KR20180064929A - 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 이용한 선박용 탈질 촉매 및 그의 제조방법 - Google Patents
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-
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Abstract
본 발명은 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 이용한 선박용 탈질 촉매 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체 내부 및 외부 표면 상에 최소량의 활성금속을 나노박막층으로 증착 또는 담지하여 고분산된 고효율의 선박용 탈질 촉매 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 이용한 선박용 탈질 촉매 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체 내부 및 외부 표면 상에 최소량의 활성금속을 나노박막층으로 증착 또는 담지하여 고분산된 고효율의 선박용 탈질 촉매 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
가솔린 또는 디젤 연료와 같은 탄화수소계 연료를 연소시킬 때 배출되는 가스는 심각한 대기환경오염을 일으킬 수 있다. 이러한 배기가스 내 오염물질들은 탄화수소와 산소를 함유하는 화합물로서, 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 일산화탄소(CO) 등을 포함한다. 따라서, 석탄화력발전소, 소각로, 자동차, 선박 등의 연소 시스템으로부터 배출되는 유해가스의 배출량을 감소시키기 위한 노력이 수십 년 간에 걸쳐 전 세계적으로 시도되어 오고 있다.
종래부터 질소산화물을 효과적으로 제거하기 위해 사용되는 기술로서는, 첫째, 촉매와 환원제를 함께 사용하는 선택적 촉매 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 기술, 둘째, 촉매 없이 환원제만을 사용하는 선택적 비촉매 환원(Selective Non Catalytic Reduction; SNCR) 기술, 및 셋째, 연소 시스템 내의 연소상태를 제어하는 저 낙스 버너(Low-NOx Burner) 기술로 크게 세 가지로 나누어 볼 수 있다.
상기 언급된 세 가지 기술 중에서, 2차 오염, 제거효율, 운전비 등을 종합적으로 고려해 볼 때 선택적 촉매 환원 기술이 가장 효과적인 기술로서 평가되며, 통상적인 선택적 촉매 환원 상용 기술의 경우, 질소산화물의 제거효율은 90% 이상으로 사용 내구기간은 2~5년 정도로 평가되고 있다.
이러한 선택적 촉매 환원 기술에서 사용되는 탈질 촉매는 일반적으로 활성금속(Active Site)과 담지체(Support)로 크게 구성된다. 활성금속으로는 바나디윰(Vanadium), 텅스텐(Tungsten), 몰리브덴(Molybdenum) 등 산화물(Oxide) 형태가 주를 이루며, 담지체로는 티타니아(TiO2), 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 및 이들의 혼합물이 주로 사용되고 있다. 특히, 촉매 활성 및 피독성 여부에 따라 티타니아(TiO2)가 통상적인 선택적 환원 촉매의 담지체로서 주로 사용된다.
상기 선택적 촉매 환원 기술은 전술한 산화물 형태의 활성금속들을 세라믹 담지체에 담지하여 탈질 촉매를 제조하고, 제조된 촉매를 바인더 등의 여러 가지 첨가물과 배합하여 사출 성형하고, 최종적으로 허니컴(Honeycomb), 플레이트(Plate), 콜로게이트(Corrugate) 형태 등의 지지체로 제조한다. 제조된 상기 지지체 형태의 탈질 촉매에 배기가스가 통과하여 질소산화물과 같은 유독성 가스와 반응하여 환원시킴으로써 무해한 물질로 전환시키는 방법이다.
대한민국 등록특허 제10-0584961호는 배연탈질용 선택적 환원 촉매의 코팅 방법 및 이의 제조 방법으로 제조된 지지체에 관한 것으로, 활성금속 촉매를 함유하는 세라믹 허니컴 형태의 지지체가 개시되어 있다.
그러나, 상기 허니컴 형태 등의 세라믹 지지체를 제조하는 경우, 티타니아와 같은 세라믹 파우더 담지체 상에 활성금속이 담지된 촉매와 바인더, 보강재 등의 첨가물을 혼합하여 반죽, 사출, 성형 등의 다단계 공정을 거치므로 제조 공정이 매우 복잡할 뿐만 아니라 제조 공정 중에 발생하는 다량의 비산먼지로 인해 생산, 설치 및 보수 작업을 수행하는 데 어려움이 있었다.
