KR20160040246A - 적어도 하나의 첨가제를 갖는 탄소의 화학적 활성화 - Google Patents
적어도 하나의 첨가제를 갖는 탄소의 화학적 활성화 Download PDFInfo
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Abstract
본 개시는, 다양한 어떤 구체 예에서, (a) 탄소 공급원료, 알칼리 금속 수산화물로부터 선택된 적어도 하나의 활성화제, 및 지방, 오일, 지방산, 및 지방산 에스테르로부터 선택된 적어도 하나의 첨가제를 포함하는 공급원료 혼합물, 및 공급원료 혼합물을 형성시키기 위한 폴리히드록실화 화합물을 제공하는 단계; (b) 선택적으로 상기 공급원료 혼합물을 제1온도로 가열시키는 단계, 및 상기 공급원료 혼합물을 제1온도로 가열시키는 단계가 수행된 경우, 선택적으로 상기 적어도 하나의 활성화제와 상기 적어도 하나의 첨가제를 반응시키기 위해 상기 공급원료 혼합물을 상기 제1온도에서 충분한 시간동안 유지시키는 단계; (c) 선택적으로 상기 공급원료 혼합물을 밀링 및/또는 그라인딩시키는 단계; (d) 상기 공급원료 혼합물을 활성화 온도로 가열시키는 단계; 및 (e) 상기 공급원료 혼합물을 활성탄으로 형성시키기 위해 상기 활성화 온도에서 충분한 시간동안 유지시키는 단계를 포함하는 활성탄의 형성 방법에 관한 것이다.
Description
본 출원은 2013년 7월 31일자에 출원된 미국 가 특허출원 제61/860,489호의 우선권을 주장하며, 이의 전체적인 내용은 참조로서 여기에 혼입된다.
본 개시는 일반적으로 활성탄의 형성 방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 발포 및/또는 플럭싱 (fluxing)을 감소시키기 위해 적어도 하나의 첨가제를 사용하는 탄소의 화학적 활성화에 관한 것이다.
울트라커패시터 (ultracapacitors)와 같은 에너지 저장 장치는 휴대폰에서 하이브리드 자동차에 이르는, 다양한 적용에서 사용될 수 있다. 울트라커패시터는 고 전력, 긴 반감기, 및/또는 긴 수명을 요구하는 적용에서 배터리에 대한 대체물로서 부각되었다. 울트라커패시터는 통상적으로 한 쌍의 탄소-계 전극 사이에 샌드위치된 유기 전해질 및 다공성 분리막 (porous separator)을 포함한다. 에너지 저장은 전극 및 전해질 사이의 계면에서 생성된 전기화학 이중층에 전기적인 전하를 분리 및 저장하여 달성된다. 이들 장치의 중요한 특징은 이들이 제공할 수 있는 에너지 밀도 및 전력 밀도이고, 이들 모두는 전극으로 혼입된 탄소의 특성에 의해 크게 결정된다.
에너지 저장 장치로 혼입하는데 적합한 탄소-계 전극은 알려져 있다. 활성탄 (Activated carbon)은 이의 큰 표면적, 전기 전도도, 이온 커패시턴스 (capacitance), 화학적 안정성, 및/또는 저렴한 가격에 기인하여 울트라커패시터에서 다공성 물질로서 널리 사용된다. 활성탄은, 석탄, 견과류 껍질, 및 바이오매스와 같은, 천연 전구체 물질, 또는 페놀 수지와 같은 합성 물질로부터 제조될 수 있다. 천연 및 합성 전구체 모두에서, 상기 활성탄은 상기 전구체를 탄화시키고, 그 다음 중간 생산물을 활성화시켜 형성될 수 있다. 상기 활성화는 탄소의 기공률 (porosity) 및 따라서 표면적을 증가시키기 위해 상승된 온도에서 물리적 (예를 들어, 스팀 또는 CO2) 또는 화학적 활성화를 포함할 수 있다. 몇 가지 화학적 시약이, KOH, NaOH, LiOH, H3PO4, Na2CO3, KCl, NaCl, MgCl2 , AlCl3, P2O5, K2CO3, K2S, KCNS, 및/또는 ZnCl2를 포함하여, 기술분야에서 사용되었지만; KOH, NaOH, 및 LiOH와 같은, 알칼리 금속 수산화물의 사용은 다양한 원하는 특성을 달성하기 위해 널리 채택되었다.
물리적 및 화학적 활성화 공정 모두는 통상적으로 탄화 물질을 가열하고 활성화제 (activating agent)와 반응시키기 위해 많은 열적 예산을 포함한다. 화학적 활성화의 경우에서, 부식성 부산물은 탄화 물질이 가열되고 알칼리 금속 수산화물과 같은 가성 (caustic) 화학적 활성화제와 반응되는 경우 형성될 수 있다. 부가적으로, 탄화 물질 및 화학적 활성화제의 가열 및 반응 동안 발생할 수 있는 상 변화 (phase changes), 또는 플럭싱은 공정 동안 혼합물의 응집체 (agglomeration)를 결과할 수 있다. 이들 결점은 전체 공정, 특히 연장된 시간동안 상승된 온도에서 수행되는 반응에 대하여, 복잡성 및 비용을 부가시킬 수 있다.
중요한 문제는 KOH와 같은 가성 물질이 탄소의 화학적 활성화를 위해 사용된 경우 보고되어 왔다. 예를 들어, 로터리 킬른 (rotary kilns)이 탄소 활성화에 사용된 경우, 공급원료는 활성화 온도에서 처리되기 전에 하소 (calcination) 및/또는 건조 및/또는 탈수 (dehydration)를 수행하는 것이 종종 요구된다. 응집체는, 계속적 공정, 예를 들어, 스크류 니더 (screw kneaders)를 사용하는 공정에서, 증가된 공정 복잡성 및/또는 비용과 같은, 중요한 문제를 제기하는 경향이 있다.
응집체 문제를 피하기 위한 수단으로, 롤러 하스 (roller hearth)와 같은 다른 기술은 사용되어 왔고, 여기서 트레이 (trays)는 활성화 혼합 물질과 함께 로딩되며, 다중 존 터널 가열로 (multiple zone tunnel furnace)를 통해 통과된다. 이러한 가열로는 작동시 비용이 들 수 있고, 오직 하나의 트레이 수준이 따로따로 가열로를 통해 통과되기 때문에 처리량이 제한될 수 있다. 상기 가열로 폭은 또한 상기 가열로를 가로질러 이어지는 롤러 길이가 제공 온도에서 물질 유용성 (availability) 및 강도에 의해 제한되기 때문에 처리량에서 롤러 하스에 대한 제한 요인 (limiting factor)이다.
부가적으로, 알칼리 금속 수산화물을 사용한 화학적 활성화는 공정 동안 몇 가지 가스 (예를 들어, CO, CO2, H2, 및 H2O)의 방출을 결과하고, 이것은 발포 (foam)의 형성을 유도한다. 활성화 동안 발포는 활성화 반응기에서 처리될 수 있는 물질의 양을 제한하는 경향이 있다. 예를 들어, 몇몇 경우에서, 도가니 부피의 오직 약 10-30%, 예를 들어, 약 20% 만이 공정 동안 발포 때문에 공급원료 혼합물에 대해 활용될 수 있다. 전술된 바와 같이, 공급원료 혼합물의 부식성 성질은 고가이고 내-부식성 물질을 사용하여 구성된 반응기의 사용을 요구한다. 따라서, 증가된 공급원료 처리량을 허용하는 화학적 활성화 공정을 개발하는 것이 유리할 것이다.
공정 동안 발포를 피하기 위한 종래의 방법은 과립 또는 미립자 공급원료 대신에 압축된 공급원료 펠렛 (pellets)의 사용을 포함한다. 상기 펠렛은, 예를 들어, 몇 시간동안 공급원료 혼합물을 진공 건조 및/또는 공급원료 혼합물에 바인더를 첨가시켜 제조된다. 상기 펠렛은 그 다음 활성화되고, 고체의, 펠렛화 형태로 처리되다. 그러나, 진공 건조의 추가 단계 및/또는 추가의 바인더 성분은 활성탄의 생산의 비용 및/또는 기간을 증가시키는 경향이 있다.
따라서, 부식, 응집, 플럭싱 및/또는 발포에 관한 문제를 최소화하면서 좀 더 경제적인 활성화 경로를 사용하여 활성탄 물질을 형성하기 위한 공정 및 활성탄 물질을 제공하는 것은 이점이 있을 것이다. 최종 활성탄 물질은 높은 커패시턴스 및/또는 표면적 대 부피 비를 보유할 수 있고, 효율적이고, 긴-수명 및 높은 에너지 밀도 장치를 가능하게 하는 탄소-계 전극을 형성하는데 사용될 수 있다.
본 개시는, 다양한 어떤 구체 예에서, (a) 탄소 공급원료; 알칼리 금속 수산화물로부터 선택된 적어도 하나의 활성화제; 및 지방, 오일, 지방산, 및 지방산 에스테르, 및 폴리히드록실화 화합물 (polyhydroxylated compounds)로부터 선택된 적어도 하나의 첨가제를 포함하는 공급원료 혼합물을 제공하는 단계; (b) 선택적으로 상기 공급원료 혼합물을 제1온도로 가열시키는 단계, 및 상기 공급원료 혼합물을 제1온도로 가열시키는 단계가 수행된 경우, 선택적으로 상기 공급원료 혼합물을 적어도 하나의 활성화제와 적어도 하나의 첨가제를 반응시키기 위해 상기 제1온도에서 충분한 시간동안 유지시키는 단계; (c) 선택적으로 상기 공급원료 혼합물을 과립화시키는 단계; (d) 상기 공급원료 혼합물을 활성화 온도로 가열시키는 단계; 및 (e) 상기 공급원료 혼합물을 활성탄으로 형성시키기 위해 상기 활성화 온도에서 충분한 시간동안 유지시키는 단계를 포함하는 활성탄의 형성 방법에 관한 것이다.
