KR102168615B1 - 나노 다공성의 미네랄 활성탄 및 그 사용방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 활성탄에 관한 것으로서, 상세하게는 활성탄에 세피올라이트, 팔리고르스카이트, 산화규소 및 토르말린을 혼합한 물질로 이루어지며 나노 크기의 유해한 휘발성유기화합물을 흡착하도록 하는, 나노 다공성의 미네랄 활성탄 및 그 사용방법에 관한 것이다.

Description

나노 다공성의 미네랄 활성탄 및 그 사용방법{Nano-porous mineral activated carbon and its using method}
본 발명은 활성탄에 관한 것으로서, 상세하게는 활성탄에 세피올라이트, 팔리고르스카이트, 산화규소 및 토르말린을 혼합한 물질로 이루어지며 나노 크기의 유해한 휘발성유기화합물을 흡착하도록 하는, 나노 다공성의 미네랄 활성탄 및 그 사용방법에 관한 것이다.
산업화가 진행됨에 따라 대기 오염 및 생활 주변의 실내 공기의 오염이 심해지면서 공기 중 유해물질과 오염된 먼지 등이 인체에 영향을 주어 각종 피부질환 및 호흡기 질환 등 건강에 좋지 않은 영향을 미치게 되므로 휘발성유기화합물(VOCs)을 제어할 수 있는 다양한 기술이 개발되고 있다. 최근 들어서는 생활수준의 향상으로 냄새에 더욱 민감해짐에 따라 생활의 불쾌감을 주는 악취를 공해로 규정하여 관련 법규에 의한 규제가 강화되는 실정이다.
한편, 특정 기체를 제거하는 방법에는 여러 가지가 있으나, 촉매 또는 흡착제를 사용하여 제거하는 것이 가장 일반적이다.
화학적 처리방법으로서 촉매를 사용하는 경우에는 담체에 여러 가지 활성금속을 도입시키는 것으로 재생이 가능하여 수 차례 재활용할 수 다는 장점이 있으나, 핵심기술 개발이 용이하지 않다는 문제가 있다. 촉매를 사용하여 알데히드 등과 같은 휘발성유기화합물을 제거하려면 공기 중에서 적어도 200 ℃ 이상의 온도로 가열해야 하며, 실온에서는 촉매 반응이 이루어지지 않는 것으로 알려져 있다.
실온에서 유독성 유기 화합물을 제거하기 위해서는 물리적 처리방법으로서 흡착제를 사용하는 것이 바람직한 바, 흡착제로는 활성탄, 제올라이트, 층상화합물 등이 보편적으로 많이 사용되고 있다.
활성탄은 야자각, 목재, 아탄, 갈탄 및 역청탄 등의 탄소물질을 원료로 하여 탄화, 활성화 과정을 통해 분자 크기의 미세한 세공을 발달시킨 무정형 탄소로서, 단위 g당 1,000㎡ 이상의 큰 내부 표면적을 가지고 있으며, 공기, 물, 토양 등에 존재하는 각종 유해 물질을 흡착 제거하는데 뛰어난 다공성 흡착제이다. 그러나 자체로서는 흡착용량에 한계가 있어 일정 시간 이후 흡착능이 저하되거나 소멸되고, 또한 재사용이 용이하지 않아 일회성이라는 단점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 제거하고자 하는 휘발성유기화합물의 특성을 파악하여 일반 활성탄에 활성 성분을 일정량 투여하는 등의 기능성을 가해 흡착 수명을 연장하고 흡착 용량을 개선시키는 기술에 대한 연구가 진행되고 있으며 이를 이용하는 예가 다양하게 알려지고 있는 실정이다.
종래기술인 특허 문헌1 "조합형 케미칼 필터의 제작 방법"에는 SOx와 같은 산성 가스를 제거하는 목적으로 활성탄에 KI,KOH, K2CO3 등과 같은 알칼리 금속 첨착물질 중 어느 한 물질을 추가하여 구성한 흡착제에 대한 기술이 제안되어 있다.
특허 문헌1. 대한민국 공개특허공보 제10-2019-0064151호
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은, 활성탄에 세피올라이트, 팔리고르스카이트, 산화규소 및 토르말린을 소정 비율로 혼합한 물질로 이루어져서 나노 크기의 휘발성유기화합물을 흡착하도록 하는, 나노 다공성의 미네랄 활성탄 및 그 사용방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
