KR20070099884A - 촉매 세라믹 필터 및 그 제조방법 과 장치응용 - Google Patents

촉매 세라믹 필터 및 그 제조방법 과 장치응용 Download PDF

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KR20070099884A
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Abstract

본 발명은 촉매를 담지한 세라믹 필터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 A군 촉매 TiO2, V2O5, MoO3, SnO2, CuSO4, WO3, VOSO4 등으로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택하고 B군 촉매로, Au, Cs, Mn, Sn, Su, Re, Ir, Co, Cr, Cu, Ni, Mo, Pt, Pd 등으로부터 1종 이상 선택하여 점토, 조공제, 유기바인더, 무기바인더 및 용매, 분산액을 혼합하여 제조한 슬러리를 담지체에 담지시켜 1차 성형한 후, 2차 특히 탄화규소, 알루미나 실리마나이트, 카올린, 실리카, 티타니아, 및 규조토로 이루어지는 군으로부터 1 종 이상 선택되는 세라믹 분말, 점토, 조공제, 유기바인더, 무기바인더 및 용매 분산액을 혼합하여 제조한 슬러리를 담지체에 담지시켜 성형한 후, 상기 성형된 성형물을 건조 및 소결하여 제조되는 세라막 필터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 촉매 세라믹 필터 및 그 제조방법은 900도 이하의 소결로 소결온도가 낮아 제조비용이 저렴하고, 입자상물질 뿐만 아니라 배기가스까지 동시처리가 가능한 촉매 세라믹 필터 제조방법으로 제조방법이 용이하고, 동시에 형상변경 및 대형필터의 생산이 용이하고, 내마모성, 내열성, 및 기공도 조절범위가 상대적으로 우수한 효과가 있다.

Description

촉매 세라믹 필터 및 그 제조방법 과 장치응용{ CATALYST CERAMIC FILTER AND ITS PRODUCING METHOD AND APPLICATION UNIT }
본 발명은 촉매 세라믹 필터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 촉매의 기능을 갖는 세라믹 필터로 900도 이하의 낮은 소결온도로 제조비용이 저렴하고, 입자상물질 및 배기가스를 동시에 처리 가능한 기능성 촉매 세라믹 필터로 제조방법이 용이할 뿐만 아니라, 동시에 형상변경 대형필터의 생산이 용이하고, 내마모성, 내열성 및 기공도 조절범위가 상대적으로 우수한 촉매 세라믹 필터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
산업의 발전에 따라 각 산업공정에서 발생하는 분진, 매연, 폐가스, 연기, 휘발성 유기 화합물(Volatile organic chemicals : VOC's)등의 유해물질의 폐해는 더욱 늘어나고 있는 실정이다. 따라서 이러한 공해물질의 방출을 막기 위하여 일부에서는 고분자 필터를 사용하고 있으나 고분자 필터의 경우에는 내열성, 내화학성, 내마모성 및 난연성에 있어서 취약한 문제점이 있다. 즉, 폴리에스터의 경우 150 ℃에서 수축이 일어나며, 내열성이 우수한 PTFE(테프론)의 경우도 최고 250 ℃정도의 내열성밖에 가지지 못하며, 산업용 필터를 사용하는 공정의 분위기는 분진과 여러 종류의 폐가스, 수분이 동시에 발생되는 가혹한 환경이어서 폴리에스터, 폴리프로필렌, 아크릴, 폴리아마이드, 폴리이미드, 유리섬유 등 대부분의 고분자 소재의 부직포 필터는 필터 표면에 붙어 있던 분진을 제트 펄스 등의 방법으로 털어 내면 위에서 아래로 분진이 떨어지면서 분진에 의한 필터의 표면마모가 심각하여 필터를 파손하고 필터의 사용주기를 짧게 할 뿐 아니라 각 산업의 연소공정 중에 불꽃이 발생하여 필터에 붙게 되면 필터에 붙은 불꽃은 화재로 이어지거나, 필터에 구멍을 내며 쓰레기 소각로, 보일러, 석탄 화력 발전소, 석탄 가스화 복합 발전의 경우는 배기가스가 대기중에 노출될 위험이 있으므로 강화되는 환경규제에 역행하게 된다는 문제점이 있다.
따라서 이러한 문제점을 해결하기 위하여 세라믹 필터의 개발이 이루어져 왔는데 세라믹 필터는 고분자 필터에 비하여 내열성, 내화학성, 내마모성 등이 훨씬 우수한 특징이 있고, 특히, 내열성이 우수하여 배기 장치 내에 냉각 장치 등을 별도로 설치할 필요가 없어 설치비 및 유지비를 절감할 수 있는 장점이 있다.
기존의 개발된 세라믹 필터의 경우 일반적으로 세라믹 섬유(Fiber)를 이용한 튜브 형태를 진공성형이나 압축성형해서 사용하는 것이 가장 보편적인 방법이었으며, 이는 여과 효율과 배압 특성은 비교적 우수하나 제조되는 비용이 고가이고, 장시간 사용할 때 세라믹 섬유의 열화로 인해 필터의 내구성이 떨어져 여과 효율이 감소할 뿐만 아니라, 필터의 재생시 압축공기를 역분사하여 외벽의 분진을 털어 낼 때 세라믹 섬유가 파손되고, 이렇게 파손된 세라믹 섬유가 정상 운전시 배기가스 중에 포함되어 배출됨으로써 2차 공해를 발생시키는 문제가 있다.
또한 제조공정 측면에서, 진공성형 공정의 경우는 진공 쳄버 및 진공펌프의 제조에 많은 비용이 소요되며 진공 쳄버의 크기제한에 따라 제작할 수 있는 세라믹 필터의 크기에 제약을 받게되고 진공성형에 따라 제조된 세라믹 필터의 크기 제한을 가지므로 대형 필터는 제조하지 못하는 문제가 있으며, 세라믹 소재의 사용에 따른 심한 마모로 일정 생산량마다 금형을 바꿔야하므로 높은 고정비로 생산단가가 높게 되는 문제점이 있다.
또한 상기 진공성형 방법 이외에도 압출성형, 프레스 성형, 정수압(hydrostatic pressure)성형 등의 압축성형 방법들이 개발되고 있으나 이 경우에도 제작시 금형제작이 필수적이며 가압장치를 구비해야 하므로 제작 비용이 증가하고 제조가 용이하지 못할 뿐만 아니라 금형이 결정되면 제작 형상의 변경이 용이하지 않고, 대형필터의 생산이 어려운 문제점을 가진다.
또한 상기 성형방식의 경우는 가압방식에 의한 성형이므로 기공도가 낮아 통기성이 떨어지며, 필터 통과시 압력손실을 증가시키는 문제점이 있다.
