KR102506938B1 - 활성탄소의 제조방법 - Google Patents

활성탄소의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102506938B1
KR102506938B1 KR1020180013425A KR20180013425A KR102506938B1 KR 102506938 B1 KR102506938 B1 KR 102506938B1 KR 1020180013425 A KR1020180013425 A KR 1020180013425A KR 20180013425 A KR20180013425 A KR 20180013425A KR 102506938 B1 KR102506938 B1 KR 102506938B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
activated carbon
temperature
activation step
heat treatment
activation
Prior art date
Application number
KR1020180013425A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190093960A (ko
Inventor
최성원
문두남
김병주
이혜민
Original Assignee
현대자동차 주식회사
기아 주식회사
재단법인 한국탄소산업진흥원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차 주식회사, 기아 주식회사, 재단법인 한국탄소산업진흥원 filed Critical 현대자동차 주식회사
Priority to KR1020180013425A priority Critical patent/KR102506938B1/ko
Priority to US15/988,471 priority patent/US10815127B2/en
Priority to CN201810520897.9A priority patent/CN110127691A/zh
Priority to DE102018210105.1A priority patent/DE102018210105A1/de
Publication of KR20190093960A publication Critical patent/KR20190093960A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102506938B1 publication Critical patent/KR102506938B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/30—Active carbon
    • C01B32/306—Active carbon with molecular sieve properties
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/30—Active carbon
    • C01B32/312—Preparation
    • C01B32/318—Preparation characterised by the starting materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/02—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material
    • B01J20/20—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material comprising free carbon; comprising carbon obtained by carbonising processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/30—Processes for preparing, regenerating, or reactivating
    • B01J20/3078—Thermal treatment, e.g. calcining or pyrolizing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/30—Active carbon
    • C01B32/312—Preparation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/30—Active carbon
    • C01B32/312—Preparation
    • C01B32/318—Preparation characterised by the starting materials
    • C01B32/324—Preparation characterised by the starting materials from waste materials, e.g. tyres or spent sulfite pulp liquor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/30—Active carbon
    • C01B32/312—Preparation
    • C01B32/318—Preparation characterised by the starting materials
    • C01B32/33—Preparation characterised by the starting materials from distillation residues of coal or petroleum; from petroleum acid sludge
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/30—Active carbon
    • C01B32/312—Preparation
    • C01B32/336—Preparation characterised by gaseous activating agents

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예에 의한 활성탄소의 제조 방법은 활성탄소 전구체를 준비하는 단계, 활성탄소 전구체를 불활성 가스 분위기에서 열처리하여 탄화하는 탄화 단계, 탄화물질을 산화 가스 분위기에서 열처리하는 제1 활성화 단계, 및 산화 가스 분위기에서 열처리된 탄화물질을 이산화탄소 분위기에서 열처리하는 제2 활성화 단계를 포함한다.

Description

활성탄소의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING ACTIVATED CARBON}
활성탄소의 제조방법에 관한 것이다.
최근 대기환경 악화에 따른 차량 실내 쾌적성 요구가 증대되고 있으며, 미국, 유럽, 한국 등 국제적으로 환경 규제가 점진적으로 강화되고 있는 실정이다.
이에 대비하기 위해, 고사양 캐니스터와 우수한 유증기 흡탈착 특성을 갖는 활성탄소의 개발이 요구되고 있다.
한편, 활성탄소의 제조 방법으로서, 크게 화학적 활성화법과 물리적 활성화 법으로 구분된다.
유증기 포집기에 사용되는 활성탄소는 높은 흡착능을 위하여 화학적 활성화 법을 통하여 제조되는 것이 일반적이다. 화학적 활성화법은 물리적 활성화법 보다 높은 기공특성이 큰 장점 이지만, 높은 공정 비용과 세척 공정이 포함된 복잡한 공정이 필요하다는 점이 단점이 있다.
본 발명의 일 실시예는, 물리적 활성화법을 이용하면서도, 우수한 기공특성 및 유증기 흡탈착능을 보유한 활성탄소의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 활성탄소의 제조 방법은 활성탄소 전구체를 준비하는 단계, 활성탄소 전구체를 불활성 가스 분위기에서 열처리하여 탄화하는 탄화 단계, 탄화물질을 산화 가스 분위기에서 열처리하는 제1 활성화 단계, 및 산화 가스 분위기에서 열처리된 탄화물질을 이산화탄소 분위기에서 열처리하는 제2 활성화 단계를 포함한다.
활성탄소 전구체는 석탄, 녹말, 코코넛피, 귤피, 오렌지피, 커피찌꺼기, 대나무줄기, 우드칩, 석유계 피치, 석탄계 피치, 폴리비닐리덴계 고분자, 페놀계 고분자, 우레탄계 고분자, 및 폴리아크릴로니트릴 고분자 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
탄화 단계의 온도는 600℃ 내지 1000℃이고, 탄화 시간은 1 내지 2 시간일 수 있다.
