KR20080034804A - 촉매용 담체의 제조방법 및 이에 의하여 제조되는 촉매용담체 - Google Patents
촉매용 담체의 제조방법 및 이에 의하여 제조되는 촉매용담체Info
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Abstract
본 발명은 촉매용 담체의 제조방법 및 이에 의하여 제조되는 촉매용 담체에 관한 것으로서 보다 상세하게는 a)ⅰ) 철, 알루미늄, 구리, 스텐레스, 텅스텐, 코발트, 몰리브덴, 니켈, 은, 베릴늄 및 상기 각 금속의 합금으로 이루어지는 군으로부터 적어도 1 종이 선택되는 금속 분말 또는 ⅱ) 탄화규소, 알루미나, 실리마나이트, 카올린, 실리카, 티타니아 철강 슬래그, 폐 주물사, 규조토 및 점토로 이루어지는 군으로부터 적어도 1 종이 선택되는 세라믹 분말 또는 ⅲ) 상기 금속분말 및 상기 세라믹 분말을 100:1 내지 1:100으로 혼합한 혼합분말로 이루어지는 분말 10 내지 70 중량부; 윤활제 5 내지 30 중량부; 바인더 1 내지 50 중량부; 및 분산액 10 내지 90 중량부를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; b) 상기 a)단계에서 제조한 슬러리를 수지발포체로 이루어진 담지체에, 담지체 면에 수직한 축에 대하여 10 내지 30 도의 각도로 기울여 스프레이하여 담지하는 단계; c) 상기 b)단계에서 스프레이 법으로 슬러리가 담지된 담지체를 성형하는 단계; d) 상기 c)단계에서 슬러리가 담지된 성형물을 건조하는 단계; 및, e) 상기 d)단계에서 건조된 성형물을 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매용 담체의 제조방법 및 이에 의하여 제조되는 촉매용 담체에 관한 것이다.
이를 통하여 SOx, NOx, HCl 등의 배기가스에 포함된 유해가스를 제거하거나, 기타 화학반응에 촉매를 요구하는 분야 및 다수의 유해가스물질의 제거를 목적으로 촉매를 이용하는 분야에서 담체 자체가 촉매로서 작용하도록 하는 경우나 담체에 촉매를 코팅한 경우에 촉매 담체를 통하여 일괄 공정으로 고온에서 이를 처리하도록 함으로써 소형 소각로, 발전기 또는 보일러 등에 낮은 설비비용과 적은 공간에서도 용이하게 적용할 수 있게 하고, 촉매와의 접촉면적을 최대화하여 반응효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 촉매용 담체의 제조방법 및 이에 의하여 제조되는 촉매용 담체에 관한 것으로 특히, 배기가스 정화용 촉매용 담체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 배기가스 배출시에 이에 포함된 유해물질을 단시간에 효율적으로 정화하기 위해서는 촉매를 지지하는 담체가 내구성, 내마모성, 고온 강도 등을 가져야 함은 물론이고, 이와 함께 제작되어진 담체는 일정 크기의 균일한 폼으로 높은 기공율을 가지는 것이 필요하므로 이러한 담체의 제작시에 이와 같은 기공을 조절할 수 있어야 하며, 이를 통하여 반응 능력이 우수하고, 내구성, 내마모성, 고온 강도 등을 가지는 촉매용 담체를 제작할 수 있다. 따라서 본 발명은 이와 같은 SOx, NOx, HCl 등의 배기가스에 포함된 유해가스를 제거하거나, 기타 화학반응에 촉매를 요구하는 분야 및 다수의 유해가스물질의 제거를 목적으로 촉매를 이용하는 분야에서 이러한 담체의 제작시에 기공을 조절할 수 있어서, 높은 기공율을 가지고, 이를 통하여 반응 능력이 우수하고, 내구성, 내마모성, 고온 강도 등을 가지는 촉매용 담체를 제공하고, 더욱이 담체 자체가 촉매로서 작용하도록 하는 경우나 담체에 촉매를 코팅한 경우에 촉매 담체를 통하여 일괄 공정으로 고온에서 이를 처리하도록 함으로써 소형 소각로, 발전기 또는 보일러 등에 낮은 설비비용과 적은 공간에서도 용이하게 적용할 수 있게 하는 촉매용 담체의 제조방법 및 이에 의하여 제조되는 촉매용 담체에 관한 것이다.
배기가스 배출시에 이에 포함된 유해물질을 제거하기 위하여 다양한 촉매가 이용되고 있고, 이러한 촉매의 적용을 위해서는 이러한 촉매를 담고 있는 담체가 요구되어지며, 일반적으로는 이러한 담체와 촉매가 각각 별도로 제작되어 다공구조를 가지는 담체에 촉매를 코팅하는 형식으로 촉매모듈을 제작하고 있다.
