KR102687312B1 - Method of Preparing Highly Mesoporous Activated Carbon - Google Patents
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Abstract
본 발명은 활성탄소의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 석유화학 및 정제공정의 저가 부산물을 활용한 피치를 원료로 사용하여 메조기공이 발달된 활성탄소를 용이하게 제조함으로써, 원료 수급 단가 측면에서 경제적인 동시에 제조된 활성탄소는 총 기공부피나, 메조기공 분율이 높아 수질정화, 커패시터, CDI용 등의 용도로 유용하게 사용할 수 있는 메조기공이 발달된 활성탄소의 제조방법 및 상기 제조방법에 의해 제조된 활성탄소에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing activated carbon, and more specifically, by easily producing activated carbon with developed mesopores using pitch as a raw material using low-cost by-products of petrochemical and refining processes, thereby reducing the unit cost of raw material supply and demand. Activated carbon produced economically has a high total pore volume and mesopore fraction, and is manufactured by a method for producing activated carbon with developed mesopores that can be usefully used for water purification, capacitors, CDI, etc., and the above production method. It is about activated carbon.
Description
본 발명은 활성탄소의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 석유화학 및 정제공정의 저가 부산물을 활용한 피치를 원료로 하여 메조기공이 발달된 활성탄소를 제조할 수 있는 활성탄소의 제조방법 및 상기 제조방법에 의해 제조된 활성탄소에 관한 것이다.The present invention relates to a method of producing activated carbon, and more specifically, to a method of producing activated carbon capable of producing activated carbon with developed mesopores using pitch as a raw material using low-cost by-products of petrochemical and refining processes, and the production thereof. It relates to activated carbon produced by a method.
활성탄소는 기공 특성에 따라 적용되는 산업 분야가 상이하다. 미세기공이 발달된 활성탄소의 경우 기상용 활성탄소로 많이 사용된다. 기상용 활성탄소는 유해가스 흡착의 용도로 흔히 사용되고 있고, 중기공이 발달된 활성탄소의 경우에는 액상용 활성탄소에 활용되고 있으며, 액상용 활성탄소는 수질 정화, 커패시터 및 CDI(Capacitive Deionization)용 활성탄소 등으로 사용되고 있다. Activated carbon has different industrial applications depending on its pore characteristics. Activated carbon with developed micropores is widely used as gas-phase activated carbon. Gas-phase activated carbon is commonly used for the purpose of adsorbing harmful gases, and activated carbon with developed mesopores is used for liquid-phase activated carbon. Liquid-phase activated carbon is used for water purification, capacitors, and CDI (capacitive deionization). It is used, etc.
이러한 활성탄소는 다양한 전구체로 제조가 가능하고, 전구체 물질은 야자각, 목질, 석탄 등이 있다. 최근 활성탄소의 기존 전구체 물질 (야자각, 목질 및 석탄 등)의 수급이 어려워짐에 따라, 기존 전구체와 다른 물질들이 연구되고 있다. 특히, 바이오매스 기반 활성탄소들이 많이 연구되고 있으나, 많은 불순물 함량 및 기공 제어가 어려운 측면이 있어 산업계에서 사용되기에는 많은 연구가 필요하다.Such activated carbon can be manufactured from various precursors, and precursor materials include palm shells, wood, and coal. Recently, as the supply of existing precursor materials for activated carbon (such as palm shells, wood, and coal) has become difficult, materials different from existing precursors are being researched. In particular, biomass-based activated carbons are being studied a lot, but they have a high impurity content and are difficult to control pores, so much research is needed before they can be used in industry.
피치는 석유계, 석탄계 잔사유를 포함하는 유기화합물의 300 ℃ ~ 500 ℃ 하에서의 중합을 통해 얻어지는 물질로 연질의 재료이며, 열처리 과정 중 결정이 형성되는 탄소재료 중간물질이다. 또한 넓은 범위의 분자량 영역대를 가지는 열가소성재료로 이러한 특성을 활용하여 기공 구조의 제어가 용이하다는 장점이 있다. Pitch is a soft material obtained through polymerization of organic compounds containing petroleum and coal residues at 300 ℃ to 500 ℃. It is a carbon material intermediate in which crystals are formed during the heat treatment process. In addition, it is a thermoplastic material with a wide molecular weight range and has the advantage of making it easy to control the pore structure by utilizing these characteristics.
하지만 종래의 기술로 활성탄소를 제조할 시, 미세기공이 발달된 활성탄소만이 제조가 가능하다. 이는 피치의 특성상 높은 비율의 탄소를 함유하고 있기 때문에, 활성화 온도에서 활성화와 동시에 탄소의 결정성이 발달된다. 따라서, 중기공이 발달된 활성탄소 제조에 한계가 있었다. However, when manufacturing activated carbon using conventional technology, only activated carbon with developed micropores can be manufactured. Because pitch contains a high proportion of carbon due to its nature, crystallinity of carbon develops upon activation at the activation temperature. Therefore, there were limitations in producing activated carbon with developed mesopores.
