KR20150029306A - 거품코팅 또는 비드코팅을 이용한 황산화물 및 질소산화물 제거용 백필터의 제조방법 및 그 방법에 의한 백필터 - Google Patents

거품코팅 또는 비드코팅을 이용한 황산화물 및 질소산화물 제거용 백필터의 제조방법 및 그 방법에 의한 백필터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 거품코팅 또는 비드코팅을 이용한 황산화물 및 질소산화물 제거용 백필터의 제조방법 및 그 방법에 의한 백필터에 관한 것으로, 황산화물 내지 질소산화물을 제거하기 위한 별도의 설비없이 기존의 백필터 하우스를 그대로 이용하면서 먼지 내지 분지 제거를 위한 백필터의 다른 이면에 흡착, 분해 물질을 거품코팅 또는 비드코팅을 이용하여 코팅하여 통기성 확보를 할 수 있음으로써, 백필터의 다중 기능이 확보가능하게 한 기술에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은, 집진기의 백필터 하우징에 설치되는 백필터의 제조방법으로서, ⅰ) 필터 여과포의 전면에 다공성이 있는 표면층을 형성하는 단계; ⅱ) 상기 필터 여과포의 후면에 거품코팅을 이용하여 황산화물 내지 질소산화물을 제거하기 위한 흡착제를 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 백필터의 제조방법이다.

Description

거품코팅 또는 비드코팅을 이용한 황산화물 및 질소산화물 제거용 백필터의 제조방법 및 그 방법에 의한 백필터{Method of fabricating bag filter for removing sulfur oxides and nitrogen oxide using foam coating or bead coating and bag filter fabricated by the same}
본 발명은 거품코팅 또는 비드 코팅을 이용한 황산화물 및 질소산화물 제거용 백필터의 제조방법 및 그 방법에 의한 백필터에 관한 것으로, 황산화물 내지 질소산화물을 제거하기 위한 별도의 설비없이 기존의 백필터 하우스를 그대로 이용하면서 먼지 내지 분지 제거를 위한 백필터의 다른 이면에 흡착, 분해 물질을 거품코팅 또는 비드코팅을 이용하여 코팅하여 통기성 확보를 할 수 있음으로써, 백필터의 다중 기능이 확보가능하게 한 기술에 관한 것이다.
각종 산업현장에서는 분진을 포함하는 배출가스가 발생하게 되고 그러한 배출가스 중에 포함된 분진등은 집진장치를 거치면서 배출가스 허용기준치에 부합하는 정도로 분진이 제거된 상태의 기체만이 대기중으로 배출되어 진다. 여과에 의해 공기를 청정화하기 위해 사용되는 여과체가 필터이며, 이러한 필터는 미세분진을 제거하기 위해 사용되는 여과 집진 장치에 사용되어 공기 중의 분진을 흡착 또는 부착시키는 역할을 한다.
한편, 소각로나 보일러등과 같은 연소시설의 배출가스에는 황산화물(SOX), 질소산화물(NOX), VOCs(휘발성유기화합물) 등의 유해오염물질이 포함되어 있는데 이러한 오염물질들은 대기 중으로 배출되기 전에 규제농도 이하로 처리되어야 한다. 이 분야의 종래기술은 연소시설에서 발생된 질소산화물등을 제거하기 위해 연소전 제어와 연소제어를 하고 있는데, 이것만으로는 부족하여 연소 후 제어기술을 사용한다. 습식법과 건식법이 있는데 습식법의 경우 상대적으로 장치의 규모가 매우 크고 유해오염물질을 흡수한 폐수를 다시 처리해야 하는 단점이 있다. 건식방식은 촉매 유무에 따라 선택적 무촉매환원법(SNCR)과 선택적 촉매환원법(SCR) 기술에 관한 연구와 적용이 이루어지고 있다. 상업적으로 적용되고 있는 SCR(Selective catalytic reduction)기술은 고온에서 질소산화물을 질소로 제거하는데 있어 매우 효율적인 기술이기는 하지만, 촉매의 마모, 교환, 피독성, 기공막힘 현상 등으로 인하여 전환율을 감소시키거나 제거반응 전에 환원제 산화등의 부반응들을 야기하며 미반응 암모니아 등의 문제점들이 지적되어 왔다. 이의 대체 기술로 경제적인 면에서 저렴하며 적용이 간단한 SNCR(Selective non-catalytic reduction)기술은 SCR에 비해 낮은 효율 및 적정 운전 조건에서의 조작등의 어려움으로 적용이 미비하다. 전체적으로 상기 기술들은 장치의 설비비가 많이 들고 많은 부지가 필요하며 유지비가 많이 들어가는 단점이 있다. 그리고 별도의 반응 설비를 구비하여 이루어지는데, 촉매의 활성온도까지 별도로 온도를 올려서 반응시키는 형태이다.
