KR20190064151A - 흡착성능이 우수한 활성탄 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 흡착성능이 우수한 활성탄의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 특히 SOx, NOx 등의 유해성분에 대한 흡착성능이 우수한 활성탄과 이를 간단한 방법으로 제조하는 활성탄 제조방법에 관한 것이다.

Description

흡착성능이 우수한 활성탄{Activated carbon with excellent adsorption performance}
본 발명은 흡착성능이 우수한 활성탄의 제조방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 특히 SOx, NOx 등의 유해성분에 대한 흡착성능이 우수한 활성탄과 이를 간단한 방법으로 제조하는 활성탄 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 활성탄은 비표면적이 넓고 흡착력이 우수하여 광범위한 정화소재로 사용되고 있다.
이러한 활성탄에 대한 개발은 주로 활성탄의 비표면적의 개선 등과 같은 물리적인 성질의 개선과 활성탄 표면에 금속산화물을 침착시켜서 흡착성을 개선하는 등의 화학적인 성질의 개선 등이 주류를 이루고 있다.
종래, 공기 중의 산성 가스 등의 유해 가스를 제거하기 위한 다양한 방법이 검토되어 있고 이들 방법 하나로써 활성탄에 의한 흡착소재의 이용기술이 가장 널리 연구되고 있다.
활성탄을 이용하는 방법에는 활성탄의 활성탄에 특정 성분을 첨착하여 활성탄의 흡착 작용과 함께 화학적인 작용을 이용하는 방법으로써, 활성탄의 첨착성분이 특정 유해물질을 흡착하여 정화하는 기술이 있다.
그러나 활성탄은 질소 산화물, 황 산화물 등에 대한 흡착성능이 낮아서 이러한 물질을 제대로 제거할 수 없다. 이로 인해 화학성분을 첨착하여 이러한 성분들의 흡착이 가능하게 하는 기술이 다수 연구되고 있다.
상기와 같은 화학성분 첨착 필터로 대표적인 첨착활성탄은 활성탄의 표면 또는 세공 내에 특정한 금속염을 첨착시킨 것이며, 경우에 따라서는 이온교환수지에 관능 작용기를 부착시킴으로써 특정한 가스를 제거할 수 있도록 하였다.
그러나 종래의 화학성분 첨착 필터는 하나의 오염물 또는 동일한 종류의 오염물만을 제거할 수 있도록 구성되어 있어서 다양한 성분의 정화처리를 위해서는 다층 현태의 필터를 사용하는 것이 일반적이었다.
이러한 번거로움을 해소하기 위하여 화학성분 필터로서, 여러 기술이 연구되었는데, 그 종래기술의 예로서, 일본특허공개 제2007-260603호에는 소취 기능을 가지는 프리필터(제1 필터)와 집진 주름 필터(제2 필터)와 광촉매필터(제3 필터)와 금속 프탈로시아닌 착체와 약알칼리성 금속염을 활성탄 혼초지에 담지시킨 허니컴 혹은 콜게이트 필터( 제4 필터)로서, 금속 프탈로시아닌 착체로 약알칼리성 금속염이 탄산나트륨, 탄산수소나트륨, 구연산 나트륨, 탄산칼륨, 탄산수소칼륨, 구연산 칼륨의 군에서 선택되는 1종 또는 복수의 약알칼리성 금속염을 활성탄 혼초지에 담지시킨 허니컴 혹은 콜게이트 필터( 제4 필터)인 것에 특징이 있는 공기 청정기용 필터 유닛이 개시되어 있다.
또한, 일본특허공개 제2006-431150호에서는 활성탄과 이 활성탄에 담지된 알칼리 성분(칼륨 등의 알칼리 금속의 탄산염 또는 수산화물 등) 및 알루민 산금속염(나트륨 등의 알칼리 금속염 등)으로 산성 가스 제거용 처리제를 구성하고, 이러한 처리제는 산성 가스를 포함한 가스와 접촉시켜 상기 산성 가스(일산화질소 등의 질소 산화물)를 제거하기 위해 유용하다고 제안되어 있다.