본 발명의 주된 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 피치를 원료로 하여 메조기공이 발달된 활성탄소를 간단한 방법으로 용이하게 제조할 수 있는 메조기공이 발달된 활성탄소의 제조방법 및 상기 제조방법에 의해 제조된 메조기공이 발달된 활성탄소를 제공하는데 있다.The main purpose of the present invention is to solve the above-mentioned problems, a method for producing activated carbon with developed mesopores that can easily produce activated carbon with developed mesopores using pitch as a raw material, and the manufacturing method. The purpose is to provide activated carbon with developed mesopores manufactured by .
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 구현예는 (a) 피치를 산화성 가스 분위기에서 열처리하는 단계; 및 (b) 상기 열처리된 피치를 산화성 가스 분위기에서 활성화제를 이용하여 활성화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 메조기공이 발달된 활성탄소의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, one embodiment of the present invention includes the steps of (a) heat treating pitch in an oxidizing gas atmosphere; and (b) activating the heat-treated pitch using an activator in an oxidizing gas atmosphere.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (a) 단계는 열처리는 200 ℃ ~ 400 ℃에서 5 분 ~ 30 시간 동안 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, step (a) may be characterized in that heat treatment is performed at 200°C to 400°C for 5 minutes to 30 hours.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (a) 단계의 산화성 가스는 공기, O2, NOx, SOx, CO, CO2 및 H2O로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the oxidizing gas in step (a) may be one or more selected from the group consisting of air, O2, NOx, SOx, CO, CO2, and H2O.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 활성화제는 KOH, NaOH, ZnCl2 및 H3PO4로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 할 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, the activator may be one or more selected from the group consisting of KOH, NaOH, ZnCl 2 and H 3 PO 4 .
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (b) 단계에서의 피치와 활성화제의 중량비는 1 : 0.5 ~ 4인 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the weight ratio of pitch and activator in step (b) may be 1:0.5 to 4.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (b) 단계는 활성화는 산화성 가스 분위기에서 600 ℃ ~ 900 ℃에서 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, step (b) may be characterized in that the activation is performed at 600°C to 900°C in an oxidizing gas atmosphere.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (b) 단계의 산화성 가스는 공기, O2, NOx, SOx, CO, CO2 및 H2O로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the oxidizing gas in step (b) may be one or more selected from the group consisting of air, O 2 , NOx, SOx, CO, CO 2 and H 2 O. .
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 피치는 석유계 피치, 석탄계 피치 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되고, 연화점이 70 ℃ ~ 350 ℃인 것을 특징으로 할 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, the pitch may be selected from the group consisting of petroleum-based pitch, coal-based pitch, and mixtures thereof, and may be characterized as having a softening point of 70°C to 350°C.
본 발명의 다른 구현예는, 상기의 제조방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 메조기공이 발달된 활성탄소을 제공한다.Another embodiment of the present invention provides activated carbon with developed mesopores, which is produced by the above production method.
본 발명의 바람직한 다른 구현예에서, 상기 활성탄소는 전체 기공부피가 0.60 cm3/g 이상이고, 비표면적이 2000 m2/g 이하이며, 기공크기가 2 nm 미만인 미세기공부피가 0.45 cm3/g 이하이고, 기공크기가 2 nm 미만인 미세기공 분율이 80.0 % 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.In another preferred embodiment of the present invention, the activated carbon has a total pore volume of 0.60 cm 3 /g or more, a specific surface area of 2000 m 2 /g or less, and a micropore volume of 0.45 cm 3 /g with a pore size of less than 2 nm. g or less, and the fraction of micropores with a pore size of less than 2 nm may be less than 80.0%.
본 발명에 따른 활성탄소의 제조방법은 석유화학 및 정제공정의 저가 부산물을 활용한 피치를 원료로 사용하여 메조기공이 발달된 활성탄소를 용이하게 제조함으로써, 원료 수급 단가 측면에서 경제적인 동시에 제조된 활성탄소는 총 기공부피나, 메조기공 분율이 높아 수질정화, 커패시터, CDI(Capacitive Deionization)용 등의 용도로 유용하게 사용될 수 있다. The method for producing activated carbon according to the present invention is to easily produce activated carbon with developed mesopores by using pitch as a raw material using low-cost by-products from petrochemical and refining processes, thereby producing active carbon that is economical in terms of raw material supply and demand costs. Carbon has a high total pore volume and mesopore fraction, so it can be usefully used for water purification, capacitors, and CDI (Capacitive Deionization).
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 활성탄소의 제조방법의 개략적인 순서도이다.
도 2는 실시예 1 내지 3과 비교예 1 및 2에서 제조된 활성탄소의 질소 흡탈착 등온선 측정 결과 그래프이다.
도 3은 실시예 1 내지 3과 비교예 1 및 2에서 제조된 활성탄소의 공극 크기 분포(pore size distribution) 측정 결과 그래프이다.1 is a schematic flowchart of a method for producing activated carbon according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a graph of the nitrogen adsorption and desorption isotherm measurement results of activated carbon prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2.
