KR20130062291A - Method of preparing porous carbon - Google Patents

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KR20130062291A
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피터 브란튼
엘리자베쓰 도우슨
개러스 파크스
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브리티시 아메리칸 토바코 (인베스트먼츠) 리미티드
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Abstract

본 발명은 연기 여과에서 사용하기 위한 흡착 성질을 갖는 다공성 카본을 제조하는 방법으로서, 출발 물질을 알칼리 용액으로 사전 처리하고 사전-처리된 물질로부터 알칼리 용액을 제거하고 이후에 사전-처리된 물질을 활성화시킴을 포함하되, 출발 물질이 탄소 전구체 또는 미세다공성 카본 물질인, 방법을 제공한다. 바람직하게, 알칼리 용액은 활성화 단계 이전에 제거된다. 본 발명은 또한, 미세기공 및 메소기공을 갖는 다공성 카본, 및 이의 용도를 제공한다.The present invention is a method of preparing porous carbon having adsorptive properties for use in smoke filtration, wherein the starting material is pretreated with an alkaline solution, the alkaline solution is removed from the pre-treated material and thereafter activated the pre-treated material. System, wherein the starting material is a carbon precursor or a microporous carbon material. Preferably, the alkaline solution is removed before the activation step. The present invention also provides a porous carbon having micropores and mesopores, and uses thereof.

Description

다공성 카본을 제조하는 방법 {METHOD OF PREPARING POROUS CARBON}Method for producing porous carbon {METHOD OF PREPARING POROUS CARBON}

본 발명은 다공성 카본 물질을 제조하는 방법, 및 특히 미세기공(micropore) 및 메소기공(mesopore)을 갖는 다공성 카본을 생산하기 위해 설계된 방법에 관한 것이다. 얻어진 다공성 카본은, 다공성 구조가 통상적인 활성탄과 비교하여 증기상 연기 독성물의 흡착을 개선시킬 수 있기 때문에, 흡연 물품의 연기 여과에 특히 유용하다.The present invention relates to a method for producing a porous carbon material and in particular a method designed for producing porous carbon having micropores and mesopores. The obtained porous carbon is particularly useful for smoke filtration of smoking articles, because the porous structure can improve the adsorption of vaporous smoke toxicants as compared to conventional activated carbon.

여과(filtration)는 흡연 동안 흡입되는 특정 미립자 및/또는 담배 연기의 증기상 구성성분들을 감소시키기 위해 사용된다. 이는 특정의 관능적 성분들(organoleptic component)과 같은 다른 성분들의 수준을 크게 떨어뜨리지 않고 이에 의해 제품의 품질 또는 맛을 저하시키지 않으면서 달성되는 것이 중요하다.Filtration is used to reduce the vapor phase components of certain particulates and / or tobacco smoke that are inhaled during smoking. It is important that this is achieved without significantly degrading the level of other ingredients such as certain organoleptic components and thereby degrading the quality or taste of the product.

흡연 물품 필터는 통상적으로 물리적 흡착에 의해 특정 연기 구성성분들을 흡착시키기 위해 (필터 재료 전반에 걸쳐 또는 필터의 공동에 분산된) 다공성 카본 물질을 포함할 수 있다. 이러한 다공성 카본 물질은 탄화된 형태의 여러 상이한 유기 물질, 가장 통상적으로 식물-기반 물질, 예를 들어 코코넛 껍질로부터 제조될 수 있다.Smoking article filters may typically include a porous carbon material (dispersed throughout the filter material or in the cavity of the filter) to adsorb certain smoke components by physical adsorption. Such porous carbon materials can be prepared from several different organic materials in carbonized form, most commonly plant-based materials such as coconut husks.

활성탄 물질은 이들의 큰 표면적, 미세다공성 구조, 및 높은 정도의 표면 반응성으로 인하여 다목적 흡착재로서 널리 사용되고 있다. 특히, 이러한 물질들은 카본에 결합하는 유기 분자들의 높은 용량으로 인하여 유기 및 무기 오염 물질들의 흡착에서 특히 효과적이다.Activated carbon materials are widely used as multipurpose sorbents because of their large surface area, microporous structure, and high degree of surface reactivity. In particular, these materials are particularly effective in the adsorption of organic and inorganic contaminants due to the high capacity of organic molecules binding to carbon.

활성탄은 통상적으로 코코넛 껍질, 목재 분말, 이탄(peat), 뼈, 콜타르(coal tar), 수지 및 관련된 폴리머를 포함하는 물질들로부터 형성된다. 코코넛 껍질은, 값싸고 용이하게 입수 가능하고 또한 환경 친화적이기 때문에, 활성탄의 생산을 위한 원료 물질로서 특히 매력적이다. 또한, 코코넛 껍질로부터 매우 순수하고 높은 표면적을 갖는 활성탄 물질을 생산하는 것이 가능하다.Activated carbon is typically formed from materials including coconut shells, wood powder, peat, bone, coal tar, resins and related polymers. Coconut husk is particularly attractive as a raw material for the production of activated carbon because it is inexpensive, readily available and environmentally friendly. It is also possible to produce activated carbon materials which are very pure and have a high surface area from coconut shells.

상이한 환경에서 흡착재로서의 활성탄 물질의 성능 및 적합성은 입자의 외형 및 크기, 기공 크기, 물질의 표면적 등을 포함하는 물질의 다양한 물리적 성질들에 의해 결정된다. 이러한 다양한 파라미터들은 활성탄이 생산되는 공정 및 조건들을 조작함으로써 제어될 수 있다.The performance and suitability of activated carbon materials as adsorbents in different environments is determined by the various physical properties of the material, including the appearance and size of the particles, pore size, surface area of the material, and the like. These various parameters can be controlled by manipulating the processes and conditions under which activated carbon is produced.

일반적으로, 다공성 물질의 표면적이 클수록, 물질의 흡착 용량이 커진다. 그러나, 물질의 표면적이 증가하기 때문에, 밀도 및 구조적 보전성이 떨어진다. 또한, 기공의 갯수를 증가시키고 기공을 더욱 작게 만듦으로써 물질의 표면적이 증가될 수 있지만, 기공의 크기가 타겟 분자의 크기에 근접함에 따라, 타겟 분자가 기공으로 들어가고 물질에 흡착할 가능성이 더 적어진다. 이는, 여과되는 물질이 흡연 물품에서의 경우에서와 같이, 활성탄 물질에 관하여 높은 유속을 갖는 경우 특히 그러하다.In general, the larger the surface area of the porous material, the greater the adsorption capacity of the material. However, because the surface area of the material increases, the density and structural integrity are poor. In addition, the surface area of the material can be increased by increasing the number of pores and making the pores smaller, but as the pore size approaches the size of the target molecule, the target molecule is less likely to enter the pores and adsorb to the material. Lose. This is especially true when the material to be filtered has a high flow rate with respect to the activated carbon material, such as in smoking articles.

다공성 카본 물질을 제작하기 위해 사용되는 정밀한 방법은 이의 성질에 크게 영향을 미친다. 이에 따라, 광범위한 외형, 크기, 크기 분포, 기공 크기, 기공 부피, 기공 크기 분포 및 표면적을 갖는 탄소 입자들을 형성시키는 것이 가능하며, 이들 각각은 흡착재로서의 이의 유효성(effectiveness)에 영향을 미친다. 감손율(attrition rate)이 또한 중요한 변수인데, 낮은 감손율은 고속 필터 제작 동안에 먼지의 발생을 방지하기 위해 요망된다.The precise method used to fabricate porous carbon materials greatly affects their properties. Thus, it is possible to form carbon particles having a wide range of shapes, sizes, size distributions, pore sizes, pore volumes, pore size distributions and surface areas, each of which affects its effectiveness as an adsorbent. Attrition rate is also an important variable, where low loss rate is desired to prevent the generation of dust during high speed filter fabrication.