탄화 단계에서의 승온 속도는 0.5℃/min 내지 10℃/min일 수 있다.
탄화 단계 이후, 불활성 가스 분위기에서 승온하는 단계를 더 포함할 수 있다.
제1 활성화 단계는 600 내지 1100℃의 온도에서 10 내지 60분 동안 열처리할 수 있다.
산화 가스는 스팀 및 산소 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
제2 활성화 단계는 900 내지 1200℃의 온도에서 10 내지 60분 동안 열처리할 수 있다.
제2 활성화 단계는 제1 활성화 단계 보다 50 내지 300℃ 높은 온도에서 열처리할 수 있다.
제2 활성화 단계 이후, 불활성 가스 분위기에서 냉각하는 단계를 더 포함할 수 있다.
2 활성화 단계 이후, 환원 가스 분위기에서 열처리하는 환원 단계를 더 포함할 수 있다.
환원 단계는 200℃ 내지 500℃의 온도에서 10 내지 50분 동안 열처리할 수 있다.
환원 가스는 수소, 암모니아 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
환원 가스는 1 내지 20 부피% 포함할 수 있다.
환원 단계 이후, 활성탄소는 산소 함량이 3.5 중량% 이하가 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 물리적 활성화법을 이용하면서도, 우수한 기공특성 및 유증기 흡탈착능을 보유한 활성탄소를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 활성탄소 제조 방법의 개략적인 순서도이다.
도 2는 활성탄소의 N2/77K 등온흡착 분석 결과이다.
도 3은 활성탄소의 기공 직경별 부피의 분석 결과이다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 또는 상에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에서는 물리적 활성화법을 이용하면서도, 우수한 기공특성 및 유증기 흡탈착능을 보유한 활성탄소의 제조 방법을 제공한다.
도 1에서는 본 발명의 일 실시예에 의한 활성탄소 제조 방법의 개략적인 순서도를 나타낸다. 도 1의 활성탄소 제조 방법의 순서도는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 활성탄소 제조 방법을 다양하게 변형할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 활성탄소의 제조 방법은 활성탄소 전구체를 준비하는 단계(S10), 활성탄소 전구체를 불활성 가스 분위기에서 열처리하여 탄화하는 탄화 단계(S20), 탄화물질을 산화 가스 분위기에서 열처리하는 제1 활성화 단계(S30), 및 산화 가스 분위기에서 열처리된 탄화물질을 이산화탄소 분위기에서 열처리하는 제2 활성화 단계(S40)를 포함한다.
이처럼 본 발명의 일 실시예에서는 물리적 활성화법을 이용하면서도, 우수한 기공특성 및 유증기 흡탈착능을 보유한 활성탄소를 제조할 수 있다.
이하, 제조 방법 각 단계에 대해 자세히 설명한다.
먼저, 단계(S10)에서는 활성탄소 전구체를 준비한다. 구체적으로 활성탄소 전구체는 석탄, 녹말, 코코넛피, 귤피, 오렌지피, 커피찌꺼기, 대나무줄기, 우드칩, 석유계 피치, 석탄계 피치, 폴리비닐리덴계 고분자, 페놀계 고분자, 우레탄계 고분자, 및 폴리아크릴로니트릴 고분자 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정하는 것은 아니고, 활성탄소 전구체로 이용 가능한 다양한 물질을 사용할 수 있다. 특히, 저렴한 식물질 기반의 물질을 전구체로 사용함으로써, 저가 활성탄소를 제조할 수 있다.
또한 활성탄소 전구체는 폴리비닐리덴계 고분자를 사용할 수 있다. 구체적으로 폴리(비닐리덴 플루오라이드)[Poly(vinylidene fluoride)], 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌)[Poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)], 폴리(비닐리덴 클로라이드-코-아크릴로나이트릴)[Poly(vinylidene chloride-co-acrylonitrile)], 폴리(비닐리덴 클로라이드-코-아크릴로나이트릴-코-메틸 메타크리레이트[Poly(vinylidene chloride-co-acrylonitrile-co-methyl methacrylate)], 폴리(비닐리덴 클로라이드-코-비닐- 클로라이드)[Poly(vinylidene chloride-co-vinyl chloride)] 및 폴리(비닐리덴클로라이드-코-메틸 아크릴레이트)[Poly(vinylidene chloride-co-methyl acrylate)]를 포함하는 군에서 선택된 1종 이상이 될 수 있다.
이후, 활성탄소 전구체를 분쇄하는 균일화 단계를 더 포함할 수 있다.