어떤 구체 예에서, 상기 공급원료 혼합물에서 활성화제 대 탄소 공급원료의 중량비는 약 0.5:1 내지 약 5:1의 범위이고, 활성화제 대 첨가제의 중량비는 약 5:1 내지 약 30:1의 범위이다. 다양한 어떤 구체 예에서, 상기 공급원료 혼합물은 탄소 공급원료, 적어도 하나의 활성화제, 및 적어도 하나의 첨가제의 미립자 혼합물, 예를 들어, 분말 또는 과립 혼합물일 수 있다. 몇몇 비-제한 구체 예에서, 상기 적어도 하나의 화학적 활성화제는 KOH, NaOH, 및 LiOH로부터 선택되고, 상기 적어도 하나의 첨가제는 동물성 지방, 식물성 오일, 지방산, 지방산 에스테르, 폴리올, 셀룰로오스 에테르, 및 이온 및 비-이온성 실리콘 오일, 및 이의 조합으로부터 선택된다.
본 발명의 부가적인 특색 및 장점은 하기 상세한 설명에서 서술될 것이고, 부분적으로 하기 상세한 설명으로부터 기술분야의 당업자에게 쉽게 명백하거나 또는 하기 상세한 설명, 청구항, 뿐만 아니라 첨부된 도면을 포함하는, 여기에 기재된 바와 같은 본 발명을 실행시켜 인지될 것이다.
전술한 배경기술 및 하기 상세한 설명 모두는 본 발명의 다양한 구체 예를 제공하고, 청구된 바와 같은 본 발명의 본질 및 특징을 이해하기 위한 개요 또는 틀거리를 제공하도록 의도된 것으로 이해될 것이다. 첨부된 도면은 본 발명의 또 다른 이해를 제공하기 위해 포함되고, 본 명세서의 일부를 구성하고 혼입된다. 도면은 본 발명의 다양한 구체 예를 예시하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리 및 작동을 설명하기 위해 제공된다.
여기에 개시된 것은 (a) 탄소 공급원료, 알칼리 금속 수산화물로부터 선택된 적어도 하나의 활성화제, 및 지방, 오일, 지방산, 및 지방산 에스테르로부터 선택된 적어도 하나의 첨가제를 포함하는 공급원료 혼합물을 제공하는 단계; (b) 선택적으로 상기 공급원료 혼합물을 제1온도로 가열시키는 단계, 및 상기 공급원료 혼합물을 제1온도로 가열하는 단계가 수행되는 경우, 선택적으로 적어도 하나의 첨가제와 적어도 하나의 활성화제를 반응시키기에 충분한 시간동안 상기 제1온도에서 상기 공급원료 혼합물을 유지시키는 단계; (c) 선택적으로 상기 공급원료 혼합물을 과립화시키는 단계; (d) 상기 공급원료 혼합물을 활성화 온도로 가열시키는 단계; 및 (e) 상기 공급원료 혼합물을 활성탄을 형성하기에 충분한 시간동안 활성화 온도에서 유지시키는 단계를 포함하는 활성탄의 형성 방법이다.
또한, 여기에 개시된 것은 (a) 탄소 공급원료, 알칼리 금속 수산화물로부터 선택된 적어도 하나의 활성화제, 및 폴리올, 셀룰로오스 에테르, 및 이온 및 비-이온성 실리콘 오일로부터 선택된 적어도 하나의 첨가제를 포함하는 공급원료 혼합물을 제공하는 단계; (b) 선택적으로 상기 공급원료 혼합물을 그라인딩 및/또는 밀링시키는 단계; (c) 상기 공급원료 혼합물을 활성화 온도로 가열시키는 단계; 및 (d) 상기 공급원료 혼합물을 활성탄으로 형성시키기 위해 상기 활성화 온도에서 충분한 시간동안 유지시키는 단계를 포함하며, 여기서 상기 공급원료 혼합물은 입자 형태인 활성탄의 형성 방법이다.
작동의 이론적 메커니즘
이론에 제한되는 것을 원하지는 않지만, 지방, 오일, 지방산, 및/또는 지방산 에스테르가 적어도 하나의 첨가제로서 사용된 경우, 이들 첨가제는 비누화 반응에서 알칼리 금속 수산화물과 반응하여, 알칼리-함유 카르복실산염 (비누) 및 글리세롤 및 물과 같은, 다양한 생산물을 생성하는 것으로 믿어진다. 예를 들어, 하기 반응식 (a)는 트리글리세라이드 (지방) 및 KOH 사이의 반응이 카르복실산 칼륨 및 글리세롤을 생산하는 것을 예시한다. 반응식 (b)는 지방산 및 KOH 사이의 반응이 카르복실산 칼륨 및 물을 생산하는 것을 예시한다. 반응식 (c)는 지방산 에스테르 및 KOH 사이의 반응이 카르복실산 칼륨 및 알코올을 생산하는 것을 예시한다.
[반응식 (a)]
[반응식 (b)]
R4COOH + KOH → R4COO-K+ + H2O
[반응식 (c)]
R5COOR6 + KOH → R5COO-K+ + R6OH
더욱이, 이론에 제한되는 것을 원하지는 않지만, 알칼리-함유 카르복실산염으로 상기 알칼리 금속 수산화물의 전환은 공급원료 혼합물에 존재하는 알칼리 금속 수산화물의 양을 감소시켜 약 500℃ 아래의 온도에서 공정 동안 플럭싱의 정도 (degree of fluxing)를 억제하고 상 변화를 겪는 것으로 믿어진다. 부가적으로, 글리세롤 반응 생산물은, 하기에 논의된 바와 같이, 혼합물의 표면 장력을 낮춰서 발포를 더욱 완화할 수 있다.
발포는 화학적 활성화 공정의 몇 가지 단계 동안 발생할 수 있다. 비-제한 예로서 KOH를 사용하여, 하기 반응들은 활성화 동안 다양한 단계에서 발생할 수 있다:
KOH·xH2O → KOH + xH2O
(1)
2KOH → K2O + H2O
(2)
C + H2O → CO + H2
(3)
CO + H2O → CO2 + H2
(4)
CO2 + K2O → K2CO3
(5)
6KOH + 2C → 2K + 3H2 + 2K2CO3
(6)
K2CO3 → K2O + CO2
(7)
CO2 + C → 2CO
(8)
K2CO3 + 2C → 2K + 3CO
(9)
C + K2O → 2K + CO
(10)
K + C → KCn
(11)
발포의 제1단계는, 결정화된 KOH로부터 물의 방출 (반응식 1)에 기인하여, 약 115℃ 내지 약 155℃의 온도 범위에서 발생할 수 있다. 상기 활성화제는 그 다음 약 155℃ 내지 약 325℃의 온도 범위에서 바싹 건조된다. 발포의 제2단계는, KOH가 다시 액화되고 점도가 온도의 증가와 함께 감소하는 경우, 약 325℃ 내지 약 500℃의 온도 범위에서 발생할 수 있다. 다량의 가스는 다양한 화학적 반응 (반응식 2-4)에 기인하여 이 단계에서 발생하고, 결국 발포 및 거품의 형성을 유도한다. 발포는 공급원료 혼합물의 표면으로부터 일어나고, 반응 용기 내에서 벽을 따라 상승할 수 있다. 발포의 제3단계는 500℃ 내지 약 750℃의 온도 범위에서 발생할 수 있고, 여기서 점도는 K2CO3로 KOH의 전환 (반응식 5-6)에 기인하여 온도의 증가와 함께 증가한다. 상기 공급원료 혼합물은 온도가 약 600℃, 및 약 700℃에 접근함에 따라 습식 고체와 같은 것으로 보이기 시작하고, 형성된 K2CO3는 K2O 및 CO 가스로 분해를 시작한다 (반응식 7-8). 칼륨 화합물 (K2O 및 K2CO3)은 또한 700℃를 초과하는 온도에서 칼륨 및 CO 가스를 생산하기 위해 탄소에 의해 환원될 수 있다 (반응식 9-10). 상기 칼륨은 그 다음 탄소 매트릭스 내로 삽입되고 (반응식 11), 세척 후에, 탄소 매트릭스에 미세-기공을 생성시켜 활성탄을 생산한다.
상기 공급원료 혼합물에 포함된 적어도 하나의 첨가제는 전술된 하나 이상의 발포 단계 동안 발포의 형성을 방해하는 데 기여할 수 있다. 구체적으로, 적어도 하나의 활성화제를 갖는 첨가제 자체 또는 이들의 반응 생산물은 낮은 점도 및 낮은 표면 장력을 나타낼 수 있고, 따라서 발포를 형성하는 거품 상에 얇은 층으로 퍼질 수 있다. 따라서 상기 거품은 불안정화되고, 궁극적으로 파괴 또는 붕괴된다.
탄소 공급원료
다양한 구체 예에 따르면, 상기 탄소 공급원료는 탄소 전구체로부터 유도된 탄화 물질 또는 석탄과 같은 탄화 물질을 포함할 수 있다. 대표 탄소 전구체는 견과류 껍질, 나무, 바이오매스, 비-리그로셀루로오스성 소스와 같은 천연 물질, 및 폴리(비닐알코올) 및 (폴리)아크릴로니트릴을 포함하는, 페놀성 수지와 같은, 합성 물질을 포함한다. 예를 들어, 상기 탄소 전구체는 밀가루, 호두 가루, 옥수수 분말 (corn flour), 옥수수 전분, 옥수수 가루 (corn meal), 쌀가루, 및 감자 가루와 같은 식용가능한 곡물로부터 선택될 수 있다. 탄소 전구체의 다른 비-제한 예는 코코넛 겉껍질, 비트, 수수 (millet), 콩, 보리, 및 면화를 포함한다. 상기 탄소 전구체는 유전적으로-변형될 수 있거나 또는 되지 않은 곡류 또는 식물로부터 유래할 수 있다.