다른 사례로, 한국특허공개 제10-2004-0073614호에서는 복합가스를 동시에 제거하기 위해 NH3와 같은 염기성 가스를 제거할 수 있는 흡착층과 SOx와 같은 산성가스를 제거할 수 있는 흡착층으로 구성된 조합형 케미칼 필터 여재 및 선택적으로 염기성 가스 및 산성가스를 제거할 수 있도록 흡착층 사이에 이온교환수지가 부착된 망체를 삽입한 조합형 케미칼 필터 메디아에 대한 기술로서 SOx와 같은 산성 가스를 제거하는 목적으로 활성탄에 KI, KOH, K2CO3 등과 알칼리 금속 첨착물질 중 어느 한 물질로 구성된 흡착제를 적용하는 기술이 제안되어 있다.
그러나 이러한 종래기술들의 경우 활성탄에 별도로 화학성분을 첨착시켜야 하기 때문에 그 공정이 번거롭고, 특히 활성탄에 첨착된 화학성분이 활성탄의 미세 기공을 막거나 활성탄의 흡착성능을 저해하는 역할을 하여 물리적 흡착성을 떨어뜨리는 문제가 있다.
일본특허공개 제2007-260603호 일본특허공개 제2006-431150호 한국특허공개 제10-2004-0073614호
본 발명은 위와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 기존의 활성탄 제조기술에서 새로운 공정을 통해 별도의 금속산화물을 첨가하지 않고서도 금속산화물이 활성탄 내의 탄소 격자구조에 존재하게 함으로써 본래의 흡착성능을 저해하지 않고서도 화학적 흡착성능을 추가적으로 개선시키는데 있다.
따라서 본 발명의 목적은 활성탄의 표면개질 성능을 유지하면서 금속산화물이 활성탄 내에 존재하는 새로운 구조의 흡착성능이 우수한 활성탄을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 탄소격자 구조에 탄산칼륨이 고정되어 고착되어 있는 형태로 함유되어 있는 흡착성능이 우수한 활성탄을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 활성탄의 표면 개질과정에서 수세공정 후에 중화공정을 거치지 않고 탄소격자 구조에 탄산칼륨이 고정되어 고착되어 있는 형태로 제조함으로써, 간단하고 경제적으로 흡착성능이 우수한 활성탄을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 과제의 해결을 위하여, 본 발명은 목질계, 야자계, 피치계, 섬유계 중에서 선택된 하나이상으로 이루어지는 활성탄으로서, 그 표면의 기공크기가 100nm 이하의 크기를 가지는 탄소격자 구조를 가지며, 비표면적이 850-3,000m2/g 이고, 그 탄소격자 구조 내에 알칼리금속산화물이 고정되어 고착되어 있는 형태로 함유되어 있는 흡착성능이 우수한 활성탄을 제공한다.
또한, 본 발명은 출발물질로서 목질계, 야자계, 피치계, 섬유계 중에서 선택된 하나 이상의 활성탄 소재를 200 ~ 450℃ 온도범위에서 공기와 접촉시켜 산화시키는 안정화단계; 상기 안정화 단계에서 형성된 탄소체를 무산소 조건에서 탄화시켜 일차적인 기공을 형성시키는 탄화단계; 상기 일차 기공이 형성된 탄소체에 탄소격자 표면의 산소관능기를 고농도로 균질하게 형성시키고자 산용액에 접촉시켜 표면처리를 수행하여 탄소체의 탄소격자 표면에 산소관능기를 고농도로 균질하게 형성시키는 표면처리단계; 상기 표면처리 단계의 산소관능기에 알칼리금속을 접촉시키고자 상기 표면처리가 수행된 탄소체를 알칼리금속 수용액에 침지하는 침지단계와; 무산소 분위기에서 600 ~ 1,100℃로 승온시키고 이산화탄소를 가하여 상기 알칼리금속의 산화와 환원을 유도하여 미세기공을 발달시키고자 표면개질을 수행하는 표면개질과정을 포함하는 단계; 및 상기 표면개질 과정에서 얻어진 알칼리금속산화물을 제거하기 위해 수세하고 곧바로 건조하는 단계를 포함하는 흡착성능이 우수한 활성탄의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 표면개질된 고비표면적의 활성탄 표면에 금속산화물이 존재하되 미세기공에 첨착된 것이 아니라 활성탄을 구성하는 탄소격자 구조 내에 금속산화물이 박혀있는 형태로 존재하기 때문에 금속산화물의 침지로 인한 기공의 막힘 현상이 없어서 활성탄의 흡착성능은 그대로 유지하면서도 금속산화물의 활성으로 인해 화학적 흡착성능도 우수하게 발휘할 수 있는 효과가 있는 것이다.
