KR102498310B1 - 함침 피치의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 함침 피치의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 콜타르계 원료 물질 및 용매를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계, 원심분리법 또는 디칸팅(decanting)법에 의해 상기 혼합물로부터 상등액 및 고형분을 포함하는 하층액을 분리하는 단계, 상기 상등액으로부터 상기 용매를 회수하여 잔유물을 수득하는 단계, 및 상기 잔유물에 증류 공정 및 열처리 공정을 수행하는 단계를 포함하되, 상기 콜타르계 원료 물질은 콜타르, 중질 타르, 콜타르계 카본블랙원료유, 및 10 ℃ 내지 90 ℃의 연화점을 갖는 콜타르 피치 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 용매는 치환 또는 비치환된, 1개 내지 4개의 방향족 고리를 포함하고, 상기 용매의 방향족 지수는 0.7 내지 1이고, 상기 용매의 끓는점은 100 ℃ 내지 350 ℃이고, 상기 용매 내의 퀴놀린(quinoline) 및 이소퀴놀린(isoquinoline)의 함량은, 상기 함침 피치의 총 중량 대비 0 wt% 내지 5.0 wt%이고, 상기 함침 피치의 연화점은 60 ℃ 내지 120 ℃이고, 상기 함침 피치 내의 퀴놀린 불용분의 함량은, 상기 함침 피치의 총 중량 대비 0.0001 wt% 내지 0.5 wt%이고, 상기 함침 피치 내의 베타-레진의 함량은, 상기 함침 피치의 총 중량 대비 10 wt% 내지 30 wt%일 수 있다.

Description

함침 피치의 제조 방법{Preparation of Impregnation Pitch}

본 발명은 함침 피치의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 퀴놀린 불용분(QI)의 함량이 현저히 감소되고, 함침 피치 내의 베타-레진의 함량이 함침 피치의 총 중량 대비 10 wt% 이상이고, 함침 피치의 연화점이 60 ℃ 내지 120 ℃인 고품질 함치 피치의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 탄소 소성제품은 코크스에 바인더 피치를 결합재로 사용하여 소성, 흑연화 및 가공과정을 거쳐 제강용 흑연 전극, 흑연 블록 등의 제품 등으로 생산된다. 그러나 열처리의 과정에서 코크스와 바인더 피치의 휘발성분들이 빠져 나가거나 열분해 되면서 탄소재 내부에 기공이 발생하게 되고, 이에 따라 기계적 강도, 부피 밀도 등이 저하되고, 전기저항성이 상승될 수 있다.

함침 공정은 상기의 기공에 피치를 투입하고 소성하여 탄소재의 부피 밀도를 높이는 공정으로, 전술한 문제들을 해결할 수 있다. 이 때, 사용되는 함침 피치는 기공 침투율이 좋아야 하고, 소성 및 흑연화 과정을 거치고 남은 고정 탄소의 양이 높아야 한다. 따라서, 사용될 수 있는 피치의 원료는 제한적이고, 일반적으로 콜타르 피치가 사용되고 있다. 그러나 콜타르 피치는 퀴놀린 불용분(QI)을 함유하고 있어 피치가 기공에 침투하는 것을 저해하기 때문에 이를 일부 제거하는 과정이 필요하다. 퀴놀린 불용분을 제거하여 함침 피치를 제조하는 방법들이 있으나, 상업적으로 고품질 탄소재료의 제조를 위해 퀴놀린 불용분을 극소 함량으로 포함하는 함침 피치가 요구된다. 이러한 퀴놀린 불용분을 극소 함량으로 포함하는 함침 피치를 생산하기 위해서는 원료에 제한이 있고, 사용 용매 및 분리 방식 등 아직 해결해야 할 문제들이 존재한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 콜타르, 콜타르계 카본블랙오일, 중질 타르, 및 10 내지 90 ℃의 연화점을 갖는 콜타르 피치 중 적어도 하나를 포함하는 다양한 콜타르계 원료들로부터 퀴놀린 불용분(QI)의 함량이 현저히 감소된 고품질의 함치 피치를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 개념에 따른, 함침 피치의 제조 방법은, 콜타르계 원료 물질 및 용매를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계, 원심분리법 또는 디칸팅(decanting)법에 의해 상기 혼합물로부터 상등액 및 고형분을 포함하는 하층액을 분리하는 단계, 상기 상등액으로부터 상기 용매를 회수하여 잔유물을 수득하는 단계, 및 상기 잔유물에 증류 공정 및 열처리 공정을 수행하는 단계를 포함하되, 상기 콜타르계 원료 물질은 콜타르, 중질 타르, 콜타르계 카본블랙원료유, 및 10 ℃ 내지 90 ℃의 연화점을 갖는 콜타르 피치 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 용매는 치환 또는 비치환된, 1개 내지 4개의 방향족 고리를 포함하고, 상기 용매의 방향족 지수는 0.7 내지 1이고, 상기 용매의 끓는점은 100 ℃ 내지 350 ℃이고, 상기 용매 내의 퀴놀린 및 이소퀴놀린(isoquinoline)의 함량은, 상기 함침 피치의 총 중량 대비 0 wt% 내지 5.0 wt%이고, 상기 함침 피치의 연화점은 60 ℃ 내지 120 ℃이고, 상기 함침 피치 내의 퀴놀린 불용분의 함량은, 상기 함침 피치의 총 중량 대비 0.0001 wt% 내지 0.5 wt%이고, 상기 함침 피치 내의 베타-레진의 함량은, 상기 함침 피치의 총 중량 대비 10 wt% 내지 30 wt%일 수 있다.