이와 같은 배기가스 제거용 촉매모듈은 고온의 배기가스와 직접적으로 접촉하게 되므로 내구성, 내마모성, 고온 강도 등을 가져야 함은 물론이고, 배출되는 배기가스를 단시간에 효율적으로 정화하기 위하여 촉매를 지지하는 담체가 일정 크기의 균일한 폼으로 형성되며, 배기가스의 원활한 배출을 위하여 배압이 낮도록 높은 기공율을 가지는 것이 필요하다.
그러나 이와 같은 요구조건을 만족하는 구조를 제작하기 위한 종래의 제작방식으로는 이러한 요구조건을 만족시킬 수 있는 제작방법이 존재하지 않아 높은 기공율과 이와 같은 기공을 조절할 수 있으며, 이를 통하여 반응 능력이 우수하고, 내구성, 내마모성, 고온 강도 등을 가지는 촉매용 담체를 제작할 수 없는 실정이고, 이와 같은 요구조건을 만족하는 경우에는 대형 담체의 제작이 어려운 문제점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 담체와 유사한 형태를 가지는 제품으로, 주물용 필터의 제품형태가 이와 유사하나, 이는 제조방법이 서로 다르며 고온강도 및 열 충격저항의 부족으로 인하여 부분적 파손이나 깨짐 현상이 있고, 이의 용도는 주로 용융금속의 불순물을 거르는 등의 용도로 쓰여 사용하고자 하는 용도에서 차이가 있으며, 현재 일본의 브릿지스톤(Bridge Stone). 유럽의 하이텍세라믹스(Hitech Ceramics). 미국의 셀레(Selee). 독일의 드라카(Draka). 영국의 포세코(Foseco) 등이 제품을 제조하고 있으며, 대한민국 특허공고 90-771호는 탄화규소 20~70 wt％를 포함하는 세라믹 필터에 관한 것으로 강산과 철이 반응하여 겔화가 진행되는 관계로 철분 또는 금속이 함유된 원료는 사용할 수 없는 문제가 있다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 배기가스 정화용 촉매담체 등에 활용할 수 있고, 촉매담체의 내구성, 내마모성, 고온강도 등과 일정 크기의 폼의 기공을 조절함으로써 반응 능력이 우수한 촉매용 담체를 제조할 수 있는 촉매용 담체의 제조방법 및 이에 의하여 제조되는 촉매용 담체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은
a)ⅰ) 철, 알루미늄, 구리, 스텐레스, 텅스텐, 코발트, 몰리브덴, 니켈, 은, 베릴늄 및 상기 각 금속의 합금으로 이루어지는 군으로부터 적어도 1 종이 선택되는 금속 분말 또는 ⅱ) 탄화규소, 알루미나, 실리마나이트, 카올린, 실리카, 티타니아 철강 슬래그, 폐 주물사, 규조토 및 점토로 이루어지는 군으로부터 적어도 1 종이 선택되는 세라믹 분말 또는 ⅲ) 상기 금속분말 및 상기 세라믹 분말을 100:1 내지 1:100으로 혼합한 혼합분말로 이루어지는 분말 10 내지 70 중량부;
윤활제 5 내지 30 중량부;
바인더 1 내지 50 중량부; 및
분산액 10 내지 90 중량부
를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;
b) 상기 a)단계에서 제조한 슬러리를 수지발포체로 이루어진 담지체에, 담지체 면에 수직한 축에 대하여 10 내지 30 도의 각도로 기울여 스프레이하여 담지하는 단계;
c) 상기 b)단계에서 스프레이 법으로 슬러리가 담지된 담지체를 성형하는 단계;
d) 상기 c)단계에서 슬러리가 담지된 성형물을 건조하는 단계; 및,
e) 상기 d)단계에서 건조된 성형물을 소결하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매용 담체의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 촉매용 담체의 제조방법에 의하여 제조되어, 다공성 구조를 가지는 발포 지지체인 것을 특징으로 하는 촉매용 담체를 제공한다.
본 발명의 촉매용 담체의 제조방법 및 이에 의하여 제조되는 촉매용 담체에 따르면 촉매용 담체의 제작에 별도의 고가의 금형제작이 필요 없어 발포체(Foam) 형상의 촉매용 담체의 제작비용이 저렴하며, 제조방법이 용이할 뿐만 아니라 형상변경이 용이하고, 대형 담체 폼의 제조생산이 가능하다.
또한 기공도 조절범위를 상대적으로 용이하게 할 수 있으며, 넓게 가질 수 있으며, 기공의 고른 분포를 얻을 수 있다. 더욱이, 슬러리의 담지체로 사용되는 수지발포체의 선택에 의하여 요구되는 담체의 밀도, 셀 크기 및 중량에 따라 기공도를 선택하여 적은 편차로 고르게 기공 크기를 조절하여 제작이 가능하고, 60 ％이상의 높은 기공율을 성형할 수도 있고, 이에 따라 제조되는 금속, 세라믹, 또는 세라믹+금속 담체 폼은 저중량의 다공성 구조로 제조될 수 있다.
