KR19990034663A - 탄소재료의 활성개질 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

탄소재료를 유도가열, 유전가열 또는 마이크로파 가열에 의해 반응실내에서 활성 개질시키기 위해, 활성가스의 존재하에 로터리 킬른형 노(furnace) 내에서 활성화시킨다. 통상 활성가스는 증기이다. 탄소재료는 로터리 킬른의 메인 보디를 약간 경사지게 설치하므로써 로터리 킬른내에 전방 배치된다. 이와 달리, 탄소 재료는 활성가스의 존재하에 고정로에서 활성화 될 수도 있다. 이 경우, 탄소재료는 엔드리스 격자형 콘베이어를 반응실내에서 순환 구동시키므로써 고정노에서 전방으로 이송된다. 또한, 탄소재료는 활성가스의 존재하에 유동층노에서 활성화될 수도 있다. 이 경우, 탄소재료는 유동층 상태에서 반응실내에서 활성화된다.

Description

탄소재료의 활성개질 방법 및 장치

본 발명은 탄소재료를 활성가스의 존재하에 반응실에서 유도가열(induction heating), 유전가열(dielectric heating), 또는 마이크로파 가열하여 활성개질하기 이한 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히 본 발명은 이러한 형태의 방법 및 장치의 개량에 관한 것이다.

종래의 탄소재료 활성화 방법으로는, 수증기, 이산화탄소 또는 이것의 혼합 가스(이하 활성가스라 함)를 일정 온도하에서 피활성물에 반응시켜 활성화하는 방법 및, 탄소재료 또는 사용된 활성탄에 건류(乾溜; dry distillation) 처리를 행하고 그 후 수증기 분무 분위기중에서 통전하여 활성을 부여하는 방법등이 있다. 이 경우, 활성부여방법의 보조 열원으로서 전자기 가열, 고주파 가열을 병용하는 방법등이 있다.

이들 종래의 방법중, 활성가스 활성부여방법은 활성반응이 완만하고, 장치가 대형화하며, 균일한 활성부여를 실시하려면 고온열관리의 숙련기술을 필요로 하고, 수율이 낮으므로 생산성이 나쁘며, 더구나 고온연소 가스에 의한 이산화탄소가스의 배출은, 지구온난화의 사회문제로서 부각되고 있다.

통전 활성부여 방법은, 활성가스를 이용한 활성부여 방법의 문제를 해결한 것이지만, 한쌍의 전극에 의해 탄소재료에 전류를 공급하려면, 탄화전에 건류처리 공정이 필요해지며, 탄소재료에 직류전류를 공급하기 위해, 복잡한 누전에 관한 보안조치가 필요하고, 코스트면에서 과제를 갖고 있다.

또한, 전자가열과 고주파 가열 병용 방법은, 이산화탄소 가스의 배출 및 누전에 관한 보안상의 과제를 갖고 있다.

본 발명은, 상기 종래방법에 의한 과제의 이산화탄소가스 배출에 의한 사회문제를 해결하고, 콤팩트한 장치로 간단하고 용이한 조작성을 가지며, 탄화전의 건류처리공정은 불필요하고, 누전에 관한 보안상의 과제를 해결한 탄소재료의 활성개질방법 및 이에 사용되는 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 탄소재료의 활성 개질 장치로서 로터리 킬른을 사용한 일예의 개략 일부단면의 정면도.

도 2는 본 발명의 탄소재료의 활성 개질 장치로서 고정 노를 사용한 일예의 개략 일부단면의 정면도.

도 3은 본 발명의 탄소재료의 활성 개질 장치로서 유동층 노를 사용한 일예의 개략 일부단면의 정면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 로터리 킬른 2 : 탄소재료/활성탄

3 : 수증기 4 : 유도 코일

5 : 수증기 도입관 6 : 배기관

7 : 반응실 8 : 탄소재료 공급관

9 : 활성탄 배출관 10 : 스크류 콘베이어

11 : 후드 12 : 통형상 돌기부

13 ; 보온재 15 : 고정노

16 : 구동 롤러 지주 17 : 콘베이어 구동 롤러

18 : 격자상 콘베이어 20 : 유동층노

21 : 격자

본 발명은 이러한 배경을 고려하여 이루어진 것이다.

본 발명의 목적은 반응실 내에서의 유도가열, 유전가열 또는 마이크로파 가열에 의하여 탄소재료를 활성개질하기 위한 방법 및 장치로서, 이산화탄소 배출과 관련하여 종래 방법이 갖는 심각한 사회문제를 해결하고, 간단한 구조의 장치가 용이하게 작동될 수 있으며, 탄소재료의 탄화 이전에 건류를 실시하는 단계가 필요없고, 누전에 대한 안전과 관련한 문제가 만족스럽게 해결되는 것을 제공하는 것이다.