본 발명에 따른 함침 피치의 제조 방법은, 원료 물질로서 일반적으로 많이 사용되고 있는 콜타르 피치뿐만 아니라 콜타르를 정제하고 남은 폐기물인 다량의 고형분을 포함하는 중질 타르를 포함하는, 다양한 콜타르계 원료를 사용할 수 있어, 경제적이다.

본 발명의 함침 피치의 제조 방법에 따라 제조된, 함침 피치의 연화점은 60 ℃ 내지 120 ℃이고, 함침 피치 내의 퀴놀린 불용분의 함량은 0.5 wt% 이하이며, 함침 피치 내의 베타-레진의 함량은 10 wt% 이상일 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따르면 고품질의 함침 피치를 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 함침 피치의 제조 방법은, 종래의 제조 방법에 비해 제조 공정이 단순하고 연속식으로 제조가 가능하며, 베타-레진의 회수량도 높아 탄화 수율이 높은 함침 피치를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 함침 피치를 제조하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 함침 피치를 제조하는 방법을 설명하기 위한 개략적인 공정도이다.

본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 함침 피치를 제조하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 함침 피치를 제조하는 방법을 설명하기 위한 개략적인 공정도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 함침 피치의 제조 방법은, 콜타르계 원료 물질 및 용매를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계(S1), 원심분리법 또는 디칸팅(decanting)법에 의해 상기 혼합물로부터 상등액 및 고형분을 포함하는 하층액을 분리하는 단계(S2), 상기 상등액으로부터 상기 용매를 회수하여 잔유물을 수득하는 단계(S3), 및 상기 잔유물에 증류 공정 및 열처리 공정을 수행하는 단계(S4)를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 함침 피치의 제조 방법은, 콜타르계 원료 물질 및 용매를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계(S1)를 포함할 수 있다. 상기 콜타르계 원료 물질 및 용매를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계(S1)는 혼합기 내에서 수행될 수 있다. 상기 콜타르계 원료 물질은 콜타르, 콜타르계 카본블랙오일, 중질 타르, 및 10 내지 90 ℃의 연화점을 갖는 콜타르 피치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 콜타르는 석탄을 고온으로 건류할 때 수득되는 물질일 수 있다. 본 명세서에서, 상기 중질 타르는 콜타르를 상업적으로 사용하기 위해 정제하고 남은 부산물로서, 슬러지 형태의 다양한 부산물 및 수분을 포함하는 콜타르 슬러지를 의미할 수 있다.

즉, 본 발명에 따르면 다양한 콜타르계 원료를 사용하여 함침 피치를 제조할 수 있다. 일반적으로, 중질 타르는 폐기물로 취급되고 있으나, 본 발명에 따라 고품질 함침 피치의 원료로 사용될 수 있다.