Figure 3 is a graph of the pore size distribution measurement results of activated carbon prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법 은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used in this specification have the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art to which the present invention pertains. In general, the nomenclature used herein is well known and commonly used in the art.
본 명세서에 기재된 "구비한다", "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 수치, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재함을 지칭하는 것이고, 언급되지 않은 다른 특징, 수치, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재하거나 부가될 수 있는 가능성을 배제하지 않는다.Terms such as “comprises,” “comprises,” or “has” used in the specification refer to the presence of features, values, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification. It does not exclude the possibility that other features, values, steps, operations, components, parts, or combinations thereof that are not described may exist or be added.
본 명세서에 기재된 기공크기는 IUPAC(nternational Union of Pure and Applied Chemistry)의 기공직경기준에 의해 2 nm 미만은 미세기공(micropore), 2 nm ~ 50 nm은 중기공(mesopore), 50 nm 초과는 대기공(macropore)을 의미한다.The pore size described in this specification is based on the pore diameter standards of the International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC): less than 2 nm is a micropore, 2 nm to 50 nm is a mesopore, and more than 50 nm is an atmospheric pore. It means macropore.
본 발명은 (a) 피치를 산화성 가스 분위기에서 열처리하는 단계; 및 (b) 상기 열처리된 피치를 산화성 가스 분위기에서 활성화제를 이용하여 활성화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 메조기공이 발달된 활성탄소의 제조방법 및 상기 제조방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 메조기공이 발달된 활성탄소에 관한 것이다.The present invention includes the steps of (a) heat treating pitch in an oxidizing gas atmosphere; and (b) activating the heat-treated pitch using an activator in an oxidizing gas atmosphere. A method for producing activated carbon with developed mesopores, and a meso-porous material produced by the method. It is about activated carbon with developed pores.
일반적으로 석유계 및/또는 석탄계 피치를 이용한 활성탄소 제조에 있어 활성화에 사용되는 가스는 불활성 분위기를 유지시키기 위해 질소, 아르곤 등의 불활성 가스를 사용한다. 하지만 이러한 과정 중에 피치는 열에 의해 탈수소화가 진행되면서 보다 결정질 활성탄소를 형성시키고, 이로 인해 기공 직경이 2 nm 미만인 미세기공이 대부분을 차지하게 된다. Generally, in the production of activated carbon using petroleum-based and/or coal-based pitch, the gas used for activation is an inert gas such as nitrogen or argon to maintain an inert atmosphere. However, during this process, pitch is dehydrogenated by heat, forming more crystalline activated carbon, which results in most of the micropores having a pore diameter of less than 2 nm.
이에 본 발명에서는 피치를 이용한 활성탄소 제조에 있어 활성화제를 이용한 활성화 이전에 산화성 가스 분위기에서 열처리를 수행함과 동시에 활성화시에 산화성 가스 분위기에서 활성화시킴으로써, 내부에 많은 벤젠고리들이 강한 공유결합으로 연결되어 적층된 구조를 이루는 피치의 표면에 다양한 산소 기능기(oxygen fuctional group)를 도입시켜 활성화 중의 가교 결합을 방지하고, 결정질화되는 것을 막아 제조되는 활성탄소의 중기공(메조기공) 비율을 증가시킬 수 있다.Accordingly, in the present invention, in the production of activated carbon using pitch, heat treatment is performed in an oxidizing gas atmosphere before activation using an activator, and at the same time, activation is performed in an oxidizing gas atmosphere, so that many benzene rings inside are connected by strong covalent bonds. By introducing various oxygen functional groups to the surface of the pitch forming the laminated structure, cross-linking during activation is prevented and crystallization can be prevented, thereby increasing the mesopore (mesopore) ratio of the activated carbon produced. .
이하 본 발명에 따른 활성탄소의 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 활성탄소의 제조방법의 개략적인 공정도이다.Hereinafter, preferred embodiments of the method for producing activated carbon according to the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. 1 is a schematic process diagram of a method for producing activated carbon according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시상태에 따른 메조기공이 발달된 활성탄소의 제조방법은 먼저 원료물질인 피치를 산화성 가스 분위기에서 열처리한다[(a) 단계]. Referring to Figure 1, in the method for producing activated carbon with developed mesopores according to an embodiment of the present invention, pitch, which is a raw material, is first heat-treated in an oxidizing gas atmosphere [step (a)].
