KR20010002570A - 유기화합물 제거를 위한 금속촉매 활성탄의 제조방법 - Google Patents

Abstract

유기 화합물질의 효율적인 제거로 인하여 대기오염 방지에 크게 기여할 수 있고 저온에서부터 고온에 이르기까지 광범위한 이용이 가능한 금속촉매 활성탄의 제조방법이 개시되어 있다. 본 발명에 따르면, 과립상 또는 조립상의 금속촉매 활성탄을 제조하기 위해서, 먼저 분말활성탄을 선정하고, 금속촉매로 사용할 금속의 특성을 파악하여 금속산화물과 활성탄을 적절히 조합한후, 유기화화합물 제거효율을 측정한다. 이때, 사용되는 활성탄은 식물질 활성탄, 석탄질 활성탄, 석유질 활성탄을 사용하며, 금속촉매는 무기산화물로, 금속의 종류는 Li, Be, Fe, Na, Mg, Al, Si, P, K, Ca, Ti, Cr, V, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, As, Rb, Sr, Mo, Pt, I, Ag등으로 0.5∼20wt%이고, 이들 혼합분말을 과립상 또는 조립상으로 만들기 위해 바인더를 사용하는데, 바인더는 당밀, 규산소다, 전분, 고분자를 기초로하는 것을 사용하며, 분말활성탄은 70∼97wt%, 바인더는 3∼20wt%의 구성비로 하며, 과립기기를 이용하여 과립상 활성탄을 제조하거나 압출기를 이용하여 조립상 활성탄을 제조한 다음, 300∼700℃의 온도에서 2∼5시간동안 소성하여 벤젠, 톨루엔, 크실렌 등의 유기화합물 제거용으로 사용한다. 이때, 유기화합물 제거율이 최소 90%이상의 결과가 나왔다.

Description

유기화합물 제거를 위한 금속촉매 활성탄의 제조방법{Method of producing a metal catalytic activated carbon for removing an organic compound}

본 발명은 유해한 유기화합물의 제거제로서 금속촉매가 함유된 활성탄의 제조에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 유기화합물 제거에 가장 효과적인 금속촉매를 선정하고 이에 알맞은 바인더를 선택하여 활성탄과의 배합비등을 조절한후 과립기기를 이용하여 과립상으로 제조하거나 또는 압출기등을 이용하여 펠렛형의 조립상으로 제조하는 금속촉매 활성탄의 제조방법에 관한 것이다.

휘발성 유기화합물질(Volatile Organic Compounds; 이하, VOC라 칭함)은 탄화수소화합물의 총칭으로서, 방향족 탄화수소 및 지방족 탄화수소(파라핀계와 올레핀계)등의 일반탄화수소와, 질소, 산소 및 할로겐 원소를 포함하는 비균질 탄화수소(알데히드, 케톤류)등으로 분류된다.

그런데, VOC는 방향족 탄화수소 및 할로겐 탄화수소와 같이 화합물 자체로서도 환경 및 건강에 직접적으로 악영향을 끼칠 수 있고, 지방족 탄화수소와 같이 주로 대기중의 광화학 반응을 거쳐서 광화학 산화물등의 2차오염물질을 생성할수도 있다.

최근에는 자동차 오염의 급증과 유류 및 유기용제의 사용 확대로 인하여 VOC가 점차 증가하고 있어서 대기환경 및 인체건강에 미치는 영향이 심각한 수준에 이르고 있다. 따라서, VOC관리가 대기질 관리의 주요 정책분야로 대두되고 있다.

국내에서는 현재 VOC 제거에 대한 기술이 발달하지 못하여 대부분 금속 산화물을 코팅하지 않고 활성탄(Activated Carbon; AC) 자체만을 이용하거나, 또는 금속산화물(KOH, NaOH등)을 물에 분산시켜 활성탄에 비산시키는 바아법이 주로 이용되고 있다. 외국에서는 VOC에 대한 여러 연구가 진행되어 금속산화물을 금속담체에 코팅시키거나 금속 섬유(Metal Fiber)의 형태로 만들어 충진체로 사용하고 있고, 활성탄 표면에 금속산화물을 코팅시켜서 사용하는등, 각각의 장점을 이용한 제품들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

여러분야에서 분리나 정제를 위하여 사용되고 있는 활성탄은 원료나 제조조건에 따라서 그 특성이 달라진다. 또한, 입자 크기에 따라서 입상 활성탄(G-AC)과 분말 활성탄(P-AC)으로 대별되며, 일반적으로 100메쉬(149㎛)이하의 것을 분말로 간주하고있다. 이들 활성탄의 물리적인 형상으로 입상탄은 분말탄에 비하여 다음과 같은 장점이 있다.

첫째, 분진의 비산이 없고, 취급이 용이함과 동시에 가압여과 설비가 불필요하다.

