KR20210113730A - 고품위 활성탄의 제조 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

고품위 활성탄의 제조 장치 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

반응기 하부에서 스팀 또는 불활성 가스가 골고루 투입되는 고온의 활성탄 활성화를 실행하는 고품위 활성탄의 제조 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 지면에 대해 수직 방향으로 마련된 활성화 반응기, 상기 활성화 반응기의 둘레 부분에 마련된 히터, 상기 활성화 반응기의 상부에 마련되어 활성탄 원료를 공급하는 원료 투입구, 상기 활성화 반응기의 내부를 저진공 상태로 마련하는 진공 부재, 상기 활성화 반응기의 내부에서 상기 활성탄 원료를 수용하도록 콘 형상으로 마련된 활성탄 수용부, 상기 활성탄 수용부의 하부에 마련되고 상기 활성화 반응기의 내부로 스팀, 아르곤 또는 질소를 공급하는 주입부, 상기 활성화 반응기 내의 중앙 부분에 마련되고 상기 활성탄 원료를 상기 활성화 반응기의 하부에서 상부로 이동시키는 이동 부재를 포함하는 구성을 마련하여, 미세기공뿐만 아니라 메조기공도 함께 골고루 발달한 높은 비표면적을 가진 활성탄을 제조할 수 있다.

Description

고품위 활성탄의 제조 장치 및 그 제조 방법{Manufacturing apparatus of high quality activated carbon and method for manufacturing same}
본 발명은 교반 및 이송 수단을 구비한 수직형 활성화로를 이용한 고품위 활성탄 제조 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 열에너지를 외부에서 공급하여 활성탄을 생산하는 장치로서 활성화로 내에서 수직형 스크루 혼합기에 의해 활성탄을 상승 이송 및 교반 수단을 구비하며, 반응기 하부에서 스팀 또는 불활성 가스가 골고루 투입되는 고온의 활성탄 활성화를 실행하는 고품위 활성탄의 제조 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래의 기술에 의해 생산되는 활성탄의 품질은 주로 수처리 또는 대기오염물질 흡착용도에 적합하고, 최근의 CDI의 전극에 이온교환막을 활용하여 모듈의 성능을 향상시킨 MCDI(Membrane Capacitive Deionization)용, 고성능 커패시터용, 의학약품용 또는 특수 소재 흡착용으로는 기존의 일반적인 활성탄의 품질보다 더욱더 높은 성능을 요구하고 있다. 이러한 고품위 활성탄을 생산하기 위한 기술이 필요한 여건이다.
활성 탄소는 흡착성이 강하고 구성물질이 탄소질로 이루어진 물질로서, 흡착제로 수처리용, 대기용 또는 탈색제로 널리 이용된다. 야자계, 석탄계, 피치계 등 여러 종류의 활성탄 원천 소재들이 있지만 야자계와 석탄계는 대기오염방지시설 및 수질오염방지시설에 주로 많이 일반적으로 사용되고 있다. 최근에는 특수 목적용 고품질의 활성탄에 대한 수요에 부응하여 피치계 활성탄이 보다 쉽게 높은 비표면적을 구현하는 것이 가능하기 때문에 많은 연구 개발이 진행되고 있다. 대부분의 활성탄 생산 공정에는 탄화 처리 후 활성화 공정이 순차적으로 이루어진다. 그러나 특히 피치계의 경우 탄화 공정 없이 피치 소재를 곧바로 활성화하는 것이 가능한 것으로 알려져 더욱 특별한 관심의 대상이 되고 있다.
활성화는 활성탄 생산 공정에서 가장 핵심이 되며 물리적 활성화와 화학적 활성화가 있다. 물리적 활성화는 CO2, H2O 등의 가스를 이용해 활성화를 실행하는 방법이고, 화학적 활성화는 KOH, NaOH, H3PO4, ZnCl 등의 약품을 이용해 활성화를 하는 방법으로 활성화 방식 및 공정 조건에 따라 비용 및 기공 구조가 달라진다.