문헌[Adsorption (2008) 14: 335-341]에서 설명된 바와 같이, 통상적인 코코넛 카본(coconut carbon)은 필수적으로 미세다공성이며, 탄소 활성화 시간의 증가는 미세기공의 갯수 및 표면적의 증가를 초래하지만, 기공 크기 또는 분포에 있어 어떠한 실제적인 변화도 형성시키지 않는다.As described in Adsorption (2008) 14: 335-341, conventional coconut carbon is essentially microporous and an increase in carbon activation time results in an increase in the number of micropores and the surface area. However, it does not form any practical change in pore size or distribution.

당업자에 의해 사용되는 명명법에 따르면, 직경이 2 nm 미만인 흡착성 물질에서의 기공은 "미세기공(micropore)"이라 칭하며, 2 nm 내지 50 nm의 직경을 갖는 기공은 "메소기공(mesopore)"이라 칭한다. 기공은 그 직경이 50 nm를 초과하는 경우에 "마크로기공(macropore)"으로서 칭하여진다. 500 nm 보다 큰 직경을 갖는 기공은 대개 다공성 물질의 흡착성에 크게 기여하지 않는다.According to the nomenclature used by those skilled in the art, the pores in an adsorbent material less than 2 nm in diameter are referred to as "micropore" and the pores having a diameter of 2 nm to 50 nm are referred to as "mesopore". . Pores are referred to as "macropores" when their diameter exceeds 50 nm. Pores with diameters larger than 500 nm usually do not contribute significantly to the adsorptivity of the porous material.

다공성 카본 물질에서 기공 크기의 분포는 흡착 특징에 영향을 미치며, 미세기공 및 메소기공이 풍부한 활성탄 물질이 증기상의 담배 연기로부터 원치않는 물질의 우수한 여과, 및 필수적으로 미세기공만을 포함한 카본에 비해 개선점을 나타내는 것으로 밝혀졌다.The pore size distribution in porous carbon materials affects adsorption characteristics, and activated carbon materials rich in micropores and mesopores provide improved filtration of unwanted materials from vaporous tobacco smoke, and improvements over carbon, including essentially micropores only. It was found to indicate.

활성탄에 메소기공을 도입시키기 위한 이전 시도는 난관에 봉착하였는데, 메소다공성 활성탄을 신뢰성 있고 재현 가능하게 제조하는 것이 어려운 것으로 밝혀졌다. 카본의 흡착 특성을 최적화하기 위하여, 종래에 활성탄의 메소기공 및 미세기공 부피를 조정하는 것이 확실하게 가능하지 않다. 합성 메소다공성 카본이 제조되었지만, 이러한 것들은 비교적 값비싸다.Previous attempts to introduce mesopores into activated carbon have encountered difficulties, and it has been found to be difficult and reliable to produce mesoporous activated carbon. In order to optimize the adsorption properties of carbon, it is certainly not possible to conventionally adjust the mesopores and micropore volumes of activated carbon. Synthetic mesoporous carbon has been produced, but these are relatively expensive.

상기 기술을 고려하여, 본 발명의 목적은 미세기공 및 메소기공 둘 모두를 갖는 연기 여과를 위한 다공성 카본 물질을 생산하기 위한 저렴하고 간단한 방법을 제공하기 위한 것이다.In view of the above technique, it is an object of the present invention to provide an inexpensive and simple method for producing porous carbon materials for smoke filtration with both micropores and mesopores.

이에 따라, 본 발명의 제 1 양태는, 출발 물질을 알칼리 용액으로 사전-처리하고 이후에 사전-처리된 물질을 활성화시킴을 포함하되, 출발 물질이 탄소 전구체 또는 미세다공성 카본 물질인, 연기 여과에 사용하기에 적합한 흡착 성질을 갖는 메소기공을 지닌 다공성 카본을 제조하는 방법을 제공한다. 출발 물질이 탄소 전구체인 경우에, 알칼리 용액은 바람직하게 활성화 단계 이전에 제거되며, 사전-처리된 물질은 바람직하게 활성화 이전에 탄화된다.Accordingly, a first aspect of the invention includes pretreating the starting material with an alkaline solution and then activating the pre-treated material, wherein the starting material is a carbon precursor or a microporous carbon material. Provided is a method of making porous carbon with mesopores having adsorptive properties suitable for use. If the starting material is a carbon precursor, the alkaline solution is preferably removed before the activation step, and the pre-treated material is preferably carbonized before activation.

본 발명의 제 2 양태에 따르면, 본 발명의 제 1 양태에 따른 방법에 의해 수득되거나 수득 가능한 다공성 카본이 제공된다.According to a second aspect of the invention, there is provided a porous carbon obtained or obtainable by the process according to the first aspect of the invention.

본 발명의 제 3 양태에 따르면, 본 발명의 제 2 양태에 따른 다공성 카본을 포함하는, 흡연 물품용 필터일 수 있는 필터 부재가 제공된다.According to a third aspect of the invention, there is provided a filter element, which may be a filter for a smoking article, comprising a porous carbon according to the second aspect of the invention.

본 발명의 제 4 양태에 따르면, 본 발명의 제 2 양태에 따른 다공성 카본을 포함하는 흡연 물품이 제공된다.According to a fourth aspect of the invention, there is provided a smoking article comprising the porous carbon according to the second aspect of the invention.

도 1a는 다양한 활성탄 샘플의 N2 흡착 등온선을 도시한 것이다.
도 1b는 도 1a의 활성탄 샘플의 흡착 성질을 나타낸 막대 그래프를 도시한 것이다.
도 2는 도 1a 및 도 1b의 활성탄 샘플의 물리적 성질을 나타낸 표를 도시한 것이다.
도 3은 다양한 활성탄 샘플의 물리적 성질을 나타낸 표를 도시한 것이다.
도 4는 도 3의 활성탄 샘플의 N2 흡착 등온선을 도시한 것이다.
도 5는 도 3의 활성탄 샘플의 흡착 성질을 나타낸 막대 그래프를 도시한 것이다.
도 6은 다양한 활성탄 샘플의 N2 흡착 등온선을 도시한 것이다.
도 7은 다양한 활성탄 샘플의 흡착 성질을 나타낸 막대 그래프를 도시한 것이다.
도 8은 다양한 활성탄 샘플의 조직 성질(textural property)에 대한 NaOH 몰 농도의 효과를 도시한 것이다.
1A shows N 2 adsorption isotherms of various activated carbon samples.
FIG. 1B shows a bar graph showing the adsorption properties of the activated carbon sample of FIG. 1A.
FIG. 2 shows a table showing the physical properties of the activated carbon samples of FIGS. 1A and 1B.
3 shows a table showing the physical properties of various activated carbon samples.
4 shows an N 2 adsorption isotherm of the activated carbon sample of FIG. 3.
FIG. 5 shows a bar graph showing the adsorption properties of the activated carbon sample of FIG. 3.
6 shows N 2 adsorption isotherms of various activated carbon samples.
7 shows a bar graph showing the adsorption properties of various activated carbon samples.
8 shows the effect of NaOH molar concentration on the textural properties of various activated carbon samples.

본 발명은 활성화 단계 이전에 출발 물질을 알칼리 용액으로 사전-처리함을 포함하는 방법에 관한 것이다. 이러한 사전-처리되거나 도핑된 물질의 활성화는 활성화 단계 동안 메소기공의 형성을 조장한다. 사전-처리하지 않는 경우에, 동일한 활성화 단계는 단지 미세기공의 형성을 초래할 것이다.The invention relates to a process comprising pre-treating the starting material with an alkaline solution prior to the activation step. Activation of this pre-treated or doped material encourages the formation of mesopores during the activation step. If not pre-treated, the same activation step will only result in the formation of micropores.

본 발명의 방법을 위한 출발 물질은 임의의 탄소 전구체 물질일 수 있다. 이러한 탄소 전구체 물질은 예를 들어 코코넛 껍질, 또는 피스타치오 견과 껍질, 목재 칩 및 대나무를 포함하는 다른 천연 물질을 포함하는 임의의 리그노셀룰로오스 물질일 수 있다.The starting material for the process of the invention can be any carbon precursor material. Such carbon precursor material may be any lignocellulosic material, including, for example, coconut shells or other natural materials including pistachio nut shells, wood chips and bamboo.

