KR101914836B1 - 바이오매스를 이용한 필터용 활성탄의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이오매스를 이용한 필터용 활성탄을 제조하는 방법에 관한 것으로 그 과정의 특징으로서, 준비된 바이오매스를 분쇄한 다음, 분쇄된 바이오매스 분말의 불순물을 제거하는 원료준비단계; 상기 바이오매스 분말에 수산화칼륨(KOH) 수용액을 혼합한 다음, 혼합된 슬러리에 수분을 제거하는 약품처리단계; 상기 바이오매스 혼합분말을 가열로에 투입한 다음, 열처리로 비표면적과 기공을 활성화하는 활성처리단계; 및 상기 바이오매스 활성분말을 세척하여 칼륨(K)을 제거한 다음, 건조시켜 활성탄 분말을 수득하는 활성탄완성단계;를 포함하여 이루어진다.
이에 따라 본 발명은, 제조에 소요되는 원료비용과 공수를 절감하면서도 저온에서도 우수한 비표면적과 기공을 신속하게 형성할 수 있어 품질의 향상과 함께 에너지절감으로 전반적인 자원의 낭비와 환경오염을 방지하는데 이바지할 수 있는 효과가 있다.

Description

바이오매스를 이용한 필터용 활성탄의 제조방법{Method for producing activated carbon for filter using biomass}

본 발명은 바이오매스를 이용한 정화 필터용 활성탄을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 과수나 가로수 전정지, 농업이나 임업부산물 따위의 폐기물을 원료로 활용하면서도 미세기공과 비표면적을 극대화시켜 흡착성이 우수한 필터용 활성탄을 제조하는 방법에 관한 것이다.

최근 산업의 발전과 더불어 각종 공해 유발물질의 배출이 늘어나고, 이로 인한 피해가 자주 나타나면서 환경오염의 심각성에 대한 인식이 높아지고 있고, 이러한 관점에서 공해방지 대책의 한 수단으로 활성탄을 활용하는 방법에 대한 관심도 증대되고 있다.

활성탄은 다공질 구조가 잘 발달된 탄소계 흡착제로 흡착용량이 크고 흡착성능이 뛰어나 제당공업에서의 탈색제로 사용하는 것을 비롯하여 각종 물질의 분리정제 공정에서 촉매 또는 용매 회수제로 이용될 뿐만 아니라, 환경오염 문제와 관련된 각종 폐수처리 대기오염 방지대책용 흡착제 및 의료용 흡착제로 이용되는 등 폭 넓은 분양에 걸쳐 주목을 받아오고 있다.

이러한 활성탄의 원료로는 견과 껍질, 목재, 석탄, 리그닌, 코코넛 껍질, 쌀겨, 과일씨 등이 사용 되고 있다. 활성탄은 원료를 희박한 산소 분위기에서 열처리(탄화)하여 고온에서 증기로 활성화시켜서 제조되는데, 탄화에 의해 세포벽이 타들어 갈 때 발생하는 수많은 미세 구멍들에 의해 강한 흡착력이 부여된다. 즉, 활성탄의 생산 단가는 어떤 원료를 사용하는가와 탄화 및 활성화 시 얼마나 많은 에너지를 소비하는지에 따라 결정된다.

기존의 문헌들을 살펴보면, 탄화 시에 탈수기(~120℃), 휘발성 유기물질 제거기(~550℃) 및 고온 활성화기(~1000℃)를 거치면서 많은 에너지를 소모하게 된다. 이러한 에너지 소모량은 활성탄의 제조단가를 결정하는 주요한 요인으로 작용한다. 그러므로 에너지 소비량을 줄이는 방법은 활성탄의 제조단가를 낮추는 중요한 수단이 될 수 있다.

그러나 탄화 및 활성화에 사용되는 에너지 소비량을 줄이는 것이 용이하지 않기 때문에 보다 저가의 원료를 발굴하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그리고 발굴된 저가의 원료에 맞추어 제조공정의 변화를 꾀하여 탄화 시 소요되는 에너지를 절감하기 위한 노력도 병행되고 있다. 즉, 아직까지 저가의 원료를 사용하여 저렴하게 활성탄을 제조하는 공정도 확립되어 있지 않은 실정이다. 따라서 가격 경쟁력 있는 원료를 발굴하고 이와 연계된 효율적이고 우수한 품질의 제조공정을 개발하는 것이 요구되고 있다.

