KR102213792B1 - A porous filter with a large amount of powder supported on metal or ceramics based structure and preparation method and use thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단순하고, 크기(직경, 길이, 두께)조절이 용이하며, 고온의 소결공정에도 성형체의 변형과 사이즈변화를 최소화할 수 있는 금속 또는 세라믹 지지체 기반 다공성 필터; 및 이의 제조방법 및 이의 용도에 관한 것이다.
본 발명에 따른 금속 또는 세라믹 지지체 기반 다공성 필터는 외부면과 내부면을 갖는 금속 또는 세라믹 튜브; 상기 금속 또는 세라믹 튜브 중 적어도 일부분에 외부면과 내부면을 관통하는 홀이 형성된 필터지지체; 관통 홀을 막도록 상기 필터지지체에 와인딩된 금속 섬유 또는 금속 와이어; 필터지지체에 와인딩된 금속 섬유 또는 금속 와이어 상에 분말이 적층되어 분말간 기공을 통해 형성된 필터층을 구비한 것으로, 필터지지체, 이에 와인딩된 금속 섬유 또는 금속 와이어, 및/또는 그 위에 형성된 필터층이 열처리를 통해 접합된 것이다.The present invention is simple, easy to adjust the size (diameter, length, thickness), and a metal or ceramic support-based porous filter that can minimize the deformation and size change of the molded body even in a high temperature sintering process; And a method of manufacturing the same and a use thereof.
The porous filter based on a metal or ceramic support according to the present invention includes a metal or ceramic tube having an outer surface and an inner surface; A filter support having holes penetrating the outer and inner surfaces of at least a portion of the metal or ceramic tube; A metal fiber or a metal wire wound around the filter support to block the through hole; It is provided with a filter layer formed through pores between powders by stacking powder on the metal fiber or metal wire wound on the filter support, and the filter support, the metal fiber or metal wire wound thereon, and/or the filter layer formed thereon undergo heat treatment. It is joined through.
Description
본 발명은 단순하고, 크기(직경, 길이, 두께)조절이 용이하며, 고온의 소결공정에도 성형체의 변형과 사이즈변화를 최소화할 수 있는 금속 또는 세라믹 지지체 기반 다공성 필터; 및 이의 제조방법 및 이의 용도에 관한 것이다.The present invention is simple, easy to adjust the size (diameter, length, thickness), and a metal or ceramic support-based porous filter that can minimize the deformation and size change of the molded body even in a high temperature sintering process; And a method of manufacturing the same and a use thereof.
최근 들어 연료전지 시스템을 이용한 신재생에너지 분야와 이산화탄소 포집 및 저장기술에 대한 기술수요가 증가함에 따라 혼합기체로부터 특정기체를 선택적으로 분리하는 기술은 에너지 절감 및 환경문제의 측정에서 중요성이 증가하고 있다. 따라서, 고온에서 수소나 이산화탄소를 직접 분리, 회수할 경우 고온의 기체를 에너지로 활용할 수 있으며, 가스분리를 위해서 별도로 가스온도를 낮출 필요가 없기 때문에 에너지 효율측면에서 유리하다. 이러한 분리막 반응기를 상용화하기 위해서는 가스를 분리할 수 있는 균일한 크기의 기공을 대면적화해서 분리되는 가스의 양을 증가시키는 것이 매우 중요한 요소이기 때문에 대면적의 분리막을 제조하기 위한 대면적의 금속 또는 세라믹 지지체가 필요하다. In recent years, as the demand for technologies for capturing and storing carbon dioxide and new and renewable energy using fuel cell systems increases, technology for selectively separating specific gases from mixed gases is increasing in importance in energy saving and measuring environmental problems. . Therefore, when hydrogen or carbon dioxide is directly separated and recovered at a high temperature, the high temperature gas can be used as energy, and it is advantageous in terms of energy efficiency since there is no need to separately lower the gas temperature for gas separation. In order to commercialize such a membrane reactor, it is a very important factor to increase the amount of gas to be separated by making pores of uniform size capable of separating gas into a large area.Therefore, a large-area metal or ceramic for manufacturing a large-area separator. Support is required.
온실가스 배출과 지구온난화 문제로 인하여 화석연료를 대체할 수 있는 신재생에너지 개발 및 확산의 필요성이 증가하고 있는데, 청정에너지원인 수소가 주목을 받고 있다. 수소는 지구상에서 가장 많이 존재하는 원소이며, 화석연료, 바이오매스 및 물 등 다양한 형태로 존재한다. 수소를 연료로 사용하기 위해서는 경제적인 방법뿐만 아니라 환경에 미치는 영향을 최소화하는 방법으로 생산하는 것이 중요하다. 수소생산방법에는 전통적 방법인 화석연료 개질반응을 통한 생산과 재생가능한 방법인 바이오매스 및 물을 이용한 생산으로 나뉜다. 화석연료를 이용한 수소생산은 습윤개질반응, 자열개질반응, 부분산화반응 및 가스화반응 등 열화학적 방법으로 가능한데, 이를 청정에너지원으로서 사용하기 위해서는 수소생산과 더불어 이산화탄소 포집이 필요하다. 바이오매스를 이용한 수소생산은 생물학적 전환법을 사용하여 효율 증가를 위한 반응기 구성, 수소생산미생물 배양 등 효과적으로 수소를 생산하기 위한 연구가 더욱 진행되어야 한다. 물분해를 통한 수소생산이 가장 청정한 수소생산기술이지만 태양광, 태양열, 풍력 등 재생 가능한 에너지원으로부터 충분한 에너지공급이 가능해야 한다.The need for development and diffusion of new renewable energy that can replace fossil fuels is increasing due to greenhouse gas emissions and global warming issues, and hydrogen, a clean energy source, is drawing attention. Hydrogen is the most common element on the planet and exists in various forms such as fossil fuels, biomass and water. In order to use hydrogen as fuel, it is important not only to produce it in an economical way, but also to minimize its impact on the environment. Hydrogen production methods are divided into production through fossil fuel reforming reaction, which is a traditional method, and production using biomass and water, which are renewable methods. Hydrogen production using fossil fuels is possible by thermochemical methods such as wet reforming reaction, autothermal reforming reaction, partial oxidation reaction, and gasification reaction. In order to use this as a clean energy source, hydrogen production and carbon dioxide capture are required. Hydrogen production using biomass requires more research to effectively produce hydrogen, such as configuring a reactor to increase efficiency and culturing hydrogen producing microorganisms using a biological conversion method. Hydrogen production through water decomposition is the cleanest hydrogen production technology, but sufficient energy must be supplied from renewable energy sources such as solar, solar, and wind power.
앞서 수소생산기술을 통해 생산된 수소는 최종 목적에 맞게 정제공정을 거쳐 공급하게 된다. 현재 상용화된 정제공정은 흡착법, 막분리법 그리고 심냉법 등이 있으며, 일반적으로 흡착법(adsorption)과 막분리법(membrane separation)이 주로 사용되는 기술이다.Hydrogen produced through the hydrogen production technology is supplied through a purification process according to the final purpose. Currently, commercially available purification processes include adsorption, membrane separation, and deep cooling, and adsorption and membrane separation are commonly used technologies.
흡착법은 분자들이 흡착제 표면에 흡착되는 강도, 속도, 양 등의 차이를 이용하는 기체분리 방법이다. 흡착법을 이용하여 수소를 분리할 때 다양한 종류의 흡착제를 동시에 사용하여 수소 이외의 기체는 흡착제에 고정화시키고 수소만을 통과시킴으로써 정제한다.The adsorption method is a gas separation method that utilizes the difference in strength, speed, and amount by which molecules are adsorbed on the surface of an adsorbent. When hydrogen is separated using the adsorption method, various types of adsorbents are used at the same time, and gases other than hydrogen are immobilized on the adsorbent, and only hydrogen is passed through for purification.
분리막은 투과 메커니즘에 따라 분자투과막, 원자투과막, 전자 혹은 proton 투과막으로 나뉜다. 분자투과막은 다공성 세라믹 혹은 금속이 분산 코팅된 다공성 세라믹으로 구성되며, 분자체(molecular sieving) 효과, 표면 확산(surface diffusion), 그리고 뉴센 확산(Knudsen diffusion)에 의하여 분리가 가능하다.Separation membranes are divided into molecular permeable membranes, atomic permeable membranes, and electron or proton permeable membranes according to the permeation mechanism. The molecular permeable membrane is composed of a porous ceramic or a porous ceramic coated with a metal dispersion, and can be separated by a molecular sieve effect, surface diffusion, and Knudsen diffusion.
