KR102044876B1 - Water adsorption / desorption material capable of autonomous humidity control and the manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실내 습도 조절이 가능한 수분 흡/탈착재 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하세는 활성탄; 및 상기 활성탄의 기공 표면에 도입된 친수성 그룹;을 포함하고, 상기 친수성 그룹은, 카르보닐기 및 카르복시기의 수소 양이온이 금속 양이온으로 치환된 친수성기(-COOM)를 포함하는 것인, 실내 습도 조절이 가능한 수분 흡/탈착재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a moisture absorption / desorption material and a manufacturing method thereof that can control the indoor humidity, more specifically activated carbon; And a hydrophilic group introduced into the pore surface of the activated carbon, wherein the hydrophilic group includes a hydrophilic group (-COOM) in which a hydrogen cation of a carbonyl group and a carboxy group is substituted with a metal cation. It relates to a adsorption / desorption material and a method for producing the same.

Description

실내 습도 조절이 가능한 수분 흡/탈착재 및 이의 제조방법 {WATER ADSORPTION / DESORPTION MATERIAL CAPABLE OF AUTONOMOUS HUMIDITY CONTROL AND THE MANUFACTURING METHOD THEREOF}Water adsorption / desorption material with adjustable indoor humidity and its manufacturing method {WATER ADSORPTION / DESORPTION MATERIAL CAPABLE OF AUTONOMOUS HUMIDITY CONTROL AND THE MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 실내 습도 조절이 가능한 수분 흡/탈착재 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하세는 활성탄 기반 수분 흡착제를 이용해 고습 환경에서는 수분을 흡착하고, 저습 환경에서는 수분을 탈착시키는 실내 습도 조절이 가능한 수분 흡/탈착재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a moisture adsorption / desorption material capable of controlling indoor humidity and a method for manufacturing the same, and more specifically, using an activated carbon-based moisture adsorbent to adsorb moisture in a high humidity environment, and to control the humidity in a low humidity environment. It relates to a possible moisture adsorption / desorption material and a method for producing the same.

현대에 접어들어 문화적 수준이 향상됨에 따라 실내 환경의 질을 향상시키는 기술에 대한 수요가 증가하고 있다. 인류가 살기에 가장 최적의 실내 주거 환경을 결정짓는 요소들 중 특히, 외부 공기의 유입이 차단된 실내 공간에서 일정한 습도를 유지하는 것이 매우 중요하다. American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE)에서 보고한 바에 의하면 {ASHRAE. Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality (ANSI/ASHRAE Standard 62.1-2010); American Society of Heating, Refrigerating, and Air Conditioning Engineers: Atlanta, GA, 2010}, 30 % - 60 % RH(relative humidity) 범위가 인류의 생존에 가장 적합한 상대습도이며, 더욱 정확하게는 40 % - 60 % RH의 범위이다. 여기서 상대습도(relative humidity: RH)는 현재 포함한 수증기량과 공기가 최대로 포함할 수 있는 수증기량(포화수증기량)의 비를 나타낸 것이다.As the level of culture improves in modern times, the demand for technology that improves the quality of the indoor environment is increasing. Among the factors that determine the most optimal indoor living environment for humankind, it is very important to maintain a constant humidity in the indoor space where the outside air is blocked. The American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) reported that {ASHRAE. Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality (ANSI / ASHRAE Standard 62.1-2010); American Society of Heating, Refrigerating, and Air Conditioning Engineers: Atlanta, GA, 2010}, 30%-60% relative humidity (RH) range is the best relative humidity for human survival, more precisely 40%-60% RH Range. Relative humidity (RH) is the ratio of the amount of water vapor currently included and the amount of water vapor (saturated water vapor) that air can contain at the maximum.

40 % RH 이하의 상대습도에서는 오존 발생, 호흡기 질환의 발병률이 높으며, 60 % RH 이상의 상대습도에서는 박테리아, 곰팡이의 증식률이 높아진다. 인류의 생존에 영향을 미치는 상기의 조건들을 고려하였을 때, 실내 습도가 40 % - 60 % RH 범위로 유지되는 것이 가장 바람직하다. 따라서 40 % RH 이하의 상대습도에서는 실내 공기 중으로 수분을 제공하며 60 % RH 이상의 상대습도에서는 실내 공기 중의 수분을 흡습하여 자동적으로 실내습도를 조절할 수 있는 수분 흡착제의 개발이 필요하다.At relative humidity below 40% RH, the incidence of ozone generation and respiratory diseases is high, and the relative humidity above 60% RH increases the growth rate of bacteria and fungi. Given the above conditions affecting the survival of humanity, it is most desirable that the room humidity be maintained in the range of 40%-60% RH. Therefore, it is necessary to develop a moisture adsorbent that provides moisture to indoor air at a relative humidity of less than 40% RH, and to automatically control indoor humidity by absorbing moisture in indoor air at a relative humidity of 60% RH or more.

