KR101947308B1 - 휘발성 유기 화합물 저감을 위한 중공형 활성탄소 나노 섬유 및 그 제작 방법 - Google Patents

휘발성 유기 화합물 저감을 위한 중공형 활성탄소 나노 섬유 및 그 제작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 휘발성 유기 화합물 저감을 위한 중공형 활성탄소 나노 섬유 및 그 제작 방법을 위한 것으로, 망간 산화물 촉매와 활성 탄소 나노 섬유를 이용하여 휘발성 유기 화합물을 흡착하고 저온에서 촉매 산화 시킬 수 있으며, 내측에는 적어도 촉매, 제1 고분자를 포함하는 물질이 배치되고, 외측에는 적어도 제2 고분자를 포함하는 물질이 배치되도록 두 개의 서로 다른 물질을 동심원 단면 형태로 전기 방사하는 단계와 상기 전기 방사에 의해 형성된 구조체를 제1 기설정된 온도까지 공기 분위기에서 제1 열처리하는 단계와 상기 제1 열처리된 구조체를 제2 기설정된 온도까지 질소 분위기에서 제2 열처리하는 단계; 및 상기 제2 열처리된 구조체를 소정 기체 또는 수증기를 가하는 활성화 단계를 포함한다.

Description

휘발성 유기 화합물 저감을 위한 중공형 활성탄소 나노 섬유 및 그 제작 방법{ACTIVATED HOLLOW POROUS CARBON NANO FIBER FOR DECREASING VOC AND ITS METHOD}
본 발명은 휘발성 유기 화합물 저감을 위한 중공형 활성탄소 나노 섬유 및 그 제작 방법을 위한 것으로, 망간 산화물 촉매와 활성 탄소 나노 섬유를 이용하여 휘발성 유기 화합물을 흡착하고 저온에서 촉매 산화 시킬 수 있다.
휘발성 유기 화합물(VOC)은 주로 석유화학 정유 도료 도장 공장의 제조와 저장 과정, 자동차 배기가스, 페인트나 접착제 등 건축자재, 주유소의 저장탱크 등에서 발생하고 있다. 이러한 휘발성 유기 화합물은 대기중에 휘발되어 악취나 오존을 발생시키며, 피부접촉이나 호흡기 흡입을 통해 신경계에 장애를 일으키는 발암물질로 이루어져 있다.
이러한 휘발성 유기 화합물은 저농도에서도 악취를 유발하며, 화합물 자체로서도 환경 및 인체에 직접적으로 유해하거나 대기중에서 광화학반응에 참여하여 광화학 산화물등 2차 오염물질을 생성하기도 한다.
이러한 휘발성 유기 화합물을 저감하기 위한 방법이 다수 제안되어 있다. 예를 들어, 활성탄을 사용한 흡착(adsorption), 고온 산화(thermal oxidation), 그리고 촉매 산화(catalytic oxidation) 방식이 있다.
이 중 흡착 방식은 휘발성 유기 화합물의 공기 중 농도가 크지 않을 경우에만 효율적이며, 흡착제로 사용되는 활성탄의 높은 비용 및 흡착제의 빈번한 재생의 필요하기 때문에 경제적이지 않다. 또한, 흡착 후 흡착제의 재생을 위해 열을 가하면, 흡착되어 있던 휘발성유기화합물이 다시 탈착되어 공기로 방출되는 단점이 있다.
고온 산화 방식은 높은 온도에서 휘발성 유기 화합물을 연소 시키는 것으로 높은 저감 효율을 갖지만, 많은 에너지가 필요하며, 연소 과정에서 유해물질인 질소 산화물이 발생할 수 있다는 단점이 있다.
촉매 산화 방식은 촉매로 산화에 필요한 활성 에너지를 낮추어 낮은 온도에서 휘발성 유기 화합물을 산화시키는 방식으로, 촉매 산화에 주로 귀금속이나 금속 산화물이 촉매로 사용된다. 귀금속 촉매는 산화 성능은 좋지만 값이 비싸며, 쉽게 오염되는 단점이 있다. 금속 산화물 촉매는 값은 싸지만, 산화 성능이 뛰어나지 않다는 단점이 있다.
또 다른 예로, 한국 등록특허공보 제10-1789378호(등록일자:2017.10.17)는 루테늄산화물과 망간산화물의 복합체로 구성된 1차원의 다결정 튜브 구조를 가지는 리튬-공기 전지용 촉매 및 그 제조방법에 관한 것으로, 코어(Core) 섬유-쉘(Shell) 껍질 형상의 나노튜브 구조 내지는 이중 벽(Multi-wall) 형상의 혼성(Composited) 이중튜브 구조를 가지고 있다.