또한, 본 발명은 기존에 활성탄에 금속산화물을 첨착시키기 위해 활성탄을 제조한 후에 별도로 금속산화물의 침지공정을 거치는 경우 공정이 복잡하고 금속산화물의 첨착과정에서 공정 조건이 번거로운 문제를 일거에 해소하고, 활성탄의 표면처리공정에서 잔류물로 남게 되는 금속산화물을 수세 후 환원처리하지 않고 남겨둠으로써 공정도 간단하고, 탄소 격자구조 내에 금속산화물에 고정된 상태로 쉽게 제조할 수 있으므로 매우 경제적으로 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 활성탄의 미세기공 내에 금속산화물이 침착된 것이 아니라, 활성탄 자체를 이루는 탄소격자 내에 금속산화물이 박혀있는 상태로 존재하기 때문에 장기간 사용시 금속산화물이 이탈하는 등의 문제로 성능이 저하되는 문제가 없으므로 장기간 사용에도 우수한 흡착성능을 장기간 유지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 흡착성능이 우수한 활성탄의 제조방법에 대한 일 예를 도시한 예시 공정도로서 중화처리를 시행하는 경우와 중화처리를 시행하지 않은 본 발명의 제조방법의 예를 비교하여 함께 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에서 사용하는 활성탄에 대한 활성화 전후의 활성탄의 Pore Volume와 Pore width 분포를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 하나의 구현예로서 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 기존의 활성탄을 표면 개질하여 나노 미세기공을 가지도록 활성화하는 과정에서 공정 개선을 통해 새로운 형태로 활성탄 구조 내에 금속산화물이 함유된 새로운 구조의 활성탄을 제공하는 것이다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 활성탄내에 존재하는 금속산화물은 다양한 형태가 가능하지만, 예컨대 K2CO3, Na2CO3가 가장 전형적이다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 금속산화물은 활성탄의 미세기공 내에 침착되어 있는 것이 아니라 기공구조를 가지는 활성탄을 이루는 탄소구조 자체의 탄소격자 구조 내에 박혀서 고착되어 있는 형태를 가진다. 특히, 탄소격자구조 내에 금속이 내재하여 결과적으로 탄소격자 내에 금속산화물이 고착된 형태이므로 기공 내에 첨착되어 있는 구조와는 근본적으로 상이한 것이다.
이러한 탄소격자 내의 고착 구조는 활성탄의 활성화를 위한 표면개질 과정에서 사용된 알칼리금속이 표면개질 과정에서 탄소격자 내에 파고 들어가 존재하고, 그 후에 산화 환원 과정에서 금속산화물로 전환되면서 그대로 고착된 형태로 잔류하기 때문이다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면 이러한 금속산화물을 수세하면 세척이 가능하지만 일부는 잔류하여 남게 된다.
본 발명은 이렇게 잔류하는 금속산화물이 화학적 흡착능력을 나타낸다는 놀라운 사실을 알게 되어 본 발명에 이르게 된 것이다.
본 발명에 따르면 이러한 잔류된 금속산화물은 특히 SOx, NOx 등의 유해성분에 대한 흡착성능이 매우 우수한 효과를 갖는 것으로 확인되었다. 이러한 유해성분은 활성탄으로는 흡착이 잘 일어나지 않아서 일반 활성탄만으로는 제거가 어렵기 때문에, 기존에도 활성탄에 별도의 금속산화물을 첨착하여 사용하였던 것이지만, 본 발명에서는 활성탄의 표면개질 과정에서 잔류하게 되는 금속산화물을 일부는 제거하여 재활용하고 극이 일부만을 남겨지도록 세척하여 그대로 이용함으로써 새로운 형태의 활성탄 구조로 인해 매우 우수한 흡착성능을 가진 활성탄으로 품질을 개선하게 된 것이다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면 상기 금속산화물은 활성탄 구조 내에서 전체 구성에 대해 3,000-100,000ppm으로 함유되어 있는 것이 바람직하다.
