KR20220151067A - 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법은 와이어를 준비하는 단계; 상기 와이어를 코일 또는 스프링 형태로 성형하여 탄성 변형이 가능한 지지 구조체를 형성하는 기본 성형 단계; 및 상기 지지 구조체의 표면에 촉매를 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법 {Method for producing a catalyst support in the form of coil or spring}
본 발명은 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄성 변형이 가능하여 다양한 형상의 반응로 내에 탄력적으로 적용할 수 있는 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법에 관한 것이다.
화학반응을 가속하기 위한 촉매는 석유화학, 고분자 중합 등 다양한 화학반응이 필요한 분야에 사용되고 있다.
이러한 촉매는 최근 연료전지, 수소생산의 열분해 공정 등 친환경 에너지기술에 필수적으로 사용된다.
따라서 촉매는 촉매 지지체(support) 상에 제작되어 상기 반응이 일어나는 반응기(reactor) 내부에 위치하는데, 효율적 반응을 위해서는 아래의 조건이 중요하다.
- 반응조건(고온)에서 내구성이 좋아야 함
- 작동유체와 접촉면적이 넓어야 함
- 부산물(카본)이 침착되지 않아야 하고, 침착되더라도 배출이 용이해야 함
종래에는 상기와 같은 기술적 조건을 만족하기 위하여, 다양한 형태의 촉매 지지체가 개발되었다.
일례로, 종래 촉매 지지체는 다공성 세라믹 소재를 이용하여 제작될 수 있는데, 이러한 다공성 세라믹 촉매 지지체는 구조적으로 높은 강도를 가지고, 형태적으로 높은 비표면적을 가져 촉매 지지체로서 적합한 것으로 인정되고 있다.
하지만, 다공성 세라믹 촉매 지지체는 저열팽창성 세라믹스로 제조되기 때문에 온도 변화가 급격한 사용조건에서는 열충격에 의한 파손의 우려가 있어서 안정성 측면에서 문제점을 가지며, 소재 특성상 가공성이 떨어져 다양한 형상의 반응로에 적용하지 못하는 문제가 있다.
또한, 비드형 촉매 지지체는 부산물 침착시 배출이 용이하지만, 비드형 촉매 지지체의 배열 상태에 따라 반응기 내에서 차지하는 체적이 일정하지 않아 반복적으로 다져가면서 공급해야하는 불편함이 있다.
이외에도 반응기 내벽에 촉매물질을 직접 코팅하는 방법 등이 있으나, 촉매 반응면적이 작고 촉매의 교체가 불가능하다는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제10-1596401호 (2015.10.01.)
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 탄성 변형이 가능하여 다양한 형상의 반응로 내에 탄력적으로 적용할 수 있는 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법을 제공함에 있다.
또한, 가공성이 우수하여 제조가 용이하고, 내구성이 우수하여 잦은 유지보수가 불필요할 뿐 아니라, 반응로 내에 공급 및 배출이 용이하여 촉매의 오염 또는 손상시 쉽게 교체할 수 있는 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 와이어를 준비하는 단계; 상기 와이어를 코일 또는 스프링 형태로 성형하여 탄성 변형이 가능한 지지 구조체를 형성하는 기본 성형 단계; 및 상기 지지 구조체의 표면에 촉매를 코팅하는 단계;를 포함하는 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법에 의해 달성된다.
여기서, 상기 와이어는 스프링 강(spring steel) 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 기본 성형 단계에서 성형된 코일 또는 스프링 형태의 지지 구조체를 다시 코일 또는 스프링 형태로 성형하는 추가 성형 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 추가 성형 단계에서 성형되는 코일 또는 스프링의 직경은 상기 기본 성형 단계에서 성형되는 코일 또는 스프링의 직경보다 크게 설정되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 기본 성형 단계를 통해 제조된 복수의 코일 또는 스프링 형태의 지지 구조체를 서로 중첩시켜 다중 스프링 구조로 성형하는 추가 성형 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 복수의 지지 구조체는 직경이 서로 다르게 성형되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 기본 성형 단계에서 형성된 코일 또는 스프링 형태의 지지 구조체를 뭉치 형태로 성형하는 추가 성형 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 탄성 변형이 가능하여 다양한 형상의 반응로 내에 탄력적으로 적용할 수 있는 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법이 제공된다.