또 다른 대표적인 탄소 전구체 물질 및 연관된 탄소 공급원료의 형성 방법은 공동-소유된 미국 특허 제8,198,210호, 제8,318,356호, 및 제8,482,901호, 및 미국 공개특허 제2010/0150814호에 개시되었고, 이들의 전체적인 내용은 참조로서 여기에 혼입된다.
탄소 전구체 물질은 탄소 공급원료를 형성하기 위해 불활성 또는 환원 분위기에서 가열하여 탄화될 수 있다. 대표 불활성 또는 환원 가스 및 가스 혼합물은 수소, 질소, 암모니아, 헬륨 및 아르곤 중 하나 이상을 포함한다. 대표 공정에서, 탄소 전구체는 미리 결정된 시간 (예를 들어, 약 0.5, 1, 2, 4, 8 이상의 시간, 및 이들 사이에 모든 범위 및 부분 범위) 동안 약 500℃ 내지 950℃의 온도 (예를 들어, 약 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900 또는 950 ℃, 및 이들 사이에 모든 범위 및 부분 범위)에서 가열될 수 있고, 그 다음 선택적으로 냉각된다. 탄화 동안, 상기 탄소 전구체는 환원되고 분해될 수 있어 탄소 공급원료를 형성한다.
다양한 어떤 구체 예에서, 탄화는 마이크로파 에너지를 사용하여 마이크로파 반응 챔버 내에서 가열시키거나 또는 종래의 가열로를 사용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 탄소 전구체는 마이크로파 반응기 내에서 숯을 만들기 위해 가열 및 환원되어 탄소 공급원료를 형성하도록 마이크로파 에너지에 노출될 수 있고, 그 다음, 상기 탄소 공급원료는 공급원료 혼합물을 형성하기 위해 화학적 활성화제와 조합된다. 단일 탄소 전구체 물질 또는 전구체 물질의 조합은 활성탄 생산물의 특성을 최적화하기 위해 사용될 수 있는 것으로 계획된다.
어떤 비-제한 구체 예에 따르면, 상기 탄소 공급원료는 탄화된 분말을 형성하기 위해 탄소 공급원료를 크러싱 (crushing), 분쇄, 그라인딩, 및/또는 밀링시켜 더욱 처리될 수 있다. 이러한 구체 예에서, 상기 탄소 공급원료는, 예를 들어, 분말 또는 과립의 형태를 취하는, 미립자 공급원료일 수 있다. 적어도 어떤 비-제한 구체 예에서, 상기 탄소 공급원료는 탄화된 분말이다. 예를 들어, 상기 탄소 공급원료는 약 100마이크론 미만, 예를 들어, 약 100, 50, 25, 10, 또는 5마이크론 미만, 또는 이들 사이의 모든 범위 및 부분 범위의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 다양한 어떤 구체 예에서, 상기 탄소 공급원료는 약 4, 3, 2, 또는 1 미만과 같은, 약 5마이크론 미만, 또는 이들 사이의 모든 범위 및 부분 범위의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 또 다른 구체 예에서, 상기 탄소 공급원료의 입자 크기는 약 0.5마이크론 내지 약 5마이크론과 같은, 약 0.5 내지 약 25마이크론의 범위일 수 있다.
활성화제
적어도 하나의 활성화제는, 어떤 구체 예에서, 예를 들어, KOH, NaOH, LiOH, 및 이의 혼합물과 같은, 알칼리 금속 수산화물로부터 선택될 수 있다. 기술분야에서 알려진 다른 화학적 활성화제는 알칼리 금속 수산화물, 예를 들어, H3PO4, Na2CO3, KCl, NaCl, MgCl2, AlCl3, P2O5, K2CO3, K2S, 및 KCNS, 및/또는 ZnCl2과 함께 사용될 수 있는 것으로 또한 고려된다.
어떤 구체 예에서, 상기 탄소 공급원료 및/또는 적어도 하나의 첨가제는 적어도 하나의 활성화제의 용액과 조합될 수 있다. 예를 들어, 수성 용액은 사용될 수 있고, 상기 용액에서 화학적 활성화제의 농도는 약 10 내지 약 90wt%의 범위일 수 있다. 이러한 구체 예에서, 습식 공급원료 혼합물은 실질적으로 건조 공급원료 혼합물을 제공하기 위하여 혼합 동안 및/또는 후에 선택적으로 건조될 수 있다. 다른 구체 예에서, 상기 탄소 공급원료 및/또는 적어도 하나의 첨가제는, 예를 들어, 어떤 액체 또는 용매의 사용 없이, 건조 공급원료 혼합물을 형성하기 위해 적어도 하나의 활성화제와 조합될 수 있다.
상기 탄소 공급원료 및 적어도 하나의 활성화제는 공급원료 혼합물을 형성하고, 탄소의 화학적 활성화를 가져오기 위해 어떤 적절한 비로 조합될 수 있다. 특정 값의 적절한 비는, 예를 들어, 만약 탄소 공급원료 및 활성화제 중 하나 또는 모두가 혼합물 또는 용액의 형태에 있다면, 상기 탄소 공급원료 및 활성화제의 물리적 형태 및 타입 및 농도에 의존할 수 있다. 건조 물질 중량에 기초한 활성화제 대 탄소 공급원료의 비는, 예를 들어, 약 0.5 : 1 내지 약 5 : 1의 범위일 수 있다. 예를 들어, 상기 중량비는 약 1:1 내지 약 4:1, 또는 약 2:1 내지 약 3:1의 범위일 수 있고, 이들 사이의 모든 범위 및 부분 범위를 포함할 수 있다. 어떤 구체 예에서, 활성화제 대 탄소 공급원료의 중량비는 약 1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 또는 5:1일 수 있고, 이들 사이의 모든 범위 및 부분 범위를 포함할 수 있다.
첨가제
적어도 하나의 첨가제는, 어떤 구체 예에서, 동물성 지방, 식물성 오일, 지방산, 지방산 에스테르, 폴리올, 셀룰로오스 에테르, 이온 및 비-이온성 실리콘 오일, 및 이의 혼합물로부터 선택될 수 있다. 적절한 지방 및 오일의 비-제한 예는, 우지 (tlallow), 어유, 고래기름, 간유, 대구 (cod) 간유, 버터, 코코넛 유, 팜 커널 오일 (palm kernel oil), 팜 오일, 육두구 기름 (nutmeg oil), 올리브유, 콩기름, 참기름, 홍화유 (safflower oil), 아마인유, 피마자유, 식물성 오일, 카놀라유 (canola oil), 및 이의 혼합물로 구성될 수 있다. 대표적인 지방산은, 예를 들어, 아세트산, 프로피온산, 브티르산, 카프로산, 카프릴산, 카프르산, 라우르산, 미리스트산, 팔미트산, 팔미톨레산, 스테아르산, 올레산, 리놀레산, 리놀렌산 (linoleric acid), 아라키돈산, 베헨산 (behenic acid), 및 이의 혼합물과 같은, 약 2 내지 약 30의 탄소 원자를 포함하는 포화 및 불포화 지방산을 포함할 수 있다. 전술된 지방산 중 어느 하나의 에스테르 유도체는 또한 사용될 수 있다. 열거된 다양한 오일 및 지방이 여기에 열거된 지방산 및 에스테르의 소스로서 제공될 수 있다는 것이 주목된다. 적절한 폴리올은, 예를 들어, 솔비톨, 자일리톨, 에리쓰리톨, 말리톨, 및 이소말트와 같은 당 알코올; 글리세롤, 펜타에리쓰리톨, 에틸렌글리콜, 및 수크로오스와 같은, 단량체 폴리올; 및 폴리에테르 폴리올 및 폴리에스테르 폴리올과 같은 중합체성 폴리올을 포함할 수 있다. 셀룰로오스 에테르는 적어도 하나의 첨가제로서 사용될 수 있는데, 예를 들어, 메틸셀룰로오스, 히드록시메틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 카르복시에틸셀룰로오스, 히드록시프로필셀룰로오스, 이의 유도체, 및 이의 혼합물이 또한 고려된다. 적절한 상업적으로 이용 가능한 셀룰로오스 에테르는, 예를 들어, ETHOCEL™ 및 METHOCEL™의 상품명으로 Dow Chemical사에서 판매된다. 또 다른 첨가제는 이온 및 비-이온성 실리콘 오일을 포함하고, 이것은 유화제, 예를 들어, 상품명 XIAMETER®로 Dow Corning사에 의해 판매된 실리콘 유화제의 형태일 수 있거나 또는 아닐 수 있다.
어떤 구체 예에서, 상기 적어도 하나의 첨가제는 액체 또는 고체, 예를 들어, 분말의 형태일 수 있다. 예를 들어, 액체 첨가제는 사용될 수 있어, 습식 또는 실질적으로 습식 공급원료 혼합물을 결과하고, 이것은 실질적으로 건조 공급원료 혼합물을 제공하기 위해 혼합 동안 및/또는 후에 선택적으로 건조될 수 있다. 또 다른 구체 예에서, 상기 탄소 공급원료 및/또는 적어도 하나의 활성화제는 건조 공급원료 혼합물을 형성하기 위해, 예를 들어, 어떤 액체 또는 용매의 사용 없이 고체 첨가제와 조합될 수 있다.
