 및 대기오염 물질에 대한 분해 성능이 우수하여 오존 및 대기오염 물질 분해촉매로 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
오존 및 대기오염 물질 분해촉매는, 예를 들면, Mn과 Ag를 포함할 수 있으며, Mn, Ag 및 MnO2, Ag2O2를 포함할 수 있거나, 또는, Ag와 MnO2를 포함할 수 있다.
오존 및 대기오염 물질 분해촉매와 다공성 지지체가 전이금속 산화물로 동일한 경우, 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매의 오존 및 대기오염 물질의 분해 효율이 향상될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매는 다공성 지지체상에 조촉매가 추가로 침착된 것일 수 있다. 조촉매는 산성 물질 또는 염기성 물질일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매를 사용하는 오존 및 대기오염 물질 분해 장치 제공될 수 있다. 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매에 의하여, 오존 및 에틸렌 또는 일산화탄소와 같은 대기오염 물질을 분해하여 제거할 수 있다. 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매에 제공되는 유체의 공간속도를 조절하여 오존 및 대기오염 물질 분해 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전이금속 산화물 및 세라믹 중에서 적어도 하나로 이루어진 다공성 지지체를 제조하는 단계, 다공성 지지체상에 오존 및 대기오염 물질 분해촉매 또는 그 전구체를 부착시키는 단계 및 오존 및 대기오염 물질 분해촉매 또는 그 전구체가 부착된 다공성 지지체를 100℃ 내지 900℃에서 열처리하여 다공성 지지체상에 오존 및 대기오염 물질 분해용 촉매를 침착시키는 단계를 포함하는 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매의 제조방법이 제공된다.
전이금속 산화물 및 세라믹 중에서 적어도 하나를 사용하여 다공성 지지체를 제조할 수 있다. 예를 들면, 세라믹 분말, 고분자 펠릿, 무기바인더 및 분산액을 혼합하여 건조시킨 후, 이를 소결하여 다공성 지지체를 제조할 수 있다. 다만, 전술한 다공성 지지체를 제조하는 방법은 설명을 위한 예시일 뿐 다공성 지지체를 제조하는 방법을 제한하는 것은 아니다.
또한, 전이금속 산화물과 세라믹을 함께 사용하여 다공성 지지체를 제조하는 경우, 세라믹 분말과 전이금속 산화물 분말을 혼합한 후, 상기의 방법과 동일한 방법으로 다공성 지지체를 제조할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 오존 및 대기오염 물질 분해촉매는 Al, Ag, Rh, Pd, Ba, Ru, Pt, Au, Ce, W, La, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn 및 V 중에서 선택되는 적어도 1종의 원소 또는 그 산화물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 오존 및 대기오염 물질 분해촉매 전구체는 염화망간, 질산망간, 황산망간, 과염소산망간, 카르복실산망간 및 아세트산망간 중에서 선택되는 적어도 1종의 망간염일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 오존 및 대기오염 물질 분해촉매 전구체는 질산은, 황산은, 과염소산은, 아세트산은, 디에틸디티오카르밤산은, 시안화은, 요오드화은 및 산화은 중에서 선택되는 적어도 1종의 은염일 수 있다.
오존 및 대기오염 물질 분해촉매 전구체로는, 예를 들면, 질산망간, 또는 질산망간과 아세트산망간을 혼합한 것을 사용할 수 있다. 또한, 질산은, 또는 질산은과 아세트산은을 혼합한 것을 사용할 수 있다. 다만, 전술한 오존 및 대기오염 물질 분해촉매 전구체의 종류는 설명을 위한 예시일 뿐, 오존 및 대기오염 물질 분해촉매 전구체의 종류를 한정하는 것은 아니다.
