KR20150096899A - 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 산화 그래핀 제조 시스템 및 제조방법 - Google Patents

쿠에트-테일러 반응기를 이용한 산화 그래핀 제조 시스템 및 제조방법 Download PDF

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Abstract

쿠에트-테일러 반응기를 이용한 산화 그래핀 제조 시스템 및 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 산화 그래핀 제조방법은 그라파이트, 산화제 및 산용액을 쿠에트-테일러 반응기에 투입하고 산화 반응시켜 산화 그라파이트를 포함하는 생성물을 생성하는 1단계; 및 생성물에서 산화 그라파이트를 분리하고 박리함으로써 산화 그래핀을 제조하는 2단계를 포함한다.

Description

쿠에트-테일러 반응기를 이용한 산화 그래핀 제조 시스템 및 제조방법{GRAPHENE OXIDE MANUFATURING SYSTEM USING COUETTE-TAYLOR REACTOR AND METHOD THEREOF}
본 발명은 산화 그래핀 제조 시스템 및 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 쿠에트-테일러 반응기(Couette-Taylor Reactor)를 이용한 산화 그래핀 제조 시스템 및 제조방법에 관한 것이다.
그라파이트(graphite)는 탄소 원자가 6각형 모양으로 형성된 판상의 2차원 시트인 그래핀이 적층된 구조를 갖는다. 그라파이트는 전기 전도성 및 열전도성이 매우 뛰어나 기계적 강도가 우수하고 탄성이 높으며 투명도가 높다는 장점 등이 있는 바, 2차 전지, 연료 전지, 슈퍼 캐패시터와 같은 에너지 저장소재, 여과막, 화학검출기, 투명전극 등과 같은 다양한 응용분야에서 사용될 수 있다.
이러한 그라파이트를 산화시킨 후 여러층으로 분리한 후 다시 환원시켜 제조되는 그래핀(grephene) 역시 높은 열전도도, 높은 전류 이송 능력, 우수한 강성 등의 뛰어난 물성을 지니고 있으므로 나노 스케일의 전기전자 디바이스, 나노센서, 광전자 디바이스, 고기능 복합재 등 다양한 분야에서 응용될 것으로 평가되고 있다.
그래핀은 일반적으로 화학기상증착법(CVD법), 화학적 합성법(흑연의 산화/환원법) 등을 통해 제조될 수 있다. 소위 스카치 테이프법으로 알려져 있는 기계적 박리 방법에 의해 그래핀을 생산 가능하다는 발표 이후, 많은 기술들이 연구 개발되고 분류된 결과다.
이러한 방법들 중, 탑다운 공법으로 대량생산이 가능할뿐더러 비교적 저비용으로 그래핀을 생산할 수 있는 화학적 합성법이 가장 현실적이고도 간편한 방법으로 알려져 있다.
화학적 합성법을 개략적으로 설명하면, 그라파이트를 강산으로 산화 처리하여 산화 그래핀(graphene oxide, GO)으로 분산 및 박리시킨 다음에 다시 열처리를 통하여 GO를 환원시켜서 환원된 그래핀 산화물(reduced graphene oxide, rGO)로 만드는 방법이다. 즉, 산화 그래핀은 그래핀의 원료물질에 해당하는 것으로, 그래핀 기반 산업에 있어 핵심적인 출발 물질에 해당한다.
그러나 상술한 것과 같은 화학적 합성법을 이용하여 산화 그래핀을 제조하는 전통적인 방법(소위 험머스 방법으로 알려짐, Hummer? method)에서는 그라파이트의 층간 거리가 0.34nm로 매우 협소하므로, 층간 화학 반응을 유도하기 위해 오랜 시간(대략 2~5일)이 소요되는 문제가 있어 경쟁력 있는 산화 그래핀 제조가 현실적으로 어렵다.
그리고 제조시간 단축을 위해서 강산 및 온도제어 등을 통해 반응속도를 조정하는 방안이 제안되고는 있으나, 이 경우에는 폐산액 증가에 따른 환경문제 및 이들을 처리하기 위한 비용이 증가되는 문제점이 발생하고 있다. 화학적 합성법을 통한 산화 그래핀 제조에 있어 제조시간을 줄임과 동시에 보다 친환경적인 방법이 모색되고 있는 이유다.