출발 물질이 탄소 전구체 물질인 경우에, 알칼리 용액은 바람직하게, 활성화 단계 이전에, 바람직하게 반복된 세척 단계에 의해, 사전-처리된 물질로부터 제거된다.If the starting material is a carbon precursor material, the alkaline solution is preferably removed from the pre-treated material, preferably by a repeated washing step, prior to the activation step.

대안적인 구체예에서, 본 발명의 방법을 위한 출발 물질은 미세다공성 카본이다. 이러한 구체예에서, 본 방법은 이미 미세다공성인 탄소 구조에 메소기공을 도입한다. 미세다공성 카본 출발 물질은 통상적으로 활성탄, 예를 들어 미세다공성 활성 코코넛 카본일 수 있거나, 이는 합성 미세다공성 카본일 수 있다.In an alternative embodiment, the starting material for the process of the invention is microporous carbon. In this embodiment, the method introduces mesopores into a carbon structure that is already microporous. The microporous carbon starting material can typically be activated carbon, for example microporous activated coconut carbon, or it can be synthetic microporous carbon.

출발 물질이 탄소 전구체인 경우에, 탄소 전구체는 알칼리 용액으로 사전-처리되며, 얻어진 사전-처리된 물질은 바람직하게, 탄화되고, 이후에 활성화된다. 통상적인 탄화 방법(charring method)이 사용될 수 있다.If the starting material is a carbon precursor, the carbon precursor is pre-treated with an alkaline solution, and the obtained pre-treated material is preferably carbonized and subsequently activated. Conventional charring methods can be used.

출발 물질이 미세다공성 카본 물질인 경우에 어떠한 탄화 단계도 요구되지 않는다.No carbonization step is required if the starting material is a microporous carbon material.

알칼리 용액 효과의 정밀한 특성은 전부 이해되지 않지만, 알칼리가 리그닌, 헤미셀룰로오스 및/또는 코코넛 껍질과 같은 리그노셀룰로오스 탄소 전구체의 셀 구조(cell structure)의 다른 성분들 중 일부의 용해에서 참여될 수 있는 것으로 여겨진다. 이러한 가설은 하기 제공된 실험 데이타에 의해 지지된다. 전구체에 결합된 채로 유지되는 잔류 소듐 이온들은 탄소 가스화를 촉매화할 수 있다.Although the precise nature of the alkaline solution effect is not entirely understood, it is believed that alkali may participate in the dissolution of some of the other components of the cell structure of lignocellulosic carbon precursors such as lignin, hemicellulose and / or coconut husks. Is considered. This hypothesis is supported by the experimental data provided below. Residual sodium ions that remain bound to the precursor can catalyze carbon gasification.

놀랍게도, 활성탄에서 메소기공의 생산이 기술된 범위에 걸친 알칼리 농도에 대해 독립적인 것으로 밝혀졌다. 이에 따라, 사전-처리 단계에서 0.1M 정도로 낮은 농도 내지 4M 또는 보다 높은 농도를 갖는 알칼리 용액을 사용하는 것이 가능하다. 도 8에 도시된 그래프에 의해 명시된 바와 같이, 1M의 농도를 갖는 용액을 사용할 때 메소기공이 최대인 것으로 나타나는데, 이는 비교적 약한 알칼리 용액이 사용될 수 있음을 시사하는 것이다. 도 8은 스팀 중에서, 700℃로 4시간 동안 활성화된, 세척되지 않은 카본의 구조적 성질에 대한 NaOH 몰 농도의 효과를 도시한 것이다. 이러한 그래프는 탄소화(carbonisation) 이전 그리고 활성화 이후에 코코넛 껍질을 사전-처리하는데 사용되는 NaOH의 몰 농도를 나타낸 것으로서, 이러한 곡선은 활성화된 생성물의 표면적/다공도에 대한 효과를 나타낸다.Surprisingly, it has been found that the production of mesopores in activated carbon is independent of alkali concentrations over the described ranges. Thus, it is possible to use alkaline solutions with concentrations as low as 0.1M to 4M or higher in the pre-treatment step. As indicated by the graph shown in FIG. 8, mesopores appear to be maximum when using a solution with a concentration of 1 M, suggesting that a relatively weak alkaline solution can be used. FIG. 8 shows the effect of NaOH molar concentration on the structural properties of unwashed carbon, activated at 700 ° C. for 4 hours in steam. This graph shows the molar concentration of NaOH used to pre-treat the coconut shell before carbonization and after activation, and this curve shows the effect on the surface area / porosity of the activated product.

본 발명의 바람직한 구체예에서, 알칼리 용액은 소듐 하이드록사이드(NaOH) 수용액이다. NaOH의 사용이 본 발명에 따른 방법에서 메소기공을 생성시키는데 특히 효과적인 것으로 밝혀졌다. NaOH 용액은 약 0.1M, 0.2M, 0.5M, 또는 0.7M 내지 약 1M, 2M, 3M, 4M, 또는 보다 큰 농도를 가질 수 있다. 또 다시, 비교적 약한 용액, 예를 들어 1M 용액이 바람직할 수 있다.In a preferred embodiment of the invention, the alkaline solution is an aqueous sodium hydroxide (NaOH) solution. The use of NaOH has been found to be particularly effective in producing mesopores in the process according to the invention. The NaOH solution may have a concentration of about 0.1M, 0.2M, 0.5M, or 0.7M to about 1M, 2M, 3M, 4M, or greater. Again, relatively weak solutions may be preferred, for example 1M solutions.

대안적으로, 사용되는 알칼리 용액은 예를 들어 Na2C03, KOH, K2C03, KHC03 및 NH4OH일 수 있다. NaOH 및 Na2C03 용액이 바람직하다.Alternatively, the alkaline solution used may be Na 2 CO 3 , KOH, K 2 CO 3 , KHC0 3 and NH 4 OH, for example. NaOH and Na 2 CO 3 solutions are preferred.

본 발명의 방법의 다른 구체예에서, 알칼리 용액으로의 사전-처리 이후에 철 및 구리와 같은, 탄소 가스화를 촉매화할 수 있는 염의 용액으로의 처리가 수행된다. 이에 따라, 예를 들어, 탄소 전구체는 황산제일철 용액을 사용하여 처리될 수 있다. 금속 염 용액이 NaOH와 같은 알칼리 용액과 혼합되는 경우에 금속이 침전되기 때문에, 염 용액으로의 처리는 바람직하게 사전-처리 단계에 대해 별도 단계 형태이다. 염 용액으로의 처리는 알칼리 용액 사전-처리 단계 이전 또는 이후에 수행될 수 있다.In another embodiment of the process of the invention, after pre-treatment with alkaline solution, treatment with a solution of salts capable of catalyzing carbon gasification, such as iron and copper, is carried out. Thus, for example, the carbon precursor can be treated using ferrous sulfate solution. Since the metal precipitates when the metal salt solution is mixed with an alkaline solution such as NaOH, treatment with the salt solution is preferably in the form of separate steps for the pre-treatment step. Treatment with the salt solution may be carried out before or after the alkaline solution pre-treatment step.

사전-처리 단계는 실온에서 출발 물질을 알칼리 용액과 접촉시킴을 포함할 수 있다. 또 다른 구체예에서, 본 발명의 사전-처리 단계에서 사용되는 알칼리 용액은 실온 보다 높은 온도를 갖는다. 특히 바람직한 구체예에서, 카본을 사전-처리하기 위해 사용되는 알칼리 용액은 30 내지 60℃의 온도를 갖는데, 이는 메소기공의 형성을 향상시킬 것이다.The pre-treatment step may comprise contacting the starting material with an alkaline solution at room temperature. In another embodiment, the alkaline solution used in the pre-treatment step of the present invention has a temperature higher than room temperature. In a particularly preferred embodiment, the alkaline solution used to pre-treat the carbon has a temperature of 30 to 60 ° C., which will improve the formation of mesopores.

출발 물질이 알칼리 용액으로 도핑되거나 사전-처리된 직후에, 알칼리 용액이 제거되어야 하는 경우에, 이는, 액체가 모든 알칼리가 제거됨을 나타내는 pH 중성이 될 때까지 반복된 세척에 의해 달성될 수 있다. 산으로의 세척은 알칼리의 제거를 가속시킬 수 있다.If the alkaline solution is to be removed immediately after the starting material is doped or pre-treated with the alkaline solution, this can be achieved by repeated washing until the liquid is pH neutral indicating that all alkali is removed. Washing with acid can accelerate the removal of alkali.

