KR20190072889A - Butane 흡착능이 개선된 활성탄 및 이의 제조방법 - Google Patents

Butane 흡착능이 개선된 활성탄 및 이의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20190072889A
KR20190072889A KR1020170174034A KR20170174034A KR20190072889A KR 20190072889 A KR20190072889 A KR 20190072889A KR 1020170174034 A KR1020170174034 A KR 1020170174034A KR 20170174034 A KR20170174034 A KR 20170174034A KR 20190072889 A KR20190072889 A KR 20190072889A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
activated carbon
kenaf
phosphoric acid
activated
producing
Prior art date
Application number
KR1020170174034A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102056435B1 (ko
Inventor
김병주
이혜민
이병훈
Original Assignee
재단법인 한국탄소융합기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 재단법인 한국탄소융합기술원 filed Critical 재단법인 한국탄소융합기술원
Priority to KR1020170174034A priority Critical patent/KR102056435B1/ko
Publication of KR20190072889A publication Critical patent/KR20190072889A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102056435B1 publication Critical patent/KR102056435B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/30—Processes for preparing, regenerating, or reactivating
    • B01J20/3042—Use of binding agents; addition of materials ameliorating the mechanical properties of the produced sorbent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B01D53/04—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/02—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material
    • B01J20/20—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material comprising free carbon; comprising carbon obtained by carbonising processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/22—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising organic material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/30—Processes for preparing, regenerating, or reactivating
    • B01J20/3071—Washing or leaching
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/30—Processes for preparing, regenerating, or reactivating
    • B01J20/3078—Thermal treatment, e.g. calcining or pyrolizing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/30—Processes for preparing, regenerating, or reactivating
    • B01J20/32—Impregnating or coating ; Solid sorbent compositions obtained from processes involving impregnating or coating
    • B01J20/3231—Impregnating or coating ; Solid sorbent compositions obtained from processes involving impregnating or coating characterised by the coating or impregnating layer
    • B01J20/3242—Layers with a functional group, e.g. an affinity material, a ligand, a reactant or a complexing group
    • B01J20/3244—Non-macromolecular compounds
    • B01J20/3246—Non-macromolecular compounds having a well defined chemical structure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/08—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture adding fuel vapours drawn from engine fuel reservoir
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A50/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
    • Y02A50/20—Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

본 발명은 Butane 흡착능이 개선된 활성탄 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, (a) 케나프에 인산을 첨착하는 단계; (b) 상기 인산이 첨착된 케나프를 고온로에 장입하는 단계; (c) 상기 인산이 첨착된 케나프를 활성화시켜 활성탄을 생성하는 단계; (d) 상기 생성된 활성탄을 냉각시키는 단계; (e) 상기 냉각된 활성탄을 세척하여 중화시키는 단계 및 (f) 상기 중화된 활성탄을 표면처리하는 단계를 포함하는 케나프를 이용한 Butane 흡착능이 개선된 활성탄의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 인산이 침지된 케나프를 활성한 후 표면처리하여 제조된 것을 특징으로 하는 Butane 흡착능이 개선된 활성탄을 제공할 수 있다.

Description

Butane 흡착능이 개선된 활성탄 및 이의 제조방법{Activated carbon with improved butane adsorption capacity and method of producing the same}
본 발명은 Butane 흡착능이 개선된 활성탄 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 케나프를 고온로에서 활성화시켜 활성탄을 제조함으로써 기존의 야자각(殼) 및 석탄을 이용한 활성탄보다 우수한 기공특성을 갖고, 표면처리를 통하여 Butane 흡착능이 개선된 활성탄 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
세계 각국의 친환경 정책에 따라 국가별 자동차에 대한 환경 규제가 강화되고 있으며, 배기가스뿐만 아니라 연료증발가스 기준도 함께 강화되고 있다. 자동차의 연료증발가스는 캐니스터의 활성탄에 의하여 흡착되어 제어된다.
자동차에서 발생되는 연료증발가스는 연료증발가스 저감장치(캐니스터)의 활성탄에 흡착된 후 엔진부압을 통해 실린더 내로 연료증발가스를 재연소하여 제거되며, 이러한 과정을 무수히 반복하게 된다. 자동차의 연료증발가스의 배출을 억제하기 위해서는 캐니스터의 활성탄은 높은 연료증발가스의 흡착탈착 특성이 요구된다.
International Union of Pure and Applied Chemistry(IUPAC)에 의하면 활성탄의 기공은 기공 직경에 따라 micropore (< 2 nm), mesopore (2 nm ~ 50 nm), macropore (> 50 nm)로 구분된다.
활성탄은 Van der Waals forces에 의하여 다양한 오염원을 기공에 물리적으로 흡착하기 때문에 활성탄의 기공 직경은 흡착능을 결정하는 매우 중요한 인자이다. 또한 butane working capacity (BWC)는 gasoline working capacity (GWC)와 강한 선형 관계를 갖고 있어, BWC는 활성탄의 연료증발가스 흡착특성을 나타내는 좋은 지표이다. 또한 활성탄이 높은 BWC를 갖기 위해서는 의 2~5 nm 직경의 기공이 요구되는 것으로 알려져 있다.