한편, 반도체 제조는 순도의 제한에 의해 한정된다. 실리콘 및 도판트(dopant)의 교호층(alternating layer)에 대한 화학 증착시, 공정의 중요한 일면은 미립자 불순물이 배제되어야 한다는 것이다. 미립자의 존재는 값비싼 최종 제품인 전체 실리콘웨이퍼를 파괴시킬 수 있다. 결국, 업계 전반에서는 반도체 제품을 제조하는 동안 그와 접촉할 수 있는 가스의 여과 장치만을 개발하여 왔다. HEPA(고효율 미립자 공기(High Efficiency Particulate Air)) 필터가 장착된 크린룸(Clean room)은 제1 방어선이다. 가스가 방출되는 지점(사용 지점)에 미립자 오염물이 도달하지 못하게 막는 필터이다. 이 필터는 모든 미립자 물질을 제거할 뿐만 아니라 고순도 가스에 임의의 가스상 오염물이 첨가되는 것을 방지하여야 한다. On the other hand, semiconductor manufacturing is limited by the limit of purity. In chemical vapor deposition of alternating layers of silicon and dopant, an important aspect of the process is that particulate impurities must be excluded. The presence of particulates can destroy the entire silicon wafer, an expensive end product. As a result, the industry as a whole has developed only gas filtering devices that can come into contact with semiconductor products during manufacturing. A clean room equipped with a HEPA (High Efficiency Particulate Air) filter is the first line of defense. It is a filter that prevents particulate contaminants from reaching the point where the gas is released (the point of use). This filter must not only remove all particulate matter, but also prevent the addition of any gaseous contaminants to the high purity gas.
또한, 가스 전달 시스템은 설치, 또는 사용으로 인한 정상적인 마모로 발생할 수 있는 오염, 즉 미립자 및 가스상 오염 모두를 배제하기 위해 가능한 한 조밀해야 한다. 따라서, 필터는 미립자 물질을 제거하며 가스상 불순물의 제공원이 아니어야할 뿐만 아니라 가능한 한 조밀해야 하고 내부 용적 및 필터 용적이 작아야 한다.In addition, the gas delivery system should be as compact as possible to rule out contamination that may arise from normal wear due to installation or use, ie both particulate and gaseous contamination. Therefore, the filter should not only remove particulate matter and be a source of gaseous impurities, but also should be as compact as possible and the internal volume and filter volume should be small.
미립자 오염면에서 초고수준의 순도를 얻기 위한 가스상 유체의 여과에는 다양한 필터가 사용된다. 이런 필터의 예로서는 유기막 필터, 세라믹 필터, 다공성 금속 구조체로부터 형성된 필터 및 금속 섬유로부터 형성된 필터가 있다. 이들 다양한 필터 매질 중 일부는 미립자 억제에 있어서 1 ppm 미만 또는 그 이상의 수준까지 미립자 오염을 억제하지만, 이런 필터는 큰 필터 면적을 특징으로 한다. 적당한 압력에서 유동을 유지하고 미립자 보유를 위한 저면속도를 유지하는데 필요한 큰 유동 면적으로 인해, 수분, 산소 및 특히 탄화수소와 같은 가스상 불순물은 종종 검출 가능한 수준(ppm)으로 존재한다. 이런 오염은 필터를 제조하는 동안, 필터를 설치하는 동안 고순도 가스 이외의 대기에 노출되었을 때, 또는 심지어 필터를 포장한 물질에서 발생된 가스로 인해 일어날 수 있다. 또한, 큰 필터 용적은 이를 수용하는 비교적 보다 큰 하우징을 필요로 한다. 따라서, 설치 및 사용으로 인한 오염 가능성이 더 커지고 상기 필터에 적합한 보다 큰 가스 전달 시스템을 필요로 한다.Various filters are used for filtration of gaseous fluids to obtain ultra-high levels of purity in terms of particulate contamination. Examples of such filters include organic film filters, ceramic filters, filters formed from porous metal structures, and filters formed from metal fibers. Some of these various filter media inhibit particulate contamination to levels of less than 1 ppm or more in particulate inhibition, but such filters are characterized by a large filter area. Due to the large flow area required to maintain the flow at moderate pressures and maintain the bottom velocity for particulate retention, gaseous impurities such as moisture, oxygen and especially hydrocarbons are often present in detectable levels (ppm). Such contamination can occur during filter manufacturing, when exposed to atmospheres other than high-purity gases during filter installation, or even due to gases generated from the material packaging the filter. In addition, large filter volumes require a relatively larger housing to accommodate them. Thus, the possibility of contamination due to installation and use is greater and a larger gas delivery system suitable for the filter is required.
한편, 금속 필터(Metal filter)에는, 금속분말을 원료로 튜브, 디스크 형태로 제조되며 다양한 규격의 카트리지(cartridge)로 가공제작되는 금속 분말 소결필터(Powder Sintered filter); 여러겹의 금속망을 겹겹이 적층한 후 고온/고압으로 제작된 필터로서, 타 여재에 비해 내열성, 내부성, 놉은 내압, 고점도 여과, 우수한 재생효율, 안정된 여과 정밀도를 유지할 수 있는 경제적인 금속메쉬 소결 필터(Laminate filter); 직경 0.25~30㎛의 금속 섬유(Metal fiber)를 복합한 3차원 구조로 배열한 후 고온고압으로 압착시켜 여과 소재로 사용되며 기체나 액체 등의 유체가 지그재그형태의 3차원 경로로 필터를 통과하는 금속섬유 소결 필터(Fiber-Sintered filter); 능직, 능첩직, 평첩직, 평직 등 여러 직조방식에 의한 비소결 금속망을 절곡을 하여 제작되며 타 여재에 비해 여과 면적인 넓은 금속 메쉬 필터 (Mesh filter)등이 있다.Meanwhile, the metal filter includes: a powder sintered filter manufactured in the form of a tube or disk using metal powder as a raw material, and processed into cartridges of various standards; An economical metal mesh that can maintain heat resistance, internal resistance, internal pressure, high viscosity filtration, excellent regeneration efficiency, and stable filtration accuracy compared to other filter media as a filter manufactured with high temperature/high pressure after layering multiple layers of metal mesh. A sinter filter; It is used as a filtration material by arranging metal fibers with a diameter of 0.25~30㎛ in a complex three-dimensional structure, then compressed at high temperature and high pressure, and fluids such as gases or liquids pass through the filter in a zigzag-shaped three-dimensional path. Fiber-Sintered filter; It is manufactured by bending the non-sintered metal net by various weaving methods such as twill weave, twill weave, plain weave, plain weave, etc. There are metal mesh filters with a wider filtration area than other filter materials.
현재 상용화되고 있는 금속 필터로는 스테인레스강, 니켈 또는 Wafergard II SF (미합중국 매사추세츠주 베드포드 소재의 밀리포어 코포레이션(Millipore Corporation)) 및 Mott GasShield(미합중국 코넥티커트주 파밍톤 소재의 모트 메탈러지칼 코포레이션(Mott Metallurgical Corporation)) 계열의 필터 등의 니켈 합금 소결 분말형이 있다. 모두 금속인 이와 같은 필터들은 낮은 가스발생, 고효율 그리고 부식 및 고온에 대한 내성을 나타내고 다공도는 낮고 가스 처리량은 적으며 구조적 강도는 높다. 그러나, 저다공도는 계속해서 전형적인 소결 금속분말 필터 소자의 결점이 되어 왔다. 상기 필터의 다공도는 40-44 %의 범위이며 이는 이들 필터의 유동성을 제한한다. 저다공도는 소결 금속 분말 필터를 제조하는데 사용된 공정들에 내재된 특성이다. 전형적으로, 분말들을 주형에서 압축시켜 “압분체(green form)”를 형성하고, 이어서, 금속 입자들을 소결 결합시킴으로써 필수 강도를 제공한다. 최종 필터 소자 또는 막(membrane)은 금속 분말의 평면 소결 시트로부터 절단하거나 또는 몰딩 단계에서 최종 형태로 성형시킬 수 있다. 소결이 진행되는 온도는 최종 다공도를 결정하는 중요한 요소이다. 온도가 높으면 강도가 증가하지만 다공도가 낮아지고, 온도가 낮아지면 강도는 감소하나 다공도는 높아진다. 지금까지 소결 금속 분말 분야에서 최종 다공도는 약 45 %로 제한되었다.Metal filters currently commercially available include stainless steel, nickel, or Wafergard II SF (Millipore Corporation, Bedford, Mass., USA) and Mott GasShield (Mott Metallurgical Corporation, Farmington, Connecticut, USA). Mott Metallurgical Corporation)) is a nickel alloy sintered powder type such as a filter. These all-metal filters exhibit low gas generation, high efficiency and resistance to corrosion and high temperatures, have low porosity, low gas throughput, and high structural strength. However, the low porosity continues to be a drawback of typical sintered metal powder filter elements. The porosity of these filters is in the range of 40-44%, which limits the flowability of these filters. Low porosity is a characteristic inherent in the processes used to make sintered metal powder filters. Typically, the powders are compressed in a mold to form a “green form” and then the metal particles are sintered together to provide the required strength. The final filter element or membrane can be cut from a planar sintered sheet of metal powder or molded into a final shape in a molding step. The temperature at which sintering proceeds is an important factor in determining the final porosity. When the temperature is high, the strength increases but the porosity decreases, and when the temperature decreases, the strength decreases but the porosity increases. Until now, in the field of sintered metal powders, the final porosity has been limited to about 45%.