오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매를 제조하기 위하여, 예를 들면, 망간염과 은염을 혼합하여 다공성 지지체상에 동시에 부착한 다음 열처리하여 망간촉매와 은촉매를 침착시킬 수 있다. 또한, 망간염을 다공성 지지체상에 부착한 다음 열처리하여 망간촉매를 먼저 침착시킨 후, 은염을 다공성 지지체상에 부착한 다음 열처리하여 은촉매를 침착시켜 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매를 제조할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 다공성 지지체상에 오존 및 대기오염 물질 분해촉매 또는 그 전구체를 부착시키는 단계는 딥 코팅법(dip coating), 워시 코팅법(wash coating), 화학적 기상 증착법(chemical vapor deposition) 또는 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition)을 이용하여 수행될 수 있다. 다공성 지지체상에 오존 및 대기오염 물질 분해촉매 또는 그 전구체를 부착시키기 위하여 워시 코팅법을 이용하는 것이 바람직할 수 있다. 다만, 전술한 촉매 또는 촉매 전구체를 다공성 지지체상에 부착시키는 방법은 설명을 위한 예시일 뿐, 부착 방법을 한정하는 것은 아니다.
예를 들면, 다공성 지지체상에 오존 및 대기오염 물질 분해촉매 전구체를 부착시키기 위하여, 딥 코팅법 또는 워시 코팅법을 이용하는 경우에는 촉매 전구체를 수용액 형태로 제조하여 사용할 수 있다. 화학적 기상 증착법 또는 물리적 기상 증착법을 이용하는 경우에는 기체 상태의 촉매 전구체를 사용할 수 있다. 또한, 고체 상태의 오존 및 대기오염 물질 분해촉매를 다공성 지지체 상에 부착하기 위하여 바인더를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 열처리 단계는 산소조건, 수소조건 또는 질소조건에서 수행될 수 있다. 오존 및 대기오염 물질 분해촉매 또는 그 전구체가 부착된 다공성 지지체를 열처리하여 오존 및 대기오염 물질 분해촉매를 침착시킴으로써, 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매의 활성 및 안정성을 증가시킬 수 있다.
열처리가 수행되는 조건에 따라서 다공성 지지체상에 침착되는 촉매의 형태가 달라질 수 있다. 예를 들면, 다공성 지지체상에 부착된 오존 및 대기오염 물질 분해촉매 또는 그 전구체의 금속 이온은 산소조건에서 열처리되면 금속 산화물 형태로 침착되며, 질소조건에서 열처리되면 금속의 형태로 침착되고, 수소조건에서 열처리되면 금속 형태 또는 수소가 결합된 금속의 형태로 침착될 수 있다.
오존 및 대기오염물질 분해촉매 또는 그 전구체가 부착된 다공성 지지체를 30분 이상 열처리할 수 있다. 또한, 오존 및 대기오염물질 분해촉매 또는 그 전구체가 부착된 다공성 지지체를 400℃ 내지 800℃로 열처리할 수 있다. 다만, 오존 및 대기오염물질 분해촉매의 종류에 따라 상이할 수 있으나 열처리 시에 촉매의 비표면적을 유지시키기 위하여, 약 800℃ 이하에서 열처리하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 500℃의 산소조건에서 24시간 동안 열처리할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매의 제조방법은 다공성 지지체상에 오존 및 대기오염 물질 분해촉매 또는 그 전구체를 부착시키는 단계에서 또는 오존 및 대기오염 물질 분해촉매를 침착시키는 단계 이후에 조촉매를 추가로 부착시킬 수 있다. 조촉매는 염기성물질 또는 산성물질일 수 있다. 조촉매를 추가함으로써, 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매의 오존 및 대기오염 물질 분해에 대한 활성을 향상시킬 수 있다.
조촉매로 염기성물질, 예를 들면, 산화칼륨 또는 수산화마그네슘을 사용할 수 있다. 조촉매로 산성물질, 예를 들면, 황산, 질산 또는 염산을 사용할 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 이들 실시예는 단지 예시적인 것일 뿐, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.
실시예 1
오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매를 제조하기 위하여, Al2O3 분말 25 중량%, 1 내지 3mm의 입도를 가지는 고분자 펠릿 65 중량%, 무기바인더로 테트라에틸 오소실리케이트(Tetraethyl orthosilicate) 7 중량%, 분산액으로 솔비탄 모노라우레이트(Sorbitan monolaurate) 3 중량%가 되도록 혼합하고, 60℃에서 24시간 건조 한 후 800℃에서 24시간 소결하여 세라믹을 사용한 다공성 지지체를 제조하였다.