따라서, 높은 흡착도와 흡착효율을 가지며, 2차 오염이 없고, 재활용성이 높은, 나노 다공성의 미네랄 활성탄을 제공하도록 한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 나노 다공성의 미네랄 활성탄은, 활성탄에 세피올라이트(sepiolite), 팔리고르스카이트(palygorskite, 규산 알루미늄 마그네슘), 산화규소(비결정체 규조토) 및 토르말린(tourmaline)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 활성탄, 상기 세피올라이트, 상기 팔리고르스카이트, 상기 산화규소 및 상기 토르말린의 함량비는 30:40:10:15:5 중량%인 것을 특징으로 한다.
또한, 공기중의 포름알데히드, 벤젠, 톨루엔 및 암모니아를 포함하는 유해한 나노 크기의 극성 분자물질을 흡착하도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 직경이 2 ~ 4mm인 결정으로 형성되되 각 결정은 0.3 ~ 0.9nm인 나노 크기의 미세 기공들을 가지는 것으로, 상기 미세 기공의 표면이 직경 0.4 ~ 0.62nm의 극성 분자물질을 흡착하도록 하는 것을 특징으로 한다.
한편, 나노 다공성의 미네랄 활성탄 사용방법은, 활성탄, 세피올라이트, 팔리고르스카이트, 산화규소 및 토르말린에 대하여 그 함량비를 30:40:10:15:5 중량% 으로 하여 단순 혼합한 다음, 교반기에서 혼합하여 원료물질을 형성하는 단계; 상기 원료물질을 경사판을 이용하여 굴려서 응집시켜 구 형상의 결정으로 만드는 단계; 상기 결정에 활성탄 가루를 추가한 후 굴려서 상기 구 형상의 결정의 표면을 광택 처리하는 단계; 상기 결정을 고온에서 건조하는 단계; 및 상기 결정을 매쉬로 된 채로 걸러내 소정 크기로 분류하는 단계;를 포함하여 제조된 나노 다공성의 미네랄 활성탄을, 섭씨 30 ~ 50도의 열을 가하여 재사용하는 것을 특징으로 한다.
따라서 본 발명에 따르면, 활성탄에 세피올라이트, 팔리고르스카이트, 산화규소 및 토르말린을 혼합한 물질로 이루어지는, 나노 다공성의 미네랄 활성탄 및 그 사용방법을 제공할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 나노 다공성의 미네랄 활성탄은 높은 흡착도와 흡착효율을 가지므로 나노 크기의 가스분자의 흡착에 따른 제습, 탈취 및 포름알데히드의 정화에 효과가 있으며, 2차 오염이 없고 재활용성이 높은 장점이 있다.
또한, 섭씨 30 ~ 50도 이상 또는 태양광에 노출시 재생 사용하는 것이 가능하다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서 및 청구범위에 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 실시예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으적으로 또는 과도하게 해석되지 않으며, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 발명의 나노 다공성의 미네랄 활성탄의 구성물질에 대해 세계적인 화학정보 데이터베이스의 하나인 CAS(Chemical Abstract Service)에서 부여하는 CAS N0.는 아래의 표와 같다.
CAS No. 물질명 최대 함량(중량%)
64365-11-3 활성탄 30
63800-37-3 세피올라이트 40
12174-11-7 팔리고르스카이트
(규산 알루미늄 마그네슘)		 10
61790-53-2 산화규소
(비결정체 규조토)		 15
1217-93-7 전기석 5
활성탄(active carbon, 活性炭)은 대부분의 구성물질이 탄소질로 된 물질로, 흡착성이 강하여, 기체나 습기를 흡수시키는데 또는 탈색제로 사용된다. 목재·갈탄·이탄(泥炭) 등을 활성화제인 염화아연이나 인산과 같은 약품으로 처리하여, 건조시키거나 목탄을 수증기로 활성화시켜 만든다. 일반적으로 활성탄은 가루상태나 입자상태로 제조된다.
다만, 활성탄은 표면이 소수성이므로 주로 비극성 분자를 선택적으로 흡착하고 수증기에 대한 흡착 친화성이 작아 주로 용제 회수, 탈취, 방향족 탄화수소의 분리 등에 이용되고 있다. 이에 공기 중에 혼합된 휘발성유기화합물(VOCs)을 효율적으로 제거하는데 한계가 있었다.
본 발명은 활성탄에 하기의 극성 분자물질인 토르말린을 혼합함으로써 나노 크기의 미세 기공의 표면이 공기 중의 극성 유해물질을 능동적으로 흡착시킬 수 있도록 구성하였다.