본 발명의 실시예들에서는 화학적 합성법을 통한 산화 그래핀 제조에 있어 제조시간을 크게 줄임과 동시에 보다 친환경적인 방법을 통해 산화 그래핀 수율을 향상시킬 수 있는 산화 그래핀 제조 시스템 및 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 그라파이트, 산화제 및 산용액을 쿠에트-테일러 반응기에 투입하고 산화 반응시켜 산화 그라파이트를 포함하는 생성물을 생성하는 1단계; 및 상기 생성물에서 상기 산화 그라파이트를 분리하고 박리함으로써 산화 그래핀을 제조하는 2단계를 포함하는 산화 그래핀 제조 방법이 제공될 수 있다.
이 때, 상기 2단계는, 상기 생성물에서 폐산화제 및 폐산을 제거하여 상기 산화 그라파이트를 분리하는 단계; 및 상기 산화 그라파이트를 박리하는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 상기 산화제는 과망간산칼륨이고, 상기 산용액은 황산을 포함하고, 질산, 염산, 인산 및 이들의 염에서 선택되는 물질을 추가적으로 포함할 수 있다.
여기에서 상기 황산의 농도는 80% 내지 95%일 수 있다.
또한, 상기 2단계에서 상기 산화 그라파이트의 박리는 초음파 처리에 의해 수행될 수 있다.
한편, 상기 2단계에서 상기 산화 그라파이트의 박리는, 상기 산화 그라파이트를 쿠에트-테일러 반응기에 투입함으로써 상기 쿠에트-테일러 반응기 내에서 발생하는 전단응력에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 그라파이트, 산화제 및 산용액이 투입부에 투입되어 반응함으로써 산화 그라파이트를 포함하는 생성물을 생성하는 쿠에트-테일러 반응기를 포함하고, 상기 투입부는 상기 그라파이트 및 산용액이 교반되어 상기 쿠에트-테일러 반응기로 주입되는 제1 배관과, 상기 제1 배관과 연통되어 상기 교반된 그라파이트 및 산용액에 산화제를 첨가하는 제2 배관을 포함하는 산화 그래핀 제조 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 쿠에트-테일러 반응기의 배출구와 연결되어 상기 배출구로부터 나오는 생성물로부터 폐산화제를 제거하고 산화 그라파이트 및 폐산액을 분리하여 수집하는 폐산화제 제거부; 상기 산화 그라파이트와 폐산액으로부터 상기 폐산액을 추출, 분리 및 정제하여 산을 회수하는 폐산액 처리부; 및 상기 폐산액이 제거된 상기 산화 그라파이트를 박리하여 산화 그래핀을 제조하는 산화 그래핀 제조부를 더 포함하고, 상기 폐산액 처리부에서 회수된 산을 상기 제1 배관으로 복귀시켜 재활용 할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 쿠에트-테일러 반응기에서 형성되는 테일러 와류를 이용하여 그라파이트의 산화 반응을 일으킴으로써, 그라파이트 층간에 산을 보다 용이하게 침투시켜 산화 그래핀 제조시간을 크게 단축시킬 수 있다.
또한, 사용되는 산용액의 농도를 종전보다 크게 낮출 수 있는 바, 보다 친환경적 공정을 통해 산화 그래핀 제조가 가능하다.
그리고 본 발명의 실시예들에 따른 산화 그래핀 제조 시스템은 산화 그라파이트 생성 과정에서 발생하는 폐산화제를 제거하고 폐산액은 재활용하되, 이들 공정들이 연속공정 하에서 이루어지도록 함으로써 보다 효율적으로 산화 그래핀을 제조할 수 있다.
도 1은 쿠에트-테일러 반응기 내의 유동 특성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 쿠에트-테일러 반응기를 이용하였을 때의 반응시간 대비 산화 그래핀의 수득율을 나타내는 그래프이다.
도 3 내지 도 6은 황산의 농도를 달리하여 수득된 산화 그래핀의 SEM, XRD, XPS 및 라만 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화 그래핀 제조 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 다른 산화 그래핀 제조 방법은 그라파이트, 산화제 및 산용액을 쿠에트-테일러 반응기(couette-taylor reactor)에 투입하고 산화 반응시켜 산화 그라파이트(graphite oxide)를 포함하는 생성물을 생성하는 1단계와, 상기 생성물에서 상기 산화 그라파이트를 분리하고 박리함으로써 산화 그래핀(graphene oxide, GO)를 제조하는 2단계를 포함한다.