또한, 분말형 첨착활성탄을 이용하는 방법이 다양하게 도입되기도 하였는데, 흡착반응기 내에 파쇄형의 활성탄을 충진하고 가스가 이를 통과하게 하는 방식이 있는데 이는 별도의 반응기를 설치하여야 하며, 또한 반응이 끝난 활성탄을 교체하기 위한 공정이 복잡하다. 또한, 필터백에 적용하는 경우도 있었는데, 별도의 흡착제 공급장치를 구비하는 형태로서, 사용시 압력강하의 문제가 있어 필터백 구조에서 사용하기 어렵다.
한편, 배출가스에 포함된 먼지를 제거하기 위한 집진기의 형태에서 백필터 형태가 사용되는데, 백필터의 탈진방법에서 역기류 형식이 가장 널리 사용되고 있다. 또한, 연소시설에서 사용되는 경우가 주를 이루기 때문에 고온에서 사용할 수 있는 글라스(glass) 재질의 여과포나 테프론(PTFE)펠트 여과포가 사용된다. 역기류 방식이 사용되기 때문에 백필터의 전면에 먼지나 분진을 제거할 수 있도록 다공성 물질을 코팅한 형태를 사용하여 먼지나 분진이 통과하지 못하게 하고 역기류를 발생시 먼지나 분진이 탈착되게 한다. 즉, 백필터에서는 전반적인 통기성이 중요하다.
과다한 별도의 설치공간, 별도의 반응탑과 반응탑에서의 온도를 올리기 위한 별도의 수단의 요구의 문제를 해결하고, 집진기로 들어오는 고온의 열을 그대로 사용함으로써 보다 간편하게 어느 정도의 효율을 보장하는 형태를 연구하던 중 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 집진기에 사용되는 백필터의 형태를 개선하여 먼지 내지 분진의 제거는 물론, 황산화물과 질소산화물 같은 오염물질을 간단한 방법으로 제거할 수 있도록 한다.
이를 위한 본 발명은, 집진기의 백필터 하우징에 설치되는 백필터의 제조방법으로서, ⅰ) 필터 여과포의 전면에 다공성이 있는 표면층을 형성하는 단계; ⅱ) 상기 필터 여과포의 후면에 거품코팅 또는 비드코팅을 이용하여 황산화물 내지 질소산화물을 제거하기 위한 흡착제를 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 백필터의 제조방법이다. 상기 필터 여과포는 유리섬유 재질인 것이 보다 바람직하다.
상기 다공성이 있는 표면층의 형성은 다양한 방법으로 형성가능하다. PTFE 거품코팅을 통해 형성하는 것도 가능하며 이는 거품코팅의 여러가지 장점을 활용하는 것이다. 또한, 상기 다공성이 있는 표면층의 형성은, 마이크로 비드와 바인더를 혼합하여 코팅액을 만들고, 상기 코팅액을 필터여과포에 도포하여 코팅한 후, 열처리하여 표면층을 소결시켜 기공을 형성함으로써 이루어지는 것(비드코팅)을 특징으로 하는 방법일 수 있다. 이는 거품코팅을 이용할 때, 거품의 안정성 내지 제어시의 균일성의 문제를 좀더 개선하기 위해 사용가능한 방법이다. 상기 마이크로비드는 유기실리카 분말, 유기 에어로겔, 및 다공성 초본계 분말로 이루어진 군으로부터 선택되고, 상기 바인더는 아크릴계 수성바인더, PFA 수성바인더 및 PTFE 수성바인더로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
그리고, 표면층의 형성뿐만 아니라, 후면에 형성하는 황산화물 내지 질소산화물을 흡착하기 위한 코팅을 형성하는 경우에도 상기 비드코팅방식을 도입할 수 있고 기공성의 균일성과 제어가 보다 용이할 수 있다.
그리고, 상기 흡착제는 제올라이트 100중량부에 대하여 활성탄 20 내지 80 중량부, 탄산칼슘 20 내지 80 중량부, 요소 20 내지 80 중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 제올라이트와 활성탄의 조합도 나쁘지 않지만, 황산화물과 질소산화물의 제거를 위해 탄산칼슘과 요소를 추가적으로 사용하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 산화구리를 촉매로 사용함으로써 효율을 더욱 높일 수 있다.
그리고, 본 발명은 상기 방법들에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 백필터이다.
본 발명은 황산화물과 질소산화물을 제거하기 위한 복잡한 반응기의 구성없이도 백필터 하우징내의 백필터를 개선하여 오염물질의 제거가 가능하며, 백필터에 이러한 구성을 함으로써 집진기로 들어오는 열을 흡착제 내지 촉매의 활성온도까지 그대로 받아서 사용할 수 있고 백필터 하우징 뒤쪽에 별도의 열교환 장치가 필요없게 된다. 또한, 거품코팅을 이용하므로 백필터 본연의 집진기능이 훼손되지 않고 통기성의 확보가 매우 용이한 장점이 있다.