세피올라이트(sepiolite, 해포석)는 토양의 pH가 높고 산성풍화가 무시될 정도인 토양에 나타나며, 마그네슘 규산염광물(Mg silicate minerals)이며 약간의 알루미늄을 함유하고 있다. 백색, 회백색 혹은 밝은 노란색을 띠며 사슬구조를 가진 다공질의 점토광물로서 가벼우며 흡수제로 사용된다.
팔리고르스카이트(palygorskite)는 침상으로 산출되는 점토광물로서, 규산 알루미늄 마그네슘이라 불리며, 규산 4면체의 사슬구조에 의한 터널(tunnel)구조를 가지며 터널 내에 물분자를 함유하며, 충전물 또는 점결제(binder, 粘結劑)로 쓰인다.
산화규소(비결정체 규조토)는 호수나 해양 퇴적물 속에 살던 규조가 죽은 후 바닥에 퇴적된 흙 또는 퇴적암으로, 다공질이어서 흡수성이 풍부하여 흡수제로 쓰이고, 충전물로 쓰인다. 규조토는 보통 80~90%의 SiO2, 2~4%의 Al2O3, 2%의 산화철로 이루어져 있으며, 그 크기는 보통 10~200㎛의 범위에 있다.
상기 팔리고르스카이트와 산화규소의 나노 격자는 공기중의 포름알데히드, 벤젠 및 암모니아 같은 유해한 나노 크기의 극성 분자물질을 흡착할 수 있도록 한다.
토르말린(tourmaline, 電氣石)은 화학성분으로 철, 마그네슘, 알칼리금속 등과 알루미늄이 포함되는 복잡한 결정질의 붕소 규산염 광물로서 분자구조식이 비대칭이며, 마찰에 의해서 전기가 발생하며, 가열하면 결정의 양끝이 플러스극과 마이너스극으로 대전(帶電)하는 성질이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같이, 종래의 활성탄이 비극성 분자에 대해서만 흡착성이 양호한 단점을 보완하기 위해 비대칭의 분자구조를 가지는 극성 분자물질인 토르말린을 활성탄에 추가 구성함으로써, 공기중의 포름알데히드, 벤젠, 톨루엔 및 암모니아를 포함하는 유해한 나노 크기의 극성 분자물질을 능동적으로 흡착할 수 있도록 하였다.
본 발명의 나노 다공성 미네랄 활성탄의 경우, 미세 기공의 수가 일반 활성탄에 비해 많으므로 휘발성유기화합물을 보다 빠르게 흡착하며 효과 역시 일반 활성탄에 비해 강하다.
또한, 일반 활성탄의 경우 까맣게 묻어나지만 나노 다공성 미네랄 활성탄의 경우 하기에서 설명하는 것처럼 표면처리 과정을 거치므로 묻어나거나 가루가 날리는 등의 2차 오염이 없다는 장점이 있다.
또한, 일반 활성탄의 경우 수명은 5 ~ 8개월이고 재생하는 데는 섭씨 500도 이상의 열을 가해야 하지만, 나노 다공성 미네랄 활성탄의 경우 섭씨 30 ~ 50도의 열을 가하거나 태양광에 소정 시간 노출시키게 되면 재생하여 사용이 가능하게 된다.
특별히, 본 발명의 나노 다공성 미네랄 활성탄은 직경이 2 ~ 4mm인 입자 또는 결정으로 형성될 수 있으며, 각 입자 또는 결정은 0.3 ~ 0.9nm인 나노 크기의 미세 기공들을 가지는 것으로, 특히 직경 0.4 ~ 0.62nm의 극성 분자물질을 미세 기공의 표면에 흡착되도록 하는 것을 특징으로 한다.
<실시예>
하기의 표 2 내지 8은 한국건설생활환경시험연구원에 의뢰하여 시행된 시험성적에 관한 것이다.
1. 본 발명의 나노 다공성 미네랄 활성탄 시료 50g을 5L 크기의 반응기에 넣고 밀봉하였다.
2. 시험가스의 초기농도를 암모니아(NH3), 트리메틸아민((CH3)3N), 황화수소(H2S), 메틸머캅탄(CH3SH), 아세트알데히드(CH3CH0), 톨루엔(C6H5CH3) 50μmol/mol, 포름알데히드(HCHO) 20μmol/mol으로 주입하고, 시험가스의 농도를 초기(0분), 30분, 60분, 90분, 120분에서 측정하였으며, 이렇게 측정된 농도는 Sample 농도라 하였다.
3. 시험가스의 농도는 가스검지관(SPS-KCL12218-6218)에 의해 측정하였다.
4. 시험 중 온도는 (23.0±5.0)℃, 습도는 (50±10)% R.H.를 유지하였다.
5. 이와 별도로 시료가 없는 상태에서 위의 2 ~ 4에 의해 시험을 진행하고, 이를 Blank 농도라 하였다.
6. 각 시간대별 시험가스의 농도 감소율은 다은 식에 의해 계산하였다.
시험가스의 농도 감소율(%)=[{(Blank 농도)-(Sample 농도)}/(Blank 농도)]×100
시험항목 시험결과
Blank 농도 Sample 농도 농도 감소율