상기 제품 및 제조방법을 보아도 고온에서 입자상물을 해결하기 위한 기능에 머물고 있으나 본 발명은 입자상물질 및 배기가스를 동시처리 가능한 것으로 촉매 세라믹 필터를 통해 배기가스 처리를 위한 여러 공정을 단일 복합 공정으로 처리할 수 있다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 촉매가 담지된 세라믹 필터로 촉매의 기능을 갖는 세라믹 필터를 900도 이하의 낮은 소결온도로 제조하여 제조비용이 저렴하고, 필터 벽체안쪽에 선택적 촉매를 담지하고, 벽체 내부에 일정 크기의 세로형 터널을 형성하여 터널을 통한 환원제의 투입으로 종류가 서로 다른 가스의 반응 공간을 갖고 촉매의 활성을 높이며, 내마모성 및 내열성이 우수하고, 기공도 조절범위를 상대적으로 넓게 가질 수 있는 내마모성 및 내열성이 우수한 저중량 촉매 세라믹 필터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 제조비용이 저렴하고, 제조방법이 용이할 뿐만 아니라, 동시에 형상변경 및 대형 기능성 필터의 생산이 용이한 촉매 세라믹 필터의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 일정 공간 내에서 형상변경 및 배기가스 처리를 동시처리가 가능한 촉매 세라믹 필터를 통하여 여러 공정의 설비를 복합공정으로 단일화하고 설비의 공정 및 제작비용을 낮추어 여유 있는 단일 처리공정을 설계하여 집진 효율 및 처리 가스의 반응을 극대화시킬 수 있는 촉매 세라믹 필터를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 촉매 세라믹 필터의 기능성 촉매 층을 형성하기 위하여
c-a) c-i ) A 군 촉매 TiO2, V2O5, MoO3, SnO2, CuSO4, WO3, VOSO4 등으로 이루어지는 군으로부터 1 종 이상 선택되는 세라믹 분말 25 내지 60 중량부:
c-ii) B군 촉매로 Au, Cs, Mn, Sn, Su, Re, Ir, Co, Cr, Cu, Ni, Mo, Mg, Fe2O3, Pt, Pd 등으로부터 이루어지는 1종 이상 선택되는 금속분말 0.1 내지 10 중량부:
c-iii) 점토 1 내지 40 중량부;
c-iv) 조공제 5 내지 40 중량부;
c-v) 바인더 1 내지 20 중량부; 및
c-vi) 분산액 20 내지 60 중량부
를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;
c-b) 상기 c-a)단계에서 제조한 슬러리를 담지체에 담지시키는 단계;
c-c) 상기 c-b)단계에서 슬러리가 담지된 담지체를 성형 구조물로 만드는 제조 단계;
촉매 세라믹 필터의 본체 성형을 위한
a)i) 탄화규소, 알루미나, 실리마나이트, 카올린, 실리카, 티타니아 및 규조토로 이루어지는 군으로부터 1 종 이상 선택되는 세라믹 분말 25 내지 60 중량부;
ii) 점토 10 내지 40 중량부;
iii) 조공제 5 내지 40 중량부;
iv) 바인더 1 내지 20 중량부; 및
v) 분산액 20 내지 60 중량부
를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;
b) 상기 a)단계에서 제조한 슬러리를 담지체에 담지 시키는 단계;
c) 상기 b)단계에서 슬러리가 담지된 담지체를 성형 구조물로 만드는 제조 단계;
d) 상기 c)단계에서 만들어진 성형 구조물을 건조하는 단계; 및
e) 상기 d)단계에서 건조된 성형물을 소결하는 단계;
f) 상기 e)단계에서 소결된 성형물을 조립 건조하는 단계;
g) 상기 f)단계에서 조립 건조된 성형물을 코팅하는 단계;
h) 상기 e)단계에서 소결된 성형물을 코팅하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 세라믹 필터의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 방법으로 제조된 촉매 세라믹 필터를 제공한다.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 촉매 세라믹 필터는 A군 촉매 TiO2, V2O5, MoO3, SnO2, CuSO4, WO3, VOSO4 등으로 이루어지는 군으로부터 1종이상 선택하고 B군 촉매로 Au, Cs, Mn, Sn, Su, Re, Ir, Co, Cr, Cu, Ni, Mo, Mg, FeO3, Pt, Pd 등으로부터 1종 이상 선택되는 금속분말과 A 군 촉매 단독으로 선택되어 점토, 조공제, 유기바인더, 무기바인더 및 분산액을 혼합하여 제조한 슬러리를 담지체에 담지시켜 1차 성형한 후 탄화규소, 2차 탄화규소, 알루미나, 실리마나이트, 카올린, 실리카, 티타니아 및 규조토로 이루어지는 군으로부터 1 종 이상 선택되는 세라믹 분말, 점토, 조공제, 바인더, 및 분산액을 혼합하여 제조한 슬러리를 담지체에 담지시켜 성형한 후, 상기 성형된 성형물을 건조 및 소결하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 촉매 세라믹 필터 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
c-a) 촉매 슬러리 제조
본 단계는 c-i )A군 촉매 TiO2, V2O5, MoO3, SnO2, CuSO4, WO3, VOSO4 등으로 이루어지는 로 이루어지는 군으로부터 1 종 이상 선택되는 세라믹 분말 25 내지 60 중량부:
c-ii )B군 촉매로 Au, Cs, Mn, Sn, Su, Re, Ir, Co, Cr, Cu, Ni, Mo, Mg, Fe2O3, Pt, Pd 등으로부터 1종 이상 선택되는 금속분말 0.1 내지 10 중량부:
c-iii ) 점토 1 내지 40 중량부:
c-iv ) 조공제 5 내지 40 중량부:
c-v ) 바인더 1 내지 20 중량부: 및
c-vi) 분산액 20 내지 60 중량부
를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계이다.
상기 분말은 당업계에서 사용되는 통상의 다양한 형태의 분말이 사용될 수 있다. 상기 분말은 다양한 입도를 가지는 성분을 사용할 수 있고, 일정성분이 동일한 입도를 가질 수도 있고, 각각 다른 입도를 가지는 동일성분을 혼합하여 사용할 수 있음은 물론이며, 특히 0.001 ㎛ 내지 1 mm의 입도인 것이 바람직하다. 상기 분말의 입도가 상기 범위 내일 경우에는 필터의 기공형성 및 기계적 강도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
c-b) 촉매 슬러리 담지
본 단계는 상기 c-a)단계에서 제조된 슬러리를 담지체에 담지시켜 성형물을 제조하는 단계이다.
본 발명에 사용되는 상기 담지체는 제조하고자 하는 세라믹 필터의 크기에 따라 그 크기를 달리할 수 있음은 물론이다.
상기 담지체는 슬러리를 담지할 수 있는 다공성 구조인 것은 모두 사용 가능하며, 특히 부직포, 직포, 또는 스폰지 등을 사용하는 것이 적용의 용이성을 위해 보다 바람직하다.
c-c) 성형
상기 슬러리가 담지된 담지체는 목적에 따라 원하는 형태대로 다양하게 성형할 수 있음은 물론이며, 특히, 원형튜브, 방사형 절곡튜브, 또는 사각튜브 형태의 준비된 성형 틀에 맞게 담지체를 성형할 수 있으며, 담지체를 형틀에 지그재그로 끼워 절곡형태를 성형할 수 있다.
또한 상기 성형틀에 담지체를 밀착 성형하는 경우에 건조후 성형틀과 담지체의 분리를 용이하게 하기 위하여 담지체와 성형틀 사이에 탈형필름을 추가할 수 있다. 상기 탈형 필름에는 바람직하게는 고무, 우레탄 수지, 또는 에폭시 수지 등을 재질로 하는 수지 필름이나 크라프트지와 같은 종이필름을 사용할 수 있다.
a) 슬러리 제조
본 단계는 i ) 탄화규소, 알루미나, 실리마나이트, 카올린, 실리카, 티타니아, 및 규조토로 이루어지는 군으로부터 1 종 이상 선택되는 세라믹 분말 25 내지 60 중량부, ii) 점토 10 내지 40 중량부, iii) 조공제 5 내지 40 중량부, iv) 바인더 1 내지 20 중량부, 및 v) 분산액 20 내지 60 중량부를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계이다.
본 발명에 사용되는 상기 i )의 세라믹 분말은 소결 후 세라믹 필터의 기본 구조를 이루는 성분으로, 세라믹 필터의 지지체 역할을 한다.
상기 세라믹 분말은 당업계에서 사용되는 통상의 다양한 형태의 세라믹 분말이 사용될 수 있다. 상기 세라믹 분말은 탄화규소, 알루미나, 실리마나이트(sillimanite group, Al2O3·SiO2), 카올린(kaolin group, Al2O3·2SiO2·2H2O), 실리카(SiO2), 티타니아, 또는 규조토 등을 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 알루미나, 탄화규소 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것이다.