본 발명의 발명자들은 쿠에트-테일러 반응기를 이용하여 그라파이트를 산화시키는 경우에 반응시간을 크게 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 산화 반응에 이용되는 산용액의 농도를 낮출 수 있어 보다 친환경적 공정 구현이 가능하다는 것을 알아냈다.
이하에서는 각 단계에 대하여 설명하도록 한다.
(1) 1단계
1단계는 그라파이트, 산화제 및 산용액을 쿠에트-테일러 반응기에 투입하고 산화 반응시킴으로써 산화 그라파이트를 포함하는 생성물을 생성하는 단계다. 상기 생성물은 산화 그라파이트 뿐만 아니라 폐산화제 및 폐산액을 포함한다.
본 단계에서는 그라파이트의 산화를 위하여 산화제 및 산용액이 요구되며, 보다 효율적인 산화 반응을 위하여 쿠에트-테일러 반응기를 이용하는 것을 일 특징으로 한다.
여기에서 그라파이트는 상용 그라파이트를 이용할 수 있으며, 이를테면 상용 그라파이트 파우더(graphite powder)일 수 있다.
산화제는 그라파이트를 산화시킬 수 있는 물질이면 되고 특정되지는 않는다. 이러한 산화제의 대표적인 예로는 과망간산칼륨(KMnO4)이 있다.
산용액은 산화제와 더불어 그라파이트를 산화시키기 위해 필요한 것으로, 황산(H2SO4)을 포함한다. 그리고 황산 이외에도 질산, 염산, 인산 및 이들의 염(예컨대 질산 나트륨, NaNO3)에서 선택되는 물질을 추가적으로 포함한다. 이들 물질은 강산인 황산과 산화제가 급격히 반응하여 과도한 반응열이 생기는 것을 방지하는 기능을 한다. 황산과 질산 등의 첨가비율은 2:1 내지 10:1일 수 있다. 구체적으로는 그라파이트를 상온에서 산용액에 담지시켜 교반시킨 후에, 그라파이트가 담지된 용액에 산화제를 투입한다. 산화제가 투입된 용액은 쿠에트-테일러 반응기 내에서 산화 반응을 일으키고, 그 결과 산화 그라파이트가 제조될 수 있다. 이 때, 과산화수소(H2O2)와 같은 첨가제가 첨가될 수 있다.
본 단계에서 그라파이트의 산화 반응이 일어나는 쿠에트-테일러 반응기는 쿠에트-테일러 와류 특성(couette-taylor vortex)을 이용하여 여러단의 회분식 반응(batch reaction)을 연속적으로 수행하는 효과를 갖는다. 이러한 쿠에트-테일러 반응기는 생물, 물리 및 화학 분야에서 혼합, 추출, 결정화, 분리, 배양을 위한 특수한 반응 환경을 제공하기 위해 사용되고 있으나, 현재까지 쿠에트-테일러 반응기가 산화그래핀 제조에 이용된 사례는 보고되고 있지 않다.
관련하여 도 1은 쿠에트-테일러 반응기(10) 내의 유동 특성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 쿠에트-테일러 반응기(10)는 중심이 같은 두 개의 원통, 즉 외통(11)과 외통(11) 내부에 삽입된 내통(12)이 설치되고 중심축(13)이 회전함에 따라(모터 등의 구동원을 이용함) 외통(11) 또는 내통(12)이 회전한다. 외통(11) 또는 내통(12)이 회전함에 따라 독특한 유동특성이 나타나는 데, 이를테면 내통(12)이 회전을 할 때 외통(11)과 내통(12) 사이에 흐르는 유체는 회전방향(시계방향 또는 반시계방향)으로 흐름이 생긴다. 이 흐름은 원심력과 코리올리힘(coriolis force)을 받아 유체들이 외통(12) 방향으로 나가려는 경향을 보인다.