일반적으로 물리적 활성화는 마이크로(~2nm), 메조(2~50nm), 마크로(50nm~) 기공을 포함한 넓은 분포의 기공을 발달시키지만 비표면적이 낮고, 화학적 활성화는 마이크로 기공의 좁은 분포의 기공을 발달시키지만 비표면적이 높다는 특징이 있다. 물리적(스팀) 활성화 공정에 의한 비표면적 향상은 메조기공 구조 발달에 기인한 것이며, 물리적 활성화는 비용이 화학적 활성화와 비교하여 저렴하다. 높은 정전용량을 요구하는 EDLC용 전극소재에 쓰이는 활성탄은 대부분 화학적 활성화의 방법으로 만들어진다. 특히, KOH는 가장 높은 비표면적을 얻을 수 있어 널리 사용되고 있지만 미세기공의 좁은 기공분포 때문에 오히려 부적합하다. 이를 극복하고자 관련 업계에서는 페놀계 고분자 전구체를 이용하여 높은 충전량과 수증기활성화의 안정성을 동시에 확보하고자 하였으나 수증기활성화의 어려움으로 아직 미흡한 실정이다. 즉, 비표면적 1200∼2000m2/g, 세공반경 1∼100㎚ 정도로 광범위한 표면적 및 미세공의 다공성 구조를 지닌 활성탄을 제조하고자한다.
이와 같은 활성탄의 활성화 방법은 화학적 방법으로서 숯가루에 KOH 또는 염화아연 용액을 가하여 침투시킨 후, 무산소하에서 600℃ 내지 700℃로 가열하여 탄화하거나, 물리적 활성화 방법으로서 목탄이나 석탄에 수증기를 불어넣으면 800℃ 내지 1200℃로 가열하여 형성할 수 있다. 물리적 활성화 방법이 보다 저렴하여 주로 대량생산에 적용하고 있다.
또한, 종래의 활성탄 활성화 장치는 고온을 제공하기 위해 많은 에너지가 소모되고, 고온을 다루는 장치 역시 내화물로 구성되어 높은 시설비용 및 유지보수비용은 요구하고 있다.
이러한 기술의 일 예가 하기 문헌 1 내지 3 등에 개시되어 있다.
예를 들어, 하기 특허문헌 1에는 도 1에 도시된 바와 같이, 활성탄 재생을 위하여 사용되도록, 내열강으로 제작되어 노 내부를 700~900℃ 정도로 유지하는 내통 드럼 뭉치(311), 내통 드럼 뭉치(311)의 표면의 고온을 단열하는 단열층과 상기 단열층 외부를 감싸는 외통 셀(312) 및 입구 측 측판(341)과 출구 측 측판(342)으로 이루어진 드럼 뭉치(310), 투입물을 정량공급하는 투입 스크루(21)를 구비한 투입 장치, 상기 드럼 뭉치(310)가 4개의 롤러(101) 위에서 회전하도록 지지하는 프레임(100), 상기 드럼 뭉치(310)를 프레임(100) 위에서 구동시키는 구동장치(110) 및 지지대(120)를 통해 상기 내통 드럼 뭉치(311)의 내부를 승온하는 버너(31)를 포함하는 방사형 다단 회전로 장치에 대해 개시되어 있다.
또 하기 특허문헌 2에는 코크스 오븐 가스에 포함되는 이물질을 흡착한 활성탄을 가열하는 재생탑, 재생탑에 공급되는 활성탄이 저장되는 투입저장고, 재생탑에 고온 공기를 공급하여 활성탄을 가열하는 버너, 재생탑에서 배출되는 고온 공기를 투입저장고로 순환시켜 투입저장고 내부를 통과하는 활성탄을 가열시키는 예열부를 포함하는 활성탄 재생장치에 대해 개시되어 있다.
한편, 하기 특허문헌 3에는 재생하기 위한 활성탄을 공급하는 활성탄 공급부, 상부에 형성되는 활성탄 유입부를 통해 활성탄을 공급받아 재생하되, 활성탄이 순차적으로 하강하도록 다층으로 형성되는 활성탄 재생부 및 상기 활성탄 재생부 내부로 활성탄의 재생을 위한 열에너지를 공급하는 열에너지 공급부를 포함하고, 상기 활성탄 재생부가 활성탄의 하강위치와 상기 열에너지 공급부로부터 공급되는 열에너지의 상승 위치가 상이하도록 하여 활성탄과 열에너지가 고르게 접촉되도록 하는 다층판를 구비하는 연소실구분 다단로에 대해 개시되어 있다.