탄소 골격으로 이루어진 마이크로 다공성 물질인 활성탄은 큰 마이크로 기공 부피를 가지며 대량 생산이 용이하고 생산 단가가 저렴해 각종 기체의 분리 및 포집에 널리 응용되어 왔다. 그러나, 탄소 특유의 소수성으로 인해 마이크로 기공을 가짐에도 불구하고 수분의 모세관 응축 현상이 비교적 높은 상대습도(>80% RH)에서 발생하기 때문에 그 자체로는 수분 흡착제로써 사용되기 어렵다.Activated carbon, a microporous material composed of a carbon skeleton, has a large micropore volume, is easy to mass-produce, and has a low production cost, and thus has been widely applied to the separation and collection of various gases. However, in spite of having micro pores due to the hydrophobic nature of carbon, capillary condensation of water occurs at relatively high relative humidity (> 80% RH), and thus is difficult to use as a water absorbent by itself.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 활성탄 기반 수분 흡착제를 이용해 고습 환경에서는 수분을 흡착하고, 저습 환경에서는 수분을 탈착시키는 실내 습도 조절이 가능한 수분 흡/탈착재 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.The present invention is to solve the above-mentioned problems, an object of the present invention, the moisture absorption / desorption material capable of controlling the indoor humidity to adsorb moisture in a high humidity environment using a activated carbon-based moisture adsorbent, and desorb moisture in a low humidity environment and It is to provide a preparation method thereof.

그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problem to be solved by the present invention is not limited to those mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 실시예에 따른 실내 습도 조절이 가능한 수분 흡/탈착재는, 활성탄; 및 상기 활성탄의 기공 표면에 도입된 친수성 그룹;을 포함하고, 상기 친수성 그룹은, 카르보닐기 및 카르복시기의 수소 양이온이 금속 양이온으로 치환된 친수성기(-COOM)를 포함한다.In accordance with an embodiment of the present invention, the moisture absorbing / desorbing material capable of controlling indoor humidity may include activated carbon; And a hydrophilic group introduced to the pore surface of the activated carbon, wherein the hydrophilic group includes a hydrophilic group (-COOM) in which a hydrogen cation of a carbonyl group and a carboxyl group is substituted with a metal cation.

일 측면에 따르면, 상기 금속 양이온은, 알칼리 금속 양이온, 알칼리 토금속 양이온 또는 이 둘의 조합인 것일 수 있다. According to one aspect, the metal cation may be an alkali metal cation, an alkaline earth metal cation or a combination of the two.

일 측면에 따르면, 2 nm 이하의 기공을 포함하는 것일 수 있다.According to one aspect, it may be one containing pores of 2 nm or less.

일 측면에 따르면, 0.1 cc/g 내지 5 cc/g의 기공도를 가지는 것일 수 있다.According to one aspect, it may have a porosity of 0.1 cc / g to 5 cc / g.

일 측면에 따르면, 산소 원자 1 중량% 내지 30 중량%를 포함하는 것일 수 있다.According to one aspect, it may be 1 to 30% by weight of oxygen atoms.

일 측면에 따르면, 금속 양이온 1 중량% 내지 20 중량%를 포함하는 것일 수 있다.According to one aspect, it may be 1 to 20% by weight of the metal cation.

일 측면에 따르면, 60 % 이상의 상대습도 조건에서 상기 기공에 수분이 흡착되고, 40 % 이하의 상대습도 조건에서 상기 기공으로부터 수분이 탈착되는 것일 수 있다.According to one aspect, the moisture is adsorbed to the pores in the relative humidity conditions of 60% or more, the moisture may be desorbed from the pores in the relative humidity conditions of 40% or less.

본 발명의 일 실시예에 따른 실내 습도 조절이 가능한 수분 흡/탈착재의 제조방법은, 활성탄의 기공에 카르보닐기, 카르복시기 또는 이 둘을 도입하는 단계; 및 이온교환 처리를 통해 상기 카르보닐기, 상기 카르복시기 또는 이 둘에 존재하는 수소 양이온을 금속 양이온으로 치환하는 단계;를 포함한다.Method for producing a moisture absorbent / desorbable material capable of controlling indoor humidity according to an embodiment of the present invention, the step of introducing a carbonyl group, carboxyl group or both in the pores of the activated carbon; And replacing the hydrogen cation present in the carbonyl group, the carboxyl group, or both with a metal cation through an ion exchange treatment.

일 측면에 따르면, 상기 활성탄의 기공에 카르보닐기, 카르복시기 또는 이 둘을 도입하는 단계;는, 산성 수용액에 상기 활성탄을 투입하여 혼합물을 제조하는 단계 및 상기 혼합물을 가열하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.According to one aspect, the step of introducing a carbonyl group, carboxyl group or both in the pores of the activated carbon; may include the step of preparing a mixture by injecting the activated carbon in an acidic aqueous solution and heating the mixture.

일 측면에 따르면, 상기 산성 수용액은, 질산, 황산, 염산, 아세트산 및 개미산으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.According to one aspect, the acidic aqueous solution may be at least one selected from the group consisting of nitric acid, sulfuric acid, hydrochloric acid, acetic acid and formic acid.

일 측면에 따르면, 상기 이온교환 처리를 통해 상기 카르보닐기. 상기 카르복시기 또는 이 둘에 존재하는 수소 양이온을 금속 양이온으로 치환하는 단계;는, 금속 이온이 용해된 용액을 준비하는 단계 및 상기 금속 이온이 용해된 용액으로 상기 카르보닐기, 상기 카르복시기 또는 이 둘이 도입된 활성탄을 세척하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.According to one aspect, the carbonyl group through the ion exchange treatment. Substituting the hydrogen cation present in the carboxyl group or both with a metal cation; preparing a solution in which metal ions are dissolved and activated carbon into which the carbonyl group, the carboxyl group, or both are introduced into the solution in which the metal ions are dissolved It may be to include the step of washing.

일 측면에 따르면, 상기 금속 이온이 용해된 용액은, 수산화 나트륨 수용액, 수산화 칼륨 수용액, 수산화 리튬 수용액, 수산화 세슘 수용액, 수산화 베릴륨 수용액, 수산화 마그네슘 수용액, 수산화 칼슘 수용액, 수산화 스트론튬 수용액 및 수산화 바륨 수용액으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.According to one aspect, the solution in which the metal ions are dissolved is an aqueous sodium hydroxide solution, potassium hydroxide solution, lithium hydroxide solution, cesium hydroxide solution, beryllium hydroxide solution, magnesium hydroxide solution, calcium hydroxide solution, strontium hydroxide solution and barium hydroxide solution It may include at least one selected from the group consisting of.