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이에 따라 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 근본적으로 해결하기 위한 것으로서, 과수나 가로수 전정지, 농업이나 임업부산물 따위의 폐기물을 원료로 활용하는데 이어서 단일의 열처리만으로 탄화와 활성화 과정을 동시에 처리함과 함께 저온에서도 신속하게 처리 가능한 최적의 조건으로 전반적인 에너지를 절감하여 가격경쟁력을 확보할 수가 있는 바이오매스를 이용한 필터용 활성탄의 제조방법을 제공하려는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 바이오매스를 이용한 필터용 활성탄을 제조하는 방법에 있어서: 준비된 바이오매스를 분쇄한 다음, 분쇄된 바이오매스 분말의 불순물을 제거하는 원료준비단계; 상기 바이오매스 분말에 수산화칼륨(KOH) 수용액을 혼합한 다음, 혼합된 슬러리에 수분을 제거하는 약품처리단계; 상기 바이오매스 혼합분말을 가열로에 투입한 다음, 열처리로 비표면적과 기공을 활성화하는 활성처리단계; 및 상기 바이오매스 활성분말을 세척하여 칼륨(K)을 제거한 다음, 건조시켜 활성탄 분말을 수득하는 활성탄완성단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때, 본 발명에 의한 상기 원료준비단계는 준비된 바이오매스를 5 내지 15메시로 분쇄한 다음, 분쇄된 바이오매스 분말 75~85 중량%에 산성액 15~25 중량%를 혼합하여 불순물을 제거하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 상기 약품처리단계는 바이오매스 분말 30~40 중량%에 수산화칼륨 수용액 60~40 중량%를 혼합한 다음, 혼합된 슬러리를 110~130℃에서 20 내지 40분간 가열하여 수분을 제거하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 상기 활성처리단계는 가열로에 투입된 바이오매스 혼합분말을 400~650℃에서 200 내지 300분간 열처리 하는 것을 특징으로 한다.

도한, 본 발명에 의한 상기 활성처리단계는 열처리 과정에서 가열로 내부에 발생하는 바이오매스 가스의 온도와 농도에 따라 상기 바이오매스 가스를 외부로 강제 배출시키고, 배출되는 바이오매스 가스의 양만큼 외부 공기를 유입시키는 과정으로 활성화하는 것을 특징으로 한다.

한편, 이에 앞서 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이상의 구성 및 작용에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 과수나 가로수 전정지, 농업이나 임업부산물 따위의 폐기물을 원료로 활용하여 원료비용을 절감할 뿐만 아니라 자원의 낭비를 방지할 수 있다.

둘째, 별도의 탄화과정을 생략하고, 단일의 열처리만으로 탄화와 활성화 과정을 동시에 처리함으로서 제조에 소요되는 공수는 절감하고 생산속도는 향상할 수 있다.

셋째, 열처리 과정에서 발생하는 바이오매스 가스의 온도와 농도에 따라 발생된 가스를 배출시키면서 외부 공기를 유입시키는 과정으로 처리함으로서 저온에서도 우수한 비표면적과 기공을 신속하게 형성할 수가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 제조방법을 전체적으로 나타내는 순서도.
도 2는 본 발명에 따른 가열로를 나타내는 구성도.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 제조방법의 주요과정을 나타내는 참고도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명은 바이오매스를 이용한 필터용 활성탄을 제조하는 방법에 관련되며, 원료준비단계(S10), 약품처리단계(S20), 활성처리단계(S30), 활성탄완성단계(S40)를 거치는 필터용 활성탄의 제조방법이다. 본 발명의 제조방법은 제조에 소요되는 원료비용과 공수를 절감하면서도 저온에서도 우수한 비표면적과 기공을 신속하게 형성할 수 있어 품질의 향상과 함께 에너지절감으로 전반적인 자원의 낭비와 환경오염을 방지하는데 이바지할 수 있는 것을 주요 요지로 한다.