이로 인해 유체는 불안정하게 되어 회전축 방향에 따라 규칙적이면서도 서로 반대 되는 방향으로 회전하려는 고리쌍 배열의 와류(w)가 형성되는데, 쿠에트-테일러 반응기(10) 내에서의 이러한 유체 흐름들을 쿠에트-테일러 와류 특성이라 한다(또는 테일러 와류, Taylor vortex).
한편 쿠에트-테일러 반응기(10)의 구체적인 구성은 공지된 바 있으므로 이에 대한 설명은 생략한다. 쿠에트-테일러 반응기(10)는 반응물이 투입되기 위한 유입구(미도시)와 반응기의 내부에서 반응을 일으켜 생성된 생성물이 배출되기 위한 배출구(미도시)를 갖추며, 유입구 및 배출구는 복수개 일 수 있다.
그라파이트, 산화제 및 산용액이 쿠에트-테일러 반응기(10)에 투입되고, 쿠에트-테일러 반응기(10)가 구동되면 상술한 와류(w)는 그라파이트에 전단응력(shearing stress)을 준다. 상기 전단응력은 그라파이트의 면을 따라 반대 방향으로 힘을 부여하므로, 그라파이트의 각 층이 좀 더 쉽게 벌어지게 만든다. 그리고 그라파이트의 각 층이 좀 더 쉽게 벌어짐은 각 층 사이로 산이 보다 용이하게 침투되는 것을 의미하는 바, 보다 안정적이면서도 쉽게 산화 반응을 일으킬 수 있다. 쿠에트-테일러 반응기(10) 내에서 보다 용이하게 일어나는 그라파이트 산화 반응은 쿠에트-테일러 반응기(10) 구동에 따른 물리적 처리와 산화제 및 산용액에 따른 화학적 처리가 서로 상승 작용을 일으킨 결과라 할 수 있다.
그 결과, 그라파이트의 산화 반응시간을 크게 단축시킬 수 있을뿐더러, 그라파이트 산화에 이용되는 산용액의 농도 역시 낮출 수 있다. 구체적으로 그라파이트의 산화 반응시간은 쿠에트-테일러 반응기(10)를 사용하였을 때 1 시간 이내로 단축될 수 있으며(종전에는 전체 공정 시간이 2~5일 소요됨), 이용되는 산용액의 농도 역시 85% 수준으로 낮출 수 있다(종전에는 황산 농도가 95~98%). 산용액의 농도가 낮아진다 함은 그만큼의 물이 첨가된다는 것을 의미하며, 이로 인해 쿠에트-테일러 반응기(10) 내에서의 점도가 높아져 회전속도를 증가시킬 수 있을뿐더러 보다 완만한 산화를 유도함으로써 이후 산화 그래핀의 환원을 보다 효율적으로 수행할 수 있다는 장점이 있다.
(2) 2단계
2단계는 쿠에트-테일러 반응기(10)에서 산화 반응을 일으켜 생성된 생성물에서 산화 그라파이트를 분리하고 박리함으로써 산화 그래핀을 제조하는 단계다.
상기 생성물은 산화 그라파이트 뿐만 아니라 폐산화제 및 폐산액을 포함한다. 생성물에서 산화 그라파이트를 분리하는 방법은 특정되지 않고 알려진 방법을 통해 이루어질 수 있다. 예컨대 원심분리기를 이용하여 수세한 후에 얻어지는 분말을 충분히 건조함으로써 산화 그라파이트를 수득할 수 있다.
그리고 생성물로부터 분리된 산화 그라파이트를 박리 공정을 통해 낱장으로 박리함으로써 산화 그래핀이 제조될 수 있다. 즉 2단계는 생성물에서 폐산화제 및 폐산을 제거하여 산화 그라파이트를 생성물로부터 분리하는 단계와, 산화 그라파이트를 박리하는 단계로 구분될 수 있다.
산화 그래핀 형성을 위한 산화 그라파이트의 박리는 알려진 방법을 통해 이루어질 수 있다. 예컨대 산화 그라파이트의 박리법의 대표적인 예로는 초음파 처리법(sonication)이 있다. 구체적으로 산화 그라파이트를 용매(예컨대 물)에 분산시킨 후에 초음파 처리(sonication)를 통해 낱장의 산화 그래핀으로 박리시킬 수 있다.