균일화 단계는 볼밀(ball mill)을 이용하여 수행할 수 있으며, 상기 볼밀에 사용되는 볼(ball)의 재질은 서스(SUS), 또는 지르코니아(ZrO2)를 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
상기와 같이 볼밀처리를 통한 균일화 후, 불순물 제거를 위해 산을 통해 전구체를 세척하는 단계를 더 포함할 수 있다. 여기서, 산은 염산, 질산, 또는 황산을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
또한, 추가적으로, 상기 균일화 및 산세척 이후에, 균일화된 활성탄소 전구체를 100㎛ 내지 250㎛ 크기의 체로 걸러 전구체를 선별하는 선별 단계;를 더 포함할 수 있다. 이를 통해, 입자크기가 균일하고, 비표면적이 높고, 불순물이 제거된 활성탄소의 제조가 가능하다. 활성탄소의 입자크기의 균일도는 실제 제품 적용을 위한 활성탄소의 가공시 중요한 문제가 될 수 있다. 예를 들어, 정수기 필터, 차량용 에어컨 필터, 또는 수퍼커패시터 전극 등에 활성탄소를 사용할 때, 바인더와 배합하여 펠렛(pellet)이나 알갱이(granular) 형상으로 변형하여 사용한다. 이 때 입자크기가 균일하지 않으면, 성능이 저하되는 문제가 발생될 수 있다. 위와 같이 전구체를 100㎛ 내지 250㎛ 크기의 체로 걸러 전구체를 선별하는 경우, 적합한 균일도를 얻어낼 수 있다.
다음으로, 단계(S20)에서는 활성탄소 전구체를 불활성 가스 분위기에서 열처리하여 탄화한다. 불활성 가스로는 일반적으로 알려진 불활성 가스를 제한 없이 사용할 수 있다. 구체적으로 질소(N2), 또는 아르곤(Ar)을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
탄화 단계의 열처리 온도는 600℃ 내지 1000℃이고, 탄화 시간은 1 내지 2 시간일 수 있다. 온도가 너무 낮거나, 탄화 시간이 너무 짧으면 탄화가 완전히 이루어지지 않을 수 있다. 600℃ 내지 1000℃의 온도 및 1 내지 2시간 동안 충분하게 탄화가 이루어지기 때문에 더 높은 온도로 더 장시간 열처리할 필요는 없다. 온도가 너무 높은 경우, 불필요한 비용이 발생하고, 탄화수율이 감소하는 문제가 발생할 수 있다. 더욱 구체적으로 탄화 단계의 열처리 온도는 650℃ 내지 800℃일 수 있다.
탄화 단계에서의 승온 속도는 0.5℃/min 내지 10℃/min일 수 있다. 탄화 단계에서의 승온 속도가 너무 낮으면, 탄화가 적절히 이루어 지지 않을 수 있다. 0.5℃/min 내지 10℃/min의 승온 속도에서 충분하게 탄화가 이루어지기 때문에 더 빠른 속도로 승온할 필요는 없다.
단계(S20) 이후, 불활성 가스 분위기에서 승온하는 단계를 더 포함할 수 있다. 불활성 가스에 대해서는 전술한 것과 동일하므로, 상세한 설명은 생략한다.
다음으로, 단계(S30)에서는 탄화물질을 산화 가스 분위기에서 열처리한다. 본 발명의 일 실시예에서 탄화물질을 산화 가스 분위기에서 1차 활성화 한 이후, 이산화탄소 분위기에서 2차 활성화한다. 이처럼 1차 활성화 단계 및 2차 활성화 단계를 분리하여, 또한 순차로 실시함으로써, 우수한 기공특성을 발현시킬 수 있다. 1차 활성화와 2차 활성화를 분리하여 실시한다는 의미는, 1차 활성화와 2차 활성화가 동시에 수행되는 것이 아니고, 1차 활성화가 종료된 이후, 2차 활성화를 수행한다는 것을 의미한다. 구체적으로, 1차 활성화는 이산화탄소를 포함하지 않는 산화 가스 분위기에서 수행되고, 반대로 2차 활성화는 산화 가스를 포함하지 않는 이산화탄소 가스 분위기에서 수행된다.
이처럼, 1차 활성화 단계 및 2차 활성화 단계에서의 분위기 가스 종류가 상이하기 때문에, 다른 형태의 기공 구조가 형성된다. 구체적으로 1차 활성화 단계에서는 비교적 큰 직경의 기공이 형성되며, 탄화물질의 외부로부터 기공이 발달하게 된다. 반면, 2차 활성화 단계에서는 1차 활성화 단계에 비해 작은 지경의 기공이 형성되며, 탄화물질의 내부에서 기공이 발달하게 된다.
산화 가스로는 탄화물질에 산소 작용기를 부여할 수 있는 가스이면, 제한 없이 사용할 수 있다. 구체적으로 스팀(H2O) 및 산소(O2) 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 이산화탄소는 탄화물질에 산소 작용기를 부여할 수 있는 가스가 아니어서, 산화 가스에 포함되지 아니한다.
제1 활성화 단계는 600 내지 1100℃의 온도에서 10 내지 60분 동안 열처리할 수 있다. 온도가 너무 낮거나 시간이 너무 짧으면, 적절한 기공이 형성되지 않을 수 있다. 온도가 너무 높거나 시간이 너무 길면, 흡착에 유리한 기공직경보다 큰 기공직경이 형성될 수 있으며 더불어 빠른 산화 반응으로 인한 공정제어가 난해한 문제가 발생할 수 있다. 더욱 구체적으로 제1 활성화 단계는 700 내지 1000℃의 온도에서 열처리할 수 있다.