질산망간 수화물 10.65g을 사용하여 213g/L의 농도를 가지는 질산망간 수용액을 50mL 제조하여 준비하였다. 준비된 질산망간 수용액을 사용하여 이산화망간이 침착되는 양이 촉매 전체 중량 대비 2 중량%가 되도록, 워시 코팅 방법으로 다공성 지지체상에 질산망간 수용액을 코팅하고 100℃에서 6시간 건조하는 방식을 10회 반복하여 망간 이온을 다공성 지지체상에 부착시켰다.
망간 이온이 부착된 다공성 지지체를 100℃에서 24시간 건조하였고, 튜브 노(tube furnace)를 이용하여 산소조건에서 500℃로 소성시킨 후 공냉하여 이산화망간이 침착된 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매를 제조하였다.
실시예 2
질산망간 수화물 31.95g을 사용하여 639g/L의 농도를 가지는 질산망간 수용액을 50mL 제조하여 준비하고, 준비된 질산망간 수용액을 사용하여 이산화망간이 침착되는 양이 촉매 전체 중량 대비 6 중량%가 되도록, 워시 코팅 방법으로 다공성 지지체상에 망간 이온을 부착시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매를 제조하였다.
도 1a는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 다공성 지지체를 50배 확대하여 나타낸 이미지이고, 도 1b는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 다공성 지지체를 400배 확대하여 나타낸 이미지이다.
도 1a 및 도 1b를 참고하면, 다공성 지지체는 다소 거친 표면을 가지고 있으며, 표면에 무늬형태가 형성되어 있는 것을 확인하였다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매를 400배 확대하여 나타낸 이미지이고, 도 3은 본 발명의 실시예 2에서 제조된 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매를 400배 확대하여 나타낸 이미지이다.
도 2를 참고하면, 실시예 1에서 제조된 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매는 다공성 지지체의 표면에 형성된 무늬형태가 사라졌으며, 이산화망간이 침착되어 다공성 지지체의 표면이 검붉은 색으로 변한 것을 확인하였다. 도 3을 참고하면, 실시예 2에서 제조된 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매는 실시예 1에서 제조된 촉매에 비해, 다공성 지지체의 표면이 보다 매끄러워진 것을 확인하였다. 이는 실시예 2에서 제조된 촉매의 표면에 침착된 이산화망간의 두께가 증가된 것으로 판단된다.
오존 및 대기오염 물질 분해 장치의 준비
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매를 사용한 오존 및 대기오염 물질 분해 장치의 개략적인 구성을 나타낸 구성도이다.
도 4를 참고하면, 촉매(110)를 설치할 수 있는 110mm X 110mm X 300mm 규격의 하우징(100)을 아크릴을 이용하여 제조하였고, 오존 및 대기오염 물질을 함유한 유체를 유입시키는 펌프(220)와 펌프(220)로부터 하우징(100)에 유입되는 유체의 유량을 확인할 수 있는 유량계(120)를 하우징(100)에 설치하였다. 또한, 펌프와 연결되며 오존을 발생시키는 오존 발생기(210)와 오존 발생기의 전압을 조절할 수 있는 전압 조절기(200)를 설치하였다. 에틸렌을 저장하는 에틸렌 용기(300)와 일산화탄소를 저장하는 일산화탄소 용기(310)는 펌프와 연결되도록 설치하였으며, 에틸렌 용기(300)와 일산화탄소 용기(310)에는 용기의 입구를 개폐할 수 있는 밸브(320, 330)를 각각 설치하였다. 하우징(100)의 전단과 후단에는 유입되는 유체의 농도를 측정하는 유체 농도 측정기(130, 140)를 설치하였다.