상기 세라믹 분말은 다양한 입도를 가지는 성분을 사용할 수 있고, 일정성분이 동일한 입도를 가질 수도 있고, 각각 다른 입도를 가지는 동일 성분을 혼합하여 사용할 수 있음은 물론이며, 특히 0.001 ㎛ 내지 1 mm의 입도인 것이 바람직하다. 상기 세라믹 분말의 입도가 상기 범위 내일 경우에는 세라믹 필터의 기공형성 및 기계적 강도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
상기 세라믹 분말은 슬러리 조성물에 25 내지 60 중량부로 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 30 내지 50 중량부로 포함되는 것이다. 그 함량이 상기 범위내인 경우에는 세라믹 필터의 물리적 강도 및 형상을 유지할 수 있는 효과가 있으며, 동시에 여과효율을 현저히 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 소결시 뒤틀림 및 균열을 방지하고 세라믹 필터의 내마모성을 증대할 수 있다.
본 발명에 사용되는 상기 ii )의 점토는 소결 후 세라믹 필터의 기본구조를 이루는 성분으로 소결시 세라믹 입자간의 결합을 용이하게 하는 작용을 한다.
상기 점토는 다양한 입도를 가지는 성분을 사용할 수 있고, 특히 상기 점토가 동일한 입도를 가질 수도 있고, 각각 다른 입도를 가지는 점토를 혼합하여 사용할 수 있음은 물론이며, 특히 0.001 ㎛ 내지 1 mm의 입도인 것이 바람직하다. 상기 점토의 입도가 상기 범위 내일 경우에는 세라믹 필터의 기공형성 및 기계적 강도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
상기 점토는 슬러리 조성물에 10 내지 40 중량부로 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 15 내지 25 중량부로 포함되는 것이다. 그 함량이 상기 범위 내인 경우에는 세라믹 필터의 물리적 강도 및 형상을 유지시킬 수 있는 효과가 있으며, 동시에 여과효율을 현저히 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 소결시 뒤틀림 및 균열을 방지하고 세라믹 필터의 내마모성을 증대할 수 있다.
본 발명에 사용되는 상기 iii)의 조공제는 소결후의 세라믹 필터의 기공을 형성하는 작용을 한다.
상기 조공제는 탄소, 활성탄, 목재분말, 톱밥, 소금, 나프탈렌, 또는 활석 등을 사용할 수 있다.
상기 조공제는 다양한 입도를 가지는 성분을 사용할 수 있음은 물론이며, 특히 0.001 ㎛ 내지 5 mm의 입도인 것이 바람직하다. 상기 조공제의 입도가 상기 범위내일 경우에는 세라믹 필터의 적절한 크기의 기공형성 및 기계적 강도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
상기 조공제는 소결과정에서 연소되어 없어져 세라믹 필터의 기공을 형성하며, 그 함량은 슬러리 조성물에 5 내지 40 중량부로 포함되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10 내지 25 중량부로 포함되는 것이다. 그 함량이 상기 범위내인 경우에는 소결시 완전히 연소되어 세라믹 필터의 기공을 효과적으로 형성할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 사용되는 상기 iv)의 바인더는 슬러리와 담지체의 결합을 이루는 작용을 한다.
상기 바인더는 통상의 유기바인더, 무기바인더, 또는 이들을 혼합하여 사용할 수 있으며, 특히 무기바인더와 유기바인더의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 바인더는 프리트(frit), 또는 탄산바륨(BaCO3)의 무기바인더 또는 MAP(Mono aluminium phosphate), 물풀(water binder), 폴리비닐부티랄(PVB), 폴리비닐알코올(PVA), 또는 폴리비닐아세테이트 등의 유기바인더를 사용할 수 있으며, 특히 프리트와 물풀을 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 바인더는 슬러리 조성물에 1 내지 20 중량부로 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 5 내지 10 중량부로 포함되는 것이다. 그 함량이 상기 범위내인 경우에는 슬러리와 담지체를 효과적으로 결합시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 사용되는 상기 v )의 분산액은 바인더의 종류에 따라 그 종류를 달리할 수 있으며, 특히 물 또는 알코올을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 분산액은 슬러리 조성물에 20 내지 60 중량부로 포함되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 20 내지 30 중량부로 포함되는 것이다. 그 함량이 상기 범위내인 경우에는 슬러리에 포함되는 각 성분을 효과적으로 혼합할 수 있으며, 슬러리가 적정한 점도를 유지하여 담지체에 효과적으로 결합할 수 있는 효과가 있다.
상기와 같은 세라믹 분말, 점토, 조공제, 및 바인더는 분산액에 동시 투입하여 혼합할 수도 있으며, 일정간격으로 순차적으로 분리투입하여 혼합할 수도 있다. 특히, 상기 성분의 혼합은 분산액에 세라믹 분말, 점토, 조공제, 및 무기바인더(무기바인더를 사용할 경우에만 혼합)를 혼합한 후, 상기 혼합물에 유기바인더를 혼합하는 것이 혼합의 편의성을 위해 더욱 좋다.
상기 혼합물의 혼합시간은 1 내지 4 시간 동안 실시되는 것이 좋다.
상기와 같이 혼합된 슬러리는 안정화를 위하여 적어도 1 시간 동안의 숙성을 시키면 더욱 좋다.
b) 담지
본 단계는 상기 a)단계에서 제조된 슬러리를 담지체에 담지시켜 성형물을 제조하는 단계이다.
본 발명에 사용되는 상기 담지체는 제조하고자 하는 세라믹 필터의 크기에 따라 그 크기를 달리할 수 있음은 물론이다.
상기 담지체는 슬러리를 담지할 수 있는 다공성 구조인 것은 모두 사용 가능하며, 특히 부직포, 직포, 또는 스폰지 등을 사용하는 것이 적용의 용이성을 위해 보다 바람직하다.
상기 부직포는 단섬유를 웹(web)상 또는 쉬트(sheet)상의 섬유 집합체를 기본으로 하여 접착제로 결합시키거나, 열가소성 섬유를 이용하여 섬유간 접착을 시키거나 니들 펀칭, 봉제 등으로 섬유를 얽히게 하여 만든 형태인 것으로, 특히 폴리에스테르, 아라미드(aramid), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide), 홈-아크릴(home-acrylic), 폴리이미드(polyimide), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE) , 비스코스(biscose), 천연섬유, 유리섬유, 세라믹섬유, 또는 금속섬유 등을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 직포는 방적, 제직(制織), 면조(綿造) 등에 의하여 제조되는 것으로, 상기 슬러리의 담지를 위하여 느슨하게 직조되어 직포 내에 슬러리 담지를 위한 충분한 기공을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 스폰지는 탄성이 있는 해면상의 다공물질로 천연고무의 원액을 발포시켜 만든 라버형, 합성수지로 만든 우레탄형이 있다.
본 단계 담지는 상기 슬러리를 담지체에 도포하거나 상기 슬러리에 담지체를 침지시키거나, 상기 슬러리를 담지체에 살포(스프레이)하는 방법을 사용할 수 있고, 상기 담지전에 담지체를 접착, 융착, 봉제, 자체결합 또는 성형틀을 이용한 성형 등을 통하여 제조하고자 하는 세라믹 필터 형태로 제조한 후, 슬러리를 담지하도록 할 수도 있다.
특히, 담지체에 충분한 세라믹 분말이 포함되고, 안착될 수 있도록 슬러리 용액에 담지체를 침지시키고 짜는 과정을 2～3 회 반복하여 실시하거나, 상기 슬러리를 담지체에 도포 또는 살포하고 짜는 과정을 2～3 회 반복하여 슬러리 용액이 담지체에 충분히 담지 되도록 하는 것이 더욱 좋다.
c) 성형
상기 담지체를 일정한 크기로 재단하거나 기초형상 작업을 한 후 슬러리에 담지 시킬 경우에는 이후 건조단계를 바로 실시할 수 있으며, 담지체를 일정한 크기로 제단하거나 성형하지 않았을 경우에는 상기 목적에 맞는 형상으로 성형하는 단계를 추가로 실시하여 일정한 형태의 성형물을 제조할 수 있다.