또한 본 발명은 형상 변경이 용이하며, 복잡한 형상의 제조가 용이하므로 일정 공간 내에서 촉매용 담체의 표면적을 극대화할 수 있는 촉매용 담체를 제조할 수 있다. 또한 본 발명의 촉매용 담체는 내마모성 및 내열성이 뛰어나 고온 고압 하에서 사용이 가능하다.
이외에 본 발명의 촉매용 담체는 고온에서의 유체냉각을 통한 열교환기 장치가 필요하지 않으며, 60 ％이상의 다공성 골격구조로 매우 가볍고 촉매담체의 압력손실이 낮아, 기존 촉매 담체보다 활용도가 높다.
뿐만 아니라 촉매를 별도로 제작된 담체에 그 기능에 따라 더 부가할 수도 있으며, 별도의 촉매를 부가하지 않고, 촉매물질 자체로 담체를 제조할 수도 있으므로 이를 통하여 한번의 공정으로 담체를 제작하여 일괄공정으로 고온에서 이를 처리하도록 함으로써 소형 소각로, 발전기 또는 보일러 등에 낮은 설비비용과 적은 공간에서도 용이하게 적용할 수 있게 하고, 촉매의 열화를 상대적으로 줄일 수 있어서, 상기 촉매와의 접촉면적을 최대화하여 반응효율을 높이는 효과와 더불어 더 높은 효율을 얻을 수 있는 효과가 있다.
따라서 이러한 촉매용 담체의 기능은 쓰레기 소각로, 화장터, 보일러, 시멘트 제조공정, 석탄 화력 발전소, 석탄가스화 복합 발전 설비, 제철 제강 설비 등에 용이하게 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 적용될 수 있는 수지 담지체의 실시예로서 우레탄 폼 사진을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 적용될 수 있는 수지 담지체의 실시예로서 다른 우레탄 폼 사진을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 촉매용 담체의 제조방법에서 스프레이 각도를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 촉매용 담체의 제조방법에 의하여 제조된 촉매용 담체의 실시예에 대한 사진이다.
도 5는 본 발명에 도시한 실시예의 확대 사진이다.
도 6은 본 발명의 촉매용 담체의 제조방법에 의하여 제조된 촉매용 담체에 기능성 촉매를 안착하여 제조한 일 실시예의 사진이다.
도 7은 본 발명의 촉매용 담체의 제조방법에 의하여 제조된 촉매용 담체에 기능성 촉매를 안착하여 제조한 다른 실시예의 사진이다.
도 8은 본 발명의 촉매용 담체의 제조방법에 의하여 제조된 촉매용 담체에 기능성 촉매를 안착하여 제조한 또 다른 실시예의 사진이다.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 촉매용 담체의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 a)ⅰ) 철, 알루미늄, 구리, 스텐레스, 텅스텐, 코발트, 몰리브덴, 니켈, 은, 베릴늄 및 상기 각 금속의 합금으로 이루어지는 군으로부터 적어도 1 종이 선택되는 금속 분말 또는 ⅱ) 탄화규소, 알루미나, 실리마나이트, 카올린, 실리카, 티타니아 철강 슬래그, 폐 주물사, 규조토 및 점토로 이루어지는 군으로부터 적어도 1 종이 선택되는 세라믹 분말 또는 ⅲ) 상기 금속분말 및 상기 세라믹 분말을 100:1 내지 1:100으로 혼합한 혼합분말로 이루어지는 분말 10 내지 70 중량부, 윤활제 5 내지 30 중량부, 바인더 1 내지 50 중량부 및, 분산액 10 내지 90 중량부를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계, b) 상기 a)단계에서 제조한 슬러리를 수지발포체로 이루어진 담지체에, 담지체 면에 수직한 축에 대하여 10 내지 30 도의 각도로 기울여 스프레이하여 담지하는 단계, c) 상기 b)단계에서 스프레이 법으로 슬러리가 담지된 담지체를 성형하는 단계, d) 상기 c)단계에서 슬러리가 담지된 성형물을 건조하는 단계 및, e) 상기 d)단계에서 건조된 성형물을 소결하는 단계를 포함하여 구성된다.
상기 본 발명의 촉매용 담체의 제조방법에 관하여 각 단계별로 살펴보면 아래와 같다.
a) 슬러리 제조
본 단계는 ⅰ) 철, 알루미늄, 구리, 스텐레스, 텅스텐, 코발트, 몰리브덴, 니켈, 은, 베릴늄 및 상기 각 금속의 합금으로 이루어지는 군으로부터 적어도 1 종이 선택되는 금속 분말 또는 ⅱ) 탄화규소, 알루미나, 실리마나이트, 카올린, 실리카, 티타니아 철강 슬래그, 폐 주물사, 규조토 및 점토로 이루어지는 군으로부터 적어도 1 종이 선택되는 세라믹 분말 또는 ⅲ) 상기 금속분말 및 상기 세라믹 분말을 100:1 내지 1:100으로 혼합한 혼합분말로 이루어지는 분말 10 내지 70 중량부, 윤활제 5 내지 30 중량부, 바인더 1 내지 50 중량부 및, 분산액 10 내지 90 중량부를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계이다.