본 발명의 제 1특징에 따르면, 반응실 내에서의 유도가열, 유전가열 또는 마이크로파 가열에 의한탄소재료를 활성개질하기 위한 방법 및 장치로서, 탄소재료가 활성가스의 존재하에 로터리 킬른형 노(爐)내에서 활성화되는 방법 및 장치가 제공된다.

이 실시예에서, 활성가스는 수증기가 바람직하다.

탄소재료는 활성화되면 로터리 킬른의 메인 보디의 약간의 경사진 설치로 인하여 로터리 킬른에서 전방으로 이송된다.

또한 본 발명의 제 2특징에 따르면, 반응실 내에서의 유도가열, 유전가열 또는 마이크로파 가열에 의해 탄소재료를 활성개질하기 위한 방법 및 장치로서, 탄소재료가 활성가스의 존재하에 고정로내에서 활성화되는 방법 및 장치가 제공된다.

이 실시예에서도, 활성가스는 수증기가 바람직하다.

마찬가지로, 탄소재료는 활성화되면 반응실내에서 엔드리스 격자형 콘베이어를 순환구동시키므로써 고정로내에서 전방으로 이송된다.

또한 본 발명의 제 3특징에 따르면, 반응실 내에서의 유도가열, 유전가열 또는 마이크로파 가열에 의해 탄소재료를 활성개질하기 위한 방법 및 장치로서, 탄소재료가 활성가스의 존재하에 유동층로내에서 활성화되는 방법 및 장치가 제공된다.

이 실시예에서도, 활성가스는 수증기가 바람직하다.

탄소재료는 활성화되면 반응실내에서 유동화된 상태로 활성화된다.

본 발명에 사용되는 출발재료인 탄소재료의 조성은, C, H, O, N, S가 주된 것으로서, 탄소재료로 합성고분자 물질이 사용되는 경우에는 열가소성의 수지, 고무류, 석탄, 피치, 아스팔트, 페놀, 식물, 펄프 또는 이들의 조합등이 있다. 또한 이들을 예비 탄화물로서 한 것도 좋다.

탄소재료를 확실히 활성화하려면, 건류온도를 600~700℃로 세팅하고, 다음에 활성부여 온도를 750~900℃로 세팅하는 것이 바람직하다. 이때, 예를 들면 탄화물과 수증기의 반응은, 하기의 식으로 표현되고 어느 것도 흡열반응이다.

C + H₂O → CO +H₂-29.4 kcal

C + 2 H₂O → CO₂+2 H₂-19.0 kcal

본 발명에서, 상기 흡열반응은 유도가열, 유전가열 또는 마이크로파 가열의 에너지에 의해 촉진된다.

상기 가열방법중, 유도가열은, 전자기 가열에 의해 비접촉 상태에서, 노의 메인 보디 및, 이 메인 보디와 연관된 부재, 그리고 탄소재료 등의 피활성물에 전류를 흘려, 주울열(Joule heat)에 의해 이들 노의 메인보디와 그 연관 부재 및 탄소재료 등의 피활성물이 가열되는 동시에, 상기 전류에 의해 탄소재료 중의 하전입자(분자)에 진동현상을 발생시키므로써 타물질과의 반응이 촉진된다.

본 발명에 따르면, 비접촉이 전류가 노의 메인보디와 그 연관 부재 및 피활성화물에 대해 효율좋은 주울열을 발생시키고, 동시에 탄소재료 중의 탄소와 수증기와의 수성가스 반응이 촉진되어 목적으로 하는 탄소재료 등의 피활성물의 활성개질이 극히 단시간에 달성될 수 있다.

또한, 유전가열 또는 마이크로파 가열에 있어서는 고주파 전원에 의해 피가열물중에 분극(polarization) 작용을 일으켜, 이로 인하여 가열된다. 이 분극작용에 의해 하전입자(분자)가 진동하고 상기한 유도가열과 마찬가지로 타물질과의 반응이 촉진된다.

유도가열, 유전가열 및, 마이크로파 가열은 주파수 범위가 점차로 넓어진다는 점이 다르지만, 그 탄소재료의 활성개질작용은 마찬가지이므로, 이하에서는 유도가열에 대해서만 설명한다.

[발명의 실시 형태]

이제 본 발명의 세 가지 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 로터리 킬른형 노를 사용하여 탄소재료를 활성개질하기 위한 장치를 이하에서 설명한다.

금속제의 로터리 킬른(1)의 전후단부에 고착된 한쌍의 통형상 돌기부(12)에 접촉하여 회전구동 롤러(22)가 배치되고 로터리 킬른(1)은 X방향으로 회전가능하게 되며, 로터리 킬른(1)의 회전을 방해하지 않는 약간의 간극을 두어 전후단에 한쌍의 후드(11)가 설치되고, 뒤쪽의 후드(11)에는 후방으로부터 호퍼(14)의 선단과 상부에는 배기관(6)이 연결되며, 앞쪽의 후드(11)에는 수증기 도입관(5)과 하부에는 스크류 콘베이어(10)를 내장한 활성탄 배출관(9)이 연결되어 있다. 로터리 킬른(1)의 내부는 반응실(7)로 되어 있다.

로터리 킬른(1)의 외주에는 로터리 킬른(1)의 회전을 방해하지 않는 약간의 간극을 두어 전후로 걸치는 보온재(13)와, 보온재(13)의 외주에 유도 코일(4)이 각각 주위에 권선부착되어 있다.

로터리 킬른(1)은 내면이 뒤쪽보다 앞쪽(A→B로 도시됨)으로 하향 구배로 되고, 내부에 복수의 퍼올림 블레이드(도시생략)이 구비되어 있다.

로터리 킬른(1)을 사용한 활성개질 장치에 의한 탄소재료의 활성개질 방법에 대해 설명한다.

로터리 킬른(1) 외주의 유도 코일(4)에 교류의 전류를 통하면 유도 코일(4) 주변에 자계가 발행하고, 로터리 킬른(1)에는 전자 유도에 의해 비접촉 상태에서 전류에 의한 주울열이 발생하여 발열한다. 발열한 로터리 킬른(1)의 방사열에 의해 반응실(7)의 분위기 온도도 상승한다.

호퍼(14)로부터 반응실(7)로 이송되어 로터리 킬른(1)에 접하고 있는 탄소재료(2)도 비접촉상태에서 전류에 의한 주울열과 반응실(7)의 분위기 온도에 의해 가열발열한다.

수증기 도입관(5)에 의해 반응실(7)에 분무되는 수증기(3)는, 반응실(7)내의 분위기 온도를 받아들여 가열된다. 이 온도는 750~950℃사이로 설정된다. 보온재(13)는, 이 온도보존과 유도 코일(4)의 손상방지에 유효하다.

이러한 상태에서, 탄소재료(2)와 이동중에 변화한 중도의 활성탄(이하에서는 탄소재료/활성탄(2)이라 칭한다)은, 로터리 킬른(1)을 A→B로 교반이송되는 동안 통상 40 내지 90분의 시간내에 반응실(7)에 분무되는 수증기(3)와 반응하고, 목적으로 하는 활성탄으로 개질된후, 하부의 스크류 콘베이어(10)에 의해 활성탄 배출관(9)에 의해 배출된다. 한편 반응실(7)의 수증기(3)는 배기관(6)으로부터 배출된다.

일예로서, 탄소재료(2)로서, 야자셸탄(carbonized palm shell) 또는 석탄탄화물의 파쇄상의 것을 사용하여, 표면적 900 내지 1100㎡/g의 개질활성탄이 얻어진다.

야자셸탄 또는 석탄탄화물 대신에 야자 셸 또는 석탄을 그대로 반응실(7)에 투입해도 좋고, 이 경우는 야자 셸 또는 석탄이 탄화되는 시간, 예를 들어 약 40분 후에 활성반응으로 이행되므로, 개질 활성탄이 얻어지기까지의 시간은 80 내지 90분이 소요된다.

유도 코일(4)의 배치, 로터리 킬른(1)의 운전조건, 탄소재료(2)의 종류 및 공급량 등은 적절히 선택한다.

이제 본 발명의 다른 실시예에 따라 도 2에 도시된 고정로를 사용하여 탄소재료를 활성개질하기 위한 장치를 설명한다.

고정 노(15)의 뒤쪽에 탄소재료 공급관(8)과 배기관(6)이 연결되며, 앞쪽에 활성탄 배출관(9)과 수증기 도입관(5)이 연결되고, 외주에 밀착하여 전후로 걸리는 보온재(13)와, 보온재(13)의 외주에 밀착하여 유도 코일(4)이 각각 주위에 권선 부착되어 있다. 고정노(15)의 내부는 반응실(7)로 되어 있다.