출발 물질이 탄소 전구체일 때, 본 발명의 방법에서 다음 단계는 바람직하게 사전-처리된 물질의 탄화(charring)이다. 탄화 (또는 탄소화(carbonisation))는 높은 열로 처리할 때 고체의 불완전 연소의 화학적 공정이다. 열의 작용에 의하여, 탄화는, 잔류하는 생성물인 차(char)가 주로 탄소로 이루어지도록, 고체로부터 수소 및 산소를 제거한다.When the starting material is a carbon precursor, the next step in the process of the invention is preferably charring of the pre-treated material. Carbonization (or carbonisation) is a chemical process of incomplete combustion of solids when treated with high heat. By the action of heat, carbonization removes hydrogen and oxygen from the solids such that the remaining product, char, consists mainly of carbon.

사용될 수 있는 적합한 탄화 또는 탄소화 방법은 피트법(pit method), 드럼법(drum method), 및 분해 증류(destructive distillation)와 같은 당업자에게 잘 알려진 방법들을 포함한다.Suitable carbonization or carbonization methods that can be used include methods well known to those skilled in the art, such as the pit method, drum method, and destructive distillation.

예를 들어, 탄화 단계(charring step)는 사전-처리된 카본을 적어도 500℃의 온도로 가열하고 카본을 이러한 온도에서 수 시간 동안 유지시킴을 포함할 수 있다. 일 구체예에서, 탄화 단계는 사전-처리된 카본을 100 ㎤/분의 속도로 흐르는 N2 하에서, 600℃까지 10℃/분의 속도로 가열함을 포함한다.For example, the charring step may include heating the pre-treated carbon to a temperature of at least 500 ° C. and maintaining the carbon at this temperature for several hours. In one embodiment, the carbonization step comprises heating the pre-treated carbon at a rate of 10 ° C./min to 600 ° C., under N 2 flowing at a rate of 100 cm 3 / min.

탄화 이후에, 카본은 냉각되며, 카본 표면은 바람직하게, 예를 들어 습한 N2 흐름에 대한 노출에 의해 탈활성화된다. 적열(red-heat)을 야기시키는 발열 O2 흡착의 높은 위험성으로 인하여, 이러한 탈활성화는 필수적이다. 이후에, 탄화된 물질(charred material)이 활성화된다.After carbonization, the carbon is cooled and the carbon surface is preferably deactivated, for example by exposure to a humid N 2 stream. Due to the high risk of exothermic O 2 adsorption causing red-heat, this deactivation is essential. Thereafter, the charred material is activated.

본 발명의 방법에서의 활성화는 물리적 또는 화학적 수단 중 어느 하나에 의해 이루어질 수 있으며, 통상적인 활성화 기술들이 사용될 수 있다. 바람직하게, 물질은 물리적 수단에 의해 활성화되며, 가장 바람직하게, 물질은 질소 및 스팀, 또는 대안적으로 CO2를 사용하여 활성화된다.Activation in the method of the present invention can be accomplished by either physical or chemical means, and conventional activation techniques can be used. Preferably, the substance is activated by physical means, most preferably the substance is activated using nitrogen and steam, or alternatively CO 2 .

본 발명의 일 구체예에서, 사전-처리된 물질은 회전 가마(rotary kiln)와 같은 가마에서 제어된 질소 분위기 하에서 스팀과의 반응에 의해 활성화된다. 온도는 활성화 공정 동안에 중요하다. 온도가 너무 낮은 경우에, 반응은 느려지고 비경제적이다. 다른 한편으로, 온도가 너무 높은 경우에, 반응은 확산 제어되고 물질의 손실을 초래한다.In one embodiment of the invention, the pre-treated material is activated by reaction with steam under a controlled nitrogen atmosphere in a kiln, such as a rotary kiln. Temperature is important during the activation process. If the temperature is too low, the reaction is slow and uneconomical. On the other hand, if the temperature is too high, the reaction is diffusion controlled and leads to loss of material.

질소 및 스팀을 사용한 물질의 활성화는 700℃ 내지 1100℃의 온도에서 수행될 수 있다. 활성화 공정은 바람직하게 30분 내지 6시간 동안 수행된다. 가장 바람직하게, 물질은 약 700℃에서 4시간 동안 질소 및 스팀을 사용하여 활성화된다.Activation of the material with nitrogen and steam can be carried out at temperatures of 700 ° C to 1100 ° C. The activation process is preferably carried out for 30 minutes to 6 hours. Most preferably, the material is activated using nitrogen and steam at about 700 ° C. for 4 hours.

다른 구체예에서, 물질은 이산화탄소와의 반응에 의해 활성화된다. 이러한 경우에, 물질의 활성화는 700℃ 내지 1100℃의 온도에서 수행될 수 있으며, 바람직하게, 활성화는 800℃ 내지 1000℃의 온도에서 수행된다. 활성화 공정은 바람직하게 1 내지 6시간 동안 수행된다. 가장 바람직하게, 물질은 약 800℃에서 2 내지 4시간 동안 이산화탄소와의 반응에 의해 활성화된다.In another embodiment, the substance is activated by reaction with carbon dioxide. In this case, the activation of the material can be carried out at a temperature of 700 ° C. to 1100 ° C., preferably, the activation is carried out at a temperature of 800 ° C. to 1000 ° C. The activation process is preferably carried out for 1 to 6 hours. Most preferably, the material is activated by reaction with carbon dioxide at about 800 ° C. for 2-4 hours.

활성탄 물질의 표면적은 일정한 온도에서 질소의 부분압에 대한 물질에 의해 흡착된 질소의 부피의 변화를 측정함으로써 추정된다. 브루나우어(Brunauer), 엠메트(Emmett) 및 텔러(Teller)에 의해 유래된 수학적 모델에 의한 결과의 분석은 BET 표면적으로서 알려진 수치를 야기시킨다.The surface area of activated carbon material is estimated by measuring the change in the volume of nitrogen adsorbed by the material to the partial pressure of nitrogen at a constant temperature. Analysis of the results by mathematical models derived from Brunauer, Emmmett and Teller leads to a figure known as the BET surface area.

본 발명의 방법에 의해 형성된 활성탄 물질의 BET 표면적은 적어도 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800 또는 적어도 1900 ㎡/g이다. 본 발명의 방법에 의해 형성된 카본 물질의 BET 표면적에 대한 통상적인 수치는 850 ㎡/g이다. 700 ㎡/g 내지 1300 ㎡/g의 BET 표면적을 갖는 다공성 카본 물질이 바람직하다.The BET surface area of the activated carbon material formed by the method of the present invention is at least 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800 or at least 1900 M 2 / g. Typical values for the BET surface area of the carbon materials formed by the process of the invention are 850 m 2 / g. Preference is given to porous carbon materials having a BET surface area of 700 m 2 / g to 1300 m 2 / g.

활성탄 물질에서 미세기공, 메소기공 및 마크로기공의 상대적 부피는 널리 공지된 질소 흡착 및 수은 다공도 측정 기술을 이용하여 추정될 수 있다. 수은 다공도 측정은 메소기공 및 마크로기공의 부피를 추정하기 위해 사용될 수 있다. 질소 흡착은 소위 BJH 수학적 모델을 이용하여, 미세기공 및 메소기공의 부피를 추정하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 추정을 위한 이론적 베이스들이 상이하기 때문에, 두 가지 방법에 의해 얻어진 수치들은 서로 직접적으로 비교될 수 없다.The relative volumes of micropores, mesopores and macropores in activated carbon materials can be estimated using well known nitrogen adsorption and mercury porosimetry techniques. Mercury porosity measurements can be used to estimate the volume of mesopores and macropores. Nitrogen adsorption can be used to estimate the volume of micropores and mesopores using a so-called BJH mathematical model. However, because the theoretical bases for this estimation are different, the values obtained by the two methods cannot be directly compared with each other.