상기 슬러리가 담지된 담지체는 목적에 따라 원하는 형태대로 다양하게 성형할 수 있음은 물론이며, 특히, 원형튜브, 방사형 절곡튜브, 또는 사각튜브 형태의 성형 틀을 이용하여 제작방법을 실시 할 때는 얇은 담지체를 사용하며 슬러리에 침지하여 여러 겹을 겹치거나, 일정 두께로 감아 서로 밀착하여 결합시켜 마무리 하는 제조방법과 여러 겹을 겹치거나 일정두께사이에 부직포 띠나 탄화되어 없어질 수 있는 모든 형태의 끈을 사이에 일정간격으로 넣어 밀착하고 결합시켜 마무리하는 제조방법이다. 이를 이등변삼각형 형태의 바를 이용해 지그재그로 결합담체를 넣어 절곡형태로 성형할 수도 있다.
도 4, 도 7의 사진과 같은 여러 형태의 촉매 세라믹 필터는 여러 형상의 성형 틀을 이용하여 여과 면적을 최대화하여 필터링 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
d) 건조
본 단계는 상기 c-b), b)단계에서 제조한 슬러리가 담지된 성형물을 건조하는 단계이다. 이때, 건조는 안전한 소결과 소결준비과정 및 소결과정 중에 발생할 수 있는 성형물의 형상 변형을 방지하는 작용을 한다.
상기 건조는 자연건조, 열풍건조, 일광건조, 또는 응달건조 등의 방법을 이용하여 실시할 수 있으며, 특히 건조시간의 단축 및 성형물의 변형방지와 크랙이 발생하지 않도록 적외선 건조를 실시하는 것이 바람직하다.
e) 소결
본 단계는 상기 c-c), c)단계에서 건조된 성형물을 소결하는 단계이다.
상기 소결은 건조 후 성형물의 성형 틀을 제거하고 소결로에 지그를 사용해 넣은 후 소결 중에 형태를 유지하게하고, 슬러리의 성분 및 성분비에 따라 적정한 소결온도를 설정하여 소결을 진행할 수 있으며, 특히 상기 소결시 승온 중 발생할 수 있는 성형물 변형, 쪼그라듬, 및 파손을 방지할 수 있도록 상온～500℃까지는 0.5～3 ℃/min의 속도로 승온시키는 것이 바람직하며, 특히 150～450 ℃의 온도에서는 0.5～1 ℃/min의 속도로 천천히 승온시키는 것이 바람직하며, 최종적으로 세라믹 분말 및 바인더의 조성에 따라 900 ℃의 소결온도까지 승온시켜 2～18 시간 동안 유지시켜 소결을 완료하는 것이 좋다.
상기와 같은 방법에 따라 제조된 최종 촉매 세라믹 필터는 도 4 내지 7에 나타낸 바와 같이 다양한 형태로 제작이 가능하고, 도 8에 나타낸 바와 같이 다양한 층의 형태를 갖는 높은 기공율의 촉매 세라믹 필터를 제작할 수 있다. 또한, 도 9에 나타낸 바와 같이 필터 벽체 내부에 세로 터널 형태의 기공을 제작시 부직포 띠를 이용해 만들어 이로 배기가스의 선택적 반응을 유도하기위한 환원제 투입 통로로 사용해 다양한 종류의 배가스를 선택적 처리가 사능한 세라믹 필터를 만들 수 있게 하였다.
f) 조립
본 단계는 상기 e)단계에서 소결된 촉매 세라믹 구조물을 용도에 맞게 준비된 상부, 하부 캡 등을 조립하는 단계이다. kera-800을 용매를 이용한 겔 상태의 슬러리를 만들어 바인더로 사용한다.
g) 외부 코팅
본 단계는 상기 f)단계에서 조립된 촉매 세라믹 구조물을 적용 공정용도에 맞게 촉매 세라믹 필터의 외부 기공크기를 조절하는 단계이다.
외부 기공 조절 방법으로는 붓 칠, 스프레이 등의 방법으로 하고 Al2O3 or SiC 50 내지 95 중량부, kera-800 10 내지 40 중량부, 물풀 20 내지 45 중량부, 용매를 이용해 농도가 낮은 슬러리를 만들고 이를 스프레이한다.
h) 내부 코팅
본 단계는 상기 e)단계에서 소결된 촉매 세라믹 구조물을 사용 공정 및 용도에 맞게 배기가스를 선택적으로 처리하는 촉매담지 단계 이다.
기능성 물질인 Au, Cs, Mn, Sn, Su, Ir, Co, Cr, Cu, Ni, Mo, Pt, Pd, Ag, ZnO, Mg, Fe2O3 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
또한 본 발명의 상기 접착제는 당 업계에서 사용하는 통상의 접착제를 사용할 수 있음은 물론이며, 바람직하게는 무기바인더인 프리트(frit)로 세라믹 접착제 kera-650, kera-800, kera-900, kera-1100를 사용하는 것이다.
세라믹 접착제 kera-650은 SiO2 30 내지 50 중량부; B2O3 10내지 30 중량부, Al2O3 5 내지 15 중량부; Na2O 10 내지 20 중량부; K2O 5 내지 10 중량부; BaO 0.1 내지 5 중량부; Fe2O3 0.1 내지 1 중량부;CaO 1 내지 5 중량부; 이며 입도는 325 Mesh이다.
세라믹 접착제 kera-800은 SiO2 40 내지 60 중량부; B2O3 7 내지 20 중량부; Al2O3 3 내지 10 중량부; Na2O 8 내지 17 중량부; K2O 3 내지 8 중량부; BaO 0.1 내지 5 중량부, Fe2O3 0.01 내지 1 중량부;CaO 0.1 내지 5 중량부; 이며 입도는 325 Mesh이다.
세라믹 접착제 kera-900은 SiO2 50 내지 80 중량부; B2O3 5 내지 15 중량부; Al2O3 1 내지 10 중량부; Na2O 10 내지 15 중량부; K2O 0.5 내지 5 중량부; BaO 1 내지 5 중량부; Fe2O3 0.01 내지 1 중량부;CaO 0.1 내지 5 중량부; 이며 입도는 325 Mesh이다.
세라믹 접착제 kera-1100은 SiO2 60 내지 85 중량부; B2O3 5 내지 30 중량부; Al2O3 1 내지 15 중량부; Na2O 10 내지 15 중량부; K2O 0.5 내지 10 중량부; BaO 1 내지 5 중량부; Fe2O3 0.01 내지 3 중량부;CaO 0.1 내지 5 중량부; 이며 입도는 325 Mesh이다.
또한 본 발명의 세라믹 필터는 세라믹 필터의 기능성을 향상시키기 위하여 상기 (d)건조된 성형 구조물, 또는 (e)소결된 세라믹 필터의 내부 또는 외부에 기능성 물질을 추가로 도포한 후, 건조하는 단계를 더욱 포함할 수 있고, 상기 기능성 물질의 도포는 상기 기능성 물질과 세라믹 필터간에 적절한 결합이 이루어질 수 있는 공지의 다양한 코팅방법을 적용할 수 있음은 물론이며 특히, (e)소결후에 h)내부코팅의 기능성 물질의 도포, 건조후에는 소결단계를 더 포함하도록 할 수 있다.
상기 촉매 세라믹 필터의 내부 h)내부코팅 도포되는 기능성 물질은 세라믹 필터의 내부 및 외부를 동일한 성분으로 코팅할 수도 있고, 내부와 외부의 성분을 달리하여 코팅할 수도 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 촉매 세라믹 필터 제조방법은 제조비용이 저렴하고, 제조방법이 용이할 뿐만 아니라, 동시에 형상변경 및 대형필터의 생산이 용이하고, 내마모성, 내열성, 및 기공도 조절범위가 상대적으로 우수한 장점이 있다.