활성탄은 높은 비표면적과 기공부피 등의 우수한 기공특성으로 인하여 환경 정화에 주요하게 적용되는 소재이며, 기존의 활성탄의 대부분은 야자각(殼), 석탄 등의 전구체를 수증기 부활법을 이용하여 활성탄으로 생산되고 있다.
하지만, 수증기를 이용하여 제조된 야자각(殼), 석탄 기반 활성탄은 기공 직경이 2 nm 미만으로 이루어진 미세기공이 기공의 대부분을 이루고 있는 구조에 의하여 연료증발가스를 흡착하기에는 불리한 기공특성을 갖고 있다.
따라서, 강화되는 자동차 연료증발가스 기준을 충족하기 위해서는 butane 흡착능이 개선된 활성탄을 제조할 수 있는 새로운 기술개발이 절실히 필요한 실정이다.
상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 케나프를 고온로에서 활성화시켜 활성탄을 제조함으로써, 연료증발가스 흡착 특성이 우수한 Butane 흡착능이 개선된 활성탄 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 Butane 흡착능이 개선된 활성탄의 제조방법은 (a) 케나프에 인산을 첨착하는 단계; (b) 상기 인산이 첨착된 케나프를 고온로에 장입하는 단계; (c) 상기 인산이 첨착된 케나프를 활성화시켜 활성탄을 생성하는 단계; (d) 상기 생성된 활성탄을 냉각시키는 단계; (e) 상기 냉각된 활성탄을 세척하여 중화시키는 단계 및 (f) 상기 중화된 활성탄을 표면처리하는 단계를 포함하는 케나프를 이용한 Butane 흡착능이 개선된 활성탄의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기 (a) 단계는 상기 케나프에 인산을 15 내지 200℃에서 1 내지 12시간 동안 첨착하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (a) 단계는 상기 케나프에 인산을 1:0.5 내지 1:10의 중량비율로 첨착하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (c) 단계는 상기 고온로를 질소 분위기에서 400 내지 900℃로 30 내지 120분 동안 유지하여, 상기 인산이 첨착된 케나프를 활성화시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (f) 단계는 상기 고온로를 수소 분위기에서 200 내지 400℃로 10 내지 240분 동안 유지하여, 상기 중화된 케나프의 표면을 처리하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 Butane 흡착능이 개선된 활성탄은 인산이 침지된 케나프를 활성한 후 표면처리하여 제조된 것을 특징으로 하는 Butane 흡착능이 개선된 활성탄을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 Butane 흡착능이 개선된 활성탄 및 이의 제조방법은 케나프를 이용하여 활성탄을 제조함으로써, 종래의 활성탄보다 Butane 흡착능이 개선될 수 있다.
또한, Butane 흡착능이 개선된 활성탄을 자동차 연료증발가스 저감장치(캐니스터)에 적용하여 종래 상용화된 캐니스터보다 높은 연료증발가스에 대한 흡착 특성을 구현할 수 있다.
이에 따라, 자동차용 캐니스터, 공기정화용 필터소재, VOCs 저감장치 등의 대기환경정화용 소재로서 유용하게 사용될 수 있는 효과가 기대된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 Butane 흡착능이 개선된 활성탄의 제조방법을 순차적으로 도시한 흐름도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 Butane 흡착능이 개선된 활성탄을 제조하기 위한 제조 장치를 개략적으로 도시한 개념도.
이하, 도면을 참조한 본 발명의 설명은 특정한 실시 형태에 대해 한정되지 않으며, 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있다. 또한, 이하에서 설명하는 내용은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하의 설명에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되는 용어로서, 그 자체에 의미가 한정되지 아니하며, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 이하에서 기재되는 "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로 해석되어야 하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도 1 내지 도 2를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 Butane 흡착능이 개선된 활성탄의 제조방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 Butane 흡착능이 개선된 활성탄을 제조하기 위한 제조 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 Butane 흡착능이 개선된 활성탄의 제조방법은 케나프에 인산을 첨착하는 단계(S100), 인산이 첨착된 케나프를 고온로에 장입하는 단계(S200), 인산이 첨착된 케나프를 활성화시켜 활성탄을 생성하는 단계(S300), 생성된 활성탄을 냉각시키는 단계(S400), 냉각된 활성탄을 세척하여 중화시키는 단계(S500) 및 중화된 활성탄을 표면처리하는 단계(S600)를 포함할 수 있다.
먼저, 케나프에 인산을 첨착하는 단계(S100)는 가열 가능한 용기에 인산을 넣고 케나프를 담지하고 가열하여 케나프에 인산을 첨착할 수 있다.
