KR20160005436A - 지속가능 나노소재 추출을 위한 유체 냉각식 고압충돌챔버장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체끼리의 고압 충돌을 이용해 유체내에 분산된 재료를 미세한 입자로 균일하게 분산시키거나 분산된 소재를 분쇄시켜 유체의 미립자화를 실시하는 고압충돌챔버장치에 있어서, 고압충돌챔버에 냉각 유로를 별도로 설치하여 냉각 유체를 흘려보내 고압노즐 헤드 부위와 충돌로 가열된 혼합 유체를 고압충돌챔버에서 직접 냉각하는 장치를 가지며, 고압 노즐헤드의 각도를 조정하는 조정장치를 제거하고 고정함으로써, 고압충돌챔버의 조정으로 인한 문제들을 제거하고, 분쇄된 입자나 파이버가 열교환기를 통하지 않아 처리 공정 후 열교환기의 세정이 필요 없고 처리 공정 전체의 단축화와 안정화 그리고 비용 저감을 이루는 유체 냉각식 고압충돌장치에 대한 것이다.

Description

지속가능 나노소재 추출을 위한 유체 냉각식 고압충돌챔버장치{High pressure counter collision chamber with liquid cooling for sustainable nano materials extraction)}

본 발명은, 유체끼리의 고압 충돌을 이용해 유체 내에 분산된 재료를 미세한 입자로 균일하게 분산시키거나 분산된 소재를 분쇄시켜 소재의 미립자화를 실시하는 고압충돌챔버장치에 관한 것이다. 특히, 자연에서 얻을 수 있는 지속가능 소재에서 나노소재를 추출하는데 있어서 친환경적인 방법으로 고압충돌장치를 사용하는 기술에 관한 것이다.

셀룰로오스를 비롯한 다당류는 지속가능 소재로서 유용하며, 종이, 필름, 섬유, 투명기판, 압전소재 등 여러 가지 용도에 사용된다. 그러나, 일반적으로 이들 다당류는 석유화학 소재와 달리 가열에 의해 융해되기 어렵고, 용매에 의한 용해가 용이하지 않은 단점이 있다. 예를 들면, 셀룰로오스는 수산화나트륨과 이황화탄소, 구리암모늄용액이나, 수산화나트륨과 이황화탄소를 혼합한 용매, N-메틸몰파인 N-옥시드, 이온성 유체 등 다양한 용매에 의해 용해될 수 있으나, 공해문제와 제조단가 그리고 공정상 어려움 등으로 인한 단점이 있다. 이 과제를 해결하기 위해 다당류를 수중에 균일하게 분산시키고, 분자 구조를 파괴하지 않고 습식 미세 분쇄하여, 분자를 분자 수준까지 분산시키는 방법이 고안되었다 (대한민국 공개특허 10-2006-0044774). 이 경우, 다당류의 분산액은 겔상으로서 치약, 크림 등의 보습화 화장재, 약제에 함침한 서방 겔제제, 방향제, 보냉 및 보온 재료로서 이용될 수 있다. 또한, 겔상물을 건조함으로써 얻어지는 필름이나 형상물을 용기류나 유연 기판재료, 압전재료에 이용될 수 있다. 이들 이용 분야에서는 다당류가 보다 작게 분쇄됨으로써 균일화하여 제품화할 수 있게 되고, 중합도가 낮아지지 않음으로써 제품으로서 필요한 강도, 내성을 유지하기 쉬워진다. 수불용성의 셀룰로오스에 대해서는 수중에 분산시킨 셀룰로오스를 150MPa 이상의 고압력차로 고속도를 부여하고, 이어서 이들을 충돌시켜 급속히 감속시키는 방법으로의 분쇄 방법이다. 이 방법에 의하면, 셀룰로오스를 20회 정도 분쇄 처리함으로써, 섬유상의 셀룰로오스는 1/4 이하 정도로 미세화된다는 것이 개시되어 있다.