한편, 산화 그라파이트의 박리는 쿠에트-테일러 반응기를 이용하여 이루어질 수도 있다. 상술한 바와 같이 쿠에트-테일러 반응기 내에서는 전단응력에 의해 그라파이트의 각층이 서로 벌어지려는 경향을 보이는 바, 쿠에트-테일러 반응기의 회전속도를 증가시키는 등의 제어를 통하여 산화 그라파이트를 낱장의 산화 그래핀으로 박리시키는 것이 가능하다.
관련하여 도 2는 쿠에트-테일러 반응기를 이용하였을 때의 반응시간 대비 산화 그래핀의 수득율을 나타내는 그래프이다(X축은 반응시간, Y축은 산화 그래핀 회수율을 나타낸다).
도 2를 참조하면, 본 발명의 발명자들은 쿠에트-테일러 반응기를 이용하여 그라파이트의 산화 반응을 각각 15분, 30분, 45분, 60분 동안 일으켰을 때, 수득된 산화 그라파이트를 박리시켜 회수한 산화 그래핀의 회수율이 각각 48%, 57%, 79%, 93% 정도로 나타남을 확인하였다. 특히 쿠에트-테일러 반응기를 이용하여 60분간 산화 반응을 한 후의 산화 그래핀 회수율이 93%라는 것은 종전 수준에 비해 매우 높은 것이며, 이는 쿠에트-테일러 반응기 내에서 그라파이트의 각 층간 산화 반응이 매우 안정적이고 효율적으로 일어나는 바 박리가 원활히 진행되었음을 의미한다.
또한 그라파이트의 산화 반응에 이용되는 산용액(황산)의 농도를 달리하여(80%~95%) 수득된 산화 그래핀의 SEM, XRD, XPS, 라만 분석 결과, 황산의 농도가 80%까지 낮춰지는 경우에도 고품질의 산화 그래핀을 수득할 수 있음을 확인하였다.
관련하여 도 3 내지 도 6은 황산의 농도를 달리하여 수득된 산화 그래핀의 SEM(scanning electron microscope), XRD(X-ray diffraction), XPS(X-ray photoelectron spectroscopy), 라만 분석 결과를 나타내는 도면이다. 도 3은 황산 농도가 95%일 때, 도 4는 90%, 도 5는 85%, 도 6은 80%일 때의 분석 결과들이다. 각 도면의 상단 좌측이 SEM 이미지, 상단 우측이 XRD 플롯, 하단 좌측이 라만 스펙트럼, 하단 우측이 XPS 플롯이다. 이들 결과들을 살펴보면 80% 황산을 이용하여 수득된 산화 그래핀이 95% 황산을 이용하여 수득된 산화 그래핀과 큰 차이가 없음을 확인할 수 있다.
한편, 박리된 산화 그래핀은 다양한 환원법을 통해 그래핀으로 환원될 수 있다. 상기 환원법의 종류로는 화학적 환원법, 열적 환원법(수열 합성법), 전기화학적 환원법, 마이크로웨이브법 등이 있으며, 이에 한정되지는 않는다.
수득된 그래핀은 나노 스케일의 전기전자 디바이스, 나노센서, 광전자 디바이스, 고기능 복합재 등 다양한 분야에서 응용될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 산화 그래핀 제조 시스템에 대하여 설명하도록 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화 그래핀 제조 시스템(100)을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 산화 그래핀 제조 시스템(100)은 반응물 공급부(110), 쿠에트-테일러 반응기(120), 폐산화제 제거부(130) 및 폐산액 처리부(140)를 포함할 수 있다.
반응물 공급부(110)는 산화 그라파이트 제조를 위한 반응물들을 공급하는 기능을 한다. 반응물 공급부(110)는 그라파이트(내지 그라파이트 파우더)를 공급하는 그라파이트 공급부(111)와, 산용액을 공급하는 산용액 공급부(112)와, 그라파이트 및 산용액이 교반되는 전처리부(113, 114)와, 산화제를 공급하는 산화제 공급부(115)를 포함할 수 있다.
그라파이트 공급부(111)는 그라파이트(내지 그라파이트 파우더)를 저장조등에 저장하고 있다가 산화 반응을 위해 그라파이트를 배관을 통해 공급할 수 있다. 상기 배관에는 공급량을 제어하기 위한 제어장치 등이 추가적으로 마련될 수 있다(예컨대 전자밸브).