금속 필터 분야에서는 다공도와 가스 처리량이 증가된 필터가 요구되고 있다. 증가된 다공도는 고다공성 금속 필터의 모든 긍정적인 면을 가지면서 가스발생 및 미립자 탈립의 문제가 적은 보다 소형인 필터 제작을 가능하게 한다.In the field of metal filters, filters with increased porosity and gas throughput are required. The increased porosity makes it possible to fabricate a smaller filter with less problems of gas generation and particulate separation while having all the positive aspects of a highly porous metal filter.
한편, 다공성 금속 성형체는 프레스 성형, 냉간 정수압 성형, 압출성형, 분말 사출 성형 등의 방법으로 원하는 형태의 금속 성형체를 제조한 후, 소결 공정을 거쳐서 제조할 수 있다. 이 중 프레스 성형은 평판형 다공체 제조에 용이한 방법이고, 다른 방법들은 튜브형 다공체 제조에 용이한 성형 방법이다. 최근 반도체 생산라인용 금속 소결필터로 튜브형 금속성형체가 적용되고 있으며, 나아가 튜브형 금속성형체는 수소 분리막 반응기와 금속 멤브레인 반응기로도 적용처가 확대될 것으로 예상된다. 이러한 용도의 금속성형체는 높은 유체 투과도와 일정한 기공 분포도를 가지는 것이 좋다.On the other hand, the porous metal molded body may be manufactured through a sintering process after producing a metal molded body in a desired shape by a method such as press molding, cold hydrostatic pressure molding, extrusion molding, and powder injection molding. Among them, press molding is an easy method for manufacturing a flat porous body, and other methods are an easy molding method for manufacturing a tubular porous body. Recently, a tubular metal molded body has been applied as a metal sintering filter for a semiconductor production line, and further, the application of the tubular metal molded body is expected to be expanded to a hydrogen separation membrane reactor and a metal membrane reactor. It is preferable that the metal molded body for this purpose has a high fluid permeability and a constant pore distribution.
금속 성형체는 반응효율을 증대하기 위해서는 금속분말의 분체크기를 미소하게 하거나 소결체 튜브의 두께를 키워야 하지만, 이로 인해 기공도가 낮아지고, 압력손실이 커지는 문제점이 있다. In order to increase the reaction efficiency of the metal molded body, the powder size of the metal powder or the thickness of the sintered body tube must be increased, but there is a problem in that the porosity is lowered and the pressure loss is increased.
기존의 튜브형 금속성형체 제조방법 중 냉간 정수압 성형법(Cold Isostatic Press, CIP)은 성형틀에 금속분말을 충진하고 정수압에 의해 무한 다축 방향으로 압축 성형하는 방법이나, 제조 가능한 필터의 크기에 제한이 있고, 크기별 몰드의 제작이 필요하며, 열처리 후 사이즈변경 등으로 공정변수가 많다. Cold isostatic press (CIP) among the existing methods of manufacturing tubular metal molded bodies is a method of filling metal powder into a mold and compression molding in infinite multiaxial directions by hydrostatic pressure, but there is a limit on the size of the filter that can be manufactured. It is necessary to manufacture a mold for each size, and there are many process variables due to size change after heat treatment.
또한, 압출성형방식은 대면적 제조가 불가능하고, 성형시 형태변화가 심한 문제점이 있다. In addition, the extrusion molding method cannot produce a large area, and there is a problem in that the shape change is severe during molding.
분말사출성형 기술이란 분말 야금(Powder Metallurgy: PM) 기술과 사출성형 기술을 결합한 공법으로, 미세한 분말과 유동의 주체가 되는 결합제, 즉, 바인더를 혼합하여 사출 성형한 후, 사출체에서 바인더만을 제거하고 분말만을 최종적으로 소결하여 구조물을 제조하는 단계로 이루어지며, 이에 따라 제조된 구조물들은 다양한 기계 및 장치의 부품으로 사용될 수 있다. Powder injection molding technology is a method that combines powder metallurgy (PM) technology and injection molding technology. After injection molding by mixing fine powder and a binder that is the main body of flow, that is, a binder, only the binder is removed from the injection body. And finally sintering only the powder to produce a structure, and the structures produced accordingly can be used as parts of various machines and devices.
최근에는 난가공성의 고경도 재료로써 절삭공구로 사용되는 초경합금을, 후 가공 처리가 필요하지 않은 분말 사출 성형 공법을 이용하여 제조하고자 하는 시도가 이루어지고 있으나, 이 방법에는 여러 가지 문제점이 있다. 즉, WC-Co계 초경합금은 미립자로 인한 입자의 표면자유에너지가 높아서 유동성이 저하되며, 장시간의 탈지를 요한다. 그리고 탈지 및 소결을 할 때, 탄소함량의 변화로 인하여 소결체에 유리탄소 또는 (Co3W3C)상이 생성되어 기계적 특성이 저하될 수 있다. 또한, 탈지 과정에서 구조물이 휘어질 수도 있다는 등의 문제점이 있었다.Recently, an attempt has been made to manufacture a cemented carbide used as a cutting tool as a hard-to-process high-hardness material using a powder injection molding method that does not require post-processing, but this method has several problems. In other words, WC-Co-based cemented carbide has high surface free energy due to fine particles, which reduces fluidity, and requires long degreasing. And when degreasing and sintering, free carbon or (Co 3 W 3 C) phase is generated in the sintered body due to the change in carbon content, and mechanical properties may be deteriorated. In addition, there is a problem that the structure may be bent during the degreasing process.
이와 같이, 다양한 구조 및 기능을 가지는 필터들이 개발되고 있으며, 과거에 비해 좀 더 좋은 재질로 좀 더 복잡한 형상의 구조물을 제작하기 위한 기술에 대한 개발의 필요성이 높아지고 있으나, 종래의 제조방법이 가지는 문제점들을 해결한 제조방법은 아직 개발되지 않은 실정이다. As described above, filters having various structures and functions are being developed, and the need for a technology for manufacturing a structure of a more complex shape with a better material than in the past is increasing, but the problem of the conventional manufacturing method The manufacturing method that solved these problems has not been developed yet.
이러한 배경 하에서, 본 발명자들은 공정이 단순하고 원하는 형태를 자유롭게 제조할 수 있는 다공성 필터의 제조방법을 연구하여 본 발명을 완성하였다. Under this background, the present inventors have completed the present invention by studying a method of manufacturing a porous filter that has a simple process and can freely manufacture a desired shape.
본 발명은 단순하고, 크기(직경, 길이, 두께)조절이 용이하며, 고온의 소결공정에도 성형체의 변형과 사이즈변화를 최소화할 수 있는 금속 및/또는 세라믹 기반 필터 제조방법을 제공하고자 한다. An object of the present invention is to provide a metal and/or ceramic-based filter manufacturing method that is simple, easy to control in size (diameter, length, thickness), and minimizes deformation and size change of a molded body even in a high temperature sintering process.