산화 가스는 0.1 내지 1 ml/min의 속도로 공급할 수 있다.
다음으로, 단계(S40)에서는 산화 가스 분위기에서 열처리된 탄화물질을 이산화탄소 분위기에서 열처리한다. 전술하였듯이, 본 발명의 일 실시예에서 1차 활성화 단계 및 2차 활성화 단계가 분리되어, 순차적으로 실시되므로, 우수한 기공특성을 발현시킬 수 있다.
제2 활성화 단계는 900 내지 1200℃의 온도에서 10 내지 60분 동안 열처리할 수 있다. 온도가 너무 낮거나 시간이 너무 짧으면, 적절한 기공이 형성되지 않을 수 있다. 온도가 너무 높거나 시간이 너무 길면, 흡착에 유리한 기공직경 보다 큰 기공직경이 형성될 수 있으며 더불어 빠른 산화 반응으로 인한 공정제어가 난해한 문제가 발생할 수 있다. 더욱 구체적으로 제2 활성화 단계는 950 내지 1100℃의 온도에서 열처리할 수 있다.
제2 활성화 단계는 제1 활성화 단계 보다 50 내지 300℃ 높은 온도에서 열처리할 수 있다. 제1 활성화 단계 및 제2 활성화 단계를 동시에 처리할 경우, 동일한 온도에서 열처리할 수 밖에 없다. 본 발명의 일 실시예에서는 제1 활성화 단계 및 제2 활성화 단계를 분리하여 실시함으로써, 각각의 단계에 요구되는 최적의 온도에서 열처리를 수행할 수 있으며, 기공 특성이 더욱 우수하게 발현될 수 있다.
이산화탄소는 100 내지 300ml/min의 속도로 공급될 수 있다.
제2 활성화 단계 이후, 활성탄소는 비표면적이 1500m2/g 이상이 될 수 있다. 이처럼 본 발명의 일 실시예에 의한 활성탄소의 제조 방법은 기공 특성이 우수한 활성탄소를 제조할 수 있다. 더욱 구체적으로 활성탄소는 비표면적이 2000m2/g 이상이 될 수 있다. 더욱 구체적으로 활성탄소는 비표면적이 2500m2/g 이상이 될 수 있다.
단계(S40) 이후, 불활성 가스 분위기에서 냉각하는 단계를 더 포함할 수 있다.
단계(S40) 이후, 환원 가스 분위기에서 열처리하는 환원 단계를 더 포함할 수 있다. 환원 단계를 통해 활성탄소의 유증기 흡탈착능을 더욱 향상시킬 수 있다.
환원 가스는 단계(S30)에서 형성된 산소 관능기를 탈착시킬 수 있는 가스라면 제한 없이 사용할 수 있다. 구체적으로 수소 및 암모니아 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
환원 가스는 1 내지 20 부피% 포함할 수 있다. 나머지는 불활성 가스를 포함할 수 있다. 환원 가스가 너무 적으면, 목적하는 환원이 적절히 이루어지지 않을 수 있다. 환원 가스가 너무 많으면, 표면처리 시간을 단축할 수 있으나 공정비용이 높아지는 문제가 발생할 수 있다.
환원 단계는 200 내지 500℃의 온도에서 10 내지 50분 동안 열처리할 수 있다. 환원 단계의 온도가 너무 낮거나 시간이 너무 짧으면, 환원이 적절히 이루어지지 않을 수 있다. 환원 단계의 온도가 너무 높거나 시간이 너무 길면, 활성탄소의 기공특성이 감소하는 문제가 발생할 수 있다.
환원 단계 이후, 불활성 분위기에서 냉각하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 환원 단계 이후, 활성탄소는 산소 함량이 3.5 중량% 이하일 수 있다. 산소 함량을 이처럼 낮춤으로써, 유증기 흡탈착능을 더욱 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실험예 1
실시예 1
목질계 활성탄소 전구체인 우드칩을 사용하였다. 우드칩 10g을 고온로에 넣은 후에 질소 가스가 투입되어 충전된 질소 분위기로 한 다음 고온로의 온도를 700℃까지 10℃/min의 승온 속도로 상승시켜 120분간 탄화시켜 4 g의 탄화물질을 얻었다.
이어서, 고온로의 온도를 900℃로 유지하면서 고온로에 수증기를 0.5ml/min의 속도로 공급하여 내부가 수증기로 충전된 수증기 분위기로 전환한 후에 탄화물질을 900℃에서 10분간 활성화시켰다. 계속하여 고온로에 질소를 투입하여 질소 분위기로 한 후에 온도를 1000℃로 승온하였다. 고온로에 이산화탄소를 200ml/min의 속도로 공급하여 내부가 이산화탄소로 충전된 이산화탄소 분위기로 전환한 후에 다공성 탄소를 1000℃에서 20분간 활성화시켜 고성능 활성탄소를 얻었다. 이후, 고온로에 질소를 공급하여 질소 분위기로 한 후에 상온으로 냉각시켰다.