한국 등록특허공보 제10-1789378호(등록일자:2017.10.17)
본 발명은 휘발성 유기 화합물을 신속하게 제거하는 중공형 활성탄소 나노 섬유를 제공하고자 한다.
본 발명은 휘발성 유기 화합물의 농도에 상관없이 저감이 가능한 중공형 활성탄소 나노 섬유를 제공하고자 한다.
본 발명은 제작 비용이 저렴한 중공형 활성탄소 나노 섬유를 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 망간 산화물 촉매와 활성 탄소 나노 섬유를 이용하여 휘발성 유기 화합물을 흡착하고 저온에서 촉매 산화 시킬 수 있도록 휘발성 유기 화합물 저감을 위한 중공형 활성탄소 나노 섬유및 그 제작 방법을 위한 것으로, 내측에는 적어도 촉매, 제1 고분자를 포함하는 물질이 배치되고, 외측에는 적어도 제2 고분자를 포함하는 물질이 배치되도록 두 개의 서로 다른 물질을 동심원 단면 형태로 전기 방사하는 단계와 상기 전기 방사에 의해 형성된 구조체를 제1 기설정된 온도까지 공기 분위기에서 제1 열처리하는 단계와 상기 제1 열처리된 구조체를 제2 기설정된 온도까지 질소 분위기에서 제2 열처리하는 단계; 및 상기 제2 열처리된 구조체를 소정 기체 또는 수증기를 가하는 활성화 단계;를 포함한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 촉매는 망간 아세테이트 또는 코발트 아세테이트 가운데 적어도 하나를 포함한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 제1 고분자는 상기 제2 고분자보다 용융점이 낮은 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 제1 고분자는 적어도 PMMA(polymethyl methacrylate)를 포함하고, 상기 제2 고분자는 적어도 PAN(peroxyacetyl nitrate)를 포함한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 제1 열처리 단계에서는 상기 전기 방사에 의해 형성된 구조체의 온도가 1℃/min 비율로 높아지도록 상기 전기 방사에 의해 형성된 구조체를 가열한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 제1 기설정된 온도는 250℃를 형성한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 제2 열처리하는 단계에서는 상기 제1 열처리된 구조체의 온도가 3℃/min 비율로 높아지도록 상기 제1 열처리된 구조체를 가열한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 제2 기설정된 온도는 900℃를 형성한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 활성화 단계에서 가해지는 소정의 기체는 이산화탄소인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 방법으로 제작되는 휘발성 유기 화합물 저감을 위한 중공형 활성탄소 나노 섬유를 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 내측에 중공이 형성되는 튜브 형상으로 형성되는 탄소 재질의 몸체로 형성되고, 상기 몸체에는 다수의 미세 기공이 형성되며, 상기 중공 및 상기 미세 기공의 적어도 어느 하나에는 금속 산화물 촉매가 분포한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 금속 산화물 촉매는 망간 산화물 또는 코발트 산화물 입자인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 중공형 활성탄소 나노 섬유는 휘발성 유기 화합물이 고농도일 때와 저농도일 때 모두 저감이 가능한 효과가 있다.
본 발명에 따른 중공형 활성탄소 나노 섬유는 휘발성 유기 화합물을 흡착하고, 저온에서 촉매 산화할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 중공형 활성탄소 나노 섬유는 기존의 흡착제로 사용되어 왔던 활성탄에 비해 높은 비표면적을 갖는 효과가 있다.
도 1은 휘발성 유기 화합물을 흡착을 위한 기존의 나노 섬유에 대한 다양한 예시도,
도 2는 본 발명에 따른 중공형 활성탄소 나노 섬유 제작방법에 대한 블록도,
도 3은 본 발명에 따른 중공형 활성탄소 나노 섬유의 금속 산화물 촉매가 내재된 상세도.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 기존의 휘발성 유기 화합물 흡착을 위한 나노 섬유에 대한 다양한 예시도를 보여주고 있다.
(A)와 (B)는 기존의 휘발성 유기 화합물의 제거를 위해 사용되는 나노 섬유(40)의 단면에 관한 것이다. (A)는 나노 섬유(40)에 열을 가해 표면에 다수의 기공(41)을 형성한 것이며, (B)는 동축 전기 방사를 통해 형성된 튜브 형상의 나노 섬유(42)에 열을 가해 다수의 기공(43)이 구비되어 그 기공(43)을 통해 휘발성 유기 화합물을 흡착하게 된다.