본 발명의 제1양태는 외부면과 내부면을 갖는 금속 또는 세라믹 튜브 중 적어도 일부분이 외부면과 내부면을 관통하는 홀이 형성된 필터지지체를 구비한 금속 또는 세라믹 튜브를 준비하는 제1단계; 필터지지체의 관통 홀을 막도록 금속 섬유 또는 금속 와이어로 와인딩하는 제2단계; 필터지지체에 와인딩된 금속 섬유 또는 금속 와이어 상에 분말이 적층되어 분말간 기공을 통해 필터층을 형성시키는 제3단계; 및 필터지지체, 이에 와인딩된 금속 섬유 또는 금속 와이어, 및/또는 그 위에 형성된 필터층을 접합시키도록 열처리하는 제4단계;를 포함하는, 금속 또는 세라믹 지지체 기반 다공성 필터의 제조방법을 제공한다.A first aspect of the present invention is a first step of preparing a metal or ceramic tube having a filter support having a hole through which at least a portion of the metal or ceramic tube having an outer surface and an inner surface is formed; A second step of winding with a metal fiber or a metal wire to block the through hole of the filter support; A third step of forming a filter layer through pores between the powder by laminating powder on the metal fiber or metal wire wound on the filter support; And a fourth step of heat-treating to bond the filter support, the metal fibers or metal wires wound thereon, and/or the filter layer formed thereon. It provides a method of manufacturing a porous filter based on a metal or ceramic support.
본 발명의 제2양태는 외부면과 내부면을 갖는 금속 또는 세라믹 튜브; 상기 금속 또는 세라믹 튜브 중 적어도 일부분에 외부면과 내부면을 관통하는 홀이 형성된 필터지지체; 관통 홀을 막도록 상기 필터지지체에 와인딩된 금속 섬유 또는 금속 와이어; 필터지지체에 와인딩된 금속 섬유 또는 금속 와이어 상에 분말이 적층되어 분말간 기공을 통해 형성된 필터층을 구비한 것으로, 필터지지체, 이에 와인딩된 금속 섬유 또는 금속 와이어, 및/또는 그 위에 형성된 필터층이 열처리를 통해 접합된 것이 특징인 금속 또는 세라믹 지지체 기반 다공성 필터를 제공한다.A second aspect of the present invention is a metal or ceramic tube having an outer surface and an inner surface; A filter support having holes penetrating the outer and inner surfaces of at least a portion of the metal or ceramic tube; A metal fiber or a metal wire wound around the filter support to block the through hole; It is provided with a filter layer formed through pores between powders by stacking powder on the metal fiber or metal wire wound on the filter support, and the filter support, the metal fiber or metal wire wound thereon, and/or the filter layer formed thereon undergo heat treatment. It provides a porous filter based on a metal or ceramic support characterized by being bonded through.
본 발명의 제3양태는 수소를 분리하기 위해 제1양태에 따라 제조된 금속 또는 세라믹 지지체 기반 다공성 필터를 구비한 수소 분리막 반응기를 제공한다. A third aspect of the present invention provides a hydrogen separation membrane reactor provided with a porous filter based on a metal or ceramic support manufactured according to the first aspect for separating hydrogen.
본 발명의 제4양태는 제1양태에 따라 제조된 금속 또는 세라믹 지지체 기반 다공성 필터가 촉매 반응기 역할도 수행하는 것이 특징인 멤브레인 반응기를 제공한다.A fourth aspect of the present invention provides a membrane reactor characterized in that the porous filter based on a metal or ceramic support manufactured according to the first aspect also serves as a catalytic reactor.
본 발명의 제5양태는 바람직하게는 200℃ 이상의 고온에서, 제2양태의 금속 또는 세라믹 지지체 기반 다공성 필터를 통해 혼합 기체로부터 특정 기체를 선택적으로 분리하는 제1단계를 포함하는 것이 특징인 기체 분리방법 를 제공한다.The fifth aspect of the present invention preferably comprises a first step of selectively separating a specific gas from the mixed gas through a porous filter based on a metal or ceramic support of the second aspect at a high temperature of 200° C. or higher. Provides a way.
이하, 본 발명을 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 금속 지지체 기반 다공성 필터의 제조방법은 The method of manufacturing a porous filter based on a metal support according to the present invention
외부면과 내부면을 갖는 금속 또는 세라믹 튜브 중 적어도 일부분이 외부면과 내부면을 관통하는 홀이 형성된 필터지지체를 구비한 금속 또는 세라믹 튜브를 준비하는 제1단계;A first step of preparing a metal or ceramic tube having a filter support having a hole through which at least a portion of the metal or ceramic tube having an outer surface and an inner surface is formed;
필터지지체의 관통 홀을 막도록 금속 섬유 또는 금속 와이어로 와인딩하는 제2단계;A second step of winding with a metal fiber or a metal wire to block the through hole of the filter support;
필터지지체에 와인딩된 금속 섬유 또는 금속 와이어 상에 분말이 적층되어 분말간 기공을 통해 필터층을 형성시키는 제3단계; 및A third step of forming a filter layer through pores between the powder by laminating powder on the metal fiber or metal wire wound on the filter support; And
필터지지체, 이에 와인딩된 금속 섬유 또는 금속 와이어, 및/또는 그 위에 형성된 필터층을 접합시키도록 열처리하는 제4단계;A fourth step of heat-treating to bond the filter support, the metal fiber or metal wire wound thereon, and/or the filter layer formed thereon;
를 포함한다.Includes.
한편, 본 발명에 제조방법에 따라 제조된 금속 또는 세라믹 지지체 기반 다공성 필터는On the other hand, the porous filter based on a metal or ceramic support manufactured according to the manufacturing method of the present invention
외부면과 내부면을 갖는 금속 또는 세라믹 튜브; A metal or ceramic tube having an outer surface and an inner surface;
상기 금속 또는 세라믹 튜브 중 적어도 일부분에 외부면과 내부면을 관통하는 홀이 형성된 필터지지체;A filter support having holes penetrating the outer and inner surfaces of at least a portion of the metal or ceramic tube;
관통 홀을 막도록 상기 필터지지체에 와인딩된 금속 섬유 또는 금속 와이어;A metal fiber or a metal wire wound around the filter support to block the through hole;
필터지지체에 와인딩된 금속 섬유 또는 금속 와이어 상에 분말이 적층되어 분말간 기공을 통해 형성된 필터층을 구비한 것으로,It is provided with a filter layer formed through pores between powders by stacking powder on a metal fiber or metal wire wound on a filter support,
필터지지체, 이에 와인딩된 금속 섬유 또는 금속 와이어, 및/또는 그 위에 형성된 필터층이 열처리를 통해 접합된 것이다.A filter support, a metal fiber or a metal wire wound thereon, and/or a filter layer formed thereon are bonded to each other through heat treatment.
본 발명은 원하는 형태를 자유로이 제조할 수 있는 금속 또는 세라믹 지지체 기반 다공성 필터의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of manufacturing a porous filter based on a metal or ceramic support capable of freely manufacturing a desired shape.
본 발명은 금속 또는 세라믹 튜브 중 적어도 일부분에, 예컨대 절삭공정을 통해 다양한 패턴으로, 외부면과 내부면을 관통하는 홀을 형성하여 지지체 역할을 수행하는 필터지지체를 구현하면서, 필터 지지체의 기계적 물성 보완과 함께 분말 코팅 표면적을 넓일 수 있도록 금속 와이어 또는 금속 섬유를 필터 지지체에 감는 것이 특징이다(도 1). The present invention implements a filter support that serves as a support by forming holes through the outer and inner surfaces in various patterns through a cutting process, for example, in at least a portion of a metal or ceramic tube, while supplementing the mechanical properties of the filter support It is characterized by winding a metal wire or a metal fiber around the filter support so that the surface area of the powder coating can be increased together with (Fig. 1).
본 발명은 금속 섬유 또는 금속 와이어를 와이딩한 금속 또는 세라믹 지지체 위에 분말이 다중층으로 적층되어 분말간 기공을 통해 필터층을 형성하기 때문에 고효율의 불순물제거와 분리막 반응기의 가스투과도가 높은 금속 또는 세라믹 지지체 기반 다공성 필터를 제공할 수 있다. The present invention is a metal or ceramic support with high efficiency of removing impurities and high gas permeability of a separator reactor because the powder is stacked in multiple layers on a metal or ceramic support wound with a metal fiber or metal wire to form a filter layer through pores between the powders. A porous filter based may be provided.
일반적으로 금속필터는 가스투과도가 높고 기공이 작을수록 효율이 우수하기 때문에, 본 발명에 따른 금속 또는 세라믹 지지체 기반 다공성 필터는 상용 금속필터 대비 가스투과에 대한 저항이 낮고 같은 면적의 필터로 처리유량이 높으며, 보다 미세한 입자를 제거할 수 있다. In general, a metal filter has a higher gas permeability and has better efficiency as the pores are smaller. Therefore, the porous filter based on a metal or ceramic support according to the present invention has a lower resistance to gas permeation than a commercial metal filter, and a filter of the same area has a processing flow rate. It is high, and can remove finer particles.