또한 본 발명은 상기와 같이 제조된 촉매 세라믹 필터를 제공하는 바, 본 발명의 세라믹 필터는 도 10, 도 11, 도 12, 도 13,에 나타낸 바와 같이 각종 집진설비의 집진필터로 사용될 수 있고, 특히 소각로, 화장터의 집진장치, 선박엔진 배기가스의 집진장치, 자동차 배기가스의 공기정화장치인 촉매담체, 또는 공기청정기내의 광촉매 작용에 의한 휘발성 유기화합물(VOC 's) 제거장치 등에 복합된 장치 및 일체형 공정으로 사용될 수 있다. 또한 상기 촉매 세라믹 필터는 그 적용분야의 예로 도 14는 제철공정의 촉매 세라믹 필터의 적용 예로 기존공정 [a]를 개선공정 [b]의 적용하며 에너지 절감은 약 35％정도 가능하고 또한 이산화탄소의 배출량을 줄일 수 있어 상대적으로 기존공정에서 생산량을 증가 시킬 수 있다. 따라서 원형, 사각형, 또는 방사형 절곡 튜브 형상으로 제조된 촉매 세라믹 필터는 산업 여러 공정에 적용 될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[ 실시예 ]
실시예 1
혼합기에 물 50 중량부를 첨가하고, 여기에 TiO2 40 중량부, V2Os 5 중량부, WO3 3 중량부, Cu 3 중량부, 점토 10 중량부, 활성탄 25 중량부, 및 무기바인더로 kera-900 15 중량부를 첨가하여 혼합하였다. 상기 혼합물에 유기바인더로 물풀 10 중량부를 첨가한 후, 혼합기에서 5 시간 동안 혼합하여 슬러리 용액을 제조하였다.
상기 제조한 촉매슬러리 용액이 가로 1,150 ㎜×세로 300 ㎜×두께 2 ㎜ 크기의 중량 180g/㎡ 부직포에 충분히 담지 되도록 도포하였다.
그 다음, 알루미늄으로 두께 4㎜의 사각튜브 형태의 성형 틀을 가로 130㎜ * 세로 15㎜ * 1,200㎜ 만들고, 상기 성형틀 표면에 탈형필름을 결합한 후, 상기 슬러리 용액에 침지시킨 부직포를 성형 1의 형태대로 감아 성형물을 제조한다.
혼합기에 물 50 중량부를 첨가하고, 여기에 알루미나(Al2O3) 40 중량부, 점토 25 중량부, 활성탄 25 중량부, 및 무기바인더로 kera-900 5 중량부를 첨가하여 혼합하였다. 상기 혼합물에 유기바인더로 물풀 5 중량부를 첨가한 후, 혼합기에서 2 시간 동안 혼합하여 세라믹 슬러리 용액을 제조하였다.
슬러리 용액이 가로 1150 ㎜×세로 1600 ㎜×두께 2 ㎜ 크기의 중량 180g/㎡ 부직포에 충분히 담지되도록 도포하였다.
성형 틀에 먼저 1회 감긴 촉매슬러리 담지체 위에 바로 이어서 세라믹 슬러리가 담지된 담지체를 감아 2회 감은 후 3회는 넓이 15㎜ * 길이 1,150㎜중량 180g/㎡ 부직포를 30 ∼ 40㎜ 간격으로 부직포 띠를 넣고 감으며 4회, 5회는 부직포 띠 없이 성형 후 30∼90 ℃의 온도에서 10 시간 이상 열풍 건조하였다.
상기 조립 건조된 성형물에서 성형틀 및 탈형필름을 제거한 후, 상기 성형물을 전기로에 넣어 상온～150 ℃까지는 3 ℃/min의 속도로 승온시키고, 150～450 ℃까지는 0.5～1 ℃/min의 속도로 천천히 승온시키고, 900 ℃까지 10시간 정도 승온시키고 900 ℃온도에서 6 시간 동안 유지시켜 소결을 완료하였다.
상기와 같이 제조된 세라믹 필터의 중량은 소결 실시 전과 후를 비교하여 30 ∼ 60 ％ 감소하였으며, 1 ∼ 15 ％ 정도의 수축이 발생했음을 확인할 수 있었다. 1차 소결이 완료된 촉매 세라믹 필터는 상부, 하부 캡을 중량부; Al2O3 40 내지 80, 중량부; kera-900 20 내지 50 습식 혼합하여 준비된 틀을 이용해 만들어 1차 소결 조건으로 소결하고, 세라믹 첩착제 kera-800을 슬러리 만들어 조립하고, SiC 800 ∼ 1,200 mesh 분말을 슬러리 만들어 스프레이 코팅 분무하여 건조 후 2차 소결을 하는데 3 ∼ 7시간 승온하여 최종 750 ∼ 800℃에서 2 ∼ 10 시간 유지한다. 3차 소결은 외형 및 미세기공조절을 목적으로 하며 SiC 분말을 kera-650과 습식 혼합해 슬러리를 만들어 코팅하고 600 ∼670℃에서 2 ∼ 10시간 유지한다. 도 04는 상기 실시예 1에 따라 제조한 촉매 세라믹 필터의 당양한 형태의 필터를 나타낸 사진이다. 또한 도 08, 도 09는 상기 실시예 1에 따라 제조한 촉매 세라믹 필터의 단면을 주사전자현미경으로 찍은 사진이다.
실시예 2
혼합기에 물 50 중량부를 첨가하고, 여기에 TiO2 35 중량부, V2O5 3 중량부, WO3 3 중량부, Mo 3 중량부, 점토 10 중량부, 활성탄 25 중량부, 및 무기바인더로 kera-900 15 중량부를 첨가하여 혼합하였다. 상기 혼합물에 유기바인더로 물풀 15 중량부를 첨가한 후, 혼합기에서 4 시간 동안 혼합하여 슬러리 용액을 제조하였다.
상기 제조한 촉매슬러리 용액이 가로 600 ㎜×세로 1,400 ㎜×두께 2 ㎜ 크기의 중량 200g/㎡ 부직포에 충분히 담지 되도록 도포하고 세라믹 슬러리가 담지 도포된 담지체를 겹치기위해 준비하였다.
다음 혼합기에 물 50 중량부를 첨가하고, 여기에 탄화규소(SiC) 40 중량부, 점토 25 중량부, 활성탄 25 중량부, 및 무기바인더로 kera-900 5 중량부를 첨가하여 혼합하였다. 상기 혼합물에 유기바인더로 물풀 5 중량부를 첨가한 후, 혼합기에서 2 시간 동안 혼합하여 세라믹 슬러리 용액을 제조하였다.
세라믹 슬러리 용액이 가로 600 ㎜×세로 1,400 ㎜×두께 2 ㎜ 크기의 중량 200g/㎡ 부직포에 충분히 담지 되도록 도포하고 이를 2장 준비하여 사이에 폴리에스터 일반 포장 끈을 30㎜ 간격으로 사이에 넣고 겹쳐 준비한다. 촉매 슬러리가 담지 도포된 담치체를 겹쳐 서로 다른 물성의 슬러리를 담지한 3장의 복합담지체를 준비한다.
그 다음, 알루미늄으로 밑변 10㎜ * 높이 30 * 길이 750㎜ 이등변 형태의 길이 바를 원하는 절곡 산수만큼 성형 틀을 준비하고, 상기 성형틀 표면에 탈형필름을 결합한 후, 상기 슬러리 용액에 침지시킨 복합담지체를 성형 틀의 지그재그 형태의 배열로 도 05와 같은 방법으로 성형물을 제조한다. 성형 후 30∼90 ℃의 온도에서 10 시간 이상 열풍 건조하였다.