또한, 하기 특허문헌 4에는 상부에 설치한 수평 다공 칸막이 판의 개구율이 하부에 설치한 수평 다공 칸막이 판의 개구율보다도 크게 설정된 복수의 수평 다공 칸막이 판으로 칸막이 된 종형 다단 유동층 장치의 하부로부터, 원료탄과 유동층 내의 가스 공탑 속도가 원료탄의 최소 유동화 속도의 2∼4배가 되도록 이 유동화 수증기를 함유하는 유동화 가스를 연속적으로 공급하고, 이 유동화 가스에 의해 원료탄을 유동화시킴과 동시에 750∼950℃에서 수증기 부활을 행하여, 장치 상부로부터 연속적으로 부활된 활성탄을 배출하는 활성탄의 제조방법에 대해 개시되어 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1380755호(2014.03.27 등록) 대한민국 공개특허공보 제2014-0110845호(2014.10.08 공개) 대한민국 등록특허공보 제10-1706666호(2017.02.08 등록) 대한민국 공개특허공보 제2008-0036010호(2008.04.24 공개)
상술한 바와 같은 특허문헌에 개시된 기술에서와같이, 종래의 활성탄 활성화 장치는 물리적 활성화 방법을 선호하여 활성탄 대량생산을 위해 연속적으로 원료를 투입하고 연속적으로 생산되는 시스템을 구축하였다. 즉, 상기 특허문헌 1에 개시된 방사형 다단 회전로 방식은 기존의 킬른 회전로 방식과 유사하며 재생활성탄 대량 생산에 적합하지만 진공유지가 어렵고 스팀과의 접촉이 많지 않아서 고온용 활성화로에 적합하지 않다.
또 특허문헌 2에 개시된 킬른 회전로에서는 진공유지가 어렵고 스팀과의 접촉이 많지 않아서 고온용 활성화로에 적합하지 않다는 문제가 있고, 특허문헌 3에 개시된 수직형 다단로 타입에서는 비표면적 1,200m2/g 이하의 활성탄 생산에 적합하지만 장치비용 및 유지보수 비용이 고가이고, 진공 유지가 어려워 미세 기공이 발달된 비표면적이 높은 활성탄 생산에 적합하지 않다는 문제가 있었다.
한편, 화학적 활성화 방법은 여전히 높은 생산 단가 및 수질오염 문제로 거의 사용되지 않았지만, 최근에 고용량의 커패시터, 이차전지, MCDI 등의 높은 흡착능력을 요구하는 활성 탄소는 물리적 활성화 방법으로는 구현하기 쉽지 않아서 특허문헌 4에 개시된 바와 같은 화학적인 활성화 방법을 제시하였다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 열에너지를 반응기 외부에서 공급하고, 활성탄을 활성화하는 장치를 수직으로 구성하고, 반응기 하부에서 스팀 또는 불활성 가스를 주입하고, 미리 투입된 원료를 반응기 내부의 중심 수직의 스크루 부재에 의해 수직으로 이송 및 교반하여 균일하게 스팀에 의해 활성화 반응이 발생되어 고품질의 균일한 활성 탄소를 얻을 수 있는 고품위 활성탄의 제조 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 미리 KOH 또는 염화아연을 골고루 혼합한 활성탄 원료를 반응기에 투입하여 고온 환경에서 수직의 스크루 부재에 의해 교반 되면서 화학적 활성화를 구현하고 난 후 스팀을 공급하여 물리적 활성화를 구현하여 매우 높은 흡착능력을 가진 활성탄을 생산할 수 있는 고품위 활성탄의 제조 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 연속 공정으로 생산량을 증대시킬 수 있는 고품위 활성탄의 제조 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 고품위 활성탄의 제조 장치는 지면에 대해 수직 방향으로 마련된 활성화 반응기, 상기 활성화 반응기의 둘레 부분에 마련된 히터, 상기 활성화 반응기의 상부에 마련되어 활성탄 원료를 공급하는 원료 투입구, 상기 활성화 반응기의 내부를 저진공 상태로 마련하는 진공 부재, 상기 활성화 반응기의 내부에서 상기 활성탄 원료를 수용하도록 콘 형상으로 마련된 활성탄 수용부, 상기 활성탄 수용부의 하부에 마련되고 상기 활성화 반응기의 내부로 스팀, 아르곤 또는 질소를 공급하는 주입부, 상기 활성화 반응기 내의 중앙 부분에 마련되고 상기 활성탄 원료를 상기 활성화 반응기의 하부에서 상부로 이동시키는 이동 부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 고품위 활성탄의 제조 장치에서, 상기 이동 부재는 상기 활성화 반응기의 상부에 유지되는 중공 형상의 관 부재, 상기 관 부재의 내부에 마련되어 상기 활성탄 원료를 이동시키는 스크루 부재, 상기 스크루 부재를 회전시키는 구동 모터를 포함하고, 상기 관 부재의 상부에는 상기 스크루 부재에 의해 이동된 활성탄 원료가 상기 관 부재의 외부로 배출되도록 마련된 개구부가 형성된 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 고품위 활성탄의 제조 장치에서, 상기 활성탄 수용부 중심부에는 활성화된 활성탄을 배출하는 배출구가 마련되고, 상기 배출구의 둘레에는 상기 주입부를 통해 주입된 스팀, 아르곤 또는 질소를 상기 활성화 반응기의 내부로 공급하기 위한 다수의 관통구가 마련된 