또한, 본 발명에 따른 금속 또는 세라믹 지지체 기반 다공성 필터 제조방법은 사출장비 또는 냉간정수압성형장비와 같은 고가의 장비가 필요하지 않다.In addition, the method for manufacturing a porous filter based on a metal or ceramic support according to the present invention does not require expensive equipment such as injection equipment or cold hydrostatic molding equipment.
본 발명에서, 제1단계는 외부면과 내부면을 갖는 금속 또는 세라믹 튜브 중 적어도 일부분이 외부면과 내부면을 관통하는 홀이 형성된 필터지지체를 구비한 금속 또는 세라믹 튜브를 준비하는 단계이다.In the present invention, the first step is a step of preparing a metal or ceramic tube having a filter support having a hole through which at least a portion of the metal or ceramic tube having an outer surface and an inner surface is formed.
금속 또는 세라믹 튜브는 금속 또는 세라믹 지지체 기반 다공성 필터를 사용하는 압력 및/또는 온도 환경에서 기계적 내구성을 발휘할 수 있는 재질 및/또는 두께인 한 이에 한정되지 않는다.The metal or ceramic tube is not limited thereto as long as it is a material and/or thickness capable of exhibiting mechanical durability in a pressure and/or temperature environment using a porous filter based on a metal or ceramic support.
금속 또는 세라믹 튜브는 이의 일부 또는 전부가 금속 또는 세라믹 소재가 사용된 것일 수 있다. 금속 또는 세라믹 소재는 내부에 많은 기공(pore)을 갖는 다공성 금속 또는 다공성 세라믹일 수 있다. 예컨대, 스테인리스 스틸, 니켈, 인코넬 등의 금속, Al, Ti, Zr, Si 등을 기반으로 한 산화물일 수 있다. 금속 또는 세라믹 튜브의 비제한적인 예로 튜브형 알루미나, 스테인리스 스틸이 있다.The metal or ceramic tube may be part or all of a metal or ceramic material. The metal or ceramic material may be a porous metal or a porous ceramic having many pores therein. For example, it may be a metal such as stainless steel, nickel, and Inconel, or an oxide based on Al, Ti, Zr, Si, or the like. Non-limiting examples of metal or ceramic tubes are tubular alumina and stainless steel.
금속 또는 세라믹 튜브는 주형을 이용하여 성형제작될 수도 있으나 금속 판 또는 표면이 산화된 금속 판을 감아서 제작된 것일 수 있다. 예컨대, 금속 판의 일단과 다른 일단이 마주한 것일 수 있으며, 금속 판을 감아 일부 또는 1회 이상 겹친 것일 수 있다. 이때 금속 판은 평판 뿐만아니라 굴곡가공된 파형판일 수도 있다. 금속 판의 경우 두께 100㎛이하의 금속 박판일 수도 있으나, 사용처에 따라 소재에 따라 두께의 제한은 없다.The metal or ceramic tube may be formed by using a mold, but may be produced by winding a metal plate or a metal plate having an oxidized surface. For example, one end of the metal plate and the other end may face each other, and a part of the metal plate may be wound and overlapped one or more times. In this case, the metal plate may be not only a flat plate, but also a curved corrugated plate. In the case of a metal plate, it may be a thin metal plate having a thickness of 100 μm or less, but there is no limitation on the thickness depending on the material depending on the usage.
따라서, 본 발명에서 금속 또는 세라믹 튜브는 1회 이상 겹치도록 금속 판을 감아 원통형 형태로 제공될 수 있으므로, 튜브형 뿐만 아니라 원통형도 본 발명의 범주에 속한다. Therefore, in the present invention, since the metal or ceramic tube may be provided in a cylindrical shape by winding a metal plate to overlap one or more times, not only the tubular shape but also the cylindrical shape belong to the scope of the present invention.
또한, 외부면과 내부면을 갖는 금속 튜브 중 적어도 일부분이 외부면과 내부면을 관통하는 홀이 형성된 필터지지체를 형성한 금속 튜브는 튜브 자체가 이미 관통 홀 역할을 수행할 수 있는 금속 메쉬일 수도, 천공된 금속 튜브일 수 있다.In addition, the metal tube in which at least a portion of the metal tube having an outer surface and an inner surface has a filter support formed with holes penetrating the outer surface and the inner surface may be a metal mesh in which the tube itself can already serve as a through hole. , It may be a perforated metal tube.
제1단계에서 필터지지체는 관통 홀이 형성된 금속 판을 감아 끝단이 겹치지 않거나 겹겹이 적층된 금속 튜브를 형성시킨 것이거나, 금속 판을 감아 끝단이 겹치지 거나 겹겹이 적층된 금속 튜브를 형성한 후 관통 홀을 형성시킨 것일 수 있다.In the first step, the filter support is formed by winding a metal plate with through-holes formed thereon to form a metal tube that does not overlap at the ends or stacked in layers, or forms a metal tube with overlapping ends or layers by winding a metal plate. It may be formed.
제1단계에서 필터지지체의 관통 홀은 절삭공정을 통해 형성할 수 있다. 절삭공정을 통해 직선, 곡선 패턴 등 다양한 형태 및 크기의 관통 홀을 용이하게 형성할 수 있다. In the first step, the through hole of the filter support may be formed through a cutting process. Through the cutting process, it is possible to easily form through holes of various shapes and sizes such as straight lines and curved patterns.
또한, 절삭 가공을 통해 금속 또는 세라믹 튜브에 다양한 표면 구조 및 관통 구조를 형성할 수 있다. 예컨대, 절삭 가공을 통해 필터 지지체 표면에 groove가 형성될 수도 있고, 필터 지지체 자체 상에서 유체 투과도를 높이기 위해 관통된 선형 홈이 형성될 수 있다. 따라서, 금속 또는 세라믹 튜브가 다공성 소재로 제작된 것인 경우 관통 홀 대신 groove만 형성된 경우도 본 발명에 따라 관통 홀이 형성된 필터지지체의 범주에 속한다. 필터지지체의 표면에 형성된 groove에 금속 섬유 또는 금속 와이어로 와인딩하면 더욱 다량의 분말을 그 사이 공간에 적층시킬 수 있다. 또한, 필터지지체의 표면에 형성된 groove는 금속 섬유 또는 금속 와이어을 와인딩하는 방향을 안내(guide)하는 것일 수 있다.In addition, various surface structures and penetrating structures may be formed on a metal or ceramic tube through cutting. For example, a groove may be formed on the surface of the filter support through cutting, or a through linear groove may be formed on the filter support itself to increase fluid permeability. Accordingly, when the metal or ceramic tube is made of a porous material, a case in which only grooves are formed instead of through holes belongs to the category of the filter support having through holes according to the present invention. If the groove formed on the surface of the filter support is wound with a metal fiber or a metal wire, a larger amount of powder can be laminated in the space therebetween. In addition, the groove formed on the surface of the filter support may be a guide for winding a metal fiber or a metal wire.
제1단계에서 준비된 금속 또는 세라믹 튜브는 일단에 캡이 웰딩되어 있는 것일 수 있다. 캡을 통해 튜브 내 유체 흐름을 차단시킬 수 있다.The metal or ceramic tube prepared in the first step may have a cap welded at one end. The cap can block fluid flow in the tube.
본 발명에서 제2단계는 필터지지체의 관통 홀을 막도록 금속 섬유 또는 금속 와이어로 와인딩하는 단계이다.In the present invention, the second step is a step of winding with a metal fiber or a metal wire to close the through hole of the filter support.
본 명세서에서 금속은 모든 금속 함유 재료를 의미한다. 이런 재료로는 순수 금속, 메탈로이드, 금속 산화물, 금속 합금 및 금속 가공업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 유사한 혼합물이 있으나, 이것들로 한정되는 것은 아니다.In this specification, metal means all metal-containing materials. Such materials include, but are not limited to, pure metals, metalloids, metal oxides, metal alloys, and similar mixtures apparent to those of ordinary skill in the metalworking industry.
본 발명에서 금속 섬유 또는 금속 와이어는 와인딩될 수 있는 한 그 소재 및 직경은 제한되지 않는다. 예컨대, 소재는 단일 금속, 합금, 금속 산화물, 세라믹일 수도 있으며 다양한 첨가제를 함유한 것일 수도 있다. 예컨대, 직경이 30㎛ 이하인 경우는 금속 섬유(Metal fiber)로, 직경이 30㎛ 이상인 경우는 금속 와이어로 통칭될 수 있다.In the present invention, the material and diameter are not limited as long as the metal fiber or metal wire can be wound. For example, the material may be a single metal, alloy, metal oxide, ceramic, or may contain various additives. For example, when the diameter is 30 μm or less, it may be referred to as a metal fiber, and when the diameter is 30 μm or more, it may be referred to as a metal wire.