또한, 가공성이 우수하여 제조가 용이하고, 내구성이 우수하여 잦은 유지보수가 불필요할 뿐 아니라, 반응로 내에 공급 및 배출이 용이하여 촉매의 오염 또는 손상시 쉽게 교체할 수 있는 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법이 제공된다.
도 1은 본 발명 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법의 공정 순서도,
도 2는 본 발명 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법의 공정별 지지체의 형상을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법의 사용예를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법의 다른 실시예를 나타낸 공정 순서도이고,
도 5 내지 도 7은 본 발명 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법의 다른 실시예에 따른 지지체의 형상을 나타낸 도면이다.
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법에 대하여 상세하게 설명한다.
첨부도면 중 도 1은 본 발명 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법의 공정 순서도, 도 2는 본 발명 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법의 공정별 지지체의 형상을 나타낸 도면, 도 3은 본 발명 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법의 사용예를 나타낸 도면이다.
상기 도면에 도시된 바와같은 본 발명 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법은 준비 단계(S110), 기본 성형 단계(S120) 및 코팅 단계(S140)를 포함한다.
상기 준비 단계(S110)에서는 탄성 변형이 가능한 지지 구조체(20)를 성형하기 위해, 탄성한도가 크면서 영구변형이 없고, 가공 및 열처리가 쉽고, 부식에 강한 재질의 와이어(10)를 준비한다.
예컨대, 상기 와이어(10)의 재질은 스테인레스강(stanress steel), 경강(hard steel), 피아노선(piano wire)과 같은 스프링강(spring steel)으로 이루어지는 것이 바람직하며, 사용 환경에 따라 황동, 인천동(phosphor bronze)과 같은 비철금속 재료로 이루어지거나, 합성수지와 같은 비금속 재료로 이루어지는 것도 가능할 것이다.
상기 와이어(10)의 단면 형상이나 직경은 반응로(40)의 사용환경에 따라 적절하게 변경 가능하다.
상기 기본 성형 단계(S120)에서는 상기 와이어(10)를 코일 또는 스프링 형태로 성형하여 탄성 변형이 가능한 지지 구조체(20)를 형성한다.
이때, 상기 코일 또는 스프링의 형상은, 인접 배치되는 한 쌍의 와이어(10)가 서로 밀착하지 않도록, 와이어(10)의 직경보다 큰 피치를 가지고 일방향으로 길게 연장되는 형태로 이루어지는 것이 바람직하다. 아울러, 본 실시예의 도면에는 상기 지지 구조체(20)가 코일 스프링의 형상을 갖는 것으로 예를 들어 도시하였으나, 탄성 변형이 가능한 범위 내에서 다양한 형태로 변형하는 것도 가능하다.
아울러, 상기 지지 구조체(20)의 외경은 반응로(40) 내부 공간의 폭에 대응하여 설정될 수 있으며, 지지 구조체(20)의 길이는 반응로(40) 내부 공간의 길이 보다 상대적으로 길게 설정되는 것이 바람직하다. 즉, 지지 구조체(20)를 압축시킨 상태로 반응로(40)의 내부 공간에 삽입하는 경우, 반응로(40) 내부에서 지지 구조체(20)가 임의로 이동하는 것으로 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 촉매(30)의 반응 면적을 더욱 증대시키는 효과를 얻을 수 있다.
상기 코팅 단계(S140)는 상기 지지 구조체(20)의 표면에 촉매(30)를 코팅하는 것으로서, 코팅 방법으로는, 지지 구조체(20)를 촉매(30)용액이 저장된 용액조에 침지시킨 다음 건조시켜 지지 구조체(20)의 표면에 촉매(30) 코팅층을 형성하거나, 화학기상증착(Chemical vapor deposition) 공정을 통해 챔버 내에서 촉매(30)성분을 증발시킨 후 지지 구조체(20)의 표면에 증착시켜 촉매(30) 코팅층을 형성하는 방법 등이 이용될 수 있다.