상기 금속분말은 철 또는 철 합금(스텐레스 포함), 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 구리 또는 구리 합금, 텅스텐 또는 텅스텐 합금, 코발트 또는 코발트 합금, 몰리브덴 또는 몰리브덴 합금, 니켈 또는 니켈 합금, 은 또는 은 합금, 베릴늄 또는 베릴늄 합금 또는 이들의 혼합물로 이루어지고, 이들은 그 자체로서 일정한 화학반응에 대하여 촉매로서 작용할 수도 있고, 소결과정에서 생성된 산화물이 촉매로서 작용할 수도 있고, 금속 소결체 자체는 담체로서의 역할만을 수행하고, 이의 표면에 촉매를 더 포함하여 촉매로서 작용할 수도 있다. 또한 세라믹 분말의 경우에도 마찬가지로 그 자체로서 일정한 화학반응에 대하여 촉매로서 작용할 수도 있고, 소결과정에서 생성된 반응물이 촉매로서 작용할 수도 있고, 소결체 자체는 담체로서의 역할만을 수행하고, 이의 표면에 촉매를 더 포함하여 촉매로서 작용할 수도 있다. 마찬가지로 금속 및 세라믹 분말을 혼합한 경우에도 이와 유사하게 적용할 수 있음은 물론이다.
이때 상기 금속 분말만을 윤활제, 바인더, 분산액으로 혼합하는 경우에는 금속 담체용 슬러리를 제조하게 되고, 이에 의하여 금속 촉매용 담체 폼(foam)을 제조하는 방법을 제공하고, 상기 세라믹 분말을 윤활제, 바인더, 분산액으로 혼합하는 경우에는 세라믹 담체용 슬러리를 제조하게 되고, 이에 의하여 세라믹 촉매용 담체 폼(foam)을 제조하는 방법을 제공하고, 상기 혼합 분말을 윤활제, 바인더, 분산액으로 혼합하는 경우에는 금속 및 세라믹 담체용 슬러리를 제조하게 되고, 이에 의하여 금속 및 세라믹으로 이루어진 촉매용 담체 폼(foam)을 제조하는 방법을 제공하게 된다.
본 발명에 사용되는 상기 ⅰ)의 금속 분말과 ⅱ)세라믹 분말은 소결 후 금속, 세라믹, 금속 세라믹(혼합의 경우) 담체의 기본 구조를 이루는 성분으로서 금속, 세라믹, 세라믹 금속 담체 폼의 강도를 이루는 지지체 역할을 하며, 경우에 따라서 금속 또는 세라믹 분말 자체가 유입되는 물질의 반응(예를 들면 정화)을 촉진하는 촉매로서 작용하는 경우(예를 들면, 망간 산화물이 SOx의 정화에, 아연산화물이 H2S의 정화에, 구리산화물이 NOx의 정화에 사용되는 경우 등)에는 지지체 역할 뿐만 아니라 촉매로서의 역할도 동시에 수행하게 된다. 따라서 이 경우에는 별도의 담체에 대한 촉매 코팅 절차를 진행할 필요가 없고, 담체 자체가 촉매로서의 역할을 수행하므로, 이 경우에는 촉매의 열화에 따른 반응속도 감소의 문제를 줄일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
상기 금속분말 또는 세라믹 분말은 당업 계에서 사용되는 통상의 다양한 형태의 금속분말 또는 세라믹 분말이 사용될 수 있다.
상기 금속 분말과 세라믹 분말은 다양한 입도를 가지는 형태로 사용할 수도 있고, 일정성분이 동일한 입도를 가지는 형태로 사용되어질 수도 있고, 각각 다른 입도를 가지는 동일성분을 혼합하여 사용할 수 있음은 물론이며, 특히 0.01 ㎛ 내지 3 ㎜의 입도인 것이 아래에 기술할 수지 담지체에 담지가 용이하므로 바람직하다. 상기 금속 분말과 세라믹 분말의 입도가 상기 범위 내일 경우에는 촉매용 담체의 기공형성 및 기계적 강도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
상기 분말은 슬러리 조성물에 10 내지 70 중량부로 포함되고, 바람직하게는 상기 분말은 슬러리 조성물에 25 내지 60 중량부로 포함되는 것이 좋고, 더욱 바람직하게는 35 내지 50 중량부로 포함되는 것이 좋다. 그 함량이 상기 범위 내인 경우에는 금속, 세라믹, 세라믹+금속 담체 폼의 물리적 강도 및 형상을 유지할 수 있는 효과가 있으며, 동시에 반응효율을 현저히 향상시킬 수 있는 표면적을 높이는 효과가 있다. 또한, 소결시 뒤틀림 및 균열을 방지하고 금속, 세라믹, 세라믹+금속 담체 폼의 내마모성을 증대할 수 있다.