상기 용매는 단일 방향족계 화합물 또는 혼합 방향족계 화합물을 포함할 수 있다. 상기 용매에 의해 상기 콜타르계 원료로부터 퀴놀린 불용분(Quinoline Insoluble, QI)이 제거될 수 있다. 일 예로, 상기 용매는 치환 또는 비치환된, 1개 내지 4개의 방향족 고리를 포함할 수 있고, 상기 용매의 방향족 지수는 0.7 내지 1일 수 있다. 본 명세서에서, 상기 방향족 지수는 브라운-래드너(Brown-Ladner)법을 이용하여 계산된 수치를 의미할 수 있다.

반면에, 일 예로, 알리파틱 성분이 많은 석유계 등유를 원료로 사용할 경우, 방향족 지수가 0.7 미만인 용매를 사용하면, 타르 성분의 회수 효율이 저하될 수 있다. 또한, 알리파틱 성분이 많은 석유계 등유를 원료로 사용하기 위해서는 150 ℃ 이상의 상대적으로 고온의 혼합 조건이 필요할 수 있다. 따라서, 이 경우, 후속의 원심분리법 또는 디칸팅(decanting)법에 의해 상기 혼합물로부터 상등액 및 고형분을 포함하는 하층액을 분리하는 단계(S2)에서, 층 분리만 일어날 뿐, 타르 성분의 회수 효율이 저하될 수 있다.

상기 용매는 단일 방향족계 화합물 또는 혼합 방향족계 화합물을 포함할 수 있다. 상기 용매의 끓는점은 100 ℃ 내지 350 ℃일 수 있다. 반면에, 상기 용매의 끓는점이 100 ℃ 미만이면, 냄새 및 휘발성이 강해 공정 운전에 불리할 수 있고, 상기 용매의 끓는점이 350 ℃ 초과이면, 점성이 증가하거나 회수하는데 많은 에너지가 필요할 수 있어, 경제성이 저하될 수 있다.

상기 용매 내의 퀴놀린(quinoline) 및 이소퀴놀린(isoquinoline)의 함량은, 상기 함침 피치의 총 중량 대비 0.0001 wt% 내지 5.0 wt%일 수 있다. 다만, 상기 용매의 방향족 지수가 0.7 이상이더라도, 방향족계 용매 중에서 퀴놀린(quinoline) 및 이소퀴놀린(isoquinoline) 함유량이 상기 함침 피치의 총 중량 대비 5.0 wt% 이상인 용매를 사용하면, 타르 성분을 잘 녹여 회수율은 증가되는 반면, 퀴놀린 불용분(QI)을 포함한 불순물을 제거하는 효율이 저하될 수 있다. 일 예로, 끓는점이 240 ℃ 내지 310 ℃인 콜타르계 오일 흡수유는 퀴놀린(quinoline) 및 이소퀴놀린(isoquinoline) 함유량이 상기 함침 피치의 총 중량 대비 약 10 %일 수 있고, 이를 용매로 사용하면, 타르 성분을 잘 녹여 회수율은 증가되는 반면, 퀴놀린 불용분(QI)을 포함한 불순물을 제거하는 효율이 저하될 수 있다.

본 발명의 일 실시예로, 상기 용매는 퀴놀린 및 이소퀴놀린을 함유하지 않을 수도 있다. 즉, 상기 용매 내의 퀴놀린 및 이소퀴놀린의 함량은 0 wt%일 수 있다. 한편 앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 용매는 퀴놀린 및 이소퀴놀린을 미량으로 함유할 수도 있으며, 따라서 본 발명의 용매의 퀴놀린 및 이소퀴놀린의 함량은 0 wt% 내지 5.0 wt%일 수 있다.

일 예로, 상기 콜타르계 원료와 상기 용매의 중량비는 90:10 내지 20:80로 혼합될 수 있다. 반면에, 상기 혼합물 100 중량부에 대하여 상기 용매가 10 중량비 미만일 경우, 콜타르 성분의 회수 효율이 저하될 수 있고, 콜타르 피치 내의 퀴놀린 불용분(QI)의 함량이 0.5 wt%를 초과할 수 있다. 또한, 상기 혼합물 100 중량부에 대하여 상기 용매가 80 중량비 초과일 경우, 콜타르 성분의 회수 효율이 향상될 수 있고, 퀴놀린 불용분(QI)의 함량이 0.5 wt% 이하로 유지될 수 있으나, 공정에 필요한 비용이 증가하여, 경제성이 저하될 수 있다.