산용액 공급부(112)는 산화 반응을 위해 산용액(황산 및 질산 등)을 배관을 통해 공급할 수 있다. 공급되는 산용액의 종류에 따라 산용액 저장조는 도 7에 도시된 것과는 달리 복수 개가 구비될 수 있다. 상기 배관에는 마찬가지로 산용액 공급량을 제어하기 위한 제어장치 등이 추가적으로 마련될 수 있다(예컨대 전자밸브).
전처리부(113,114)는 공급된 그라파이트를 산용액에 담지시켜 교반시키는 전처리 기능을 한다. 이러한 전처리부(113,114)는 통상의 교반기 등을 적용할 수 있다.
전처리부(113,114)에서 교반된 그라파이트 및 산용액은 제1 배관(110a)을 통해 쿠에트-테일러 반응기(120)로 주입된다. 이 때, 제1 배관(110a)과 연통되어 배치되는 제2 배관(110b)을 통해 산화제 공급부(115)로부터 산화제(이를 테면 과망간산칼륨)가 공급될 수 있다. 제2 배관(110b)에도 마찬가지로 산화제 공급량을 제어하기 위한 제어장치 등이 추가적으로 마련될 수 있다.
쿠에트-테일러 반응기(120)는 공급된 그라파이트, 산용액 및 산화제가 투입되는 유입구(미표기)와 반응이 종료된 후에 생성된 생성물을 배출시키는 배출구(미표기)를 갖출 수 있다. 쿠에트-테일러 반응기(120) 내에서 그라파이트는 산화 반응을 일으켜 산화 그라파이트가 생성된다. 상기 산화 반응에 대해서는 전술하였으므로 구체적인 설명은 생략한다.
한편, 쿠에트-테일러 반응기(120)는 반응온도를 조정할 수 있는 수단을 갖추고 있으며, 생성물이 배출되는 배출구 전단에는 생성물에 포함되는 금속 이온 등을 거를 수 있는 필터(미도시)가 설치될 수 있다.
쿠에트-테일러 반응기(120)의 배출구로부터 배출되는 생성물은 산화 그라파이트, 폐산화제 및 폐산액을 포함한다. 이 때, 폐산화제 제거부(130)에서는 생성물로부터 폐산화제를 제거하는 기능을 한다. 예컨대 폐산화제 제거부(130)는 쿠에트-테일러 반응기(120)의 배출구와 연결되어 배치되는 폐산화제 제거장치(131)와 제거된 폐산화제를 저장하는 폐산화제 저장조(132)를 포함할 수 있다. 폐산화제 제거장치(131)에서는 폐산화제 만을 선택적으로 제거하는 용매 등이 담겨져 있을 수 있으며, 이를 통해 생성물로부터 폐산화제 만이 선택적으로 상기 용매에 녹을 수 있다. 폐산화제 제거장치(131)에서 제거된 폐산화제는 배관을 통해 폐산화제 저장조(132)에 저장되고 폐기 처리될 수 있다.
폐산화제가 제거된 상기 생성물(산화 그라파이트 및 폐산액)은 폐산액 처리부(140)로 이송되고 여기에서 폐산액이 처리될 수 있다. 예컨대 폐산액 처리부(140)는 폐산화제 제거부(130)의 후단과 연결되어 배치되는 폐산액 제거장치(141)와 제거된 폐산액을 정제하여 산을 회수하는 폐산액 정제부(142)를 포함할 수 있다. 폐산액 제거장치(141)에서는 폐산액 만을 선택적으로 추출하고(통상의 추출공정등이 활용될 수 있음), 추출된 폐산액은 폐산액 정제부(142)에서 정제됨으로써 산이 회수될 수 있다. 그리고 회수된 산은 다시 산용액 공급부(112)로 복귀되어 재활용 될 수 있다.