상기 적어도 하나의 첨가제 및 적어도 하나의 활성화제는 공급원료 혼합물을 형성하기 위해 어떤 적절한 비, 및 몇몇 예에서, 적어도 하나의 활성화제와 적어도 하나의 첨가제를 반응시키기 위한 적절한 비로 조합될 수 있다. 특정 값의 적절한 비는, 예를 들어, 만약 첨가제 및 활성화제 중 하나 또는 모두가 혼합물 또는 용액의 형태에 있다면, 상기 첨가제 및 활성화제의 물리적 형태 및 타입 및 농도에 의존할 수 있다. 예를 들어, 지방이 적어도 하나의 첨가제로서 사용된 경우, 비록 3:1 이상 및 이하의 비가 또한 사용될 수 있을지라도, 적어도 약 3:1의 활성화제 대 첨가제의 몰 비를 사용하는 것이 유리할 수 있다. 지방산 및 이들의 에스테르가 첨가제로서 사용된 경우, 비록 1:1 이상 및 이하의 비가 사용될 수 있을지라도, 적어도 약 1:1의 활성화제 대 첨가제의 몰 비를 사용하는 것이 유리할 수 있다.
다른 구체 예에서, 건조 물질 중량에 기초한 활성화제 대 첨가제의 비는, 예를 들어, 약 5:1 내지 약 30:1의 범위일 수 있다. 예를 들어, 상기 중량비는 약 5:1 내지 약 20:1 또는 약 10:1 내지 약 15:1의 범위, 또는 이들 사이의 모든 범위 및 부분 범위를 포함할 수 있다. 어떤 구체 예에서, 활성화제 대 탄소 공급원료의 중량비는 약 5:1, 10:1, 15:1, 20:1, 25:1, 또는 30:1, 또는 이들 사이의 모든 범위 및 부분 범위를 포함할 수 있다. 또 다른 구체 예에서, 활성화제 대 첨가제의 중량비는 약 5:1 초과, 예를 들어, 약 10:1 초과, 또는 약 20:1 초과이다.
이론에 제한되는 것을 원하지는 않지만, 적어도 어떤 대표적인 구체 예에서, 적어도 하나의 첨가제는 탄소 공급원료를 적시는 데 기여할 수 있다. 예를 들어, 상기 적어도 하나의 첨가제는 액체로서 도입될 수 있고, 및/또는 상기 적어도 하나의 첨가제는 고체로 도입될 수 있으며, 그 다음 고체 내지 액체 변형을 초래하도록 가열된다. 부가적으로, 적어도 다른 대표적인 구체 예에서, 상기 적어도 하나의 첨가제는 공급원료 성분의 상호혼합 (intermixing)을 개선하는데 기여할 수 있는 것으로 믿어진다. 예를 들어, 지방 또는 지방산 분자의 비-극성 지방족 부분은 극성 활성화제보다 좀 더 효과적으로 탄소 공급원료 입자의 표면을 젖게 할 수 있다. 지방 또는 지방산의 극성 말단은 카르복실산 성질을 갖고, 극성 및 수화된 활성화제에 끌릴 수 있다. 이 조합된 인력 (attraction)은 구성분의 좀 더 실질적인 상호혼합 및 습식을 허용할 수 있고, 탄소의 마이크론 크기 입자들 사이에서 실질적인 모세 작용의 정도뿐만 아니라 공급원료 혼합물의 실질적인 표면 장력을 낮출 수 있다.
방법
상기 공급원료 혼합물은 탄소 공급원료와 적어도 하나의 화학적 활성화제 및 적어도 하나의 첨가제를 조합하는 어떤 알려진 방법에 의해 제조될 수 있다. 상기 공급원료 혼합물의 다양한 성분은 동시에 또는 어떤 순서로 첨가될 수 있다. 예를 들어, 어떤 대표적이고 비-제한 구체 예에서, 상기 공급원료 혼합물은 탄소 공급원료 및 적어도 하나의 첨가제를 혼합시킨 다음, 적어도 하나의 활성화제를 첨가시켜 형성될 수 있다. 다른 대표적이고 비-제한 구체 예에 따르면, 상기 탄소 공급원료 및 적어도 하나의 활성화제는 먼저 조합되고, 그 다음 적어도 하나의 첨가제는 공급원료 혼합물을 형성하기 위해 조합된다. 어떤 경우에서, 예를 들어, 상기 공급원료 혼합물은, 탄소 공급원료, 첨가제, 및 활성화제가 실질적으로 건조 분말인 경우와 같이, 분말 형태일 수 있다. 다른 예에서, 상기 공급원료 혼합물은, 예를 들어, 액체 활성화제 및/또는 첨가제는 사용된 경우, 습식 분말 또는 슬러리와 같은, 입자 형태에 있을 수 있다.
상기 공급원료 혼합물의 제조는, 적어도 어떤 대표적이고 비-제한 구체 예에서, 가열 또는 가열 없이 발생할 수 있다. 비-제한 실시 예를 통해, 예-열 단계는 공급원료 혼합물의 혼합 동안, 전, 및/또는 후에 사용될 수 있고, 여기서 상기 공급원료 혼합물은 약 50℃ 내지 약 125℃, 또는 약 75℃ 내지 약 100℃과 같은, 약 25℃ 내지 약 150℃, 및 이들 사이에 모든 범위 및 부분 범위를 포함하는 온도 범위로 예-열된다. 어떤 구체 예에 따르면, 상기 공급원료 혼합물은 주변 또는 불활성 상태, 예를 들어, 질소, 아르곤 및 이와 유사한 것과 같은 하나 이상의 불활성 가스 또는 공기의 존재하에서, 제조될 수 있다.
어떤 구체 예에서, 상기 공급원료 혼합물은 혼합물을 밀링 및/또는 그라인딩시켜 더욱 처리될 수 있다. 예를 들어, 혼합 전에, 상기 탄소 공급원료, 적어도 하나의 첨가제, 및/또는 적어도 하나의 활성화제는 개별적으로 밀링될 수 있고, 그 다음 서로 혼합될 수 있다. 다른 구체 예에서, 상기 공급원료 혼합물은 혼합 동안 동시에 밀링될 수 있다. 또 다른 구체 예에 따르면, 상기 공급원료 혼합물은, 상기 탄소 공급원료, 적어도 하나의 첨가제, 및 적어도 하나의 활성화제가 서로 혼합된 후에, 밀링될 수 있다. 어떤 구체 예에서, 상기 공급원료 혼합물은 가루로 되거나 (pulverized) 및/또는 으깨질 수 있다.
비-제한 실시 예를 통해, 상기 공급원료 혼합물은 약 100마이크론 미만, 예를 들어, 약 100, 50, 25, 10, 또는 5마이크론, 또는 이들 사이의 모든 범위 및 부분 범위의 평균 입자 크기로 밀링될 수 있다. 다양한 어떤 구체 예에서, 상기 공급원료 혼합물은 약 4, 3, 2, 또는 1마이크론 미만과 같은, 약 5마이크론 미만, 또는 이들 사이의 모든 범위 및 부분 범위의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 또 다른 구체 예에서, 상기 공급원료 혼합물의 평균 입자 크기는 약 0.5마이크론 내지 약 5마이크론과 같은, 약 0.5 내지 약 25마이크론의 범위일 수 있다.
선택적인 밀링 및/또는 예-열과 함께, 상기 공급원료 혼합물을 혼합한 후, 상기 공급원료 혼합물은 선택적으로 제1온도로 가열될 수 있다. 상기 제1온도는, 어떤 구체 예에서, 적어도 하나의 활성화제와 적어도 하나의 첨가제를 반응시키기 적절한 어떤 온도일 수 있고, 예를 들어, 이들 성분의 유사성에 의존하여 변화될 수 있다. 다양한 대표적인 구체 예에서, 상기 제1온도는, 예를 들어, 약 50℃ 내지 약 225℃, 약 75℃ 내지 약 200℃, 약 100℃ 내지 약 175℃, 또는 약 125℃ 내지 약 150℃와 같은, 약 25℃ 내지 약 250℃의 범위, 또는 이들 사이의 모든 범위 및 부분 범위를 포함할 수 있다.
상기 공급원료 혼합물을 제1온도로 가열하는 단계가 수행된 경우, 상기 제1온도에서 공급원료 혼합물의 부가적 및 선택적인 유지 단계는 또한 고려된다. 이들 구체 예에서, 상기 공급원료 혼합물은 적어도 하나의 첨가제와 적어도 하나의 활성화제를 반응시키기에 충분한 시간동안 제1온도에서 유지될 수 있다. 체류 시간은, 예를 들어, 첨가제 및 활성화제의 유사성, 온도, 존재하는 수분 퍼센트, 및 혼합 방법에 의존하여 변화될 수 있다. 대표적인 체류 또는 유지 시간은, 예를 들어, 약 5분 내지 약 100분, 약 10분 내지 약 90분, 약 20분 내지 약 60분, 또는 약 30분 내지 약 50분과 같은, 약 1분 내지 약 120분의 범위, 또는 이들 사이의 모든 범위 및 부분 범위를 포함할 수 있다. 다양한 어떤 구체 예에서, 상기 유지 시간은, 예를 들어, 제1온도 범위가 약 120℃ 내지 약 140℃의 범위인 경우, 약 1 내지 약 10분의 범위일 수 있거나, 또는 상기 유지 시간은, 예를 들어, 제1온도가 약 25℃ 내지 약 75℃의 범위인 경우, 약 1시간 내지 약 2시간의 범위일 수 있다.