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 고품위 활성탄의 제조 장치에서, 상기 다수의 관통구에는 상기 활성탄 수용부의 내부에서 활성탄 원료가 다수의 구멍을 통하여 상기 활성탄 수용부의 외부로 새어나오지 않도록 내부로 돌출되며 배출구를 향해 경사지게 마련된 돌기부가 마련된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 고품위 활성탄의 제조 방법은 지면에 대해 수직 방향으로 마련된 활성화 반응기에서 고품위의 활성탄을 제조하는 방법으로서, (a) 원료 투입구를 통해 상기 활성화 반응기 내부의 활성탄 수용부로 활성탄 원료를 공급한 후, 진공 부재로 상기 활성화 반응기의 내부를 진공으로 유지하고, 주입부를 통해 상기 활성화 반응기로 불활성 가스를 주입하는 단계, (b) 히터로 상기 활성화 반응기를 가열하는 단계, (c) 활성 탄소 활성화 반응을 위해 상기 주입부와 활성탄 수용부를 통해 활성화 반응기 내부로 스팀을 주입하며, 이동 부재를 통해 상기 활성탄 원료를 상기 활성화 반응기의 하부에서 상부로 이동시키며 교반하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 고품위 활성탄의 제조 방법에서, 상기 단계 (b)에서 상기 활성화 반응기 내부 온도는 700~1,000℃로 유지되고, 상기 단계 (c)에서 상기 스팀은 상기 활성탄 원료의 1~5배의 무게로 주입되는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 고품위 활성탄의 제조 방법에서, (d) 상기 활성화 반응기 내부 온도를 일정하게 유지하면서 1~3시간 후 서냉시켜 배출구로 활성탄을 배출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 고품위 활성탄의 제조 방법에서, 상기 단계 (a)에서 상기 입자 또는 분말 상의 활성탄 원료에는 KOH 또는 염화아연이 혼합된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고품위 활성탄은 상술한 고품위 활성탄 제조 방법에 의해 이루어지고, 미세기공과 메조기공이 균일하게 발달된 1,500m2/g 이상의 비표면적을 갖는 활성탄소인 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고품위 활성탄의 제조 장치 및 그 제조 방법에 의하면, 활성화 반응기 내의 중앙 부분에 마련되고 활성탄 원료를 활성화 반응기의 하부에서 상부로 이동시키는 이동 부재를 마련하는 것에 의해, 물리적 또는 화학적 활성화를 더욱 쉽게 구현이 가능하며, 필요시에는 상기 두 가지 활성화 공정을 순차적으로 구현하는 것도 가능하여 미세기공뿐만 아니라 메조기공도 함께 골고루 발달되도록 할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또 본 발명에 따른 고품위 활성탄의 제조 장치 및 그 제조 방법에 의하면, 높은 비표면적 또는 높은 흡착능력의 활성 탄소를 얻는 것에 의해 MCDI, 이차전지, 커패시터, 고품질의 수처리용 흡착제 또는 의료용 고품위 흡착제로 사용할 수 있다는 효과도 얻어진다.
도 1은 종래의 기술에 따른 탄화 소각로의 분해 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 고품위 활성탄을 제조하기 위한 장치의 구성도,
도 3은 도 2에 도시된 활성탄 수용부의 외부의 사시도,
도 4는 도 2에 도시된 활성탄 수용부의 내부의 사시도,
도 5는 도 2에 도시된 활성탄 수용부의 다른 예의 외부의 사시도,
도 6은 도 2에 도시된 스크루 부재를 나타내는 사시도,
도 7은 본 발명에 따른 고품위 활성탄을 제조하는 과정을 설명하기 위한 공정도.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.
먼저, 본 발명에 따른 개념을 설명한다.
본 발명은 고품위 활성 탄소를 생산하기 위한 활성화로(활성화 반응기)를 마련한 것으로서, 반응기 내부에서 활성탄 원료를 하부에서 상부로 교반 및 이동시키며, 반응기 내부에 스팀이 공급되고, 반응기 내부 온도를 700~1,000℃ 바람직하기에는 950℃로 유지하여 활성탄 원료를 활성화한다. 즉, 입자 또는 분말 상의 활성탄 원료를 투입하고, 반응기 내부를 진공으로 유지하고, 불활성 가스를 공급한 후, 외부의 열원에 의한 반응기 내부를 섭씨 700~1,000℃를 유지하고, 반응기 내부의 수직형 스크루 교반을 가동하여 반응기 내부 원료를 상부로 이송하여 교반하면서, 스팀을 공급하여 활성탄 원료의 표면 또는 내부에 수많은 기공이 형성되게 한다. 따라서 균일한 스팀 공급 및 높은 고온유지에 의해 고품위 활성 탄소를 생산할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 실시 예의 구성을 도면에 따라서 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 고품위 활성탄을 제조하기 위한 장치의 구성도이다.