본 발명의 방법은 메소기공 및 미세기공을 포함하는 기공 구조를 갖는 활성탄 물질을 산출한다. 본 발명의 바람직한 카본 물질에서, 적어도 20%, 그러나 바람직하게 95% 이하의 기공 부피(질소 흡착에 의해 추정되는 바와 같이)는 메소기공에 관한 것이다. 본 발명의 카본 물질의 합쳐진 미세기공 및 메소기공 부피의 백분율로서 메소기공의 부피에 대한 통상적인 최소 수치는 25%, 35%, 또는 45%이다. 이러한 부피에 대한 통상적인 최대 수치는 95%, 90%, 또는 85%이다. 바람직하게, 본 발명의 카본 물질의 메소기공 부피는 전체 기공 부피의 55% 내지 70% 범위이다. 메소기공 대 미세기공의 비는 약 1:1 내지 약 3:1이고, 가장 바람직하게 약 2:1의 영역이다.The method of the present invention yields an activated carbon material having a pore structure comprising mesopores and micropores. In preferred carbon materials of the present invention, a pore volume (as estimated by nitrogen adsorption) of at least 20%, but preferably no more than 95%, relates to mesopores. Typical minimum values for the volume of mesopores as a percentage of the combined micropore and mesopore volume of the carbon material of the present invention are 25%, 35%, or 45%. Typical maximum values for this volume are 95%, 90%, or 85%. Preferably, the mesopore volume of the carbon material of the present invention ranges from 55% to 70% of the total pore volume. The ratio of mesopores to micropores is about 1: 1 to about 3: 1, most preferably about 2: 1.

본 발명의 방법에 의해 생성된 다공성 카본 물질은 바람직하게 적어도 0.4 ㎤/g, 및 바람직하게 적어도 0.5 ㎤/g의 기공 부피(질소 흡착에 의해 추정됨)를 갖는다. 적어도 0.5 ㎤/g의 기공 부피를 갖는 카본 물질은 담배 연기에 대한 흡착재로서 특히 유용하다. 2 ㎤/g 보다 현저하게 큰 기공 부피를 갖는 본 발명에 따른 카본 물질은 낮은 밀도를 가지고, 이에 따라 궐련 생산 장치에서 조작하기에 보다 덜 용이하다. 이러한 카본 물질은 이러한 이유로 궐련 또는 연기 필터(smoke filter)에서 사용하기에 덜 바람직할 수 있다.The porous carbon material produced by the process of the invention preferably has a pore volume (estimated by nitrogen adsorption) of at least 0.4 cm 3 / g, and preferably at least 0.5 cm 3 / g. Carbon materials having a pore volume of at least 0.5 cm 3 / g are particularly useful as adsorbents for tobacco smoke. Carbon materials according to the invention having a pore volume significantly greater than 2 cm 3 / g have a low density and are therefore less easy to operate in cigarette production equipment. Such carbon materials may for this reason be less desirable for use in cigarettes or smoke filters.

활성화 단계는 바람직하게, 얻어진 생성물이 요망되는 부피의 미세기공을 함유하게 하도록 조절된다. 본 발명의 일 구체예에서, 본 발명의 생성물은 적어도 1:2의 미세기공 대 메소기공의 비를 갖는데, 이는 양호한 연기 흡착 특징을 위해 요망된다.The activation step is preferably adjusted so that the product obtained contains the desired volume of micropores. In one embodiment of the invention, the product of the invention has a ratio of micropores to mesopores of at least 1: 2, which is desired for good smoke adsorption characteristics.

본 발명의 방법에 의해 형성된 활성탄은 모놀리틱(monolithic) 또는 미립자 형태로 제공될 수 있다. 입자는 바람직하게 10 ㎛ 내지 1000 ㎛ 범위의 입자 크기를 가질 것이다. 바람직하게, 평균 입자 크기는 50 ㎛ 내지 500 ㎛, 더욱 바람직하게 100 ㎛ 내지 400 ㎛이다. 가장 바람직하게, 활성탄 물질의 입자는 150 ㎛ 내지 250 ㎛의 평균 크기를 갖는다.Activated carbon formed by the method of the present invention may be provided in monolithic or particulate form. The particles will preferably have a particle size in the range of 10 μm to 1000 μm. Preferably, the average particle size is between 50 μm and 500 μm, more preferably between 100 μm and 400 μm. Most preferably, the particles of activated carbon material have an average size of 150 μm to 250 μm.

출발 물질로서 셀룰로오스 탄소 전구체를 사용한 실험Experiment using cellulose carbon precursor as starting material

원료 껍질(Raw shell ( rawraw shellshell )의 용액 처리Solution treatment

용질로서 연구된 대부분의 무기 화합물들은, 이러한 것들이 셀룰로오스 탄소 전구체의 통상적인 화학적 활성화에서 사용되기 때문에 선택되었는데, 통상적인 화학적 활성화에서 이러한 화합물들은 전구체와 건식 혼합되지만, 이러한 프로젝트에서 사용되는 것 보다 매우 큰 농도(적어도 1:1)로 혼합된다. 허용되는 반응 경로는 탈수/분해에 의한 것이며, 이는 차(char)의 물리적 활성화(스팀 또는 CO2를 사용함)에 의해 형성된 것 보다 더욱 메소다공성인 활성탄을 생성되게 하는 경향이 있다. 그러나, 무기 성분은 일반적으로 활성화 공정의 마지막에 세척되어야 한다.Most inorganic compounds studied as solutes were selected because these are used in the conventional chemical activation of cellulose carbon precursors, which in general chemical activation are dry mixed with the precursors, but are much larger than those used in these projects. Mix in concentration (at least 1: 1). Acceptable reaction pathways are by dehydration / decomposition, which tends to produce activated carbon that is more mesoporous than that formed by physical activation of char (using steam or CO 2 ). However, the inorganic component generally has to be washed at the end of the activation process.

코코넛 껍질(100 g)을 NaOH (4M, 2M, 1M), Na2C03, KOH, K2C03, 및 KHC03의 300 ㎤ 수용액 (대개 1 내지 2M) 중에서 50℃에서 4시간 동안 교반하였다. 이후에, 액체가 중성이 될 때까지 상기 껍질을 세척하고 100℃에서 밤새 건조시켰다.Coconut shell (100 g) was stirred for 4 h at 50 ° C. in a 300 cm 3 aqueous solution of NaOH (4M, 2M, 1M), Na 2 CO 3 , KOH, K 2 CO 3 , and KHC0 3 (usually 1 to 2M). . The shell was then washed and dried at 100 ° C. overnight until the liquid became neutral.

탄화(carbonization( charringcharring ))

코코넛 껍질을 흐르는 N2(100 ㎤/분) 중에서 600℃까지 10℃/분으로 가열하였다. 이후에, 코코넛 껍질을 600℃에서 4시간 동안 유지시켰다. 냉각시킬 때, 탄화된 껍질(charred shell)을 습한 N2 흐름(버블러)에 노출시켜 카본 표면을 비활성화시켰다(적열을 야기시키는 발열 O2 흡착의 높은 위험성으로 인해 필수적임). 100 g의 껍질/함침된 코코넛 껍질은 28 내지 29 g 차를 산출하였다.The coconut shell was heated to 10 ° C./min to 600 ° C. in flowing N 2 (100 cm 3 / min). Thereafter, the coconut shells were kept at 600 ° C. for 4 hours. Upon cooling, the carbonized shell was exposed to a wet N 2 stream (bubble) to inactivate the carbon surface (essential due to the high risk of exothermic O 2 adsorption causing redness). 100 g shells / impregnated coconut shells yielded a 28 to 29 g difference.

크립톤 흡착을 이용하여, NaOH-처리된 껍질로부터 유래된 차들 중 하나의 표면적 측정에서는 0.65 ㎡/g의 수치를 제공하였다. 이는, NaOH 단독 처리가 차에서 상당한 표면적을 발생시키지 못한다는 것을 나타낸다.Using krypton adsorption, the surface area measurement of one of the teas derived from the NaOH-treated husk provided a value of 0.65 m 2 / g. This indicates that treatment with NaOH alone does not result in significant surface area in the car.