상기 피치(pitch)는 석유계, 석탄계에서 나오는 부산물로서, 석유계 및 석탄계 잔사유를 포함하는 유기화합물을 300 ℃ ~ 500 ℃에서 중합하여 쉽게 저렴하게 얻을 수 있으므로 제조비용을 절감할 수 있으며, 탄소함유량이 높고 휘발성이 적어 활성탄소의 원료물질로 바람직하게 사용될 수 있다. 더욱이 상기 피치는 산화공정을 통해 종래 활성탄 제조 기술보다 더 높은 활성화 수율 및 기공 특성 제어가 가능하다.The pitch is a by-product from petroleum and coal-based oils, and can be easily and inexpensively obtained by polymerizing organic compounds containing petroleum-based and coal-based residues at 300°C to 500°C, thereby reducing manufacturing costs and reducing carbon It has a high content and low volatility, so it can be preferably used as a raw material for activated carbon. Moreover, the pitch enables higher activation yield and pore property control than conventional activated carbon manufacturing technology through the oxidation process.
본 발명에서는 상기 석유계 피치 및 석탄계 피치의 종류에 대해서 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술분야에서 사용되는 모든 석유계 피치 및 석탄계 피치를 이용할 수 있다. 다만 바람직하게는 열산화 측면에서 70 ℃ ~ 350 ℃의 연화점을 갖는 피치를 이용할 수 있다. 상기 연화점이 70 ℃ 미만인 피치의 경우 산소관능기 도입 과정에서 피치가 연화되어 수율이 저하되는 문제점이 발생될 수 있고, 연화점이 350 ℃를 초과하는 피치의 경우에는 관능기 도입이 현저히 줄어들어 중기공 비율이 증가된 활성탄소를 제조하기 어려운 문제점이 발생될 수 있다. In the present invention, there is no particular limitation on the types of petroleum-based pitch and coal-based pitch, and all petroleum-based pitch and coal-based pitch used in the technical field can be used. However, preferably, pitch having a softening point of 70°C to 350°C may be used in terms of thermal oxidation. In the case of pitch with a softening point of less than 70 ℃, the pitch may be softened during the process of introducing oxygen functional groups, which may cause a problem of lower yield. In the case of pitch with a softening point of more than 350 ℃, the introduction of functional groups is significantly reduced, leading to an increase in the mesoporous ratio. Problems may arise where it is difficult to manufacture activated carbon.
상기 피치는 활성화제를 이용한 활성화 단계 전에 산화성 가스 분위기에서 열처리를 수행하여 피치 표면에 다양한 산소 기능기를 형성시켜 활성화 단계에서 쉽게 활성화가 이루어짐과 동시에 결정화되는 것을 방지하여 활성탄소의 중기공 비율을 증가시킬 수 있다.The pitch is heat treated in an oxidizing gas atmosphere before the activation step using an activator to form various oxygen functional groups on the pitch surface, making it easy to activate during the activation step and preventing crystallization, thereby increasing the mesoporous ratio of activated carbon. there is.
상기 열처리는 200 ℃ ~ 400 ℃에서 5 분 ~ 30 시간 동안 산화성 가스 분위기에서 수행할 수 있으며, 바람직하게는 200 ℃ ~ 300 ℃에서 1 시간 ~ 24 시간 동안 수행할 수 있다.The heat treatment can be performed in an oxidizing gas atmosphere at 200°C to 400°C for 5 minutes to 30 hours, and is preferably performed at 200°C to 300°C for 1 hour to 24 hours.
만일, 상기 열처리 온도가 200 ℃미만일 경우, 충분한 산화가 이루어지지 않아 활성화 단계에서 피치 표면에 2 nm ~ 50 nm 범위의 중기공이 형성되지 않으며, 400 ℃를 초과하는 경우에는 과도한 산화 반응으로 인해 피치가 소결(burn off)되어 수율이 현저하게 감소하는 문제점이 발생될 수 있다. If the heat treatment temperature is less than 200 ℃, sufficient oxidation does not occur and mesopores in the range of 2 nm to 50 nm are not formed on the pitch surface during the activation stage. If the heat treatment temperature exceeds 400 ℃, the pitch is damaged due to excessive oxidation reaction. Sintering (burn off) may cause a problem in which yield is significantly reduced.
또한, 상기 열처리 시간이 5 분 미만일 경우에는 충분한 산화가 이루어지지 않아 활성화 단계에서 거대 기공을 형성할 수 없고, 30 시간을 초과할 경우에는 과도한 산화반응으로 인해 피치가 소결되어 수율이 현저하게 감소하는 문제점이 발생될 수 있다.In addition, if the heat treatment time is less than 5 minutes, sufficient oxidation does not occur and macropores cannot be formed in the activation step, and if it exceeds 30 hours, the pitch is sintered due to excessive oxidation reaction, resulting in a significant decrease in yield. Problems may arise.
상기 열처리시 분위기는 산화성 가스가 공급되는 분위기에서 수행되고, 상기 산화성 가스로는 공기, O2, NOx, SOx, CO, CO2 및 H2O(수증기)등 산화성 기체로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 공기일 수 있다. The heat treatment is performed in an atmosphere in which an oxidizing gas is supplied, and the oxidizing gas is one selected from the group consisting of oxidizing gases such as air, O 2 , NOx, SOx, CO, CO 2 and H 2 O (water vapor). It may be more than that, and preferably it may be air.