상기 콜타르계 원료 물질 및 용매를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계(S1)는, 교반 공정을 더 포함할 수 있다. 상기 혼합물을 제조하는 단계는 20 ℃ 내지 150 ℃에서 수행될 수 있다. 이에 따라, 후속의 원심분리법 또는 디칸팅(decanting)법에 의해 상기 혼합물로부터 상등액 및 고형분을 포함하는 하층액을 분리하는 단계(S2)가 원활하게 수행될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 함침 피치의 제조 방법은, 원심분리법 또는 디칸팅(decanting)법에 의해 상기 혼합물로부터 상등액 및 고형분을 포함하는 하층액을 분리하는 단계(S2)를 포함할 수 있다. 상기 하층액은 다량의 고형분을 포함할 수 있다. 상기 고형분은 콜타르 내에 포함된 고체 성분의 물질을 의미할 수 있고, 일 예로, 회분, 퀴놀린 불용분(Quinoline Insoluble, QI), 석탄, 코크스, 또는 세노스피어(Cenosphere) 등을 포함할 수 있다. 상기 혼합물은 원심분리법 또는 디칸팅(decanting)법에 의해 상기 상등액 및 상기 하층액으로 분리될 수 있다.

상기 상등액 내의 상기 고형분의 함량은 상기 상등액의 총 중량 대비 0.0001 wt% 내지 0.5 wt%, 0.0001 wt% 내지 0.3 wt%, 또는 0.0001 wt% 내지 0.1 wt%일 수 있다. 상기 고형분의 대부분은 퀴놀린 불용분(QI)으로 구성될 수 있고, 이는 후속의 증류 공정에 의해 상기 콜타르계 원료로부터 Light oil, 흡수유, 크레오소트 등이 분리된 후, 콜타르 피치에 잔류할 수 있다. 즉, 상기 상등액 내의 퀴놀린 불용분(QI)의 함량은 상기 상등액의 총 중량 대비 0.0001 wt% 내지 0.5 wt%, 0.0001 wt% 내지 0.3 wt%, 또는 0.0001 wt% 내지 0.1 wt%일 수 있다.

상기 혼합물로부터 상기 상등액 및 상기 하층액을 분리하는 단계가 수행되는 온도는, 상기 용매가 증발되지 않는 온도 내에서 높을수록 바람직하다. 일 예로, 상기 혼합물로부터 상기 상등액 및 상기 하층액을 분리하는 단계는 20 ℃ 내지 약 150 ℃에서 수행될 수 있다.

상기 원심분리법 또는 상기 디칸팅(decanting)법의 원심력(G-force)은 1,000 G 내지 10,000 G일 수 있다. 상기 원심력(G-force)은 그 값이 증가할수록 상기 콜타르계 원료로부터의 고형분 제거율 및 콜타르의 회수율이 증가할 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 원심분리법 또는 상기 디칸팅(decanting)법을 이용하여 함침 피치를 제조할 수 있어, 연속식 공정으로 함침 피치의 제조가 가능할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 함침 피치의 제조 방법은, 상기 상등액으로부터 상기 용매를 회수하여 잔유물을 수득하는 단계(S3)를 포함할 수 있다. 상기 상등액으로부터 상기 용매를 회수하는 것은, 상기 상등액에 증류 공정을 수행하는 것을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 증류 공정은 상압 증류 공정 또는 감압 증류 공정을 포함할 수 있다. 상기 상압 증류 공정 또는 상기 감압 증류 공정에 의해, 상기 용매가 증류되어 회수될 수 있다. 이에 따라, 상기 상등액으로부터 퀴놀린 불용분(QI)가 제거된 잔유물이 수득될 수 있다. 상기 회수된 용매는 재순환되어 재사용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 함침 피치의 제조 방법은, 상기 잔유물에 증류 공정 및 열처리 공정을 수행하는 단계(S4)를 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 증류 공정은 상압 증류 공정 또는 감압 증류 공정일 수 있다. 일 예로, 상기 열처리 공정의 열처리 온도는 230 ℃ 내지 400 ℃일 수 있다. 상기 잔유물에 증류 공정 및 열처리 공정을 수행하는 단계(S4)에 의해 상기 함침 피치 내의 콜타르 유분이 제거될 수 있다. 구체적으로, 상기 잔유물에 증류 공정 및 열처리 공정을 수행하는 단계(S4)에 의해, 잔유물 내의 경질 유분 및/또는 중질 유분이 제거될 수 있고, 열에 의한 중축합 반응이 일어나 베타-레진의 함량이 증가될 수 있다. 또한, 함침 피치의 연화점이 증가될 수 있다.