활성화Activation

사용되는 표준 활성화 방법은 5 g의 차와 함께, 20 ㎤/분의 N2 흐름, 700℃에서 4시간 동안 시린지 펌프를 이용하여 도입된 물(5 ㎤/시간으로 20 ㎤)을 포함하였다.The standard activation method used included a 20 g 3 / min N 2 flow, water introduced using a syringe pump for 4 hours at 700 ° C. (20 cm 3/5 cm 3 / hour) with a 5 g difference.

활성화된 생성물의 구조적 특징분석(Structural Characterization of Activated Products texturaltextural characterisationcharacterisation ))

NaOH 처리와 스팀-활성화된 카본에서의 최종 메소다공도와의 연관성은 매우 크다.The association between NaOH treatment and final mesoporosity in steam-activated carbon is very high.

껍질은 고온의 NaOH 용액에 의해 분해되어, 스팀에서의 후속 활성화에서 메소기공의 형성을 매우 용이하게 하는 것으로 나타난다. 이는, 아마도 셀 구조의 리그닌/헤미셀룰로오스 또는 다른 성분들(표 1 참조) 중 일부의 용해로 인한 것이다. NaOH-처리된 껍질이 세척되었을 때 진한 적갈색의 액체는 이러한 제안(proposal)을 지지한다. 더욱 묽은 농도는 연구되지 않았지만, 이러한 효과는 1M 초과의 알칼리 용액의 몰 농도에 의존적인 것으로 나타나지 않았다. 그러나, 표 2에서의 숫자는, 단지 6 내지 7%의 물질이 알칼리 용액으로의 처리에 의해 제거되었다는 것을 나타낸다.The shell appears to decompose by hot NaOH solution, which greatly facilitates the formation of mesopores in subsequent activation in steam. This is probably due to the dissolution of some of the lignin / hemicellulose or other components of the cell structure (see Table 1). Dark reddish brown liquid supports this proposal when NaOH-treated shells are washed. No dilute concentrations were studied, but this effect did not appear to be dependent on the molar concentration of the alkaline solution above 1M. However, the numbers in Table 2 indicate that only 6-7% of the material was removed by treatment with alkaline solution.

표 1 - 코코넛 껍질의 분석Table 1-Analysis of Coconut Shells

Figure pct00001
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표 2 - 처리 이후 질량 손실Table 2-Mass Loss After Treatment

Figure pct00002
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NaOH 처리 이후에 껍질을 철저히 세척하였지만, 소량의 잔류 Na+의 존재가 배제될 수 없으며, 이는 스팀 활성화 공정에서 촉매적 또는 다른 효과를 가질 수 있다.The shells were thoroughly washed after NaOH treatment, but the presence of small amounts of residual Na + could not be ruled out, which could have a catalytic or other effect in the steam activation process.

연기 시험을 위한 샘플Sample for smoke test

연기 시험화를 위하여, 스케일-업(scale-up)(5배) 활성화는 정확한 입자 크기를 제공하기 위해 시빙(sieving)한 후에, 충분히 활성화된 샘플을 형성시켰다. 100 g 원료 껍질은 대략 28 내지 29 g 차를 산출하며, 이는 또한 16 내지 20 g의 활성탄을 산출한다. 또한 동일한 미세다공성을 제공하지만 메소기공을 제공하지 않는 대조 샘플을 미처리된 껍질로부터 제조하였다. 샘플 데이타 및 등온선은 도 1a의 그래프에 나타내었다. 샘플의 흡착 성질은 도 1b의 그래프에 나타내었다. 샘플의 성질은 도 2의 표에 기술되었다.For smoke testing, scale-up (5 times) activation formed a sufficiently activated sample after sieving to provide the correct particle size. 100 g raw shell yields approximately 28 to 29 g difference, which also yields 16 to 20 g of activated carbon. A control sample was also prepared from the untreated shell that provided the same microporosity but not mesopores. Sample data and isotherms are shown in the graph of FIG. 1A. Adsorption properties of the samples are shown in the graph of FIG. 1B. The properties of the samples are described in the table of FIG.

또한, 이들의 다공성 특징들에 대해, 스케일-업과 일반적인 5 g 스케일 생성물 간에 양호하게 일치하였다.In addition, for their porous characteristics, there was a good agreement between the scale-up and the typical 5 g scale product.

연기 분석 데이타는, 메소기공 부피가 증가된 카본 샘플(샘플 1, 2 및 5)은 매우 개선된 흡착을 나타내었으며, 시험된 모든 독성물에서, 대조군(샘플 6)에 비해 현저하게 양호한 감소를 나타내었다. 사용되는 모든 카본은 유사한 미세기공 부피를 가졌지만, 대조군이 단지 0.04 ㎤/g의 매우 낮은 메소기공 부피를 갖는 반면, 본 발명에 따른 방법에서 모든 사전-처리된 다른 샘플들은 매우 큰 메소기공 부피를 갖는다(도 2의 표 참조).Smoke analysis data showed that the carbon samples with increased mesopore volume (samples 1, 2 and 5) showed very improved adsorption and markedly better reductions compared to the control (sample 6) in all toxicants tested. It was. All carbons used had similar micropore volumes, but the control had a very low mesopore volume of only 0.04 cm 3 / g, while in the method according to the invention all other pre-treated samples had very large mesopore volumes. (See table in FIG. 2).

시험을 위해 추가 샘플들을 제공하였다(샘플 20, 21 및 22). 이러한 것들을 700℃에서 스팀-활성화된, NaOH-도핑된 껍질로부터 제조하였다. 이러한 샘플들 중 하나(샘플 22)를 세척하고 CO2에서 재-활성화시켜 표면적 및 미세다공도를 증가시켰다. 또한, 비교를 위해 순전히 미세다공성인 카본(샘플 24)를 제조하였다. 이러한 모든 샘플은 시험을 위해 제조된 제 1 샘플 보다 매우 큰 표면적, 미세- 및 메소다공도를 갖는다(도 1a, 1b 및 2의 데이타 참조). 이러한 샘플 세부 사항은 도 3의 표에 제공되었으며, 등온선은 도 4에 나타내었다.Additional samples were provided for testing (Samples 20, 21 and 22). These were prepared from NaOH-doped shells steam-activated at 700 ° C. One of these samples (Sample 22) was washed and re-activated in CO 2 to increase surface area and microporosity. In addition, purely microporous carbon (Sample 24) was prepared for comparison. All these samples have much greater surface area, micro- and mesoporosity than the first sample prepared for testing (see data in FIGS. 1A, 1B and 2). These sample details are provided in the table of FIG. 3, with the isotherm shown in FIG. 4.

이러한 재-활성화된 샘플에 대한 연기 분석 데이타는 도 5에 나타내었다. 이러한 결과는, 독성물의 감소가 제 1 샘플 세트와 비교하여 추가로 증가되었음을 나타낸다. 또한, 세척된 샘플(샘플 22)은 시험된 모든 독성물에 대해 다른 샘플에 비해 매우 개선된 흡착 특징을 나타내었다.Smoke analysis data for this re-activated sample is shown in FIG. 5. This result indicates that the reduction of toxins was further increased compared to the first sample set. In addition, the washed sample (Sample 22) showed very improved adsorption characteristics compared to the other samples for all toxicants tested.

처리후After processing 세척( wash( postpost -- treatmenttreatment washingwashing ))

세척에 의해 탄소화 이전의 껍질로부터 NaOH를 완전히 제거하려는 시도에도 불구하고, 최종 활성탄에 일부 NaOH가 잔류하여 알칼리성을 나타낸다. 세척에 의해 잔류 NaOH를 제거하기 위한 시도로 실험을 수행하였으며, 이를 통하여, 표면적 및/또는 다공도의 추가적인 증가가 달성된다.Despite attempts to completely remove NaOH from the shell prior to carbonization by washing, some NaOH remains in the final activated carbon, indicating alkalinity. Experiments were conducted in an attempt to remove residual NaOH by washing, through which further increases in surface area and / or porosity are achieved.