본 발명에 따른 친수성이 증진된 활성탄 기반의 수분 흡/탈착제는 산화 및 이온 교환 처리를 통해 표면 친수성이 증진된 활성탄 수분 흡/탈착제로서, 고습 환경에서는 수분을 흡착하고, 저습 환경에서는 수분을 탈착시키는 실내 습도의 자동 조절 기능을 가진다. 보다 상세하게는, 최적의 실내 습도인 40 % 내지 60 % RH를 구현하기 위해 60 % RH 이상의 상대 습도에서는 수분 흡착을 통해 실내 습도를 낮추고, 40 % RH 이하의 상대 습도에서는 수분 탈착을 통해 실내 습도를 높여, 실내 습도를 자동으로 조절해주는 기능을 가진다. 상기 수분 흡/탈착재는 60 % RH 이상에서 수분 흡착 성능이 매우 우수하고 40 % RH 이하에서는 탈착 성능이 매우 우수하여 단위 질량 또는 단위 부피 당 습도 조절 성능이 우수하다.The activated carbon-based water adsorption / desorption agent having improved hydrophilicity according to the present invention is an activated carbon moisture adsorption / desorption agent having surface hydrophilicity enhanced through oxidation and ion exchange treatment, and absorbs moisture in a high humidity environment and moisture in a low humidity environment. It has a function of adjusting the humidity of the room to be detached. More specifically, in order to realize the optimum indoor humidity of 40% to 60% RH, the indoor humidity is lowered by moisture adsorption at a relative humidity of 60% RH or higher, and the moisture is desorbed at a relative humidity of 40% RH or lower. To increase the room humidity automatically. The moisture adsorption / desorption material has a very good water adsorption performance at 60% RH or more and a very good desorption performance at 40% RH or less, so that the moisture control performance per unit mass or unit volume is excellent.

또한, 본 발명에 따른 실내 습도 조절이 가능한 수분 흡/탈착재는 제조 방법이 간단하고 단가가 저렴하여 대량 생산이 용이하며 수열 안정성이 뛰어난 활성탄 기반의 물질이므로 반복된 수분의 흡탈착 시 높은 장기적 안정성을 보인다.In addition, the moisture adsorption / desorption material that can control the indoor humidity according to the present invention is easy to mass-produce because the manufacturing method is simple, low cost, easy to mass-produced activated carbon-based material with excellent hydrothermal stability, so high long-term stability in the adsorption and desorption of repeated moisture see.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 실내 습도 조절이 가능한 수분 흡/탈착재의 수분 흡탈착 등온선을 나타낸 그래프이다.1 is a graph showing the moisture adsorption and desorption isotherm of the moisture adsorption / desorption material capable of controlling indoor humidity manufactured according to an embodiment of the present invention.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the present invention, when it is determined that detailed descriptions of related known functions or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, terms used in the present specification are terms used to properly express preferred embodiments of the present invention, which may vary depending on the intention of a user, an operator, or customs in the field to which the present invention belongs. Therefore, the definitions of the terms should be made based on the contents throughout the specification. Like reference numerals in the drawings denote like elements.

명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout the specification, when a member is located "on" another member, this includes not only when one member is in contact with another member but also when another member is present between the two members.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to "include" a certain component, it means that it may further include other components, not to exclude other components.

이하, 본 발명의 실내 습도 조절이 가능한 수분 흡/탈착재에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, with reference to the embodiments and drawings with respect to the moisture absorption / desorption material capable of controlling the indoor humidity of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited to these embodiments and drawings.

본 발명의 일 실시예에 따른 실내 습도 조절이 가능한 수분 흡/탈착재는, 활성탄; 및 상기 활성탄의 기공 표면에 도입된 친수성 그룹;을 포함하고, 상기 친수성 그룹은, 카르보닐기 및 카르복시기의 수소 양이온이 금속 양이온으로 치환된 친수성기(-COOM)를 포함한다.In accordance with an embodiment of the present invention, the moisture absorbing / desorbing material capable of controlling indoor humidity may include activated carbon; And a hydrophilic group introduced to the pore surface of the activated carbon, wherein the hydrophilic group includes a hydrophilic group (-COOM) in which a hydrogen cation of a carbonyl group and a carboxyl group is substituted with a metal cation.

본 발명에 따른 친수성이 증진된 활성탄 기반의 수분 흡/탈착제는 카르보닐기 및 카르복시기의 수소 양이온이 금속 양이온으로 치환된 친수성기(-COOM)를 포함하는 친수성 그룹을 활성탄의 기공 표면에 도입함으로써, 고습 환경에서는 수분을 흡착하고, 저습 환경에서는 수분을 탈착시키는 실내 습도의 자동 조절 기능을 가질 수 있다. The activated carbon-based water adsorption / desorption agent having improved hydrophilicity according to the present invention is introduced into a pore surface of activated carbon by introducing a hydrophilic group including a carbonyl group and a hydrophilic group (-COOM) in which a hydrogen cation of a carboxy group is substituted with a metal cation. Equipped with the moisture, in a low humidity environment may have an automatic control function of the indoor humidity to desorb the moisture.