오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매의 오존 분해 성능 실험
도 4에서 보듯이, 100mm X 100mm X 20mm 규격의 실시예 1 및 실시예 2에 따른 촉매를 각각 하우징에 설치하고, 오존 및 대기오염 물질 분해 장치를 사용하여 촉매의 오존 분해 성능 실험을 수행하였다. 오존 분해 성능 실험은 촉매가 설치된 하우징에 오존을 포함하는 공기를 3L/min으로 공급하였으며, 전압 조절기를 이용하여 공기에 포함되는 오존의 농도를 증가시키며 수행하였다. 하우징의 전단과 후단에 설치된 유체 농도 측정기를 이용하여, 하우징에 유입되는 오존의 농도와 하우징에서 유출되는 오존의 농도를 측정하였다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매의 오존 분해 성능을 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명의 실시예 2에서 제조된 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매의 오존 분해 성능을 나타낸 그래프이다.
도 5를 참고하면, 초기 오존 농도는 하우징 전단에서 측정된 오존의 농도 값이고, 제거되는 오존 농도는 하우징 전단에서 측정된 오존의 농도 값에서 하우징 후단에서 측정된 오존의 농도 값을 뺀 값이다. 실시예 1에서 제조된 촉매를 사용한 경우, 하우징에 유입되는 공기에 포함되는 초기 오존의 농도가 60ppm 이하인 경우에는 유입되는 공기에 포함된 오존은 모두 제거되었으나, 초기 오존의 농도가 60ppm을 초과한 때에는 공기에 포함된 오존을 모두 제거하지는 못하였다. 다만, 초기 오존의 농도가 증가할수록 촉매에 의해 제거되는 오존의 농도도 증가하였으며, 초기 오존의 농도가 400ppm일 때는 약 145ppm의 오존이 제거되는 것을 확인하였다.
도 6을 참고하면, 실시예 2에서 제조된 촉매를 사용한 경우, 하우징에 유입되는 공기에 포함되는 초기 오존의 농도가 100ppm 이하인 경우는 유입되는 공기에 포함된 오존은 모두 제거되었으나, 초기 오존의 농도가 100ppm을 초과한 때에는 공기에 포함된 오존을 모두 제거하지는 못하였다. 다만, 초기 오존의 농도가 증가할수록 촉매에 의해 제거되는 오존의 농도도 증가하였으며, 초기 오존의 농도가 400ppm일 때는 약 145ppm의 오존이 제거되는 것을 확인하였다.
초기 오존의 농도가 낮을 때에는 실시예 1 및 실시예 2에서 제조된 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매에 침착되는 오존 및 대기오염 물질 분해촉매의 양에 따라 촉매의 오존 분해 성능에 차이가 있는 것을 확인하였다. 다만, 실시예 1 및 실시예 2에서 제조된 촉매의 오존을 분해할 수 있는 최대 성능은 대략적으로 비슷한 것을 확인하였다.
도 7은 실시예 2에서 제조된 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매의 공간속도에 따른 오존 분해 성능을 나타낸 그래프이다.
도 7을 참고하면, 공간속도가 증가할수록 실시예 2에서 제조된 촉매의 오존 분해 성능이 감소되는 것을 확인하였다. 오존을 포함하는 유체가 빠른 속도로 촉매에 공급되면 오존이 완전하게 분해되지 못하는데, 이는 오존이 촉매 표면에서 분해되는 과정에서 소정의 시간이 소요되기 때문이다. 따라서, 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매의 오존 분해 성능을 향상시키기 위하여, 공간속도를 조절할 필요가 있다. 공간속도는 촉매의 공극의 크기, 촉매 농도, 분해하고자 하는 물질의 농도 등에 따라 최적의 공간속도의 값은 달라질 수 있는 바, 이를 고려하여 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매의 공간속도를 조절할 수 있다.
오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매의 에틸렌 분해 성능 실험
도 4에서 보듯이, 실시예 1에서 제조된 촉매를 하우징에 설치하고, 오존 및 대기오염 물질 분해 장치를 사용하여 촉매의 에틸렌 분해 성능 실험을 수행하였다. 에틸렌 분해 성능 실험은 에틸렌 용기의 밸브를 개방하여, 촉매가 설치된 하우징에 오존 및 에틸렌을 포함하는 공기를 1L/min으로 공급하였다. 하우징의 전단과 후단에 설치된 유체 농도 측정기를 이용하여, 하우징에 유입되는 오존 및 에틸렌의 농도와 하우징에서 유출되는 오존 및 에틸렌의 농도를 측정하였다.