다양한 형상의 반응로(40) 내에 지지 구조체(20)를 직접 삽입하기 위해서는 지지 구조체(20)의 구조가 적절히 변경되어야 할 필요가 있다. 예컨대, 도 3과 같이 반응로(40)의 내부 공간이 곡률을 갖거나, 구불구불한 좁은 통로로 이루어지는 경우, 종래의 세라믹 촉매(30) 지지체를 삽입하기가 곤란한데, 본 발명에 의해 제조된 지지 구조체(20)는 코일 또는 스프링과 비슷한 형상과 기능(탄성 변형 및 탄성 복원력)을 가지므로, 반응로(40) 내부 공간에 지지 구조체(20)를 용이하게 삽입하거나 꺼낼 수 있다. 따라서 촉매(30)의 오염 또는 손상시 촉매(30) 및 지지 구조체(20)를 용이하게 교체할 수 있다.
뿐만 아니라, 반응로(40)의 내부 공간의 내부에 삽입된 코일 또는 스프링 형상을 갖는 지지 구조체(20)는 반응로(40)를 통과하는 반응유체의 난류를 유도하므로, 촉매(30)반응을 더욱 활성화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 반응유체의 혼합에 유리하다.
다음으로 본 발명 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법의 다른 실시예에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법의 다른 실시예를 나타낸 공정 순서도이고, 도 5 내지 도 7은 본 발명 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법의 다른 실시예에 따른 지지체의 형상을 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법의 다른 실시예는, 추가 성형 단계(S130a,S130b,S130c)를 통해 2차 성형이 이루어진 지지 구조체(20)를 제공한다는 점에서 상술한 제1실시예와 차이를 갖는다.
한편, 추가 성형 단계(S130a,S130b,S130c)를 제외한 나머지 단계는 제1실시예와 동일하므로, 동일한 단계에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
먼저, 상기 추가 성형 단계(S130a)에서는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 기본 성형 단계(S120)에서 성형된 코일 또는 스프링 형태의 지지 구조체(20)를 다시 코일 또는 스프링 형태로 성형함으로써 복합구조의 지지 구조체(20-1)을 형성할 수 있다. 즉, 기본 성형 단계(S120)에서 와이어(10)를 이용해 1차 코일부(21)를 성형하고, 추가 형성 단계(S130a)에서 1차 코일부(21)를 이용해 2차 코일부(22)를 성형할 수 있다. 예컨대, 상기 2차 코일부(22)는 원형 단면의 길이부재로 이루어지는 코어(미도시)의 외측면에 상기 1차 코일부(21)를 나선 형태로 감는 방법으로 성형할 수 있다. 이때, 상기 2차 코일부(22)의 피치는 상기 1차 코일부(21)의 외경보다 크게 설정되는 것이 바람직하다.
상기와 같이 지지 구조체(20-1)가 1차 코일부(21)와 2차 코일부(22)를 갖는 복합구조를 갖는 경우, 지지 구조체(20-1)의 표면적을 더욱 확대할 수 있고, 반응로(40)를 통과하는 반응유체를 더욱 미세하게 혼합할 수 있다.
또한, 상기 추가 성형 단계(S130b)는 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 기본 성형 단계(S120)에서 제조된 직경이 서로 다른 복수의 코일 또는 스프링 형태의 지지 구조체(20a,20b)를 서로 중첩시켜 다중구조의 지지 구조체(20-2)를 형성할 수 있다.
즉, 기본 성형 단계(S120)에서 소정의 외경을 갖는 제1 지지 구조체(20a)와, 상기 제1 지지 구조체(20a)에 비해 상대적으로 큰 직경을 갖는 제2 지지 구조체(20b)를 각각 형성하고, 추가 성형 단계(S130b)에서 상기 제2 지지 구조체(20b)의 내부에 제1 지지 구조체(20a)를 삽입함으로써, 직경이 서로 다른 제1 지지 구조체(20a)와 제2 지지 구조체(20b)가 중첩된 다중구조의 지지 구조체(20-2)를 형성할 수 있다.