일 측면에 따르면, 상기 금속 양이온(M)은, 알칼리 금속 양이온, 알칼리 토금속 양이온 또는 이 둘의 조합인 것일 수 있다. According to one aspect, the metal cation (M) may be an alkali metal cation, alkaline earth metal cation or a combination of both.

일 측면에 따르면, 상기 알칼리 금속 양이온은, 리튬 양이온(Li+), 소듐 양이온(Na+), 포타슘 양이온(K+), 루비듐 양이온(Rb+) 및 세슘 양이온(Cs+)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.According to one aspect, the alkali metal cation is selected from the group consisting of lithium cation (Li + ), sodium cation (Na + ), potassium cation (K + ), rubidium cation (Rb + ) and cesium cation (Cs + ) It may be to include at least one.

일 측면에 따르면, 상기 알칼리 토금속 양이온은, 또는 베릴륨 양이온(Be2+), 마그네슘 양이온(Mg2+), 칼슘 양이온(Ca2+), 스트론튬 양이온(Sr2+) 및 바륨 양이온(Ba2+)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.According to one aspect, the alkaline earth metal cation, or beryllium cation (Be 2+ ), magnesium cation (Mg 2+ ), calcium cation (Ca 2+ ), strontium cation (Sr 2+ ) and barium cation (Ba 2+ It may include at least one selected from the group consisting of.

카르복시기(-COOH)의 수소 양이온(H+)은, 상술한 금속 양이온으로 치환되어 활성탄의 기공 표면에 도입된다. 일 예로, 카르복시기의 수소 양이온이 소듐 양이온(Na+)으로 치환된 (-COONa)가 활성탄의 기공 표면에 도입될 수 있다. 이러한 이온교환을 통해, 본 발명의 활성탄 기반의 수분 흡/탈착제는 향상된 표면 친수성을 가지게 된다.The hydrogen cation (H + ) of the carboxy group (—COOH) is substituted with the metal cation described above and introduced into the pore surface of the activated carbon. For example, (-COONa) in which the hydrogen cation of the carboxyl group is replaced with sodium cation (Na + ) may be introduced to the pore surface of the activated carbon. Through such ion exchange, the activated carbon-based water adsorption / desorption agent of the present invention has improved surface hydrophilicity.

일 측면에 따르면, 상기 친수성이 증진된 활성탄 기반의 수분 흡/탈착제는, 2 nm 이하의 기공을 포함하는 것일 수 있다. 본 발명에 따른 친수성이 증진된 활성탄 기반의 수분 흡/탈착제는 기공 크기가 2 nm 이하인 마이크로 다공성 물질이며, 기공 크기가 2 nm를 초과할 경우, 수분 흡착이 60% RH의 상대습도보다 훨씬 높은 습도 구간에서 수분 흡착이 진행되는 문제점이 발생할 수 있다.According to one aspect, the hydrophilic activated carbon-based water adsorption / desorption agent may be to include pores of 2 nm or less. The hydrophilic activated carbon-based water adsorption / desorption agent according to the present invention is a microporous material having a pore size of 2 nm or less, and when the pore size exceeds 2 nm, the water adsorption is much higher than the relative humidity of 60% RH. The problem of moisture adsorption in the humidity section may occur.

일 측면에 따르면, 상기 친수성이 증진된 활성탄 기반의 수분 흡/탈착제는, 0.1 cc/g 내지 5 cc/g의 기공도를 가지는 것일 수 있다. 0.1 cc/g 미만의 기공도를 가질 경우 수분 흡착 성능이 작아 흡도 조절 효과가 적은 문제점이 발생할 수 있으며, 5 cc/g을 초과하는 기공도를 가질 경우 흡/탈착재 밀도가 매우 작거나 구조 안정성이 크게 떨어지는 문제점이 발생할 수 잇다.According to one aspect, the hydrophilic activated carbon-based water adsorption / desorption agent may have a porosity of 0.1 cc / g to 5 cc / g. If the porosity of less than 0.1 cc / g has a small moisture adsorption performance, there is a problem that less absorption control effect may occur, if the porosity of more than 5 cc / g has a very small density of adsorption / desorbent or structure There may be a problem of poor stability.

일 측면에 따르면, 상기 친수성이 증진된 활성탄 기반의 수분 흡/탈착제는, 산소 원자 1 중량% 내지 30 중량%를 포함하는 것일 수 있다. 바람직하게는, 산소 원자 1 중량% 내지 20 중량%를 포함하거나 10 중량% 내지 30 중량%를 포함하는 것일 수 있으며, 더욱 바람직하게는, 산소 원자 10 중량% 내지 20 중량%를 포함하는 것일 수 있다.According to one aspect, the hydrophilic activated carbon-based water adsorption / desorption agent may be to include 1 to 30% by weight of oxygen atoms. Preferably, it may include 1 wt% to 20 wt% of oxygen atoms or 10 wt% to 30 wt%, and more preferably, 10 wt% to 20 wt% of oxygen atoms. .

산소 원자를 1 중량% 미만 포함할 경우 금속 양이온이 치환되는 비율이 너무 적어 수분 흡/탈착재의 친수성을 효과적으로 높이기 어려워 60% RH의 상대습도보다 훨씬 높은 습도 구간에서 수분 흡착이 진행되는 문제점이 발생할 수 있으며, 산소 원자를 30 중량% 초과하여 포함할 경우 흡/탈착재의 구조적 안정성이 크게 떨어지는 문제점이 발생할 수 있다.If the oxygen atom is less than 1% by weight, the metal cation is substituted so little that it is difficult to effectively increase the hydrophilicity of the moisture adsorbent / desorption material, which may cause the problem of moisture adsorption in the humidity range much higher than the relative humidity of 60% RH. In addition, when the oxygen atom is included in an amount of more than 30% by weight, the structural stability of the adsorption / desorption material may be greatly decreased.

일 측면에 따르면, 금속 양이온 1 중량% 내지 20 중량%를 포함하는 것일 수 있다. 바람직하게는, 금속 양이온 1 중량% 내지 15 중량%를 포함하거나, 5 중량% 내지 20 중량%를 포함하는 것일 수 있으며, 더욱 바람직하게는, 금속 양이온 5 중량% 내지 15 중량%를 포함하는 것일 수 있다.According to one aspect, it may be 1 to 20% by weight of the metal cation. Preferably, it may include 1 wt% to 15 wt% of the metal cation, or may include 5 wt% to 20 wt%, and more preferably, 5 wt% to 15 wt% of the metal cation. have.

금속 양이온을 1 중량% 미만 포함할 경우 수분 흡/탈착재의 친수성을 효과적으로 높이기 어려워 60% RH의 상대습도보다 훨씬 높은 습도 구간에서 수분 흡착이 진행되는 문제점이 발생할 수 있으며, 금속 양이온을 30 중량% 초과하여 포함할 경우 흡/탈착재의 구조적 안정성이 크게 떨어지는 문제점이 발생할 수 있다.If the metal cation is included in less than 1% by weight, it is difficult to effectively increase the hydrophilicity of the water adsorption / desorption material, which may cause the problem of moisture adsorption in the humidity range much higher than the relative humidity of 60% RH. If included, the structural stability of the adsorption / desorption material may be greatly reduced.

일 측면에 따르면, 60 % 이상의 상대습도 조건에서 상기 기공에 수분이 흡착되고, 40 % 이하의 상대습도 조건에서 상기 기공으로부터 수분이 탈착되는 것일 수 있다.According to one aspect, the moisture is adsorbed to the pores in the relative humidity conditions of 60% or more, the moisture may be desorbed from the pores in the relative humidity conditions of 40% or less.

인류가 살기에 가장 최적의 실내 주거 환경을 결정짓는 요소들 중 특히, 외부 공기의 유입이 차단된 실내 공간에서 일정한 습도를 유지하는 것이 매우 중요하며, 40 % RH 이하의 상대습도에서는 오존 발생, 호흡기 질환의 발병률이 높고, 60 % RH 이상의 상대습도에서는 박테리아, 곰팡이의 증식률이 높아진다. 인류의 생존에 영향을 미치는 상기의 조건들을 고려하였을 때, 실내 습도가 40 % 내지 60 % RH 범위로 유지되는 것이 가장 바람직하다.Among the factors that determine the most optimal indoor living environment for humankind, it is very important to maintain a constant humidity in the indoor space where external air is blocked, and at a relative humidity below 40% RH, ozone generation, respiratory tract The incidence of disease is high, and the relative humidity of 60% RH or higher increases the growth rate of bacteria and fungi. Given the above conditions affecting human survival, it is most desirable that the room humidity be maintained in the range of 40% to 60% RH.

본 발명에 따른 실내 습도 조절이 가능한 수분 흡/탈착재는, 카르보닐기 및 카르복시기의 수소 양이온이 금속 양이온으로 치환된 친수성기(-COOM)를 포함하는 친수성 그룹을 활성탄 표면에 도입함으로써, 60 % RH에서 수분의 모세관 응축이 발생하고, 활성탄 특유의 기공 구조로 인해 40 % RH에서 수분의 탈착이 발생한다.According to the present invention, the moisture absorbing / desorbing material capable of controlling indoor humidity is characterized by the introduction of a hydrophilic group including a hydrophilic group (-COOM) in which a hydrogen cation of a carbonyl group and a carboxyl group is substituted with a metal cation on the surface of activated carbon. Capillary condensation occurs, and the desorption of moisture occurs at 40% RH due to the pore structure peculiar to activated carbon.

이러한 히스테리시스 루프(hysteresis loop)가 40 % RH와 60% RH 상대습도 사이에서 나타나는 특성으로 인해 실내 상대습도가 40 % RH 이하일 때는 실내 공기 중의 상대습도를 높이기 위해 수분의 탈착이 발생하고 60 % RH 이상의 상대습도에서는 습도를 낮추기 위해 수분을 흡착하는 실내습도 조절 기능을 갖는다. 따라서, 본 발명에 따른 실내 습도 조절이 가능한 수분 흡/탈착재는, 최적의 실내습도인 40 % RH 내지 60 % RH 상대습도 범위를 유지시켜주는 자동 실내습도 조절 기능을 가진다. 더불어, 상기 수분 흡/탈착재는 60 % RH 이상에서 수분 흡착 성능이 매우 우수하고 40 % RH 이하에서는 탈착 성능이 매우 우수하여 단위 질량 또는 단위 부피 당 습도 조절 성능이 우수하다.Due to the characteristics of the hysteresis loop between 40% RH and 60% RH relative humidity, when indoor relative humidity is 40% RH or less, desorption of water occurs to increase the relative humidity in the indoor air, and 60% RH or more. At relative humidity, it has a function of controlling indoor humidity to absorb moisture to lower humidity. Therefore, the moisture absorption / desorption material capable of adjusting the indoor humidity according to the present invention has an automatic indoor humidity control function that maintains an optimum indoor humidity range of 40% RH to 60% RH relative humidity. In addition, the moisture adsorption / desorption material has a very good moisture adsorption performance at 60% RH or more and excellent desorption performance at 40% RH or less, so that the humidity control performance per unit mass or unit volume is excellent.

본 발명의 일 실시예에 따른 실내 습도 조절이 가능한 수분 흡/탈착재의 제조방법은, 활성탄의 기공에 카르보닐기, 카르복시기 또는 이 둘을 도입하는 단계; 및 이온교환 처리를 통해 상기 카르보닐기, 상기 카르복시기 또는 이 둘에 존재하는 수소 양이온을 금속 양이온으로 치환하는 단계;를 포함한다. Method for producing a moisture absorbent / desorbable material capable of controlling indoor humidity according to an embodiment of the present invention, the step of introducing a carbonyl group, carboxyl group or both in the pores of the activated carbon; And replacing the hydrogen cation present in the carbonyl group, the carboxyl group, or both with a metal cation through an ion exchange treatment.

본 발명에 따른 실내 습도 조절이 가능한 수분 흡/탈착재는 제조 방법이 간단하고 단가가 저렴하여 대량 생산이 용이하며 수열 안정성이 뛰어난 활성탄 기반의 물질이므로 반복된 수분의 흡탈착 시 높은 장기적 안정성을 보인다.Moisture adsorption / desorption material that can control the indoor humidity according to the present invention is a simple manufacturing method and low cost, easy to mass production, activated carbon-based material with excellent hydrothermal stability, showing high long-term stability when the adsorption and desorption of repeated moisture.

일 측면에 따르면, 상기 활성탄의 기공에 카르보닐기, 카르복시기 또는 이 둘을 도입하는 단계;는, 산성 수용액에 상기 활성탄을 투입하여 혼합물을 제조하는 단계 및 상기 혼합물을 가열하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.According to one aspect, the step of introducing a carbonyl group, carboxyl group or both in the pores of the activated carbon; may include the step of preparing a mixture by injecting the activated carbon in an acidic aqueous solution and heating the mixture.

일 측면에 따르면, 상기 산성 수용액은, 질산, 황산, 염산, 아세트산 및 개미산으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.According to one aspect, the acidic aqueous solution may be at least one selected from the group consisting of nitric acid, sulfuric acid, hydrochloric acid, acetic acid and formic acid.

일 예로, 질산 수용액에 활성탄을 첨가하고, 100 ℃ 내지 150 ℃의 오븐에서 20 시간 내지 30 시간 동안 산화 처리를 수행하는 것일 수 있다.For example, activated carbon may be added to an aqueous nitric acid solution, and oxidation may be performed for 20 hours to 30 hours in an oven at 100 ° C. to 150 ° C.

일 측면에 따르면, 상기 이온교환 처리를 통해 상기 카르보닐기. 상기 카르복시기 또는 이 둘에 존재하는 수소 양이온을 금속 양이온으로 치환하는 단계;는, 금속 이온이 용해된 용액을 준비하는 단계 및 상기 금속 이온이 용해된 용액으로 상기 카르보닐기, 상기 카르복시기 또는 이 둘이 도입된 활성탄을 세척하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.According to one aspect, the carbonyl group through the ion exchange treatment. Substituting the hydrogen cation present in the carboxyl group or both with a metal cation; preparing a solution in which metal ions are dissolved and activated carbon into which the carbonyl group, the carboxyl group, or both are introduced into the solution in which the metal ions are dissolved It may be to include the step of washing.

일 측면에 따르면, 상기 금속 이온이 용해된 용액은, 수산화 나트륨 수용액, 수산화 칼륨 수용액, 수산화 리튬 수용액, 수산화 세슘 수용액, 수산화 베릴륨 수용액, 수산화 마그네슘 수용액, 수산화 칼슘 수용액, 수산화 스트론튬 수용액 및 수산화 바륨 수용액으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.According to one aspect, the solution in which the metal ions are dissolved is an aqueous sodium hydroxide solution, potassium hydroxide solution, lithium hydroxide solution, cesium hydroxide solution, beryllium hydroxide solution, magnesium hydroxide solution, calcium hydroxide solution, strontium hydroxide solution and barium hydroxide solution It may include at least one selected from the group consisting of.

일 예로, 상기 산화 처리가 수행된 활성탄을 중성화 시킨 후, 수산화 나트륨 용액으로 세척하는 과정을 통해, 상기 이온교환 처리를 통해 상기 카르보닐기. 상기 카르복시기 또는 이 둘에 존재하는 수소 양이온을 금속 양이온으로 치환하는 단계를 수행하는 것일 수 있다.For example, after neutralizing the activated carbon subjected to the oxidation treatment, and washing with sodium hydroxide solution, the carbonyl group through the ion exchange treatment. It may be to perform the step of replacing the hydrogen cation present in the carboxy group or both with a metal cation.

이하, 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are only for illustrating the present invention, and the contents of the present invention are not limited to the following examples.