따라서 (A)와 (B)는 나노 섬유(40)(42)에 형성된 기공(41)(43)에서만 휘발성 유기 화합물을 흡착하기 때문에 저농도의 휘발성 유기 화합물을 제거하기에는 효과가 미흡하다.
도 2는 본 발명에 따른 중공형 활성탄소 나노 섬유 제작 방법에 대한 블록도를 보여주고 있다.
중공형 활성탄소 나노 섬유(10)(이하 '중공형 섬유'라 칭함)는 동축 전기 방사를 이용하여, 두 개의 서로 다른 물질을 동심원 단면의 형태로 전기 방사하여 제작하게 된다.
본 발명에 의한 휘발성 유기 화합물을 저감시키는 중공형 섬유(10)를 제작하기 위한 방법은, 내측에는 적어도 촉매, 제1 고분자(20)를 포함하는 물질이 배치되고, 외측에는 적어도 제2 고분자(30)를 포함하는 물질이 배치되도록 두 개의 서로 다른 물질을 동심원 단면 형태로 전기 방사하는 단계(S10)와, 그 다음 전기 방사에 의해 형성된 구조체를 제1 기설정된 온도까지 공기 분위기에서 제1 열처리하는 단계(S20)와, 제1 열처리된 구조체를 제2 기설정된 온도까지 질소 분위기에서 제2 열처리하는 단계(S30)와, 그리고 마지막으로 제2 열처리된 구조체를 소정 기체 또는 수증기를 가하는 활성화 단계(S40)를 포함한다. 동축 전기 방사시, 동심원 단면 형태로 위치하게 되는 두 개의 서로 다른 물질을 각각 다른 물질로 이루어져 있다. 촉매에 사용되는 물질은 망간 아세테이트(24)나 코발트 아세테이트를 사용하며, 이 중 적어도 하나의 물질을 사용하면 될 것이다. 또한 제1 고분자(20)는 PMMA(polymethyl methacrylate)(22)를 포함하고, 제2 고분자(30)는 PAN(peroxyacetyl nitrate)를 포함하고 있으며, 제1 고분자(20)는 제2 고분자(30)보다 용융점이 낮아야 한다.
이는 중공형 섬유(10)의 중공 형상을 형성하고, 중공형 섬유(10)의 내주면에 촉매 물질이 고르게 분포하기 위함으로, 자세한 내용은 하기에서 설명하기로 한다.
제1 열처리 단계(S20)에서는 전기 방사에 의해 형성된 구조체의 온도가 1℃/min 비율로 높아지도록 상기 전기 방사에 의해 형성된 구조체를 가열하게 되며, 이때 열처리 되는 온도는 약 250℃이면 족할 것이다. 공기 분위기는 산소가 포함되어 있는 조건이면 족할 것이다.
또한 제2 열처리(S30)하는 단계에서는 제1 열처리된 구조체의 온도가 3℃/min 비율로 높아지도록 제1 열처리된 구조체를 가열하며, 이때 열처리하는 온도는 약 900℃로 설정하면 될 것이다. 질소 분위기는 산소가 제거된 상태의 조건에서 열처리가 이루어지면 될 것이다.
급격한 속도록 열처리를 하게 되면 중공형 섬유(10)에 문제가 발생할 우려가 있기 때문에 일정한 속도로 온도를 상승시키는 열처리를 통해 중공형 섬유(10)에 문제가 발생하지 않고 안정감을 주면서 중공형 섬유(10) 제작을 완료할 수 있게 된다.
마지막으로, 활성화 단계(S40)에서 사용되는 소정의 기체는 이산화탄소를 사용하는 것이 바람직할 것이다. 제2 열처리(S30)하는 과정에서 중공형 섬유(10)의 표면에 다수의 기공(12)이 형성되지만, 휘발성 유기 화합물의 흡착에 도움이 되는 기공(12)을 더 많이 형성하기 위해 활성화 단계(S40)에서 기체를 공급하게 되면 기체의 분자가 중공형 섬유(10)에 반응을 하여 다수의 기공(12)을 형성하게 된다. 이때 공급하는 기체로 이산화탄소를 공급하게 되면, 이산화탄소의 분자가 매우 미세하기 때문에 휘발성 유기 화합물의 흡착에 도움이 되는 미세 기공(micropore)을 형성할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 중공형 활성탄소 나노 섬유의 단면도를 보여주고 있는 모습에 관한 것이다.