도 1은 본 발명에서 적용되는 비드코팅을 수행하는 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명은, 집진기의 백필터 하우징에 설치되는 백필터의 제조방법에 관한 것으로 백필터는 기본적으로 분진과 먼지를 제거하기 위한 용도이다. 따라서 다공성 층이 백필터에 형성되게 되는데 표면층에 형성되는 것이 일반적이다. 매연과 같은 오염기체에는 질소산화물, 황산화물, 먼지, 분진, 기타 오염물질이 포함되어 있고 백필터를 통해서는 먼지와 분진을 제거한다. 질소산화물과 황산화물은 별도의 반응공정이 구현되는 반응탑을 통해 제거되는데, 일반적으로 알려진 많은 공정들이 있고 해당공정을 위해 고온의 반응조건들이 필요하다.
집진기의 백필터용으로 사용되는 필터는 소각로와 같은 매우 고온의 환경에서 사용되는 것이므로, 바람직하게는 고온에 강한 유리섬유재질이나, 테프론 재질의 여과포가 좋다. 또한, 기본적으로는 백필터용이므로, 통공성이 좋아야 한다. 본 발명의 특징은, 백필터에 질소산화물과 황산화물을 제거하기 위한 부분을 다공성층이 형성되는 면의 이면에 형성하는 것이다. 황산화물을 제거하기 위해 가장 바람직하게는 습식방식을 택하게 되나, 습식방식은 장치의 비대화는 물론, 추후 재처리 절차가 남기 때문에 보다 간편한 방식이 필요하다. 한편, 건식방식의 재료들을 단순히 코팅하는 것은 백필터의 기능을 매우 떨어뜨리게 되므로 실제로 사용되기 어렵다. 본 발명에서는 백필터의 다공성을 형성하기 위해 사용되고 있는 거품코팅방식을 오염물질의 흡착제 등의 코팅에도 도입하는 것에 특징이 있다.
즉, 본 발명은 ⅰ) 필터 여과포의 전면에 다공성이 있는 표면층을 형성하는 단계; ⅱ) 상기 필터 여과포의 후면에 거품코팅을 이용하여 황산화물 내지 질소산화물을 제거하기 위한 흡착제를 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 백필터의 제조방법이다. 거품코팅 방식은 당업계에서 널리 알려져 있는 방식으로 발명을 모호하지 않게 하기 위하여 자세한 설명은 생략한다.
흡착제는 황산화물 내지 질소산화물을 제거하기 위해 사용된다. 본 발명에서 거품코팅방식을 사용하여 기본적인 기공성을 확보한다. 나아가, 흡착제로 제올라이트를 사용함으로써 기공도와 표면적을 확보할 수 있다. 흡착력은 활성탄에 비해 떨어지지만 추가적으로 사용되는 탄산칼슘과 요소 등의 물질과의 상용성을 위해 사용되는 측면도 있다. 그리고, 활성탄이 사용된다. 활성탄은 기타 휘발성물질의 제거 효과율이 뛰어나고, 흡착률이 매우 좋기 때문에 함께 사용되는 것이 바람직하다. 제올라이트와 활성탄은 황산화물의 제거에도 역할을 하지만 제거율이 만족할 만하지 않기 때문에 탄산칼슘 분말이 추가적으로 사용된다. 그리고 분말상의 요소가 사용되어 질소산화물의 제거에 활용된다. 상기 흡착제는 제올라이트 100중량부에 대하여 활성탄 20 내지 80 중량부, 탄산칼슘 20 내지 80 중량부, 요소 20 내지 80 중량부를 포함하는 형태의 조성이 바람직하며, 각각의 기능이 발휘되는 적절한 범위의 함량이다. 상기 흡착제들은 분말상의 형태로서 첨가되는데, 물과 알코올의 혼합용매에 분산시키는 형태가 바람직하며, 아크릴계 수성바인더, PFA 수성바인더, PTFE 수성바인더가 추가될 수 있고, 거품안정제 등을 추가할 수 있을 것이며, 원하는 물성에 따라 그 양을 적절히 조절한다.