본 발명에 따른 고품위 활성탄의 제조 장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 지면(미 도시)에 대해 수직 방향으로 마련된 활성화 반응기(10), 상기 활성화 반응기(10)의 둘레 부분에 마련된 히터(20), 상기 활성화 반응기(10)의 상부에 마련되어 입자 또는 분말 상의 활성탄 원료를 공급하는 원료 투입구(30), 상기 활성화 반응기의 내부를 저진공 상태로 마련하는 진공 부재(40), 상기 활성화 반응기의 내부에서 상기 활성탄 원료를 수용하도록 콘 형상으로 마련된 활성탄 수용부(50), 상기 활성탄 수용부(50)의 하부에 마련되고 상기 활성화 반응기(10)의 내부로 스팀, 아르곤 또는 질소를 공급하는 주입부(60), 상기 활성화 반응기(10) 내의 중앙 부분에 마련되고 상기 활성탄 원료를 상기 활성화 반응기(10)의 하부에서 상부로 이동시키는 이동 부재(70) 및 상기 활성화 반응기(10)와 히터(20)의 상부에 마련되고 상기 히터(20)의 발열 상태를 유지시키는 단열 부재(80)를 포함한다.
상기 활성화 반응기(10)는 입자 또는 분말 상의 활성탄 원료의 교반 및 이동이 원활하게 유지되도록 대략 원통형으로 마련되고, 히터(20)에서 전달된 열을 유지할 수 있고 강도를 갖는 금속재, 예를 들어 스테인리스로 마련될 수 있다.
상기 히터(20)는 통상의 전기 히터와 같이 온도 제어가 가능한 열선으로 이루어지고, 제어부에 의해 일정 시간 가동되도록 마련될 수 있다. 즉, 히터(20)는 활성화 반응기(10)의 내부를 일정 시간 800~1,000℃로 유지하도록 가열할 수 있다.
상기 원료 투입구(30)에는 개폐 가능한 밸브가 마련되고, 입자 또는 분말 상의 활성탄 원료를 정량 공급하는 투입 스크루에 연결될 수 있으며, 활성화 반응기(10)의 70% 정도의 체적을 채우도록 공급될 수 있다. 즉, 상기 원료 투입구(30)는 활성탄 원료를 공급할 때만 밸브가 개방 상태를 유지하고, 진공 부재(40)에 의해 활성화 반응기(10)의 내부를 진공 상태로 유지하거나 활성탄 원료의 교반 및 이동 시에는 닫힌 상태로 유지된다.,
상기 진공 부재(40)는 도 2에 도시된 바와 같이 활성화 반응기(10)의 상부에 마련된 배기구에 연결된 진공펌프를 구비하고, 이 진공 펌프의 가동에 의해 활성화 반응기(10)의 내부를 저진공(약 1~20torr)으로 유지하게 할 수 있다.
상기 활성탄 수용부(50)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 콘 형상으로 이루어지며, 도 2에 도시된 바와 같이, 활성화 반응기(10)의 내부와 밀착되어 활성탄 원료가 활성탄 수용부(50)의 외부로 누출되는 것을 방지할 수 있다. 이를 위해 활성탄 수용부(50)의 가장자리 부분은 활성화 반응기(10)의 내부에 용접 등의 수단에 의해 일체로 결합되도록 마련될 수도 있다.
도 3은 도 2에 도시된 활성탄 수용부의 내부의 사시도 이고, 도 4는 도 2에 도시된 활성탄 수용부의 외부의 사시도 이다.
상기 활성탄 수용부(50)의 중앙 부분에는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 활성화된 활성탄을 배출하는 배출구(52)가 마련되고, 이 배출구(52)의 둘레에는 상기 주입부(60)를 통해 주입된 스팀, 아르곤 또는 질소가 활성화 반응기(10)의 내부로 공급하기 위한 다수의 관통구(51)가 마련된다. 또 이러한 다수의 관통구(51)로 활성탄 수용부(50) 내의 활성탄 원료가 새어나오지 않도록, 활성탄 수용부(50)의 내부에는 도 4에 도시된 바와 같이 다수의 관통구(51)와 연통 되고 상기 활성탄 수용부(50)의 내부로 돌출되며 배출구(52)를 향해 경사지게 마련된 제1 돌기부(53)가 마련한다.