상기 열처리시 산화성 가스 공급량은, 1L 반응기 기준으로 50 cc/min ~ 500 cc/min일 수 있다. 상기 산화성 가스 공급량이 50 cc/min 미만일 경우, 피치와 반응할 수 있는 산화성 가스 함량이 불충분하여 오랜 시간 반응을 시켜야 하므로 공정비용의 상승을 초례하며, 500 cc/min를 초과할 경우에는 수율의 문제점이 발생될 수 있다. The amount of oxidizing gas supplied during the heat treatment may be 50 cc/min to 500 cc/min based on a 1L reactor. If the oxidizing gas supply amount is less than 50 cc/min, the oxidizing gas content capable of reacting with pitch is insufficient and the reaction must take a long time, resulting in an increase in process cost, and if it exceeds 500 cc/min, there is a problem with yield. This may occur.
이후, 상기 산화성 가스 분위기에서 열처리된 피치는 산화성 가스 분위기에서 활성화제를 이용하여 활성화시킨다.[(b) 단계].Thereafter, the pitch heat-treated in the oxidizing gas atmosphere is activated using an activator in the oxidizing gas atmosphere [step (b)].
상기 활성화 단계는 산화된 피치에 세공을 형성함과 동시에 활성화시켜 활성탄소를 제조하는 단계로, 일반적으로 알려진 이산화탄소, 스팀 등의 활성화제를 이용한 물리적 활성화법이나, 수산화칼륨 등의 활성화제를 이용한 화학적 활성화법에 의해 수행될 수 있으나, 바람직하게는 수산화칼륨 등의 활성화제를 이용한 화학적 활성화법에 의해 수행될 수 있다.The activation step is a step of producing activated carbon by forming pores in the oxidized pitch and activating it at the same time. It is a generally known physical activation method using an activator such as carbon dioxide or steam, or a chemical activation method using an activator such as potassium hydroxide. It may be performed by an activation method, but is preferably performed by a chemical activation method using an activator such as potassium hydroxide.
상기 수산화칼륨 등의 활성화제를 이용한 화학적 활성화법은 물리적 활성화법에 비해 제조공정이 간편하고 더 높은 비표면적을 형성할 수 있는 동시에 수율을 향상시키고, 산화성 가스 분위기에서 열처리된 피치를 중기공이 발달된 활성탄소로 제조할 수 있다. The chemical activation method using an activator such as potassium hydroxide has a simpler manufacturing process than the physical activation method and can form a higher specific surface area while improving yield, and the pitch heat-treated in an oxidizing gas atmosphere has developed mesopores. It can be manufactured from activated carbon.
이때, 상기 사용될 수 있는 활성화제로는 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 인산(H3PO4), 염화아연(ZnCl2) 등일 수 있으며, 바람직하게는 수산화칼륨(KOH)일 수 있다.At this time, the activator that can be used may be potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH), phosphoric acid (H 3 PO 4 ), zinc chloride (ZnCl 2 ), etc., and preferably potassium hydroxide (KOH). .
상기 산화성 가스 분위기에서 열처리된 피치에 대한 활성화제의 함량비는 중량비를 기준으로 1 : 0.5 ~ 4(산화성 가스 분위기에서 열처리된 피치 : 활성화제), 바람직하게는 1 : 1 ~ 2로 혼합될 수 있다. 상기 활성화제의 비율이 증가할수록 더 높은 비표면적 특성을 부여할 수 있으나, 상기 수치 범위를 초과하여 혼합될 경우에는 피치 기공 구조의 붕괴를 야기할 수 있다. 또한 상기 활성화제의 비율이 상기 수치 범위 미만이면 기공 형성이 어려워 중기공이 발달된 활성탄소를 제조할 수 없는 문제점이 발생될 수 있다. The content ratio of the activator to the pitch heat-treated in an oxidizing gas atmosphere can be mixed at a weight ratio of 1:0.5 to 4 (pitch heat-treated in an oxidizing gas atmosphere: activator), preferably 1:1 to 2. there is. As the ratio of the activator increases, higher specific surface area characteristics can be imparted, but if mixed beyond the above numerical range, it may cause collapse of the pitch pore structure. In addition, if the ratio of the activator is less than the above numerical range, pore formation may be difficult, which may result in the inability to manufacture activated carbon with developed medium pores.
한편 상기 활성화 단계는 산화성 가스 분위기에서 열처리된 피치에 활성화제를 공급하여 산화성 가스 분위기에서 600 ℃ ~ 900 ℃에서 30 분 ~ 3 시간 동안 수행할 수 있으나, 열처리된 피치의 함량, 산화도 등을 고려하여 활성화 온도 및 시간 범위를 제어할 수 있다. 만일 상기 범위의 조건으로 활성화 단계를 수행할 경우, 과도한 에너지 소모 없이 수율 및 중기공이 발달된 활성탄소를 용이하게 제조할 수 있다. Meanwhile, the activation step can be performed by supplying an activator to pitch heat-treated in an oxidizing gas atmosphere at 600 ° C to 900 ° C for 30 minutes to 3 hours, but considering the content of heat-treated pitch, degree of oxidation, etc. This allows you to control the activation temperature and time range. If the activation step is performed under the conditions within the above range, activated carbon with high yield and developed mesoporosity can be easily produced without excessive energy consumption.