백필터 하우징내로 유입되는 기체는 상당히 고온의 상태로 유입되는데, 백필터에 거품코팅방식으로 내재되는 흡착제에 추가적인 가온 공정없이 사용될 있다는 장점이 있으며, 제올라이트와 활성탄이 함께 사용되기 때문에 탄산칼슘이나 요소가 더욱 잘 혼합되고 분산되기 때문에 성능향상을 더욱 기대할 수 있다. 본 발명에서는 일반적으로 백필터하우징 내로 공급되는 고온의 기체의 상태를 활용하는 것이므로 이를 고려하여 흡착제 내지 촉매의 선택이 이루어진 것이다. 탈황공정을 살펴본다. 탄산칼슘과 이산화황이 반응하여 황산칼슘과 이산화탄소를 생성하며, 황산칼슘은 백필터의 역기류 발생시 백하우스에 의해 포집될 수 있다. 탄산칼슘은 고온상황에서 산화칼슘과 이산화탄소로 분해되고, 산화칼슘은 반응성이 커서 이산화황과 반응하여 황산칼슘을 생성하는 것이다. 습식방식이 아니라 건식방식이므로 설비 면적이 크지 않기 때문에 경제적이다.
종래의 탈질 과정은 별도의 반응기와 공급기를 통해 암모니아를 주입하여 질소기체로 배출하는 방식이다. 통상 200 ℃이상의 온도가 요구된다. 본 발명에서는 습식공정이 아니라 건식공정으로 진행되는 형태이므로, 본 발명에서는 분말상의 요소를 사용한다. 요소는 고온에서 분해되어 암모니아 기체를 형성할 수 있으며, 백필터가 사용되는 환경에서는 별도의 가온 수단 없이 이를 실현할 수 있다. 소각로에서 연소시 질소산화물은 이산화질소보다는 일산화질소가 대부분을 이룬다. 암모니아를 사용하여 질소로 환원시키는 방식은 일산화질소 및 이산화질소를 질소로 환원시키는 효율이 매우 높은데 이는 산소를 요구하는 경우는 물론 산소 없이도 반응이 가능하다.
한편, 암모니아는 저장하기가 어렵고 위험한 것이 일반적인 문제점이다. 본 발명에서는 암모니아를 형성하기 위해 고체상의 분말형태의 요소를 사용한다는 특징이 있다. 다공성 플레이트의 개념을 도입하여 요소를 적절히 분배하고 분산하기 위하여 제올라이트와 활성탄의 도입도 연계되어 있고 이를 통해 요소의 효율적인 기화를 통해 암모니아를 공급하게 된다. 요소를 암모니아로 전환시키고, 적절히 암모니아 발생이 제어될 수 있어 안정적이다. 본 발명에서 요소는 가열될 때, 암모니아를 형성할 수 있는 대등한 물질을 포함하는 것으로 이해되어야하며 분말상으로 안정적으로 분산될 수 있는 것이어야 한다. 아멜라이드(ammelide); 아멜라인(ammeline); 암모늄 카보네이트(ammonium carbonate); 암모늄 바이카보네이트(ammonium bicarbonate); 암모늄 카바메이트(ammonium carbamate); 포름산 및 아세트산을 포함하는 유기산의 암모늄 염, 및 상당히 많은 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 것들을 예로 들 수 있다.
한편, 산화구리(CuO)를 촉매로 사용하는 경우 그 효과가 더욱 뛰어나다. 일반적으로 금속산화물의 황화반응이 알려져 있는데, 산화구리의 형태가 반응성이 좋아 더욱 바람직하다. 황산화물 분자는 금속산화물의 활성점에 화학 흡착하여 불안정한 설페이트 이온을 형성하고 산소를 흡착하여 설페이트를 형성한다. 설페이트가 분해되는 온도 이하에서 흡착반응에 이어서 기체 고체간의 비촉매 반응이 일어난다. 한편, 질소산화물과 암모니아의 반응에서 황산화물의 존재는 암모니움 설페이트를 형성하는데, 황화된 촉매 표면에 흡착되고 황화된 촉매표면에서 질소산화물의 환원반응이 가능하다. 이러한 이유로 산화구리를 함께 사용하여 그 효율을 높일 수 있다. 더욱 고온의 조건을 만들 수 있다면, 질소산화물의 환원을 위해 V2O5-WO3-TiO2 촉매등을 사용할 수도 있을 것이다. 본 발명에서는 백필터 하우징 내로 200 내지 300 ℃의 온도의 기체가 유입되는 경우 보다 바람직하다.