상기 공급원료 혼합물의 활성화 이전에, 적어도 어떤 대표적이고 비-제한 구체 예에서, 어떤 알려진 방법에 의해 혼합물을 과립화시키는 것은 가능하다. 예를 들어, 선택적 과립화 단계는, 상기 공급원료 혼합물을 혼합 및 펠렛화하기 위해, 롤 압축 (roll compaction), 드럼 펠렛화, 진공 건조, 냉동 건조, 및/또는 어떤 다른 적절한 수단에 의해, 선택적으로 가열시켜, 상기 탄소 공급원료와 적어도 하나의 첨가제 및 적어도 하나의 활성화제를 혼합시키는 단계를 포함할 수 있다. 부가적으로, 과립화는 활성탄의 잔류 오염원이 없거나 또는 거의 없게 분해될 수 있는, 파라핀 왁스, 카보왁스 (carbo wax)와 같은 바인더 첨가제를 사용하여 달성될 수 있다. 이러한 바인더의 사용은 또한, 롤 압축, 드럼 펠렛화, 및/또는 압출 혼합 (extrusion mixing) 및/또는 그레이팅 (grating)을 포함하는 다른 과립화 방법들과 함게 사용될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
어떤 구체 예에서, 상기 공급원료 혼합물은 혼합물을 가열하면서 과립화될 수 있다. 예를 들어, 상기 공급원료 혼합물은 약 450℃ 미만, 또는 약 400℃ 미만과 같은, 약 500℃ 미만의 온도에서 과립화될 수 있다. 비-제한 실시 예를 통해, 상기 공급원료 혼합물은 약 400℃ 내지 약 500℃의 온도 범위에서 과립화될 수 있다.
적어도 어떤 구체 예에 따르면, 상기 공급원료 혼합물은 펠렛화가 아닌 과립화될 수 있는데, 예를 들어, 이것은 분말 또는 작은 과립의 형태이다. 예를 들어, 과립화 후에 상기 공급원료 입자의 평균 직경은 약 500마이크론 미만, 약 100마이크론 미만, 또는 약 50, 25, 10, 또는 5마이크론 미만과 같은, 약 1mm 미만일 수 있다. 어떤 구체 예에서, 폴리올과 같은 폴리히드록실화 화합물이 첨가제로서 사용된 경우, 상기 공급원료 혼합물은 펠렛화되지 않고, 대신에 분말 또는 작은 과립의 형태로 활성화된다. 다시 말해서, 이들 대표적이고 비-제한 구체 예에서, 상기 공급원료 혼합물은 활성화 전에 펠렛을 형성하기 위해 압축되지 않는다.
상기 공급원료 혼합물은 그 다음 활성탄을 형성하기 위해 적어도 하나의 활성화제 및 탄소 공급원료를 반응시키기에 충분한 활성화 온도로 가열된다. 활성화제, 예를 들어 KOH는 칼륨 이온이 탄소 구조에 삽입되고 탄산칼슘이 형성되도록 탄소와 상호작용 및 반응할 수 있다. 이들 공정 모두에 대한 반응속도론 (reaction kinetics)은 상승된 온도에서 증가하는 것으로 믿어지고, 이것은 더 높은 활성화 수준을 유도할 수 있다. 여기서 사용된 바와 같은, 용어 "활성화" 및 이의 변형은 공정을 의미하며, 이에 의해 탄소의 표면적은 탄소 내에 기공의 형성을 통해 증가한다.
상기 활성화 온도는 일반적으로 약 650℃ 내지 약 850℃, 또는 약 700℃ 내지 약 800℃, 또는 약 750℃ 내지 약 900℃과 같은 약 600℃ 내지 약 900℃ 범위, 또는 이들 사이의 모든 범위 및 부분 범위를 포함한다. 상기 공급원료 혼합물은 그 다음 활성탄을 형성하기에 충분한 시간동안 활성화 온도에서 유지된다. 체류 또는 유지 시간은, 어떤 구체 예에서, 약 5분 내지 약 6시간, 예를 들어, 약 10분 내지 약 4시간, 약 30분 내지 약 3시간, 또는 약 1시간 내지 약 2시간의 범위, 또는 이들 사이의 모든 범위 및 부분 범위를 포함할 수 있다. 어떤 구체 예에 따르면, 상기 활성화는 주변 또는 불활성 조건하에서, 예를 들어, 질소, 아르곤, 및 이와 유사한 것과 같은 하나 이상의 불활성 가스 또는 공기의 존재하에서 수행될 수 있다.
여기에 개시된 구체 예에 따르면, 다양한 공정 대안은 본 개시에 의해 고려된다. 이들 대안은 하기 방법들을 포함하지만 이에 제한되는 것은 아니다.
하나의 구체 예에서, 탄소 공급원료는 고체 또는 액체 형태로 적어도 하나의 첨가제와 혼합된다. 이들 물질은, 만약 지방이 첨가제로서 사용된다면, 실온에서 용융점보다 다소 위인 온도 (예를 들어, 약 100℃까지)의 온도 범위에서 혼합될 수 있다. 상기 활성화제는 그 다음 액체 또는 고체 형태로 첨가된다. 몇몇 구체 예에서, 상기 활성화제는 공기 중에서 이산화탄소와 반응에 기인한 알칼리 탄산염 형성에 대한 잠재력을 완화하기 위해 분말 형태로 첨가되는 것이 바람직할 수 있다. 다른 구체 예에서, 혼합은 질소 가스의 존재와 같은, 불활성 분위기에서 수행될 수 있다.
최종 공급원료 혼합물은 그 다음 제1온도로 가열될 수 있고, 어떤 구체 예에서, 활성화제와 첨가제를 반응시키기에 충분한 시간동안, 통상적으로 약 1분 내지 2시간 동안 약 25℃ 내지 약 200℃로 유지될 수 있다. 상기 공급원료 혼합물은, 예를 들어, 약 400℃ 내지 약 500℃의 온도 범위까지, 교반과 함께 또는 교반 없이 더욱 가열 및 과립화될 수 있다. 상기 공급원료 혼합물은 그 다음 활성화 온도로 가열될 가열로 또는 다른 반응 용기에 주입된다. 이 구체 예는, 예를 들어, 지방, 오일, 지방산, 및 지방산 에스테르가 첨가제로서 사용된 경우, 이 구체 예에서 다른 첨가제의 사용이 또한 계획될지라도, 적합할 수 있다.
또 다른 구체 예에 따르면, 상기 공급원료 혼합물은 상기와 같이 제조될 수 있지만, 제1온도에서 가열단계 및 선택적으로 유지단계 후에, 상기 공급원료 혼합물은 저가 장비, 예를 들어, 롤 압축기, 강판 (graters), 및/또는 압출 강판을 사용하여, 더 낮은 온도에서, 가열 없이, 과립화될 수 있다. 상기 과립화는 따뜻한 공급원료 혼합물 (예를 들어, 약 100℃ 내지 약 200℃) 또는 냉각된 혼합물 (예를 들어, 약 100℃ 미만)에 대해 수행될 수 있다. 상기 공급원료 혼합물은 그 다음 활성화 온도로 가열될 가열로 또는 다른 반응 용기로 주입될 수 있다. 대표적인 가열로는, 모두 상대적으로 저가에서 작동하는, 유동층 반응기, 로터리 킬른, 디스크 가열로, 및 벨트 가열로를 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 이 구체 예는, 예를 들어, 지방, 오일, 지방산, 및 지방산 에스테르가 첨가제로서 사용된 경우, 비록 이 구체 예에서 다른 첨가제의 사용이 계획될지라도, 적합할 수 있다.
제3 구체 예에서, 상기 공급원료 혼합물은, 제1온도에서 가열 단계 및 유지 단계 없이, 그리고 상기 공급원료 혼합물의 부가적인 과립화 단계 없이, 전술된 바와 같이 제조될 수 있다. 상기 공급원료 혼합물은 활성화 온도로 가열하기 전에 압축 또는 펠렛화되지 않는다. 이 구체 예는, 예를 들어, 첨가제가 활성화제와 비누화 반응에서 반응하지 않는 경우에서, 예를 들어, 폴리올, 셀룰로오스 에테르, 및 실리콘 오일이 첨가제로 사용된 경우, 비록 이 구체 예에서 다른 첨가제의 사용이 계획되었을지라도, 적합할 수 있다.
또 다른 구체 예에서, 제1온도에서 예-열, 가열 및 유지하는 단계, 가열 또는 가열 없이 상기 공급원료 혼합물을 그라인딩, 밀링 및/또는 과립화시키는 단계의 선택적인 단계들이 생략된다면, 상기 공급원료 혼합물은 단일 단계에서 활성화 온도로 가열될 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소 공급원료, 첨가제, 및 활성화제는 서로 혼합될 수 있고, 상기 혼합물은 그 다음 도가니 또는 다른 적절한 반응 용기에 놓일 수 있고, 활성화 온도로 가열될 수 있다. 가열 공정은 활성화 열적 사이클, 예를 들어, 어떤 제공된 온도에서 소비 시간을 최대화하기 위해 조정될 수 있는, 예를 들어, 단계별 가열 사이클일 수 있다. 비-제한 실시 예를 통해, 상기 열적 사이클은 제1온도까지 더 느린 가열 램프 속도 및 그 다음 활성화 온도까지 더 빠른 가열 램프 속도를 제공할 수 있다. 다른 구체 예에서, 안정된 가열 램프 속도는 사용될 수 있다. 다양한 구체 예에 따르면, 상기 가열 램프 속도는 고정적일 수도 또는 변할 수도 있는데, 예를 들어, 약 100℃/hr 내지 약 250℃/hr, 또는 약 150℃/hr 내지 약 200℃/hr과 같은, 약 50℃/hr 내지 약 300℃/hr의 범위, 또는 이들 사이의 모든 범위 및 부분 범위를 포함할 수 있다. 상기 활성화제와 반응하는 첨가제의 경우에서, 상기 반응은, 공급원료 혼합물이 활성화 온도까지 가열됨에 따라, 가열 열적 사이클 동안 발생할 수 있다.
