KR102416779B1 - 촉매필터용 슬러리 및 이를 이용한 촉매필터 건조효율 개선방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 촉매필터를 코팅하기 위한 슬러리 및 이를 이용한 건조효율 개선방법에 관한 것으로, 배기가스 촉매필터 내부를 저급 알콜이 첨가된 촉매 슬러리로 코팅한 후 열풍 건조하는 방법에 관한 것이다.

Description

촉매필터용 슬러리 및 이를 이용한 촉매필터 건조효율 개선방법{Coating slurry for a catalytic filter and a method for improving a drying efficiency for the filter using the slurry}

본 발명은 촉매필터를 코팅하기 위한 슬러리 및 이를 이용한 건조효율 개선방법에 관한 것으로, 상세하게는 배기가스 촉매필터 내부를 저급 알콜이 첨가된 촉매 슬러리로 코팅한 후 열풍 건조하는 방법에 관한 것이다.

배기가스 정화용 촉매 필터는 내연 엔진에서 배출되는 입자상 물질을 필터에 포집한 후, 이를 태워서 재생하고 다시 입자상 물질을 포집하여 계속 재사용하는 필터기술로서, 배기가스 중의 HC, CO 및 NOx와 더불어 입자상 물질을 효과적으로 제거한다. 이러한 배기가스 정화용 촉매 필터는 세라믹 소결체의 일종인 다공질 탄화규소 소결체, 또는 코티어라이트, 알루미늄타이타니아 등으로 형성되는 허니콤 구조체로서, 촉매 물질은 필터 셀벽에 코팅되거나 셀벽에 형성되는 세공 내부에 담지된다. 촉매물질을 포함하는 촉매 슬러리는 밀링공정을 거쳐 필터 내부에 코팅된 후 건조 및 소성 단계를 통해 촉매필터가 제조된다.

필터 제조과정 중 코팅 후 건조 단계는 140℃로 20분 동안 열풍 방식으로 실시되나, 건조 조건을 엄격히 준수하지 못하면 코팅층의 크랙이 발생하고 유해한 화합물이 형성될 수 있다. 따라서 장시간을 요하는 건조 단계는 대량 생산 과정에서 공정 지연 요인으로 지적되므로 신속한 필터 건조가 가능하도록 건조 단계를 개선하여 건조 효율을 향상시킬 필요성이 제기된다.

본 발명의 목적은 필터에 대한 촉매슬러리 코팅 후 건조 효율을 개선하기 위한 슬러리 조성물 및 방법을 제안하는 것이다. 본 발명에 의한 배기가스 촉매필터 코팅용 슬러리에는 촉매슬러리 고형분의 5중량% 내지 10중량%의 저급알콜이 포함된다. 비제한적으로 적용 가능한 저급알콜은 메탄올, 에탄올 또는 프로판올이 예시된다.

본 발명의 다른 목적은 필터 종류 및 다공성과 무관하게 촉매 슬러리를 코팅한 후 건조효율을 개선할 수 있는 건조 단계를 포함한 필터 제조방법을 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 배기가스 촉매필터 제조방법은, 밀링 공정을 거쳐 촉매슬러리를 제조하는 단계, 촉매슬러리 고형분의 5중량% 내지 10중량%의 저급알콜을 촉매슬러리에 첨가하는 단계, 저급 알콜이 첨가된 촉매슬러리를 필터에 코팅한 후 건조하고 소성하는 단계를 포함하며, 저급 알콜은 메탄올, 에탄올 또는 프로판올에서 선택될 수 있고, 건조 단계는 열풍 방식으로 진행될 수 있다.

본 발명에 의한 배기가스 필터 제조방법에서, 슬러리에 투입되는 저급알콜 첨가량에 따라 건조시간은 20~30% 절감될 수 있다. 필터 재질과는 무관하게 건조효율 개선을 확인할 수 있다. 놀랍게도 슬러리 자체 및 일반 담체(Flow Through)에서는 저급알콜 투입에 따른 건조효율을 확인할 수 없으며 첨가된 물량 대비 소량이라 물의 표면장력 또한 거의 변하지 않아 표면장력과 건조효율의 상관관계는 없었다. 오로지 필터 구조체에서 건조시간이 단축된 것을 확인할 수 있다. 필터 구조체는 벽 유동형(wall-flow) 구조로 일반 담체(Flow Through)에 비해 압력강하가 10배 이상의 차이가 발생한다. 이는 유량이 필터 내부에서 체류하는 시간이 아주 길다는 것을 뜻하며 필터의 특이한 구조로 인해 유량의 흐름도 변동이 많을 것으로 판단된다. 이론에 국한되지 않지만 본원발명의 건조 단계에서 적용되는 강제 열풍 건조 (forced flow drying) 방식은 기체의 흐름과 필터 구조에 따른 배압으로 인한 난류 흐름을 발생시켜 궁극적으로 건조효율을 높이는 것으로 판단된다.