이때, 상기 활성화 분위기는 산화성 가스가 공급되는 분위기에서 수행되고, 상기 산화성 가스로는 공기, O2, NOx, SOx, CO, CO2 및 H2O(수증기) 등 산화성 기체로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 공기일 수 있다. At this time, the activating atmosphere is performed in an atmosphere in which an oxidizing gas is supplied, and the oxidizing gas is one selected from the group consisting of oxidizing gases such as air, O 2 , NOx, SOx, CO, CO 2 and H 2 O (water vapor). It may be more than one species, and preferably air.
상기 산화성 가스 공급량은 1L 반응기 기준으로 50 cc/min ~ 500 cc/min일 수 있다. 상기 산화성 가스 공급량이 50 cc/min 미만일 경우, 피치에 도입된 산소함량 부족으로 인해 메조기공형성에 불충분하고, 500 cc/min를 초과할 경우에는 피치의 burn off로 인해 수율의 문제점이 발생될 수 있다.The oxidizing gas supply amount may be 50 cc/min to 500 cc/min based on a 1L reactor. If the oxidizing gas supply amount is less than 50 cc/min, it is insufficient to form mesopores due to insufficient oxygen content introduced into the pitch, and if it exceeds 500 cc/min, yield problems may occur due to burn-off of the pitch. there is.
본 발명에서는 활성화시 산화성 가스 분위기에서 수행함으로써, 결정성 성장을 방해를 유도하여 중기공 형성에 유리한 구조를 가지는 탄소질을 형성시킬 수 있다. In the present invention, by performing the activation in an oxidizing gas atmosphere, crystalline growth can be inhibited and carbonaceous materials having a structure favorable for mesopore formation can be formed.
이후 제조된 활성탄소는 수세 및 여과 단계를 반복 수행 후에 수분 제거를 위한 건조를 수행할 수 있다. 상기 수세 및 여과는 제조된 활성탄소의 pH가 7이 될 때까지 반복 수행할 수 있고, 건조는 건조기에서 80 ℃ 내지 200 ℃의 온도로 10 시간 내지 15 시간 동안 수행할 수 있다. 이때, 건조 온도가 80 ℃ 미만이면 건조가 충분하게 이루어지지 않을 수 있고, 200 ℃를 초과하면 활성탄소 표면 화학특성의 변화로 인하여 기공구조에 영향을 미칠 수가 있다. The activated carbon produced thereafter can be dried to remove moisture after repeated washing and filtration steps. The washing and filtration can be repeated until the pH of the produced activated carbon reaches 7, and drying can be performed in a dryer at a temperature of 80°C to 200°C for 10 to 15 hours. At this time, if the drying temperature is less than 80°C, drying may not be sufficient, and if it exceeds 200°C, the pore structure may be affected due to changes in the surface chemical properties of the activated carbon.
이와 같은 제조방법에 의해 제조된 활성탄소는 전체 기공부피가 0.60 m3/g 이상, 바람직하게는 0.63 cm3/g ~ 0.90 cm3/g 이고, 비표면적이 2000 m2/g 이하, 바람직하게는 1000 m2/g~ 1200 m2/g이며, 기공크기가 2 nm 미만인 미세기공부피가 0.45 cm3/g 이하, 0.10 cm3/g ~ 0.45 cm3/g이고, 기공크기가 2 nm 미만인 미세기공 분율이 80.0 % 이하, 바람직하게는 10.0 % ~ 70.0 %로, 메조기공이 발달되어 수질정화, 커패시터, CDI(Capacitive Deionization)용 등의 용도로 유용하게 사용될 수 있다. Activated carbon produced by this manufacturing method has a total pore volume of 0.60 m 3 /g or more, preferably 0.63 cm 3 /g to 0.90 cm 3 /g, and a specific surface area of 2000 m 2 /g or less. is 1000 m 2 /g to 1200 m 2 /g, the volume of micropores with a pore size of less than 2 nm is 0.45 cm 3 /g or less, 0.10 cm 3 /g to 0.45 cm 3 /g, and the volume of micropores with a pore size of less than 2 nm is 0.45 cm 3 /g or less. With a micropore fraction of 80.0% or less, preferably 10.0% to 70.0%, mesopores are developed and can be usefully used for water purification, capacitors, CDI (Capacitive Deionization), etc.
이하, 본 발명의 보다 구체적인 설명을 위하여 실시예를 들어 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, for a more detailed description of the present invention, examples will be given. However, the following examples are only preferred examples of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.