종래에 유체끼리의 충돌을 이용해 미립자화하거나 유체를 균질화하는 장치로서 여러가지가 제안되었고, 그 중의 하나로서 일본 특개평 6-47264호 공보에 기재된 유화 장치를 들 수 있다. 이 유화 장치는 고압 펌프에 의해서 가압된 2 종류의 유체를 서로 마주보게 분사시켜 정면충돌(head-on collision)시키는 것으로 유화 분산을 하는 구성이고, 고압 유체를 공급하는 유로보다도 작은 지름의 노즐이 형성된 두 개의 판상체를 유로에 대해서 수직으로 서로 마주 보게 배치하고 그 사이에 유화부의 공간을 형성하고 있다. 이 장치는 고압 유체가 유입하는 유로의 지름에 비해, 유화부에서의 노즐구멍 지름을 작게 하는 것과 동시에, 양측의 유로 노즐구멍을 포함해 충돌 유로를 직선 모양으로 형성함으로써, 한층 더 압력을 유속에 따라 변화시키는 부분의 길이를 짧게 하여 압력 손실(pressure drop)을 줄이는 효율적인 유화 분산을 달성하려고 하고 있다. 또한, 이런 종류의 유체 충돌 장치에서는 분사 노즐(spray nozzle)로부터 분사되는 고압 유체를 판 모양의 경질체에 충돌시키는 것에 의해서 유체내의 물질을 분쇄해 미립자화하거나 혹은 유체를 유화시키는 플레이트(plate) 충돌 방식이 이용되고 있다. 이것은 본체 챔버(chamber)내에 고정 설치된 경질 플레이트(plate)에 챔버외의 유로로부터 공급되는 유체를 분사 노즐(spray nozzle)로부터 고압 분사해 충돌시키는 것으로, 충돌 부재로서의 경질 플레이트(plate)에는 평판 모양의 소결 다이아몬드(diamond) 등이 이용되고 있다. 이러한 유체 충돌 장치에 의한 유체 매질의 미립자화나 유체의 유화는 식품, 화장품, 도료, 세라믹스(ceramics), 전자재료(electronic material) 등의 광범위한 분야 소재를 대상으로 이용되고 있다. 예를 들면 화장품에서는 파운데이션용 소재를 미립자화하거나 하여 피부 피복력이나 분비물의 흡수성을 높이는 등, 화장품으로서 바람직한 특성을 더욱 향상시키고 있다. 또, 세라믹스(ceramics) 소재에서는 미립자화에 수반해 그 기계적 강도가 향상한다. 그 외, 음료를 포함한 각종 식품이나 도료, 화장품의 유액 등, 유화[에멀션화(emulsion)]에 의한 조성물끼리의 친화성의 향상과 매질의 균일 분산화가 필요하게 되는 것을 대상으로 해 유체 충돌 장치가 넓게 이용되고 있다.

한편, 일본 특개평 10-337457호는, 유체끼리의 충돌에 따라, 유화나, 미세한 입자의 분산 등의 유체의 균질화 또는 유체끼리의 충돌을 이용해 파쇄하여 미립자화를 실시하는 기류충돌장치에 있어서, 내부 챔버(chamber)를 가지는 하우징(housing)과 상기 챔버 내에 고압 유체를 분사하도록 한 쌍의 노즐 수단을 구비하고, 두 노즐이 서로 각도를 가져 교차하도록 각각의 분사 방향이 정해져 있어, 분사된 고압 유체는 챔버 내의 일점에서 서로 경사지게 충돌하여 분사 유체의 충돌에 의한 유화부의 손상을 상당히 감소시킴으로써 특히 노즐에는 대향 분사류가 직접 충돌하지 않는 개량된 기류충돌장치를 제공하고, 유체끼리의 충돌에 의한 유화 분산 또는 유체끼리의 충돌을 이용해 파쇄하는 미립자화를 실시하는 고효율의 기류충돌장치를 제공하였다. 또한, 상기 일점에서 잘못 충돌한 유체가 하우징(housing) 내벽에 충돌해 하우징 내부를 손상하는 것을 막기 위해서 상기 일점의 상대방에서 각각의 노즐 수단에 대치하는 위치에 경질 볼과 같은 기류 수용 수단을 구비하여, 잘못 충돌한 유체의 그 유체력을 분산시킨다. 그리고, 제 1 및 제2의 노즐 수단이 적어도 한 방향의 분사 방향을 조정하기 위한 조정기구를 더 구비하였다. 이상과 같이 하여, 분사 유체의 충돌에 의한 내부 챔버의 손상이 매우 저감되어 특히 노즐에는 대향 분사류가 직접 충돌하지 않으며, 충돌 위치의 조정이 간단하고, 복수의 유체를 확실히 일점으로 충돌시킬 수 있는 기류충돌장치를 제시하였다.

그러나, 지금까지 제시된 종래의 고압충돌장치는 고압노즐의 마찰과 두 노즐로부터 고압으로 분사된 유체의 충돌에 의해 열이 발생하여, 노즐을 포함한 고압충돌장치의 수명 저하 및 분쇄성능 저하가 발생하므로, 충돌된 유체의 냉각장치가 필요하다. 그러나 냉각장치는 파쇄한 재료가 분산된 유체가 지나야 하므로 파쇄된 재료가 냉각장치 내부에 쌓일 수 있어서 냉각기를 청소해야 하는 단점과 파쇄된 재료가 나중에 모여서 나와 불균일하게 섞이는 단점이 있다. 그리고, 일점에서 제 1 및 제2의 노즐 수단이 적어도 한 방향의 분사 방향을 조정하기 위한 조정기구가 추가되면, 구조의 복잡함으로 인한 조정의 어려움과 시간이 지남에 따라 노즐 정렬의 변화로 인한 성능저하의 단점이 있다.