본 발명의 백필터는 전반적으로 고온에서 사용되는 것이므로, 백필터의 전면의 다공성 표면층도 PTFE 코팅층을 형성하여 만드는 것이 바람직할 것이다. 한편, 거품코팅의 경우에, 필터 표면에 표면층 형성을 통한 분진제거용으로 우수하며, 필터의 제조공정에 있어서, 대량생산이 용이하다는 장점뿐만 아니라, 거품에 의한 부피증가로 가공 약제가 개개 필터표면에 널리 분포되어 확산을 용이하게 하는 장점이 있다. 거품 코팅방식에서는 거품의 크기를 1 내지 100 ㎛ 까지 다양하게 조절할 수 있지만, 거품의 특성상 특정 크기로 조절한다고 하여도 매우 광범위한 범위의 거품크기가 형성되어 균일성이 실제적으로는 떨어지는 문제가 있다. 거품코팅은 통상의 부직포의 표면에 여러 물질들을 균일하게 혼합하여 수득된 거품베이스를 공기로 블로잉가공하여 수득된 수지거품을 코팅하고 건조시켜서 이루어진다. 따라서 수지거품에서의 거품의 크기 및 수를 조절하는 것에 의하여 미세분진을 효과적으로 제거하면서도 높은 공기투과도와 낮은 차압을 갖는 우수한 집진필터를 제고하는 것이나, 거품제를 사용하여 액체내에 기체를 분산시킬 수 있는 계면 활성제를 주로 사용하여 다공질막을 형성하여 필터여재로 사용하기에는 부적합한 점이 있다. 즉, 다공질 코팅층의 기공형성이 불규칙하고 밀도 차이가 매우 심한 비정형의 셀구조를 갖기 때문에 미세 입자의 포집이 적은 영역에서만 이루어지며 포집된 분진의 분리 효율이 그만큼 낮아진다는 단점을 가지고 있다. 또한, 공기 블로잉에 의해서 거품을 형성하여 건조를 하게 되면 기공의 크기가 크고, 건조 공정에서 기공이 깨지기 때문에 기공의 형상이 날카로운 형상(비정형)을 가지게 되며 기공의 수가 줄어들어 단위면적당 기공수가 적어지게 되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 백필터의 전면의 다공성이 있는 표면층의 형성을 달리 할 필요도 있다. 이는 본 발명의 백필터의 상기 전면의 반대면(이면)에 흡착제를 코팅하여 다소간의 통기성이 줄어든다는 점을 고려하여 전반적인 백필터의 본래기능이 충실히 달성될 수 있도록 새로운 방식의 도입이 필요하다는 것이다. 즉, 집진기의 적용되는 여과체는 압력 손실이 낮으면서 집진 효율과 분리 효율이 높은 기능을 요구한다. 이러한 기능을 충족시키기 위해서는, 기재의 표면에 처리되는 코팅층이 고밀도의 미세 기공을 갖는 다공질로 이루어져야 하고, 정형성을 갖는 기공들이 균일하게 분포되어 있어야 하며, 인접하는 각 기공들이 서로 공간 결합되면서 기재의 섬유사 표면 및 섬유사들간의 빈 공간 쪽으로 개방되는 벌키한 형상이 바람직하다.
이를 위해 본 발명에서는 마이크로 비드와 바인더를 혼합하여 코팅액을 만들고, 상기 코팅액을 필터여과포에 도포하여 코팅한 후, 열처리하여 표면층을 소결시켜 기공을 형성함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법을 채택하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 마이크로 비드라 함은 마이크로 미터 단위의 분말상 입자를 말하는 것으로 유기질 성분을 포함하여 추후 열처리 과정에서 소결 내지 탄화를 통해 그 구조가 파괴되어 기공을 형성하는 재료를 말한다. 마이크로 비드의 예로는 유기실리카 분말, 유기 에어로겔, 다공성 초본계 분말 등이 있다. 유기실리카 분말은 유무기하이브리드형의 실리카 분말형태을 포함하며, 유기 에어로겔은 유무기 하이브리드형의 에어로겔 형태을 포함하며, 기본적으로는 소결이 가능한 형태를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 또한 다양한 형태의 유기계 비드가 가능하며, 예컨대, 아크릴계, 스타이렌계 유기계 비드(분말상의 비드임)를 사용하여 소결과정을 가질 수 있다면 사용가능한 것으로 이해되어야 한다. 일반적으로 유기실리카 분말은 예를 들면, 기공크기, 세공용적 및 비표면적과 같은 기공율과 입자크기를 제어함으로써 오디오, 비디오, 포장용 등에 사용되는 각종 필름의 점착 방지제, 도료의 소광제, 치약의 점증제 및 연마제, 플라스틱 및 고무의 보강재, 식품 및 의약품의 첨가제로서 널리 사용되고 있으며, 또한 열적, 전기적 특성 및 화학적 안전성이 우수하여 그 응용분야가 계속 늘어나는 추세이다. 미립자의 제조방법으로는 사염화 실레인 등을 원료로 한 기상분해법(일본 특개소58-410,313호), 알콕시 실레인을 이용한 졸-겔 법(일본 특개소63-166,777호), 특정 조성의 붕산 유리를 만든 후 산 처리하여 알칼리를 추출시키는 방법(미국등록특허 제2,106,744호)과 알칼리 실리카 수용액과 산과의 중화반응에 의해 제조하는 방법(미국등록특허 제4,675,122호) 등이 있다. 상기의 종래기술에서 알칼리 실리카 수용액과 산과의 중화반응에 의해 제조하는 방법은 원료 가격이 낮고, 취급이 용이하여 공업적으로 가장 넓게 사용되고 있다. 또한 이 방법을 이용하여 실리카를 제조하는 경우 원료의 농도, 원료 및 산의 첨가 속도, 반응 온도, 반응 pH, 숙성 온도 및 시간 등 많은 변수가 있어서, 이러한 조건을 변화시켜 기공율을 제어 할 수 있다. 또한 상기 방법은 알칼리 실리카 수용액에 강산을 첨가하여 pH를 1.5까지 내려 강산성 분위기 하에 실리카졸을 생성시킨 다음, 겔화시켜 수세 및 건조 후 용도에 따라 분쇄 및 입도분리를 하여 실리카 미립자를 제조하고 있다.