-원료준비단계(S10)-

원료준비단계(S10)는 준비된 바이오매스를 분쇄한 다음, 분쇄된 바이오매스 분말의 불순물을 제거하는 과정이다. 즉, 과수전정지, 가로수전정지, 농업부산물, 임업부산물 따위의 폐기물을 수거하여 저장한다. 저장된 바이오매스는 크기와 성질이 각기 다르므로 이들을 5 내지 15메시로 분쇄하여 균일화한다.

여기서 5메시 이하로 분쇄할 경우 입자가 너무 미세하므로 흡착성이 저하되고, 15메시 이상으로 분쇄할 경우 입자가 커서 최종 비표면적과 기공의 품질을 기대하기 어려우므로 8메시로 분쇄하는 것이 바람직하다.

분쇄된 바이오매스 분말은 유기 또는 무기질 따위의 불순물을 함유하고 있으므로 바이오매스 분말 75~85 중량%에 산성액 15~25 중량%를 혼합하여 불순물을 제거한다.

여기서 혼합되는 산성액은 질산, 염산, 불산 중 택일되는 것으로, 25 중량%이상이 혼합되면 높은 산도로 부식이 발생하고, 15 중량% 이하로 혼합되면 본연의 역할을 수행할 수가 없다. 따라서 바이오매스 분말 80 중량%에 산성액 20 중량%를 혼합하는 것이 가장 좋다.

-약품처리단계(S20)-

약품처리단계(S20)는 불순물이 제거된 바이오매스 분말에 수산화칼륨(KOH) 수용액을 혼합한 다음, 혼합된 슬러리에 수분을 제거하는 과정이다. 즉, 불순물이 제거된 바이오매스 분말은 산성이므로 중성 또는 알카리화하면서도 별도의 탄화과정을 생략하고 저온에서의 활성화 과정만으로도 우수한 비표면적과 기공을 가지기 위한 촉매제가 필요하다.

이를 위해 바이오매스 분말 30~40 중량%에 촉매제인 수산화칼륨(KOH) 수용액 60~40 중량%를 혼합한 다음, 혼합된 슬러리를 110~130℃에서 20 내지 40분간 가열하여 수분을 제거해 수산화칼륨을 함침 한다. 함침 된 수산화칼륨은 후속하는 활성처리단계(S30)에서 잔존하는 이산화규소를 산화로 제거하는 역할을 수행한다. 즉, 바이오매스 분말에 함유하는 이산화규소가 제거되면서 그 자리에 미세 기공이 형성되어 비표면적이 증가된다.

이러한 수산화칼륨 수용액이 60 중량% 이상으로 혼합되면 산화와 함께 잔존하는 칼륨양이 증가되어 필터용으로 부적합하게 되고, 40 중량% 이하로 혼합되면 본래의 역할을 수행할 수가 없다. 따라서 바이오매스 분말과 수산화칼륨 수용액은 1:0.2 중량비로 혼합한 다음, 혼합된 슬러리를 120℃에서 30분간 가열하는 것이 바람직하다.

-활성처리단계(S30)-

활성처리단계(S30)는 칼륨이 함침 된 바이오매스 혼합분말을 가열로(10)에 투입한 다음, 열처리로 비표면적과 기공을 활성화하는 과정이다. 즉, 가열로(10)에 투입된 바이오매스 혼합분말을 400~650℃에서 200 내지 300분간 열처리하여 탄소 이외에 성분을 열분해로 제거하면서 기공을 형성한다.

여기서 혼합분말을 650℃이상에서 300분 이상으로 열처리할 경우 활성화 수준 대비 에너지의 낭비가 증가되고, 수율이 감소되는 문제가 있으며, 400℃이하에서 200분 이하로 열처리 할 경우 활성화 정도가 부족하게 된다. 따라서 바이오매스 혼합분말은 550℃에서 240분간 열처리하는 것이 바람직하다.