또 다른 구체 예에 따르면, 디스크 가열로, 다중 화로 (hearth) 가열로, 또는 교반 핏/도가니 형 가열로와 같은, 혼합물을 교반할 수 있는 가열로에 직접 공급원료 혼합물을 충전하는 것이 가능하다. 이러한 구체 예에서, 상기 혼합물이 활성화 온도까지 가열됨에 따라 인시튜로 과립 공급원료를 달성하면서, 플럭싱 및 발포를 감소시키는 것이 가능할 수 있다.
상기 공급원료 혼합물을 혼합 및/또는 가열에 사용된 반응 용기는, 예를 들어, 유동층 반응기, 로터리 킬른 반응기, 터널 킬른 반응기, 도가니, 마이크로파 반응 챔버, 또는 원하는 기간동안 원하는 온도에서 상기 공급원료를 혼합 및/또는 가열 및/또는 유지시키기에 적합한 어떤 다른 반응 용기로부터 선택될 수 있다. 이러한 용기는 배치식, 연속식, 또는 반-연속식 모드에서 작동할 수 있다. 적어도 하나의 구체 예에서, 상기 반응 용기는, 어느 정도의 비용 및/또는 생산 장점을 제공할 수 있는, 연속식 모드에서 작동한다. 상기 공급원료 혼합물이 적어도 하나의 첨가제를 포함하기 때문에, 응집 및/또는 발포에 대한 잠재력이 상당히 감소할 수 있고, 이에 의해 다른 종래의 공정 대비 훨씬 더 작은 정도로 물질 유동성 및/또는 처리량에 영향을 준다.
마이크로파 가열은 반응 용기를 가열하는데 사용될 수 있다. 마이크로파 발생기는, 활성탄을 형성하기 위해 사용된 특정 대표 마이크로 주파수가 915MHz, 2.45GHz, 및 C-밴드 (4-8 GHz) 내에 마이크로파 주파수를 포함할지라도, 1mm 내지 1m의 파장 (300MHz 내지 300GHz의 주파수)을 갖는 마이크로파를 생산할 수 있다. 마이크로파 반응 챔버 내에서, 마이크로파 에너지는 미리 결정된 열적 프로파일을 통해 미리 결정된 온도로 공급원료 혼합물을 가열시키는데 사용될 수 있다.
배치 공정은 또한 사용될 수 있고, 예를 들어, 마이크로파 반응 챔버와 같은, 가열 챔버로 도입된 도가니에 상기 공급원료 혼합물을 로딩하는 단계를 포함할 수 있다. 적절한 도가니는 마이크로파 공정과 호환가능하고, 알칼리 부식에 내성이 있는 것을 포함한다. 대표적인 도가니는 금속성 (예를 들어, 니켈) 도가니, 실리콘 카바이드 도가니 또는 실리콘 카바이드-코팅 뮬라이트 (mullite)와 같은 실리콘 카바이드-코팅 도가니를 포함할 수 있다. 연속식 공급 공정은, 예를 들어, 유동층, 로터리 킬른, 터널 킬른, 스크류-피드, 또는 로터리-피드 작동을 포함할 수 있다. 공급원료 혼합물의 형태에서 탄소 물질은 또한 반-연속식 공정에서 활성화될 수 있고, 여기서 상기 공급원료 혼합물의 도가니는 가열 및 반응의 작용 동안 마이크로파 반응기를 통해 운반된다.
활성화 후에, 상기 활성탄은 선택적으로 퀀칭 탱크 (quench tank)에서 유지될 수 있고, 여기서 원하는 온도로 냉각된다. 예를 들어, 상기 활성탄은 수조 또는 다른 액체 또는 가스 물질을 사용하여 퀀칭될 수 있다. 물 또는 저온 스팀으로 퀀칭하는 것에 대한 부가적인 이점은 잠재적 부식 및/또는 연소 유해물 (combustion hazards)를 최소화하기 위한 미반응 알칼리 금속의 잠재적 중성화를 포함할 수 있다. 로터리 냉각 튜브 또는 냉각 스크류는 또한 퀀칭 탱크 전에 사용될 수 있다.
활성화 및 퀀칭 후에, 상기 활성탄은 선택적으로 원하는 입자 크기로 그라인딩될 수 있고, 그 다음 잔량의 탄소, 보유된 화학적 활성화제, 및 화학적 활성화제를 포함하는 반응으로부터 유도된 어떤 화학적 부산물을 제거하기 위해 세척된다. 전술된 바와 같이, 상기 활성탄은 그라인딩 및/또는 세척 전에 물로 헹궈서 퀀칭될 수 있다. 퀀칭 및 세척의 작용은, 몇몇 구체 예에서, 조합될 수 있다.
상기 활성탄은 배치식, 연속식, 또는 반-연속식 방식으로 세척 및/또는 여과될 수 있고, 주변 온도 및 압력에서 발생할 수 있다. 예를 들어, 세척은 물로 활성탄을 헹구는 단계, 그 다음 산 용액으로 헹구는 단계, 및 최종적으로 물로 다시 헹구는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 세척 공정은 탄소에 잔류 알칼리 함량을 약 200ppm (0.02 wt%) 미만으로 감소시킬 수 있다. 어떤 구체 예에서, 퀀칭 및/또는 헹굼 후에, 상기 활성탄은 적어도 하나의 화학적 활성화제, 이의 이온 및 대항이온 (counterions), 및/또는 탄소와 이의 반응 생산물이 실질적으로 없다. 예를 들어, 상기 화학적 활성화제로서 KOH의 경우에서, 상기 활성탄은 KOH, K+, OH-, 및 K2CO3가 실질적으로 없다.
헹굼 다음에, 상기 활성탄은 선택적인 열처리 단계에 의해 더욱 처리될 수 있다. 예를 들어, 상기 활성탄은, 예를 들어, 약 700℃ 미만과 같은, 활성화 온도 미만의 온도로 가열될 수 있다. 어떤 구체 예에서, 상기 활성탄은 약 675℃ 미만, 예를 들어, 약 600℃ 미만, 또는 약 500℃ 미만의 온도에서 열 처리된다. 어떤 구체 예에서, 선택적인 열처리 단계는 변하는 가열 램프 속도를 이용하여 약 700℃ 미만으로 상기 활성탄을 서서히 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 램프 속도는 약 125℃/hr 내지 약 150℃/hr와 같은, 약 100℃/hr 내지 약 200℃/hr의 범위, 또는 이들 사이의 모든 범위 및 부분 범위를 포함할 수 있다. 상기 가열 램프 속도는 열처리 단계 동안에 변할 수 있고, 상기 활성탄은 다른 중간 온도에서 변하는 기간동안 유지될 수 있다. 상기 유지 시간은, 예를 들어, 약 1시간 내지 약 4시간, 예를 들어, 약 2시간 내지 약 3시간의 범위, 또는 이들 사이의 모든 범위 및 부분 범위를 포함할 수 있다. 상기 중간 온도는, 예를 들어, 약 150℃ 내지 약 400℃, 또는 약 200℃ 내지 약 300℃와 같은 약 125℃ 내지 약 500℃의 범위, 또는 이들 사이의 모든 범위 및 부분 범위를 포함할 수 있다.
선택적인 열처리 공정은, 비-제한 실시 예를 통해, 불활성 가스 (예를 들어, N2) 또는 형성 가스 (예를 들어, N2/H2)의 존재하에서 수행될 수 있다. 상기 활성탄을 열처리하는 것은 활성탄의 표면상에 산소-함유 작용기의 감소를 원활하게 할 수 있어, 이에 의해, 예를 들어, 전기 이중층 커패시터 (EDLC)에서 이의 장기간 내구성을 개선시키는 것으로 믿어진다.
여기에 개시된 방법에 의해 제조된 활성탄은, 적어도 하나의 첨가제를 사용하지 않은 종래 방법에 의해 제조된 활성탄과 비교 가능한, 특성, 예를 들어, 커패시턴스, 기공 부피, 및/또는 기공 분포를 가질 수 있다. 여기에 사용된 바와 같은, 용어 "미세기공 (microporous) 탄소" 및 이의 변형은 대부분 (즉, 50% 초과)이 마이크로스케일 (microscale) 기공을 갖는 활성탄을 의미한다. 미세기공, 활성탄 물질은 50% 초과의 마이크로기공률 (microporosity) (예를 들어, 약 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90 또는 95% 초과의 마이크로 기공률)을 포함할 수 있다.
이론에 제한되는 것을 원하지는 않지만, 상기 활성화제는 탄소로 삽입되고, 그 다음 제거되어, 그 뒤에 기공을 남기고, 표면적을 증가시키며, 상기 탄소함유 공급원료를 활성화시키는 것으로 믿어진다. 상기 활성탄은 마이크로-, 메조- 및/또는 매크로스케일 기공률을 포함할 수 있다. 여기서 정의된 바와 같이, 미세기공 (micropores)은 약 20 Å 이하의 기공 크기를 가지며, 초-미세기공은 약 10 Å 이하의 기공 크기를 갖는다. 중기공 (Mesopores)은 약 20 내지 약 50 Å 범위의 기공 크기를 갖는다. 대공극 (Macropores)은 약 50 Å를 초과하는 기공 크기를 갖는다. 하나의 구체 예에서, 상기 활성탄은 대부분이 마이크로스케일 기공을 포함한다.
어떤 구체 예에 따르면, 상기 활성탄은 약 0.2 ㎤/g 초과 (예를 들어, 약 0.2, 0.25, 0.3, 0.35, 0.4, 0.45, 0.5, 0.55, 0.6, 0.65 또는 0.7 ㎤/g 초과)의 총 기공률을 가질 수 있다. 미세기공 (d50 ≤ 20 Å)으로부터 결과하는 총 기공 부피의 부분은 약 90% 이상 (예를 들어, 적어도 약 90, 94, 94, 96, 98 또는 99%)일 수 있고, 미세기공 (d ≤ 1nm)으로부터 결과하는 총 기공 부피의 부분은 약 50% 이상 (예를 들어, 적어도 약 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90 또는 95%)일 수 있다.