에어로겔은 높은 다공성을 가지는 물질로 필터 등에 사용되고 있으며 전통적으로는 무기물을 원료로 하여 제조되어 왔으나 최근에는 유기 에어로겔에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 레소시놀-포름알데히드계 유기 에어로겔은 미국 특허 제4,873,218호 및 미국 특허 4,997,804호에 개시되어 있으며 멜라민-포름알데히드(melamine-formaldehyde) 유기에어로겔은 미국 특허 제5,081,163호, 제5,086,085호에 개시되어 있고, 미국특허 제5,476,878호 및 제5,556,829호에는 페놀릭-퍼퍼랄-알코올(phenolic-furfural-alcohol) 용액으로부터 졸-겔 방법에 의해 제조된 모노리드 형태의 유기 에어로겔에 대하여 개시되어 있다. 유기 에어로겔은 다기능성 단량체를 고압 반응기에서 산촉매 및 안정제를 첨가한 다음 고온, 고압하에서 초임계 이산화탄소를 반응 연속상으로 하여 졸-에멀젼-겔 중합하여 만들어낼 수 있다.
한편, 다공성 초본계 분말은 곡물의 껍질이나 볏짚, 옥수수대, 보리대 등을 분쇄하여 만든다. 곡물의 껍질이나 볏짚, 옥수수대, 보리대 등은 농산폐기물로서 버려지는데, 이들을 동결 건조한 다음 볼밀로 분쇄한 다음 추가적으로 에어제트밀로 분쇄하면 수 ㎛의 입경을 가지는 다공성 분말을 얻을 수 있으며, 이들을 다공성 초본계 분말이라 한다.
상기 설명한 바와 같이 유기실리카 분말, 유기 에어로겔, 다공성 초본계 분말 등은 마이크로 사이즈를 가지며, 유기계 물질의 특성을 지니고 있어 일정온도 이상에서 소결되거나 탄화되어 그 구조가 파괴됨으로서 기공을 형성할 수 있는 재료들이다. 마이크로 비드를 여과포에 코팅하기 위해서는 바인더가 필요하며, 바인더로서는 아크릴계 수성바인더, PFA 수성바인더 및 PTFE 수성바인더로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다. 수성바인더에 마이크로 비드를 혼합하여 충분히 분산시켜 현탁액 상태의 코팅액을 만든다. 아크릴계 바인더는 아크릴레이트유도체를 주 베이스로 하여 폴리우레탄, 폴리에스테를 수지 등을 포함할 수 있음은 물론이다. 아크릴계 바인더는 에틸아크릴레이트, 메틸아크릴레이트, 프로필아크릴레이트, 부틸아크릴레이트, 에틸메타아크릴레이트, 메틸메타아크릴레이트, N-부틸메타아크릴레이트, 이소부틸메타아크릴레이트, 2-에틸헥실아크릴레이트, 헵틸메타아크릴레이트, 아크릴아마이드, N-헥실아크릴레이트, 헵틸아크릴레이트, 히드록시에틸아크릴레이트, 히드록시메타아크릴레이트, 히드록시프로필메타아크릴레이트, 아크릴릭엑시드, 디메틸아미노에틸메타아크릴레이트, 터셔리-부틸아미노에틸메타아크릴레이트 및 글리시딜메타아크릴레이트로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하여 이루어진다.
PFA(perfluoroalkoxy)와 PTFE(polytetrafluoroethylene)는 상당히 유사한 성질을 가지는데, 비교적 고온에서도 안정성을 유지한다. PFA 수성바인더는 폴리비닐알코올과 같은 다른 친수성 바인더를 물 등의 용매에 혼합한 것에 다시 PFA 등을 추가하여 만드는 것과 같이 물성을 조절하기 위해 다른 물질과 혼합되는 형태의 PFA 수성 바인더를 포함함은 물론이다. 본 발명에서 바인더는 마이크로 비드를 분산시키기 위한 용도 및 마이크로 비드를 여과포에 부착시키기 위한 용도로 사용되며, 또한 마이크로 비드를 소결 내지 탄화가능한 온도보다 더 높은 온도에서 안정성이 유지되는 것을 선택한 것으로 당업자의 입장에서 상기 언급한 바인더와 같은 기능을 할 수 있는 것도 포함될 수 있을 것이다.