탈취시험
암모니아(NH3)		 0분 50 50 0.0
30분 42 2 95.2
60분 40 < 0.2 99.5
90분 39 < 0.2 99.5
120분 38 < 0.2 99.5
검출한계 : 0.2 ㎛ol/mol
시험항목 시험결과
Blank 농도 Sample 농도 농도 감소율


탈취시험
트리메틸아민
((CH3)3N)		 0분 50 50 0.0
30분 45 1 97.8
60분 43 < 0.1 99.8
90분 41 < 0.1 99.8
120분 40 < 0.1 99.8
검출한계 : 0.1 ㎛ol/mol
시험항목 시험결과
Blank 농도 Sample 농도 농도 감소율


탈취시험
황화수소(H2S)		 0분 50 50 0.0
30분 49 5 89.8
60분 49 < 0.1 99.8
90분 49 < 0.1 99.8
120분 48 < 0.1 99.8
검출한계 : 0.1 ㎛ol/mol
시험항목 시험결과
Blank 농도 Sample 농도 농도 감소율


탈취시험
메틸머캅탄
(CH3SH)		 0분 50 50 0.0
30분 49 2 95.9
60분 49 < 0.1 99.8
90분 49 < 0.1 99.8
120분 48 < 0.1 99.8
검출한계 : 0.1 ㎛ol/mol
시험항목 시험결과
Blank 농도 Sample 농도 농도 감소율