고정노(15)의 전후 바닥부에 수직설치된 구동 롤러 지주(16)에 의해 외부로부터 구동력으로 Z방향으로 회전하는 한쌍의 콘베이어 구동 롤러(17)가 축지지되고, 콘베이어 구동롤러(17)의 회전에 의해 고정노(15)의 뒤쪽으로부터 앞쪽(A→B로 도시됨)으로 이송수단으로서 이동가능한 엔드리스 격자상 콘베이어(18)와, 격자상 콘베이어(18) 상부에 적정 간격을 두고 Y방향으로 회전가능한 복잡한 이송 롤러(19)가 구비되어 있다.

고정노(15)를 사용한 활성개질장치에 의한 탄소재료의 활성개질방법에 대해 설명한다.

고정노(15) 외주의 유도 코일(4)에 교류전류를 통하면 유도코일(4) 주변에 자계가 발생하고, 고정노(15), 구동 롤러 지주(16), 격자상 콘베이어(18), 콘베이어 구동 롤러(17)와, 이송 롤러(19)에는, 전자 유도에 의해 비접촉 상태에서 전류에 의한 주울열이 발생하여 발열하고, 이들 발열에 의해 반응실(7)의 분위기 온도도 상승한다.

탄소재료 공급관(8)을 통하여 반응실(7)내에 공급된 격자상 콘베이어(18)상의 탄소재료 / 활성탄(2)도 비접촉상태에서 전류에 의한 주울열 발열과 반응실(7)의 분위기 온도에 의해 가열 발열한다.

수증기 도입관(5)에 의해 반응실(7)에 분무되는 수증기(3)는, 반응실(7)내의 분위기 온도를 받아들여 가열된다. 이 때의 온도조건, 보온재(13)의 작용등은 상기 로터리 킬른(1)의 경우와 마찬가지이다.

이러한 상태에서, 탄소재료/활성탄(2)은 격자상 콘베이어(18) 상을 A→B로 이송되고, 통상 30 내지 60분의 시간내에 반응실(7)에 분무되는 수증기(3)와 반응하여, 목적으로 하는 활성탄으로 개질된 후, 활성탄 배출관(9)을 통해 배출된다.

이때의 온도조건등은 상기 로터리 킬른(1)의 경우와 동일하다. 한편 반응실(7)의 수증기(3)는 배기관(6)으로부터 배출된다.

일예로서, 탄소재료(2)로서, 페놀계 섬유상 탄화물을 사용하여, 표면적 1500 내지 2000 ㎡/g의 개질활성탄이 얻어졌다.

페놀계 섬유상 탄화물을 대신하여 페놀계 섬유상 물을 그대로 반응실(7)에 투입해도 좋고, 이 경우의 소요 시간은 통상 50 내지 80분이다.

다음에 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 3에 도시된 유동층형 노를 사용하여 탄소재료를 활성개질하는 장치를 이하에서 설명한다.

유동층 노(20)는, 측면상부에 탄소재료 공급관(8), 타측면 중부에 활성탄 배출관(9)과 하부에 수증기 도입관(5)이 연결되고, 상부에 배기관(6)이 연결되며, 유동층노(20)의 내부는 반응실(7)로 되고, 반응실(7)의 하부에 격자(火格子)(21)가 배치되며, 반응실(7)외주에 밀착하여 보온재(13)와, 보온재(13)의 외주에 밀착하여 유도 코일(4)이 각각 주위에 권선부착되어 있다.

유동층노(20)를 사용한 활성개질장치에 의한 탄소재료의 활성개질방법에 대해 설명한다.

유동층노(20) 외주의 유도코일(4)에 교류전류를 통하면 유도 코일(4) 주변에 자계가 발생하고, 유동층노(20)와 격자(21)에는, 전계유도에 의해 비접촉상태에서 전류에 의한 주울열이 발생하여 발열하고, 이들 발열에 의해 반응실(7)의 분위기 온도도 상승한다.

탄소재료 공급관(8)을 통하여 반응실(7)내 하부의 격자(21) 상의 탄소재료/활성탄(2)도 비접촉상태에서 전류에 의한 주울열 발열과 반응실(7)의 분위기 온도에 의해 가열발열한다.

수증기 도입관(5)에 의해 격자(21)를 통하여 반응실(7)에 분무되는 수증기(3)는, 반응실(7)내의 분위기 온도를 받아들여 가열하고, 격자(21)상의 탄소재료 / 활성탄(2)을 교반한다.

이 때의 온도조건, 보온재(13)의 작용등은 상기 로터리 킬른(1)의 경우와 동일하다. 한편 반응실(7)내 수증기(3)는 배출관(6)을 거쳐 외부로 배출된다.