본 발명에 사용되는 상기 윤활제는 공지의 다양한 스프레이를 용이하게 하는 윤활제가 이에 적용될 수 있으며, 바람직하게는 왁스 또는 윤활제가 이에 적용되는 것이 제조의 용이성 측면에서 좋고, 이에는 공지의 왁스 종류, 각종 산업용 윤활유, 여러 종류의 오일을 포함하며, 바람직하기는 고체왁스를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 윤활제는 슬러리를 다른 방법이 아닌 스프레이 방법을 통하여 수지 담지체에 살포하는 경우에 슬러리의 분사 능력을 높여 슬러리의 1회 스프레이 양을 늘려 공정을 줄이며, 슬러리가 수지 담지체에 침입하는 것이 용이하도록 하여 촉매용 담체가 높은 밀도 및 고른 분포를 갖게 하는 작용을 한다.
상기 윤활제는 슬러리 조성물에 5 내지 30 중량부로 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 10 내지 20 중량부로 포함되는 것이다. 그 함량이 상기 범위 내인 경우에 스프레이 살포의 슬러리 살포를 용이하게 하고 수지담지체로의 침입을 용이하게 하므로 좋다.
본 발명에 사용되는 상기 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 가) 프리트(frit) 또는 탄산바륨(BaCO3)의 무기바인더 또는 나) MAP(Mono aluminium phosphate), 물풀(water binder), 폴리비닐부티랄, 폴리비닐알코올, 및 폴리비닐아세테이트로 이루어지는 군으로부터 적어도 1종이 선택되어지는 유기바인더를 사용할 수 있으며, 이외에도 상기 무기바인더와 유기바인더를 혼합하여 사용할 수도 있다. 이에 대한 구체적인 혼합비는 1:100 내지 100:1의 범위에서 혼합이 가능하며, 특히 프리트와 물풀을 혼합하여 사용하는 것이 소결 특성상 바람직하다.
상기 바인더는 슬러리 조성물에 1 내지 50 중량부로 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 5 내지 30 중량부로 포함되는 것이다. 그 함량이 상기 범위 내인 경우에는 스프레이 살포 후에 슬러리와 수지 담지체를 효과적으로 결합시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 사용되는 상기 분산액은 슬러리에 포함된 분말을 고르게 분산하는 역할을 수행하는 것으로 바인더의 종류에 따라 그 종류를 달리할 수 있으며, 특히 물 또는 알코올을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 분산액은 슬러리 조성물에 10 내지 90 중량부로 포함되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 30 내지 70 중량부로 포함되는 것이다.
그 함량이 상기 범위 내인 경우에는 슬러리에 포함되는 각 성분을 효과적으로 혼합할 수 있으며, 슬러리가 적정한 점도를 유지하여 수지담지체에 효과적으로 결합할 수 있는 효과가 있다.
상기와 같은 구성성분을 가지는 슬러리의 제조를 위하여 상기 분말, 윤활제, 및 바인더를 분산액에 동시 투입하여 혼합할 수도 있으며, 일정간격으로 순차적으로 분리 투입하여 혼합할 수도 있다. 바람직하게는, 상기 성분의 슬러리 혼합은 분산액에 먼저 분말 및 무기바인더(무기바인더를 사용할 경우에만 혼합)를 혼합한 후, 상기 혼합물에 유기바인더 및 윤활제를 혼합하는 것이 혼합의 편의성을 위해 더욱 좋다.
상기 혼합물의 혼합시간은 공정에 따라 충분한 혼합이 이루어질 수 있는 시간을 수행하고, 바람직하게는 1 내지 24 시간 동안 실시되는 것이 생산성 측면에서 좋다.
더욱 바람직하게는 상기와 같이 혼합된 슬러리는 안정화를 위하여 적어도 1 내지 6 시간 동안 숙성을 시키는 것이 좋다.
b) 담지
본 단계는 상기 a)단계에서 제조된 슬러리를 수지 담지체(수지발포체로 이루어진 담지체)에 스프레이 방법으로 담지체 면에 수직한 축에 대하여 10 내지 30도의 각도로 기율여서 살포하여 수지 담지체에 담지시켜 성형물을 제조하는 단계이다.
본 발명에 사용되는 상기 수지 담지체는 제조하고자 하는 촉매용 담체 (폼(foam))의 크기 및 형상에 따라 그 크기 및 형상을 달리할 수 있으며, 특히 기공도도 제작하고자 하는 촉매용 담체의 용도에 따라 원하는 기공도를 가지는 수지 담지체를 선택할 수 있다. 즉, 수지 발포체의 경우에는 기공도, 형상, 크기 등의 조절이 용이하고, 따라서 원하는 기공도 및 형태가 있는 경우에는 이에 맞게 수지 발포체를 준비하는 것만으로 이를 용이하게 만족할 수 있다. 이에 대한 구체적인 예는 도 1 내지 도 2에 도시한 바와 같다.