이때, 혼합분말을 활성화시키는 가열로(10)는 도 2처럼 하단에 외부와 선택적으로 연통되는 노즐(11)이 형성되고, 상단에 외부와 연통하는 배기구(12)가 형성된 구조를 가지고, 중앙에 내부 기류의 온도와 농도를 측정하는 센서(15)를 구비한다. 여기서 배기구(12)에는 내부 기류를 흡입하여 외부로 강제 배출시키는 송풍기(13)를 구비한다.

즉, 노즐(11)과 배기구(12)가 밀폐된 상태에서 혼합분말이 열처리되면, 도 3처럼 가열로(10) 내부에서 바이오매스 가스가 발생되어 험기 상태가 된다. 이때, 센서(15)에 의해 바이오매스 가스의 온도와 농도가 설정 치에 도달되면, 도 4처럼 배기구(12)가 개방되면서 송풍기(13)가 바이오매스 가스를 강제적으로 배출되게 작동한다.

여기서 송풍기(13)가 작동하더라도 가스는 외부로 배출되지 못하고, 노즐(11)의 개방으로 외부 공기가 주입되어야만 비로소 주입 양만큼 가스가 배출된다. 즉, 바이오매스 가스의 온도와 농도가 설정 치를 유지하도록 노즐(11)이 개폐작동을 수행한다.

이러한 바이오매스 가스가 강제적으로 배출되면서 외부공기가 유입되면, 혼합분말에 미약한 연소반응이 일어나고, 그로인해 온도가 높아져 열분해가 가속하게 된다. 따라서 비교적 저온인 600℃에서도 우수한 비표면적과 기공을 신속하게 형성할 수가 있다.

-활성탄완성단계(S40)-

활성탄완성단계(S40)는 활성화과정을 거친 바이오매스 활성분말을 세척하여 칼륨(K)을 제거한 다음, 건조시켜 활성탄 분말을 수득하는 과정이다. 즉, 활성분말을 물에 침지한 상태에서 교반시켜 함침된 칼륨을 제거한다. 칼륨이 제거된 슬러리는 110~130℃에서 20 내지 40분간 가열하여 수분을 제거하면 완성된다. 완성된 활성탄 분말은 필터의 표면에 바인더와 함께 코팅되어 통과하는 공기의 불순물이나 가스를 흡착한다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 살펴보고 제조방법과 활성탄이 가진 실질적인 효과가 유효함을 알아보고자 한다.

<<제1실험>>

제1실험은 본 발명에 의한 제조방법과 조건으로 처리한 실시예와, 기존의 제조방법과 조건으로 처리한 비교예로 완성된 활성탄의 구조와 형태를 살펴보았다. 이를 위해 SEM(Scanning Electron Microscopy)분석을 행하였다. Stereo scan 440/Link ISIS(Leica Cambridge.Ltd) 기기를 사용하여 2000배의 배율로 조직(morphology)을 측정하였다.

<제조방법과 조건>

	실시예	비교예
1단계	준비된 바이오매스를 8메시로 분쇄한 다음, 분쇄된 바이오매스 분말 80 중량%에 질산 20 중량%를 혼합하여 불순물을 제거	-동일-
2단계	바이오매스 분말과 수산화칼륨 수용액을 1:0.2 중량비로 혼합한 다음, 혼합된 슬러리를 120℃에서 30분간 가열하여 수분을 제거	바이오매스 혼합분말을 탄화로에 투입한 다음, 600℃에서 60분간 탄화
3단계	바이오매스 혼합분말을 가열로에 투입한 다음, 550℃에서 240분간 열처리하여 활성화	바이오매스 분말과 수산화칼륨 수용액을 1:0.2 중량비로 혼합한 다음, 혼합된 슬러리를 120℃에서 30분간 가열하여 수분을 제거
4단계	바이오매스 활성분말을 세척하여 칼륨을 제거한 다음, 건조시켜 활성탄 분말을 수득	바이오매스 혼합분말을 활성화로에 투입한 다음, 900℃에서 75분간 가열하여 활성화
5단계	-없음-	바이오매스 활성분말을 세척하여 칼륨을 제거한 다음, 건조시켜 활성탄 분말을 수득

<측정결과>

실시예	비교예

측정결과 탄화, 약품, 활성화 과정을 모두 거친 비교예가 탄화과정을 생략하고 약품과 활성화 과정을 거친 실시예에 비해 표면의 기공이 미약하게 줄어든 것을 관찰할 수 있다. 그러나 실시예와 비교예를 처리하기 위해 소요되는 공수가 실시예에 비해 비교예가 평균적으로 1.5~2배 더 높았다.