이 실시예의 예는 900 내지 1100㎡/g의 특정 표면적을 갖는 활성개질된 탄소가 얻어지도록 탄화된 톱질 폐기 팁이 탄소재료(2)로서 사용된다.

톱질 작업 폐기팁은 탄화 톱질폐기팁을 그대로 두고 대신에 반응실(7)로 공급될 수도 있다.

이 경우 폐기칩이 탄화되는 시간 예를 들어 약 30분후에 활성반응으로 이행되므로, 개질활성탄이 얻어지기 까지의 소요시간은 70 내지 90분을 요한다.

이제까지 본 발명을 세 개의 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이들 세 개의 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 다양한 수정예가 가능함을 이해해야 할 것이다.

내용 없음

Claims (18)

1. 반응실 내에서의 유도가열, 유전가열 또는 마이크로파 가열에 의해 탄소재료를 활성개질하기 위한 방법에 있어서,

   탄소재료가 활성가스의 존재하에 로터리 킬른형 노내에서 활성화되는 것을 특징으로 하는 탄소재료 활성개질 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 활성가스는 증기인 것을 특징으로 하는 탄소재료 활성개질 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 탄소재료는 로터리 킬른의 메인 보디의 약간의 경사진 설치로 인하여 로터리 킬른에서 전방으로 이송되는 것을 특징으로 하는 탄소재료 활성개질 방법.
4. 반응실 내에서의 유도가열, 유전가열 또는 마이크로파 가열에 의해 탄소재료를 활성개질하기 위한 방법에 있어서,

   탄소재료가 활성가스의 존재하에 고정노내에서 활성화되는 것을 특징으로 하는 탄소재료 활성개질 방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 활성가스는 증기인 것을 특징으로 하는 탄소재료 활성개질 방법.
6. 제 4항에 있어서, 상기 탄소재료는 반응실내에서 엔드리스 격자형 콘베이어를 순환구동시키므로써 고정로내에서 전방으로 이송되는 것을 특징으로 하는 탄소재료 활성개질 방법.
7. 반응실 내에서의 유도가열, 유전가열 또는 마이크로파 가열에 의해 탄소재료를 활성개질하기 위한 방법에 있어서,

   탄소재료가 활성가스의 존재하에 유동층로 내에서 활성화되는 것을 특징으로 하는 탄소재료 활성개질 방법.
8. 제 7항에 있어서, 상기 활성가스는 증기인 것을 특징으로 하는 탄소재료 활성개질 방법.
9. 제 7항에 있어서, 상기 탄소재료는 반응실내에서 유동화된 상태로 활성화되는 것을 특징으로 하는 탄소재료 활성개질 방법.
10. 반응실 내에서의 유도가열, 유전가열 또는 마이크로파 가열에 의해 탄소재료를 활성개질하기 위한 방법에 있어서,

    탄소재료가 활성가스의 존재하에 로터리 킬른형 노내에서 활성화되는 것을 특징으로 하는 탄소재료 활성개질 장치.
11. 제 10항에 있어서, 상기 활성가스는 증기인 것을 특징으로 하는 탄소재료 활성개질 장치.
12. 제 10항에 있어서, 상기 탄소재료는 로터리 킬른의 메인 보디의 약간의 경사진 설치로 인하여 로터리 킬른에서 전방으로 이송되는 것을 특징으로 하는 탄소재료 활성개질 장치.
13. 반응실 내에서의 유도가열, 유전가열 또는 마이크로파 가열에 의해 탄소재료를 활성개질하기 위한 방법에 있어서,

    탄소재료가 활성가스의 존재하에 고정노 내에서 활성화되는 것을 특징으로 하는 탄소재료 활성개질 장치.
14. 제 13항에 있어서, 상기 활성가스는 증기인 것을 특징으로 하는 탄소재료 활성개질 장치.
15. 제 13항에 있어서, 상기 탄소재료는 반응실내에서 엔드리스 격자형 콘베이어를 순환구동시키므로써 고정로내에서 전방으로 이송되는 것을 특징으로 하는 탄소재료 활성개질 장치.
16. 반응실 내에서의 유도가열, 유전가열 또는 마이크로파 가열에 의해 탄소재료를 활성개질하기 위한 방법에 있어서,

    탄소재료가 활성가스의 존재하에 로터리 유동층로 내에서 활성화되는 것을 특징으로 하는 탄소재료 활성개질 장치.
17. 제 16항에 있어서, 상기 활성가스는 증기인 것을 특징으로 하는 탄소재료 활성개질 장치.
18. 제 16항에 있어서, 상기 탄소재료는 반응실내에서 유동화된 상태로 활성화되는 것을 특징으로 하는 탄소재료 활성개질 장치.