이때 사용하는 케나프는 수분 함유율이 1% 이하로 제어된 것을 사용할 수 있다.
여기서, 케나프의 수분 함유율이 1%를 초과할 경우 인산의 첨착 과정에서 인산 농도 조절이 어려워져 활성화 조건의 제어가 난해해질 수 있다.
또한, 인산은 0.1 내지 100%의 농도를 가지는 것을 사용할 수 있으며, 10 내지 100%의 농도인 것이 가장 바람직하다.
이러한 인산의 농도는 케나프와 인산의 반응을 조절하고 케나프에 인산의 첨착이 용이하게 진행되도록 하기 위한 것이다.
즉, 인산의 농도가 0.1% 미만일 경우 첨착 공정에 소요되는 시간이 길어지며, 케나프의 헤미셀룰로오스와 리그닌의 분해가 충분히 이루어지지 않아 활성탄의 수율과 기공특성이 감소될 수 있다.
이러한 S100 단계는 케나프의 활성화 반응을 끌어내기 위하여 인산을 케나프에 첨착시키는 것인데, 인산은 저온에서 케나프의 헤미셀룰로오스와 리그닌을 공격하여 인 화합물을 형성하고 셀룰로오스와 결합하여 중합체 사슬을 가교하여 수율을 향상시킬 수 있다.
더불어 인산은 케나프의 구조를 팽창시키는 역할을 하여 기공이 형성되는 것을 도울 수 있다.
또한, S100 단계에서 케나프에 인산을 용이하게 첨착하기 위해, 용기 안에 케나프가 인산에 완전히 담지 되도록 하는 것이 바람직하므로, S100 단계는 케나프에 인산을 1:0.5 내지 1:10의 중량비율로 첨착하는 것이 바람직하다.
이때, 케나프에 인산을 첨착하는 첨착 비율에서 인산의 비율이 0.5미만일 경우 케나프를 인산에 완전히 담지하기 위해서 인산의 농도가 낮아지게 되고, 이에 의해 케나프의 헤미셀룰로오스와 리그닌의 분해가 충분히 이루어지지 않아 수율과 기공, 흡착 특성이 감소할 수 있으며, 인산의 비율이 증가할수록 인산과 케나프가 충분히 반응하여 수율과 기공, 흡착 특성이 증가할 수 있다.
그러나, 인산의 비율이 10을 초과할 경우 케나프의 헤미셀룰로오스와 리그닌의 분해에 의하여 분말 형상으로 변하게 되어 활성화 공정 및 세척공정에 적용하기에 용이하지 않을 수 있다.
또한, S100 단계에서 용기 안에 인산을 넣고 케나프를 담지한 후 15 내지 200℃에서 1시간 내지 12시간동안 첨착할 수 있다.
이때, 첨착 온도가 15℃ 미만일 경우 케나프와 인산의 반응속도가 감소하여 첨착공정의 시간이 증가하며, 200℃를 초과할 경우 케나프와 인산의 빠른 반응속도에 의하여 분말형상으로 변하게 되어, 활성화 공정 및 세척공정에 적용하기에 용이하지 않을 수 있다.
또한, 첨착 시간은 첨착 온도와 반비례하며, 첨착시간이 1시간 미만일 경우 케나프와 인산이 충분히 반응하지 못하여 활성탄의 수율 및 기공, 흡착 특성이 감소할 수 있으며, 12시간을 초과할 경우 인산과 케나프의 과한 반응으로 분말형상으로 변하여, 활성화 공정 및 세척 공정에 적용하기에 용이하지 않을 수 있다.
또한, 인산이 용이하게 첨착되도록 S100단계 전후에 첨착 효율을 증가시킬 수 있는 습/건식/진동/열 처리 단계가 추가적으로 진행될 수 있다.
또한, 인산을 케나프에 담지한 후 인산과 케나프가 담지된 용기를 고온로에 장입하는 단계(S200)를 진행하여 S300 단계에서 인산과 케나프의 반응을 이끌어 공정을 단순화 할 수 있다. 즉, 케나프와 인산을 반응시키면서 활성화 공정을 동시에 진행시키는 것이다.
인산이 첨착된 케나프를 고온로에 장입하는 단계(S200)는 인산이 첨착된 케나프(20)를 고온로(10)에 장입할 수 있다.
즉, 도 2를 참조하면, 인산이 첨착된 케나프(20)를 관튜브(30)를 이용하여 고온로(10)에 장입할 수 있다.
이후, 고온로(10)에 장입된 인산이 첨착된 케나프(20)를 질소 분위기에서 가열하여 활성화시키는 것으로, 인산이 첨착된 케나프(20)를 활성화시켜 활성탄을 생성하는 단계(S300)를 진행될 수 있다.
이러한 S300 단계는 도 2에 도시된 제조장치를 이용하여 활성탄을 제조할 수 있다.