필터지지체를 금속 섬유 또는 금속 와이어로 와인딩함으로써, 와인딩 조밀도에 따라 필터지지체 부분의 기공 크기를 조절할 수 있고 필터 지지체의 기계적 강도를 보강할 수 있을 뿐만 아니라, 제3단계의 필터층 형성시 골격을 제공하여 필터층의 기공 크기를 조절하고, 분말, 바람직하게는 다양한 기능을 발휘할 수 있는 분말이 적층될 수 있는 표면적을 넓힐 수 있고, 더욱 정교하게 필터층의 두께를 원하는 대로 조절할 수 있다.By winding the filter support with metal fibers or metal wires, the pore size of the filter support can be adjusted according to the winding density, and the mechanical strength of the filter support can be reinforced, as well as providing a skeleton when forming the filter layer in the third stage. Thus, the pore size of the filter layer can be adjusted, the surface area on which the powder, preferably powder capable of exhibiting various functions, can be stacked can be increased, and the thickness of the filter layer can be more precisely adjusted as desired.
본 발명에서, 제3단계는 필터지지체에 와인딩된 금속 섬유 또는 금속 와이어 상에 분말이 적층되어 분말간 기공을 통해 필터층을 형성시키는 단계이다.In the present invention, the third step is a step of forming a filter layer through pores between the powders by laminating powder on metal fibers or metal wires wound on the filter support.
분말은 금속, 세라믹, 또는 이들의 혼합 분말을 포함할 수 있다. 분말은 필터 지지체 및/또는 금속 섬유/와이어와 동일한 금속원소를 포함한 금속입자 또는 세라믹입자일 수 있다.The powder may include metal, ceramic, or a mixed powder thereof. The powder may be metal particles or ceramic particles including the same metal element as the filter support and/or metal fibers/wires.
예컨대, 본 발명의 금속 또는 세라믹 지지체 기반 다공성 필터는, 금속 필터지지체와 금속 분말을 사용한 금속 필터이거나, 세라믹 필터지지체와 세라믹 분말을 사용한 세라믹 필터이거나 금속 필터지지체 또는 세라믹 필터지지체와 금속, 세라믹 또는 이들의 복합 분말을 사용한 금속 및 세라믹의 복합 필터일 수 있다.For example, the porous filter based on a metal or ceramic support of the present invention is a metal filter using a metal filter support and metal powder, a ceramic filter using a ceramic filter support and ceramic powder, or a metal filter support or ceramic filter support and metal, ceramic, or these It may be a composite filter of metal and ceramic using a composite powder of.
예컨대, 상기 분말은 Pd, Au, Ag, Cu, Ni, Ru, Rh 또는 이들의 합금을 포함하는 금속 분말일 수 있고, Ti, Zr, Al, Si, Ce, La, Sr, Cr, V, Nb, Ga, Ta, W, 또는 Mo를 포함하는 산화물계, 질화물계, 카바이드계 세라믹 등을 포함할 수 있고, 수산화인회석(Hydroxy Apatite; HA), 불소 함유 수산화인회석(Fluoridated Hydroxy Apatite, FHA), 삼인산칼슘(tricalciumphosphate;TCP) 등의 인산 칼슘계 화합물(Calcium Phosphates), BCP(biphasic calcium phosphate), 알루미나(alumina), 지르코니아(zirconina), 실리카(silica) 또는 바이오글래스, 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.For example, the powder may be a metal powder containing Pd, Au, Ag, Cu, Ni, Ru, Rh or alloys thereof, and Ti, Zr, Al, Si, Ce, La, Sr, Cr, V, Nb , Ga, Ta, W, or may include oxide-based, nitride-based, carbide-based ceramics including Mo, and hydroxyapatite (Hydroxy Apatite; HA), fluorine-containing hydroxyapatite (FHA), triphosphate Calcium Phosphates, such as tricalciumphosphate (TCP), biphasic calcium phosphate (BCP), alumina, zirconia, silica, or bioglass, or a combination thereof. It is not limited thereto.
본 발명에 따른 금속 또는 세라믹 지지체 기반 다공성 필터에서 필터층을 형성하는 분말은 촉매일 수 있다. In the porous filter based on a metal or ceramic support according to the present invention, the powder forming the filter layer may be a catalyst.
필터층의 분말이 배기가스 성분을 제거하기 위한 촉매인 경우, 분말은 백금(Pt, platinum), 로듐(Rh, rhodium), 제올라이트(zeolite), 바나듐(V, vanadium) 중 하나를 포함할 수 있다.When the powder of the filter layer is a catalyst for removing exhaust gas components, the powder may include one of platinum (Pt, platinum), rhodium (Rh, rhodium), zeolite, and vanadium (V).
필터지지체에 와인딩된 금속 섬유 또는 금속 와이어 상에 분말이 적층되어 분말간 기공을 통해 필터층을 형성시키기 위해, 제3단계는 필터층을 형성하는 분말 함유 코팅 조성물을 코팅하여 수행할 수 있다. 이때, 공지의 코팅 방법을 적절히 적용하여 사용할 수 있다. 예컨대 스프레이 코팅, 딥 코팅 또는 블로윙 코팅 방법을 이용하여 수행할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 필터층을 형성하는 분말 함유 코팅 조성물은 액상 또는 슬러리상일 수 있다.In order to form a filter layer through pores between the powders by stacking powder on the metal fiber or metal wire wound on the filter support, the third step may be performed by coating a powder-containing coating composition forming the filter layer. At this time, a known coating method may be appropriately applied and used. For example, it may be performed using a spray coating, dip coating, or blowing coating method, but is not limited thereto. The powder-containing coating composition forming the filter layer may be liquid or slurry.
또한, 필터지지체에 촘촘하게 와인딩된 금속 섬유 또는 금속 와이어에 의해 형성된 굴곡은 필터층 형성용 코팅 조성물의 표면장력을 감소시키고 젖음성을 향상시킬 수 있으므로, 코팅 조성물에 분산된 분말입자의 단위 질량당 부착면적이 평판에 비해 보다 확대된 상태로 코팅이 이루어지게 하고, 접촉면적 확장에 의해 필터층을 형성하는 분말 입자의 부착력을 보다 향상시키게 된다.In addition, the bend formed by the metal fiber or metal wire tightly wound on the filter support can reduce the surface tension of the coating composition for forming the filter layer and improve the wettability, so the adhesion area per unit mass of the powder particles dispersed in the coating composition The coating is made in an enlarged state compared to the flat plate, and the adhesion of the powder particles forming the filter layer is further improved by expanding the contact area.
본 발명에 따라 필터지지체에 와인딩된 금속 섬유 또는 금속 와이어 상에 분말을 코팅한 금속 또는 세라믹 지지체 기반 다공성 필터가 기존의 금속필터와 비교하여 동등 이상의 성능 및 물성을 확보하기 위한 중요 영향인자는 표면의 균일도이다. 이를 위해, 제3단계에서, 필터지지체에 와인딩된 금속 섬유 또는 금속 와이어 상에 분말 코팅시 금속 섬유 또는 와이어가 와인딩된 금속 튜브의 내부에 석션(suction) 장비를 이용해 진공 또는 감압 상태를 유지함으로써, 다양한 형태의 구조물들의 계면 부분으로 필터층의 분말을 필링(filling)할 수 있다. 이 외에 닥터블레이드법을 응용하여 표면 균일도 확보할 수 있다. According to the present invention, the metal or ceramic support-based porous filter coated with powder on the metal fiber or metal wire wound on the filter support according to the present invention is an important influence factor for securing the performance and properties equal to or higher than the conventional metal filter. It is uniformity. To this end, in the third step, when powder coating on the metal fiber or metal wire wound on the filter support, a vacuum or reduced pressure state is maintained using a suction device inside the metal tube in which the metal fiber or wire is wound, The powder of the filter layer may be filled into the interface of various types of structures. In addition, it is possible to secure surface uniformity by applying the doctor blade method.
또한, 제3단계에서 필터층을 형성하는 분말 함유 코팅 조성물은 제4단계의 열처리에서 제거되는 결합제(binder) 또는 기공형성제를 포함할 수 있다.In addition, the powder-containing coating composition for forming the filter layer in the third step may include a binder or a pore-forming agent that is removed in the heat treatment in the fourth step.