수행된 대부분의 실험에서, 물 또는 묽은 산에서 활성탄의 세척은, 하기 표 3 및 4의 데이타에 의해 알 수 있는 바와 같이, 알칼리도를 제거하고 표면적 및/또는 다공도의 증가를 제공한다. 활성화후 세척(post-activation washing)을 위해 물 또는 산을 사용하여 손실된 질량은 크게 차이가 나지 않는 것으로 나타났다.In most of the experiments performed, washing activated carbon in water or dilute acid removes alkalinity and provides an increase in surface area and / or porosity, as can be seen by the data in Tables 3 and 4 below. The mass lost using water or acid for post-activation washing did not appear to differ significantly.

표 3 - NaOH 도핑된 코코넛 껍질의 활성화후 세척에 대해 손실된 질량Table 3-Lost mass for post-activation washing of NaOH doped coconut husks

Figure pct00003
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표 4 - 구조적 특징에 대한 활성화후 세척의 효과Table 4-Effect of post-activation wash on structural features

Figure pct00004
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표 3 및 4의 데이타는, 최종 활성탄에 대략 20% 수용성 애시(ash)가 존재할 수 있음을 나타낸다. 이중 적어도 일부는 알칼리성 Na 화합물, 예를 들어 옥사이드(이는 세척수와 반응하여 NaOH를 형성할 수 있음)에 기인한 것일 수 있다. 이러한 물질은 기공 네트워크 내에 위치될 가능성이 있고, 이에 따라 기공들을 차단시키는 원인이 될 수 있다. 이러한 애시가 활성화후 세척 단계에 의해 용해되고 제거될 때, 전체 기공 네트워크는 가스상 흡착에 공개되며, 측정된 표면적 및 다공도는 증가한다.The data in Tables 3 and 4 show that approximately 20% water soluble ash may be present in the final activated carbon. At least some of these may be due to alkaline Na compounds, for example oxides, which may react with wash water to form NaOH. Such materials are likely to be located in the pore network, and thus may cause blocking of the pores. When this ash is dissolved and removed by the post-activation washing step, the entire pore network is released to gaseous adsorption, and the measured surface area and porosity increase.

이러한 요지로부터, 철저한 세척에 의해 코코넛 껍질로부터 모든 부식제(caustic)를 제거하려는 시도에도 불구하고, 일부 Na가 보유되는데, 이는, 전구체 매트릭스에 혼입되고 활성화를 촉진시키는 바, 카본이 활성화될 때 메소다공성의 발달에 핵심적이라고 결론을 내릴 수 있다.From this point, despite attempts to remove all caustic from coconut shells by thorough washing, some Na is retained, which is incorporated into the precursor matrix and promotes activation, which is mesoporous when carbon is activated. It can be concluded that it is essential to the development of.

원료 껍질의 용액 처리Solution treatment of raw shell

원료 코코넛 껍질을 NH4OH (0.880)로 처리하는 것은 NaOH 처리(16%)에서와 유사한 양의 물질을 제거하지만, 표준 활성화 조건들은 비교적 낮은 번 오프(burn off)(11%) 및 단지 미세기공을 갖는 생성물을 제공하는데, 이는 껍질 중의 리그닌이 알칼리에 의해 추출될 수 있지만, 혼입된 Na+ 이온이 메소기공을 제공하기 위하여 활성화 공정의 촉매작용을 위해 필수적이라는 이론을 지지한다.Treatment of the raw coconut shell with NH 4 OH (0.880) removes similar amounts of material as in NaOH treatment (16%), but standard activation conditions have relatively low burn off (11%) and only micropores. It provides a product, which supports the theory that although lignin in the shell can be extracted by alkali, the incorporated Na + ions are necessary for the catalysis of the activation process to provide mesopores.

출발 물질로서 미세다공성 카본을 사용한 실험Experiment using microporous carbon as starting material

코코넛 껍질을 NaOH 용액으로 처리하는 것이 메소다공성 활성탄을 제공하는 것으로 나타났지만, 이러한 절차는 Jacobi에 의해 Aquasorb®로 판매되는 상업적으로 입수 가능한 활성탄으로 확장된다. 활성화된 출발 물질의 카본 기공에 흡착된 소듐 이온의 존재가 추가 활성화를 촉진시키고 이러한 기공들을 선택적으로 넓어지게 하는 것으로 추측된다.Although treating coconut shells with NaOH solution has been shown to provide mesoporous activated carbon, this procedure extends to commercially available activated carbon sold by Jacobi as Aquasorb®. It is assumed that the presence of sodium ions adsorbed to the carbon pores of the activated starting material promotes further activation and selectively widens these pores.

입수시(as-received) 활성탄(JAC로 명명됨)을 50℃에서 2M NaOH 용액과 함께 교반하고, 여과한 후에 100℃에서 밤새 건조시켰다. 이후에, 샘플을 700℃, 스팀에서 또는 CO2 중 800℃에서 재-활성화시켰다. 하기 표 5에 기술된 스팀 활성화된 샘플과 CO2 활성화된 샘플 간의 메소기공 부피의 큰 차이는 활성화 동안에 함침된 NaOH를 세척하는 스팀으로 인한 것일 수 있다.As-received activated carbon (named JAC) was stirred at 50 ° C with 2M NaOH solution, filtered and dried at 100 ° C overnight. The sample was then re-activated at 700 ° C., steam or at 800 ° C. in CO 2 . The large difference in mesopore volume between the steam activated sample and the CO 2 activated sample described in Table 5 may be due to steam washing NaOH impregnated during activation.

표 5 - NaOH 도핑 이후에 Jacobi Aquasorb 재-활성화Table 5-Jacobi Aquasorb Re-Activation After NaOH Doping

Figure pct00005
Figure pct00005

도 6에 도시된 N2 흡착 등온선은, 이러한 효과가 상당하지만, CO2 재-활성화의 경우에, 거의 모든 미세기공성이 넓어졌음을 나타낸다. 이와 관련하여, 이러한 생성물은 NaOH-도핑된 껍질로부터의 활성탄과 매우 상이하다.The N 2 adsorption isotherm shown in FIG. 6 indicates that, although this effect is significant, in the case of CO 2 re-activation, almost all microporosity is widened. In this regard, this product is very different from activated carbon from NaOH-doped shells.

원료 코코넛 껍질에서 관찰된 것과는 달리, 활성탄이 알칼리 용액으로 처리될 때 물질이 화학적으로 용해되지 않는 것으로 나타났다. 대신에, 용액은 단지 존재하는 미세기공 네트워크를 채울 것이고 용이하게 제거될 것이다. 이에 따라, 알칼리 용액이 재-활성화 이전에 활성탄으로부터 세척되는 경우에, 출발 물질은 반드시 변화되지 않으며 추가 활성화가 단지 미세기공을 형성시킬 것이다. 이러한 이유로, 출발 물질이 미세다공성 카본일 때, 알칼리 용액은 바람직하게 활성화 단계 이전에 제거되지 않는다. 메소다공도는 촉매화된 활성화 공정에 의하여, NaOH 용액을 사용하여 도핑시킴으로써 제공된 Na 증착물 주변에서 발달하는 것으로 추정된다.Contrary to what was observed in raw coconut shells, it was found that the material did not chemically dissolve when activated carbon was treated with alkaline solution. Instead, the solution will only fill the existing microporous network and will be easily removed. Thus, if the alkaline solution is washed from the activated carbon prior to re-activation, the starting material will not necessarily change and further activation will only form micropores. For this reason, when the starting material is microporous carbon, the alkaline solution is preferably not removed before the activation step. Mesoporosity is estimated to develop around the Na deposit provided by doping with NaOH solution by a catalyzed activation process.

다른 탄소 전구체에 대한 실험Experiment with other carbon precursors

NaOH 처리는 또한 피스타치오 너트 껍질, 오크(oak) 목재칩 및 대나무로부터 제조된 메소다공성 활성탄을 형성시키는 것으로 나타났다. 형성된 카본은 일반적으로 코코넛 카본 보다 덜 조밀하였다. 피스타치오에 대한 결과(샘플 4, 0.28 ㎤g-1 미세기공 부피, 0.35 ㎤g-1 메소기공 부피)는 이러한 것을 추가로 조사할 가치가 있음을 시사한다.NaOH treatment has also been shown to form mesoporous activated carbon made from pistachio nut shells, oak wood chips and bamboo. The carbon formed was generally less dense than coconut carbon. The results for pistachios (sample 4, 0.28 cm 3g −1 micropore volume, 0.35 cm 3g −1 mesopore volume) suggest that this is worth further investigation.