또한, 상기 허니컴 형태 등의 지지체 제조 시 세라믹 담지체와 탈질 촉매 원료와의 결합력을 증대시키기 위한 바인더, 보강재 등 여러 가지의 첨가제를 다량 사용하게 되는데, 이러한 첨가제들을 다량 사용함으로써 촉매의 탈질 성능이 저하되고, 이로 인해 촉매 원료인 고가의 활성금속 산화물을 다량 사용하게 되는 문제점이 있었다.
그리고, 상기 허니컴 형태 등의 세라믹 지지체를 이용한 탈질 촉매는 배기가스가 일방향으로 짧은 체류시간 동안 통과하기 때문에 탈질효율이 다소 떨어지며, 탄화 또는 암모늄 염에 의해 오염(Fouling)된 탈질 촉매의 재생 방법에도 문제점을 가지고 있다.
본 발명의 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 이용하여 활성금속을 상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체 내부 및 외부 표면 상에 나노박막층으로 고분산 증착 및 담지된 선박용 탈질 촉매 및 그의 제조방법에 있어서 상기한 문제점을 해결하고자 예의 연구를 검토한 결과, 기존의 파우더 또는 허니컴 형태가 아닌 배기가스가 다방향으로 관통하도록 다수의 공극이 형성된 세라믹 재질의 입체 형상을 가지는 구조체를 제조하고, 고가의 활성금속을 최소량 사용하여 고분산 증착 또는 담지시킴으로써, 신개념의 경제적이고 고효율의 선박용 배연탈질 촉매를 제조할 수 있음을 알아내고, 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 소량의 활성금속을 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체 내부 및 외부 표면에 나노박막층으로 고분산 증착 또는 담지함으로써 경제성이 우수할 뿐만 아니라 촉매 성능이 우수한 고효율의 선박용 탈질 촉매 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.
한편으로, 본 발명은
다수의 공극이 형성되어 상기 공극을 통해 배기가스가 다방향으로 관통하도록 하는 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체; 및
상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체의 내부 및 외부 표면 상에 나노박막층으로 균일하게 고분산 증착 또는 담지된 활성금속;을 포함하되,
상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체는 500 내지 800 ℃에서 열처리되고,
상기 활성금속은 상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체 100 중량%에 대하여 0.1 내지 5.0중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 이용한 선박용 탈질 촉매를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체는 SiO2, Al2O3 , 또는 SiO2 및 Al2O3의 혼합물에 20 내지 50 ㎛의 두께를 가지는 TiO2를 코팅하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 코팅 방법은 침지코팅(Dip Coating), 워시코팅(Wash Coating), 졸-겔법(Sol-Gel method), 스퍼터링(Sputtering), 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition), 액상 증착법(Liquid Phase Deposition) 등의 방법들을 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체가 500 내지 800 ℃에서 열처리된 후, 상기 열처리된 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체의 내부 및 외부 표면 상에 최소량의 활성 금속이 고분산 증착 또는 담지되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 활성금속으로는 주 활성금속으로 바나듐산화물(V2O5)를 사용하고, 보조 활성금속(Promoter)으로 텅스텐산화물(WO3), 몰리브덴산화물(MoO3), 코발트산화물(Co2O3), 철산화물(Fe2O3), 크롬산화물(Cr2O3) 구리산화물(CuO), 망간산화물(MnO) 및 니켈산화물(NiO)로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체의 기공도는 60% 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체는 원기둥, 사각기둥, 원통, 사각통 등 탈질 시스템의 형상에 따라 다양한 형태인 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명은
i) SiO2, Al2O3 , 또는 SiO2 및 Al2O3의 혼합물에 TiO2를 코팅하여 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 형성하는 단계;
ii) 상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 500 내지 800 ℃에서 열처리 하는 단계;
iii) 상기 열처리된 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체 상에 활성금속을 나노박막층으로 고분산 증착 또는 담지하는 단계;
iv) 상기 활성금속이 균일하게 분산된 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 건조하는 단계; 및
v) 상기 건조된 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 소성하여 탈질 촉매를 제조하는 단계를 포함하는 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 이용한 선박용 탈질 촉매의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 활성금속 전구체로는 주 활성금속 전구체로 바나듐산화물(V2O5)의 전구체를 사용하고, 보조 활성금속 전구체로 텅스텐산화물(WO3), 몰리브덴산화물(MoO3), 코발트산화물(Co2O3), 철산화물(Fe2O3), 크롬산화물(Cr2O3) 구리산화물(CuO), 망간산화물(MnO) 및 니켈산화물(NiO)로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 활성금속의 전구체를 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 활성금속의 함량은 상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체 100 중량%에 대해 0.1 내지 5.0 중량%로 포함되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 iv) 단계 전에 단계 iii)를 추가로 수행하는 것을 특징으로 한다.