상기와 같이 지지 구조체(20-2)가 제1 지지 구조체(20a)와 제2 지지 구조체(20b)를 갖는 다중 구조로 이루어지는 경우, 지지 구조체(20-2)의 표면적을 더욱 확대할 수 있다.
아울러, 도 5 및 도 6과 같이 형성된 지지 구조체(20-1,20-2)는 코일 또는 스프링의 형상을 가지면서 탄성 변형이 가능하므로, 반응로(40)의 내부 공간이 곡률을 갖거나, 구불구불한 좁은 통로로 이루어지는 경우에도 지지 구조체(20-1,20-2)를 용이하게 삽입하거나 꺼낼 수 있다. 따라서 촉매(30)의 오염 또는 손상시 촉매(30) 및 지지 구조체(20-1,20-2)를 용이하게 교체할 수 있다.
아울러, 도면에는 도시하지 않았으나, 상기 제1 지지 구조체(20a)와 제2 지지 구조체(20b) 중 적어도 어느 하나를 도 5와 같이 1차 코일부(21)와 2차 코일부(22)를 갖는 복합구조로 구성하는 것도 가능할 것이다.
아울러, 상기 추가 성형 단계(S130c)에서는 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 기본 성형 단계(S120)에서 형성된 코일 또는 스프링 형태의 지지 구조체(20)를 감거나 뭉쳐 뭉치 뭉치 형태의 지지 구조체(20-3)를 형성할 수 있다. 이와 같이 지지 구조체(20-3)를 코일 또는 스프링 뭉치의 형태로 제조하는 경우 지지 구조체(20-3)의 표면적을 극대화할 수 있다.
추가 성형 단계(S130c)에 의해 형성된 코일 또는 스프링 뭉치 형태로 이루어진 지지 구조체(20-3)는 반응로(40)의 내부 공간의 부피보다 큰 부피를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 지지 구조체(20-3)를 압축시킨 상태로 반응로(40)의 내부 공간에 삽입하면, 지지 구조체(20-3)가 반응로(40)의 내부 공간에서 탄성 복원됨에 따라 반응로(40)의 내부 공간을 가득 채우는 형태가 될 수 있다. 따라서, 반응로(40)의 내부 공간이 비정형의 형상으로 이루어지거나 반응로(40)의 입구보다 크게 확장되는 경우에도 지지 구조체(20-3)를 용이하게 삽입하거나 꺼낼 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
10:와이어, 20:지지 구조체, 30:촉매,
40:반응로, S110:준비 단계, S120:기본 성형 단계,
S130a.S130b,S130c:추가 성형 단계, S140:촉매 코팅 단계

Claims (7)

  1. 와이어를 준비하는 단계;
    상기 와이어를 코일 또는 스프링 형태로 성형하여 탄성 변형이 가능한 지지 구조체를 형성하는 기본 성형 단계; 및
    상기 지지 구조체의 표면에 촉매를 코팅하는 단계;를 포함하는 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 와이어는 스프링 강(spring steel) 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 기본 성형 단계에서 성형된 코일 또는 스프링 형태의 지지 구조체를 다시 코일 또는 스프링 형태로 성형하는 추가 성형 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 추가 성형 단계에서 성형되는 코일 또는 스프링의 직경은 상기 기본 성형 단계에서 성형되는 코일 또는 스프링의 직경보다 크게 설정되는 것을 특징으로 하는 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 기본 성형 단계를 통해 제조된 복수의 코일 또는 스프링 형태의 지지 구조체를 서로 중첩시켜 다중 스프링 구조로 성형하는 추가 성형 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 복수의 지지 구조체는 직경이 서로 다르게 성형되는 것을 특징으로 하는 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 기본 성형 단계에서 형성된 코일 또는 스프링 형태의 지지 구조체를 뭉치 형태로 성형하는 추가 성형 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 코일 또는 스프링 형태의 촉매 지지체 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101596401B1 (ko) 2014-03-19 2016-02-22 한양대학교 에리카산학협력단 수처리용 광촉매 담지 무기 중공비드 및 이의 제조방법

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