한편, 상기 다수의 관통구(51)에 돌기부의 조립을 용이하게 하기 위해 도 5에 도시된 바와 같이, 활성탄 수용부(50)의 외부를 향해 돌출된 제2 돌기부(54)를 마련할 수도 있다. 이와 같은 제1 돌기부(53) 및 제2 돌기부(54)는 일체로 마련되고, 관통구(51)에 삽입된 후, 용접 등에 의해 활성탄 수용부(50)와 일체로 마련될 수도 있다.
또한, 다수의 관통구(51)는 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 방사상으로 동일 직경으로 마련된다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고, 활성탄 수용부(50) 내에서 활성탄 원료의 이동 및 교반이 원활하게 되도록, 배출구(52)에서 활성탄 수용부(50)의 가장자리로 갈수록 관통구(51)의 직경이 크게 되도록 마련될 수도 있다.
상기 주입부(60)는 도 2에 도시된 바와 같이, 활성탄 수용부(50)의 외부, 즉 활성탄 수용부(50)와 활성화 반응기(10) 사이의 공간 부분의 일측에 마련되고, 진공 부재(40)에 의해 활성화 반응기(10)의 내부가 저진공(약 1~20torr)으로 구현된 상태에서 주입부(60)를 통해 아르곤 또는 질소가스를 공급하여 활성화 반응기(10)에서의 반응 자체가 불활성이 유지되도록 한다. 또 상기 주입부(60)로는 활성탄 원료가 활성화 반응기(10)에 70% 정도의 체적으로 채워진 후, 스팀 공급기(미 도시)를 통한 스팀이 공급된다. 스팀은 주입부(60)를 통해 활성탄 원료의 무게 비의 1~5배로 투입될 수 있다.
상기 이동 부재(70)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 활성화 반응기(10)의 상부에 유지되는 중공 형상의 관 부재(71), 상기 관 부재(71)의 내부에 마련되어 상기 활성탄 원료를 이동시키는 스크루 부재(72), 상기 스크루 부재(72)를 회전시키는 구동 모터(73)를 포함할 수 있다.
상기 관 부재(71)의 상부에는 도 2에서 화살표로 나타낸 바와 같이, 스크루 부재(72)에 의해 활성화 반응기(10)의 내부에서 관 부재(71)의 내부로 이동된 활성탄 원료가 상기 관 부재(71)의 외부, 즉 활성화 반응기(10) 내부로 배출되도록 마련된 개구부(74)가 형성된다. 이 개구부(74)는 관 부재(71)의 일부분을 절결하여 마련될 수 있다. 상기 개구부(74)는 도 2에 도시된 바와 같이, 활성탄 원료가 활성화 반응기(10)에 70% 정도의 체적으로 채워지므로, 활성탄 원료가 채워지지 않은 상부에 마련하는 것에 의해 활성탄 원료의 교반을 원활하게 실행할 수 있다.
상기 스크루 부재(72)는 도 5에서 화살표로 나타낸 바와 같이, 구동 모터(73)에 의해 반 시계 방향으로 회전하는 것에 의해 활성화 반응기(10)의 하부에 수집된 활성탄 원료를 상부로 이동시키고 개구부(74)로 배출되도록 마련된다. 도 5는 도 2에 도시된 스크루 부재를 나타내는 사시도 이다.
다음에 본 발명에 따른 고품위 활성탄의 제조 장치에 의해 활성탄을 제조하는 과정에 대해 도 6을 참조하여 설명한다.
도 6은 본 발명에 따른 고품위 활성탄을 제조하는 과정을 설명하기 위한 공정도이다.
본 발명에 따른 고품위 활성탄 제조 방법은 도 2에 도시된 바와 같이, 지면에 대해 수직 방향으로 마련된 활성화 반응기(10)에서 고품위의 활성탄을 제조하는 방법으로서, 먼저, 원료 투입구(30)를 통해 상기 활성화 반응기(10) 내부의 활성탄 수용부(50)로 입자 또는 분말 상의 활성탄 원료를 공급한다(S10). 상기 단계 S10에서는 활성탄 원료가 활성화 반응기(10)의 상부에 마련된 원료 투입구(30)를 통해 활성화 반응기(10) 내의 70% 정도의 체적을 채우도록 공급된다.