비드코팅방식에 대하여는 도 1을 참고하여 설명한다. 도 2는 비드코팅방법을 수행하는 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다. 마이크로 비드와 바인더가 혼합되어 만들어진 코팅액은 마이크로 비드가 바인더에 분산되어 있는 형태이며 이러한 코팅액이 코팅액 공급기(1) 내에 저장되어 있다. 코팅액 공급기(1)에는 코팅액이 잘 혼합된 상태가 유지되도록 교반수단(11)을 가지고 있는 것이 바람직하다. 코팅액은 공급 펌프(2)에 의해 끝부분이 호퍼 형태로 되어 있는 공급파이프(7)를 통해 여과포의 표면으로 공급된다. 여과포는 미리 전처리 과정을 거쳐 여과포 공급롤(4)에 감겨져 있는 상태에서 여과포의 표면을 코팅하기 위해 일정 속도로 이송되고 코팅처리 원단롤(5)로 이송되는 과정에서 코팅이 이루어진다. 여과포가 여과포 공급롤(4)과 코팅처리 여과포롤(5) 사이에 위치한 컨베이어 벨트(6) 위를 통과하고 이때, 코팅액 공급기에서 제공하는 코팅액이 여과포 위로 공급된다. 이때, 컨베이어 벨트(6)상에는 나이프 형태의 블레이드(8)가 설치되어 코팅액의 두께를 원하는 소정의 두께로 1차적으로 형성한다. 컨베이어 벨트(6)에 인접하여 설치된 한쌍의 평탄롤(9)를 통과하여 여과포를 평탄화시킨다.
이러한 전반적인 프로세스는 거품 코팅방식과 유사하게 진행되나 사용되는 코팅액이 마이크로 비드를 포함하고 있으며, 마이크로 비드가 코팅된 여과포가 소결오븐(10)에 투입되는 과정에서 단순 건조 내지 경화가 아니라, 마이크로 비드가 소결 내지 탄화되어 마이크로 비드의 구조가 파괴되어 기공을 형성하게 된다. 이후 실온 냉각과정을 거쳐 기공층이 형성된 마이크로 비드 코팅 소결된 여과체가 만들어진다. 소결은 분체를 녹는점에 가까운 온도로 가열하였을 때 분체가 서로 접한 면에서 접합이 이루어지거나 분체간 또는 분체와 다른 기재와의 결합이 일어나 응고되면서 파괴되어 새로운 구조를 형성하는 것을 말하는 것으로 유기물질을 사용하는 마이크로 비드의 탄화과정이라고 볼 수 있다. 한편, 필요에 따라 소결 탄화과정을 통해 기공을 보다 확실하게 형성하기 위해 간단한 압착 과정을 다시 한번 거쳐 소결된 마이크로 비드의 파괴를 강화시킬 수도 있다.
그리고 본 발명에서 황산화물과 질소산화물을 제거하기 위한 코팅층의 형성도 상기한 방법을 응용할 수 있다. 즉, 황산화물과 질소산화물을 흡착하기 위한 흡착제와, 상기 언급한 마이크로 비드와 바인더를 혼합하여 코팅액을 만든 후 이를 도포하고 온도를 올려 마이크로 비드들을 소결 내지 탄화시킴으로서 기공을 형성하는 방식을 사용할 수 있다. 이 경우 거품코팅의 다소의 문제점을 해결하고, 기공의 균일성, 제어성을 향상시킬 수 있다.
그리고, 본 발명은 상기 설명한 방법들을 적용하여 제조된 것으로 집진기의 백필터 하우징에 설치되는 백필터를 제공할 수 있다.
<거품코팅과 딥코팅을 이용한 방법의 대비>
수성 아크릴계 바인더를 용매로 하여, 제올라이트 100 중량부에 활성탄, 탄산칼슘, 요소를 각각 50 중량부의 비율로, 코팅액을 만들었다. 이를 거품발생기를 사용하여 3L/min의 속도록 공기를 정량적으로 코팅액에 공급하는 한편 250 rpm의 속도로 회전하여 거품을 생성하고 전면에 다공성 표면층이 형성되어 있는 유리섬유 부직포의 이면에 거품코팅을 하여 필터를 만들었다. 다공성 표면층은 종래의 거품방식으로 만든 것과, 마이크로비드를 소결시켜 만든 것을 사용하였다. 대조군으로는 상기 코팅액을 딥코팅방식으로 코팅하고 이를 건조하여 필터를 만들었다. 90 cm2의 여과면적으로 하여 에어필터 성능평가기에 장착하여 염화나트륨 에어로졸 30 mg/m3 농도의 80 L/min의 유량으로 공급한 후, 압력손실과 집진효율을 살펴보았다. 압력손실 대비 집진효율은 딥코팅방식의 경우 상대적으로 떨어짐을 확인할 수 있었으며, 따라서, 거품코팅방식으로 흡착제를 코팅하는 경우 흡착제의 존재에도 불구하고 백필터로서의 기능을 충분히 수행할 수 있다고 볼 수 있다. 한편, 마이크로비드를 사용하여 다공성 표면층을 형성한 경우 압력손실이 적었으며, 압력손실 대비 집진효율은 더욱 좋았다.