실시예 2
2차 활성화 단계에서 열처리 온도를 900℃로 한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 활성탄소를 제조 하였다.
비교예 1
1차 활성화 단계에서 열처리 시간을 30분으로 하고, 2차 활성화 단계를 수행하지 않은 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 활성탄소를 제조 하였다.
비교예 2
1차 활성화 단계를 수행하지 않고, 2차 활성화 단계에서 열처리 시간을 30분으로 한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 활성탄소를 제조 하였다.
비교예 3
1차 활성화 단계와 2차 활성화 단계를 동시에 수행하였다. 즉, 수증기를 0.5ml/min의 속도로 공급하고, 동시에 이산화탄소를 200ml/min의 속도로 공급하였다. 열처리 온도는 900℃이며, 열처리 시간은 30분으로 하였다. 나머지 과정은 실시예 1과 동일하게 하였다.
비교예 4
1차 활성화 단계와 2차 활성화 단계를 동시에 수행하였다. 즉, 수증기를 0.5ml/min의 속도로 공급하고, 동시에 이산화탄소를 200ml/min의 속도로 공급하였다. 열처리 온도는 1000℃이며, 열처리 시간은 30분으로 하였다. 나머지 과정은 실시예 1과 동일하게 하였다.
비교예 5
2차 활성화 단계를 먼저 수행한 후, 1차 활성화 단계를 수행하였다. 즉, 이산화탄소를 200ml/min의 속도로 공급하여 1000℃에서 10분간 열처리하고, 수증기를 0.5ml/min의 속도로 공급하여 1000℃에서 20분간 열처리 하였다. 나머지 과정은 실시예 1과 동일하게 하였다.
비교예 6
2차 활성화 단계를 먼저 수행한 후, 1차 활성화 단계를 수행하였다. 즉, 이산화탄소를 200ml/min의 속도로 공급하여 1000℃에서 10분간 열처리하고, 수증기를 0.5ml/min의 속도로 공급하여 900℃에서 20분간 열처리 하였다. 나머지 과정은 실시예 1과 동일하게 하였다.
실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 6에서 제조한 활성탄소의 수율, 비표면적, 기공 전체 부피, Meso 기공(직경 2 nm 내지 50 nm) 부피, Micro 기공 (직경 2nm 미만) 부피를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
수율: 사용한 전구체 대비 활성탄소질량의 변화를 백분위로 측정하였다.
비표면적 : 573K에서 잔류 압력을 10-3torr 이하로 유지한 상태로 6시간 동안 탈기시킨 후에 등온흡착장치(BELSORP-max, BEL JAPAN, Japan)를 이용하여 77K에서 상대압력 (P/P0)에 따른 질소(N2) 기체의 흡착량을 측정하여 비표면적을 산출하였다.
수율(%) SBET
(m2/g)		 VTotal
(cm3/g)		 VMeso
(cm3/g)		 VMicro
(cm3/g)
실시예 1 15 2790 1.51 0.77 0.74
실시예 2 56 1700 0.73 0.09 0.64
비교예 1 15 2380 1.15 0.35 0.80
비교예 2 37 1810 0.76 0.09 0.67
비교예 3 17 2300 1.10 0.31 0.79
비교예 4 0 - - - -
비교예 5 0 - - - -
비교예 6 16 2330 1.10 0.31 0.79
표 1에서 나타나듯이, 1차 활성화 단계 및 2차 활성화 단계를 분리하여, 순차적으로 실시한 실시예 1이 가장 기공 특성이 우수함을 확인할 수 있다.
실시예 2는 실시예 1에 비해, 기공 특성이 열악함을 확인할 수 있다. 이는 2차 활성화 단계에서 온도가 낮았기 때문인 것으로 분석된다. 다만, 실시예 1에 비해서는 수율이 다소 높았다.
한편, 1000℃에서 수증기를 이용하여 열처리한 경우, 수율이 0으로 관찰되었다. 1000℃에서 수증기를 이용하여 활성화할 경우, 수증기의 산화력이 매우 강하여 이러한 결과가 발생한 것으로 분석된다.
실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 6에서 제조한 활성탄소의 N2/77K 등온흡착 분석 결과를 도 2에 나타내었다. 또한, 실시예 1 및 비교예 1 내지 3 및 6에서 제조한 활성탄소의 기공 직경별 부피의 분석 결과를 도 3에 나타내었다.
도 2 및 도 3에서 나타나듯이, 실시예 1의 기공 특성이 가장 우수함을 확인할 수 있다.
실험예 2
목질계 활성탄소 전구체로 야자각 또는 우드칩을 사용하였다. 활성탄소 전구체 10g을 고온로에 넣은 후에 질소 가스가 투입되어 충전된 질소 분위기로 한 다음 고온로의 온도를 700℃까지 10℃/min의 승온 속도로 상승시켜 120분간 탄화시켜 4 g의 탄화물질을 얻었다.