반도체 공정에서 주로 사용되는 박막 증착법(Thin Film Deposition)인 원자 박막 증착법(Atomic Layer Deposition), 물리적 박막 증착법(Physical Layer Deposition), 화학적 박막 증착법(Chemical Layer Depositon) 등의 박막 증착 기술을 적용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체 내부 및 외부 표면에 활성금속을 고분산 담지하기 위한 다른 방법으로 활성금속 전구체를 용액에 녹여 전구체 용액을 제조하여 활성금속을 담지하는 여러 방법들이 있으며, 주로 함침법(Impregnation), 침지코팅(Dip Coating), 워시코팅(Wash Coating), 진공코팅(Vacuum Coating) 중의 하나의 방법을 적용하는 것을 특징으로 하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시형태에서 상기 제조된 전구체 용액을 상기 구조체 내부 및 외부 표면 상에 나노박막층으로 고분산하기 위한 담지하는 공정을 거치게 된다. 활성금속의 담지 공정은 다공극성 금속 구조체 표면에 바르거나(Coating), 뿌리거나(Spraying), 담지(Dipping)하는 등 여러 가지 방법을 적용할 수 있다. 이때 활성금속 전구체의 함량은 상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체 100 중량%에 대해 0.1 내지 5.0 중량%인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 표면 상에 상기 활성금속이 담지된 구조체는 건조로에서 100 내지 120 ℃에서 건조하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 건조가 완료된 구조체는 400 내지 600 ℃에서 3 내지 6시간 소성하는 열처리 공정을 거치는 것을 특징으로 한다. 이때 활성금속 성분들은 열처리 공정을 통해 금속산화물 형태를 가지게 된다.
본 발명에 따른 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 이용하여 활성금속이 상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체 내부 및 외부 표면 상에 나노박막층으로 고분산 증착 또는 담지된 선박용 탈질 촉매는 배기가스 또는 기체가 다방향으로 관통하도록 다수의 기공을 형성한 고비표면적의 세라믹 지지체를 파우더 또는 허니컴 형태가 아닌 3차원 입체 형상을 가지는 세라믹 망상 구조체로 제조하여 사용함으로써, 선박용 배연탈질설비의 생산, 설치, 유지 및 보수를 보다 용이하게 할 수 있고, 파우더 또는 허니컴 형태로 제조 시 사용되는 바인더, 보강재 등의 첨가물을 사용하지 않으므로 값 비싼 활성금속을 소량 사용하더라도 더욱 우수한 촉매 성능을 나타낼 수 있다.
또한, 고비표면적의 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 이용함으로써, 고가의 활성금속을 소량 사용하여 상기 고비표면적의 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체 표면에 활성금속이 나노박막층으로 고분산 증착 또는 담지된 고효율의 선박용 탈질 촉매를 제조할 수 있으므로 생산성 및 경제성이 우수하다.