이러한 상기 수지 담지체는 슬러리를 담지할 수 있는 수지 발포체의 다공성 구조인 것은 모두 사용 가능하며, 특히 우레탄 폼(Urethane Form)을 사용하는 것이 적용의 용이성을 위해 보다 바람직하다. 상기 수지 담지체의 우레탄 폼으로 Polyurethane Ether Foam 또는 Polyurethane Ester Foam 등과 기타 여러 재질의 다양한 형태의 폼 형태를 포함한다.
그러나 이와 같은 수지 발포체를 담지체로 적용하는 경우에, 종래의 침지법이나 스핀코팅 등의 방법은 슬러리의 담지 및 분포가 전체 수지 담지체에 대하여 고르게 이루어지지 않아, 소결 후 제조된 촉매용 담체의 기공도가 원래 담지체가 가지고 있는 기공도와 달라지는 문제점이 있다. 따라서 이를 해결하기 위하여 스프레이 방법을 적용하나, 단순히 스프레이 방법을 적용하는 경우에는 슬러리가 비중이 큰 금속 또는 세라믹 분말을 포함함에 따라 그 침투 깊이가 낮고 두께 방향으로 침입량이 고르지 못하여 두껍고 강도를 가지는 소결체(촉매용 담체)를 제작할 수 없는 문제점이 있었다. 따라서 이를 해결하기 위하여 슬러리에 윤활제를 다량 포함시키고, 이를 도 3에 도시한 바와 같은 스프레이 각도를 유지하여 살포하는 경우에 약 5 ㎝까지 침투가 가능한 형태로 스프레이가 가능하므로 10 ㎝ 두께의 담체까지 제작할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한 본 단계의 b)단계의 스프레이 담지 전에 슬러리가 담지될 담지체를 일정형태로 성형하는 단계를 추가로 더 포함하도록 할 수 있다. 즉, 상기 슬러리를 수지 담지체에 스프레이 하기 전에 수지 담지체를 접착, 융착, 봉제, 자체결합 또는 성형 틀을 이용한 성형 등을 통하여 제조하고자 하는 촉매용 담체(foam구조) 형태로 만든 후, 슬러리를 스프레이 방법으로 살포 담지하도록 할 수도 있다.
c) 성형
본 단계는 상기 b)단계에서 제조한, 슬러리가 스프레이 법으로 살포 담지된 담지체를 성형하는 단계이다. 즉, 슬러리가 담지된 담지체가 건조되기 이전에 이를 일정형태로 성형하는 단계로 슬러리가 담지된 수지 담지체를 원래 수지 담지체의 형상으로 모양을 잡아주거나, 이를 자체 결합시키거나, 또는 복수개를 제조하여 이를 겹치거나, 이들을 서로 일정한 형태로 결합하거나 또는 성형틀을 이용하여 성형하거나 하여, 제조하고자 하는 촉매용 담체(foam구조) 형태로 만드는 단계이다. 상기 성형틀을 이용하는 경우에는 틀과 담지체 사이에 이형지 등을 이용할 수 있음은 물론이다. 여기서의 성형에는 슬러리가 담지된 수지 담지체를 원래 수지 담지체의 형상으로 모양을 잡아주는 등의 단순한 모양잡기 작업도 성형에 포함됨은 물론이다.
d) 건조
본 단계는 상기 c)단계에서 제조한, 슬러리가 스프레이 법으로 살포 담지된 성형물을 건조하는 단계이다. 이때, 건조는 안전한 소결을 위하여, 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 변형 방지와 크랙이 발생하지 않도록 적외선 건조를 실시하는 것이 바람직하다.
또한 바람직하게는, 수지 담지체에 충분한 금속 분말 또는 세라믹 분말이 포함되고, 안착될 수 있도록, 상기 슬러리를 수지 담지체에 스프레이로 살포하고 건조하는 과정을 2 ~ 10 회 반복 실시하여 슬러리가 수지 담지체에 충분히 담지되도록 하는 것이 더욱 좋다.
e) 소결
본 단계는 상기 d)단계에서 건조된 성형물을 소결하는 단계이다.
상기 소결은 건조된 성형물을 성형틀로부터 제거(성형틀을 사용한 경우에 한 함.)하고 소결로에 넣은 후, 소결로의 온도를 소결온도까지 승온시켜 일정한 온도에서 소결시킬 수 있다.
상기 소결은 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 0.1∼3 ℃/min의 속도로 승온시키는 것이 바람직하며, 특히 80∼250 ℃의 온도에서는 0.1∼1 ℃/min의 속도로 천천히 승온시키는 것이 바람직하며, 최종적으로 금속 및 비철금속 분말, 세라믹 분말의 조성에 따라 300∼1,800 ℃의 소결온도까지 승온시켜 2∼48 시간 동안 유지시켜 소결을 완료하는 것이 좋다.