금속분말과 금속와이어의 부착성을 강화하기 위해 금속 섬유 또는 금속 와이어의 와인딩 조건, 분말의 입도, 제4단계의 소결조건, 바인더 및 첨가제와 분말의 혼합조건을 조절할 수 있다.To strengthen the adhesion between metal powder and metal wire The winding conditions of the metal fiber or metal wire, the particle size of the powder, the sintering condition of the fourth step, and the mixing condition of the binder and the additive and the powder can be adjusted.
본 발명에서, 제4단계는 필터지지체, 이에 와인딩된 금속 섬유 또는 금속 와이어, 및/또는 그 위에 형성된 필터층을 접합시키도록 열처리하는 단계이다. 상기 열처리 단계를 통해 필터 지지체, 필터 지지체에 와인딩한 금속 섬유 또는 금속 와이어, 및 적층된 분말의 결합력을 높여 접합시킬 수 있다. 상기 열처리 온도 및 시간은 사용하는 지지체 및 제3단계의 분말 함유 코팅 조성물의 재료, 최종적으로 제조되는 다공성 필터의 사용 목적에 따라 당업자가 적절히 조절하여 수행할 수 있다. 바람직하게는 필터 기능을 발휘하는 분말재료의 용융점 이하의 온도에서 소결시킬 수 있다.In the present invention, the fourth step is a step of heat treatment to bond the filter support, the metal fiber or metal wire wound thereon, and/or the filter layer formed thereon. Through the heat treatment step, the filter support, the metal fiber or metal wire wound around the filter support, and the laminated powder may be bonded by increasing bonding strength. The heat treatment temperature and time may be appropriately adjusted by a person skilled in the art according to the purpose of use of the support to be used, the material of the powder-containing coating composition of the third step, and the finally produced porous filter. Preferably, it can be sintered at a temperature equal to or lower than the melting point of the powder material that performs the filter function.
수소 분리막으로 사용하는 경우, 제4단계 이후 형성된 금속 또는 세라믹 지지체 기반 다공성 필터는 필터층이 수소와 질소의 분리능을 가진 기공크기를 갖는 것일 수 있다.When used as a hydrogen separation membrane, the porous filter based on a metal or ceramic support formed after the fourth step may have a pore size in which the filter layer has the ability to separate hydrogen and nitrogen.
또한, 본 발명에 따른 금속 또는 세라믹 지지체 기반 다공성 필터는 필터 소자로서 전면과 후면 사이에 배치되고, 유체 유동 통로 내에 필터 소자를 보유시키기 위한 케이싱인 유체 도관을 형성시키는 필터 하우징을 포함할 수 있다. 바람직하게는 필터 소자는 케이싱벽에 용접될 수 있다.In addition, the porous filter based on a metal or ceramic support according to the present invention may include a filter housing disposed between the front and rear surfaces as a filter element and forming a fluid conduit which is a casing for holding the filter element in the fluid flow passage. Preferably the filter element can be welded to the casing wall.
본 발명에 따른 수소 분리막 반응기는 수소를 분리하기 위해 본 발명의 금속 또는 세라믹 지지체 기반 다공성 필터를 구비한 것일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 멤브레인 반응기는 본 발명의 금속 또는 세라믹 지지체 기반 다공성 필터가 촉매 반응기 역할도 수행하는 것일 수 있다. The hydrogen separation membrane reactor according to the present invention may be provided with a porous filter based on a metal or ceramic support according to the present invention to separate hydrogen. In addition, the membrane reactor according to the present invention may be one in which the porous filter based on the metal or ceramic support of the present invention also serves as a catalytic reactor.
본 발명에 따른 금속 또는 세라믹 지지체 기반 다공성 필터가 수소 분리막 반응기 및/또는 멤브레인 반응기으로 사용한 비제한적인 예가 도 3에 도시된, 개질반응을 통해 합성가스를 생산하는 합성가스 제조 및 동시에 수소를 분리할 수 있는 쉘-앤-튜브형 수소 생산 및 정제 장치가 있다.A non-limiting example in which the porous filter based on a metal or ceramic support according to the present invention is used as a hydrogen separation membrane reactor and/or a membrane reactor is shown in FIG. 3, to prepare a synthesis gas to produce a synthesis gas through a reforming reaction and to separate hydrogen There are shell-and-tube hydrogen production and purification equipment that can be used.
도 3에 도시된 쉘-앤-튜브형 수소 생산 및 정제 장치는 쉘 내 메탄 개질반응용 촉매가 충진되어 있고, 반응기 내부에 배치된 하나 이상의 발열 반응용 튜브 또는 발열용 열 교환기, 및 상기 발열 반응용 튜브 또는 발열용 열 교환기의 외측으로 원주상으로 배열된 다수개의 튜브형 수소투과 분리막을 구비하는 구조를 가질 수 있다. 이때, 본 발명에 따른 금속 또는 세라믹 지지체 기반 다공성 필터를 통해 튜브형 수소투과 분리막을 구현할 수 있다. 따라서, 쉘 내 메탄 개질반응용 촉매에 의해 형성된 합성가스 중 수소가 튜브형 수소분리 복합막을 관통하여 튜브형 수소분리 복합막 안쪽으로 농축 또는 분리된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 쉘-앤-튜브형 반응장치는, 하단으로부터 메탄 함유 가스 및 스팀을 반응기 쉘 내부로 공급하는 수단을 구비하고, 반응기 상단으로는 반응기 쉘 내 메탄 개질반응용 촉매에 의해 형성된 합성가스 중 수소가 제거된 유체를 배기하는 수단 및 수소분리용 튜브로부터 농축 또는 분리된 수소를 배기하는 수단을 구비할 수 있다.The shell-and-tube type hydrogen production and purification apparatus shown in FIG. 3 is filled with a catalyst for methane reforming reaction in the shell, and at least one exothermic reaction tube or heat exchanger for exothermic reaction disposed inside the reactor, and for the exothermic reaction It may have a structure including a plurality of tubular hydrogen permeation membranes arranged circumferentially outside the tube or heat exchanger. At this time, it is possible to implement a tubular hydrogen permeable separation membrane through the porous filter based on a metal or ceramic support according to the present invention. Accordingly, in the synthesis gas formed by the catalyst for methane reforming in the shell, hydrogen passes through the tubular hydrogen separation composite membrane and is concentrated or separated into the tubular hydrogen separation composite membrane. As shown in FIG. 3, the shell-and-tube type reaction apparatus includes a means for supplying methane-containing gas and steam into the reactor shell from a lower end, and a catalyst for methane reforming reaction in the reactor shell at the upper end of the reactor. A means for exhausting a fluid from which hydrogen has been removed from the syngas formed by this method and a means for exhausting hydrogen concentrated or separated from the hydrogen separation tube may be provided.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 금속 또는 세라믹 지지체 기반 다공성 필터를 통해 혼합 기체로부터 특정 기체를 선택적으로 분리하는 제1단계를 포함하는 것이 특징인 기체 분리방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a gas separation method characterized by comprising a first step of selectively separating a specific gas from a mixed gas through a porous filter based on a metal or ceramic support according to the present invention.
본 발명에 따른 금속 또는 세라믹 지지체 기반 다공성 필터의 열적 내구성으로 인해, 제1단계는 200℃ 이상의 고온에서 혼합 기체로부터 특정 기체를 선택적으로 분리할 수 있다. 따라서, 200℃ 이상의 고온의 혼합기체를 냉각하지 아니하고 제1단계를 수행할 수 있다.Due to the thermal durability of the porous filter based on a metal or ceramic support according to the present invention, the first step may selectively separate a specific gas from the mixed gas at a high temperature of 200°C or higher. Therefore, the first step can be performed without cooling the mixed gas having a high temperature of 200°C or higher.
본 발명에 따른 금속 또는 세라믹 지지체 기반 다공성 필터는, 고온에서 혼합 기체를 직접 분리할 수 있을 뿐만아니라, 분리된 고온의 기체를 에너지로 활용할 수 있다. 또한, 가스분리를 위해서 별도로 가스온도를 낮출 필요가 없기 때문에 에너지 효율측면에서 유리하다.The porous filter based on a metal or ceramic support according to the present invention can not only directly separate the mixed gas at high temperature, but also utilize the separated high temperature gas as energy. In addition, since it is not necessary to separately lower the gas temperature for gas separation, it is advantageous in terms of energy efficiency.
고온에서 분리된 기체, 즉 투과 가스(permeate stream) 및/또는 배출 가스(retentate stream)를 예컨대, 터빈, 열원, 또는 열교환용 유체로 사용할 수 있다.Gas separated at high temperature, that is, a permeate stream and/or a retentate stream, may be used, for example, as a turbine, a heat source, or a heat exchange fluid.