비-제한 실시 예를 통하여, 본 방법들에 의해 제조된 활성탄은, 약 75, 80, 85, 90, 또는 95 F/cc 초과와 같은, 약 70 Farads/cc 초과의 커패시턴스를 가질 수 있다. 다양한 어떤 구체 예에서, 상기 활성탄의 커패시턴스는 약 70 F/cc 내지 약 100 F/cc의 범위일 수 있다.
여기에 개시된 방법들에 따르면, 적어도 하나의 첨가제는 공정 동안에 플럭싱 및/또는 발포를 감소시키기 위해 상기 공급원료 혼합물에 포함될 수 있다. 어떤 구체 예에서, 여기에 개시된 방법들은, 적어도 하나의 첨가제를 사용하지 않은 종래 방법과 비교하여, 적어도 약 30%의 발포 감소를 결과할 수 있다. 예를 들어, 본 방법은 적어도 약 40, 50, 60, 70, 80, 또는 90%의 발포 감소를 결과할 수 있다. 다양한 구체 예에 따르면, 발포의 감소는 약 30% 내지 약 90%, 또는 약 40% 내지 약 80%, 또는 약 50% 내지 약 70%의 범위, 또는 이들 사이의 모든 범위 및 부분 범위를 포함할 수 있다.
상기 공급원료 혼합물에 적어도 하나의 첨가제의 포함은 유리하게 (a) 발포를 감소시켜 이에 의해 공정 처리량을 증가시킬 수 있고, (b) 플럭싱을 감소시켜 이에 의해 응집 및 부식을 완화할 수 있다. 더욱이, 본 개시된 방법은, 어떤 구체 예에서, 고가의 장비의 요구 및/또는 부가적인 공정 단계들의 요구를 피할 수 있으며, 이에 의해 공정 시간 및 비용 모두를 줄일 수 있다.
다양한 개시된 구체 예들은 그의 특정 구체 예와 연관되어 기재된 특정 특색, 요소 또는 단계들을 포함하는 것으로 인식될 것이다. 또한 하나의 특정 구체 예에 관련되어 기재되었을지라도, 특정 특색, 요소 또는 단계들은 다양한 비-예시된 조합 또는 치환으로 선택적인 구체 예들과 상호교환 또는 조합될 수 있다.
여기에 사용된 바와 같은, 용어들의 "단수"는, 특별한 언급이 없는 한, 적어도 하나 또는 하나 이상을 의미한다. 따라서, 예를 들어, "화학적 활성화제"에 대한 기준은, 특별한 언급이 없는 한, 둘 이상의 "화학적 활성화제들"을 갖는 실시 예들을 포함한다.
범위는 "약" 하나의 특정 값으로부터, 및/또는 "약" 다른 특정 값으로 여기에서 표현될 수 있다. 이러한 범위로 표현된 경우, 실시 예들은 하나의 특정 값으로부터 및/또는 다른 특정 값까지를 포함한다. 유사하게, 선행사 "약"의 사용에 의해, 값이 대략으로 표현된 경우, 특정 값이 또 다른 관점을 형성하는 것으로 이해될 것이다. 상기 범위의 각 말단 점은 다른 말단 점과 관련하여, 그리고 상기 다른 말단 점에 독립적으로 모두 의미 있는 것으로 더욱 이해될 것이다.
실시 예 이외에서, 여기에서 표현된 모든 수치 값은, 특별한 언급이 없는 한, 그렇게 언급되었던 그러하지 않던, "약"을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 그러나, 인용된 각각의 수치 값은, "약" 그의 값으로 표현된 것과 상관없이, 또한 정확하게 예상되는 것으로 더욱 이해된다. 따라서, "25℃ 초과" 및 "약 5℃ 초과" 모두는 "25℃ 초과" 및 "약 5℃ 초과"의 구체 예를 포함한다.
특별한 언급이 없는 한, 여기에서 서술된 어떤 방법의 단계들이 특정한 순서로 수행되는 것을 요구하는 것으로 해석되는 것을 의도하지 않는다. 따라서, 방법 청구항은 이의 단계를 수반하는 순서를 사실상 열거하지 않거나, 또는 상기 단계가 특정한 순서로 제한되는 청구항 또는 상세한 설명에서 구체적으로 언급되지 않는 경우, 어떤 특정 순서로 추정되는 것으로 의도되지 않는다.
특정 구체 예의 다양한 특색, 요소 또는 단계들이 전환 문구 "포함하는"을 사용하여 개시된 경우, 이것은 전환 문구 "이루어지는" 또는 "필수적으로 이루어지는"을 사용하여 기재될 수 있는 것들을 포함하는, 선택적인 구체 예들이 암시된 것으로 이해될 것이다. 따라서, 예를 들어, 탄화 물질을 포함하는 탄소 공급원료에 대해 암시된 선택적인 구체 예들은 탄화 물질로 이루어진 탄소 공급원료인 구체 예들 및 탄화 물질로 필수적으로 이루어진 탄소 공급원료인 구체 예들을 포함한다.
다양한 변형 및 변경이 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 본 발명에 대해 만들어질 수 있음은 당업자에게 명확할 것이다. 본 발명의 사상 및 물질을 혼입하는 개시된 구체 예의 변형, 조합, 서브-조합 및 변경은 기술분야에서 당업자에게 발생할 수 있기 때문에, 본 발명은 첨부된 청구항 및 이들의 균등물의 범주 내의 모든 것을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
하기 실시 예는 비-제한적이고 예시적인 것으로 의도된 것이지, 본 발명의 범주를 한정하는 것은 아니다.
실시 예
탄소 공급원료는 약 150℃/hr의 평균 램프 속도, 및 약 2시간의 유지 시간을 사용하여, 약 800℃에서 질소의 존재하에서 비-리그노셀룰로오스계 밀가루를 탄화시켜 제조된다. 냉각된 탄소 공급원료는 그 다음 약 5 microns +/- 0.25 microns의 평균 입자 크기를 갖는 탄화된 공급원료 분말을 산출하기 위해 가루를 만들고, 으깨며, 분쇄하고, 체로 걸른다. 탄화된 공급원료는 KOH 분말 및 하기 표 1에 열거된 첨가제 중 하나와 조합된다. 각 경우에서, KOH 대 탄소 공급원료의 중량비는 대략 2:1이고, KOH 대 첨가제의 중량비는 대략 10:1이다.
상기 공급원료 혼합물은 도가니 부피의 대략 20%를 채우도록 도가니에 충진되고, 가열로에 놓인다. 상기 공급원료 혼합물은, 불활성 질소 분위기에서, 150℃/hr의 램프 속도를 사용하여, 약 750℃ 또는 약 850℃로 가열된다. 상기 공급원료 혼합물은 약 2시간 동안 활성화 온도에서 유지된 다음 냉각된다. 활성탄은 탈이온수 및 염산의 교대 적용 (alternating applications)으로 헹군 다음, 형성 가스 (1% H2/N2)의 존재하에서 열 처리에 적용된다. 상기 활성탄은 약 150℃/hr의 평균 램프 속도를 사용하여 대략 125℃로 가열되고, 대략 4시간 동안 유지되며, 그 다음 약 150℃/hr의 평균 램프 속도를 사용하여 대략 675℃로 가열되고, 대략 2시간 동안 유지되며, 그 다음 냉각된다.
발포 퍼센트는 도가니의 중심에 금속 스트립 (metal strip)을 놓고, 활성화 전에 혼합물의 초기 수준을 기록하며, 활성화 후에 도달된 발포가 도가니에 올라간 높이로부터 이를 뺄셈하여 측정된다. 활성화 전의 초기 높이에 차이의 비에 100을 곱하여 발포 퍼센트로 평가된다. 대조구 샘플 (즉, 어떤 첨가제 없이, 오직 탄소 공급원료 및 KOH를 포함하는 공급원료 혼합물)은 또한 비교를 위해 측정된다.
세척되고 열 처리된 활성탄은 커패시턴스 (Farads/cc), 밀도 (g/cc), 기공 부피, 및 기공 크기 분포의 관점으로 특징화된다. 커패시턴스 및 밀도는 상기 활성탄과 카본 블랙 및 PTFE 바인더를 조합한 다음, 그 혼합물을 전극으로 형성시켜 측정된다. 상기 전극 두께, 면적, 중량은 밀도를 계산하기 위해 측정된다. 상기 전극은 커패시턴스 측정을 수행하기 위해 버튼 전지로 조립된다.