도면은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 것이며 청구범위에 포함되는 발명을 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 촉매 필터 개략 사시도 및 부분 확대단면도이다.
도 2는 강제 열풍 방식 개략도이다.
도 3은 본 발명 실시예에 의한 필터의 건조효율을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명 실시예에 따른 필터에 대한 THC, CO 및 NOx 전환율을 평가한 그래프이다.

본 발명에서 배기가스는 자동차 등의 이동식 내연기관 또는 발전소 등의 고정식 내연기관에서 발생되는 배기가스를 포함하여 유해성분을 함유하는 포괄적 개념의 배기가스를 언급하는 것이다.

촉매 필터는 촉매슬러리를 필터 채널 또는 셀벽 내부 또는 표면에 코팅하여 제조된다. 먼저, 필터 구조를 설명한다. 도 1은 원기둥 형상 촉매 필터의 사시도 및 부분 확대단면도를 도시한 것이다.

하니콤 필터(10) 구조체는, 단면이 대략 정방형상을 이루는 복수의 관통셀 또는 채널 (12', 12")이 축선방향을 따라서 규칙적으로 형성되어 있으며, 각 관통셀 (12', 12")은 얇은 셀벽 (13)에 의해 서로 칸막이 되어 있다. 다수개의 셀 중에, 약 반수는 유입단면(9a)에 있어서 개구되고, 나머지 셀은 유출단면(9b)에 개구된다. 유입단면(9a)에 개구된 셀(12')들 내부의 셀벽(13)의 표면 또는 세공 내부에는 백금족 원소나 그외 금속원소 및 그 산화물 등으로 이루어진 촉매 물질(30)이 코팅 또는 담지되어 있다. 각 관통셀 (12', 12")의 개구부는, 어느 한쪽의 단면(9a, 9b)측에 있어서, 플러깅(15)에 의해 밀봉되어 있다. 따라서 필터 구조체 단면 전체는 바둑판 모양을 나타낸다. 셀의 밀도는 200개/인치² 전후로 설정되고, 셀벽(13)의 두께는 0.3mm 전후로 설정된다. 유입 단면(9a)에서 개구된 셀(12') 내부로 진입된 배기가스는 셀벽을 통과하면서 입자상 물질은 걸러지고 (트랩, 침적) 나머지 가스 성분만 셀벽 세공(또는 기공)을 통해 유출단면(9b)에서 개구된 셀(12")을 통하여 외부로 배출된다. 이때, 가스 성분은 셀벽(13)에 코팅되거나 또는 셀벽 내부 세공에 담지된 촉매에 의해 산화 환원반응이 촉진되어 무해한 성분으로 전환되어 유출단면(9b) 방향으로 외부 방출된다. 셀벽(13)의 표면 또는 세공 내부는 촉매슬러리로 도포된다. 촉매물질 입자들을 혼합하고 밀링하여 통상 고형분이 10 ∼30%이고 점도가 100 ∼200cpsi인 촉매 슬러리를 얻는다. 슬러리에 필터를 액침 또는 슬러리를 필터 셀 내부로 정량 주입하면 셀벽에 촉매 슬러리가 얇게 도포된다. 촉매슬러리가 도포된 필터에 대한 건조공정은 열풍기에서 140℃의 온도로 20분 동안 열풍 건조하고, 소성공정은 전기로에서 450 ∼550℃로 4시간 동안 실시하지만, 건조 및 소성조건이 준수되지 못하면 코팅층의 크랙이 발생할 수 있다. 따라서 종래 장시간 수행되는 건조 단계는 필터 대량 생산에 있어서 지연 단계로 인식되므로, 본 발명자들은 신속하게 건조 단계를 수행할 수 있는 방안을 찾던 중 일정량의 저급알콜을 코팅 전의 슬러리에 투입하면 건조효율이 개선된다는 것을 확인하였다.

본 발명의 제1 양태는 촉매슬러리 고형분의 5중량% 내지 10중량%의 저급알콜이 포함되는 배기가스 촉매필터 코팅용 슬러리이고, 제1 양태는 저급 알콜이 첨가된 촉매슬러리를 필터에 코팅한 후 건조하고 소성하는 단계를 포함하는 배기가스 촉매필터 제조방법에 관한 것이다. 저급알콜은 코팅 전의 슬러리에 첨가된다. 저급알콜은 밀링 전의 슬러리에 첨가되거나 밀링 후의 슬러리에 첨가될 수 있다. 본 발명이 적용되는 촉매필터의 재질은 국한되지 않지만, 예시적으로는 탄화규소 (SiC), 알루미늄타이타니아 (Aluminum Titanium), 코디어라이트 (Cordierite) 재질의 필터일 수 있다. 본 발명의 건조효율 개선 효과는 저급알콜, 예시적으로 하나 이상의 메탄올, 에탄올 또는 프로판올을 적용하여 획득될 수 있다. 이론에 제한되지 않지만, 슬러리를 구성하는 물과 수소결합이 가능하면서도 물보다 휘발성이 높은 알콜은 동일한 건조효율을 보인다고 판단된다.