다음에 진공 부재(40)로 상기 활성화 반응기(10)의 내부를 진공으로 유지한(S20) 후 주입부(60)를 통해 상기 활성화 반응기(10)로 불활성 가스를 주입한다(S30). 즉 활성탄 원료를 공급한 후, 활성화 반응기(10)의 상부 배기구에 연결된 진공펌프를 가동하여 활성화 반응기 내부를 저진공(약 1~20torr)으로 구현하고, 불활성 가스로서 아르곤 및 질소 가스를 채워서 활성화 반응기(10)에서의 반응 자체가 불활성이 유지되도록 한다.
이어서, 히터(20)로 상기 활성화 반응기(10)를 가열한다(S40). 즉, 외부의 전원을 전기 히터(20)에 인가하여 활성화 반응기(10) 내부를 일정 시간 700~1,000℃로 유지한다.
상기 단계 S40에서의 가열과 동시에 활성 탄소 활성화 반응을 위해 상기 주입부(60)와 활성탄 수용부(50)에 마련된 관통구(51)를 통해 활성화 반응기(10) 내부로 스팀을 주입하며, 이동 부재(70)를 통해 상기 활성탄 원료를 상기 활성화 반응기의 하부에서 상부로 이동시키며 교반 한다(S50). 즉 구동 모터(73)에 의해 스크루 부재(72)가 반 시계 방향으로 회전하는 것에 의해 활성화 반응기(10)의 하부에 수집된 활성탄 원료가 관 부재(71) 내에서 상부로 이동하고, 개구부(74)를 통해 활성화 반응기(10)로 배출되면서 활성탄 원료가 교반 된다. 한편, 상기 단계 S50에서 상기 스팀은 상기 활성탄 원료의 1~5배의 무게로 주입된다. 또 주입부(60)를 통해 공급된 스팀은 물리적 활성화 공정으로 이용되며, 활성탄 수용부(50)가 콘 형상으로 마련되고, 활성화 반응기(10)와 활성탄 수용부(50) 사이에 스팀 또는 불활성 가스를 주입하는 공간이 형성되고 다수의 관통구(51)가 활성탄 수용부(50)에 마련되므로, 활성탄 수용부(50)의 내부의 표면에는 스팀이 균일하게 스며들어 활성탄과 골고루 섞이게 된다. 또 활성화 반응기(10) 내부에서 진공을 유지하고, 스크루 부재(72)에 의해 활성탄 원료가 상부로 이송되어 교반하면서 활성화 반응기(10) 내부에서 활성탄이 자중으로 하부로 이동되어 순환 및 이송되며, 고온의 환경에서 스팀에 의해 활성탄소에 골고루 활성화 반응이 이루어진다.
상기 단계 S50에서 상기 활성화 반응기(10) 내부 온도를 일정하게 예를 들어 800~1,000℃로 유지되면서 1~3시간 후 서냉시켜 배출구(52)로 활성탄을 배출하는(S60) 것에 의해 본 발명에 따른 활성탄이 제조된다. 상기 단계 S60에 의해 마련된 활성탄은 미세기공과 메조기공이 골고루 발단된 비표면적이 1500m2/g 이상의 매우 높은 활성탄소로 이루어진다.
상술한 바와 같은 각각의 단계는 연속 공정으로 가능하면 생산량을 증대시킬 수 있다.
한편, 화학적 활성화 공정으로써, 미리 KOH 또는 염화아연을 골고루 혼합한 활성탄 원료를 반응기에 투입하여 적절한 고온 환경에서 이동 부재(70)의 수직형 스크루 부재(72)에 의해 교반 되면서 화학적 활성화를 구현할 수도 있다. 연속 공정으로써 화학적 활성화 공정 직후, 스팀을 공급하여 물리적 활성화를 구현함으로써 더욱 높은 흡착능력을 가진 활성탄을 생산할 수도 있다. 즉, 본 발명에 따른 고품위 활성탄의 제조 방법에서는 화학적 활성화 반응기 내부온도를 500~700℃로 유지하며, 물리적 스팀 활성화 반응기 내부 온도를 700~1,000℃로 유지하게 할 수 있다. 또 화학적 활성화 이후 물리적 스팀 활성화를 진행하면 활성탄을 세척하는 역할까지 겸하게 된다. 화학적 활성화를 통하여 미세기공이 주로 생성되고, 물리적 스팀 활성화를 통하여 미세기공의 크기를 거대하게 하여 메조기공을 증가시키는 역할을 하게 할 수도 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명에 따른 고품위 활성탄의 제조 장치 및 그 제조 방법을 사용하는 것에 의해 미세기공뿐만 아니라 메조기공도 함께 골고루 발달한 활성탄을 마련할 수 있다.