상기 조립 건조된 성형물에서 성형틀 및 탈형필름을 제거한 후, 상기 성형물을 전기로에 넣어 상온∼150 ℃까지는 3 ℃/min의 속도로 승온시키고, 150∼450 ℃까지는 0.5∼1 ℃/min의 속도로 천천히 승온시키고, 900 ℃까지 10시간 정도 승온시키고 900 ℃온도에서 6 시간 동안 유지시켜 소결을 완료하였다.
상기와 같이 제조된 세라믹 필터의 중량은 소결 실시 전과 후를 비교하여 40 ∼ 70 ％ 감소하였으며, 1 ∼ 15 ％ 정도의 수축이 발생했음을 확인할 수 있었다.
1차 소결이 완료된 촉매 세라믹 필터는 상부, 하부 캡을 중량부; Al2O3 40 내지 80, 중량부; kera-900 20 내지 50을 습식 혼합하여 준비된 틀을 이용해 만들어 1차 소결 조건으로 소결하고, 세라믹 첩착제 kera-800을 슬러리 만들어 조립하고, SiC 800 ∼ 1,200 mesh 분말을 슬러리 만들어 스프레이 코팅 분무하여 건조 후 2차 소결을 하는데 3 ∼ 7시간 승온하여 최종 750 ∼ 800℃에서 2 ∼ 6 시간 유지한다. 도 06는 상기 실시예 2에 따라 제조한 촉매 세라믹 필터의 절곡형태의 필터를 조립이전 나타낸 사진이다. 또한 도 07은 상기 실시예 2에 따라 제조한 촉매 세라믹 필터의 조립 후 찍은 제품사진이다.
실시예 3
상기 실시예 1에서 WO3, V2O5, Cu를 첨가하지 않고, 부직포 띠를 작업공정에서 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 촉매 세라믹 필터를 제조하였다. 별도의 내부 코팅공정을 통해 WO3, V2O5, Cu, Mo, Ag, Mg, Fe2O3, Pt, Pd 등의 촉매 담지를 실시하고 1차보다 낮은 온도 600 ∼ 800℃에서 소결하는데 소결 조건에 따라 질소, 수소 등을 사용하기도 한다.
실시예 4
상기 실시예 1에서 촉매 층을 성형하기위한 c-a) 단계부터 c-c) 단계를 포함하지 않고 촉매 세라믹 필터 본체 성형을 위한 a) 단계부터 h)단계를 만을 실시하는데 부직포 띠를 넣는 작업공정에서 스텐레스 ø3 봉을 넣는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 촉매 세라믹 필터를 제조하였다. 별도의 내부 코팅공정을 통해 WO3, V2O5, Cu, Mo, Ag, Mg, Fe2O3, Pt, Pd 등의 촉매 담지를 실시하고 1차보다 낮은 온도 600 ∼ 800℃에서 소결하는데 소결 조건에 따라 질소, 수소 등을 사용하기도 한다.
실시예 5
상기 실시예 1에서 촉매 층을 성형하기위한 c-a) 단계부터 c-c) 단계를 포함하지 않고 촉매 세라믹 필터 본체 성형을 위한 a) 단계부터 h)단계를 만을 실시하는데 부직포 띠를 넣는 작업공정에서 ø2 니켈 열선을 골고루 깔아 필터 상부캡 위로 처음과 마지막 선이 나와 있는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 촉매 세라믹 필터를 제조하였다. 별도의 내부 코팅공정을 통해 WO3, V2O5, Cu, Mo, Ag, Mg, Fe2O3, Pt, Pd 등의 촉매 담지를 실시하고 1차보다 낮은 온도 600 ∼ 800℃에서 소결하는데 소결 조건에 따라 질소, 수소 등을 사용하기도 한다.
실시예 6
도 10은 상기 실시예 1, 2, 3, 4, 5에서 제조한 촉매 세라믹 필터를 이용하여 분진 및 배기가스를 동시에 처리하기위한 구조도이다. 일반적인 집전장치 처리기능은 같으나 도 22와 도 23과 같은 방법으로 장착하고 촉매 세라믹 필터의 구조적기능과 배가스의 성질에 따라 도 02 구조의 촉매 세라믹 필터는 도 03과 같이 서로 다른 반응 공간에서 활성을 높이는 일체형 복합집전장치의 구조도이다. 도 19는 촉매 세라믹 필터의 뛰어난 통기성을 시험하는 [a], [b]사진이다.도 20은 촉매 세라믹 필터의 탈진 재생 시험한 [a], [b], [c], [d] 사진이다.
실시예 7
도 11은 상기 실시예 1, 2, 3, 4, 5에서 제조한 촉매 세라믹 필터를 이용하여 분진 및 배기가스를 동시에 처리하기위한 구조도이다. 일반적인 집진장치 처리기능은 같으나 도 22와 도 23과 같은 방법으로 장착하고 촉매 세라믹 필터의 구조적기능과 배가스의 성질에 따라 서로 다른 반응 공간에서 활성을 높이기 위해 실시예 2에 의해 제조된 절곡형태의 촉매 세라믹 필터 도 06을 별도의 공간에 장착하는 일체형 복합집진장치의 구조도이다.
실시예 8
도 12는 상기 실시예 1, 2, 3, 4, 5에서 제조한 촉매 세라믹 필터를 이용하여 분진 및 배기가스를 동시에 처리하기위한 구조도이다. 일반적인 집진장치 처리기능은 같으며 대형선박, 자동차 검사소 등의 사용 목적을 가지고 도 22와 도 23과 같은 방법으로 장착하고 촉매 세라믹 필터의 구조적 기능과 배가스의 성질에 따라 서로 다른 반응 공간에서 활성을 높이기 위해 자외선램프를 장착하여 디젤엔진 배가스나 휘발성유기화합물( VOC's )등을 동시처리하기위한 일체형 복합집진장치의 구조이다. 도 16은 촉매 세라믹 필터의 적용시험 예로 자동차 검사장의 매연포집장치로 자동차 검사시 매연을 포집하는 [a], [b], [c], [d] 사진이다. 도 17은 또 다른 형태의 매연포집장치 [a], [b]사진이다. 도 18은 기존 매연포집장치의 고분자 필터의 사용 중에 화재로 전소된 [a], [b]사진이다.
실시예 9
도 13은 상기 실시예 1, 2, 3, 4, 5에서 제조한 촉매 세라믹 필터를 이용하여 분진 및 배기가스를 동시에 처리하기위한 구조도이다. 일반적인 집진장치 처리기능은 같으며 대형선박, 자동차 검사소 등의 사용 목적을 가지고 도 22와 도 23과 같음 방법으로 장착하고 촉매 세라믹 필터의 구조적 기능과 배가스의 성질에 따라 서로 다른 반응 공간에서 활성을 높이기 위해 자외선램프를 장착하고 디젤엔진 배가스나 휘발성유기화합물( VOC's )등을 동시처리하기위한 일체형 복합집진장치로 타공판을 계단식 사선으로 하고 타공판 위 한쪽을 문으로 만들어 장착 및 유지보수를 원활하게 하기위해 구조도이다.
실시예 10
도 14는 상기 실시예 1, 2, 3, 4, 5에서 제조한 촉매 세라믹 필터를 이용하여 분진 및 배기가스를 동시에 처리하기 위해 기존 제철소 배가스 처리공정에서 새로운 단일 복합처리공정을 보여주는 [a]기존공정, [b]개선공정 구조도이다. 촉매 세라믹 필터를 이용한 [b]개선공정은 에너지 비용 절감뿐 아니라 이산화탄소 저감이라는 환경보호 측면에서 두 가지를 동시에 실현할 수 있는 개선공정이라 하겠다.