이어서, 고온로의 온도를 900℃로 유지하면서 고온로에 수증기를 0.5ml/min의 속도로 공급하여 내부가 수증기로 충전된 수증기 분위기로 전환한 후에 탄화물질을 900℃에서 활성화시켰다. 계속하여 고온로에 질소를 투입하여 질소 분위기로 한 후에 온도를 1000℃로 승온하였다. 고온로에 이산화탄소를 200ml/min의 속도로 공급하여 내부가 이산화탄소로 충전된 이산화탄소 분위기로 전환한 후에 다공성 탄소를 1000℃에서 활성화시켜 고성능 활성탄소를 얻었다. 고온로에 질소를 공급하여 질소 분위기로 한 후에 400℃까지 냉각을 한 후, 고온로에 수소를 공급하여 내부가 수소로 충전된 수소 분위기로 전환한 후에 탄소의 산소 관능기를 환원 하였다. 계속하여 고온로에 질소를 공급하여 질소 분위기로 한 후에 다공성 탄소를 상온으로 냉각시켜 최종 제품인 고성능 활성탄소 약 2.8 g을 제조하였다.
하기 표 2와 같이, 제1 활성화 단계 및 제2 활성화 단계의 열처리 시간을 변형하여 제조한 활성탄소의 각 단계별, 수율, 비표면적, BWC(부탄 흡탈착 능력), 산소 함량을 측정하여 하기 표 2 및 표 3에 나타내었다.
BWC : 각 시료들은 25℃의 항온조에서 ASTM D5228 규격에 의하여 BWC를 산출하였다.
산소 함량: 각 시료들은 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)를 이용하여 산출하였다.
전구체 1차 활성화 단계 2차 활성화 단계
시간(분) 비표면적
(m2/g)		 BWC
(G/dL)		 시간(분) 수율
(%)		 비표면적
(m2/g)		 BWC
(G/dL)		 산소 함량
(중량%)
실시예 3 야자각 20 1380 3.7 20 70 1630 6.5 15.1
실시예 4 야자각 20 1380 3.7 40 61 2060 11 16.9
실시예 5 야자각 20 1380 3.7 60 15 1520 5.8 17.8
실시예 6 야자각 40 1850 8.5 20 65 1920 8.7 14.9
실시예 7 야자각 40 1850 8.5 40 42 2230 13.5 16.5
실시예 8 야자각 40 1850 8.5 60 8 1750 8.8 18
실시예 9 우드칩 20 1620 8.5 20 68 1830 9.4 15.5
실시예 10 우드칩 20 1620 8.5 40 57 2280 13.5 16.3
실시예 11 우드칩 20 1620 8.5 60 17 2200 11.2 17.5
실시예 12 우드칩 40 2020 9.8 20 63 2180 11.3 15.1
실시예 13 우드칩 40 2020 9.8 40 55 2450 14.1 16.8
실시예 14 우드칩 40 2020 9.8 60 10 2340 13.7 17.8
환원 단계
산소 함량
(중량%)		 BWC
(g/dL)
실시예 3 3.1 7.2
실시예 4 3 12
실시예 5 3.3 6.6
실시예 6 2.8 9.8
실시예 7 3.1 14.8
실시예 8 3.2 9.6
실시예 9 3.1 10.1
실시예 10 3 14.5
실시예 11 3.3 12.1
실시예 12 3.4 12.2
실시예 13 3.2 15.3
실시예 14 3.1 15.5
표 2 및 표 3에서 나타나듯이, 우드칩을 전구체로 사용한 경우, 야자각에 비해 우수한 기공 특성을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 1차 활성화 및 2차 활성화를 40분 동안 수행한 실시예 7과 실시예 13이 가장 우수한 기공 특성을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. 또한 BWC 면에서도 가장 우수함을 확인할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (15)

  1. 활성탄소 전구체를 준비하는 단계,
    활성탄소 전구체를 불활성 가스 분위기에서 열처리하여 탄화하는 탄화 단계,
    탄화물질을 산화 가스 분위기에서 열처리하는 제1 활성화 단계,
    산화 가스 분위기에서 열처리된 탄화물질을 이산화탄소 분위기에서 열처리하는 제2 활성화 단계 및
    환원 가스 분위기에서 열처리하는 환원 단계를 포함하고,
    상기 제1 활성화 단계는 600 내지 1100℃의 온도에서 10 내지 60분 동안 열처리하고,
    상기 제2 활성화 단계는 900 내지 1200℃의 온도에서 10 내지 60분 동안 열처리하고,
    상기 제2 활성화 단계는 상기 제1 활성화 단계 보다 50 내지 300℃ 높은 온도에서 열처리하고,
    상기 환원 단계는 200 내지 500℃의 온도에서 10 내지 50분 동안 열처리하는 활성탄소의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    활성탄소 전구체는 석탄, 녹말, 코코넛피, 귤피, 오렌지피, 커피찌꺼기, 대나무줄기, 우드칩, 석유계 피치, 석탄계 피치, 폴리비닐리덴계 고분자, 페놀계 고분자, 우레탄계 고분자, 및 폴리아크릴로니트릴 고분자 중 1종 이상을 포함하는 활성탄소의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄화 단계의 온도는 600 내지 1000℃이고, 탄화 시간은 1 내지 2 시간인 활성탄소의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄화 단계에서의 승온 속도는 0.5 내지 10℃/min인 활성탄소의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탄화 단계 이후, 불활성 가스 분위기에서 승온하는 단계를 더 포함하는 활성탄소의 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 산화 가스는 스팀 및 산소 중 1종 이상을 포함하는 활성탄소의 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 활성화 단계 이후, 불활성 가스 분위기에서 냉각하는 단계를 더 포함하는 활성탄소의 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서,
    상기 환원 가스는 수소 및 암모니아 중 1종 이상을 포함하는 활성탄소의 제조 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 환원 가스는 1 내지 20 부피% 포함하는 활성탄소의 제조 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 환원 단계 이후, 활성탄소는 산소 함량이 3.5 중량% 이하인 활성탄소의 제조 방법.