여기서, 도 2의 제조장치의 고온로(10)는 관튜브(30)의 외각에 회전가능하도록 형성되며, 밀폐되도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 제조장치는 관튜브(30)의 내부에 질소의 투입이 가능하도록 형성된다.
예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 관튜브(30)의 일측단에 질소 주입관(40)이 내부로 관통되도록 형성된다.
이때, 고온로(10)에 삽입되는 관튜브(30)는 철(스테인레스스틸 포함), 알루미나, 알루미늄, 석영 등 다양한 재질로 형성되는 것이 가능하나, 고온에서 회전 시에 관튜브(30)의 내구성 문제를 해결하기 위하여 재질을 철(鐵)로 형성되는 것이 가장 바람직하다.
또한, 고온로(10)에 장입된 인산이 첨착된 케나프(20)를 질소 분위기에서 가열하여 활성화시켜 활성탄을 생성할 때, 전체적인 활성화 조건이 400 내지 900℃의 고온에서 이루어지기 때문에, 이에 적합한 SiC 발열체가 관튜브(30)의 상, 하측에 형성되는 것이 바람직하다.
이때, 제조장치는 활성탄을 제조하기 위하여 관튜브(30) 내부의 공기를 모두 제거하는 것이 바람직하다.
이를 위해 99.99% 이상의 질소(N2) 가스를 투입관(40)으로부터 관튜브(30)의 내부에 30분 이상 충전시킴으로써, 고온로(10)의 관튜브(30)를 질소 분위기로 만들어 승온(昇溫) 전에 그 내부를 안정화시킬 수 있다.
하지만 분위기 가스를 질소로 한정하는 것은 아니며, 산화분위기를 약하게 할 수 있는 모든 방법이 포함될 수 있다. 이는 냉각과정에서도 동일하다.
또한, S300 단계는 질소분위기의 고온로(10)에서 인산이 첨착된 케나프(20)를 400 내지 900℃에서 30분 내지 120분 동안 가열하여 활성화시킬 수 있다.
이때, 온도가 400℃ 미만일 경우 활성화 공정에서 활성화 잘 되지 않아 기공, 흡착 특성이 약화되며, 900℃를 초과할 경우 과한 활성화 반응으로 인하여 수율이 감소하고 더불어 기공, 흡착 특성도 낮게 되는 문제점이 발생할 수 있다.
생성된 활성탄을 냉각시키는 단계(S400)는 S300 단계에서 활성화시켜 생성된 활성탄을 질소 분위기인 고온로(10)에서 냉각시킬 수 있다.
이때, 활성탄을 질소 분위기에서 상온(25)로 냉각시킴으로써 기공, 흡착 특성 등 물성이 우수한 최종제품인 활성탄을 얻을 수 있다.
또한, 냉각된 활성탄은 사용 용도에 맞게 10 내지 1500 메쉬로 분쇄하거나, 펠렛 (2 내지 6 mm)의 형태로 가공하여 사용할 수 있다.
냉각된 활성탄을 세척하여 중화시키는 단계(S500)는 S400 단계에서 냉각된 활성탄을 세척하여 pH 7까지 중화시킬 수 있다.
마지막으로, 중화된 활성탄을 표면처리하는 단계(S600)는 S500 단계에서 중화된 활성탄을 수소 분위기인 고온로(10)에서 표면처리할 수 있다.
이때, 활성탄을 표면처리를 통하여 기공, 흡착 특성 등 물성이 우수하며, butane 흡착능이 개선된 최종제품인 활성탄을 얻을 수 있다.
즉, 고온로(10)를 수소 분위기에서 200 내지 400℃로 10분 내지 240분 동안 가열하고 유지하여 중화된 활성탄의 표면을 처리할 수 있으며, 30분 내지 120분동안 표면처리하는 것이 가장 바람직하다.
이때, 표면처리 온도가 200℃ 미만일 경우 환원이 이루어지지 않아, 활성탄의 산소 관능기가 감소하지 않으며, 온도가 400℃를 초과할 경우 활성탄이 산화되어 기공특성이 감소하는 문제점이 발생할 수 있다.
또한, 시간이 10분 미만일 경우 산소 관능기가 상당량 잔류하게 되며, 240분을 초과할 경우 산소관능기 제거가 이미 완료되어 공정비용을 상승시킬 수 있다.
또한, 여기서 사용되는 수소의 농도는 1 내지 20%인 것을 사용할 수 있다.
이때, 수소의 농도가 1% 미만일 경우 활성탄 표면의 산소가 환원이 이루어지지 않아 활성탄의 산소 관능기가 감소하지 않으며, 20%를 초과할 경우 표면처리 시간이 단축될 순 있으나, 공정비용이 높아지는 문제점이 발생할 수 있다.
또한, S600 단계는 수소 대신 질소계, 불소계 등이 사용될 수 있으며, 기상환원법 외에 액상환원법과 염을 사용하는 환원법을 사용할 수 있다.