만일, 그 함유량이 과다하면 금속산화물이 오히려 활성탄의 나노기공 구조를 막아버리므로 바람직하지 않게 되고, 그 함량이 너무 낮으면 화학적 흡착성능을 기대하기 어렵다.
본 발명에서 적용 가능한 활성탄은 예컨대 기공크기가 100nm 이하인 것이 적용 가능하며, 3nm 이하인 것도 적용 가능하다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 활성탄은 비표면적이 850-3,000㎡/g, 더욱 좋기로는 1,700-2,200㎡/g인 것이 적용될 수 있다.
본 발명에서 의미하는 활성탄은 활성탄 형태로 제조되는 활성탄 섬유도 포함하는 것을 의미한다.
이하, 본 발명에 따른 흡착성능이 개선된 활성탄을 제조하는 방법에 대하여 자세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 흡착성능이 우수한 활성탄의 제조방법에 대한 일 예를 도시한 예시 공정도로서 중화처리를 시행하는 경우와 중화처리를 시행하지 않은 본 발명의 제조방법의 예를 비교하여 함께 도시한 것이다.
본 발명의 활성탄의 제조방법은 기공을 갖는 탄소격자상(carbon matrix)의 물질에 나노크기의 미세기공을 발달시키는 제조과정을 기본으로 하고 있으며, 이러한 일반적인 활성탄 제조과정은 한국등록특허 제10-1315127호에 자세하게 소개되어 있다.
본 발명에 따른 활성탄 제조를 위하여, 일반적으로 기공을 갖는 활성탄은 탄소격자상을 가지는 것으로써, 활성탄(AC), 활성탄소섬유(ACF) 등이 있다, 이러한 탄소격자 구조로 이루어지는 활성탄의 표면에 표면처리와 표면개질을 연계 처리하여 나노크기의 세공을 발달시킴으로써 표면적을 증대시키고 흡착 및 탈착 속도를 빠르게 할 수 있다.
이와 같이 표면적을 증대시킴으로서 대기중 또는 수중의 탄화수소류에 대한 흡착량을 증대시키고 빠른 흡·탈착 속도를 나타냄으로서 재생 및 회수효율을 개선할 수 있는 것이다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 활성탄 제조를 위해 출발물질로서 목질계, 야자계, 피치계, 섬유계 중에서 선택된 하나 이상의 소재를 사용하는 전구체를 준비하는 단계를 거친다.
이렇게 준비된 상기 전구체를 200-450℃ 온도범위에서 공기와 접촉시켜 산화시키는 안정화단계를 거치게 된다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 안정화 단계에서 형성된 탄소체는 무산소 조건에서 600-1,100 ℃ 온도범위에서 탄화시켜 일차적인 기공을 형성시키는 탄화단계를 거친다. 이러한 과정은 통상적으로 활성탄 제조에 활용되고 있다.
다음으로는, 상기 일차 기공이 형성된 탄소체에 탄소격자 표면의 산소관능기를 고농도로 균질하게 형성시키고자 산용액을 접촉시켜 표면처리를 수행하는 표면처리 단계를 거친다.
본 발명에 따르면, 표면처리과정에서 산용액을 접촉시키는 것은, 탄소체를 제조하기 위하여 기공이 미발달된 탄소체에 탄소격자 표면의 산소관능기를 고농도로 균질하게 형성시키기 위한 목적으로 행해지는 것으로, 이러한 산용액의 접촉에 의해 일종의 전처리 개념으로 표면처리가 수행된다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 이때 산용액은 질산, 황산, 염산, 유기산이 단일 또는 혼합하여 1-5M 농도로 제조하여 사용될 수 있으며 0-80℃ 온도범위에서 탄소체에 접촉시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 다르면, 상기 표면처리과정의 산에 의하여 형성된 산소관능기에 알칼리금속을 접촉시키고자 상기 표면처리가 수행된 탄소체를 알칼리금속 수용액에 침치하는 침지단계와, 무산소 분위기에서 600-1,100℃로 승온시키면서 상기 알칼리금속의 산화와 환원을 유도하여 100nm이하, 더욱 좋기로는 3nm 이하의 미세기공을 발달시키고자 표면개질을 수행하는 표면개질 단계를 수행할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예로서는 표면개질을 위하여 더욱 바람직하게는 오존 접촉을 시행하는 것이 좋다.