상기와 같은 방법에 따라 제조된 최종 촉매용 담체는 도 1 내지 2에 나타낸 바와 같은 다양한 기공 형태 및 크기를 가지는 담지체를 적용하는 경우에 다양한 기공 형태 및 크기를 가지는 형태로 제작이 가능하고, 도 4 내지 5에 나타낸 바와 같은 높은 표면적을 가진 구조로 제작할 수 있다.
또한, 상기 e)단계에 의하여 생성된 소결체의 표면에 촉매를 코팅하는 단계를 더 포함하는 형태로 이를 구성하는 경우(이 경우에 기지에 해당하는 담체가 반드시 촉매성분이 아닌 물질일 필요는 없고, 촉매로서 기능을 하는 물질로 이루어진 담체에 추가적으로 촉매를 더 코팅할 수 있음은 물론이다.)는 도6 내지 8에 나타낸 바와 같이 도 3에 추가로 다양한 촉매의 도포 및 코팅이 가능하며 SCR 촉매, VOC's 제거촉매, H2S 흡착촉매 등의 기타 여러 기능성 촉매를 안착하는 담체로서의 활용이 가능한 담체로 제공할 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 촉매용 담체 (폼)의 제조방법은 제조비용이 저렴하고, 제조방법이 용이할 뿐만 아니라, 동시에 형상변경 및 대형 담체 폼의 생산이 용이하고, 내마모성, 내열성, 및 극대화된 표면적, 기공도 조절범위가 상대적으로 우수한 장점이 있다.
또한 본 발명은 상기와 같이 제조된 촉매용 담체를 제공하는 바, 이는 상기 기술한 촉매용 담체의 제조방법에 의하여 제조되어, 다공성 구조를 가지는 발포 지지체로 구성된다.
또한 이와 같은 상기 촉매용 담체는 수지 담지체의 형상에 따라 또는 소결 후의 후가공에 따라, 공지의 다양한 필터 형상을 가질 수 있으며, 바람직하게는 원판형, 사각판형, 원통형 또는 방사형 절곡 튜브 형상 등을 가질 수 있으며, 이와 같은 상기 촉매용 담체는 상기 기술한 바와 같이 촉매 코팅 과정을 더 거치는 경우에는 그 표면에 촉매 층을 더 포함하는 형태로 구성할 수 있다.
본 발명의 금속, 세라믹, 세라믹+금속으로 이루어진 촉매용 담체(폼)는 용도에 따라 촉매를 담지하여 각종 산업의 집진설비의 배기가스 동시제거 용도로 사용될 수 있고, 특히 소각로, 화장터의 집진장치, 엔진 배기가스의 집진장치, 자동차 배기가스의 공기정화장인 촉매담체, 또는 공기청정기내의 광촉매 작용에 의한 휘발성 유기화합물(VOC 's) 제거장치 등에 사용될 수 있다. 또한 상기 금속, 세라믹, 세라믹+금속 담체는 그 적용분야에 따라 원형, 사각형, 또는 방사형 절곡 튜브 등의 다양한 형상으로 제조될 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 스텐레스 분말 70 중량부, 무기바인더로 프리트 20 중량부를 첨가하여 혼합하였다. 상기 혼합물에 유기바인더로 물풀 25 중량부 및 고체왁스 10 중량부를 첨가한 후, 혼합기에서 2 시간 동안 혼합하여 슬러리 용액을 제조하였다.
상기 제조한 슬러리 용액이 가로 450 mm × 세로 500 mm × 두께 20mm 크기의 우레탄 폼에 충분히 담지되도록 우레탄 폼 면에 수직한 축에 대하여 10 내지 30 도의 각도로 기울여 스프레이 법으로 살포하고, 건조과정을 거치는 단계를 5회 반복하며 살포하여 슬러리가 일정한 분포와 밀도를 갖는 성형물을 만들었다. 성형물을 만들고, 20∼90 ℃의 온도에서 1 시간 이상 동안 최종 열풍 건조하였다.
상기 건조된 성형물을 전기로에 넣어 상온∼150 ℃까지는 0.1 ~ 3 ℃/min의 속도로 천천히 승온 시키고, 150∼450 ℃까지는 0.5∼3 ℃/min의 속도로 천천히 승온시켜, 최종 1,400∼1,500 ℃의 온도 범위의 소결온도를 갖는 온도에서 2 시간 이상 동안 유지시켜 소결을 완료하였다. 또한 여기서 대부부의 금속이 고온 부식을 일으키므로 분위기 가스를 공정에 맞게 투입하여 소결을 완료하여 금속으로 이루어진 촉매용 담체를 제조하였다.