한편, 도 7에 도시되지는 않았으나 폐산액 제거장치(141)에 남겨진 산화 그라파이트는 후속 공정을 위해 이송되고, 세척, 건조, 박리(산화 그래핀 제조), 환원 공정(그래핀 제조) 등을 연속적으로 거칠 수 있다. 이와 같은 후속 공정에 이용되는 장치들을 산화 그래핀 제조부로 통칭할 수 있다. 한편, 산화 그라파이트 박리 공정은 통상의 초음파 처리를 이용할 수도 있으나 쿠에트-테일러 반응기를 이용하는 것도 가능하다. 이에 대해서는 전술하였는 바, 중복 설명은 생략한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 쿠에트-테일러 반응기에서 형성되는 테일러 와류를 이용하여 그라파이트의 산화 반응을 일으킴으로써, 그라파이트 층간에 산을 보다 용이하게 침투시켜 산화 그래핀 제조시간을 크게 단축시킬 수 있다. 또한, 사용되는 산용액의 농도를 종전보다 크게 낮출 수 있는 바, 보다 친환경적 공정을 통해 산화 그래핀 제조가 가능하다.
그리고 본 발명의 실시예들에 따른 산화 그래핀 제조 시스템은 산화 그라파이트 생성 과정에서 발생하는 폐산화제를 제거하고 폐산액은 재활용하되, 이들 공정들이 연속공정 하에서 이루어지도록 함으로써 보다 효율적으로 산화 그래핀을 제조할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10: 쿠에트-테일러 반응기 11: 외통
12: 내통 w: 와류
13: 중심축 100: 산화 그래핀 제조 시스템
110: 반응물 공급부 110a: 제1 배관
110b: 제2 배관 111: 그라파이트 공급부
112: 산용액 공급부 113,114: 전처리부
115: 산화제 공급부 120: 쿠에트-테일러 반응기
130: 폐산화제 제거부 131: 폐산화제 제거장치
132: 폐산화제 저장조 140: 폐산액 처리부
141: 폐산액 제거장치 142: 폐산액 정제부

Claims (8)

  1. 그라파이트, 산화제 및 산용액을 쿠에트-테일러 반응기에 투입하고 산화 반응시켜 산화 그라파이트를 포함하는 생성물을 생성하는 1단계; 및
    상기 생성물에서 상기 산화 그라파이트를 분리하고 박리함으로써 산화 그래핀을 제조하는 2단계를 포함하는 산화 그래핀 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 2단계는,
    상기 생성물에서 폐산화제 및 폐산을 제거하여 상기 산화 그라파이트를 분리하는 단계; 및
    상기 산화 그라파이트를 세척 후 박리하는 단계를 포함하는 산화 그래핀 제조 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 산화제는 과망간산칼륨이고,
    상기 산용액은 황산을 포함하고, 질산, 염산, 인산 및 이들의 염에서 선택되는 물질을 추가적으로 포함하는 산화 그래핀 제조 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 황산의 농도는 80% 내지 95%인 산화 그래핀 제조 방법.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 2단계에서 상기 산화 그라파이트의 박리는 초음파 처리에 의해 수행되는 산화 그래핀 제조 방법.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 2단계에서 상기 산화 그라파이트의 박리는, 상기 산화 그라파이트를 쿠에트-테일러 반응기에 투입함으로써 상기 쿠에트-테일러 반응기 내에서 발생하는 전단응력에 의해 수행되는 산화 그래핀 제조 방법.
  7. 그라파이트, 산화제 및 산용액이 투입부에 투입되어 반응함으로써 산화 그라파이트를 포함하는 생성물을 생성하는 쿠에트-테일러 반응기를 포함하고,
    상기 투입부는 상기 그라파이트 및 산용액이 교반되어 상기 쿠에트-테일러 반응기로 주입되는 제1 배관과, 상기 제1 배관과 연통되어 상기 교반된 그라파이트 및 산용액에 산화제를 첨가하는 제2 배관을 포함하는 산화 그래핀 제조 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 쿠에트-테일러 반응기의 배출구와 연결되어 상기 배출구로부터 나오는 생성물로부터 폐산화제를 제거하고 산화 그라파이트 및 폐산액을 분리하여 수집하는 폐산화제 제거부;
    상기 산화 그라파이트와 폐산액으로부터 상기 폐산액을 추출, 분리 및 정제하여 산을 회수하는 폐산액 처리부; 및
    상기 폐산액이 제거된 상기 산화 그라파이트를 박리하여 산화 그래핀을 제조하는 산화 그래핀 제조부를 더 포함하고,
    상기 폐산액 처리부에서 회수된 산을 상기 제1 배관으로 복귀시켜 재활용하는 산화 그래핀 제조 시스템.
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