둘째, 연속적 향류조작을 위한 접촉이 용이하고, VOC 제거에 대하여 효과적이다.

셋째, 오염도의 변화에 대한 조작조건의 변화가 불필요하다.

넷째, 분말탄의 경우 폐탄의 처분이 어려우나, 입상탄은 재생로에서 오염물질을 연소하여 무해화할 수 있다.

이러한 특성을 갖는 실용화된 활성탄을 이용한 VOC 제거방법은 여러가지가 있으나, 위에서 언급한 바와 같이 현재 국내나 국외에서 생산중인 제품들은 재생하여 사용하기가 쉽지 않고, VOC의 종류에 따라 쉽게 배합을 바꾸거나 용도에 맞게 조합하기가 어렵다. 특히, 상온에서 발생하는 VOC 및 고온에서 발생하는 VOC 제거까지 온도 특성에 맞는 배합을 가져가기가 쉽지 않은 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 유기화합물 제거에 주로 쓰이는 활성탄과 촉매역활을 하는 금속산화물을 분말상태로 적절히 배합하여 유기화합물 제거에 가장 효율이 좋은 배합을 찾아 혼합 조립을 한 후, 바인더를 이용하여 공극율을 높이고, 일정 강도를 부여하여 이송 및 충진이 용이한 금속촉매 활성탄의 제조방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은,

70∼97wt%의 분말 활성탄에 0.5∼20wt%의 금속산화물 또는 금속수산화물, 3∼20wt%의 바인더를 혼합 및 코팅 첨가시켜서 과립상 또는 조립상의 활성탄을 제조한 다음, 300∼700℃의 온도에서 2∼5시간동안 소성하는 것을 특징으로 금속촉매 활성탄의 제조방법을 제공한다.

상기 금속산화물 또는 금속수산화물은, Li, Be, Fe, Na, Mg, Al, Si, P, K, Ca, Ti, Cr, V, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, As, Rb, Sr, Mo, Pt, I 또는 Ag 등의 금속을 함유한다.

상기 바인더는, 당밀, 규산소다, 전분, 고분자를 기초로하는 바인더 또는 무기 바인더로 이루어진다.

이하, 본 발명에 따른 금속촉매 활성탄의 제조방법에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명에서는 VOC 제거에 주로 쓰이는 활성탄과 촉매역할을 하는 금속산화물 또는 금속수산화물을 분말상태로 적절히 배합하여 VOC 제거에 가장 효율이 좋은 배합을 찾아 혼합 조립을 한 후 바인더를 이용하여 공극율을 높이고, 일정 강도를 만들어 이송 및 충진이 용이한 금속촉매 활성탄을 만든다.

이를 위해서는, 먼저 VOC 제거에 효과가 있는 금속산화물 또는 금속수산화물의 선정이 중요하다. 유해 VOC의 제거에 효과적인 금속산화물 또는 금속수산화물의 금속으로는, Li, Be, Fe, Na, Mg, Al, Si, P, K, Ca, Ti, Cr, V, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, As, Rb, Sr, Mo, Pt, I, Ag등이 있으며, 이들 금속과 활성탄 분말을 미세하고 균질하게 분산시킨 다음, 당밀, 규산소다, 전분, 고분자를 기초로하는 바인더, 무기 바인더 등을 첨가한후, 과립기기를 이용하여 과립상의 활성탄으로 제조하거나, 이와는 달리 압출기를 이용하여 펠렛형의 조립상으로 제조한다. 이때, 70∼97wt%의 분말활성탄에, 상기 금속산화물 또는 금속수산화물을 0.5∼20wt%, 상기 바인더를 3∼20wt%의 양으로 혼합, 코팅 첨가시킨다.

끝으로, 300∼700℃로 유지된 온도에서 2∼5시간 소성하여 기사용된 바인더를 제거하고 강도를 유지시킨다. 이때, 일정한 강도가 유지되지 않으면 과립상이나 조립상의 활성탄이 쉽게 파괴되어 이송이나 재처리시 문제점이 발생할 수 있기 때문에, 본 발명에서는 과립상이나 조립상의 강도가 Grain Crushing Tester기로 측정했을 때 0.15∼2Newton으로 되게 제조하였다.

또한, VOC의 종류가 많기 때문에 이를 대표할 수 있는 물질의 선정은 첫번째로는 일반적으로 많이 배출되는 물질이 우선 고려되었으며, 두번째로는 인체에 미치는 영향을 고려하여 선정한 벤젠, 톨루엔, o-Xylene등을 대상물질로 실시하였다. 벤젠, 톨루엔, o-Xylene 시료의 초기농도는 수백ppm의 가스상을 통과시켰으며, 흡착제를 통과하기 전과 통과한 후의 농도를 Gas Chromatography 분석기기로 측정하여 제거효율을 계산하였다.