이들 평가의 결과는 하기 표 1-3에 제공된다.
| 첨가제 | 활성화 온도 (℃) |
발포 퍼센트 | 커패시턴스 (F/cc) |
전극 밀도 (g/cc) |
| 대조구 (없음) | 750 | 100.00 | 96.80 | 0.97 |
| 대조구 (없음) | 850 | 100.00 | 92.13 | 0.85 |
| 식물성 오일1 | 750 | 17.65 | 71.30 | 1.10 |
| 식물성 오일1 | 850 | 11.76 | 92.20 | 0.97 |
| 코코넛 오일 | 750 | 23.53 | 78.24 | 1.08 |
| 코코넛 오일 | 850 | 23.53 | 90.07 | 1.03 |
| 글리세롤 | 750 | 35.29 | 82.60 | 1.12 |
| 글리세롤 | 850 | 29.41 | 72.39 | 1.06 |
| XIAMETER™ AFE 1410 | 750 | 41.18 | 97.24 | 0.95 |
| XIAMETER™ AFE 1410 | 850 | 41.18 | 90.02 | 0.84 |
| ETHOCEL®-20 | 750 | 64.71 | 97.47 | 0.93 |
| ETHOCEL®-20 | 850 | 70.59 | 92.60 | 0.88 |
1 Wesson® 식물성 오일
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 적어도 하나의 첨가제의 포함은 대조구 샘플과 비교한 바와 같이 발포도를 감소시키는데 일조하면서, 또한 대조구 샘플의 커패시턴스와 비교 가능한 커패시턴스를 갖는 활성탄을 생산한다.
| 첨가제 | 비 기공부피 (㎤/g) | ||||
| < 10 Å | 10-15 Å | 15-20 Å | 20-50 Å | 50-500 Å | |
| 대조구 (없음) 750℃ | 0.448 | 0.108 | 0.026 | 0.008 | 0.004 |
| 대조구 (없음) 850℃ | 0.560 | 0.164 | 0.082 | 0.033 | 0.002 |
| 식물성 오일 750℃ | 0.349 | 0.055 | 0.011 | 0.005 | 0.004 |
| 식물성 오일 850℃ | 0.429 | 0.083 | 0.025 | 0.008 | 0.003 |
| 코코넛 오일 750℃ | 0.366 | 0.048 | 0.008 | 0.006 | 0.005 |
| 코코넛 오일 850℃ | 0.412 | 0.068 | 0.018 | 0.006 | 0.005 |
| 글리세롤 750℃ | 0.385 | 0.073 | 0.010 | 0.007 | 0.005 |
| 글리세롤 850℃ | 0.362 | 0.038 | 0.006 | 0.003 | 0.006 |
| XIAMETER™ AFE 1410 750℃ | 0.444 | 0.121 | 0.032 | 0.014 | 0.008 |
| XIAMETER™ AFE 1410 850℃ | 0.419 | 0.161 | 0.118 | 0.032 | 0.003 |
| ETHOCEL®-20 750℃ | 0.487 | 0.113 | 0.033 | 0.013 | 0.006 |
| ETHOCEL®-20 850℃ | 0.489 | 0.130 | 0.054 | 0.018 | 0.003 |
| 첨가제 |
비 기공크기를 갖는 기공의 퍼센트 | ||
| 미세기공 < 20 Å |
중기공 20-50 Å |
대공극 > 50 Å |
|
| 대조구 (없음) 750℃ | 97.88% | 1.36% | 0.75% |
| 대조구 (없음) 850℃ | 95.79% | 3.97% | 0.25% |
| 식물성 오일 750℃ | 97.96% | 1.09% | 0.95% |
| 식물성 오일 850℃ | 97.98% | 1.43% | 0.59% |
| 코코넛 오일 750℃ | 97.50% | 1.40% | 1.10% |
| 코코넛 오일 850℃ | 97.94% | 1.12% | 0.93% |
| 글리세롤 750℃ | 97.64% | 1.40% | 0.96% |
| 글리세롤 850℃ | 97.88% | 0.61% | 1.52% |
| XIAMETER™ AFE 1410 750℃ | 96.46% | 2.21% | 1.34% |
| XIAMETER™ AFE 1410 850℃ | 95.21% | 4.35% | 0.44% |
| ETHOCEL®-20 750℃ | 97.00% | 2.02% | 0.97% |
| ETHOCEL®-20 850℃ | 96.99% | 2.62% | 0.39% |
표 2에 입증된 바와 같이, 본 발명의 첨가제를 포함하는 공급원료 혼합물은 첨가제가 없는 종래의 공급원료 혼합물로부터 제조된 활성탄의 기공 크기, 분포, 및 비 부피와 비교할 수 있는 활성탄을 산출한다. 표 3은 모든 샘플이 유사한 퍼센트의 미세기공, 중기공, 및 대공극을 갖는 것을 더욱 입증한다. 특히, 모든 샘플은 약 95% 내지 98% 사이의 미세기공을 갖는 것으로 나타났다.
상기 제공된 데이터는 적어도 하나의 첨가제를 포함하는 공급원료 혼합물을 사용하는 본 개시에 따른 방법들이, 여러 가지 중에서, 공정 동안 발포를 감소시키면서, 종래 기술을 사용하여 얻어진 활성탄과 비교할 수 있는 활성탄 생산품을 산출하는 것을 예시한다.
Claims (20)
- 탄소 공급원료, 알칼리 금속 수산화물로부터 선택된 적어도 하나의 활성화제, 및 지방, 오일, 지방산, 및 지방산 에스테르로부터 선택된 적어도 하나의 첨가제를 포함하는 공급원료 혼합물을 제공하는 단계;
선택적으로 상기 공급원료 혼합물을 제1온도로 가열시키는 단계, 및 상기 공급원료 혼합물을 제1온도로 가열시키는 단계가 수행된 경우, 선택적으로 상기 적어도 하나의 활성화제와 상기 적어도 하나의 첨가제를 반응시키기 위해 상기 공급원료 혼합물을 상기 제1온도에서 충분한 시간 동안 유지시키는 단계;
선택적으로 상기 공급원료 혼합물을 과립화시키는 단계;
상기 공급원료 혼합물을 활성화 온도로 가열시키는 단계; 및
상기 공급원료 혼합물을 활성탄으로 형성시키기 위해 상기 활성화 온도에서 충분한 시간동안 유지시키는 단계를 포함하는 활성탄의 형성 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 공급원료 혼합물은 상기 탄소 공급원료 및 상기 적어도 하나의 첨가제를 혼합시키는 단계, 및 그 다음 상기 적어도 하나의 활성화제를 첨가시키는 단계에 의해 형성되는 활성탄의 형성 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 공급원료 혼합물은 약 25℃ 내지 약 150℃의 온도 범위에서 혼합되는 활성탄의 형성 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 방법은 약 500℃ 내지 950℃의 온도 범위의 불활성분위기에서 적어도 하나의 탄소함유 물질을 탄화시켜 탄소 공급원료를 형성시키는 단계 및 선택적으로 상기 탄소 공급원료를 탄화분말로 형성시키기 위해 크러싱 단계,분쇄 단계, 및/또는 밀링 단계를 더욱 포함하는 활성탄의 형성 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 적어도 하나의 활성화제는 KOH, NaOH, LiOH, 및 이의 혼합물로부터 선택되는 활성탄의 형성 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 적어도 하나의 첨가제는 동물성 지방, 식물성 오일, 및 이의 혼합물로부터 선택되는 활성탄의 형성 방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 적어도 하나의 첨가제는 우지, 어유, 고래기름, 간유, 버터, 코코넛 오일, 팜 커널 오일, 팜 오일, 육두구 기름, 올리브유, 콩기름, 참기름, 홍화유, 아마인유, 피마자유, 카놀라유, 및 이의 혼합물로부터 선택되는 활성탄의 형성 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 지방산은 약 2 내지 약 30의 탄소 원자를 포함하는 포화 및 불포화 지방산, 및 이의 혼합물로부터 선택되는 활성탄의 형성 방법. - 청구항 8에 있어서,
상기 지방산은 아세트산, 프로피온산, 브티르산, 카프로산, 카프릴산, 카프르산, 라우르산, 미리스트산, 팔미트산, 팔미톨레산, 스테아르산, 올레산, 리놀레산, 리놀렌산, 아라키돈산, 베헨산, 및 이의 혼합물로부터 선택되는 활성탄의 형성 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 공급원료 혼합물에서 적어도 하나의 첨가제에 대한 적어도 하나의 활성화제의 몰비는 약 1:1 이상인 활성탄의 형성 방법. - 청구항 10에 있어서,
상기 공급원료 혼합물에서 적어도 하나의 첨가제에 대한 적어도 하나의 활성화제의 몰비는 약 3:1 이상인 활성탄의 형성 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 공급원료 혼합물에서 적어도 하나의 첨가제에 대한 적어도 하나의 활성화제의 중량비는 약 5:1 내지 약 30:1의 범위인 활성탄의 형성 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 공급원료 혼합물은 습하거나 또는 건조한 활성탄의 형성 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1온도는 약 25℃ 내지 약 250℃의 범위이고, 상기 공급원료 혼합물은 선택적으로 약 1분 내지 약 120분 범위의 시간동안 제1온도에서 유지되는 활성탄의 형성 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 공급원료 혼합물은 약 500℃ 이하의 온도에서 선택적으로 과립화되는 활성탄의 형성 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 활성화 온도는 약 700℃ 내지 약 900℃의 범위이고, 상기 공급원료 혼합물은 약 5분 내지 약 6시간 범위의 시간동안 상기 활성화 온도에서 유지되는 활성탄의 형성 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 방법은 상기 활성탄을 냉각, 수집, 헹굼, 및/또는 열처리하는 단계를 더욱 포함하는 활성탄의 형성 방법. - 탄소 공급원료, 알칼리 금속 수산화물로부터 선택된 적어도 하나의 활성화제, 및 폴리올, 셀룰로오스 에테르, 및 이온 및 비-이온성 실리콘 오일로부터 선택된 적어도 하나의 첨가제를 포함하는 공급원료 혼합물을 제공하는 단계;
선택적으로 상기 공급원료 혼합물을 그라인딩 및/또는 밀링시키는 단계;
상기 공급원료 혼합물을 활성화 온도로 가열시키는 단계; 및
상기 공급원료 혼합물을 활성탄으로 형성시키기 위해 상기 활성화 온도에서 충분한 시간동안 유지시키는 단계를 포함하며,
여기서 상기 공급원료 혼합물은 입자 형태인 활성탄의 형성 방법. - 청구항 18에 있어서,
상기 폴리올은 글리세롤, 폴리에테르 폴리올, 및 폴리에스테르 폴리올로부터 선택되는 활성탄의 형성 방법. - 청구항 18에 있어서,
상기 셀룰로오스 에테르는 메틸셀룰로오스, 히드록시메틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 카르복시에틸셀룰로오스, 히드록시프로필셀룰로오스, 이의 유도체, 및 이의 혼합물로부터 선택되는 활성탄의 형성 방법.
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