또한, 본 발명에 따른 금속 또는 세라믹 지지체 기반 다공성 필터는 이를 통해 유체 중 미립자를 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 필터층의 기공을 조절하여 원하는 성분의 농축 가스 또는 정제 가스를 제조할 수 있다.In addition, the porous filter based on a metal or ceramic support according to the present invention can not only remove particulates in the fluid through this, but also can control the pores of the filter layer to prepare a concentrated gas or a purification gas having a desired component.
본 발명의 제조방법은 제조공정이 단순하고, 크기(직경, 길이, 두께)조절이 용이하고 몰드제작이 필요 없으며, 열처리 후 사이즈변화가 거의 없는 효과가 있다. 또한 지지체 위에 금속분말을 다중층으로 도포 및 압력을 가하지 않고 제조하기 때문에 기공도가 우수한 특성을 가지는 다공성 필터를 제조할 수 있다. 나아가, 본 발명의 제조방법은 금속 또는 세라믹 지지체 기반 다공성 필터의 대면적화에 적합하다.The manufacturing method of the present invention has an effect that the manufacturing process is simple, the size (diameter, length, thickness) can be easily adjusted, mold manufacturing is not required, and there is little change in size after heat treatment. In addition, since the metal powder is coated in multiple layers on the support and manufactured without applying pressure, a porous filter having excellent porosity can be manufactured. Furthermore, the manufacturing method of the present invention is suitable for increasing the area of a porous filter based on a metal or ceramic support.
도 1은 본 발명의 일구체예에 따라 다공성 필터를 제조하는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 2은 실시예 1에서 사용한 필터지지체와, 실시예 1에서 제조한 다공성 필터의 사진이다.
도 3은 쉘-앤-튜브형 수소 생산 및 정제 장치 내 튜브형 분리막 모듈의 구조를 개략적으로 도시한 모식도이다.1 is a schematic diagram showing a process of manufacturing a porous filter according to an embodiment of the present invention.
2 is a photograph of a filter support used in Example 1 and a porous filter prepared in Example 1. FIG.
3 is a schematic diagram schematically showing the structure of a tubular membrane module in a shell-and-tube hydrogen production and purification apparatus.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are for explaining the present invention more specifically, and the scope of the present invention is not limited by these examples.
비교예Comparative example 1 One
금속분말을 사용하여, CIP공법으로 제조된 상용 금속필터(비교예 1)를 준비하였다.Using the metal powder, a commercial metal filter (Comparative Example 1) manufactured by the CIP method was prepared.
실시예Example 1 One
비교예 1에서 사용한 금속분말과 동일한 재료로 필터지지체, 금속 섬유, 금속분말을 준비하고, 도 2에 도시된 바와 같이, 금속 튜브에 절삭가공을 통해 직선 패턴의 천공을 형성시킨 후 금속섬유 와인딩법을 이용하여 다공성 금속지지체를 준비한 후 유기용매, 분산제, 바인더가 포함된 슬러리형태로 준비한 금속분말을 스프레이 코팅법을 사용하여 코팅 한 후 금속필터를 완성하였다. A filter support, metal fiber, and metal powder were prepared from the same material as the metal powder used in Comparative Example 1, and as shown in FIG. 2, a straight pattern of perforations was formed in the metal tube through cutting, and then metal fiber winding method. After preparing a porous metal support using, a metal powder prepared in the form of a slurry containing an organic solvent, a dispersant, and a binder was coated using a spray coating method, and a metal filter was completed.
사용된 금속섬유는 직경 0.1mm인 비교예 1에서 사용한 금속분말과 동일한 재료를 사용하였으며, 금속튜브에 직선형태의 절삭가공 패턴이 보이지 않을 때까지 촘촘히 와인딩하였다. 금속지지체 상부에 코팅한 금속분말은 평균크기 5 ㎛인 금속분말을 사용하였으며, 스프레이코팅 후 필터층 접합을 위하여 수소를 공급하면서 700도에서 5시간 열처리하였다.The metal fiber used was the same material as the metal powder used in Comparative Example 1 with a diameter of 0.1 mm, and the metal tube was tightly wound until no linear cutting pattern was seen. The metal powder coated on the top of the metal support was used with a metal powder having an average size of 5 μm, and after spray coating, heat treatment was performed at 700° C. for 5 hours while supplying hydrogen to bond the filter layer.
실험예Experimental example 1 One
도 2에 따라 금속섬유를 와인딩하여 제조한 금속필터(실시예 1)와 CIP공법으로 제조된 상용 금속필터(비교예 1)에 대해, 수소분리도 측면에서 가스투과도 비교실험을 실시하였다. 표 1에는 금속필터의 가스투과 실험방법을 기재하였다. A gas permeability comparison experiment was conducted in terms of hydrogen separation for the metal filter (Example 1) manufactured by winding the metal fiber according to FIG. 2 and the commercial metal filter (Comparative Example 1) manufactured by the CIP method. Table 1 describes the gas permeation test method of the metal filter.
최대압력
유량측정장치
Measuring range
Pressure
Flow measurement device
10kPa
Wet Gas Meter
(Sinagawa, Japan, W-NKDa-1B)2 ~ 600L/hr
10kPa
Wet Gas Meter
(Sinagawa, Japan, W-NKDa-1B)
표 2에는 실시예 1의 금속섬유를 와인딩하여 제조한 금속필터와 CIP공법으로 제조된 상용 금속필터의 가스투과 실험결과를 표시하였다.Table 2 shows the gas permeation test results of a metal filter manufactured by winding the metal fiber of Example 1 and a commercial metal filter manufactured by the CIP method.
본 실시예로 제조한 금속필터의 경우, CIP공법으로 제조된 상용 금속필터 대비 가스투과도가 2배 이상 높으며, 수소/질소 선택도가 1.3배 이상 높음을 확인하였다.In the case of the metal filter prepared in this example, it was confirmed that gas permeability was 2 times higher than that of the commercial metal filter manufactured by the CIP method, and the hydrogen/nitrogen selectivity was 1.3 times higher.
Claims (20)
필터지지체의 관통 홀을 막도록 금속 섬유 또는 금속 와이어로 와인딩하는 제2단계;
필터지지체에 와인딩된 금속 섬유 또는 금속 와이어 상에 분말이 적층되어 분말간 기공을 통해 필터층을 형성시키는 제3단계; 및
필터지지체, 이에 와인딩된 금속 섬유 또는 금속 와이어, 및 그 위에 형성된 필터층을 접합시키도록 열처리하는 제4단계;
를 포함하는, 금속 또는 세라믹 지지체 기반 다공성 필터의 제조방법.A first step of preparing a metal or ceramic tube having a filter support having a hole through which at least a portion of the metal or ceramic tube having an outer surface and an inner surface is formed;
A second step of winding with a metal fiber or a metal wire to block the through hole of the filter support;
A third step of forming a filter layer through pores between the powder by laminating powder on the metal fiber or metal wire wound on the filter support; And
A fourth step of heat treatment to bond the filter support, the metal fiber or metal wire wound thereon, and the filter layer formed thereon;
Containing, a method of manufacturing a porous filter based on a metal or ceramic support.
상기 금속 또는 세라믹 튜브 중 적어도 일부분에 외부면과 내부면을 관통하는 홀이 형성된 필터지지체;
관통 홀을 막도록 상기 필터지지체에 와인딩된 금속 섬유 또는 금속 와이어;
필터지지체에 와인딩된 금속 섬유 또는 금속 와이어 상에 분말이 적층되어 분말간 기공을 통해 형성된 필터층을 구비한 것으로,
필터지지체, 이에 와인딩된 금속 섬유 또는 금속 와이어, 및 그 위에 형성된 필터층이 열처리를 통해 접합된 것이 특징인 금속 또는 세라믹 지지체 기반 다공성 필터.A metal or ceramic tube having an outer and inner surface;
A filter support having holes penetrating the outer and inner surfaces of at least a portion of the metal or ceramic tube;
A metal fiber or a metal wire wound around the filter support to block the through hole;
It is provided with a filter layer formed through pores between powders by stacking powder on a metal fiber or metal wire wound on a filter support,
A porous filter based on a metal or ceramic support, characterized in that a filter support, a metal fiber or a metal wire wound thereon, and a filter layer formed thereon are bonded through heat treatment.
The gas separation method according to claim 14, wherein the concentrated gas or refined gas is produced through a porous filter based on a metal or ceramic support.
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