단면의 내측과 외측에 서로 다른 물질로 이루어진 중공형 섬유(10)로, 열처리를 하여 중심부가 튜브 형상처럼 중공을 형성하게 되며, 중공형 섬유(10)의 내, 외주면에 다수의 기공(12)이 발생하게 된다. 또한 중공형 섬유(10)의 내측으로는 내측에 구비되어 있던 제1 고분자 중 하나인 산화물 촉매 입자가 골고루 분포하게 된다.
따라서 기존의 나노 섬유(40)에 비해 높은 비표면적을 가질 수 있으며, 금속 산화물 입자가 높은 비표면적을 가지는 나노 섬유(40)인 지지체에 고르게 분포할 수 있게 되어, 촉매 산화에도 기존의 금속 산화물 촉매에 비해 높은 성능을 발휘할 수 있게 된다.
동축 전기 방사를 통해 만들어진 중공형 섬유(10)의 단면도를 보면, 제1 고분자(20)와 제2 고분자(30)가 동심원의 단면 형태로 위치하게 된다.
단면으로 보여지는 동심원의 내측으로 위치하는 제1 고분자(20)는 고분자 용액인 PMMA(22)와 DMF, 촉매인 망간 아세테이트(24) 또는 코발트 아세테이트가 구비되어 있다. 그리고 그 외측으로 제2 고분자인(30) 고분자 용액(PAN)이 제1 고분자(20)를 감싸며 위치하게 된다. 이때 제1 고분자(20)에 사용되는 용액은 PMMA(22)로 폴리메타크릴산메틸(polymethyl methacrylate)이고, 제2 고분자(30)에 사용되는 용액은 PAN으로 질산과학화아세틸(peroxyacetyl nitrate)이다.
전기 방사되어 내, 외측에 서로 다른 고분자가 위치하는 중공형 섬유(10)를 공기 분위기에서 약 300의 온도에서 열처리를 하게 되면, 제1 고분자(20)가 제2 고분자(30)보다 용융점이 낮아, 단면의 내측에 위치한 제1 고분자(20) 중 하나인 PMMA(22)가 분해되어 사라지게 되며, 망간 아세테이트(24)는 망간 산화물(25)로 산화된다. 망간 아세테이트(24) 대신 코발트 아세테이트를 사용하게 되면 코발트 산화물로 산화가 이루어지게 된다. 제1 고분자(20)에 PMMA(22)가 포함되어 있기 때문에 중공형 섬유(10)의 내주면에 망간 산화물(25) 또는 코발트 산화물과 같은 촉매 입자가 골고루 분포되어 부착될 수 있게 한다.
그리고 외측에 위치하는 제2 고분자(30)인 PAN은 질소와 산소 같은 성분은 모두 제거가 되고, 탄소 성분만 남게 되어 튜브 형상의 중공형 섬유(10)로 이루어지게 된다. 따라서 제1 고분자(20)가 위치하고 있던 중공형 섬유(10)의 내측 부분에는 망간 산화물(25) 입자가 고르게 분포하게 되어, 촉매 산화에 적합한 구조를 형성하게 된다. 즉, 내측의 PMMA(22)가 제거되고, 외측의 PAN이 남게 되는 과정에서 PAN의 내, 외측으로 다수의 기공(12)이 형성되기 때문에 비표면적이 증가하여 휘발성 유기 화합물의 촉매 산화를 위한 최적의 중공형 섬유(10)가 된다.
그 다음 중공형 섬유(10)를 질소 분위기 속에서 900로 열처리한다. 이 과정 속에서 중공형 섬유(10)의 표면에 다수의 기공(12)이 형성된다. 하지만 이때 이산화탄소 또는 수증기를 공급하면 튜브 형상의 구조체 표면에 더 많은 기공(12)이 형성되어 휘발성 유기 화합물의 흡착력이 향상된다.
즉, 중공형 섬유(10)의 표면에 열처리하게 되면 어느 정도 기공(12)이 형성되지만, 중공형 섬유(10)의 활성화를 위해 더 많은 기공(12)이 형성될 수 있도록 열처리하는 단계에서 이산화탄소나 수증기와 같은 서로 다른 종류의 기체를 공급한다. 공급된 기체의 종류에 따라 서로 다른 크기의 입자가 중공형 섬유(10)의 표면과 반응 및 충돌 등으로 인해 크기가 다른 다수의 기공(12)을 형성하게 된다.
한편 기체 공급시 이산화탄소를 공급해주게 되면, 이산화탄소의 입자는 상대적으로 매우 미세하기 때문에 휘발성 유기 화합물의 흡착에 유리한 미세한 크기의 기공(12)(micropore)을 형성하는데 매우 유리하다. 따라서 다양한 크기의 기공(12)과 미세한 크기의 기공(12)이 형성된 중공형 섬유(10)는 휘발성 유기 화합물이 고농도일 때와 저농도 일 때의 농도와 상관없이 흡착력을 향상시킬 수 있게 된다.
다시 말하자면, 중공형 섬유(10)는 내측에 중공이 형성되는 튜브 형상으로 형성되는 탄소 재질의 몸체로 형성되고, 몸체에는 다수의 미세 기공(12)이 형성된다. 그리고 중공 및 미세 기공(12)에는 적어도 어느 하나의 망간 산화물(25)인 금속 산화물 촉매가 분포하게 되며, 금속 산화물 촉매에 사용되는 물질은 망간 산화물(25) 이외에도 코발트 산화물 입자를 사용해도 좋을 것이다.
제작이 완료된 중공형 섬유(10)로 하나의 필터를 만들어 사용하게 되면 휘발성 유기 화합물을 효과적으로 제거할 수 있을 것이며, 흡착 및 촉매 산화 반응한 휘발성 유기 화합물을 탈착시켜 재사용할 수 있다.
휘발성 유기 화합물을 흡착 및 촉매 산화 시킨 중공형 섬유(10)를 약 100-200℃의 온도로 가열하게 되면, 기공(12)에 흡착되어 있던 휘발성 유기 화합물이 분리되고, 촉매된 산화 물질이 환원이 이루어지게 된다. 따라서 몇 번이나 반복하여 재사용할 수 있을 것이며, 상황에 따라 선택적 저감 방식을 적용시킬 수도 있을 것이다.
한편, 중공형 섬유(10)는 공업적인 부분에서 사용되는 공기 청정기의 필터에 사용될 수 있을 것이며, 또한 자동차의 필터로도 사용할 수도 있을 것이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
10 : 중공형 섬유 12 : 기공
20 : 제1 고분자 22 : PMMA
24 : 망간 아세테이트 25 : 망간 산화물
30 : 제2 고분자 40 : 나노 섬유
41 : 기공

Claims (12)

  1. 내측에는 적어도 촉매와 제1 고분자를 포함하는 물질이 배치되고, 외측에는 적어도 제2 고분자를 포함하는 물질이 배치되도록 두 개의 서로 다른 물질을 동심원 단면 형태로 전기 방사하는 단계;
    상기 전기 방사에 의해 형성된 구조체를 제1 기설정된 온도까지 공기 분위기에서 제1 열처리하는 단계;
    상기 제1 열처리된 구조체를 제2 기설정된 온도까지 질소 분위기에서 제2 열처리하는 단계; 및
    상기 제2 열처리된 구조체를 소정 기체 또는 수증기를 가하는 활성화 단계;
    를 포함하되,
    상기 제1 고분자는 상기 제2 고분자보다 용융점이 낮으며,
    상기 제1 고분자는 적어도 PMMA(polymethyl methacrylate)를 포함하고, 상기 제2 고분자는 적어도 PAN(peroxyacetyl nitrate)를 포함하는 휘발성 유기 화합물 저감을 위한 중공형 활성탄소 나노 섬유 제작방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촉매는 망간 아세테이트 또는 코발트 아세테이트 가운데 적어도 하나를 포함하는 휘발성 유기 화합물 저감을 위한 중공형 활성탄소 나노 섬유 제작방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열처리 단계에서는 상기 전기 방사에 의해 형성된 구조체의 온도가 1℃/min 비율로 높아지도록 상기 전기 방사에 의해 형성된 구조체를 가열하는 휘발성 유기 화합물 저감을 위한 중공형 활성탄소 나노 섬유 제작방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기설정된 온도는 250℃인 휘발성 유기 화합물 저감을 위한 중공형 활성탄소 나노 섬유 제작방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 열처리하는 단계에서는 상기 제1 열처리된 구조체의 온도가 3℃/min 비율로 높아지도록 상기 제1 열처리된 구조체를 가열하는 휘발성 유기 화합물 저감을 위한 중공형 활성탄소 나노 섬유 제작방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 기설정된 온도는 900℃인 휘발성 유기 화합물 저감을 위한 중공형 활성탄소 나노 섬유 제작방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 활성화 단계에서 가해지는 소정의 기체는 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 휘발성 유기 화합물 저감을 위한 중공형 활성탄소 나노 섬유 제작방법.
  10. 제1항에 의한 방법으로 제작되는 휘발성 유기 화합물 저감을 위한 중공형 활성탄소 나노 섬유.
  11. 삭제
  12. 삭제
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