본 발명에 따른 기술은 고압충돌장치에 별도의 유체로 냉각되는 수단을 설치하여 유체의 충돌시 발생하는 열을 회수하여 기존의 냉각장치로 인해 발생하는 단점을 없애고, 노즐의 분사방향을 조정하는 장치를 없애 고압충돌장치의 구조를 단순화한 것을 특징으로 하여 상기 종래기술의 단점을 제거하였다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제공하는 것으로서, 셀룰로오스와 같은 다당류 등의 지속가능 소재에서 친환경적 방법으로 나노소재를 추출하기 위하여 고압충돌장치를 사용함에 있어서, 충돌된 유체를 냉각시켜주는 냉각기가 필요 없을 뿐만 아니라 고압충돌장치의 챔버 구조가 간단하여 제작이 쉽고 유지보수가 용이한 고압충돌장치를 제공하는데 있다.

상기한 바와 같은 본 발명을 이루기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 고압충돌챔버장치는 지속가능 소재를 혼합한 유체를 저장하기 위한 탱크, 고압플런저펌프, 소정의 각도로 유체를 분사하여 충돌시키기 위한 두 개의 고압노즐, 및 고압충돌에너지에 의해 발생한 열을 냉각시키기 위해 냉각유체를 공급하기 위한 별도의 냉각유체 공급장치로 이루어진다.

상기한 방법에 의해 제조된 유체냉각식 고압충돌장치는 고압충돌챔버에 냉각 유로를 별도로 설치하여 냉각 유체를 흘려보내 고압노즐 헤드 부위와 충돌로 가열된 혼합 유체를 고압충돌챔버에서 냉각함으로써, 분쇄된 입자나 파이버가 열교환기를 통하지 않아, 처리 공정 후 열교환기의 세정이 필요없고 처리 공정 전체의 단축화와 안정화 그리고 비용 저감이 가능하다. 또한, 고압충돌챔버에 고압 노즐헤드의 각도를 조정하는 조정장치를 제거함으로써, 고압충돌챔버를 분해하였을 때마다 조정을 다시 해야하는 문제와 장시간 사용하였을 때 조정된 위치가 틀어져, 정기적으로 조정을 해야 하는 문제를 제거할 수 있다.

본 기술은 셀룰로오스와 같은 다당류 지속가능 소재에서 나노셀룰로오스와 같은 나노소재를 친환경적인 방법으로 추출하는 고압충돌챔버 기술에 있어서, 유체 냉각식 고압충돌챔버를 안출하고 그 구조를 단순화하여, 세척이 용이하고 처리공정의 단축화와 안정화 및 비용절감의 효과가 있다.

도 1은 종래의 지속가능 나노소재 추출을 위한 열교환기 방식의 고압충돌챔버장치의 개념도, 및
도 2는 본 발명에 따른 유체 냉각식 고압충돌챔버장치를 나나낸 개념도이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 종래 고압충돌장치의 구성을 나타낸 것으로(일본특허 제3712588호 참조), 이 장치는 물과 분쇄할 소재를 혼합한 유체를 저장하는 탱크(1)와 고압플런저 펌프(2), 및 내부에 충합부가 형성되는 챔버(3)와 그 충돌점을 향해서 서로 소정 각도로 기류 궤적을 교차시키는 위치에 배치된 제1의 노즐 헤드(4a) 및 제2의 노즐 헤드 (4b), 충돌 후 혼합 유체를 냉각시켜주는 열교환기(5)로 구성되어 있다. 이러한 각각의 노즐 헤드(4a, 4 b)는 초고압 펌프(2)로부터 가압되어 각각 고압의 혼합 유체를 유입하여 분출한다. 이러한 과정을 다수 실시함으로써 원하는 입자 지름으로 유체 내 혼합된 소재를 분쇄할 수 있다. 특히, 셀룰로오스와 같은 다당류 지속가능 소재를 나노파이버로 분쇄할 수 있으나, 고압충돌에너지에 의해 혼합된 유체가 가열되므로, 열교환기(5)를 통과시켜 이 유체를 냉각해야 한다. 이 과정에서 분쇄된 입자나 파이버가 열교환기의 유로 내부에 쌓이고, 이를 제거하기 위해 열교환기 내부를 매번 청소해야하는 문제가 있다. 특히, 고압충돌장치에 다른 소재를 분쇄하기 위해서는 고압충돌장치 내부를 물로 세척해야 하는데, 이 과정에서 열교환기 내부의 세척이 매우 불편한 단점이 있다. 또한, 노즐 헤드의 한 방향의 분사 방향을 조정하는 조정기구가 설치되었을 때, 고압충돌챔버를 분해하였을 때마다 조정을 다시 해야 하는 문제와 장시간 사용하였을 때 조정된 위치가 틀어져, 주기적으로 조정을 해야하는 단점이 있다.