반면에, 상기 열처리 공정의 열처리 온도가 230 ℃ 미만인 경우, 경질 유분 및 중질 유분이 충분히 제거되지 않을 수 있고, 중축합 반응이 충분히 일어나지 않을 수 있으므로, 고품질의 함침 피치를 제조하기 어려울 수 있다. 상기 열처리 공정의 열처리 온도가 400 ℃ 초과인 경우, 과도한 중축합 반응이 진행되어 Coking 현상이 발생할 수 있고, 또는 퀴놀린에 용해되지 않는 중간상의 메조페이스가 생성되어 함침 피치의 함침성이 저해될 수 있다. 이에 따라, 고품질의 함침 피치를 제조하기 어려울 수 있다.

상기 잔유물에 증류 공정 및 열처리 공정을 수행하는 단계(S4)는, 비활성 기체 또는 스팀(steam)의 주입 공정을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 비활성 기체는 질소를 포함할 수 있다. 상기 비활성 기체 또는 스팀(steam)의 주입 공정에 의해 경질 유분 및 중질 유분이 충분히 제거될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 함침 피치의 제조 방법에 의해 제조된 함침 피치의 연화점은, 일 예로, 60 ℃ 내지 120 ℃일 수 있다. 상기 함침 피치 내의 퀴놀린 불용분의 함량은, 상기 함침 피치의 총 중량 대비 0.0001 wt% 내지 0.5 wt%일 수 있다. 상기 함침 피치 내의 베타-레진의 함량은, 상기 함침 피치의 총 중량 대비 10 wt% 내지 30 wt%일 수 있다. 상기 함침 피치 내의 회분 함량은 상기 함침 피치의 총 중량 대비 0.0001 wt% 내지 0.3 wt%일 수 있다. 상기 함침 피치의 수득률은 30 % 내지 90 %일 수 있다. 상기 함침 피치는 상기 콜타르계 원료 물질의 총 중량 대비 30 wt% 내지 90 wt%로 수득될 수 있다.

종래에는 퀴놀린 불용분 성분을 제거하기 위하여, 알리파틱 계열의 용매를 사용하여 정치 침강법 또는 아로마틱 용매에 콜타르 피치를 녹이는 여과법으로 퀴놀린 불용분을 제거한 후 함침 피치를 제조하였다. 반면에, 본 발명에 따른 함침 피치의 제조 방법은, 종래의 제조 방법에 비해 제조 공정이 단순하고 연속식으로 제조가 가능하며, 베타-레진의 회수량도 높아 탄화 수율이 높은 함침 피치를 제조할 수 있다.

실시예

실시예 1

콜타르 피치와 콜타르계 방향족 유분을 혼합하는 혼합 공정을 수행하였다. 상기 콜타르 피치는 연화점이 40 ℃이고, 퀴놀린 불용분의 함량이 콜타르 피치의 총 중량 대비 3.8 wt%이다. 상기 콜타르계 방향족 유분은 방향족 지수가 0.87이고, 퀴놀린 및 이소퀴놀린 함량이 콜타르계 방향족 유분의 총 중량 대비 3 wt% 이하이며, 상압 끓는점이 240 ℃ 내지 270 ℃이다. 상기 혼합 공정은 90 ℃에서 수행되었다. 상기 콜타르 피치 및 상기 콜타르계 방향족 유분을 60:40의 중량비로 혼합하였고, 기계적 교반기(mechanical stirrer)를 사용하여 교반하였다.

혼합 공정에 의해 혼합 용액을 제조한 후, 이를 원심분리기에 넣어 90 ℃의 분리 온도, 3500 G의 원심력(G-force)으로 상등액과 하층액으로 분리하였다. 이후, 상기 상등액으로부터 용매를 회수하여 수득한 잔유물에 200 torr, 340 ℃의 감압 열처리 공정을 5시간 수행하였다. 그 결과, 수득된 함침 피치의 연화점은 84 ℃이었다. 또한, 상기 함침 피치는 함침 피치의 총 중량 대비 0.15 wt%의 퀴놀린 불용분, 18.5 wt%의 베타-레진, 0.02 wt%의 회분 함량을 포함하는 것을 확인하였다. 원료 물질인 콜타르 피치의 중량 대비 72 %의 함침 피치를 수득할 수 있었다.