또한, 본 발명에 따른 선박용 탈질 촉매는 선박 탈질 시스템의 구조에 따라 상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체의 형상을 원형, 사각형 등 다양하게 변화시킬 수 있으므로, 선박 내 한정된 공간에서 최소화 및 최적화하여 설치할 수 있을 뿐만 아니라 설치가 용이하고 유지보수 및 관리가 편리하다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 내부 및 외부 표면에 활성금속이 담지된 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 나타낸 그림이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 활성금속을 상기 구조체에 나노박막층으로 고분산 증착 또는 담지하는 방법에 대해 나타낸 그림이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 상기 구조체에 활성금속을 담지하는 방법에 대해 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 내부 및 외부 표면에 활성금속이 담지된 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 나타낸 그림이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 활성금속을 상기 구조체에 나노박막층으로 고분산 증착 또는 담지하는 방법에 대해 나타낸 그림이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 상기 구조체에 활성금속을 담지하는 방법에 대해 나타낸 그림이다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 이용한 선박용 탈질 촉매는
다수의 공극이 형성되어 상기 공극을 통해 배기가스가 다방향으로 관통하도록 하는 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체; 및
상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체의 내부 및 외부 표면 상에 나노박막층으로 균일하게 고분산 증착 또는 담지된 활성금속;을 포함하되,
상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체는 500 내지 800 ℃에서 열처리되고,
상기 활성금속은 상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체 100 중량%에 대하여 0.1 내지 5.0중량%로 포함되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 선박용 탈질 촉매는 소량의 활성금속을 박막 증착법을 이용하여 상기 구조체 내부 및 외부 표면에 나노박막층으로 고분산하는데 그 특징이 있다.
상기 박막 증착법으로는 반도체 공정에서 주로 사용되는 박막 증착법(Thin Film Deposition)인 원자 박막 증착법(Atomic Layer Deposition), 물리적 박막 증착법(Physical Layer Deposition), 화학적 박막 증착법(Chemical Layer Depositon) 등의 박막 증착 기술을 적용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 전구체가 녹아 있는 용액에 담지하여 상기 구조체 내부 및 외부 표면에 활성금속을 고분산시키는 방법도 그 특징으로 한다. 주로 함침법(Impregnation), 침지코팅(Dip Coating), 워시코팅(Wash Coating), 진공코팅(Vacuum Coating) 중의 하나의 방법을 적용하는 것을 특징으로 하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체는 파우더 또는 허니컴 형태가 아닌 입체 형상의 금속 구조체로서, 종래 파우더 촉매 및 첨가제를 이용하여 반죽, 사출, 성형 등의 다단계 공정을 거쳐 허니컴, 플레이트, 콜로게이트 등의 형태로 제조되는 촉매에 비해 단순화된 공정으로 제조될 수 있으므로 생산이 용이하고, 설치하거나 유지 보수하는 작업이 용이하다. 아울러, 상기 입체 형상의 구조체는 원형, 사각형 등 다양한 형상으로 구현될 수 있으므로, 한정된 선박 공간에 따라 탈질 시스템의 구조 및 형상을 변화시켜 용이하게 사용할 수 있으므로 선박 공간에 최적화된 탈질 촉매 시스템, 예를 들면 선박 배연탈질용 SCR 촉매를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 나타낸 그림이다.
도 1을 참조로, 상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체는 배기가스 또는 기체가 다방향으로 관통하도록 다수의 기공이 형성된 고비표면적의 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체로서, 상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체의 전체 표면 상에 상기 활성금속을 직접적으로 담지할 수 있다.
본 발명에 따른 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체는 파우더 또는 허니컴 형태가 아닌 3차원 입체 형상의 세라믹 망상 구조 지지체로서, 종래 파우더 형태의 세라믹 지지체를 이용하여 반죽, 사출, 성형 등의 다단계 공정을 거쳐 허니컴 형태로 제조되는 촉매에 비해 단순화된 공정을 통해 제조될 수 있으므로 생산이 용이하고, 선박 내 설치하거나 유지 보수하는 작업이 용이하다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체는 SiO2, Al2O3 , 또는 SiO2 및 Al2O3의 혼합물에 TiO2를 코팅하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 구조체가 TiO2 한 종류로 구성되는 경우, 강도가 약해질 수 있으므로, SiO2, Al2O3 , 또는 SiO2 및 Al2O3의 혼합물에 TiO2를 코팅하여 보다 향상된 강도를 나타내는 구조체를 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체는 통상적으로 입수 가능한 고분자 재질의 다공극성 구조물을 사용하고, 이들 표면에 SiO2, Al2O3 또는 SiO2 및 Al2O3의 혼합물과 유기 또는 무기 바인더를 혼합하고, 혼합된 파우더에 일정량의 물을 첨가하여 고분자 재질의 다공극성 구조물 표면에 일정 두께로 딥코팅(Dip Coating)을 한다.