이러한 처리는 또한 활성탄 상에 이용되었다. 결론에 대해서는 도 7의 표를 참조한다.This treatment was also used on activated carbon. See the table in FIG. 7 for the conclusion.

Claims (16)

출발 물질을 알칼리 용액으로 사전-처리하고,
사전-처리된 물질을 활성화시킴을 포함하되,
출발 물질이 탄소 전구체 또는 미세다공성 카본 물질인, 메소다공성 카본(mesoporous carbon)을 제조하는 방법.
Pre-treat the starting material with alkaline solution,
Activating a pre-treated material,
A process for producing mesoporous carbon, wherein the starting material is a carbon precursor or a microporous carbon material.
제 1항에 있어서, 탄소 전구체가 리그노셀룰로오스 물질이며, 사전-처리된 물질이 알칼리의 존재 하에 활성화되지 않는 방법.The method of claim 1 wherein the carbon precursor is a lignocellulosic material and the pre-treated material is not activated in the presence of alkali. 제 2항에 있어서, 활성화 단계 이전에 알칼리 용액을 제거하기 위해, 사전-처리된 물질이 세척되는 방법.The method of claim 2, wherein the pre-treated material is washed to remove the alkaline solution prior to the activation step. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 리그노셀룰로오스 물질이 코코넛 껍질, 피스타치오 껍질, 목재 칩 또는 대나무(bamboo)인 방법.The method according to claim 2 or 3, wherein the lignocellulosic material is coconut shell, pistachio shell, wood chips or bamboo. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 활성화 이전에 사전-처리된 물질을 탄화시킴(charring)을 추가로 포함하는 방법.5. The method of claim 2, further comprising charring the pre-treated material prior to activation. 6. 제 1항에 있어서, 미세다공성 카본 물질이 통상적으로 활성화된 미세다공성 카본 또는 합성 미세다공성 카본인 방법.The method of claim 1 wherein the microporous carbon material is typically activated microporous carbon or synthetic microporous carbon. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 알칼리 용액이 NaOH 수용액인 방법.The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the alkaline solution is an aqueous NaOH solution. 제 7항에 있어서, NaOH 용액이 약 0.1M 내지 약 4M의 농도를 갖는 방법.The method of claim 7 wherein the NaOH solution has a concentration of about 0.1M to about 4M. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 출발 물질 또는 사전-처리된 물질을 염 용액, 예를 들어 황산제일철(iron sulphate) 용액으로 처리함을 추가로 포함하는 방법.9. The process according to claim 1, further comprising treating the starting material or the pre-treated material with a salt solution, eg iron sulphate solution. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 사전-처리 단계가 출발 물질을 주변 온도 내지 60℃의 온도를 갖는 알칼리 용액으로 세척함을 포함하는 방법.The method of claim 1, wherein the pre-treatment step comprises washing the starting material with an alkaline solution having a temperature from ambient temperature to 60 ° C. 11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 사전-처리된 물질의 활성화가 700℃의 온도에서 스팀(steam)으로 처리함을 포함하는 방법.The method of claim 1, wherein the activation of the pre-treated material comprises treating with steam at a temperature of 700 ° C. 12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 수득되거나 수득 가능한 다공성 카본(porous carbon).Porous carbon obtained or obtainable by the process according to any one of the preceding claims. 제 12항에 있어서, 카본이 적어도 1:2의 미세기공 대 메소기공의 비를 갖는 다공성 카본. 13. The porous carbon of claim 12, wherein the carbon has a ratio of micropores to mesopores of at least 1: 2. 제 12항 또는 제 13항의 다공성 카본을 포함하는 필터 부재(filter element).A filter element comprising the porous carbon of claim 12. 제 14항에 있어서, 필터 부재가 흡연 물품용 필터인 필터 부재.The filter element according to claim 14, wherein the filter element is a filter for a smoking article. 제 12항 또는 제 13항의 다공성 카본을 포함하는 흡연 물품.A smoking article comprising the porous carbon of claim 12.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180044302A (en) * 2015-09-30 2018-05-02 가부시끼가이샤 구레하 Carbonaceous material for negative electrode non-aqueous electrolyte secondary battery and manufacturing method thereof
US10411261B2 (en) 2014-08-08 2019-09-10 Kureha Corporation Carbonaceous material for non-aqueous electrolyte secondary battery anodes
US10424790B2 (en) 2014-08-08 2019-09-24 Kureha Corporation Carbonaceous material for non-aqueous electrolyte secondary battery anode
US10797319B2 (en) 2014-08-08 2020-10-06 Kureha Corporation Production method for carbonaceous material for non-aqueous electrolyte secondary battery anode, and carbonaceous material for non-aqueous electrolyte secondary battery anode
KR20220102391A (en) * 2021-01-13 2022-07-20 고려대학교 산학협력단 Highly porous carbon with controlled pore size via hydrothermal carbonization and the method for manufacturing thereof

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102989433B (en) * 2012-12-11 2014-10-15 浙江农林大学 Production method of bamboo powder-amino acid type adsorption material
JP5695147B2 (en) * 2013-09-06 2015-04-01 東洋炭素株式会社 Porous carbon, humidity-adsorbing adsorbent, adsorption heat pump, and fuel cell
JP7301294B2 (en) * 2018-03-02 2023-07-03 御国色素株式会社 Porous carbon particles, porous carbon particle dispersion and method for producing the same
CN108455603B (en) * 2018-05-21 2020-07-31 四川大学 Mesoporous-rich biochar and preparation method thereof
JP7380986B2 (en) * 2019-03-29 2023-11-15 群馬県 Bamboo charcoal and bamboo charcoal manufacturing method
CN112794324B (en) * 2019-11-14 2022-10-25 华南理工大学 High-mesoporosity lignin hierarchical pore carbon material and preparation method and application thereof
CN110980687B (en) * 2020-01-07 2021-07-09 湖北中烟工业有限责任公司 Method for preparing carbon-based material from waste cut tobacco and application of carbon-based material

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3817874A (en) * 1968-09-18 1974-06-18 Standard Oil Co Process for increasing the surface area of active carbons
RU2064429C1 (en) * 1992-04-09 1996-07-27 Владимир Васильевич Стрелко Carbon sorbent and method for its production
GB2395650B (en) * 2002-11-27 2005-09-07 Filtrona Int Ltd Tobacco smoke filter
RU2311227C1 (en) * 2006-02-09 2007-11-27 Институт Катализа Им. Г.К. Борескова Сибирского Отделения Российской Академии Наук Method of production of the nanostructure carbonic material with the high specific surface and microporosity
US8198211B2 (en) * 2006-08-23 2012-06-12 Sulvaris Inc. Acid-impregnated activated carbon and methods of forming and using the same
RU2366501C1 (en) * 2008-04-14 2009-09-10 Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук (статус государственного учреждения) Method for preparation of mesoporous carbon material
GB0904196D0 (en) * 2009-03-11 2009-04-22 British American Tobacco Co Methods for increasing mesopores in adsorbents

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10411261B2 (en) 2014-08-08 2019-09-10 Kureha Corporation Carbonaceous material for non-aqueous electrolyte secondary battery anodes
US10424790B2 (en) 2014-08-08 2019-09-24 Kureha Corporation Carbonaceous material for non-aqueous electrolyte secondary battery anode
US10797319B2 (en) 2014-08-08 2020-10-06 Kureha Corporation Production method for carbonaceous material for non-aqueous electrolyte secondary battery anode, and carbonaceous material for non-aqueous electrolyte secondary battery anode
KR20180044302A (en) * 2015-09-30 2018-05-02 가부시끼가이샤 구레하 Carbonaceous material for negative electrode non-aqueous electrolyte secondary battery and manufacturing method thereof
KR20220102391A (en) * 2021-01-13 2022-07-20 고려대학교 산학협력단 Highly porous carbon with controlled pore size via hydrothermal carbonization and the method for manufacturing thereof

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