실시예 11
도 15는 상기 실시예 1, 2, 3, 4, 5에서 제조한 촉매 세라믹 필터를 이용하여 분진 및 배기가스를 동시에 처리하기 위한 소각로 적용 [a], [b]사진이다. 이는 산업쓰레기소각로, 도시쓰레기소각로, 병원쓰레기소각로, 동물시체쓰레기소각로 등을 포함하며 적용 공정의 예를 보면 소각로, 폐열보일러, 싸이크론, 촉매 세라믹 필터 집진장치, FAN, 굴뚝의 공정으로 배가스를 동시 처리하는 개선공정으로 촉매 세라믹 필터의 집진장치는 도 10, 도 11, 도 12, 도 13과 같이 적용할 수 있다.
본 발명의 촉매 세라믹 필터의 제조방법은 촉매 세라믹 필터의 제작에 별도의 고가의 금형제작이 필요 없고 가압장치 또는 별도의 성형장치가 필요 없음에 따라 촉매 세라믹 필터의 제작비용이 저렴하며, 제조방법이 용이할 뿐만 아니라 형상변경이 용이하고, 소결로의 크기가 허용하는 한도 내에서 대형필터의 생산이 가능하다. 또한 기공 조절범위를 상대적으로 넓게 가질 수 있고, 담지체의 밀도, 조공제의 크기 및 양에 따라 0.001∼5 ㎜정도 범위에서 선택하여 적은 편차로 기공 크기 조절하여 제작가능하고, 60 ％이상 높은 기공율을 성형 할 수 있고, 내부에 배가스 따라 촉매를 선택적으로 담지가 가능하고, 담지촉매의 활성화 및 반응조건에 필터의 세로기공을 통한 환원제 투입으로 특정 배가스의 반응공간을 달리 가지고 처리할 수 있다. 이에 따라 제조되는 촉매 세라믹 필터는 저중량의 다공성 필터로 분진 및 배가스를 동시처리가 가능하고 900℃ 이하에서 소결하여 제조비용이 상대적으로 저렴한 촉매 세라믹 필터로 제조될 수 있다.
또한 본 발명은 형상 변경이 용이하며, 복잡한 형상의 제조가 용이하므로 일정 공간 내에서 필터의 여과면적을 극대화할 수 있는 세라믹 필터를 제조할 수 있다. 또한 본 발명의 촉매 세라믹 필터는 내마모성 및 내열성이 뛰어나 고온 고압 하에서 사용이 가능하다.
또한 본 발명의 세라믹 필터는 고온에서의 유체냉각을 통한 열교환기 장치가 필요하지 않으며, 60 ％이상의 다공성 구조로 매우 가볍고 집진효율이 99.8 ％이상이며, 기존 집진 필터보다 빠른 여과 속도로 집진이 가능하며 고온·고압에서도 필터의 기능 저하나 파손이 없고 불꽃 발생으로 인한 화재에서도 염려가 없어 쓰레기 소각로, 화장터, 보일러, 시멘트 제조공정, 석탄 화력 발전소, 석탄가스화 복합 발전 설비 등에 용이하게 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 촉매 세라믹 필터의 제조방법의 일실시예에 의하여 제조된 촉매 세라믹 필터 예로 두 종류의 [a], [b] 단면 구조도이다.
도 2는 본 발명의 촉매 세라믹 필터의 제조방법의 일실시예에 의하여 제조된 촉매 세라믹 필터의 세부 단면 구조도이다.
도 3은 본 발명의 촉매 세라믹 필터의 제조방법의 일실시예에 의하여 제조된 촉매 세라믹 필터의 사용 예로 분진 및 배기가스를 동시처리 하는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 촉매 세라믹 필터의 제조방법의 일실시예에 의하여 제조된 여러 형태의 세라믹 필터의 사진 [a], [b], [c] 이다.
도 5는 본 발명의 절곡 촉매 세라믹 필터의 제조방법의 일실시예에 의하여 보여준 절곡 촉매 세라믹 필터의 작업 구성도이다.
도 6는 본 발명의 절곡 촉매 세라믹 필터의 제조방법의 일실시예에 의하여 제조된 절곡 촉매 세라믹 필터의 사진이다.
도 7는 본 발명의 절곡 촉매 세라믹 필터의 제조방법의 일실시예에 의하여 제조된 상/하단 캡이 조립된 절곡 촉매 세라믹 필터의 사진 [a], [b] 이다.
도 8은 본 발명의 촉매 세라믹 필터의 제조방법의 일실시예에 의하여 제조된 촉매 세라믹 필터의 주사전자현미경 단면 사진이다.
도 9는 본 발명의 촉매 세라믹 필터의 제조방법의 일실시예에 의하여 제조된 질소산화물 처리용 촉매 세라믹 필터의 주사전자현미경 다면 사진이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 촉매 세라믹 필터를 이용하여 필터 하부에서 환원제 투입을 특징으로 하는 일체형 복합 집진장치의 장치 구조도이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 촉매 세라믹 필터를 이용하여 타공판 위에서 환원제 투입을 하고 별도의 촉매담체에서 처리하는 것을 특징으로 하는 일체형 복합 집진장치의 장치 구조도이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 촉매 세라믹 필터를 이용하여 타공판 위에서 자외선램프를 사용하여 광촉매의 활성을 특징으로 하는 일체형 복합 집진장치의 장치 구조도이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 촉매 세라믹 필터를 이용하여 타공판을 사선 계단식으로 절곡하여 촉매 세라믹 필터를 사선으로 장착하고 타공판 위쪽의 문을 통하여 필터의 장착, 탈착 및 유지보수를 할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 일체형 복합 집진장치의 장치 구조도이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 세라믹 필터가 집진장치에 장착되어 제철소 [a]의 기존공정과 [b]의 실시되는 촉매 세라믹 필터를 이용한 일체형 복합 집진장치의 적용공정 실시 예를 나타낸 구성도이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 촉매 세라믹 필터를 이용하여 산업쓰레기 소각로 후처리 방지시설에 분진 및 배기가스 동시처리를 목적으로 적용한 일체형 복합 집진장치의 [a] 촉매 세라믹 필터의 타공판 위 장착과 [b] 산업쓰레기 소각로 사진이다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 촉매 세라믹 필터를 이용하여 자동차 검사장에 사용되는 매연포집장치로 일체형 복합 집진장치의 장치 [a] 매연포집장치, [b] 매연포집장치 내부 필터장착, [c] 자동차 검사시 매연포집, [d] 매연포집장치의 적용 촉매 세라믹 필터 사진이다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 촉매 세라믹 필터를 이용하여 또 다른 형태의 매연포집장치로 일체형 복합 집진장치의 장치 [a] 매연포집장치, [b] 촉매 세라믹 필터의 장착 사진이다.
도 18은 일반 고분자 필터를 사용한 매연포집장치의 화재 [a], [b] 사진이다.
도 19는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 촉매 세라믹 필터의 통기성 시험한 [a] 통기성 시험, [b] 통기성 시험 결과 사진이다.
도 20은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 촉매 세라믹 필터의 분진 탈진 시험한 [a] 탈진 시험용 집진장치, [b] 제트 펄스 방식의 탈진 압력표시, [c] 필터 압력 손실 측정, [d], [e] 필터의 재생 시험 사진이다.
도 21은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 촉매 세라믹 필터를 이용하여 일체형 복합 집진장치의 가로 장착 구조도이다.
도 22는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 촉매 세라믹 필터를 이용하여 일체형 복합 집진장치의 가로, 세로 장착 타공판 위 구조도이다.
도 23은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 촉매 세라믹 필터를 이용하여 일체형 복합 집진장치의 가로, 세로 장착에서 고정하기위한 구조도이다.
도 24는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 촉매 세라믹 필터를 이용하여 일체형 복합 집진장치의 장착시 사용되는 중간 완충제 사진이다.
도 25는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 촉매 세라믹 필터를 반응시험 목적으로 제작된 샘플 시편 사진이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호 설명〉
10 : 상부 캡
20 : 하부 캡 25 : 외부 하부 캡
30 : 필터 벽체
40 : 촉매 층 45 : 코팅 층
50 : 세로 터널 기공 55 : 미세기공
60 : 환원제 투입 노즐 및 장치 65 : 환원제
70 : 공간
73 : 소석회, 활성탄에의한 다이옥신 및 중금속 흡착
75 : 미반응 소석회에 의한 유해가스 2차 제거
77 : 세라믹 필터에 의한 분진포집제거
79 : 촉매반응에 의한 질소산화물 제거
100 : 일체형 복합 집진장치
110 : 촉매 세라믹 필터 115 : 촉매 담체
130 : 입구 150 : 출구
170 : 타공판
175 : 상부 캡 받침대 177 : 세라믹 필터 중간 받침대
190 : 호퍼
210 : 로타리 밸브 230 : 분진 수거함
250 : 소석회 or 활성탄 투입장치 270 : 환원제 투입장치
270 : 에어 펄스 장치 290 : 자외선램프
300 : 알루미늄 형틀 310 : 탈형필름
330 : 촉매, 세라믹 슬러리가 담지된 담지체
400 : 모터 ＆ 팬 410 : 평철
430 : 볼트 ＆ 너트 450 : 필터 교체 및 유지보수 문
510 : 필터와 필터 사이 530 : 펄스 파이프와 필터상부의 거리

Claims (14)

  1. 촉매 세라믹 필터의 기능성 촉매층을 형성하기 위하여 c-a) c-ⅰ) A군 촉매 TiO2, V2O5, MoO3, SnO2, CuSO4, WO3, VOSO4 등으로 이루지는 로 이루어지는 군으로부터 1 종 이상 선택되는 세라믹 분말 25 내지 60 중량부;
    c-ⅱ)B군 촉매로 Au, Cs, Mn, Sn, Su, Re, Ir, Co, Cr, Cu, Ni, Mo, Mg, Fe2O3, Pt, Pd 등으로부터 1종 이상 선택되는 금속분말 0.1 내지 10 중량부;
    c-ⅲ) 점도 1 내지 40 중량부;
    c-ⅳ) 조공제 5 내지 40 중량부;
    c-ⅴ) 바인더 1 내지 20 중량부; 및
    c-ⅵ) 분산액 20 내지 60 중량부
    를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;
    c-b) 상기 c-a)단계에서 제조한 슬러리를 담지체에 담지시키는 단계;
    c-c) 상기 c-b)단계에서 슬러리가 담지된 담지체를 성형 구조물로 만드는 제조 단계;
    촉매 세라믹 필터의 본체 성형을 위한
    a)ⅰ) 탄화규소, 알루미나, 실리마나이트, 카올린, 실리카, 티타니아, 및 규조토로 이루어지는 군으로부터 1 종 이상 선택되는 세라믹 분말 25 내지 60 중량부;
    ⅱ) 점토 10 내지 40 중량부;
    ⅲ) 조공제 5 내지 40 중량부;
    ⅳ) 바인더 1 내지 20 중량부; 및
    ⅴ) 분산액 20 내지 60 중량부
    를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;
    b) 상기 a)단계에서 제조한 슬러리를 담지체에 담지시켜 성형물을 제조하는 단계;
    c) 상기 b)단계에서 슬러리가 담지된 담지체를 성형 구조물로 만드는 단계;
    d) 상기 c)단계에서 만들어진 성형물을 건조하는 단계;
    e) 상기 d)단계에서 건조된 성형물을 소결하는 단계;
    f) 상기 e)단계에서 소결된 성형물을 조립 건조하는 단계;
    g) 상기 f)단계에서 조립 건조된 성형물을 코팅하는 단계;
    h) 상기 e)단계에서 소결된 성형물을 코팅하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 세라믹 필터의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 c-b), b)단계의 담지된 담지체를 일정형태로 성형하는 단계에서 여러 겹 사이에 부직포 띠, 고분자 끈, 금속 봉, 여러 물성의 파이프 등을 넣어 성형하고 1차 소결 후 탄화되어 없어지는 것과 남는 것은 빼내어 세로 형태의 기공을 형성하여 이로 배가스 처리에 기능 역할을 하는 것을 특징으로 하는 촉매 세라믹 필터의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 c-a), a)단계의 ⅳ) 바인더가 프리트(frit), 및 탄산바륨(BaCO3,), kera-650, kera-800, kera-900, kera-1100으로 이루어지는 군으로부터 1 종 이상 선택되는 무기바인더 또는 MAP(mono aluminium phosphate), 물풀(water binder), 폴리비닐부티랄(PVB), 폴리비닐알코올(PVA), 및 폴리비닐아세테이트로 이루어지는 군으로부터 1 종 이상 선택되는 유기바인더인 것을 특징으로 하는 세라믹 필터의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 c-b), b)단계의 담지체가 상기 c-a), a)단계의 슬러리를 담지시는 기공을 가지는 부직포, 직포, 또는 스폰지인 것을 특징으로 하는 촉매 세라믹 필터의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 c-b), b)단계의 성형물이 원형튜브 형상, 방사형 절곡 튜브 형상, 또는 사각 튜브형상인 것을 특징으로 하는 것과 이등변 삼각형 막대, 사각형 막대, 원형 막대 등을 슬러리가 담지된 담치체 사이로 지그재그 끼워서 성형 제작하는 세라믹 필터의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 d)단계의 제품 1차 소결이 900 ℃의 미만 온도에서는 이루어지는 것과 2차 3차는 600 ∼ 800℃에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 촉매 세라믹 필터의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서 촉매 세라믹 필터 제조 방법과 이해를 돕기 위하여 제시한 각 실시예 1, 2, 3, 4, 5와 제조 방법을 응용한 것을 특징으로 하는 촉매 세라믹 필터의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서 촉매 세라믹 필터 제조 방법과 이해를 돕기 위하여 제시한 각 실시예 1, 2, 3, 4, 5 제조방법으로 제작된 촉매 세라믹 필터를 예시 적용한 실시예 6을 특징으로 하는 장치 및 공정 적용 방법.
  9. 제1항에 있어서 촉매 세라믹 필터 제조 방법과 이해를 돕기 위하여 제시한 각 실시예 1, 2, 3, 4, 5 제조방법으로 제작된 촉매 세라믹 필터를 예시 적용한 실시예 7을 특징으로 하는 장치 및 공정 적용 방법.
  10. 제1항에 있어서 촉매 세라믹 필터 제조 방법과 이해를 돕기 위하여 제시한 각 실시예 1, 2, 3, 4, 5 제조방법으로 제작된 촉매 세라믹 필터를 예시 적용한 실시예 8을 특징으로 하는 장치 및 공정 적용 방법.
  11. 제1항에 있어서 촉매 세라믹 필터 제조 방법과 이해를 돕기 위하여 제시한 각 실시예 1, 2, 3, 4, 5 제조방법으로 제작된 촉매 세라믹 필터를 예시 적용한 실시예 9를 특징으로 하는 장치 및 공정 적용 방법.
  12. 제1항에 있어서 촉매 세라믹 필터 제조 방법과 이해를 돕기 위하여 제시한 각 실시예 1, 2, 3, 4, 5 제조방법으로 제작된 촉매 세라믹 필터를 예시 적용한 실시예 10을 특징으로 하는 장치 및 공정 적용 방법.
  13. 제1항에 있어서 촉매 세라믹 필터 제조 방법과 이해를 돕기 위하여 제시한 각 실시예 1, 2, 3, 4, 5 제조방법으로 제작된 촉매 세라믹 필터를 예시 적용한 실시예 11을 특징으로 하는 장치 및 공정 적용 방법.
  14. 제1항에서 제13항에 있어서,
    상기 촉매 세라믹 필터가 소각로 또는 화장터의 집진장치, 엔진 배기가스의 집진장치, 자동차 배기가스 촉매담체, 또는 휘발성 유기화합물 제거 장치, 석탄가스화 후 처리 장치용인 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
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