상기 SiO2, Al2O3 또는 SiO2 및 Al2O3의 혼합물로 코팅된 다공극성 구조물은 100 내지 200 ℃에서 건조한 후, 건조된 다공극성 구조물은 고온 소성로에서 1400 내지 1500 ℃에서 소성하여 다공극성 구조물의 고분자 물질은 제거되고 SiO2, Al2O3 , 또는 SiO2 및 Al2O3의 혼합물만 다공극성 3차원 입체 망상 구조체 형상을 가지게 된다.
상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체는 SiO2, Al2O3 , 또는 SiO2 및 Al2O3의 혼합물에 TiO2를 코팅하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제조된 SiO2, Al2O3 , 또는 SiO2 및 Al2O3 혼합물의 다공극성 3차원 입체 망상 구조체 상에 일정 두께를 가지는 TiO2를 코팅하여 최종적으로 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 제조한다.
상기 코팅 방법은 딥코팅(Dip Coating), 워시코팅(Wash Coating), 졸-겔법(Sol-Gel method), 스퍼터링(Sputtering), 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition), 액상 증착법(Liquid Phase Deposition)과 같이 다양한 방법들에 의해 제조하는 것을 특징으로 한다.
상기 활성금속은 상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체 100 중량%에 대해 0.1 내지 5.0중량%로 포함되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 선박용 탈질 촉매는 상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체가 500 내지 800 ℃에서 열처리된 후, 상기 열처리된 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조물의 내부 및 외부 표면 상에 활성 금속이 고분산 증착 또는 담지되는 것을 특징으로 한다.
상기 20 내지 50 ㎛의 일정 두께를 가지는 TiO2가 형성된 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체의 경우, 상기 열처리는 무정형의 TiO2 층을 아나타제 구조로 결정화하기 위한 과정으로서, 500 내지 800 ℃에서 수행되는 것이 바람직하다.
상기 열처리가 500 ℃ 미만의 온도에서 수행되는 경우 아나타제 구조로의 결정화가 어려울 수 있고, 800 를 초과하는 온도에서 수행되는 경우에는 루타일 구조가 생성될 수 있다.
상기 열처리 과정에 의해 생성된 결정은 오염물질 처리효율을 좌우하며 아나타제 구조의 결정이 주로 존재 시 오염물질과의 반응 효율이 우수하다.
이때, 열처리 시 공기분위기 하에서 아나타제 구조의 TiO2 형성이 용이하게 조성하는 것이 중요하며, 상기 열처리 시간은 3 내지 6 시간인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체의 기공도는 60 % 이상, 바람직하게는 70 내지 95 %일 수 있다.
상기 다공극성 세라믹 입체 구조물의 기공도가 상기 범위를 만족하지 않는 경우, 탄화 또는 암모늄염에 의한 오염으로 인한 막힘현상이 일어날 수 있거나 배기가스 유동에 문제가 발생함에 따라 압력강하 등의 심각한 현상을 일으킬 수 있으므로 일정 이상의 기공도를 가질 수 있도록 해야 한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체는 원기둥, 사각기둥, 원통, 사각통 등 탈질 시스템의 형상에 따라 다양한 형태일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체는 다양한 형상으로 구현될 수 있으므로 탈질 시스템의 구조에 따라 그 형상을 변화시켜 용이하게 사용할 수 있어 공간에 최적화된 탈질 촉매, 예를 들면 선박 배연탈질용 SCR 촉매를 제조할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 내부 및 외부 표면에 활성금속(20)이 담지된 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체(10)를 나타낸 그림이다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 활성금속으로는 주 활성금속과 보조 활성금속으로 구성될 수 있다.