실시예 2

카본블랙 원료유와 콜타르계 방향족 유분을 혼합하는 혼합 공정을 수행하였다. 상기 카본블랙 원료유는 연화점이 30 ℃ 이하이고, 퀴놀린 불용분의 함량이 카본블랙 원료유의 총 중량 대비 2.8 wt%이다. 상기 콜타르계 방향족 유분은 방향족 지수가 0.82이고, 퀴놀린 및 이소퀴놀린 함량이 콜타르계 방향족 유분의 총 중량 대비 0.2 wt% 이하며, 상압 끓는점이 260 ℃ 내지 300 ℃이다. 상기 혼합 공정은 70 ℃에서 수행되었다. 상기 카본블랙 원료유 및 상기 콜타르계 방향족 유분을 50:50의 중량비로 혼합하였고, 기계적 교반기(mechanical stirrer)를 사용하여 교반하였다.

혼합 공정에 의해 혼합 용액을 제조한 후, 이를 원심분리기에 넣어 70 ℃의 분리 온도, 3000 G의 원심력(G-force)으로 상등액과 하층액으로 분리하였다. 이후, 상기 상등액으로부터 용매를 회수하여 수득한 잔유물에 150 torr, 350 ℃의 감압 열처리 공정을 6시간 수행하였다. 그 결과, 수득된 함침 피치의 연화점은 92 ℃이었다. 또한, 상기 함침 피치는 함침 피치의 총 중량 대비 0.22 wt%의 퀴놀린 불용분, 19.3 wt%의 베타-레진, 0.03 wt%의 회분 함량을 포함하는 것을 확인하였다. 원료 물질인 카본블랙 원료유의 중량 대비 64%의 함침 피치를 수득할 수 있었다.

실시예 3

중질 타르와 용매를 혼합하는 혼합 공정을 수행하였다. 중질 타르는 중질 타르의 총 중량 대비 9.72 wt%의 고형분을 포함한다. 상기 용매는 방향족 지수가 0.92이고, 퀴놀린 및 이소퀴놀린 함량이 제1 콜타르계 방향족 유분의 총 중량 대비 0.1 wt% 이하이며, 상압 끓는점이 290 ℃ 내지 330 ℃인 제1 콜타르계 방향족 유분, 및 방향족 지수가 0.87이고, 퀴놀린 및 이소퀴놀린 함량이 제2 콜타르계 방향족 유분의 총 중량 대비 3 wt% 이하이며, 상압 끓는점이 240 ℃ 내지 270 ℃인 제2 콜타르계 방향족 유분을 포함할 수 있다. 상기 용매는 상기 제1 콜타르계 방향족 유분 및 상기 제2 콜타르계 방향족 유분이 50:50의 중량비로 혼합될 수 있다. 상기 용매 및 상기 중질 타르를 45:55의 중량비로 혼합하였고, 기계적 교반기(mechanical stirrer)를 사용하여 교반하였다.

혼합 공정에 의해 혼합 용액을 제조한 후, 이를 원심분리기에 넣어 85 ℃의 분리온도, 2800 G의 원심력(G-force)으로 상등액과 하층액으로 분리하였다. 이후, 상기 상등액으로부터 용매를 회수하여 수득한 잔유물에 180 torr, 320 ℃의 감압 열처리 공정을 5시간 수행하였다. 그 결과, 수득된 함침 피치의 연화점은 80.1 ℃이었다. 또한, 상기 함침 피치는 함침 피치의 총 중량 대비 0.09 wt%의 퀴놀린 불용분, 16.5 wt%의 베타-레진, 0.01 wt%의 회분 함량을 포함하는 것을 확인하였다. 원료 물질인 중질 타르의 중량 대비 47 %의 함침 피치를 수득할 수 있었다.