상기에서 설명한 제조방법으로 제조된 Butane 흡착능이 개선된 활성탄은 비표면적이 800~2,400㎡/g, 중기공의 비율이 20~80%일 수 있다.
또한, 이러한 Butane 흡착능이 개선된 활성탄은 사용 용도에 맞게 10 내지 1500 메쉬로 분쇄하거나, 펠렛(2 내지 6mm) 형태로 가공되어 사용될 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 Butane 흡착능이 개선된 활성탄 및 이의 제조방법은 케나프를 이용하여 탄을 제조함으로써, 종래의 활성탄보다 Butane 흡착능이 개선될 수 있다.
또한, Butane 흡착능이 개선된 활성탄을 자동차 연료증발가스 저감장치(캐니스터)에 적용하여 종래 상용화된 캐니스터보다 높은 연료증발가스에 대한 흡착 특성을 구현할 수 있다.
이에 따라, 자동차용 캐니스터, 공기정화용 필터소재, VOCs 저감장치 등의 대기환경정화용 소재로서 유용하게 사용될 수 있는 효과가 기대된다.
이하, 상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것일 뿐 본 발명이 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 >
<실시예 1>
케나프 10g을 인산에 1:4의 중량비율로 담지하여 화로에 넣고 150℃까지 승온시켜 6 시간 유지하여 인산이 첨착된 케나프를 제조하였다.
인산이 첨착된 케나프를 상온에서 고온로에 넣은 후에 질소를 투입하여 질소 분위기로 한 다음 고온로의 온도를 400℃로 상승시켜 30분간 활성화시켜 활성탄을 얻었다. 계속하여 고온로에 질소를 투입하여 질소 분위기로 한 후에 활성탄을 25℃로 냉각한 후 증류수를 이용하여 세척하여 pH 7까지 중화하고, 고온로에 수소를 공급하여 내부가 수소로 충전된 수소 분위기로 전환한 후에 중화된 활성탄을 350℃에서 30분간 환원 후 최종제품인 활성탄 5g을 제조할 수 있었다.
<실시예 2>
실시예 1과 비교하여 활성화 온도를 400℃ 대신에 500℃에서 활성화한 점만 다를 뿐 나머지 공정은 동일하게 하였다.
<실시예 3>
실시예 1과 비교하여 활성화 온도를 400℃ 대신에 600℃에서 활성화한 점만 다를 뿐 나머지 공정은 동일하게 하였다.
<실시예 4>
실시예 1과 비교하여 활성화 온도를 400℃ 대신에 700℃에서 활성화한 점만 다를 뿐 나머지 공정은 동일하게 하였다.
<실시예 5>
실시예 1과 비교하여 활성화 온도를 400℃ 대신에 800℃에서 활성화한 점만 다를 뿐 나머지 공정은 동일하게 하였다.
<실시예 6>
실시예 1과 비교하여 활성화 온도를 400℃ 대신에 900℃에서 활성화한 점만 다를 뿐 나머지 공정은 동일하게 하였다.
<실시예 7>
실시예 1과 비교하여 활성화 시간을 30분 대신에 60분간 활성화한 점만 다를 뿐 나머지 공정은 동일하게 하였다.
<실시예 8>
실시예 7과 비교하여 활성화 온도를 400℃ 대신에 500℃에서 활성화한 점만 다를 뿐 나머지 공정은 동일하게 하였다.
<실시예 9>
실시예 7과 비교하여 활성화 온도를 400℃ 대신에 600℃에서 활성화한 점만 다를 뿐 나머지 공정은 동일하게 하였다.
<실시예 10>
실시예 7과 비교하여 활성화 온도를 400℃ 대신에 700℃에서 활성화한 점만 다를 뿐 나머지 공정은 동일하게 하였다.
<실시예 11>
실시예 7과 비교하여 활성화 온도를 400℃ 대신에 800℃에서 활성화한 점만 다를 뿐 나머지 공정은 동일하게 하였다.
<실시예 12>
실시예 7과 비교하여 활성화 온도를 400℃ 대신에 900℃에서 활성화한 점만 다를 뿐 나머지 공정은 동일하게 하였다.
<실시예 13>
실시예 1과 비교하여 활성화 시간을 30분 대신에 120분간 활성화한 점만 다를 뿐 나머지 공정은 동일하게 하였다.
<실시예 14>
실시예 13과 비교하여 활성화 온도를 400℃ 대신에 500℃에서 활성화한 점만 다를 뿐 나머지 공정은 동일하게 하였다.
<실시예 15>
실시예 13과 비교하여 활성화 온도를 400℃ 대신에 600℃에서 활성화한 점만 다를 뿐 나머지 공정은 동일하게 하였다.
<실시예 16>
실시예 13과 비교하여 활성화 온도를 400℃ 대신에 700℃에서 활성화한 점만 다를 뿐 나머지 공정은 동일하게 하였다.
<실시예 17>
실시예 13과 비교하여 활성화 온도를 400℃ 대신에 800℃에서 활성화한 점만 다를 뿐 나머지 공정은 동일하게 하였다.