실시예

촉매물질 입자들을 포함하는 촉매슬러리를 준비하고 볼 밀(ball mill)로 입자크기가 7㎛ 이하로 밀링하여 고형분이 20%이고 점도가 200cpsi인 촉매 슬러리를 얻었다. 슬러리에 고형분 기준으로 5중량%의 에탄올을 첨가하여 최종 촉매슬러리를 수득하였다. SiC (탄화규소) 재질의 원통형 필터 (118.4×136mm, 1.5L)에 코팅한 후 열풍기를 이용하여 140℃의 온도로 20분 건조하고, 450 ∼550℃로 4시간 동안 소성하였다. 도 2는 강제 열풍 건조 방식 (forced flow dryer)을 개략적으로 도시한 것이다.

촉매 필터에 인접한 지점에 열풍을 공급할 수 있는 건조 후드가 제공되고, 건조가 개시되면서 후드가 폐쇄되고 열풍이 외부로 손실되지 않는다. 열풍은 일방향 또는 양방향으로 공급되도록 제어될 수 있다.

비교예 1

촉매물질 입자들을 포함하는 촉매슬러리를 준비하고 볼 밀(ball mill)로 입자크기가 7㎛ 이하로 밀링하여 고형분이 20%이고 점도가 200cpsi인 촉매 슬러리를 얻었다. 슬러리에 고형분 기준으로 5중량%의 에탄올을 첨가하여 최종 촉매슬러리를 수득하고 열풍기를 이용하여 140℃의 온도로 20분 건조하였다.

비교예 2

촉매물질 입자들을 포함하는 촉매슬러리를 준비하고 볼 밀(ball mill)로 입자크기가 7㎛ 이하로 밀링하여 고형분이 20%이고 점도가 200cpsi인 촉매 슬러리를 얻었다. 슬러리에 고형분 기준으로 5중량%의 에탄올을 첨가하여 최종 촉매슬러리를 수득하였다. 코티어라이트 재질의 원통형 담체 (105.7×115mm, 1.0L)에 코팅한 후 열풍기를 이용하여 140℃의 온도로 20분 건조하고, 450 ∼550℃로 4시간 동안 소성하였다. 담체는 필터와는 달리 전면 및 후면을 연결하는 셀들이 막힘이 없이 관통 구조를 이루는 구조체이고 Flow through 방식의 기재이다.

실험예

실시예의 필터, 비교예 1의 슬러리 자체, 및 비교예 2의 담체에 대한 건조시간에 따른 중량 감소율을 평가하였다.

비교예 1의 슬러리에 대하여 Leco 장비를 이용하여 중량 손실 속도를 계산한 결과 유의미한 결과를 얻을 수 없었다. 에탄올이 10중량% 투입된 슬러리의 경우에도 건조효율이 크게 향상되지 않았다. 비교예 2의 담체 건조효율을 조사하면 에탄올이 10중량%까지 투입되어도 유의미한 결과를 얻을 수 없었다.

도 3은 실시예의 필터의 건조효율을 도시한 것이다. 에탄올이 첨가되지 않은 필터 또는 에탄올 3중량% 첨가된 필터와 비교할 때 약 20~30%의 건조효율을 확인할 수 있다.

도 4는 실시예 필터에 대한 THC, CO 및 NOx 전환율을 평가한 것이고, 에탄올이 9중량% 첨가된 슬러리가 적용된 필터의 경우 에탄올이 첨가되지 않은 필터와 대비하여 동등한 결과를 보였다.

마지막으로, 실시예의 슬러리에 대한 인화점 측정 실험을 통해 에탄올이 10중량% 첨가된 슬러리의 경우에도 인화점은 산업안전보건법, 위험물안전관리법에 의한 위험물로 분류되지 않으며, 물 60% 이상의 조성을 가지므로 위험물로 판별되지 않는다.

Claims (4)

1. 삭제
2. 배기가스 촉매필터 건조 효율 개선 방법으로서, 밀링 공정을 거쳐 촉매슬러리를 제조하는 단계, 상기 촉매슬러리에 촉매슬러리 고형분의 5중량% 내지 10중량%의 저급알콜을 첨가하는 단계, 저급 알콜이 첨가된 촉매슬러리를 필터에 코팅한 후 건조하는 단계를 포함하고, 상기 건조 단계는 열풍 방식으로 진행되고, 상기 저급 알콜은 메탄올, 에탄올 또는 프로판올인, 배기가스 촉매필터 건조 효율 개선 방법.
3. 삭제
4. 삭제

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