실시예Example

활성탄의 표면 개질을 진행하기에 앞서, 활성탄 표면에 흡착된 수분과 각종 가스를 제거하기 위해 100 ℃의 진공 오븐에서 12시간 동안 전처리를 진행하였다. 상기 전처리를 거친 활성탄 5 g을 1 M 질산(HNO3) 수용액 50 mL이 담긴 테플론(Teflon) 반응기에 첨가하고 130 ℃의 오븐에서 24 시간 동안 산화 처리를 진행하였다. 상기 고온 처리를 마친 후의 반응기를 상온까지 식히고 활성탄이 포함된 혼합물을 증류수 1 L 를 사용하여 희석시켰다. 상기 희석된 혼합물을 필터링 후 걸러진 용액이 중성이 될 때까지 증류수를 사용해 씻어주었다. 상기의 과정을 통해 얻은 표면이 개질된 활성탄에 더욱 강한 친수성을 부여하기 위해 활성탄 표면의 카르복시기(Carboxylic functional group, -COOH)에 존재하는 수소 양이온(H+)을 나트륨 양이온(Na+)으로 치환하는 이온교환 처리를 진행하였다. 이온 교환 처리는 상기 과정 이후 필터링 된 활성탄을 1 M 수산화나트륨(NaOH) 수용액 1 L로 씻음으로써 완료하였으며, 수집된 활성탄을 100 ℃ 에서 건조시킴으로써 활성탄 기반 수분 흡/탈착재를 제조하였다.Prior to the surface modification of the activated carbon, 12 hours of pretreatment was performed in a vacuum oven at 100 ° C. to remove moisture and various gases adsorbed on the surface of the activated carbon. 5 g of the pretreated carbon was added to a Teflon reactor containing 50 mL of 1 M nitric acid (HNO 3 ) aqueous solution, and oxidation was performed for 24 hours in an oven at 130 ° C. After the high temperature treatment, the reactor was cooled to room temperature, and the mixture containing activated carbon was diluted with 1 L of distilled water. The diluted mixture was filtered and washed with distilled water until the filtered solution became neutral. Ion exchange to replace hydrogen cation (H +) present in the carboxyl group (-COH) on the surface of activated carbon with sodium cation (Na +) in order to give stronger hydrophilicity to the modified activated carbon. Treatment proceeded. The ion exchange treatment was completed by washing the filtered activated carbon with 1 L of 1 M sodium hydroxide (NaOH) aqueous solution after the above procedure, and the activated carbon-based water absorbent / desorbent was prepared by drying the collected activated carbon at 100 ° C.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 실내 습도 조절이 가능한 수분 흡/탈착재의 수분 흡탈착 등온선을 나타낸 그래프이다.1 is a graph showing the moisture adsorption and desorption isotherm of the moisture adsorption / desorption material capable of controlling indoor humidity manufactured according to an embodiment of the present invention.

더욱 자세하게, 상기 실시예에 따라 제조된 활성탄 기반 수분 흡/탈착재의 기공에 흡착된 흡착종들을 제거하기 위해 100 ℃ 에서 12 시간 동안 진공 처리를 하여 흡착제의 표면을 활성화시킨 후, volumetric 흡착 장비를 사용해 25 ℃ 에서 수분 상대압력(P/P0)에 따른 수분 흡탈착 거동을 측정하였다.In more detail, after activating the surface of the adsorbent by vacuum treatment at 100 ℃ for 12 hours to remove the adsorbed species adsorbed in the pores of the activated carbon-based water adsorption / desorbent prepared in accordance with the embodiment, using a volumetric adsorption equipment Water adsorption and desorption behavior was measured at 25 ° C. according to the relative water pressure (P / P 0 ).

일반적인 활성탄의 경우 표면이 강한 소수성을 가지므로 수분의 모세관 응축이 P/P0 = 0.8 이상에서 발생한다. 반면, 산화 이온 교환 처리를 통해 표면에 -COONa 와 같은 친수성 작용기가 다수 존재하는 본 발명의 실시예에 따른 흡/탈착재의 경우, 모세관 응축이 발생하는 상대압력(P/P0)이 0.6까지 당겨지고, 상대압력(P/P0) 0.4부터 수분 탈착이 시작되며, 0.4 < P/P0 < 0.6 의 상대압력 범위에서 히스테리시스 루프(hysteresis loop)를 그리는 것을 알 수 있다. In general, activated carbon has a strong hydrophobic surface, so that capillary condensation of water occurs at P / P 0 = 0.8 or more. On the other hand, in the case of the adsorption / desorption material according to the embodiment of the present invention in which a plurality of hydrophilic functional groups such as -COONa are present on the surface through the oxidation ion exchange treatment, the relative pressure (P / P 0 ) in which capillary condensation occurs is pulled to 0.6 It can be seen that moisture desorption starts at 0.4, relative pressure (P / P 0 ) and draws a hysteresis loop in the relative pressure range of 0.4 <P / P 0 <0.6.

즉, 본 발명에 따른 실내 습도 조절이 가능한 수분 흡/탈착재는, 카르보닐기 및 카르복시기의 수소 양이온이 금속 양이온으로 치환된 친수성기(-COOM)를 포함하는 친수성 그룹을 활성탄 기공 표면에 도입함으로써, 최적의 실내습도인 40 % RH 내지 60 % RH 상대습도 범위를 유지시켜주는 자동 실내습도 조절 기능을 가진다.That is, the moisture adsorption / desorption material capable of controlling indoor humidity according to the present invention is optimized by introducing a hydrophilic group including a hydrophilic group (-COOM) in which a hydrogen cation of a carbonyl group and a carboxyl group is substituted with a metal cation to an activated carbon pore surface. It has an automatic room humidity control function to maintain a humidity range of 40% RH to 60% RH relative humidity.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Although the embodiments have been described by the limited embodiments and the drawings as described above, various modifications and variations are possible to those skilled in the art from the above description. For example, the techniques described may be performed in a different order than the described method, and / or the components described may be combined or combined in a different form than the described method, or replaced or substituted by other components or equivalents. Appropriate results can be achieved. Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are within the scope of the claims that follow.