<실시예 18>
실시예 13과 비교하여 활성화 온도를 400℃ 대신에 900℃에서 활성화한 점만 다를 뿐 나머지 공정은 동일하게 하였다.
<비교예 1>
수증기로 활성화된 야자각 기반 활성탄(우성테크)를 사용하였다.
<비교예 2>
석탄 기반 상용 활성탄(자연과학산업)를 사용하였다.
<비교예 3>
인산으로 활성화된 목재 기반 상용 활성탄(WV-A 1100, Ingevity)를 사용하였다.
<비교예 4>
실시예 8과 비교하여 표면처리공정만 생략한 점만 다를 뿐 나머지 공정은 동일하게 하였다.
<비교예 5>
실시예 9와 비교하여 표면처리공정만 생략한 점만 다를 뿐 나머지 공정은 동일하게 하였다.
<비교예 6>
실시예 10과 비교하여 표면처리공정만 생략한 점만 다를 뿐 나머지 공정은 동일하게 하였다.
<비교예 7>
실시예 11과 비교하여 표면처리공정만 생략한 점만 다를 뿐 나머지 공정은 동일하게 하였다.
상기 실시예 1 내지 18 및 비교예 1 내지 7에서 제조된 활성탄에 대하여 다음과 같은 시험을 실시하였다.
< 시험예 1> 활성탄의 수율 및 기공 특성 분석
실시예 1 내지 18에서 제조된 활성탄의 활성화 후 수율을 하기 [표 1] 에 나타내었다.
또한, 실시예 1 내지 18과 비교예 1 내지 7에서 제조된 활성탄의 기공 특성 분석을 위하여 각 시료들은 573K에서 잔류 압력을 10- 3torr 이하로 유지한 상태로 6시간 동안 탈기시킨 후에 등온흡착장치(BELSORP-max, BEL JAPAN, Japan)를 이용하여 77K에서 상대압력 (P/P0)에 따른 질소(N2) 기체의 흡착량을 측정하여 활성탄의 비표면적, 총 기공부피, 미세기공부피, 중기공부피, 중기공비율을 산출하였고, 그 결과를 [표 2]에 나타내었다.
전구체 인산 비율
(중량%)		 첨착
온도(℃)		 활성화
온도(℃)		 활성화 시간(min) 활성화 후
수율(%)
실시예 1 케나프 4 150 400 30 50
실시예 2 500 45
실시예 3 600 40
실시예 4 700 38
실시예 5 800 32
실시예 6 900 30
실시예 7 400 60 48
실시예 8 500 42
실시예 9 600 38
실시예 10 700 35
실시예 11 800 33
실시예 12 900 28
실시예 13 400 120 34
실시예 14 500 33
실시예 15 600 33
실시예 16 700 32
실시예 17 800 27
실시예 18 900 25
비교예 1 야자각 - - - - -
비교예 2 코크스 - - - - -
비교예 3 목재 - - - - -
비교예 4 케나프 4 150 500 60 42
비교예 5 600 38
비교예 6 700 35
비교예 7 800 33
비표면적
(m2/g)		 총 기공부피
(cm3/g)		 미세기공부피
(cm3/g)		 중기공부피
(cm3/g)		 중기공 비율
(%)
실시예 1 1250 0.63 0.43 0.20 32
실시예 2 1760 1.64 0.59 1.05 64
실시예 3 1860 1.81 0.63 1.18 65
실시예 4 1820 2.02 0.61 1.41 70
실시예 5 1690 1.49 0.58 0.91 61
실시예 6 1530 1.01 0.54 0.47 47
실시예 7 1310 0.74 0.45 0.29 39
실시예 8 1990 1.73 0.68 1.05 61
실시예 9 2150 1.92 0.74 1.18 61
실시예 10 2050 2.05 0.69 1.36 66
실시예 11 1940 1.64 0.67 0.97 59
실시예 12 1910 1.17 0.66 0.51 44
실시예 13 1120 0.69 0.39 0.30 43
실시예 14 1660 1.40 0.56 0.84 60
실시예 15 1790 1.60 0.60 1.00 63
실시예 16 1940 1.97 0.65 1.32 67
실시예 17 1910 1.41 0.64 0.77 55
실시예 18 1820 1.06 0.63 0.43 41
비교예 1 1390 0.59 0.51 0.08 13
비교예 2 1240 0.71 0.40 0.33 45
비교예 3 1620 1.25 0.56 0.66 54
비교예 4 2000 1.78 0.68 1.06 61
비교예 5 2140 1.95 0.73 1.21 62
비교예 6 2060 2.06 0.70 1.36 66
비교예 7 1940 1.63 0.66 0.99 60
표 2는 실시예 1 내지 18에 따른 활성탄의 기공특성을 비교한 표이다.