촉매의 에틸렌 분해 성능 실험을 수행한 결과, 하우징 전단에서 측정한 오존의 농도는 95ppm, 에틸렌의 농도는 9ppm이었으며, 하우징 후단에서 측정한 오존 및 에틸렌의 농도는 0ppm이었다. 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매는 오존 및 에틸렌을 효과적으로 제거하는 것을 확인하였다.
오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매의 일산화탄소 분해 성능 실험
도 4에서 보듯이, 실시예 1에서 제조된 촉매를 하우징에 설치하고, 오존 및 대기오염 물질 분해 장치를 사용하여 촉매의 일산화탄소 분해 성능 실험을 수행하였다. 일산화탄소 분해 성능 실험은 일산화탄소 용기의 밸브를 개방하여, 촉매가 설치된 하우징에 오존 및 일산화탄소를 포함하는 공기를 1L/min으로 공급하였다. 하우징의 전단과 후단에 설치된 유체 농도 측정기를 이용하여, 하우징에 유입되는 오존 및 일산화탄소의 농도와 하우징에서 유출되는 오존 및 일산화탄소의 농도를 측정하였다.
촉매의 일산화탄소 분해 성능 실험을 수행한 결과, 하우징 전단에서 측정한 오존의 농도는 100ppm, 일산화탄소의 농도는 10ppm이었으며, 하우징 후단에서 측정한 오존 및 일산화탄소의 농도는 0ppm이었다. 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매는 오존 및 일산화탄소를 효과적으로 제거하는 것을 확인하였다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 하우징
110: 촉매
120: 유량계
130, 140: 유체 농도 측정기
200: 전압 조절기
210: 오존 발생기
220: 펌프
300: 에틸렌 용기
310: 일산화탄소 용기
320, 330: 밸브
110: 촉매
120: 유량계
130, 140: 유체 농도 측정기
200: 전압 조절기
210: 오존 발생기
220: 펌프
300: 에틸렌 용기
310: 일산화탄소 용기
320, 330: 밸브
Claims (14)
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- 세라믹 분말, 고분자 펠릿, 무기 바인더 및 분산액을 포함하는 혼합물을 소결하여 다공성 지지체를 제조하는 단계;
상기 다공성 지지체상에 오존 및 대기오염 물질 분해촉매 또는 그 전구체를 부착시키는 단계; 및
상기 오존 및 대기오염 물질 분해촉매 또는 그 전구체가 부착된 다공성 지지체를 100℃ 내지 900℃에서 열처리하여 상기 다공성 지지체상에 오존 및 대기오염 물질 분해용 촉매를 침착시키는 단계를 포함하는 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 오존 및 대기오염 물질 분해촉매는 Al, Ag, Rh, Ba, Ru, Pt, Ce, W, La, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn 및 V 중에서 선택되는 적어도 1종의 원소 또는 그 산화물을 포함하는 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 오존 및 대기오염 물질 분해촉매 전구체는 염화망간, 질산망간, 황산망간, 과염소산망간, 카르복실산망간 및 아세트산망간 중에서 선택되는 적어도 1종의 망간염인 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 오존 및 대기오염 물질 분해촉매 전구체는 질산은, 황산은, 과염소산은, 아세트산은, 디에틸디티오카르밤산은, 시안화은, 요오드화은 및 산화은 중에서 선택되는 적어도 1종의 은염인 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 다공성 지지체상에 오존 및 대기오염 물질 분해촉매 또는 그 전구체를 부착시키는 단계는 딥 코팅법, 워시 코팅법, 화학적 기상 증착법 또는 물리적 기상 증착법을 이용하여 수행되는 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 열처리 단계는 산소조건, 수소조건 또는 질소조건에서 수행되는 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 다공성 지지체상에 오존 및 대기오염 물질 분해 촉매 또는 그 전구체를 부착시키는 단계중에 또는 상기 다공성 지지체상에 오존 및 대기오염 물질 분해 촉매를 침착시키는 단계 이후에 조촉매로 염기성물질 또는 산성물질을 첨가하는 단계를 더 포함하는 오존 및 대기오염 물질 분해용 다공성 촉매의 제조방법.
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