상기 주 활성금속으로는 바나듐산화물(V2O5)를 사용하고, 상기 보조 활성금속으로는 텅스텐산화물(WO3), 몰리브덴산화물(MoO3), 코발트산화물(Co2O3), 철산화물(Fe2O3), 크롬산화물(Cr2O3) 구리산화물(CuO), 망간산화물(MnO), 니켈산화물(NiO) 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 활성금속을 상기 구조체에 나노박막층으로 고분산 증착 또는 담지하는 방법에 대해 나타낸 그림이다.
도 3을 참조로, 상기 구조체 내부 및 외부 표면 상에 활성금속을 나노박막층으로 고분산 증착 또는 담지하는 방법으로 박막 증착법을 사용하여 증착하거나 또는 활성금속이 녹아 있는 전구체 용액을 사용하여 담지한다.
구체적으로, 도 3(a)는 원자 박막 증착 시스템을 나타낸 사진이고, 도 3(b)는 활성금속 전구체 용액 담지법을 이용하여 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체 내부 및 외부 표면에 활성금속을 담지하는 방법에 대해 나타낸 그림이다.
반도체 공정에서 주로 사용되는 박막 증착법을 이용하여 활성금속을 상기 구조체 내부 및 외부 표면에 나노박막층으로 고분산 증착한다. 상기 박막 증착법에는 물리적 증착법, 화학적 증착법, 원자 박막 증착법이 있으며, 이들 박막 증착법 중 어떠한 방법을 사용할 수 있다.
또한, 상기 활성금속 전구체를 증류수 및 유기용매에 녹여 전구체 용액으로 사용하여 상기 구조체 상에 활성금속을 담지하는 방법을 사용할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 상기 구조체에 활성금속을 담지하는 방법에 대해 나타낸 그림이다.
구체적으로, 도 4(a)는 함침법 및 침지코팅 방법에 대해 나타낸 그림이고, 도 4(b)는 상기 방법을 통해 제조된 3D 구조체 표면상 활성금속 담지 형태를 나타낸 그림이다.
상기 고비표면적을 가지는 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체 내부 및 외부 표면에 소량의 활성금속을 나노박막층으로 고분산 증착 또는 담지함으로써 우수한 탈질 촉매 성능을 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 이용한 선박용 탈질 촉매의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 제조방법은
i) SiO2, Al2O3 , 또는 SiO2 및 Al2O3의 혼합물에 TiO2를 코팅하여 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 형성하는 단계;
ii) 상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 500 내지 800 ℃에서 열처리 하는 단계;
iii) 상기 열처리된 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체 상에 활성금속을 나노박막층으로 고분산 증착 또는 담지하는 단계;
iv) 상기 활성금속이 균일하게 분산된 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 건조하는 단계; 및
v) 상기 건조된 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 소성하여 탈질 촉매를 제조하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 활성금속은 상기한 바와 같은 활성금속의 산화물이 바람직하며, 상기 활성금속의 산화물은 활성금속 전구체 형태로 용매에 혼합시키는 것이 바람직하다.
상기 용매로는 증류수, 에탄올 등의 유기용매를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 활성금속의 함량은 상술한 바와 같다.
상기 전구체 용액에는 유기첨가제, 보강재, 기공형성제 등의 첨가제가 추가로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 iv) 단계 전에 단계 iii)를 추가로 수행할 수 있다.
상기 단계 iii)를 수차례 반복함으로써, 상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체의 내부 및 외부 표면 상에 상기 활성금속이 더욱 균일하게 분산될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 건조는 100 내지 120 ℃에서 24시간 동안 수행할 수 있다.
상기 구조체의 표면 상에 활성금속의 담지가 완료된 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체는 건조로에서 100 내지 120 ℃에서 1 내지 3 시간 건조하는 것을 특징으로 한다.
상기 건조가 완료된 구조체는 400 내지 600 ℃에서 3 내지 6시간 소성하는 열처리 공정을 거치는 것을 특징으로 한다. 이때 활성금속 성분들은 열처리 공정을 통해 금속산화물 형태를 가지게 된다.