실시예 4

콜타르와 석유계 방향족 유분을 혼합하는 혼합 공정을 수행하였다. 상기 콜타르는 퀴놀린 불용분의 함량이 콜타르의 총 중량 대비 1.4 wt%이다. 상기 석유계 방향족 유분은 방향족 지수가 0.78이고, 퀴놀린 및 이소퀴놀린 함량이 석유계 방향족 유분의 총 중량 대비 0.01% 이하이며, 상압 끓는점이 140 ℃ 내지 320 ℃이다. 상기 혼합 공정은 50 ℃에서 수행되었다. 상기 콜타르와 석유계 방향족 유분을 65:35의 중량비로 혼합하였고, 기계적 교반기(mechanical stirrer)를 사용하여 교반하였다.

혼합 공정에 의해 혼합 용액을 제조한 후, 이를 원심분리기에 넣어 50 ℃의 분리 온도, 3300 G의 원심력(G-force)으로 상등액과 하층액으로 분리하였다. 이후, 상기 상등액으로부터 용매를 회수하여 수득한 잔유물에 100 torr, 360 ℃의 감압 열처리 공정을 3시간 수행하였다. 그 결과, 수득된 함침 피치의 연화점은 82.8 ℃이었다. 또한, 상기 함침 피치는 함침 피치의 총 중량 대비 0.38 wt%의 퀴놀린 불용분, 15.2 wt%의 베타-레진, 0.02 wt%의 회분 함량을 포함하는 것을 확인하였다. 원료 물질인 콜타르의 중량 대비 42 %의 함침 피치를 수득할 수 있었다.

비교예 1

콜타르 피치와 콜타르계 방향족 유분을 혼합하는 혼합 공정을 수행하였다. 상기 콜타르 피치는 연화점이 40 ℃이고, 퀴놀린 불용분의 함량이 콜타르 피치의 총 중량 대비 3.8 wt%이다. 상기 콜타르계 방향족 유분은 방향족 지수가 0.89이고, 퀴놀린 및 이소퀴놀린 함량이 콜타르계 방향족 유분의 총 중량 대비 14 wt% 이상이며, 상압 끓는점이 235 ℃ 내지 270 ℃이다. 상기 혼합 공정은 90 ℃에서 수행되었다. 상기 콜타르 피치 및 상기 콜타르계 방향족 유분을 60:40의 중량비로 혼합하였고, 기계적 교반기(mechanical stirrer)를 사용하여 교반하였다.

혼합 공정에 의해 혼합 용액을 제조한 후, 이를 원심분리기에 넣어 90 ℃의 분리 온도, 3500 G의 원심력(G-force)으로 상등액과 하층액으로 분리하였다. 이후, 상기 상등액으로부터 용매를 회수하여 수득한 잔유물에 200 torr, 340 ℃의 감압 열처리 공정을 5시간 수행하였다. 그 결과, 수득된 함침 피치의 연화점은 87 ℃이었다. 또한, 상기 함침 피치는 함침 피치의 총 중량 대비 0.85 wt%의 퀴놀린 불용분, 17.2 wt%의 베타-레진, 0.04 wt%의 회분 함량을 포함하는 것을 확인하였다. 원료 물질인 콜타르 피치의 중량 대비 74 %의 함침 피치를 수득할 수 있었다.

비교예 1에 따르면, 높은 함량의 퀴놀린 및 이소퀴놀린을 포함하는 용매를 사용하여 제조된 함침 피치의 퀴놀린 불용분 함량은, 기준치인 0.5 wt% 보다 더 높은 것을 확인할 수 있다.

비교예 2

콜타르 피치와 석유계 등유를 혼합하는 혼합 공정을 수행하였다. 상기 콜타르 피치는 연화점이 40 ℃이고, 퀴놀린 불용분의 함량이 콜타르 피치의 총 중량 대비 3.8 wt%이다. 상기 석유계 등유는 방향족 지수가 0.03이고, 퀴놀린 및 이소퀴놀린 함량이 석유계 등유의 총 중량 대비 0.01 wt% 이하이며, 상압 끓는점이 180 ℃ 내지 250 ℃이다. 상기 혼합 공정은 90 ℃에서 수행되었다. 상기 콜타르 피치 및 상기 석유계 등유를 60:40의 중량비로 혼합하였고, 기계적 교반기(mechanical stirrer)를 사용하여 교반하였다.

혼합 공정에 의해 혼합 용액을 제조한 후, 이를 원심분리기에 넣어 90 ℃의 분리 온도, 3500 G의 원심력(G-force)으로 원심분리를 진행하였으나, 석유계 등유와 콜타르 피치의 층 분리만 발생할 뿐, 상등액으로 콜타르 피치의 회수가 일어나지 않았다.