10 : 활성화 반응기
20 : 히터
40 : 진공 부재
50 : 활성탄 수용부
70 : 이동 부재

Claims (9)

  1. 지면에 대해 수직 방향으로 마련된 활성화 반응기,
    상기 활성화 반응기의 둘레 부분에 마련된 히터,
    상기 활성화 반응기의 상부에 마련되어 입자 또는 분말 상의 활성탄 원료를 공급하는 원료 투입구,
    상기 활성화 반응기의 내부를 저진공 상태로 마련하는 진공 부재,
    상기 활성화 반응기의 내부에서 상기 활성탄 원료를 수용하도록 콘 형상으로 마련된 활성탄 수용부,
    상기 활성탄 수용부의 하부에 마련되고 상기 활성화 반응기의 내부로 스팀, 아르곤 또는 질소를 공급하는 주입부,
    상기 활성화 반응기 내의 중앙 부분에 마련되고 상기 활성탄 원료를 상기 활성화 반응기의 하부에서 상부로 이동시키는 이동 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 고품위 활성탄의 제조 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 이동 부재는
    상기 활성화 반응기의 상부에 유지되는 중공 형상의 관 부재,
    상기 관 부재의 내부에 마련되어 상기 활성탄 원료를 이동시키는 스크루 부재,
    상기 스크루 부재를 회전시키는 구동 모터를 포함하고,
    상기 관 부재의 상부에는 상기 스크루 부재에 의해 이동된 활성탄 원료가 상기 관 부재의 외부로 배출되도록 마련된 개구부가 형성된 것을 특징으로 하는 고품위 활성탄의 제조 장치.
  3. 제1항에서,
    상기 활성탄 수용부 중심에는 활성화된 활성탄을 배출하는 배출구가 마련되고,
    상기 배출구의 둘레에는 상기 주입부를 통해 주입된 스팀, 아르곤 또는 질소를 상기 활성화 반응기의 내부로 공급하기 위한 다수의 관통구가 마련된 것을 특징으로 하는 고품위 활성탄의 제조 장치.
  4. 제3항에서,
    상기 다수의 관통구에는 상기 활성탄 수용부의 내부에서 활성탄 원료가 다수의 구멍을 통하여 상기 활성탄 수용부의 외부로 새어나오지 않도록 내부로 돌출되며 배출구를 향해 경사지게 마련된 돌기부가 마련된 것을 특징으로 하는 고품위 활성탄의 제조 장치.
  5. 지면에 대해 수직 방향으로 마련된 활성화 반응기에서 고품위의 활성탄을 제조하는 방법으로서,
    (a) 원료 투입구를 통해 상기 활성화 반응기 내부의 활성탄 수용부로 입자 또는 분말 상의 활성탄 원료를 공급한 후, 진공 부재로 상기 활성화 반응기의 내부를 진공으로 유지하고, 주입부를 통해 상기 활성화 반응기로 불활성 가스를 주입하는 단계,
    (b) 히터로 상기 활성화 반응기를 가열하는 단계,
    (c) 활성 탄소 활성화 반응을 위해 상기 주입부와 활성탄 수용부를 통해 활성화 반응기 내부로 스팀을 주입하며, 이동 부재를 통해 상기 활성탄 원료를 상기 활성화 반응기의 하부에서 상부로 이동시키며 교반하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고품위 활성탄의 제조 방법.
  6. 제5항에서,
    상기 단계 (b)에서 상기 활성화 반응기 내부 온도는 700~1,000℃로 유지되고,
    상기 단계 (c)에서 상기 스팀은 상기 활성탄 원료의 1~5배의 무게로 주입되는 것을 특징으로 하는 고품위 활성탄 제조 방법.
  7. 제6항에서,
    (d) 상기 활성화 반응기 내부 온도를 일정하게 유지하면서 1~3시간 후 서냉시켜 배출구로 활성탄을 배출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고품위 활성탄 제조 방법.
  8. 제6항에서,
    상기 단계 (a)에서 상기 입자 또는 분말 상의 활성탄 원료에는 KOH 또는 염화아연이 혼합된 것을 특징으로 하는 고품위 활성탄 제조 방법.
  9. 청구항 제5항 내지 제8항 중의 어느 한 항의 고품위 활성탄 제조 방법에 의해 이루어지고,
    미세기공과 메조기공이 균일하게 발단된 1,500m2/g 이상의 비표면적을 갖는 활성탄소인 것을 특징으로 하는 활성탄.
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