상기 소성 단계를 통해 전구체 용액에 포함된 첨가제는 제거될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체에 세라믹 코팅재가 코팅되어 소결될 수 있다.
상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체 상에 코팅재가 코팅 및 소결됨으로써 세라믹 구조물이 견고해지므로 상기 코팅된 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 사용하여 제조되는 선박용 탈질 촉매는 내열성, 내식성, 내구성 및 방오성이 향상될 수 있다.
상기 세라믹 코팅재로는 알루미나(Al2O3) 및 실리카(SiO2)로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 이용한 선박용 탈질 촉매는 배기가스가 유입되는 유입부 및 상기 유입부의 후방에 배기가스가 배출되는 배출구로 구성되며, 상기 유입부에는 활성 금속이 담지되고, 상기 배출구에는 악취 중화제가 코팅될 수 있다.
상기 탈질 촉매는 일방향으로부터 유입되는 배기가스를 먼저, 활성 금속이 담지된 유입부로 관통하게 하여 오염물질을 제거할 수 있고, 이어서 상기 오염물질이 제거된 기체가 악취 중화제로 코팅된 상기 배출구로 관통하도록 하여 기체의 악취를 제거할 수 있을 뿐만 아니라 내부식성 효과를 나타낼 수 있다.
상기 악취 중화제는 티타늄 또는 지르코늄 금속 산화물로 구성될 수 있다.
이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오직 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업자에게 있어서 자명하다.
실시예
1:
다공극성
세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 이용한 선박용 탈질 촉매의 제조
실시예 1-1: 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체의 제조
다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체는 통상적으로 입수 가능한 고분자 재질의 다공극성 구조물을 사용하고, 이들 표면에 SiO2, Al2O3 또는 SiO2 및 Al2O3의 혼합물과 유기 또는 무기 바인더를 혼합하고 혼합된 파우더에 일정량의 물을 첨가하여 고분자 재질의 다공극성 구조물 표면에 일정 두께로 침지코팅(Dip Coating)을 하였다.
상기 SiO2, Al2O3 또는 SiO2 및 Al2O3의 혼합물로 코팅된 다공극성 구조물은 100 내지 200 ℃에서 건조한 후, 건조된 다공극성 구조물은 고온 소성로에서 1400 내지 1500 ℃에서 소성하여 다공극성 구조물의 고분자 물질은 제거되고 SiO2, Al2O3 , 또는 SiO2 및 Al2O3의 혼합물만 다공극성 3차원 입체 망상 구조체를 제조하였다.
실시예
1-2:
다공극성
세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 이용한 선박용 탈질 촉매의 제조
상기 실시예 1-1에서 제조된 구조체 상에 활성금속을 담지하는 제조법으로 바나듐 전구체(Ammonium Vanadate)와 옥살산(Oxalic)를 약 1:2의 질량비로 물에 6시간 이상 교반시켜 전구체 용액을 제조하고, 상기 구조체를 상기 전구체 용액에 함침하였다. 동일 방법으로 수 차례 반복 함침하여 일정 량의 활성금속 전구체를 구조체 표면 상에 담지하고 120 ℃에서 2 시간 동안 건조시킨 후, 500 ℃에서 4 시간 동안 열처리 소성과정을 거쳐 최종적으로 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체의 내부 및 외부 표면 상에 활성금속을 담지하였다.
이때, 바나듐 산화물 활성금속이 구조체 표면 상에 고분산 담지됨을 주사전자현미경과 에너지 분산 X선(Energy Dispersive X-ray Spectrometer) 분석을 통해 확인할 수 있었고, X선 회절분석 분석 결과에서 바나듐 전구체가 바나듐 산화물 형태의 결정구조로 전이되었음을 알 수 있었다.
상기 실시예 1의 단계를 통해 최종적으로 선박용 탈질 촉매를 제조하였다. 아래 표 1과 같은 조건에서 제조된 탈질 촉매에 대한 촉매 성능을 평가하였다.