비교예 2에 따르면, 방향족 지수가 낮은 용매를 사용하는 경우, 콜타르계 원료 물질과 용매가 혼합되지 않을 수 있기 때문에, 콜타르 성분의 회수율이 낮을 수 있어, 최종적으로 함침 피치의 제조가 어려울 수 있음을 확인할 수 있다.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (12)

1. 콜타르계 원료 물질 및 콜타르계 방향족 유분을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;
   원심분리법 또는 디칸팅(decanting)법에 의해 상기 혼합물로부터 상등액 및 고형분을 포함하는 하층액을 분리하는 단계;
   상기 상등액으로부터 상기 콜타르계 방향족 유분을 회수하여 잔유물을 수득하는 단계; 및
   상기 잔유물에 증류 공정 및 열처리 공정을 수행하는 단계를 포함하는 함침 피치의 제조 방법에 있어서,
   상기 콜타르계 원료 물질은 콜타르, 중질 타르, 콜타르계 카본블랙원료유, 및 10 ℃ 내지 90 ℃의 연화점을 갖는 콜타르 피치 중 적어도 하나를 포함하고,
   상기 콜타르계 방향족 유분은 치환 또는 비치환된, 1개 내지 4개의 방향족 고리를 포함하고, 상기 콜타르계 방향족 유분의 방향족 지수는 0.7 내지 1이고,
   상기 콜타르계 방향족 유분의 끓는점은 100 ℃ 내지 350 ℃이고,
   상기 콜타르계 방향족 유분 내의 퀴놀린(quinoline) 및 이소퀴놀린(isoquinoline)의 함량은, 상기 함침 피치의 총 중량 대비 0 wt% 내지 5.0 wt%이고,
   상기 함침 피치의 연화점은 60 ℃ 내지 120 ℃이고,
   상기 함침 피치 내의 퀴놀린 불용분의 함량은, 상기 함침 피치의 총 중량 대비 0.0001 wt% 내지 0.5 wt%이고,
   상기 함침 피치 내의 베타-레진의 함량은, 상기 함침 피치의 총 중량 대비 10 wt% 내지 30 wt%인 함침 피치의 제조 방법.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 콜타르계 방향족 유분은 단일 방향족계 화합물 또는 혼합 방향족계 화합물을 포함하는 함침 피치의 제조 방법.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 증류 공정은 상압 증류 공정 또는 감압 증류 공정이고,
   상기 열처리 공정의 열처리 온도는 230 ℃ 내지 400 ℃인 함침 피치의 제조 방법.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 혼합물을 제조하는 단계 및 상기 혼합물로부터 상기 상등액 및 상기 하층액을 분리하는 단계는, 20 ℃ 내지 150 ℃에서 수행되는 함침 피치의 제조 방법.
5. 삭제
6. 제1 항에 있어서,
   상기 상등액 내의 퀴놀린 불용분(QI)의 함량은 상기 상등액의 총 중량 대비 0.0001 wt% 내지 0.5 wt%인 함침 피치의 제조 방법.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 상등액으로부터 상기 콜타르계 방향족 유분을 회수하는 것은, 상기 상등액에 상압 증류 공정 또는 감압 증류 공정을 수행하는 것을 포함하는 함침 피치의 제조 방법.
8. 제1 항에 있어서,
   상기 잔유물에 증류 공정 및 열처리 공정을 수행하는 단계에 의해 상기 함침 피치 내의 콜타르 유분이 제거되는 함침 피치의 제조 방법.
9. 제1 항에 있어서,
   상기 잔유물에 증류 공정 및 열처리 공정을 수행하는 단계는, 비활성 기체 또는 스팀의 주입 공정을 더 포함하는 함침 피치의 제조 방법.
10. 제9 항에 있어서,
    상기 비활성 기체는 질소를 포함하는 함침 피치의 제조 방법.
11. 제1 항에 있어서,
    상기 함침 피치 내의 회분 함량은 상기 함침 피치의 총 중량 대비 0.0001 wt% 내지 0.3 wt%인 함침 피치의 제조 방법.
12. 제1 항에 있어서,
    상기 함침 피치의 수득률은 30 % 내지 90 %인 함침 피치의 제조 방법.
    

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