도 2는 본 발명에 따른 유체 냉각장치가 내장된 고압충돌챔버장치의 구성을 나타낸 것으로, 물에 지속가능 소재를 혼합한 유체를 저장하는 탱크(1)와 고압플런저펌프(2) 그리고 내부에 냉각장치가 내장된 고압충돌챔버(3)와 그 충돌점을 향해서 서로 소정 각도로 기류 궤적을 교차시키는 위치에 배치된 고압 노즐 헤드(4a) 및 (4b) 로 구성되어 있다. 이러한 고압 노즐 헤드(4a, 4b)의 교차하는 각도는 적절하게는 150도 내지 175도이다. 고압충돌에너지에 의해 발생한 열은, 혼합 유체가 흐르는 유로와 별도로, 노즐 헤드 주위와 혼합 유체 출구 주위에 형성된 냉각 유로를 통해 냉각 유체를 흘려보내어 충돌 에너지에 의해 발생한 열을 빼앗아 가므로, 별도로 혼합 유체를 흘려보내 냉각하는 열교환기가 필요 없다. 즉, 고압충돌챔버에 냉각 유로를 별도로 설치하여 냉각 유체를 흘려보냄으로써, 고압노즐 헤드 부위와 충돌로 가열된 혼합 유체를 냉각하는 것이다. 냉각 유체의 일례로 물이 있다. 본 특허에서 안출한 고압충돌챔버는 고압충돌과정에서 분쇄된 입자나 파이버가 열교환기를 통하지 않으므로, 처리 공정 후 열교환기의 세정이 필요 없어 처리 공정 전체의 단축화와 안정화 그리고 비용 절감이 가능하다. 냉각 유체는 열을 빼앗을 수 있는 물과 같은 모든 유체가 가능하며, 유동성이 있으면서 열을 빼앗을 수 있는 수은과 같은 반고형 물질도 사용할 수 있다. 유체의 공급은 수돗물과 같이 자연적으로 흐르는 유체를 사용할 수도 있고 강제적으로 냉각 유체를 공급하여 냉각시킬 수도 있다.

또한, 고압충돌챔버에 고압 노즐헤드의 소정각도로 조정하는 조정장치가 없어 조정으로 인한 문제를 제거할 수 있다. 대신에 소정 각도를 맞추는 것은 고압충돌챔버를 단순화시켜 제작함으로써 고압노즐이 소정의 각도로 일치될 수 있다. 여기서 고압의 범위는 150MPa 내지 250MPa가 바람직하다.

1: 탱크
2: 고압플런저펌프
3: 고압충돌챔버
4a, 4b: 고압노즐 헤드
5: 냉각 유체 공급장치

Claims (3)

1. 유체내에 분산된 성분 재료를 미세한 입자로 균일하게 유체내에 분산시키거나 유체내에 분산된 소재를 분쇄시켜 소재의 미립자화를 실시하기 위하여,
   지속가능 소재를 혼합한 유체를 저장하기 위한 탱크(1), 저장된 혼합 유체를 챔버로 공급하기 위한 고압플런저펌프(2), 소정의 각도로 유체를 챔버내에서 분사하여 충돌시키기 위한 두 개의 고압노즐 헤드(4a, 4b)을 포함하고 있는 고압충돌장치에 있어서,
   또한, 상기 고압노즐 헤드(4a, 4b)의 가열된 헤드와 유체의 고압충돌에너지에 의해 발생한 열을 냉각시키기 위해 냉각유체를 공급하기 위한 별도의 냉각유체 공급장치(5)를 포함하고 있는 지속가능 나노소재 추출을 위한 유체 냉각식 고압충돌챔버장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 냉각유체는 열을 뺏을 수 있는 액상 유체 또는 반고형 유체인 지속가능 나노소재 추출을 위한 유체 냉각식 고압충돌챔버장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 소정의 각도는 150 내지 175도인 지속가능 나노소재 추출을 위한 유체 냉각식 고압충돌챔버장치.
   
   

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