〈실시예 1〉

분말활성탄에 무기산화물을 분말상으로 첨가하여 과립기기로 과립화한 다음 소결시키는 방법으로 제조하였으며, 이때 바인더로는 당밀과 규산소다를 적당량 첨가하였고, 그 구성비는 하기 표 1과 같다.

또한, 이러한 구성비로 제조된 과립상의 금속촉매 활성탄을 이용하여 VOC에 대한 제거효율을 조사한 결과가 하기 표 2에 나타나 있으며, 시간을 경과 시키면서 분석횟수는 두번으로 하였다.

표 1.

구 성 요 소	배합비(wt%)
Li, Be, Fe, Na, Mg, Al, Si, P, K, Ca, Ti, Cr, V, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, As, Rb, Sr, Mo, Pt, I, Ag등의 복합체 (금속기준)	5
분말활성탄	87
바인더	8

표 2.

분석횟수	분석시료	제거효율(%)
#1	Benzene	92
	Toluene	94
	o-Xylene	100
#2	Benzene	89
	Toluene	92
	o-Xylene	91

<실시예 2>

분말활성탄에 무기산화물을 분말상으로 첨가하여 압출기를 이용하여 펠렛화 한 다음 소결시키는 방법으로 제조하였으며, 이때 바인더는 당밀과 규산소다를 적당량 첨가하였으며, 그 구성비는 하기 표 3과 같다.

또한, 이러한 구성비로 제조된 조립상의 금속촉매 활성탄을 이용하여 VOC에 대한 제거효율을 조사한 결과가 하기 표 4에 나타나 있으며, 시간을 경과 시키면서 분석횟수는 두번으로 하였다.

표 3.

구 성 요 소	배합비(wt%)
Li, Be, Fe, Na, Mg, Al, Si, P, K, Ca, Ti, Cr, V, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, As, Rb, Sr, Mo, Pt, I, Ag등의 복합체 (금속기준)	5
분말활성탄	80
바인더	15

표 4.

분석횟수	분석시료	제거효율(%)
#1	Benzene	90
	Toluene	92
	o-Xylene	96
#2	Benzene	87
	Toluene	89
	o-Xylene	92

결과 및 고찰

대기 환경분야에 사용되어온 일반 입상활성탄은 활성탄이 가지는 세공(pore)에의한 물리적인 메카니즘에만 의존하므로 범용적으로는 사용이 용이하나, 특수한 유해물질의 선택적인 제거에는 한계가 있는 것으로 생각된다. 반면에, 활성탄이 가지는 물리적인 흡착특성은 살리고 금속산화물 또는 금속수산화물을 코팅 또는 내부첨가하여 제조하므로써, 특정한 VOC과 금속을 접촉시켜 제거효율을 극대로 올릴수 있으며, 또한 재생이 용이함을 알 수 있다.

하기 그림 1에는 활성탄에 금속산화물 또는 금속수산화물을 첨가한후 여기에 바인더를 혼합 및 코팅 첨가시켜서 제조한 조립상의 금속촉매 활성탄의 표면이 나타나 있다.

그림 1. 금속 촉매 활성탄 조립상의 표면 SEM 사진

이상에서 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 금속촉매 활성탄 조립상의 제조방법에서는, 활성탄에 금속산화물 또는 금속수산화물을 첨가하고, 여기에 바인더를 사용하여 조립상을 제조하는 것으로, VOC의 제거에 효과가 탁월하다.

본 발명에 의해 제조된 금속촉매 활성탄 조립상은 효율적인 VOC 제거로 인하여 대기오염 방지에 크게 기여할 수 있고, 저온에서부터 고온에 이르기까지 광범위한 이용이 가능하다. 특히, 유해 VOC가 배출되는 각종 사업장, 예를들면 페인트등의 도장산업, 자동차, 악취제거, 세탁소등의 용제취기 정제, 산업용 가스정제, 석유 정제용 탈취등 고농도의 휘발성 VOC 제거에 유용하게 이용될 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (3)

1. 70∼97wt%의 분말 활성탄에 0.5∼20wt%의 금속산화물 또는 금속수산화물, 3∼20wt%의 바인더를 혼합 및 코팅 첨가시켜서 과립상 또는 조립상의 활성탄을 제조한 다음, 300∼700℃의 온도에서 2∼5시간동안 소성하는 것을 특징으로 금속촉매 활성탄 조립상의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 금속산화물 또는 금속수산화물이, Li, Be, Fe, Na, Mg, Al, Si, P, K, Ca, Ti, Cr, V, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, As, Rb, Sr, Mo, Pt, I 및 Ag으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속을 함유하는 것을 특징으로 하는 금속촉매 활성탄 조립상의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 바인더가, 당밀, 규산소다, 전분, 고분자를 기초로하는 바인더 및 무기 바인더로 이루어진 그룹으로부터 선택된 물질인 것을 특징으로 하는 금속촉매 활성탄 조립상의 제조방법.