<황산화물 및 질소산화물의 제거능>
필터의 전면에 다공성 표면층만이 형성되어 있는 것(대조군)과, 상기 실시예에서 제조한 필터(실시예 1), 그리고 상기 실시예에서 산화구리를 30중량부 더 포함시켜 제조한 필터(실시예 2), 그리고, 상기 실시예에서 탄산칼슘, 요소를 제외하고 만든 필터(실시예 3)를 가지고, 황산화물 및 질소산화물의 제거정도를 대비하였다. 반응기 온도는 히트튜브와 k-type 열전대등의 제어장치를 사용하여 250℃로 조절하였으며, 반응기 입구 및 출구의 각종가스 농도분석을 위해 질소산화물과 황산화물의 분석이 가능한 IMR 3000P 가스분석기를 사용하였다. NO 농도는 400ppm, SO2 농도는 200ppm, 산소 15%를 포함하는 혼합가스를 사용하였다. 다공성 표면층만을 가지고 있는 것은 질소산화물과 황산화물의 제거가 거의 이루어지지 않았다. 산화구리를 촉매로 사용한 경우, 질소산화물의 제거가 90%이상의 탈질 성능을 보여주었으며, 탄산칼슘과 요소가 제외된 필터의 경우 질소산화물의 제거가 50% 정도를 보여주었다. 황산화물의 경우 탄산칼슘을 사용하지 않은 실시예 3의 경우에도 70%이상의 탈황성능을 보여주었는데, 제올라이트와 활성탄이 탈황작용이 있는 것으로 보인다. 탄산칼슘을 사용한 경우, 95% 정도의 탈황성능을 보여주고 있다. 전반적으로 본 발명과 같은 흡착제가 거품코팅방식으로 코팅한 경우, 탈황과 탈질 성능은 있는 것으로 보인다.
한편, 본 발명의 구체적 범위는 상기 기술한 실시형태보다는 특허청구범위에 의하여 한정지어지며, 특허청구 범위의 의미와 범위 및 그 등가적 개념으로 도출되는 모든 변경 및 변형된 형태를 본 발명의 범위로 포함하여 해석하여야 한다.
1 : 코팅액 공급기 2 : 공급 펌프
4 : 여과포 공급롤 5 : 코팅처리 여과포롤
6 : 컨베이어 벨트 7 : 공급파이프
8 : 블레이드 9 : 평탄롤
10 : 소결 오븐 11 : 교반수단

Claims (9)

  1. 집진기의 백필터 하우징에 설치되는 백필터의 제조방법으로서,
    ⅰ) 필터 여과포의 전면에 다공성이 있는 표면층을 형성하는 단계;
    ⅱ) 상기 필터 여과포의 후면에 거품코팅 또는 비드코팅을 이용하여 황산화물 내지 질소산화물을 제거하기 위한 흡착제를 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 백필터의 제조방법.
  2. 1항에 있어서,
    상기 필터 여과포는 유리섬유 재질인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성이 있는 표면층의 형성은 PTFE 거품코팅을 통해 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성이 있는 표면층의 형성은, 마이크로 비드와 바인더를 혼합하여 코팅액을 만들고, 상기 코팅액을 필터여과포에 도포하여 코팅한 후, 열처리하여 표면층을 소결시켜 기공을 형성함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 마이크로비드는 유기실리카 분말, 유기 에어로겔, 및 다공성 초본계 분말로 이루어진 군으로부터 선택되고, 상기 바인더는 아크릴계 수성바인더, PFA 수성바인더 및 PTFE 수성바인더로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 흡착제는 제올라이트 100중량부에 대하여 활성탄 20 내지 80 중량부, 탄산칼슘 20 내지 80 중량부, 요소 20 내지 80 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 흡착제는 산화구리를 촉매로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 흡착제의 코팅은 흡착제, 마이크로 비드 및 바인더를 혼합하여 코팅액을 만들고, 상기 코팅액을 필터여과포에 도포하여 코팅한 후, 열처리하여 소결시킴으로서 기공을 형성함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중의 어느 한 항의 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 백필터.
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