탈취시험
아세트알데히드(CH3CH0)		 0분 50 50 0.0
30분 49 < 0.25 99.5
60분 49 < 0.25 99.5
90분 48 < 0.25 99.5
120분 47 < 0.25 99.5
검출한계 : 0.25 ㎛ol/mol
시험항목 시험결과
Blank 농도 Sample 농도 농도 감소율


탈취시험
톨루엔
(C6H5CH3)		 0분 50 50 0.0
30분 49 < 0.5 99.0
60분 47 < 0.5 98.9
90분 44 < 0.5 98.9
120분 42 < 0.5 98.8
검출한계 : 0.5 ㎛ol/mol
시험항목 시험결과
Blank 농도 Sample 농도 농도 감소율


탈취시험
포름알데히드
(HCHO)		 0분 20 20 0.0
30분 19 1 94.7
60분 18 < 0.5 97.2
90분 18 < 0.5 97.2
120분 17 < 0.5 97.1
검출한계 : 0.5 ㎛ol/mol
본 발명에 따른 나노 다공성 미네랄 활성탄인 시료 50g을 5L 크기의 반응기에 넣고 밀봉한 상태에서 이루어진 상기 시험결과에서 알 수 있듯이, 시간경과에 따른 탈취 대상 가스(소위 4대 악취 및 3대 유해 가스)의 농도가 현저히 감소함을 확인할 수 있었다.
특히, 초기 탈취율에 있어서 기존의 탈취제와는 달리 악취 또는 유해물질 발생 초기인 30분 이내에 대부분의 휘발성유기화합물의 농도가 급격히 감소하였으며, 검출한계 내에서 적어도 60분 이내에는 완전히 제거됨을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 나노 다공성의 미네랄 활성탄을 제조하는 방법은, 활성탄, 세피올라이트, 팔리고르스카이트, 산화규소 및 토르말린의 함량비가 30:40:10:15:5 중량% 로 단순 혼합한 다음, 교반기에서 혼합하여 원료물질을 형성하는 단계와; 원료물질을 경사판을 이용하여 굴려서 응집시키는 방식으로 대략 구 형상의 입자 또는 결정들로 만드는 단계와; 상기 결정에 활성탄 가루를 추가한 후 굴려서 결정의 표면을 광택 처리하는 단계와; 상기 결정을 고온에서 건조하는 단계; 및 상기 결정을 매쉬로 된 채로 걸러내 소정 크기로 분류하는 단계;를 포함하여 구성된다.
참고로, 본 빌명의 나노 다공성 미네랄 활성탄은 CHEMP(화학제품관리시스템)에 등록허가 받은 물질명이다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (5)

  1. 활성탄에 세피올라이트(sepiolite), 팔리고르스카이트(palygorskite, 규산 알루미늄 마그네슘), 산화규소(비결정체 규조토) 및 토르말린(tourmaline)을 포함하되,
    그 함량비는 30:40:10:15:5 중량%인 것을 특징으로 하는, 나노 다공성의 미네랄 활성탄.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 활성탄, 세피올라이트, 팔리고르스카이트, 산화규소 및 토르말린에 대하여 그 함량비를 30:40:10:15:5 중량% 으로 하여 단순 혼합한 다음, 교반기에서 혼합하여 원료물질을 형성하는 단계;
    상기 원료물질을 경사판을 이용하여 굴려서 응집시켜 구 형상의 결정으로 만드는 단계;
    상기 결정에 활성탄 가루를 추가한 후 굴려서 상기 구 형상의 결정의 표면을 광택 처리하는 단계;
    상기 결정을 고온에서 건조하는 단계; 및
    상기 결정을 매쉬로 된 채로 걸러내 소정 크기로 분류하는 단계;를 포함하여 제조된 나노 다공성의 미네랄 활성탄을,
    섭씨 30 ~ 50도의 열을 가하여 재사용하는 것을 특징으로 하는 나노 다공성의 미네랄 활성탄 사용방법.




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