KR1020180013425A 2018-02-02 2018-02-02 활성탄소의 제조방법 KR102506938B1 (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180013425A KR102506938B1 (ko) 2018-02-02 2018-02-02 활성탄소의 제조방법
US15/988,471 US10815127B2 (en) 2018-02-02 2018-05-24 Method for manufacturing activated carbon
CN201810520897.9A CN110127691A (zh) 2018-02-02 2018-05-28 用于制造活性炭的方法
DE102018210105.1A DE102018210105A1 (de) 2018-02-02 2018-06-21 Verfahren zur Herstellung von Aktivkohle

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180013425A KR102506938B1 (ko) 2018-02-02 2018-02-02 활성탄소의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190093960A KR20190093960A (ko) 2019-08-12
KR102506938B1 true KR102506938B1 (ko) 2023-03-07

Family

ID=67308760

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180013425A KR102506938B1 (ko) 2018-02-02 2018-02-02 활성탄소의 제조방법

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10815127B2 (ko)
KR (1) KR102506938B1 (ko)
CN (1) CN110127691A (ko)
DE (1) DE102018210105A1 (ko)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110642249B (zh) * 2019-10-21 2021-05-25 浙江农林大学 一种碳基电极材料的制备方法及其应用
KR102522123B1 (ko) * 2020-12-14 2023-04-17 (주)포스코퓨처엠 메조 기공 부피와 비표면적이 큰 활성탄소의 제조방법 및 이를 통해 제조된 활성탄소
KR102544657B1 (ko) * 2020-12-15 2023-06-20 한국화학연구원 물리적 활성화를 이용한 활성탄의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 활성탄
CN112573519A (zh) * 2021-01-05 2021-03-30 中国神华煤制油化工有限公司 活性炭及其制备方法
KR102579778B1 (ko) * 2021-02-26 2023-09-19 재단법인 한국탄소산업진흥원 캐니스터용 피치계 활성탄소 및 이의 제조방법
KR102580274B1 (ko) * 2021-03-25 2023-09-19 한국에너지기술연구원 석유계 피치 또는 석탄계 피치의 표면산화 방법에 의한 고비표면적 고메조기공 활성탄소 제조 방법 및 이에 의해 제조된 활성탄소
KR102473841B1 (ko) * 2021-08-30 2022-12-02 이기영 활성탄의 제조방법
CN113929079B (zh) * 2021-11-19 2023-08-22 中国科学院生态环境研究中心 生物质炭电极的制备方法及其应用
KR102614590B1 (ko) * 2021-12-20 2023-12-14 재단법인 한국탄소산업진흥원 화학안정화된 바이오매스 기반 고비표면적 활성탄소 및 이의 제조방법
WO2024026297A1 (en) * 2022-07-25 2024-02-01 Calgon Carbon Corporation Surface-modified activated carbon for reduced backwashing frequency during particulate filtration

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002068723A (ja) 2000-08-26 2002-03-08 Kenji Yamane 活性木炭製造方法及び活性木炭製造装置
KR101683006B1 (ko) * 2015-09-23 2016-12-06 재단법인 한국탄소융합기술원 수증기로 활성화시킨 폴리올레핀 기반의 활성탄 제조방법

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6037048B2 (ja) * 1980-09-30 1985-08-23 本田技研工業株式会社 活性炭の製造方法
KR100291886B1 (ko) * 1998-10-29 2001-11-14 김충섭 탄화공정이도입된활성탄소섬유의제조방법
CN1114729C (zh) * 2000-07-21 2003-07-16 中国科学院山西煤炭化学研究所 一种泡沫块状活性炭纤维的制备方法
CN1202004C (zh) * 2002-10-23 2005-05-18 煤炭科学研究总院北京煤化学研究所 一种制备活性炭的方法
JP4693030B2 (ja) * 2004-11-08 2011-06-01 オルガノ株式会社 活性炭の製造方法
DE102007050971B4 (de) * 2007-03-14 2014-12-31 BLüCHER GMBH Verfahren zur Herstellung von Hochleistungsadsorbentien auf der Basis von Aktivkohle mit hoher Meso- und Makroporosität, Hochleistungsadsorbentien und deren Verwendung
US8541338B2 (en) * 2008-11-04 2013-09-24 Corning Incorporated Highly porous activated carbon with controlled oxygen content