<실시예 1 내지 3><Examples 1 to 3>
연화점이 250 ℃인 석유계 피치 20 g을 준비한 뒤, 하기 표 1에 기재된 조건으로 열처리 단계 및 활성화 단계를 순차적으로 수행하여 활성탄소를 수득하고, 수득된 활성탄소의 pH가 7이 될 때까지 물로 수세 및 여과를 반복한 다음, 100 ℃에서 건조시켜 활성탄소를 제조하였다. 이때, 상기 활성화 단계에서는 활성화제로 KOH를 사용하였으며, 피치 및 KOH의 함량비는 중량비 기준으로 1 : 1로 사용하였다.After preparing 20 g of petroleum pitch with a softening point of 250°C, the heat treatment step and the activation step were sequentially performed under the conditions shown in Table 1 below to obtain activated carbon, and the obtained activated carbon was washed with water until the pH reached 7. and filtration were repeated, and then dried at 100° C. to prepare activated carbon. At this time, in the activation step, KOH was used as an activator, and the content ratio of pitch and KOH was 1:1 based on weight ratio.
<비교예 1 및 2><Comparative Examples 1 and 2>
실시예 1과 동일한 방법으로 활성탄소를 제조하되, 하기 표 1에 기재된 조건으로 활성탄소를 제조하였다.Activated carbon was prepared in the same manner as in Example 1, but under the conditions shown in Table 1 below.
종류gas
type
주입량
(cc/min)gas
Injection amount
(cc/min)
온도
(℃)heat treatment
temperature
(℃)
시간
(h)heat treatment
hour
(h)
종류gas
type
주입량
(cc/min)gas
Injection amount
(cc/min)
온도
(℃)heat treatment
temperature
(℃)
시간
(h)heat treatment
hour
(h)
<실험예 1 : 활성탄소의 물성 측정><Experimental Example 1: Measurement of physical properties of activated carbon>
실시예 1 내지 3과 비교예 1 및 2에서 제조된 활성탄소의 비표면적, 총 기공부피, 미세기공 부피 및 미세기공 분율을 하기의 방법으로 측정하고 그 결과를 표 2와 도 2 및 3에 나타내었다.The specific surface area, total pore volume, micropore volume, and micropore fraction of the activated carbon prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 were measured by the following methods, and the results are shown in Table 2 and Figures 2 and 3. .
(1) 비표면적(BET Surface area)(1) Specific surface area (BET Surface area)
실시예 1 내지 3과 비교예 1 및 2에서 제조된 활성탄소의 비표면적, 총 기공부피, 미세기공 부피 및 미세기공 분율을 하기의 방법으로 측정하고 그 결과를 표 2와 도 2 및 3에 나타내었다.The specific surface area, total pore volume, micropore volume, and micropore fraction of the activated carbon prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 were measured by the following methods, and the results are shown in Table 2 and Figures 2 and 3. .
(1) 비표면적(BET Surface area)(1) Specific surface area (BET Surface area)
실시예 1 내지 3과 비교예 1 및 2에서 제조된 활성탄소 각각에 대하여 ASAP2020 장비를 활용하였으며, 액체질소 온도(77 K)에서 상대압력의 변화에 따라 흡착되는 질소 가스의 양을 측정하였다. 이를 통해 구해진 질소흡착등온선으로 Brunauer-Emmett-Teller식 이용하여 비표면적을 측정하였다.ASAP2020 equipment was used for each of the activated carbons prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, and the amount of nitrogen gas adsorbed according to the change in relative pressure at the liquid nitrogen temperature (77 K) was measured. The specific surface area was measured using the Brunauer-Emmett-Teller equation using the nitrogen adsorption isotherm obtained through this.
(2) 미세기공 부피(2) Micropore volume
실시예 1 내지 3과 비교예 1 및 2에서 제조된 활성탄소 각각에 대하여 질소 흡착등온선을 활용하여, t-polt법으로 미세기공 부피를 계산하였다.For each of the activated carbons prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, the micropore volume was calculated using the t-polt method using the nitrogen adsorption isotherm.
(3) 총 기공 부피 및 미세기공 분율(3) total pore volume and micropore fraction
실시예 1 내지 3과 비교예 1 및 2에서 제조된 활성탄소 각각에 대하여 하기 식에 따라 미세기공 분율을 측정하였고, 총 기공율(%)은 수은 흡착법을 활용하여 계산하였다.For each of the activated carbons prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, the micropore fraction was measured according to the formula below, and the total porosity (%) was calculated using the mercury adsorption method.
미세기공 분율(%) = (마이크로기공 부피/총 기공 부피) × 100Micropore fraction (%) = (micropore volume/total pore volume) × 100
(m2/g)specific surface area
( m2 /g)
(cm3/g)Total pore volume
( cm3 /g)
(cm3/g)Micropore volume
( cm3 /g)
(%)Micropore fraction
(%)
도 2에 나타난 바와 같이, 비교예 1 및 2에서 제조된 활성탄소에 비해 실시예 1 내지 3에서 제조된 활성탄소의 경우 아주 큰 이력현상을 볼 수 있어 중기공이 형성된 활성탄소임을 확인할 수 있었고, 도 3에 나타난 바와 같이 실시예 1 내지 3에서 제조된 활성탄소의 경우 비교예 1 및 2에서 제조된 활성탄소에 비해 4 nm 내지 7 nm 크기의 기공이 증가됨을 확인할 수 있었다.As shown in Figure 2, compared to the activated carbon prepared in Comparative Examples 1 and 2, a very large hysteresis phenomenon was observed in the activated carbon prepared in Examples 1 to 3, confirming that it was an activated carbon with mesopores formed, and Figure 3 As shown, in the case of the activated carbon prepared in Examples 1 to 3, it was confirmed that pores with a size of 4 nm to 7 nm were increased compared to the activated carbon prepared in Comparative Examples 1 and 2.
또한, 표 2에 나타난 바와 같이 실시예 1 내지 3에서 제조된 활성탄소의 경우 84.9 % 이상의 미세기공 분율이 62.4 % 이하로 낮아짐을 알 수 있었다.In addition, as shown in Table 2, in the case of the activated carbon prepared in Examples 1 to 3, the micropore fraction was found to be lowered from 84.9% or more to 62.4% or less.
따라서, 본 발명에 따른 활성탄소의 제조방법은 석유화학 및 정제공정의 저가 부산물을 활용한 피치를 원료로 사용하여 메조기공이 발달된 활성탄소를 용이하게 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다. Therefore, it was confirmed that the method for producing activated carbon according to the present invention can easily produce activated carbon with developed mesopores by using pitch, which is an inexpensive by-product of petrochemical and refining processes, as a raw material.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 이래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.As described above, although the present invention has been described with limited examples and drawings, the present invention is not limited thereto, and the technical idea of the present invention will be understood by those skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalency of the patent claims described in .
Claims (10)
(b) 상기 열처리된 피치를 산화성 가스 분위기에서 활성화제를 이용하여 활성화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 메조기공이 발달된 활성탄소의 제조방법.
(a) heat treating the pitch in an oxidizing gas atmosphere; and
(b) activating the heat-treated pitch using an activator in an oxidizing gas atmosphere. A method for producing activated carbon with developed mesopores, comprising:
상기 (a) 단계는 열처리는 200 ℃ ~ 400 ℃에서 5 분 ~ 30 시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 메조 기공이 발달된 활성탄소의 제조방법.
According to paragraph 1,
Step (a) is a method of producing activated carbon with developed mesopores, characterized in that the heat treatment is performed at 200 ℃ ~ 400 ℃ for 5 minutes ~ 30 hours.
상기 (a) 단계의 산화성 가스는 공기, O2, NOx, SOx, CO, CO2 및 H2O로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 메조 기공이 발달된 활성탄소의 제조방법.
According to paragraph 1,
The oxidizing gas in step (a) is a method for producing activated carbon with developed mesopores, characterized in that at least one selected from the group consisting of air, O 2 , NO x , SO x , CO, CO 2 and H 2 O .
상기 활성화제는 KOH, NaOH, ZnCl2 및 H3PO4로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 메조 기공이 발달된 활성탄소의 제조방법.
According to paragraph 1,
The activator is a method of producing activated carbon with developed mesopores, characterized in that at least one selected from the group consisting of KOH, NaOH, ZnCl 2 and H 3 PO 4 .
상기 (b) 단계에서의 피치와 활성화제의 중량비는 1 : 0.5 ~ 4인 것을 특징으로 하는 메조 기공이 발달된 활성탄소의 제조방법.
According to paragraph 1,
A method for producing activated carbon with developed mesopores, characterized in that the weight ratio of pitch and activator in step (b) is 1:0.5 to 4.
상기 (b) 단계는 활성화는 산화성 가스 분위기에서 600 ℃ ~ 900 ℃에서 수행하는 것을 특징으로 하는 메조 기공이 발달된 활성탄소의 제조방법.
According to paragraph 1,
Step (b) is a method of producing activated carbon with developed mesopores, characterized in that the activation is performed at 600 ° C to 900 ° C in an oxidizing gas atmosphere.
상기 (b) 단계의 산화성 가스는 공기, O2, NOx, SOx, CO, CO2 및 H2O로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 메조 기공이 발달된 활성탄소의 제조방법.
According to paragraph 1,
The oxidizing gas in step (b) is a method for producing activated carbon with developed mesopores, characterized in that at least one selected from the group consisting of air, O 2 , NO x , SO x , CO, CO 2 and H 2 O .
상기 피치는 석유계 피치, 석탄계 피치 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되고, 연화점이 70 ℃ ~ 350 ℃인 것을 특징으로 하는 메조 기공이 발달된 활성탄소의 제조방법.
According to paragraph 1,
The pitch is selected from the group consisting of petroleum-based pitch, coal-based pitch and mixtures thereof, and has a softening point of 70 ° C to 350 ° C. A method of producing activated carbon with developed mesopores.
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