<실험고찰>

본 발명에 의해 제조된 활성탄은 기존의 방법에 의해 제조된 활성탄과 동일 또는 그 이상의 품질을 가지면서도 제조에 소요되는 비용은 반 이상으로 절감할 수가 있어 전반적인 가격경쟁력을 확보할 수가 있다.

<<제2실험>>

제2실험은 본 발명에 의한 제조방법 중 활성처리단계(S30)에서 가열로(10)의 노즐(11)과 배기구(12) 및 센서(15)의 작동에 유무에 따라 실시예1 내지 실시예3으로 완성된 활성탄의 구조와 형태를 제1실험과 동일한 기기와 조건으로 조직을 측정하였다.

<작동조건>

실시예1	실시예2	실시예3
노즐(11)과 배기구(12)가 밀폐된 상태에서 550℃로 240분간 열처리	노즐(11)과 배기구(12)가 개방된 상태에서 550℃로 240분간 열처리	노즐(11)과 배기구(12) 및 송풍기(13)가 센서(15)에 의해 피드백 제어되는 상태에서 550℃로 240분간 열처리

<측정결과>

실시예1	실시예2	실시예3

측정결과 실시예1은 희박한 산소 분위기에서 저온 처리됨에 따라 열분해에 필요한 에너지가 적어 결정들이 서로 얽혀 있고, 실시예2는 농후한 산소 분위기로 인해 열분해 보다 연소가 되어 재(ash)상태이며, 실시예3은 최적의 산소 분위기에서 처리됨에 따라 저온에서도 적절한 열분해로 우수한 비표면적과 기공이 형성된 것을 관찰할 수 있다.

<실험고찰>

기존의 방법에 의해 제조된 활성탄과 동일 또는 그 이상의 품질을 가지면서도 제조에 소요되는 비용은 반 이상으로 절감시키기 위해서는 노즐(11)과 배기구(12) 및 송풍기(13)가 센서(15)에 의해 피드백 제어되는 가열로(10)를 통해서만이 가능하다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 가열로 11: 노즐
12: 배기구 13: 송풍기
15: 센서
S10: 원료준비단계 S20: 약품처리단계
S30: 활성처리단계 S40: 활성탄완성단계

Claims (5)

1. 바이오매스를 이용한 필터용 활성탄을 제조하는 방법에 있어서:
   준비된 바이오매스를 5 내지 15메시로 분쇄한 다음, 분쇄된 바이오매스 분말 75~85 중량%에 산성액 15~25 중량%를 혼합하여 불순물을 제거하는 원료준비단계;
   상기 바이오매스 분말 30~40 중량%에 수산화칼륨 수용액 60~40 중량%를 혼합한 다음, 혼합된 슬러리를 110~130℃에서 20 내지 40분간 가열하여 수분을 제거하는 약품처리단계;
   상기 바이오매스 혼합분말을 가열로에 투입하여 400~650℃에서 200 내지 300분간 열처리로 비표면적과 기공을 활성화하되, 열처리 과정에서 가열로 내부에 발생하는 바이오매스 가스의 온도와 농도에 따라 상기 바이오매스 가스를 외부로 강제 배출시키고, 배출되는 바이오매스 가스의 양만큼 외부 공기를 유입하여 활성화하는 활성처리단계; 및
   상기 바이오매스 활성분말을 세척하여 칼륨(K)을 제거한 다음, 건조시켜 활성탄 분말을 수득하는 활성탄완성단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이오매스를 이용한 필터용 활성탄의 제조방법.
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