Claims (12)

활성탄; 및
상기 활성탄의 기공 표면에 도입된 친수성 그룹;을 포함하고,
상기 친수성 그룹은, 카르보닐기 및 카르복시기의 수소 양이온이 금속 양이온으로 치환된 친수성기(-COOM)를 포함하는 것이고,
0.1 cc/g 내지 5 cc/g의 기공도를 가지는 것이며,
산소 원자 1 중량% 내지 30 중량%를 포함하는 것이고,
금속 양이온 1 중량% 내지 20 중량%를 포함하는 것이며,
60 % 이상의 상대습도 조건에서 상기 기공에 수분이 흡착되고,
40 % 이하의 상대습도 조건에서 상기 기공으로부터 수분이 탈착되는 것인,
실내 습도 조절이 가능한 수분 흡/탈착재.
Activated carbon; And
It includes; hydrophilic group introduced to the pore surface of the activated carbon,
The hydrophilic group includes a hydrophilic group (-COOM) in which a hydrogen cation of a carbonyl group and a carboxy group is substituted with a metal cation,
Having a porosity of 0.1 cc / g to 5 cc / g,
1 to 30% by weight of oxygen atoms,
It contains 1 to 20% by weight of the metal cation,
Moisture is adsorbed to the pores at a relative humidity of 60% or more,
When the moisture is desorbed from the pores at 40% or less relative humidity conditions,
Moisture adsorption / desorption material that can control indoor humidity.
제1항에 있어서,
상기 금속 양이온은, 알칼리 금속 양이온, 알칼리 토금속 양이온 또는 이 둘의 조합인 것인,
실내 습도 조절이 가능한 수분 흡/탈착재.
The method of claim 1,
The metal cation is an alkali metal cation, alkaline earth metal cation or a combination of the two,
Moisture adsorption / desorption material that can control indoor humidity.
◈청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈Claim 3 has been abandoned upon payment of a set-up fee. 제1항에 있어서,
2 nm 이하의 기공을 포함하는 것인,
실내 습도 조절이 가능한 수분 흡/탈착재.
The method of claim 1,
It contains pores of 2 nm or less,
Moisture adsorption / desorption material that can control indoor humidity.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 활성탄의 기공에 카르보닐기, 카르복시기 또는 이 둘을 도입하는 단계; 및
이온교환 처리를 통해 상기 카르보닐기, 상기 카르복시기 또는 이 둘에 존재하는 수소 양이온을 금속 양이온으로 치환하는 단계;를 포함하는,
제1항의 실내 습도 조절이 가능한 수분 흡/탈착재의 제조방법.
Introducing a carbonyl group, a carboxyl group, or both into the pores of the activated carbon; And
Comprising: replacing the hydrogen cation present in the carbonyl group, the carboxyl group or both by a metal cation through an ion exchange treatment;
Claim 1 method of manufacturing a moisture absorbent / desorbable material capable of controlling the indoor humidity.
제8항에 있어서,
상기 활성탄의 기공에 카르보닐기, 카르복시기 또는 이 둘을 도입하는 단계;는,
산성 수용액에 상기 활성탄을 투입하여 혼합물을 제조하는 단계 및
상기 혼합물을 가열하는 단계를 포함하는 것인,
실내 습도 조절이 가능한 수분 흡/탈착재의 제조방법.
The method of claim 8,
Introducing a carbonyl group, a carboxyl group, or both into pores of the activated carbon;
Preparing a mixture by adding the activated carbon to an acidic aqueous solution, and
To include heating the mixture,
Method for producing a moisture absorbent / desorbable material that can control the indoor humidity.
◈청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈Claim 10 has been abandoned upon payment of a setup registration fee. 제9항에 있어서,
상기 산성 수용액은,
질산, 황산, 염산, 아세트산 및 개미산으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것인,
실내 습도 조절이 가능한 수분 흡/탈착재의 제조방법.
The method of claim 9,
The acidic aqueous solution,
At least one selected from the group consisting of nitric acid, sulfuric acid, hydrochloric acid, acetic acid and formic acid,
Method for producing a moisture absorbent / desorbable material that can control the indoor humidity.
제8항에 있어서,
상기 이온교환 처리를 통해 상기 카르보닐기. 상기 카르복시기 또는 이 둘에 존재하는 수소 양이온을 금속 양이온으로 치환하는 단계;는,
금속 이온이 용해된 용액을 준비하는 단계 및
상기 금속 이온이 용해된 용액으로 상기 카르보닐기, 상기 카르복시기 또는 이 둘이 도입된 활성탄을 세척하는 단계를 포함하는 것인,
실내 습도 조절이 가능한 수분 흡/탈착재의 제조방법.
The method of claim 8,
The carbonyl group through the ion exchange treatment. Replacing the hydrogen cation present in the carboxy group or both with a metal cation;
Preparing a solution in which metal ions are dissolved, and
Washing the carbonyl group, the carboxyl group, or the activated carbon into which both of the metal ions are dissolved;
Method for producing a moisture absorbent / desorbable material that can control the indoor humidity.
제11항에 있어서,
상기 금속 이온이 용해된 용액은,
수산화 나트륨 수용액, 수산화 칼륨 수용액, 수산화 리튬 수용액, 수산화 세슘 수용액, 수산화 베릴륨 수용액, 수산화 마그네슘 수용액, 수산화 칼슘 수용액, 수산화 스트론튬 수용액 및 수산화 바륨 수용액 으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것인,
실내 습도 조절이 가능한 수분 흡/탈착재의 제조방법.
The method of claim 11,
The solution in which the metal ions are dissolved,
At least one selected from the group consisting of aqueous sodium hydroxide solution, potassium hydroxide solution, lithium hydroxide solution, cesium hydroxide solution, beryllium hydroxide solution, magnesium hydroxide solution, calcium hydroxide solution, strontium hydroxide solution and barium hydroxide solution,
Method for producing a moisture absorbent / desorbable material that can control the indoor humidity.
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