반응온도 | 200 ~ 450 ℃ |
공간속도 | 5,000 ~ 2,0000/hr |
암모니아/질소산화물 몰비 | 1.0 |
질소산화물 농도 | 300-800 ppm |
산소 농도 | 4% |
상기 표 1과 같은 조건으로 200 ~ 450 ℃ 사이에서 50 ℃ 간격으로 승온하면서 탈질 촉매의 성능을 분석한 결과, 300 ~ 400 ℃에서 90% 이상의 촉매 활성을 나타내었으며, 최고활성은 350 ℃에서 98%로 나타났다.
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아님은 명백하다. 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 특허청구범위와 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
10: 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체
20: 활성금속
20: 활성금속
Claims (10)
- 다수의 공극이 형성되어 상기 공극을 통해 배기가스가 다방향으로 관통하도록 하는 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체; 및
상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체의 내부 및 외부 표면 상에 나노박막층으로 균일하게 고분산 증착 또는 담지된 활성금속;을 포함하되,
상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체는 500 내지 800 ℃에서 열처리되고,
상기 활성금속은 상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체 100 중량%에 대하여 0.1 내지 5.0중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 이용한 선박용 탈질 촉매. - 제1항에 있어서, 상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체는 SiO2, Al2O3, 또는 SiO2 및 Al2O3의 혼합물에 TiO2를 코팅하여 형성되는 것을 특징으로 하는 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 이용한 선박용 탈질 촉매.
- 제1항에 있어서, 상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체가 500 내지 800 ℃에서 열처리된 후, 상기 열처리된 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체의 내부 및 외부 표면 상에 활성 금속이 고분산 증착 또는 담지되는 것을 특징으로 하는 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 이용한 선박용 탈질 촉매.
- 제1항에 있어서, 상기 활성금속으로는 주 활성금속으로 바나듐산화물을 사용하고, 보조 활성금속으로 텅스텐산화물, 몰리브덴산화물, 코발트산화물, 철산화물, 크롬산화물, 구리산화물, 망간산화물 및 니켈산화물로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용하는 것을 특징으로 하는 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 이용한 선박용 탈질 촉매.
- 제1항에 있어서, 상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체의 기공도는 60% 이상인 것을 특징으로 하는 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 이용한 선박용 탈질 촉매.
- 제1항에 있어서, 상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체는 원기둥, 사각기둥, 원통 또는 사각통으로 구성되며 탈질 시스템의 형상에 따라 다양한 형태로 변화될 수 있는 것을 특징으로 하는 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 이용한 선박용 탈질 촉매.
- i) SiO2, Al2O3 , 또는 SiO2 및 Al2O3의 혼합물에 TiO2를 코팅하여 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 형성하는 단계;
ii) 상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 500 내지 800 ℃에서 열처리 하는 단계;
iii) 상기 열처리된 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체 상에 활성금속을 나노박막층으로 고분산 증착 또는 담지하는 단계;
iv) 상기 활성금속이 균일하게 분산된 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 건조하는 단계; 및
v) 상기 건조된 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 소성하여 탈질 촉매를 제조하는 단계를 포함하는 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 이용한 선박용 탈질 촉매의 제조방법. - 제7항에 있어서, 상기 활성금속 전구체로는 주 활성금속 전구체로 바나듐산화물 전구체를 사용하고, 보조 활성금속 전구체로 텅스텐산화물, 몰리브덴산화물, 코발트산화물, 철산화물, 크롬산화물, 구리산화물, 망간산화물 및 니켈산화물로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 활성금속 전구체를 사용하는 것을 특징으로 하는 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 이용한 선박용 탈질 촉매의 제조방법.
- 제7항에 있어서, 상기 활성금속의 함량은 상기 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체 100 중량%에 대하여 0.1 내지 5.0 중량%인 것을 특징으로 하는 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 이용한 선박용 탈질 촉매의 제조방법.
- 제7항에 있어서, 상기 iv) 단계 전에 단계 iii)를 추가로 수행하는 것을 특징으로 하는 다공극성 세라믹 3차원 입체 망상 구조체를 이용한 선박용 탈질 촉매의 제조방법.
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