상기 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 내지 18에서 제조된 활성탄은 높은 수율 특성이 나타나는 것을 확인할 수 있었고, 더불어 중기공 비율이 높은 수치를 나타내고 있는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 상기 표 2에서 보면 알 수 있듯이, 실시예 2 내지 5, 8 내지 11, 14 내지 18은 비교예 1 내지 3보다 비표면적이 높고 중기공의 비율이 50% 이상으로 기공 특성이 매우 우수한 것으로 나타났다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 Butane 흡착능이 개선된 활성탄 및 이의 제조방법은 기존의 활성탄보다 기공특성이 우수한 활성탄을 제공할 수 있다.
< 시험예 2> 활성탄의 Butane Working Capacity 특성 분석
실시예 1 내지 18 및 비교예 1 내지 7의 Butane 흡착능(Butane Working Capacity)를 ASTM D5228의 기준에 의하여 측정 후 산출하였다.
상기와 같이 활성탄의 Butane 흡착능(Butane Working Capacity) 값을 [표 3]에 나타내었다.
Butane 흡착능
(g/100 cm3)		 Butane activity
(g/100g)
실시예 1 7.95 30.70
실시예 2 11.15 43.85
실시예 3 14.32 50.13
실시예 4 14.98 53.60
실시예 5 14.32 55.92
실시예 6 11.01 43.45
실시예 7 8.00 32.34
실시예 8 12.27 46.14
실시예 9 14.61 52.75
실시예 10 15.85 56.38
실시예 11 14.65 58.81
실시예 12 11.50 43.65
실시예 13 7.98 31.70
실시예 14 12.03 45.32
실시예 15 14.53 51.72
실시예 16 15.32 54.98
실시예 17 14.52 57.65
실시예 18 11.26 43.32
비교예 1 3.78 25.99
비교예 2 7.43 28.33
비교예 3 10.20 35.22
비교예 4 11.66 41.50
비교예 5 13.90 47.52
비교예 6 15.10 50.76
비교예 7 13.98 52.95
표 3은 실시예 1 내지 18 및 비교예 1 내지 7에 따른 활성탄의 butane 흡착능을 비교한 표이다.
상기 표 3에서 볼 수 있듯이, 실시예 1 내지 18은 연료증발가스 흡착특성인 butane 흡착능이 대부분 우수한 것을 확인할 수 있었다.
또한, 실시예 8, 9, 10, 11은 비교예 4 내지 7보다 보다 Butane activity이 약 10% 정도씩 증가한 것을 확인할 수 있었다.
이에 따라, 실시예는 표면처리를 통해 활성탄의 butane 흡착능이 향상되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 실시예 1 내지 18은 비교예 1 내지 3보다 우수한 Butane Working Capacity 성능을 보이는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 비교예 1 내지 3보다 실시예 1 내지 18이 미세기공의 부피가 높고 중기공 비율이 높아 더 우수하게 butane을 흡착을 통하여 제거할 수 있기 때문이다.
이후의 설명은 상기 제조방법을 통해 제조되는 실시예들과, 제조된 활성탄을 분석한 실험예 및 상기 제조방법을 통해 제조된 활성탄으로 제조된 캐니스터용 활성탄의 활용예를 설명하기로 한다.
10: 고온로
20: 인산이 첨착된 케나프
30: 관 튜브
40: 질소 투입관

Claims (6)

  1. (a) 케나프에 인산을 첨착하는 단계;
    (b) 상기 인산이 첨착된 케나프를 고온로에 장입하는 단계;
    (c) 상기 인산이 첨착된 케나프를 활성화시켜 활성탄을 생성하는 단계;
    (d) 상기 생성된 활성탄을 냉각시키는 단계;
    (e) 상기 냉각된 활성탄을 세척하여 중화시키는 단계 및
    (f) 상기 중화된 활성탄을 표면처리하는 단계를 포함하는 케나프를 이용한 Butane 흡착능이 개선된 활성탄의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서
    상기 (a) 단계는,
    상기 케나프에 인산을 15 내지 200℃에서 1 내지 12시간 동안 첨착하는 것을 특징으로 하는 Butane 흡착능이 개선된 활성탄의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서
    상기 (a) 단계는,
    상기 케나프에 인산을 1:0.5 내지 1:10의 중량비율로 첨착하는 것을 특징으로 하는 Butane 흡착능이 개선된 활성탄의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서
    상기 (c) 단계는,
    상기 고온로를 질소 분위기에서 400 내지 900℃로 30 내지 120분 동안 유지하여, 상기 인산이 첨착된 케나프를 활성화시키는 것을 특징으로 하는 Butane 흡착능이 개선된 활성탄의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서
    상기 (f) 단계는,
    상기 고온로를 수소 분위기에서 200 내지 400℃로 10 내지 240분 동안 유지하여, 상기 중화된 케나프의 표면을 처리하는 것을 특징으로 하는 Butane 흡착능이 개선된 활성탄의 제조방법.