상기와 같이 제조된 금속으로 이루어진 촉매용 담체의 중량은 소결 실시 전과 후를 비교하여 5∼20 ％ 감소하였으며, 1∼25 ％ 정도의 수축이 발생했음을 확인할 수 있었다.
실시 예 2
상기 실시 예 1에서 스텐레스 분말을 대신하여 알루미나(Al2O3) 분말을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 세라믹으로 이루어진 촉매용 담체를 제조하였다. 단, 소결온도는 1,600∼1,750 ℃의 온도 범위에서 조절하였다.
실시예 3
상기 실시 예 1에서 스텐레스 분말을 대신하여 구리(Cu) 35 중량부, 알루미나(Al2O3) 35 중량부를 함께 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 세라믹+금속으로 이루어진 촉매용 담체를 제조하였다. 단, 소결온도는 950∼1,100 ℃의 온도 범위에서 조절하였다.
실시예 4
상기 실시예 1 내지 3에 의해 제작된 촉매용 담체에 SCR(Selective Catalytic Reduction)촉매, VOC's(Volatile Organic Compounds)촉매 , H2S 흡착촉매, 기타 다양한 기능성 촉매 등을 워시코트(Washcoat), 스프레이(Spray) 등의 방법으로 코팅하여 담지한 경우를 도 6 내지 8에 도시한다.
이상에서 설명한 본 발명은 아래의 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되는 것은 아니고, 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 해당 기술분야의 당업자가 다양하게 수정 및 변경시킨 것 또한 본 발명의 범위 내에 포함됨은 물론이다.
Claims (9)
- a)ⅰ) 철, 알루미늄, 구리, 스텐레스, 텅스텐, 코발트, 몰리브덴, 니켈, 은, 베릴늄 및 상기 각 금속의 합금으로 이루어지는 군으로부터 적어도 1 종이 선택되는 금속 분말 또는 ⅱ) 탄화규소, 알루미나, 실리마나이트, 카올린, 실리카, 티타니아 철강 슬래그, 폐 주물사, 규조토 및 점토로 이루어지는 군으로부터 적어도 1 종이 선택되는 세라믹 분말 또는 ⅲ) 상기 금속분말 및 상기 세라믹 분말을 100:1 내지 1:100으로 혼합한 혼합분말로 이루어지는 분말 10 내지 70 중량부;윤활제 5 내지 30 중량부;바인더 1 내지 50 중량부; 및분산액 10 내지 90 중량부를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;b) 상기 a)단계에서 제조한 슬러리를 수지발포체로 이루어진 담지체에, 담지체 면에 수직한 축에 대하여 10 내지 30 도의 각도로 기울여 스프레이하여 담지하는 단계;c) 상기 b)단계에서 스프레이 법으로 슬러리가 담지된 담지체를 성형하는 단계;d) 상기 c)단계에서 슬러리가 담지된 성형물을 건조하는 단계; 및,e) 상기 d)단계에서 건조된 성형물을 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매용 담체의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 b)단계의 스프레이 담지 전에 슬러리가 담지될 담지체를 일정형태로 성형하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매용 담체의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 a)단계의 윤활제는 왁스 또는 윤활유인 것을 특징으로 하는 촉매용 담체의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 a)단계의 바인더는 가) 프리트(frit) 또는 탄산바륨(BaCO3)으로 이루어지는 무기바인더 또는 나) MAP(mono aluminium phosphate), 물풀(water binder), 폴리비닐부티랄, 폴리비닐알코올, 및 폴리비닐아세테이트로 이루어지는 군으로부터 적어도 1 종이 선택되는 유기바인더 또는 다) 상기 무기바인더 및 유기바인더의 혼합체인 것을 특징으로 하는 촉매용 담체의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 b)단계의 담지체는 폴리우레탄 에테르 발포체(Polyurethane Ether Foam) 또는 폴리우레탄 에스터 발포체(Polyurethane Ester Foam)를 포함하는 우레탄 폼(Foam) 형태의 수지발포체인 것을 특징으로 하는 촉매용 담체의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 e)단계에 의하여 생성된 소결체의 표면에 촉매를 코팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매용 담체의 제조방법.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 촉매용 담체의 제조방법에 의하여 제조되어, 다공성 구조를 가지는 발포 지지체인 것을 특징으로 하는 촉매용 담체.
- 제7항에 있어서,상기 촉매용 담체는 원판형, 사각판형, 원통형 또는 방사형 절곡 튜브 형상인 것을 특징으로 하는 촉매용 담체.
- 제7항에 있어서,상기 촉매용 담체는 그 표면에 촉매 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매용 담체.
Applications Claiming Priority (2)
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| KR1020070104352A KR20080034804A (ko) | 2006-10-17 | 2007-10-17 | 촉매용 담체의 제조방법 및 이에 의하여 제조되는 촉매용담체 |
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2007
- 2007-10-17 KR KR1020070104352A patent/KR20080034804A/ko not_active Application Discontinuation
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