이렇게 하면, 예컨대 탄소격자 표면에 100nm이하, 더욱 바람직하게는 3nm크기 이하의 미세기공을 균일하게 발달시켜 표면적 850~3,000 ㎡/g 을 갖는 활성탄 또는 활성탄소섬유를 제조할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 표면처리 단계에서 산용액을 접촉시키는 것은, 탄소체를 제조하기 위하여 기공이 미발달된 탄소체에 탄소격자 표면의 산소관능기를 고농도로 균질하게 형성시키기 위한 목적으로 행해지는 것이다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 산용액에 접촉하지 않은 탄소체보다 질산의 농도가 증가할수록 산소관능기를 나타내는 2,400cm-1과 1,700cm-1 영역의 파장에서 피크가 증가하고 있음을 확인할 수 있었으며, 이는 표면의 산소관능기가 발달하고 있다는 증거이다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기와 같이 표면처리 단계를 거친 활성탄에 대해서는 표면처리에 의하여 형성된 산소관능기에 알칼리금속을 접촉시키고 CO2 투입 하에 알칼리금속의 산화와 환원을 유도하여 표면개질을 수행할 수 있다. 이 과정은 바람직하게는 2-8시간, 더욱 좋기로는 2-4시간 정도를 수행하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 표면개질이 이루어진 후에는 활성탄 표면에 존재하는 금소산화물을 제거해야 한다. 즉, 상기 알칼리금속을 산화시켜서 활성탄의 표면을 개질시키는 과정에서 알칼리금속과 CO2 의 반응으로 알칼리금속 산화물, 예컨대 탄산칼륨이나 탄산나트륨 등이 생성될 수 있다. 이러한 알칼리금속 산화물은 활성탄 표면 개질 이후에는 제거하여야 표면개질이 완성될 수 있다.
기존에는 이를 위해 표면개질 단계의 완료 후, 알칼리금속산화물을 제거하기 위하여 중화처리 과정으로 무산소 조건에서 상온으로 냉각시킨 후, 5M 농도 이하의 황산용액에 1시간 이상 침지시키고, 증류수로 pH가 5-7 조건까지 중화시키는 과정을 수행하였다.
그러나 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기와 같이 표면개질된 활성탄을 중화처리 없이 수회, 바람직하게는 2-4회 수세하여 활성탄에 잔류하는 알칼리금속산화물을 제거할 수 있다. 여기서 수세하여 얻어지는 알칼리금속산화물을 회수하여 알칼리금속을 재사용할 수 있다. 이때 수세는 알칼리금속 산화물을 회수하는 목적으로도 활용되지만, 활성탄에 고착되어 잔류하는 알칼리금속 산화물을 일부 잔류하도록 하기 위한 것이므로 그 수세의 회수는 활성탄 내에 고착되어 잔류하는 알칼리금속 산화물이 3,000-100,000ppm이 되도록 수세하면 된다.
이와 같이, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 활성탄에 잔류하는 알칼리금속산화물을 중화처리하지 아니하고 일부만을 남겨두는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 활성탄에 잔류하는 알칼리금속 산화물은 그 함량이 상기보다 과다하면 활성탄의 흡착능, 특히 SOx, NOx 등의 흡착능이 크게 저하되고, 그 함량이 상기보다 적으면 상기와 같은 유해성분의 흡착특성을 기대할 수 없다.
상기와 같이 본 발명에 따라 제조된 흡착성능이 개선된 활성탄은 기존에 활성탄에 알칼리금속 산화물을 3-20중량%로 첨착시켜 사용하였던 것에 비해 그 제조공정이 간단하면서도, 알칼리금속 산화물의 함량이 적은 상태에서도 활성탄의 기공이 아닌 탄소격자 자체의 내부에 고착된 형태로 존재하여 분산성이나 고착능이 우수하여 재생능력이 우수하고 장기간 흡착성능을 발휘할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 활성탄은 알칼리금속 산화물이 탄소격자 내부에 고착된 형태를 가지므로 활성탄의 미세기공을 막지 않아서 활성탄 고유의 흡착능력을 저하시키지 않는 것이므로 우수한 흡착능력과 SOx, NOx 등의 제거 효과가 우수한 특징이 있는 것이다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 구체적으로 설명하겠는바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1-5
출발물질로서 활성탄은 목질계 소재를 전구체로 사용하여 250℃ 온도에서 공기와 접촉시켜 산화시키는 안정화과정을 거치고, 이렇게 형성된 탄소체를 질소조건에서 1,000 ℃ 온도로 탄화시켜 일차적인 기공을 형성시켰다.
기공이 형성된 탄소체에 산용액을 접촉시켜 표면처리하고 상기 표면처리과정의 산에 의하여 형성된 산소관능기에 알칼리금속을 접촉시키고자 상기 표면처리가 수행된 탄소체를 KOH 수용액에 침지하고 질소 하에서 800℃로 승온시키면서 3시간 반응 후 CO2를 가하여 산화시키고 이때 활성탄 표면에 잔류하는 K2CO3를 3회 수세하여 회수하였다.
이러게 수세한 후 활성탄을 건조하였더니 미세기공이 균일하게 발달된 비표면적 2500 ㎡/g인 활성탄이 제조되었다.
상기 제조된 활성탄의 표면에 잔류하는 K2CO3의 함량을 측정하였더니 50,000ppm인 것으로 확인되었다.
상기와 같은 방법으로 실시하되, 수세과정을 다양하게 실시하여 활성탄 표면에 잔류하는 금속산화물의 함량을 다음 표 1과 같이 잔류하도록 실시하였다.
비교예 1-4
상기 실시예와 동일하게 실시하되 활성탄에 잔류하는 함량을 달리하였다.
비교예 5-6
상기 실시예와 동일하게 실시하되 활성탄 표면에 잔류하는 K2CO3를 3회 수세하여 회수한 다음, 완전한 제거를 위하여 질소 조건에서 상온으로 냉각시킨 후, 3M 농도의 황산용액에 2시간 침지시키고, 증류수로 pH가 6.5 조건까지 중화시킬 목적으로 세척하고, 공기분위기에서 150℃로 건조하여 활성탄을 제조하였다.
그 후 금속산화물을 첨착시키기 위하여 K2CO3를 가하여 진공 첨착시켜서 활성탄에 K2CO3가 3중량%(비교예 5), 6중량%(비교예 6) 각각 함유하도록 첨착시켜 최종 활성탄 흡착 소재를 제조하였다.
실험예 1
원소분석과 제품의 특성 차이를 확인하기 위하여 일반 활성탄과 활성화처리를 위해 표면 개질한 활성화 활성탄에 대하여 성분 분석을 실시하였다.
하기 표 1은 일반 활성탄과 본 발명과 같이 표면 개질 후에 알칼리금속산화물에 대한 잔여물을 중화 처리하지 않은 활성탄에 대하여 ICP-OES (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer) 비교분석 결과이다.
일반 활성탄 활성화 활성탄
원소명 T1 T2 원소명 T1 T2
MO N.D. N.D. MO 53.89 53.81
Si 591.33 584.60 Si 276.29 297.19
Sn N.D. N.D. Sn N.D. N.D.
Pt 0.84 N.D. Pt N.D. N.D.
P 196.12 193.16 P 75.43 75.72
Zr N.D. 0.36 Zr 0.36 0.84
Au N.D. N.D. Au N.D. N.D.
V 0.73 0.53 V 1.52 1.37
W 1.53 N.D. W N.D. N.D.
Se N.D. N.D. Se N.D. N.D.
Nb 1.72 1.68 Nb 0.84 0.85
As 1.94 1.23 As N.D. N.D.
Ti 14.59 16.33 Ti 9.34 9.67
K 3798.94 3959.96 K 185072.25 181532.95
Ag N.D. N.D. Ag 9.20 8.80
Al 269.67 278.47 Al 500.70 488.73
B 23.34 43.77 B 183.32 N.D.
Ba 8.14 8.51 Ba 3.89 4.14
상기 표 1에서와 같이 일반 활성탄과 활성화 활성탄의 ICP-OES (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer) 비교결과를 보면, 일부 수세만 하고 중화 처리하지 않은 활성화된 활성탄의 K원소의 함량이 약 180,000ppm으로 일반 활성탄의 3,800~4,000ppm보다 확연히 높은 것으로 확인되었다.
이러한 실험결과로부터, 활성화된 활성탄을 중화처리하지 않고 수세하여 활성탄 내에 잔류하는 알칼리금속화합물을 3,000~100,000ppm으로 조절하는 것이 가능함을 알 수 있다.
실험예 2
활성탄과 표면 개질로 활성화처리된 활성탄에 대한 물성을 비교하기 위하여 활성화 전후 활성탄의 Pore Volume와 Pore width 분포를 조사하였다.
그 결과는 도 2에 도시한 바와 같다. 도 2의 그래프에서 Raw AC는 일반 활성탄이고, Upgrade AC는 활성화시킨 활성탄을 의미한다.
실험예 3
상기 실시예에 의해 제조된 활성탄에 대하여 SOx 제거능력 실험을 통해 흡착성능을 비교하여 평가 하였다. 차량용 복합 필터에 대해 독일식 콤비네이션 사이클 시험법인 DIN71460 규격으로 소취효율에 대한 성능평가를 진행하였다. 평가조건은 풍량은 풍량은 150㎥/h±1㎥/h, 온도는 23±3℃, 습도는 50±2%, 농도는 30±3ppm을 표준조건으로 5분간 필터링을 실시하였다.
그 결과는 하기 표 2와 표 3에 함께 나타내었다.
실시예1 실시예2 실시예3 실시예 4 실시예5
K2CO3함량
(ppm)		 8,000 12,000 50,000 70,000 100,000
SOx 흡착량
(%)		 52.3 55.8 70.1 68.1 65.0
비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4 비교예 5 비교예 6
K2CO3함량
(ppm)		 500 2,800 120,000 200,000 3중량% 6중량%
SOx 흡착량
(%)		 26.5 48.2 62.5 53.1 23.8 29.4

Claims (6)

  1. 목질계, 야자계, 피치계, 섬유계 중에서 선택된 하나이상으로 이루어지는 활성탄으로서, 그 표면의 기공크기가 100nm 이하의 크기를 가지는 탄소격자 구조를 가지며, 비표면적이 850-3,000 ㎡/g이고, 그 탄소격자 구조 내에 알칼리금속산화물이 고정되어 고착되어 있는 형태로 함유되어 있는 흡착성능이 우수한 활성탄.
  2. 청구항 1에 있어서, 알칼리금속산화물은 3,000-100,000ppm의 함량으로 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 흡착성능이 우수한 활성탄.
  3. 청구항 1에 있어서, 알칼리금속산화물은 K2CO3 또는 Na2CO3 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 흡착성능이 우수한 활성탄.
  4. 청구항 1에 있어서, SOx, NOx 또는 이들의 혼합성분을 제거하기 위한 용도인 것을 특징으로 하는 흡착성능이 우수한 활성탄.
  5. 출발물질로서 목질계, 야자계, 피치계, 섬유계 중에서 선택된 하나 이상의 활성탄 소재를 200 ~ 450℃ 온도범위에서 공기와 접촉시켜 산화시키는 안정화단계;
    상기 안정화 단계에서 형성된 탄소체를 무산소 조건에서 탄화시켜 일차적인 기공을 형성시키는 탄화단계;
    상기 일차 기공이 형성된 탄소체에 탄소격자 표면의 산소관능기를 고농도로 균질하게 형성시키고자 산용액에 접촉시켜 표면처리를 수행하여 탄소체의 탄소격자 표면에 산소관능기를 고농도로 균질하게 형성시키는 표면처리단계;
    상기 표면처리 단계의 산소관능기에 알칼리금속을 접촉시키고자 상기 표면처리가 수행된 탄소체를 알칼리금속 수용액에 침지하는 침지단계;
    무산소 분위기에서 600 ~ 1,100℃로 승온시키고 이산화탄소를 가하여 상기 알칼리금속의 산화와 환원을 유도하여 미세기공을 발달시키고자 표면개질을 수행하는 표면개질 과정을 포함하는 단계; 및
    상기 표면개질 과정에서 얻어진 알칼리금속산화물을 제거하기 위해 수세하고 곧바로 건조하는 단계
    를 포함하는 흡착성능이 우수한 활성탄의 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 알칼리금속 수용액은 KOH 또는 NaOH 수용액인 것을 특징으로 하는 흡착성능이 우수한 활성탄의 제조방법.
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