  6. 인산이 침지된 케나프를 활성한 후 표면처리하여 제조된 것을 특징으로 하는 Butane 흡착능이 개선된 활성탄.
KR1020170174034A 2017-12-18 2017-12-18 Butane 흡착능이 개선된 활성탄 및 이의 제조방법 KR102056435B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170174034A KR102056435B1 (ko) 2017-12-18 2017-12-18 Butane 흡착능이 개선된 활성탄 및 이의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170174034A KR102056435B1 (ko) 2017-12-18 2017-12-18 Butane 흡착능이 개선된 활성탄 및 이의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190072889A true KR20190072889A (ko) 2019-06-26
KR102056435B1 KR102056435B1 (ko) 2019-12-16

Family

ID=67105188

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170174034A KR102056435B1 (ko) 2017-12-18 2017-12-18 Butane 흡착능이 개선된 활성탄 및 이의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102056435B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111974352A (zh) * 2020-08-21 2020-11-24 湖南农业大学 一种苎麻叶硅基生物炭及其制备方法和应用
KR20220122447A (ko) * 2021-02-26 2022-09-02 재단법인 한국탄소산업진흥원 보전력이 낮은 자동차 캐니스터용 활성탄소 및 이의 제조방법
KR20230093781A (ko) * 2021-12-20 2023-06-27 재단법인 한국탄소산업진흥원 화학안정화된 바이오매스 기반 고비표면적 활성탄소 및 이의 제조방법

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102318843B1 (ko) * 2020-12-09 2021-10-28 손지민 케나프 활성탄의 제조방법

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000313611A (ja) * 1999-04-26 2000-11-14 Mitsubishi Chemicals Corp 活性炭及びその製造方法
JP4876307B2 (ja) * 2000-10-31 2012-02-15 パナソニック電工株式会社 活性炭の製造方法
JP2005047724A (ja) * 2003-07-30 2005-02-24 Araco Corp 成形活性炭の製造方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111974352A (zh) * 2020-08-21 2020-11-24 湖南农业大学 一种苎麻叶硅基生物炭及其制备方法和应用
KR20220122447A (ko) * 2021-02-26 2022-09-02 재단법인 한국탄소산업진흥원 보전력이 낮은 자동차 캐니스터용 활성탄소 및 이의 제조방법
KR20230093781A (ko) * 2021-12-20 2023-06-27 재단법인 한국탄소산업진흥원 화학안정화된 바이오매스 기반 고비표면적 활성탄소 및 이의 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR102056435B1 (ko) 2019-12-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10328381B2 (en) Activated carbon and method for manufacturing the same
KR20190072889A (ko) Butane 흡착능이 개선된 활성탄 및 이의 제조방법
Hao et al. Rapid synthesis of nitrogen‐doped porous carbon monolith for CO2 capture
KR102506938B1 (ko) 활성탄소의 제조방법
JP5487483B2 (ja) 吸着材
CN104583119B (zh) 赋予有碱性官能团的活性炭及其制备方法
CN108816190B (zh) 一种氧化铝-活性炭复合材料及其制备方法
US10086357B2 (en) Method for manufacturing activated carbon
CN112058226B (zh) 一种有机硅-活性炭改性复合材料及其制备方法
WO2018037322A1 (en) Rod-shaped mesoporous carbon nitride materials and uses thereof
KR101631181B1 (ko) 이산화탄소 흡착용 활성 카본에어로겔의 제조방법
CN110562977A (zh) 具有吸附甲苯作用的高比表面积生物质炭材料的制备方法
JPH07155589A (ja) 高比表面積炭素材料の製造方法
CN111330538A (zh) 活性炭及其制备方法和应用
Xue et al. Zeolite cage-lock strategy for in situ synthesis of highly nitrogen-doped porous carbon for selective adsorption of carbon dioxide gas
KR20130040273A (ko) 실내 공기 청정을 위한 흡착제, 탈취 필터 및 탈취 필터 제조방법
KR20190063869A (ko) 케나프를 이용한 다공성 탄소재료 및 이의 제조방법
KR20170028592A (ko) 플라즈마 중합법을 이용한 산성기체 흡착소재의 제조방법 및 이에 따라 제조된 산성기체 흡착소재
RU2414961C1 (ru) Сорбент углерод-минеральный и способ его получения
CN114436258B (zh) 一种针对土霉味物质去除的石墨化多孔碳制备方法
KR101216020B1 (ko) 활성탄소의 표면처리 방법
KR101568998B1 (ko) 이산화탄소 흡착용 카본에어로겔의 제조방법
JP7004611B2 (ja) 二酸化炭素吸着材およびその製造方法
KR101635095B1 (ko) 아민 관능기가 도입된 실리카-탄소나노튜브 복합체의 제조방법
KR102206994B1 (ko) 증기 활성화와 규소소거법의 시너지효과를 이용한 왕겨 기반의 메탄저장용 활성탄소 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant