KR20220085479A

KR20220085479A - 물리적 활성화를 이용한 활성탄의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 활성탄

Info

Publication number: KR20220085479A
Application number: KR1020200175573A
Authority: KR
Inventors: 임지선; 김민일; 강석창; 서상완
Original assignee: 한국화학연구원
Priority date: 2020-12-15
Filing date: 2020-12-15
Publication date: 2022-06-22
Also published as: KR102544657B1

Abstract

본 발명은 (a) 피치에 산소 관능기를 도입하여, 활성화용 산화된 피치를 제조하는 단계; (b) 상기 산화된 피치를 탄화하여 코크스를 제조하는 단계; (c) 상기 코크스를 물리적 활성화하여 비표면적이 550 내지 2100 m2/g 이고, 마이크로 기공(micro pore)의 부피가 0.2 cm³/g 이상이고. 마이크로 기공(micro pore)의 함유량이 82 내지 99%를 포함하는 활성탄을 제조하는 단계;를 포함하는 활성탄의 제조방법 및 이의 방법으로 제조된 활성탄에 대한 것이다.

Description

물리적 활성화를 이용한 활성탄의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 활성탄{The Method of Producing Active Carbon by Using Physical Activation and the Active Carbon Produced by the Same}

본 발명은 물리적 활성화를 이용한 활성탄의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 활성탄에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 피치에 산소 관능기를 부여하여 결정성이 저하된 물리적 활성화용 코크스를 제조한 후, 이를 물리적 활성화하여 미세기공의 비율 및 비표면적이 높은 활성탄을 제조하는 방법에 관한 것이다.

활성탄은 인체에 유해한 물질을 흡착하여 제조하는 다공성 탄소재료로서 내부에 무수한 세공이 발달되어 있는데 세공의 층 내부 표면적이 현저하게 크고, 또한 그 표면이 불순물에 대하여 친수성을 갖게 되기 때문에 피 흡착 물질로서의 용해성 성분의 제거는 용해성 성분이 세공의 커다란 내부표면에 흡착함으로써 이루어지게 된다.

활성탄은 기공의 크기에 따라 다양한 용도로 사용되고 있으며, 특히 최근 문제가 되고 있는 새집증후군 유발 가스, 미세먼지 원인 물질 등의 대기 중의 오염물질을 제거하기 위해서는 극미세기공을 다수 함유하고 있는 활성탄이 필요하다.

활성탄을 제조하기 위한 원료로는 2014년을 기준으로 석탄이 58%를 차지하고 있으며 톱밥 등의 나무로부터 제조된 char가 21%, 야자 껍질이 19%, 페놀 수지 등의 기타 물질이 2%를 차지하고 있다. 세계에서 가장 높은 석탄 생산량을 보이는 중국(44.7%, 2017년 기준)이 최근 석탄 생산을 규제함에 따라 활성탄 원료 수급에 많은 문제가 발생하고 있다.

따라서 활성탄의 원료 물질의 다양화가 필요하다. 피치는 석유화학 부산물인 석유계 잔사유 또는 석탄의 건류과정에서 발생하는 부산물인 콜타르로부터 제조되는 탄소소재의 원료물질로 활성탄의 원료물질로 적용이 가능하다. 따라서 피치를 이용한 활성탄의 제조는 산업 부산물 처리 문제와 활성탄 원료 수급 문제를 모두 해결할 수 있는 방법이다.

활성탄은 탄화 공정 및 활성화 공정을 통하여 입자 내 50nm 이상의 매크로 기공(macro pore), 2∼50nm의 매조 기공(meso pore) 및 2nm 이하 크기를 가지는 마이크로 기공(micro pore)를 포함하는 광범위한 세공 구조를 형성하게 된다.

상기 활성화 공정은 활성화제의 종류에 따라 화학적 활성화 및 물리적 활성화 방법으로 분류된다. 화학적 활성화는 KOH, NaOH 등을 활성화제로 사용하는 것으로 비표면적이 높고, 대기 중의 오염물질을 제거하기 용이한 micropore를 발달시킬 수 있으나 활성화제의 가격이 높아 활성탄의 가격이 높아지는 단점이 있다. 물리적 활성화는 CO2, 수증기 등을 활성화제로 사용하는 것으로 비표면적이 낮고, 마이크로 기공(micro pore)의 발달에 어려움이 있으나 활성화제의 가격이 저렴하여 산업적인 활용도가 높다.

이와 관련한 종래 기술로서, 한국공개특허 제10-2020-0055698호는 알칼리 활성화제를 이용하여 제조한 마이크로 기공을 가지는 활성탄이 기재되어 있으며, 한국공개특허 제10-2020-0025804호는 피치 등의 탄소재료의 탄화 공정 및 알칼리 수산화물을 이용한 화학적 활성화 공정을 통하여 마이크로 기공을 가지는 활성탄의 제조방법이 기재되어 있다.

그러나 상기 선행문헌에서는 화학적 활성화 방법을 이용하여 고가의 활성화제를 사용하고, 반응 후 활성화제를 제거하는 공정이 추가되어 활성탄의 생산 단가가 높고 대량 생산에 어려움이 있다. 따라서 화학적 활성화 방법으로 제조된 활성탄은 사용량이 적은 전기 이중층 축전기와 같은 특수 목적용으로 활용되고 있다.

반면, 환경오염 물질 제거용 활성탄은 저가의 활성탄을 대량으로 사용하기 때문에 가격이 저렴하고 대량화에 용이한 물리적 활성화 방법이 필요하다. 또한 실내 공기 정화를 위해서는 대기 중의 오염물질 제거에 용이한 마이크로 기공(micro pore)이 발달된 활성탄이 필요한 실정이다.

상기 기술한 이슈와 같이 활성탄의 원료 수급 문제가 대두되고 있는 현 시점에서, 활성탄 원료 수급 문제, 산업 폐기물 처리 문제, 실내 공기질 정화용 활성탄 수급 문제 등을 해결하기 위한 피치 기반의 코크스를 이용하여 물리적 활성화 방법으로 마이크로 기공(micro pore)이 발달된 활성탄은 높은 가치가 있으며, 이를 구현하기 위한 기술이 매우 중요하다.

한국공개특허공보 제10-2020-0055698호 (2020.05.21) 한국공개특허공보 제10-2020-0025804호 (2020.03.10)

본 발명의 목적은 활성탄 원료 수급 문제를 해결하고, 피치의 탄화 공정을 통하여 코크스를 제조하고, 이의 물리적 활성화 방법을 통해 활성탄을 대량 생산할 수 있는 효율적인 방법을 제공하는 데 있다.

또한 본 발명의 또 다른 목적은 피치에 산소 관능기를 도입하여 등방성이 향상된 코크스를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

또한 본 발명의 또 다른 목적은 물리적 활성화 방법을 이용하여 대기 중의 오염물질 제거에 용이한 마이크로 기공(micro pore)이 발달된 활성탄을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 피치에 산소 관능기를 도입하여, 산화된 피치를 제조하는 단계; (b) 상기 산화된 피치를 탄화하여 코크스를 제조하는 단계; (c) 상기 코크스를 물리적 활성화하여 비표면적이 550 내지 2100 m2/g 이고, 마이크로 기공(micro pore)의 부피가 0.2 cm³/g 이상이고. 마이크로 기공(micro pore)의 함유량이 82 내지 99%를 포함하는 활성탄을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 피치는 석유계 피치, 석탄계 피치 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (a) 단계는 열산화, 산처리, 플라즈마 처리 중 어느 하나 이상을 선택하여 처리될 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (a) 단계에서 산화된 피치는 산소/탄소의 함량무게비가 0.2 보다 클 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (a) 단계는 피치를 150 내지 400℃의 온도에서 1 내지 12시간 동안 산소를 포함하는 기체와 접촉시켜 수행할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (b) 단계에서 탄화된 코크스의 결함 비율[Raman 분석의 결함 강도(Ig)/결정성 강도(Ig)]이 0.93 보다 클 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (b) 단계는 상기 산화된 피치를 800 내지 1200℃의 온도에서 불활성 기체와 접촉시켜 수행할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (c) 단계는 상기 코크스를 800 내지 1200℃의 온도에서 30분 내지 5시간 동안 물리적 활성화제와 접촉시켜 수행할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 물리적 활성화제는 이산화탄소(CO2), 수증기 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 일 구현예는 상기 활성탄의 제조방법으로 제조된 활성탄을 제공한다.

본 발명에 따르면, 활성탄의 원료로 피치를 사용함에 따라 활성탄 원료 수급 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 물리적 활성화 방법을 이용하여 가격이 저렴하고 대량생산에 용이한 활성탄을 제조할 수 있다.

또한 마이크로 기공(micro pore)의 비율이 높은 활성탄을 제조하여 대기 중의 오염물질을 제거에 용이한 활성탄을 제조할 수 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

도 1 은 실시예 및 비교예로부터 제조된 활성탄의 질소흡착 등온선을 나타낸 그래프이다.
도 2는 실시예 1, 실시예 3, 비교예 1로부터 제조된 코크스의 XRD 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 실시예 1, 실시예 3, 비교예 1로부터 제조된 코크스의 Raman 분석 결과를 나타낸 그래프이다.

다른 식으로 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명은 비표면적 및 마이크로 기공(micro pore)의 비율이 높은 활성탄을 제조하기 위하여, 피치의 산화 공정을 통하여 산소 함량이 높고, 결정성이 낮은 활성탄용 코크스를 제조하고, 이를 물리적 활성화시키는 활성탄의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 관점에서, (a) 피치에 산소 관능기를 도입하여, 산화된 피치를 제조하는 단계; (b) 상기 산화된 피치를 탄화하여 코크스를 제조하는 단계; (c) 상기 코크스를 물리적 활성화하여 비표면적이 550 내지 2100 m2/g 이고, 마이크로 기공(micro pore)의 부피가 0.2 cm³/g 이상이고. 마이크로 기공(micro pore)의 함유량이 82 내지 99%를 포함하는 활성탄을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법을 제공한다.

상기 (a) 단계에서 사용되는 피치는 석유계 피치, 석탄계 피치 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다.

상기 석탄계 피치는 석탄의 건류 공정에서 발생하는 콜타르를 이용하여 제조되며, 방향족 화합물의 함량이 높아 활성탄 제조시 탄화 수율이 높은 장점이 있지만, 금속산화물, 금속, 황, 질소 등의 불순물의 함량이 높아 활용에 제한이 있다.

반면, 상기 석유계 피치는 원유의 증류 공정에서 발생하는 석유계 잔사유를 이용하여 제조되며, 불순물의 함량이 상대적으로 낮은 장점이 있지만 방향족 화합물의 함량이 낮아 활성탄 제조시 탄화 수율이 낮은 단점이 있다.

따라서 석유계 피치의 탄화 수율을 향상시키기 위해서 피치의 지방족 사슬을 공격하여 수소의 함량을 낮추고 C-O, C=O, O=C-O, C-O-C 등의 다양한 산소 관능기를 도입할 수 있는 산화 공정을 필요로 한다.

상기 (a) 단계의 산화 공정은 피치에 산소 관능기를 도입하여 산화된 피치를 제조하는 단계이며, 열산화, 산처리, 오존처리, 플라즈마처리에 의해서 산화될 수 있으며, 더불어 이들의 복합적 또는 단계적 처리 방법에 의해서 산화될 수도 있으며, 바람직하게는 열산화 공정이 사용될 수 있다.

이때, 열산화 공정에서 산소 관능기 도입을 위한 가스는 산소 또는 공기 분위기에서 진행하는 것이 바람직하며, 산업적으로 공기를 이용하는 것이 더욱 바람직하다.

이때 산소 관능기는 산화된 피치의 산소/탄소 함량무게비율이 0.20 보다 큰 값이 되도록 도입되며, 산소/탄소의 비율이 0.20 보다 작으면 산소가 충분히 도입되지 않아서 코크스의 결함이 발달하지 않아 활성화를 위한 활성점이 감소하고 이로 인하여 활성화가 일어나지 않는 문제가 있다. 산화된 피치의 산소/탄소 함량무게비율은, 바람직하게는 0.2 보다 크고 0.31 보다 작을 수도 있다.

또한, 상기 열산화 공정은 피치를 150 내지 400℃의 온도에서 1 내지 12시간 동안 산소를 포함하는 기체와 접촉시켜 수행할 수 있으며, 바람직하게는 피치를 300 내지 400℃의 온도에서 1 내지 12시간 동안 산소를 포함하는 기체와 접촉시켜 수행할 수 있다.

여기서, 상기 열산화 공정의 온도가 150℃ 미만이거나 반응 시간이 1시간 미만인 경우에는 충분한 산소 관능기가 도입되기 어려워 물리적 활성화를 위한 코크스의 결정성을 낮추는데 어려움이 있고, 처리 온도가 400℃ 초과이거나 반응 시간이 12시간 초과인 경우 과산화가 일어나 산소 관능기를 도입하는 단계의 수율이 낮아지는 문제점이 있다. 산화온도가 400℃를 넘어가면, 피치와 공기 중의 산소가 연소반응을 과도하게 일으켜, CO 또는 CO2로 변환되기 때문에 산소 관능기가 도입되기 어렵다.

이어서, 상기 (b) 단계의 탄화 공정은 다량의 산소 관능기를 포함하는 산화된 피치를 열처리하여 코크스를 제조하는 단계이다.

상기 탄화 공정에서 산화된 피치는, Raman 분석의 결함 강도(Ig)와 결정성 강도(Ig)로부터 얻어지는 결함 비율(Id/Ig)이 0.93 보다 크게 되도록 열처리하여 코크스를 제조할 수 있다.

결함 비율이 0.93 보다 작으면 코크스의 결정성이 증가하게 되어 미세기공을 형성하기 위한 활성점이 감소되어 미세기공의 형성이 어렵게 된다.

상기 탄화 공정은 상기 산화된 피치를 800 내지 1200℃의 온도에서 불활성 기체와 접촉시켜 수행할 수 있으며, 상기 탄화 공정의 온도는 물리적 활성화와 동일한 온도에서 진행하는 것이 바람직하다.

탄화공정의 온도가 800℃ 보다 낮으면 활성화를 위한 충분한 에너지가 공급되지 않아 미세기공이 형성되지 않고, 1200℃ 보다 높으면 과활성화가 일어나 상대적으로 크기가 큰 기공이 형성되고, 고온에 의하여 소진(burn out)되는 활성탄의 양이 증가하여 수율이 낮은 문제점이 있다.

상기 탄화 공정 이후 코크스를 냉각한 후 물리적 활성화를 진행하거나, 또는 별도의 냉각 공정 없이 탄화 공정 분위기 가스를 활성화 가스로 변화하여 물리적 활성화 공정을 바로 진행할 수 있다.

즉, 상기 탄화 공정의 타겟 온도에 도달한 후 별도의 유지시간을 필요로 하지 않는다. 여기서 타겟 온도에서 일정 시간을 유지할 경우 코크스의 결정성이 향상되어 마이크로 기공(micro pore)의 생성에 어려워지는 문제점이 있다.

또한, 상기 탄화 공정에서 사용되는 불활성 기체는 질소, 아르곤 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다.

상기 (c) 단계는 결함 비율(Id/Ig)이 0.93 보다 큰 코크스를 물리적 활성화하는 단계이며, 코크스의 결정성이 낮은 코크스를 활성화함에 따라 비표면적이 550 내지 2100 m2/g 이고, 마이크로 기공(micro pore)의 부피가 0.2 cm³/g 이상이고. 마이크로 기공(micro pore)의 함유량이 82 내지 99%를 포함하는 활성탄을 제조가 가능하다.

여기서, 결정성이 낮은 코크스의 활성화는 코크스의 표면과 활성화제 사이에 화학반응이 일어나면서 시작되며, 이러한 화학반응은 탄소를 CO 또는 CO2 가스로 변화시켜 제거하게 되고, 제거된 자리가 결함으로 작용하여 연속적으로 반응이 일어나 기공을 형성한다. 따라서 코크스 표면의 결함이 증가하거나, 또는 결정성이 낮을수록 기공형성에 유리하다.

상기 물리적 활성화 공정은 코크스를 800 내지 1200℃의 온도에서 30분 내지 5시간 동안 물리적 활성화제와 접촉시켜 수행할 수 있으며, 바람직하게는 코크스를 1000 내지 1200℃의 온도에서 30분 내지 5시간 동안 물리적 활성화제와 접촉시켜 수행할 수 있다.

상기 물리적 활성화 공정의 온도가 800℃ 미만이거나 반응 시간이 30분 미만인 경우, 충분한 반응이 이루어지지 않아 마이크로 기공(micro pore)가 충분히 형성되지 않고, 비표면적이 낮은 단점이 있고, 활성화 온도가 1200℃를 초과하거나 반응 시간이 5시간을 초과하는 경우 과활성화가 일어나 생성된 기공(pore)이 무너져 비표면적과 수율이 오히려 감소하는 문제점이 있다.

이때, 상기 물리적 활성화제는 이산화탄소(CO2), 수증기 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있으며, 바람직하게는 이산화탄소(CO2)일 수 있다.

상기 (c) 단계에서 제조된 활성탄의 마이크로 기공(micro pore)의 부피가 0.2 cm³/g 이상일 수 있으며, 바람직하게는 0.6 cm³/g 이상일 수 있다.

또한, 상기 (c) 단계에서 제조된 활성탄의 마이크로 기공(micro pore)의 함유량이 82 내지 99%를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 활성탄의 제조방법으로 제조된 비표면적이 매우 크고, 마이크로 기공(micro pore)의 함유량이 매우 높은 활성탄을 제공한다.

따라서, 본 발명에 따른 활성탄은 비표면적이 매우 크고 마이크로 기공의 함량이 높아 유해한 유기 또는 기체 분자 또는 금속 원소를 흡착/흡수하는 용도로 사용이 가능하며, 구체적으로 수처리 및 정제, 공기/가스 처리 및 정제, 화장품, 금 회수, 수은 제거에 사용될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 활성탄은 유해 물질의 화학적 흡착/전환을 위한 응용분야 이외에 많은 양의 촉매 나노입자를 담지하는 촉매 지지체로서 사용될 수 있으며, 또한 의료용 및 연료 전지에도 적용될 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통해 더욱 상세히 설명하고자 한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

활성탄을 제조하기 위하여 연화점 250℃의 등방성 피치를 원료로 선정하였으며 3단계 처리를 진행하였다. 피치에 산소 관능기를 도입하는 1 단계는 피치를 320℃에서 8시간 동안 100cc/min의 유속으로 공기를 흘려주면서 열처리하여 진행하였으며, 1단계 처리를 통하여 산화된 피치를 제조하였다. 2단계는 상기 산화된 피치를 불활성 분위기에서 1000℃까지 분당 10℃의 속도로 승온한 후 유지시간 없이 냉각하여 진행하였으며, 활성탄용 코크스를 제조하였다. 3단계는 위한 활성화제는 CO2를 사용하였으며, 100cc/min의 유속으로 활성화 가스를 주입하였다. 3단계는 상기 코크스를 900℃에서 3시간 동안 활성화 가스 분위기에서 열처리하여 진행하였으며, 비표면적 및 micropore의 비율이 높은 활성탄을 제조하였다.

실시예 2

상기 실시예 1에서 피치의 활성화 온도를 900℃로 설정한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정을 진행하여 활성탄을 제조하였다.

실시예 3

상기 실시예 1에서 피치의 산화 온도를 240℃로 설정하고 활성화 온도를 900℃로 설정한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정을 진행하여 활성탄을 제조하였다.

실시예 4

상기 실시예 1에서 피치의 활성화제를 수증기로 사용하고, 활성화 온도를 900℃로 설정한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정을 진행하여 활성탄을 제조하였다.

실시예 5

상기 실시예 1에서 피치의 산화 온도를 400℃로 설정한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정을 진행하여 활성탄을 제조하였다.

비교예 1

상기 실시예 1에서 피치에 산소관능기를 도입하는 단계를 생략한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정을 진행하여 음극재용 탄소소재를 제조하였다.

비교예 2

상기 실시예 1에서 피치의 산화 온도를 120℃로 설정한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정을 진행하여 활성탄을 제조하였다.

비교예 3

상기 실시예 1에서 피치의 활성화 온도를 1300℃로 설정한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정을 진행하여 활성탄을 제조하였다.

비교예 4

상기 실시예 1에서 피치의 활성화 온도를 700℃로 설정한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정을 진행하여 활성탄을 제조하였다.

실험예

(1) 실시예 및 비교예에서 제조된 활성탄의 기공 특성은 비표면적분석기(Brunauer-Emmett-Teller Analyzer, BET, ASAP 2420)로 측정되었다.

(2) 열산화된 피치의 탄소, 수소, 산소 함량비는 원소분석기(Elemental Analyzer, EA, Thermo Scientific Flash 2000)를 이용하여 측정하였다

(3) 코크스의 결정성 및 결함 비율(Id/Ig)은 X-선회질분석기(X-ray Diffractometer, XRD, Rigaku D/Max 2200V) 및 라만 분광기(Raman spectroscopy, Bruker FRA 106/S)로 측정하였다.

이하, 실시예 및 비교예에 따라 제조된 활성탄의 특성을 비교 평가하여 설명한다.

상기 실시예 및 비교예를 통하여 제조된 활성탄의 기공 특성 및 비표면적은 질소흡착등온선을 이용하여 평가하였으며, 각각의 결과를 그림 1 및 표 1에 나타내었다. 상기 실시예 1을 통하여 제조된 활성탄은 1519.6 m2/g의 높은 비표면적을 가짐과 동시에 95.6%의 높은 micropore 비율을 가지고 있었다. 실시예 1과 비교하여 낮은 온도에서 활성화된 실시예 2의 경우 비표면적이 729.6 m2/g으로 감소하였으나 높은 micropore 비율(98.7%)을 유지하였다. 산화 온도가 240℃인 실시예 3의 경우 micropore의 비율이 유지된 반면 비표면적이 553.3 m2/g으로 감소하였다. 비교예 1의 경우 비표면적이 1.9 m2/g으로 기공이 형성되지 않는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 피치의 산화공정이 코크스의 결함에 미치는 영향을 확인하기 위하여 실시예 1, 실시예 3, 비교예 1로부터 제조된 산화된 피치 및 코크스에 대한 분석을 실시하였다.

[표 1] 제조된 활성탄의 비표면적 및 기공 특성

상기 실시예 1, 실시예 3, 비교예 1을 통하여 제조된 산화 피치(산소 관능기가 도입된 피치)의 특성은 원소분석을 이용하여 산소의 함량을 평가하였으며, 각각의 결과를 표 2에 나타내었다. 산화 처리를 하지 않은 비교예 1 피치의 탄소함량은 94.1%로 가장 높게 나타났으며, 5.7%의 수소, 0.2%의 산소를 함유하고 있었다. 열산화 처리온도가 증가할수록 탄소 및 수소의 함량이 감소한 반면 산소의 비율이 증가되었다. 열산화 처리온도가 가장 높았던 실시예 1이 가장 산소 함량이 높았다.

[표 2] 열산화된 피치의 산소 함량원소 분석 결과

상기 실시예 1, 실시예 3, 비교예 1을 통하여 제조된 코크스의 특성은 XRD 및 Raman을 이용하여 결정성을 평가하였으며, 각각의 결과를 도 2 및 도 3에 나타내었다. Raman 결과로부터 결함의 정도를 나타내는 Id/Ig를 계산하였으며, 이를 표 3에 나타내었다.

도 2는 실시예 1, 실시예 3, 비교예 1을 통하여 제조된 코크스의 XRD 결과를 나타낸 것으로 열산화 처리온도가 증가할수록 002면을 나타내는 피크의 강도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 피크의 강도의 감소는 결정성이 떨어지는 것을 의미하며, 이에 따라 실시예 1의 결정성이 가장 낮게 나타났다.

도 3 및 표 3은 실시예 1, 실시예 3, 비교예 1을 통하여 제조된 코크스의 Raman 분석결과를 나타낸 것이다. Raman 분석결과 결함의 비율을 나타내는 Id/Ig가 실시예 1이 가장 높게 나타났으며 비교예 1이 가장 낮게 나타났다. 이는 실시예 1로부터 제조된 코크스가 가장 많은 결함을 가지고 있음을 확인하였다.

[표 3] 코크스의 결함

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적은 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims

(a) 피치에 산소 관능기를 도입하여, 활성화용 산화된 피치를 제조하는 단계;
(b) 상기 산화된 피치를 탄화하여 코크스를 제조하는 단계;
(c) 상기 코크스를 물리적 활성화하여 비표면적이 550 내지 2100 m2/g 이고, 마이크로 기공(micro pore)의 부피가 0.2 cm³/g 이상이고. 마이크로 기공(micro pore)의 함유량이 82 내지 99%를 포함하는 활성탄을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 피치는 석유계 피치, 석탄계 피치 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 (a)단계는 열산화, 산처리, 플라즈마 처리 중 어느 하나 이상을 선택하여 처리하는 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 (a) 단계에서 산화된 피치는 산소/탄소의 함량무게비가 0.2 보다 큰 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 (a) 단계는 피치를 150 내지 400℃의 온도에서 1 내지 12시간 동안 산소를 포함하는 기체와 접촉시켜 수행하는 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서 탄화된 코크스의 결함 비율[Raman 분석의 결함 강도(Ig)/결정성 강도(Ig)]이 0.93 보다 큰 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 (b) 단계는 상기 산화된 피치를 800 내지 1200℃의 온도에서 불활성 기체와 접촉시켜 수행하는 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 (c) 단계는 상기 코크스를 800 내지 1200℃의 온도에서 30분 내지 5시간 동안 물리적 활성화제와 접촉시켜 수행하는 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
제 8항에 있어서,
상기 물리적 활성화제는 이산화탄소(CO2), 수증기 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있는 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 활성탄.