CN101597056B (zh) * 2009-07-07 2011-04-06 中国科学院山西煤炭化学研究所 活性炭表面的钝化方法
CN101708842A (zh) * 2009-11-13 2010-05-19 南开大学 一种利用聚氯乙烯废弃物制备高比表面积活性炭的方法
CN103183345A (zh) * 2011-12-28 2013-07-03 大连理工大学 一种利用含氯有机高分子废料制备氮掺杂活性炭的方法
KR102023064B1 (ko) 2012-12-20 2019-09-19 재단법인 포항산업과학연구원 목재 성형물을 원료로 한 다공성 조립 활성탄의 제조 방법 및 그로부터 제조된 다공성 조립 활성탄
US20160031713A1 (en) * 2014-08-01 2016-02-04 Washington State University Activated carbon with high percentage mesoporosity, surface area, and total pore volume
CN104499097A (zh) * 2014-12-23 2015-04-08 清华大学 一种利用过氧化氢强化水蒸气活化制备活性炭纤维的方法
KR101896319B1 (ko) * 2016-02-25 2018-10-04 현대자동차 주식회사 활성탄소 및 이의 제조방법
KR101976500B1 (ko) * 2016-07-04 2019-08-28 현대자동차 주식회사 활성탄소의 제조방법
KR20180013425A (ko) 2016-07-29 2018-02-07 주식회사 에어테크미디어 드론을 이용한 재난구조시스템 및 재난구조방법
CN107021482A (zh) * 2017-05-15 2017-08-08 上海理工大学 一种采用二氧化碳活化制备涤纶废料基活性炭的方法
CN107151017A (zh) * 2017-05-16 2017-09-12 浙江工业大学 一种煤质活性炭及其制备方法与应用
CN107572499B (zh) * 2017-10-16 2020-01-17 中国科学院山西煤炭化学研究所 一种制备多功能炭材料的方法和装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002068723A (ja) 2000-08-26 2002-03-08 Kenji Yamane 活性木炭製造方法及び活性木炭製造装置
KR101683006B1 (ko) * 2015-09-23 2016-12-06 재단법인 한국탄소융합기술원 수증기로 활성화시킨 폴리올레핀 기반의 활성탄 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
CN110127691A (zh) 2019-08-16
KR20190093960A (ko) 2019-08-12
US10815127B2 (en) 2020-10-27
US20190241437A1 (en) 2019-08-08
DE102018210105A1 (de) 2019-08-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102506938B1 (ko) 활성탄소의 제조방법
KR101896319B1 (ko) 활성탄소 및 이의 제조방법
KR101976500B1 (ko) 활성탄소의 제조방법
US9156694B2 (en) Porous carbon and method of manufacturing same
US10086357B2 (en) Method for manufacturing activated carbon
KR101608850B1 (ko) 중공형 다공성 탄소입자 및 이의 제조방법
US10512891B2 (en) Method for manufacturing activated carbon
EP1798197A1 (en) Method of separating nitrogen gas and molecular sieve carbon
EP2684843A1 (en) Porous carbon and method for producing same
EP2664375A1 (en) Adsorbent for adsorbing virus and/or bacterium, carbon/polymer complex, and adsorption sheet
US11873235B2 (en) Activated carbon
CN103349973B (zh) 一种制氮碳分子筛的再生方法
DE102011013314A1 (de) Mikroporöses Kohlenstoffmaterial und Verfahren zum Bilden desselben
KR102056435B1 (ko) Butane 흡착능이 개선된 활성탄 및 이의 제조방법
KR20180017856A (ko) 활성탄소의 제조방법
JP2009023889A (ja) 中空活性炭及びその製造方法
KR101561594B1 (ko) 대나무 활성탄 및 그 제조방법
KR102562397B1 (ko) 수열 탄화를 이용한 기공 크기 조절이 용이한 다공성 탄소 및 이의 제조 방법
EP3130561A1 (en) Porous carbon, method for producing same, and adsorption/desorption device using porous carbon
JP6542968B1 (ja) 活性炭、及び該活性炭の製造方法
KR102496791B1 (ko) 활성탄소 및 그의 제조방법
KR20210058742A (ko) 활성탄, 및 그 활성탄의 제조 방법
KR102372794B1 (ko) 후처리 공정이 필요하지 않는 ZnO를 활용한 다공성 활성탄 제조 방법 및 이를 포함하는 슈퍼커패시터 전극
KR20230093802A (ko) 피치의 저온 산화안정화 방법 및 이를 통해 제조된 활성탄소
KR101419474B1 (ko) 세공분포가 조절된 활성탄 및 그 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant