KR20230030318A - Carbon nanotube bead for directly-irradiated particle receiver and manufacturing method thereof - Google Patents

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KR20230030318A
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Abstract

The present invention relates to a carbon nanotube bead (CNT bead) that can be used as a heat transfer medium (heat absorber) in a solar fluidized bed heat absorbing device and a manufacturing method thereof. The carbon nanotube bead particles produced by the manufacturing method of the present invention maintains characteristics of carbon nanotube raw material particles with excellent heat transfer characteristics and characteristics of a Geldart A area that improves fluidity in a fluidized bed, thereby having good fluidity on a surface of the fluidized bed and showing homogeneous characteristics due to formation of small bubbles even when the particles are ejected above the fluidized bed. Accordingly, the carbon nanotube bead particles of the present invention can be usefully used as a heat transfer medium (heat absorber) in a solar fluidized bed particle heat absorbing device. The manufacturing method comprises the steps of: mixing cresol and carbon nanotubes into a paste; first agitating the paste with water and stabilizing the same; secondly agitating the same; obtaining a CNT aggregate; first drying the CNT aggregate; washing the CNT aggregate; and obtaining beads in a particulate form.

Description

입자기반 태양열 흡열기용 탄소나노튜브 비드 열흡수체 및 이의 제조방법{Carbon nanotube bead for directly-irradiated particle receiver and manufacturing method thereof}Carbon nanotube bead heat absorber for particle-based solar heat absorber and manufacturing method thereof {Carbon nanotube bead for directly-irradiated particle receiver and manufacturing method thereof}

본 발명은 태양열 유동층 흡열기 내 열전달 매체(열흡수체)로 사용될 수 있는 탄소나노튜브 비드(carbon nano tube bead, CNT bead) 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon nano tube bead (CNT bead) that can be used as a heat transfer medium (heat absorber) in a solar fluidized bed heat absorber and a method for manufacturing the same.

태양 에너지는 지구에서 가장 풍부한 에너지 자원으로 태양광을 에너지로 변환하는 기술로 크게 PV(Solar photovoltaic energy) 전지에서 직접 전력으로 변환하는 기술, 집광을 통해 전력을 생산하는 CSP(Concentrating Solar Power) 기술 및 태양열 에너지를 이용하여 직접 또는 간접적으로 가열 및 냉각에 적용하는 SHC(Solar Thermal Collectors for heating and cooling) 기술로 구분된다. 현재까지 화석연료 소비에 매우 높은 분율을 차지하는 발전 부문에서의 이산화탄소 배출 저감을 위해 PV 기술 및 CSP 기술 위주의 많은 진전이 있어 왔다. 그러나, 최근 1차 및 2차 산업(농업, 화학, 제지 등)은 물론, 석탄 발전 및 정유산업에서 연소용 공기의 예열 등과 같이 250 - 300 도씨 이하의 중·저온 에너지 생산에 있어, 신재생에너지로서 태양열 에너지 이용에 대한 관심이 집중되고 있다.Solar energy is the most plentiful energy resource on Earth. It is a technology that converts sunlight into energy. PV (Solar photovoltaic energy) technology directly converts into electricity, CSP (Concentrating Solar Power) technology that produces power through condensing, and It is classified as SHC (Solar Thermal Collectors for heating and cooling) technology that applies direct or indirect heating and cooling using solar energy. To date, a lot of progress has been made, mainly with PV technology and CSP technology, to reduce carbon dioxide emissions in the power sector, which accounts for a very high percentage of fossil fuel consumption. However, in the recent primary and secondary industries (agriculture, chemistry, papermaking, etc.) as well as in the production of medium and low temperature energy of 250 - 300 degrees Celsius or less, such as preheating of combustion air in coal power generation and oil refining industry, new and renewable [0003] Attention is focused on the use of solar energy as an energy source.

태양열 에너지를 활용하기 위한 SHC 기술은 크게 태양광을 모으는 집광기술(렌즈 영역)과 모아진 태양광을 전달 매체(Energy carrier)에 전달하는 흡열기(receiver) 기술로 구분할 수 있다. 흡열기 시스템은 직접 조사 방식과 간접 조사 방식으로 구분될 수 있고, 현재까지 발전용 전열 방식은 튜브를 가열하여 튜브 내 염(salt) 또는 수증기를 간접적으로 가열하거나(열교환기 방식), 태양광이 조사되는 투명관 내 수증기 또는 기체를 가열하는 방식이 주로 채택되고 있다. 그러나, 간접 열교환기 방식은 열전달에 있어 저항의 증가로, 열전달 효율이 떨어질 수 있다. 수증기 또는 기체에 대한 직접 조사 방식 또한, 열 흡수능이 떨어져 조사된 태양광의 에너지가 효율적으로 전달되기 어렵다.The SHC technology for utilizing solar energy can be largely divided into a concentrating technology (lens area) that collects sunlight and a receiver technology that transmits the collected sunlight to an energy carrier. The heat absorber system can be divided into a direct irradiation method and an indirect irradiation method. Until now, the heat transfer method for power generation indirectly heats salt or water vapor in the tube by heating the tube (heat exchanger method), or sunlight A method of heating steam or gas in a transparent tube to be irradiated is mainly adopted. However, in the indirect heat exchanger method, heat transfer efficiency may decrease due to an increase in resistance in heat transfer. In the direct irradiation method for water vapor or gas, it is difficult to efficiently transmit the energy of the irradiated sunlight due to poor heat absorption.

이에, 기체에 의해 입자를 부유시키는 유동화 현상을 이용하여 고체입자의 원활한 혼합과 이에 의한 높은 열전달 특성을 갖는 유동층 내 입자에 태양광을 직접 조사하는 유동층 입자 흡열기(fluidized particle receiver)를 이용하여, 기체에 흡수된 열을 전달하는 방식이 제안되어 왔다.Therefore, by using a fluidized particle receiver that directly irradiates sunlight to particles in a fluidized bed having smooth mixing of solid particles and thereby high heat transfer characteristics by using a fluidization phenomenon in which particles are suspended by gas, A method of transferring the heat absorbed by the gas has been proposed.

태양열 유동층 입자 흡열기 내부에서 사용되는 에너지 흡수체(매체 입자)로서 모래(sand) 등이 주로 활용되나, 흑체(Black body)로서의 열방사율(emissivity)이 낮아, 기체로의 열전달 효율이 낮은 문제점이 있다. 한편, Tower 형과 같이 높은 기체 유속에서 운전될 경우, 입자간 또는 입자와 흡열기 벽면과의 충돌 및 마찰로 인해 미분(fine particles)이 발생되고, 이 미분들이 정전기 현상에 의해 태양광 투과관에 붙어, 태양광의 투과율을 현저히 낮추는 문제점이 있다. 또한, 열방사율의 개선을 위해 검은색의 실리콘 카바이드 (SiC) 입자를 적용하는 경우도 있으나, 입자 경도가 높아, 태양관 투과관에 스크래치를 유발하여 태양광 투과를 낮추거나, 장치를 손상시키는 문제를 야기한다. 이에, 태양 에너지 흡수체의 새로운 개발이 요구되고 있다.Sand, etc. is mainly used as an energy absorber (media particle) used inside the solar fluidized bed particle absorber, but there is a problem in that the heat transfer efficiency to gas is low due to low emissivity as a black body. . On the other hand, when the tower type is operated at a high gas flow rate, fine particles are generated due to collision and friction between the particles or between the particles and the wall of the heat absorber, and these fine particles are absorbed into the solar light transmission tube by the electrostatic phenomenon. There is a problem of sticking and significantly lowering the transmittance of sunlight. In addition, there are cases in which black silicon carbide (SiC) particles are applied to improve thermal emissivity, but the particle hardness is high, causing scratches on the solar tube tube to lower the solar transmission or damage the device. cause Accordingly, a new development of a solar energy absorber is required.

한편, 탄소나노튜브 입자는 높은 열전도도와 흑체로서의 열방사율이 높으며, 전기전도도가 높아 정전기에 의해 흡열기 벽면에 입자가 달라 붙지 않으며, 경도가 낮아 입자에 의한 벽면 손상이 없고, 미분 발생시 반데르 발스힘(van der Waals force) 및 물리적 얽힘 현상(physical entanglement)에 의해 모입자에 재응집 됨을 확인하였다. 이에 따라, 태양열 가열 시스템에 매우 적합할 수 있는 가능성이 높다. 그러나, 탄소나노튜브 입자는 입자의 유동 성상을 지시하는 겔닷 (Geldart) 도표에 나온 것처럼 기존 입자의 분류 영역 이외의 영역에 존재하여 특이한 거동을 나타내는데, 구체적으로, 유동층 흡열기에 적용할 경우 입자간 얽힘현상에 의해 기체 주입 시 기체가 특정 영역으로만 흐름을 갖는 채널링(channeling) 현상이 나타나는 등, 입자의 유동성이 매우 낮아 유동층 적용에 적합하지 않다. 이는 입자의 물성을 유동층에 적합한 새로운 물성을 갖도록 물성을 조절하는 것이 필요하다는 것을 의미한다. 이와 관련하여 탄소나노튜브 입자의 전자 소재 응용을 위해 거대 입자화 연구가 이뤄지고 있고, 다양한 방법이 제안되고 있다(Bryning et al.,2007;Kang and Moon,2014). 그러나, 최근 문헌 연구결과에서 보고된 크기는 최대 20 마이크로미터 수준으로 이러한 경우, Geldart C 영역(도 1 참조)의 입자로 여전히 입자간의 응집력에 의해 유동층 내 유동성은 개선되지 않는다. 또한, Lee and Kim (2020) 등이 탄소나노튜브를 이용하여, 거대 입자로 성형을 제안하였으나, 평균 입경이 1mm 이상으로 너무 거대화되어 거대 기포 또는 기체 슬러그의 발생 등 유동층 적용에 한계점을 나타내었다.On the other hand, carbon nanotube particles have high thermal conductivity and high thermal emissivity as a black body, high electrical conductivity, so that particles do not stick to the heat absorber wall surface due to static electricity, and low hardness, so there is no damage to the wall surface by particles, and when fine powder is generated, van der Waals It was confirmed that the particles were re-aggregated into the parent particles by van der Waals force and physical entanglement. Accordingly, it is likely to be very suitable for solar heating systems. However, as shown in the Geldart diagram indicating the flow properties of the particles, carbon nanotube particles exist in an area other than the classification area of the existing particles and show a unique behavior. Specifically, when applied to a fluidized bed heat absorber, between particles Due to the entanglement phenomenon, when gas is injected, a channeling phenomenon in which gas flows only in a specific area appears, and the fluidity of the particles is very low, so it is not suitable for fluidized bed application. This means that it is necessary to adjust the physical properties of the particles to have new properties suitable for the fluidized bed. In this regard, large-particle research is being conducted for the application of carbon nanotube particles to electronic materials, and various methods have been proposed (Bryning et al., 2007; Kang and Moon, 2014). However, the size reported in recent literature research results is at the maximum level of 20 micrometers. In this case, the fluidity in the fluidized bed is not improved due to the cohesive force between the particles with the particles of the Geldart C region (see FIG. 1). In addition, Lee and Kim (2020) suggested molding into giant particles using carbon nanotubes, but the average particle diameter was too large, exceeding 1 mm, and there were limitations in the application of fluidized beds, such as the generation of giant bubbles or gas slugs.

이러한 배경 하에, 본 발명자는 탄소나노튜브 구형화 성형을 통해 유동층 흡열기에 적합한 입자 유동성을 고려하여 최소 40 마이크로미터 이상의 입자를 성형하여 태양열 에너지 흡수체로서 최적의 물성을 갖는 제조법을 제안하였다.Under this background, the present inventors have proposed a manufacturing method having optimal physical properties as a solar energy absorber by molding particles of at least 40 micrometers or more in consideration of particle fluidity suitable for a fluidized bed heat absorber through spheroidization of carbon nanotubes.

한국공개특허 제10-2019-0087908호Korean Patent Publication No. 10-2019-0087908

따라서 본 발명의 목적은 태양열 유동층 입자 흡열기 내 열전달 매체(열흡수체)로 사용될 수 있는 탄소나노튜브 비드의 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing carbon nanotube beads that can be used as a heat transfer medium (heat absorber) in a solar fluidized bed particle absorber.

본 발명의 다른 목적은, 상기 방법으로 제조된 태양열 유동층 입자 흡열기 내 열전달 매체(열흡수체)로 사용될 수 있는 탄소나노튜브 비드를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide carbon nanotube beads that can be used as a heat transfer medium (heat absorber) in a solar fluidized bed particle absorber manufactured by the above method.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해서,In order to achieve the object of the present invention as described above,

본 발명은 a) 크레졸 및 탄소나노튜브를 혼합하여 페이스트 상태로 제조하는 단계; b) 교반기에 상기 페이스트와 함께 물을 첨가하여 1차 교반시킨 다음 안정화시키는 단계; c) 상기 1차 교반 과정을 거친 혼합액을 2차 교반시키는 단계; d) 상기 2차 교반 과정을 거친 혼합액을 물을 이용하여 세척하면서 여과시켜 탄소나노튜브(CNT) 응집체를 수득하는 단계; e) 상기 탄소나노튜브(CNT) 응집체를 1차 건조시키는 단계; f) 상기 1차 건조 과정을 거친 탄소나노튜브(CNT) 응집체에 물을 첨가하여 교반시킨 다음 세척하는 단계; 및 g) 진공 건조를 통해 미립자 형태의 비드를 수득하는 단계;를 포함하는, 태양열 유동층 입자 흡수기용 탄소나노튜브 비드 열흡수체의 제조방법을 제공한다.The present invention comprises the steps of a) preparing a paste by mixing cresol and carbon nanotubes; b) first stirring by adding water together with the paste to a stirrer and then stabilizing; c) secondarily stirring the mixed solution that has undergone the first stirring process; d) obtaining carbon nanotube (CNT) aggregates by filtering the mixed solution after the secondary stirring process while washing with water; e) firstly drying the carbon nanotube (CNT) aggregate; f) adding water to the carbon nanotube (CNT) aggregate that has undergone the primary drying process, stirring, and then washing; and g) obtaining beads in the form of fine particles through vacuum drying.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 d) 단계 이후 d’)오일 흡수지를 이용하여 크레졸을 흡수하는 단계를 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, after step d), d') absorbing cresol using oil absorbent paper may be further included.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 b) 단계에서 1차 교반은 5000 ~ 7000rpm 에서 5 ~ 20분 동안 진행될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the primary stirring in step b) may be performed at 5000 to 7000 rpm for 5 to 20 minutes.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 c) 단계에서 2차 교반은 5000 ~ 7000rpm 에서 5 ~ 20분 동안 진행될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the secondary stirring in step c) may be performed at 5000 to 7000 rpm for 5 to 20 minutes.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 f) 단계에서 1차 건조는 180 ~ 190℃의 온도 및 0.2atm의 압력 조건에서 40 ~ 50시간 동안 진행될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the primary drying in step f) may be performed for 40 to 50 hours at a temperature of 180 to 190 ° C and a pressure of 0.2 atm.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 g) 단계에서 진공 건조는 160 ~ 170℃의 온도 및 0.9 ~ 1.0atm의 압력 조건에서 진행될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the vacuum drying in step g) may be performed at a temperature of 160 to 170 ° C and a pressure of 0.9 to 1.0 atm.

또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 태양열 유동층 입자 흡수기용 탄소나노튜브 비드 열흡수체를 제공한다.In addition, the present invention provides a carbon nanotube bead heat absorber for a solar fluidized bed particle absorber manufactured by the above method.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브 비드 열흡수체는 200 ~ 600μm 입자 크기를 가질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the carbon nanotube bead heat absorber may have a particle size of 200 to 600 μm.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브 비드 열흡수체는 0.2 ~ 0.3g/cm3 범위의 입자 밀도를 가질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the carbon nanotube bead heat absorber may have a particle density ranging from 0.2 to 0.3 g/cm3.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 상기 탄소나노튜브 비드 열흡수체는 Geldart 분류의 Group A 범위에 해당될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the carbon nanotube bead heat absorber may correspond to the Group A range of Geldart classification.

본 발명의 제조방법으로 제조된 탄소나노튜브 비드 입자는 열전달 특성이 우수한 탄소나노튜브 원재료 입자의 특성을 유지하면서도 유동층 내 유동성을 향상시키는 Geldart A 영역의 특성을 유지하여 유동층 표면에서의 유동성이 좋을 뿐만 아니라, 작은 기포 형성으로 인해 입자가 유동층 상부로 분출시에도 균질한 특성을 나타낼 수 있다. 이에, 상기와 같은 특징을 갖는 본 발명의 탄소나노튜브 비드 입자는 태양열 유동층 입자 흡열기 내 열전달 매체(열흡수체)로 유용하게 사용될 수 있다.The carbon nanotube bead particles produced by the manufacturing method of the present invention maintain the properties of the raw material particles of the carbon nanotubes with excellent heat transfer properties and maintain the properties of the Geldart A region that improves the fluidity in the fluidized bed, so that they have good fluidity on the surface of the fluidized bed. In addition, due to the formation of small bubbles, homogeneous characteristics can be exhibited even when the particles are ejected to the top of the fluidized bed. Accordingly, the carbon nanotube bead particles of the present invention having the above characteristics can be usefully used as a heat transfer medium (heat absorber) in a solar fluidized bed particle heat absorber.

도 1은 Geldart 분류표를 나타낸 것이다.
도 2는 교반기를 이용한 본 발명의 탄소나노튜브 비드의 유화 제조방법을 나타낸 것이다((a): 교반기를 이용한 유화 및 수중 분산 과정, (b): 잔류 유기용제 제거를 위한 세정 과정)
도 3은 본 발명의 실시예 1의 탄소나노튜브 비드의 제조방법을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 비교예 1의 탄소나노튜브 비드의 제조방법을 보여주는 흐름도이다((a) 제조방법 흐름도, (b) 막자 및 막자사발, (c) 압출을 위한 주사기).
도 5는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1의 제조방법을 통해 제조된 탄소나노튜브 비드의 형상을 보여주는 이미지이다((a) 비교예 1, (b) 실시예 1의 case 1, (c) 실시예 1의 case 2).
도 6은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1의 제조방법을 통해 제조된 탄소나노튜브 비드의 표면을 보여주는 이미지이다((a) 비교예 1, (b) 실시예 1의 case 1, (c) 실시예 1의 case 2).
도 7은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1의 제조방법을 통해 제조된 탄소나노튜브 비드의 입도 분포를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1의 제조방법을 통해 제조된 탄소나노튜브 비드(CNT bead)에 대한 Geldart 도표 내 위치를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 실시예 2에서 사용한 직접조사형태의 태양열 유동층 가열기의 구조를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예 2에서 사용한 직접조사형태의 태양열 유동층 가열기의 기체 흡열 효율을 나타낸 것이다((a) 유속 증가에 따른 영향, (b) 근사 유속에서 입자별 대조).
Figure 1 shows the Geldart classification table.
Figure 2 shows a method for producing the emulsified carbon nanotube beads of the present invention using an agitator ((a): emulsification and dispersion in water using an agitator, (b): washing process to remove residual organic solvent)
3 is a flowchart showing a method for manufacturing carbon nanotube beads according to Example 1 of the present invention.
4 is a flowchart showing a manufacturing method of carbon nanotube beads of Comparative Example 1 of the present invention ((a) manufacturing method flowchart, (b) pestle and mortar, (c) syringe for extrusion).
5 is an image showing the shape of carbon nanotube beads manufactured through the manufacturing method of Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention ((a) Comparative Example 1, (b) Case 1 of Example 1, (c) ) case 2 of Example 1).
6 is an image showing the surface of carbon nanotube beads prepared through the manufacturing method of Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention ((a) Comparative Example 1, (b) Case 1 of Example 1, (c) ) case 2 of Example 1).
7 shows the particle size distribution of carbon nanotube beads prepared through the manufacturing methods of Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention.
Figure 8 shows the position in the Geldart diagram for carbon nanotube beads (CNT beads) prepared through the manufacturing method of Example 1 of the present invention.
9 shows the structure of a solar fluidized bed heater of direct irradiation type used in Example 2 of the present invention.
10 shows the gas absorption efficiency of the solar fluidized bed heater of the direct irradiation type used in Example 2 of the present invention ((a) effect of increasing flow rate, (b) comparison by particle at approximate flow rate).

본 발명은 태양열 유동층 입자 흡열기용 탄소나노튜브 비드 열흡수체의 제조방법을 제공한다.The present invention provides a method for manufacturing a carbon nanotube bead heat absorber for a solar fluidized bed particle heat absorber.

본 발명의 상기 탄소나노튜브 비드 열흡수체의 제조방법은, a) 크레졸 및 탄소나노튜브를 혼합하여 페이스트 상태로 제조하는 단계; b) 교반기에 상기 페이스트와 함께 물을 첨가하여 1차 교반시킨 다음 안정화시키는 단계; c) 상기 1차 교반 과정을 거친 혼합액을 2차 교반시키는 단계; d) 상기 2차 교반 과정을 거친 혼합액을 물을 이용하여 세척하면서 여과시켜 탄소나노튜브(CNT) 응집체를 수득하는 단계; e) 상기 탄소나노튜브(CNT) 응집체를 1차 건조시키는 단계; f) 상기 1차 건조 과정을 거친 탄소나노튜브(CNT) 응집체에 물을 첨가하여 교반시킨 다음 세척하는 단계; 및 g) 진공 건조를 통해 미립자 형태의 비드를 수득하는 단계;를 포함를 포함할 수 있다.The manufacturing method of the carbon nanotube bead heat absorber of the present invention includes: a) preparing a paste by mixing cresol and carbon nanotubes; b) first stirring by adding water together with the paste to a stirrer and then stabilizing; c) secondarily stirring the mixed solution that has undergone the first stirring process; d) obtaining carbon nanotube (CNT) aggregates by filtering the mixed solution after the secondary stirring process while washing with water; e) firstly drying the carbon nanotube (CNT) aggregate; f) adding water to the carbon nanotube (CNT) aggregate that has undergone the primary drying process, stirring, and then washing; and g) obtaining beads in particulate form through vacuum drying.

본 발명의 상기 a) 단계는 크레졸 및 탄소나노튜브를 혼합하여 페이스트 상태로 제조하는 단계로서, 자세하게는 막자 및 막자사발을 이용하여 m-크레졸 1mL 당40mg의 탄소나노튜브(CNT)를 혼합하여 페이스트 상태로 제조할 수 있다. Step a) of the present invention is a step of preparing a paste by mixing cresol and carbon nanotubes, and in detail, by mixing 40 mg of carbon nanotubes (CNT) per 1 mL of m-cresol using a pestle and a mortar to make a paste. It can be manufactured in condition.

본 명세서 언급되는 "탄소나노튜브"라 함은, 단일벽 구조를 갖는 단일벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nano tube, SWCNT), 이중벽 구조를 갖는 이중벽 탄소나노튜브, 또는 다중벽 구조를 갖는 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nano tube, MWCNT) 및 다발형 탄소나노튜브, 및 이들의 조합으로부터 다양한 종류의 탄소나노튜브가 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 탄소나노튜브는 화학 증착법, 아크 방전법, 플라즈마 토치법 및 이온 충격법등 당업계에 공지된 방법으로 제조될 수 있으며, 당업계에 공지된 통상의 방법으로 전처리 단계를 거칠 수 있으나, 전처리 단계를 거치지 않아도 무방하다. 예컨대, 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nano tube, MWCNT)일 수 있다.The term "carbon nanotube" referred to in this specification refers to a single-walled carbon nanotube (SWCNT) having a single-walled structure, a double-walled carbon nanotube having a double-walled structure, or a multi-walled carbon nanotube having a multi-walled structure. Various types of carbon nanotubes from multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs), bundled carbon nanotubes, and combinations thereof may be used, but are not limited thereto. In addition, the carbon nanotubes may be prepared by a method known in the art, such as a chemical vapor deposition method, an arc discharge method, a plasma torch method, and an ion bombardment method, and may be subjected to a pretreatment step by a conventional method known in the art, There is no need to go through a pre-processing step. For example, the carbon nanotubes may be multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs).

본 발명의 상기 b) 단계는 CNT 페이스트 및 물을 교반기에 넣고 1차 교반시킨 다음 안정화시키는 단계로서, 자세하게는 상기 a) 단계에서 제조된 페이스트와 함께 차가운 물(8℃)을 교반기에 넣고 5000 ~ 7000rpm 에서 5 ~ 20분 동안 기계적 교반을 진행함으로써 마이크로 미터 단위의 유화 액적(m-크레졸과 CNT 혼합액)이 형성되도록 분산시키는 단계이다. 이 때, 유화된 액적 내 m-크레졸의 친수기가 활성화 되어 CNT 응집체가 높은 구형성을 띌 수 있도록 충분한 안정화 시간을 부여할 수 있다.Step b) of the present invention is a step of putting the CNT paste and water into a stirrer, first stirring, and then stabilizing. This is a step of dispersing to form emulsion droplets (mixture of m-cresol and CNT) in micrometer units by mechanically stirring at 7000 rpm for 5 to 20 minutes. At this time, sufficient stabilization time may be given so that the hydrophilic groups of m-cresol in the emulsified droplets are activated so that the CNT agglomerates exhibit high sphericity.

본 발명의 상기 c) 단계는 혼합액을 2차 교반시키는 단계로서, 자세하게는 상기 1차 교반 과정을 거친 혼합액을 5000 ~ 7000rpm 에서 5 ~ 20분 동안 기계적 교반을 진행하는 단계이다.Step c) of the present invention is a step of secondary agitation of the mixed solution, and in detail, mechanical agitation of the mixed solution that has undergone the primary agitation process at 5000 to 7000 rpm for 5 to 20 minutes.

본 발명의 상기 d) 단계는 혼합액을 세척하고 여과하는 과정을 통해 탄소나노튜브(CNT) 응집체를 수득하는 단계로서, 자세하게는 상기 c) 단계를 통해 2차 교반 과정을 거친 혼합액을 여과지로 여과시키고 얻어진 m-크레졸을 포함한 CNT 응집체에 대해 m-크레졸 제거를 위해 물을 이용하여 세정하여 비드 형태의 탄소나노튜브(CNT) 응집체를 수득하는 단계이다.Step d) of the present invention is a step of obtaining carbon nanotube (CNT) aggregates through the process of washing and filtering the mixed solution, and in detail, the mixed solution that has undergone the secondary stirring process through step c) is filtered with a filter paper This step is to obtain a bead-shaped carbon nanotube (CNT) aggregate by washing the obtained CNT aggregate including m-cresol with water to remove m-cresol.

본 발명의 상기 e) 단계는 탄소나노튜브(CNT) 응집체를 1차 건조시키는 단계로서, 자세하게는 상기 d) 단계를 통해 수득한 탄소나노튜브(CNT) 응집체를 180 ~ 190℃의 온도 및 0.2atm의 압력 조건에서 40 ~ 50시간 동안 1차 건조시키는 단계이다.Step e) of the present invention is a step of primary drying the carbon nanotube (CNT) aggregate, and in detail, the carbon nanotube (CNT) aggregate obtained through step d) is dried at a temperature of 180 to 190 ° C. and 0.2 atm. It is a step of primary drying for 40 to 50 hours under a pressure condition of .

본 발명의 상기 f) 단계는 1차 건조 과정을 거친 탄소나노튜브(CNT) 응집체에 물을 첨가하여 교반시킨 다음 세척하는 단계로서, 자세하게는 상기 e) 단계를 통해 1차 건조 과정을 거친 탄소나노튜브(CNT) 응집체에 순수한 물을 넣어준 후 교반기를 이용 6000rpm에서 10분 동안 기계적 교반을 진행하고, 이후 순수한 물로 세척하는 단계이다.The step f) of the present invention is a step of adding water to the carbon nanotube (CNT) aggregate that has undergone the primary drying process, stirring, and then washing. Specifically, the carbon nanotube (CNT) aggregate that has undergone the primary drying process through the After adding pure water to the tube (CNT) aggregate, mechanical stirring is performed at 6000 rpm for 10 minutes using an agitator, followed by washing with pure water.

본 발명의 상기 g) 단계는 진공 건조를 통해 미립자 형태의 비드를 수득하는 단계로서, 상기 진공 건조는 160 ~ 170℃의 온도 및 0.9 ~ 1.0atm의 압력 조건에서 진행될 수 있다.Step g) of the present invention is a step of obtaining beads in the form of fine particles through vacuum drying, and the vacuum drying may be performed at a temperature of 160 to 170 ° C and a pressure of 0.9 to 1.0 atm.

본 발명의 일구체예에서, 상기 d) 단계 이후 d’)오일 흡수지를 이용하여 크레졸을 흡수하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 e) 단계에서 단위 부피당, 탄소나노튜브(CNT) 응집체 내에서 잔류 m-크레졸의 농도가 증가함에 따라, 구형성이 감소하고 외부 CNT 가루 또는 미세한 CNT 입자와의 추가적인 결합을 통해 입자 직경이 증가하는 현상을 확인할 수 있었다. 본 발명의 제조방법에서 d) 단계 이후 d’) 단계를 추가하는 경우, 세정 과정에서 CNT 응집체 외부 표면의 잔류 크레졸을 충분히 제거할 수 있어 CNT 입자의 재 분산 및 CNT 및 미세 CNT 입자와의 응집 현상을 방지하여 우수한 구형성과 유동성에 유리한 낮은 평균 입도를 유지할 수 있다.In one embodiment of the present invention, after step d), d') absorbing cresol using oil absorbent paper may be further included. As the concentration of residual m-cresol per unit volume in the step e) increases in the carbon nanotube (CNT) agglomerate, the sphericity decreases and the particle diameter increases through additional bonding with external CNT powder or fine CNT particles. phenomenon could be confirmed. If step d') is added after step d) in the manufacturing method of the present invention, residual cresol on the outer surface of the CNT agglomerate can be sufficiently removed during the washing process, resulting in redispersion of CNT particles and aggregation of CNT and fine CNT particles. It is possible to maintain a low average particle size that is advantageous for excellent sphericity and fluidity.

또한, 본 발명을 상기 방법으로 제조된 태양열 유동층 입자 흡열기용 탄소나노튜브 비드 열흡수체를 제공한다.In addition, the present invention provides a carbon nanotube bead heat absorber for a solar fluidized bed particle absorber manufactured by the above method.

본 발명의 탄소나노튜브 비드 열흡수체는 200 ~ 600μm 입자 크기 및 0.2 ~ 0.3g/cm3 범위의 입자 밀도를 가짐에 따라, Geldart 분류의 Group A 범위에 해당할 수 있다.As the carbon nanotube bead heat absorber of the present invention has a particle size of 200 to 600 μm and a particle density in the range of 0.2 to 0.3 g/cm 3 , it may correspond to Group A of the Geldart classification.

일반적으로 입자는 입자의 입경과 밀도를 기준으로 Geldart 분류 방법에 따라 4가지로 분류할 수 있다. Group A는 작은 입경과 낮은 밀도(<1.4 g/cm3)를 가지는 입자로 낮은 유속에서 유동이 쉬운 물질이다. Group B는 모래같은 물질로 입경이 40 내지 500㎛ 사이이고, 동시에 밀도가 1.4 내지 4 g/cm3의 물질로서, 유동이 원활히 일어나나, Geldart A 보다 생성되는 기포크기가 더 크게 형성되는 특징이 있다. Group C는 밀가루나 전분같이 입경 또는 겉보기 밀도가 매우 작아서 응집성이 강하여 유동하기 어려운 물질이다. Group D는 석탄처럼 입경이 크거나 무거운 물질로서 유동화를 위해서는 높은 기체속도가 필요하며, 이러한 경우 기체 슬러깅(slugging) 현상이 쉽게 발생하여 시스템 내 큰 압력요동 등을 유발한다. 따라서, 유동층에 적용하기 위해서는 Group A 나 B 타입 입자가 적합하고, 최적의 유동화를 위해서는 Group A의 입자를 사용하는 것이 바람직하다.In general, particles can be classified into four types according to the Geldart classification method based on particle size and density. Group A is a material with a small particle diameter and low density (<1.4 g/cm 3 ), which is easy to flow at a low flow rate. Group B is a sand-like material with a particle size of 40 to 500㎛ and a density of 1.4 to 4 g/cm 3 at the same time. It flows smoothly, but the size of the bubbles generated is larger than that of Geldart A. there is. Group C is a material that is difficult to flow due to strong cohesiveness due to a very small particle size or apparent density, such as wheat flour or starch. Group D is a material with a large or heavy particle size, such as coal, and requires a high gas velocity for fluidization, and in this case, gas slugging easily occurs, causing large pressure fluctuations in the system. Therefore, Group A or B type particles are suitable for application to the fluidized bed, and it is preferable to use Group A particles for optimum fluidization.

태양열 유동층 입자 흡열기 내 열전달 매체(열흡수체)로서, 기존에 사용되고 있는 실리콘 카바이드 입자 또는 모래는 Geldart B 영역의 입자에 해당하여, 유동층 상부에서 입자가 충분히 태양광을 흡수하지 못할 뿐 만 아니라, 상부에서 반사된 태양광을 외부로 반사시켜 태양광 손실을 유발하여 유동층 입자 흡열기의 층물질로서 불리하다. 또한, 탄소나노튜브(CNT) 원재료는 Geldart C 영역의 입자에 해당하여, 입자가 너무 미세하고 가벼운 특징으로 인해 유동층이 형성되지 않으므로, 유동층 표면에서 입자가 표면에서 흡수되더라도, 이를 효율적으로 유동층 내로 전달되지 못하고, 투과창의 태양열 흡수 영역은 표면에서 흡수됨으로써 가열기 내로 열이 전달되는데 불리하다. 뿐만 아니라, 입자 상부로 분출 불균일함은 자명하다.As a heat transfer medium (heat absorber) in the solar fluidized bed particle absorber, silicon carbide particles or sand, which have been used previously, correspond to the particles in the Geldart B area, so the particles do not sufficiently absorb sunlight at the top of the fluidized bed, and It is disadvantageous as a layer material of a fluidized bed particle heat absorber because it causes solar light loss by reflecting sunlight reflected from the outside. In addition, since the carbon nanotube (CNT) raw material corresponds to the particles in the Geldart C region and the particles are too fine and light, the fluidized layer is not formed, so even if the particles are absorbed on the surface of the fluidized bed, they are efficiently transferred into the fluidized bed. Otherwise, the solar heat absorption area of the transmission window is unfavorable for heat transfer into the heater by being absorbed at the surface. In addition, the non-uniformity of ejection into the top of the particle is evident.

이에 반해, 본 발명의 탄소나노튜브 비드 열흡수체는 열전달 특성이 우수한 CNT 원재료 입자의 특성을 유지하면서도 유동층 내 유동성을 향상시키는 Geldart A 영역의 특성을 유지하여 유동층 표면에서의 유동성이 좋을 뿐 만 아니라, 작은 기포 형성으로 인해, 입자가 유동층 상부로 분출시에도 균질한 특성을 나타낼 수 있다.On the other hand, the carbon nanotube bead heat absorber of the present invention maintains the properties of the CNT raw material particles with excellent heat transfer properties and the Geldart A area that improves the fluidity in the fluidized bed, so it has good fluidity on the surface of the fluidized bed, Due to the formation of small bubbles, even when the particles are ejected to the top of the fluidized bed, homogeneous properties can be exhibited.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are intended to explain the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

<실시예><Example>

실험재료experimental material

본 실험에서 흡수체로 사용된 입자는 탄화규소(SiC)와 MWCNT이며, 입도와 밀도를 바탕으로 도 8에서와 같이 유동층에서 입자의 유동성을 분류한 Geldart 분류를 나타내었다. 탄화규소(SiC)는 2가지 종류로써, 입도가 0.052mm인 fine SiC(F100, Showadenko, Tokyo, Japan)와 입도가 0.123mm인 coarse SiC(F220, Showadenko, Tokyo, Japan)가 사용되었다. MWCNT 입자는 상대적으로 짧은 나노튜브들이 입자 표면 위에서 서로 불규칙적으로 얽힌 형태의 entangled carbon nanotubes (ENCNT, FloTubeTM 9000, C-Nano)와 입자표면에서 나노튜브가 수직적으로 성장된 vertically aligned nanotubes (VACNT, FloTubeTM 7000, C-Nano) 2종류가 사용되었다. The particles used as the absorber in this experiment were silicon carbide (SiC) and MWCNT, and based on the particle size and density, the Geldart classification for classifying the fluidity of the particles in the fluidized bed was shown as shown in FIG. 8. Two types of silicon carbide (SiC) were used: fine SiC (F100, Showadenko, Tokyo, Japan) with a particle size of 0.052 mm and coarse SiC (F220, Showadenko, Tokyo, Japan) with a particle size of 0.123 mm. MWCNT particles include entangled carbon nanotubes (ENCNT, FloTube TM 9000, C-Nano) in which relatively short nanotubes are irregularly entangled with each other on the particle surface, and vertically aligned nanotubes (VACNT, FloTube) in which nanotubes are vertically grown on the particle surface. TM 7000, C-Nano) were used.

<실시예 1><Example 1>

본 발명에 따른 CNT 비드 제조CNT bead production according to the present invention

본 실험에서는 교반기를 이용하여 CNT 비드를 제조하였다. 제조에 사용된 주요 제작법은 도 2에서 나타내었으며, 구체적인 제조 과정은 도 3에서 나타내었다. CNT 비드 제조에 사용된 입자는 VACNT(Verticall Aligned CNT) 입자를 사용하였다. CNT 입자는 초기 분쇄한 후, CNT 간의 물리적 결합을 위해, 크레졸 용액(m-Cresol; Cas No. 108-39-4)을 이용하였다.In this experiment, CNT beads were prepared using an agitator. The main manufacturing method used for manufacturing is shown in FIG. 2, and the specific manufacturing process is shown in FIG. VACNT (Vertical Aligned CNT) particles were used as the particles used to prepare the CNT beads. After initial pulverization of the CNT particles, a cresol solution (m-Cresol; Cas No. 108-39-4) was used for physical bonding between the CNTs.

자세하게는, 막자 및 막자사발을 이용하여 m-Cresol과 VACNT를 40mg/mL로 혼합하여 페이스트 상태로 제조한 후, 상기 CNT 페이스트에 차가운 물(8℃)을 부어주었다(질량비, 페이스트:물 = 1:100). 교반기(stirrer)를 이용 6000rpm에서 10분 동안 CNT 페이스트 용액을 1차 교반하여 마이크로 미터 단위의 유화 액적(m-Cresol과 CNT 혼합액)이 형성되도록 분산시킨 후, 유화된 액적 내 m-Cresol의 친수기가 활성화되어 CNT 응집체가 높은 구형을 띌 수 있도록 5분 동안 안정화시킨 다음, 6000rpm에서 10분 동안 CNT 페이스트 용액을 2차 교반하였다. 이후, 첫 번째 예 (Case 1)로서, 액적으로터 비드를 얻기 위해, 액적 혼합 수용액을 여과지로 물을 여과시키고, 얻어진 m-Cresol을 포함한 CNT 응집체에 대해 m-Cresol 제거를 위해 물을 이용하여 세정하여 비드형태의 응집체를 얻을 수 있었다. 이후, 응집체는 1차 건조 과정(185℃, 0.2atm, 48hr)을 거치고, 200mL의 물을 넣어준 후 교반기(stirrer)를 이용 6000rpm에서 10분 동안 교반시킨 다음 물로 세척하였다. 최종적으로 진공 건조(162.7℃, 0.92atm)를 통해 미립자 형태의 비드를 수득하였다. 그러나, 첫 번째 예(Case 1)의 경우, 1차 건조 단계에서 단위 부피당, CNT 응집체 내에서 잔류 m-cresol의 농도가 증가함에 따라, 구형성이 감소하고 외부 CNT 가루 또는 미세한 CNT 입자와의 추가적인 결합을 통해 입자 직경이 증가하는 현상을 확인할 수 있었다. 이를 제어 하기 위해, 세정 과정에서 CNT 응집체 외부 표면의 잔류 cresol 농도를 낮추기 위해 유기용매 흡수지 (Oil absorbing paper, OAP)를 사용한 Cresol 흡수 단계를 추가로 도입한 두 번째 예(Case 2)의 결과물을 얻었다. 이는 건조 단계에서 수용액 및 입자 내 잔류 m-cresol을 충분히 제거할 수 있어 CNT입자의 재 분산 및 CNT 및 미세 CNT 입자와의 응집 현상을 방지하여 우수한 구형성과 유동성에 유리한 낮은 평균 입도를 유지할 수 있었다. 유기용매 흡수지는 Pt Parisindo Pratama(Indonesia, Oil blotting paper)에서 구입한 것을 사용하였다.Specifically, after preparing a paste by mixing m-Cresol and VACNT at 40 mg/mL using a mortar and pestle, cold water (8° C.) was poured into the CNT paste (mass ratio, paste: water = 1 :100). After first stirring the CNT paste solution for 10 minutes at 6000 rpm using a stirrer to disperse it to form micrometer-sized emulsified droplets (m-Cresol and CNT mixture), the hydrophilic properties of m-Cresol in the emulsified droplets It was activated and stabilized for 5 minutes so that the CNT agglomerates could have a high spherical shape, and then the CNT paste solution was agitated a second time at 6000 rpm for 10 minutes. Subsequently, as a first example (Case 1), in order to obtain beads from droplets, the mixed aqueous solution of droplets was filtered with filter paper, and water was used to remove m-Cresol from the obtained CNT aggregates containing m-Cresol. By washing, aggregates in the form of beads could be obtained. Thereafter, the agglomerates were subjected to a primary drying process (185° C., 0.2 atm, 48 hr), and after adding 200 mL of water, they were stirred for 10 minutes at 6000 rpm using a stirrer, and then washed with water. Finally, beads in the form of fine particles were obtained through vacuum drying (162.7 ° C., 0.92 atm). However, in the case of the first example (Case 1), as the concentration of residual m-cresol in the CNT agglomerate per unit volume increases in the first drying step, the sphericity decreases and additional contact with the external CNT powder or fine CNT particles occurs. It was confirmed that the particle diameter increased through bonding. To control this, the result of the second example (Case 2) was obtained by additionally introducing a cresol absorption step using an organic solvent absorbing paper (OAP) to lower the residual cresol concentration on the outer surface of the CNT agglomerate during the cleaning process. . This can sufficiently remove the aqueous solution and residual m-cresol in the particles in the drying step, thereby preventing redispersion of CNT particles and aggregation of CNT and fine CNT particles, thereby maintaining a low average particle size advantageous for excellent sphericity and fluidity. An organic solvent absorbent paper purchased from Pt Parisindo Pratama (Indonesia, Oil blotting paper) was used.

<비교예 1><Comparative Example 1>

주사기를 이용한 CNT 비드 제조Preparation of CNT beads using a syringe

본 비교에서는 주시기를 이용하여 CNT 비드를 제조하였다. 구체적인 제조 과정은 도 4에서 나타내었다. In this comparison, CNT beads were prepared using a pitcher. A specific manufacturing process is shown in FIG. 4 .

자세하게는, 막자 및 막자사발을 이용하여 m-Cresol과 VACNT를 30mg/mL로 직접적으로 혼합하여 페이스트 상태로 제조한 후, 상기 CNT 페이스트에 물을 붓고 10분 동안 혼합하였다(질량비, 페이스트:물=1.41:1.00). CNT 마이크로비드의 초기 형상은 CNT 페이스트를 내경 5mm의 노즐을 통해 물 용기에 압출하여 형성하였다. 초기 CNT 비드를 기계적으로 굴려서 물 용기에서 둥글게 만들었다. 초기 비드가 담긴 물 용기를 진탕기(SH30; FINEPCR, 군포시, 한국)의 플레이트에 놓고 100 rpm에서 10분 동안 기계적 압연을 실시하였다. 이후, 162.7℃ 및 0.92atm의 진공 오븐에서 36시간 동안 건조시켜 최종적인 CNT 비드를 제조하였다(참조: Materials 2020, 13, 1289; doi:10.3390/ma13061289, 'Preparation of MWCNT Microbeads for the Application of Bed Materials in a Fluidized Bed Heat Exchanger').Specifically, m-Cresol and VACNT were directly mixed at 30 mg/mL using a mortar and pestle to prepare a paste, and then water was poured into the CNT paste and mixed for 10 minutes (mass ratio, paste: water = 1.41:1.00). The initial shape of the CNT microbeads was formed by extruding the CNT paste into a water container through a nozzle having an inner diameter of 5 mm. The initial CNT beads were mechanically rolled and rounded in a water bath. A water container containing initial beads was placed on a plate of a shaker (SH30; FINEPCR, Gunpo-si, Korea) and mechanical rolling was performed at 100 rpm for 10 minutes. Then, the final CNT beads were prepared by drying in a vacuum oven at 162.7 ° C and 0.92 atm for 36 hours (Reference: Materials 2020, 13, 1289; doi: 10.3390/ma13061289, 'Preparation of MWCNT Microbeads for the Application of Bed Materials in a Fluidized Bed Heat Exchanger').

<실험예 1><Experimental Example 1>

본 발명에 따른 CNT 비드의 특징Characteristics of CNT beads according to the present invention

상기 실시예 1을 통해 제조된 본 발명의 CNT 비드의 특징을 확인하기 위하여 입자 형상, 입자 크기 분포 및 Geldart 도표 내 위치를 조사하였다.In order to confirm the characteristics of the CNT beads of the present invention prepared through Example 1, the particle shape, particle size distribution, and position in the Geldart diagram were investigated.

CNT 비드의 SEM의 이미지는 Bruker Model Quanta-400 주사 전자 현미경(Billerica, Middlesex, USA)을 사용하여 얻었다. CNT 비드의 입자 크기는 입자 크기 분석기(PSA: LA-950 V2, Horiba, Kyoto, Japan)를 사용하여 얻었다. CNT 비드의 평균 입자 크기는 sieve screen을 이용한 스크리닝 방법으로 측정하였다. CNT 비드 입자의 겉보기 밀도는 기공률 분석(Autopore 9605, Micromeritics, USA)을 통해 측정되었다.SEM images of CNT beads were obtained using a Bruker Model Quanta-400 scanning electron microscope (Billerica, Middlesex, USA). The particle size of the CNT beads was obtained using a particle size analyzer (PSA: LA-950 V2, Horiba, Kyoto, Japan). The average particle size of the CNT beads was measured by a screening method using a sieve screen. The apparent density of the CNT bead particles was measured by porosity analysis (Autopore 9605, Micromeritics, USA).

그 결과 도 5 내지 7에서 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1을 통해 제조된 본 발명의 CNT 비드는 낮은 입도 및 표면 균일성이 유지됨을 확인할 수 있었다. 본 발명의 CNT 비드의 평균 입자크기는 521μm이다. 특히, 본 발명의 두 번째 예(Case 2)를 통해 제조된 CNT 비드의 경우 우수한 구형성과 더불어 200-600μm 범위의 낮은 입자 크기 분포를 보여주었다. 한편, 비교예 1을 통해 제조된 CNT 비드의 경우 평균 입경이 1mm 이상으로 너무 거대화된 것을 확인할 수 있었다.As a result, as shown in FIGS. 5 to 7, it was confirmed that the CNT beads of the present invention prepared in Example 1 maintained low particle size and surface uniformity. The average particle size of the CNT beads of the present invention is 521 μm. In particular, the CNT beads prepared through the second example (Case 2) of the present invention showed excellent sphericity and a low particle size distribution in the range of 200-600 μm. On the other hand, in the case of the CNT beads prepared through Comparative Example 1, it was confirmed that the average particle diameter was too large to be 1 mm or more.

또한, 도 8에서 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1을 통해 제조된 본 발명의 CNT 비드는 MWCNT 입자군 대비, 낮은 입자 직경과 높은 입자 밀도를 보이며, Geldart A 그룹에 분류되었다.In addition, as shown in FIG. 8, the CNT beads of the present invention prepared in Example 1 showed a low particle diameter and high particle density compared to the MWCNT particle group, and were classified into the Geldart A group.

상기와 같은 결과를 통해, 원 재료인 CNT의 경우 물리적 얽힘 현상에 의해 겉보기 직경 200 마이크로미터, 밀도는 0.25 g/cc 수준을 갖는 Geldart C 그룹 (아래 그림 참조)에 속하였으나, 상기 실시예 1을 통해 제조된 본 발명의 CNT 비드는 Geldart A 그룹으로 개선된 것을 알 수 있었다.Through the above results, in the case of CNT as a raw material, it belonged to the Geldart C group (see the figure below) having an apparent diameter of 200 micrometers and a density of 0.25 g / cc due to physical entanglement, but Example 1 It was found that the CNT beads of the present invention prepared through this were improved to the Geldart A group.

<실험예 2><Experimental Example 2>

본 발명에 따른 CNT 비드의 태양열 입자 흡열기 적용Application of solar particle absorber of CNT beads according to the present invention

상기 실시예 1을 통해 제조된 본 발명의 CNT 비드가 실질적으로 태양열 유동층 입자 흡열기 층물질(흡수체)로 유용하게 사용될 수 있는지 확인하기 위하여, 직접조사형태의 태양열 유동층 가열기에 적용하여 유동층 흡열기 내에서 기체에 의한 흡열 효율을 조사하였다. 본 실험에서는 흡수체로 coarse SiC(실리콘 카바이드 입자), ENCNT(탄소나노튜브 입자), 및 상기 실시예 1을 통해 제조된 본 발명의 CNT 비드(탄소나노튜브 비드) 총 3가지를 선정하였다. 참고로, 입도가 작아 반응기 외부로 입자가 배출되는 입자 carry-over가 크게 나타나는 fine SiC를 실험에서 제외하였다.In order to confirm that the CNT beads of the present invention prepared through Example 1 can be effectively used as a layer material (absorber) for a solar fluidized bed particle absorber, it is applied to a solar fluidized bed heater in the form of direct irradiation and applied to the fluidized bed absorber. The endothermic efficiency by gas was investigated. In this experiment, coarse SiC (silicon carbide particles), ENCNT (carbon nanotube particles), and CNT beads (carbon nanotube beads) of the present invention prepared in Example 1 were selected as absorbers. For reference, fine SiC, which has a small particle size and exhibits large particle carry-over, in which particles are discharged to the outside of the reactor, was excluded from the experiment.

실험에서 사용한 직접조사형태의 태양열 유동층 가열기의 형상은 도 9와 같이 설계되었다. 실험 장치는 기체의 온도 변이 및 열 흡수 효율을 측정하기 위해 투Pyrex-glass(5T)컬럼으로 제작되었다. 유동층 장치는 main column (50mm I.D. X 150mm high)(5)과 투과창(transmission window)(9)으로 구성되었다. 입자의 분출을 위한 carry over와 투과창(9)으로의 증착 및 스크래치를 최소화하기 위해 main column(5)은 0.08m 너비까지 확장되었다(8). 투과창(9)은 석영유리(투과율: 92%)로 제작되었으며, 내부 입자 층물질 표면까지 태양광을 유도하기 위해 확장관(8) 상단에 설치되었다. 본 가열기는 내부 입자가 부유된 상태 또는 유동화 상태에서 운전된다. 가열기 내 층물질을 부유시키기 위해 가열 대상인 기체는 압축기(1)를 통해 주입되었으며, 이는 기체 유량 조절을 위한 유량계(mass flow meter, RK1150, Kojima instrument, Kyotanabe Kyoto, Japan)(2)를 사용하여 윈드박스(3)로 주입되었다. 기체는 윈드박스(3) 상부에 위치한 다공성 분산판(4)를 통해 가열기(5) 내 입자층으로 균일하게 분배되었다. 이때, 다공성 분산판(4)은 staninless 소재의 sintered metal로 이루어져 있다. 입자층은 입자가 주입된 기체에 의해 입자의 중력과 기체에 의한 항력이 같아지는 속도인 최소유동화 속도 이상의 기체 유량에서 부유되며, 이때 주입된 기체는 태양광에 의해 가열된 입자와 접촉하며 가열된다. 가열된 기체는 가열기 출구(10)를 통해 기체가 사용되는 공정으로 주입되었다. 가열된 기체의 온도를 측정하기 위해 반응기 내 열전쌍(6)이 설치되었으며, 입자의 유동화 정도를 확인할 수 있도록 반응기 벽면에는 압력계(7)가 설치되었다.The shape of the solar fluidized bed heater of the direct irradiation type used in the experiment was designed as shown in FIG. The experimental device was made of two Pyrex-glass (5T) columns to measure the temperature change and heat absorption efficiency of the gas. The fluidized bed apparatus consisted of a main column (50mm I.D. X 150mm high) (5) and a transmission window (9). The main column (5) was extended to a width of 0.08m (8) to minimize carryover for ejection of particles and deposition and scratches on the transmission window (9). The transmission window 9 was made of quartz glass (transmittance: 92%) and was installed at the top of the expansion tube 8 to guide sunlight to the surface of the inner particle layer material. This heater is operated in a state in which internal particles are suspended or fluidized. In order to suspend layer materials in the heater, the gas to be heated was injected through the compressor (1), which was blown by a mass flow meter (RK1150, Kojima instrument, Kyotanabe Kyoto, Japan) (2) for gas flow control. Injected into box (3). The gas was uniformly distributed to the particle layer in the heater (5) through the porous dispersion plate (4) located on the top of the windbox (3). At this time, the porous dispersion plate 4 is made of sintered metal of a staninless material. The particle layer is suspended at a gas flow rate higher than the minimum fluidization speed, which is a speed at which the gravity of the particles and the drag force due to the gas are equal by the injected gas, and at this time, the injected gas comes into contact with the particles heated by sunlight and is heated. The heated gas was injected through the heater outlet (10) into the process where the gas was used. A thermocouple (6) was installed in the reactor to measure the temperature of the heated gas, and a pressure gauge (7) was installed on the wall of the reactor to check the degree of fluidization of the particles.

태양열 유동층 가열기의 열 효율을 평가하기 위해 야외에서 공급 받는 태양 에너지당 기체로 흡수되는 열량을 하기 식과 같이 평가하였다.In order to evaluate the thermal efficiency of the solar fluidized bed heater, the amount of heat absorbed by the gas per solar energy supplied from the outdoors was evaluated as follows.

- Thermal efficiency of receiver, ηreceiver = Qgas/Qsolar - Thermal efficiency of receiver, η receiver = Q gas /Q solar

- Qgas = ρgUgAcp,g(Toutlet-Tinlet)- Q gas = ρ g U g Ac p,g (T outlet -T inlet )

여기서, ηreceiver는 유동층 가열기의 열효율, Qsolar는 설비된 집광기에 의해 일사량 당 공급되는 태양 에너지, Qgas는 기체로 흡수된 태양 열 에너지, ρg는 기체밀도, Ug는 기체 유속, A는 의 단면적, Cp,g는 기체 열용량, Toutlet은 배출구 온도, Tinlet은 기체 유입 온도이다.where η receiver is the thermal efficiency of the fluidized bed heater, Q solar is the solar energy supplied per solar radiation by the installed collector, Q gas is the solar thermal energy absorbed by the gas, ρ g is the gas density, U g is the gas flow rate, and A is is the cross-sectional area of , C p,g is the gas heat capacity, T outlet is the outlet temperature, and T inlet is the gas inlet temperature.

그 결과 도 10에서 나타낸 바와 같이, 입자가 유동화되는 기체속도 이상에서 기존의 대표적인 실리콘 카바이드 입자(coarse SiC) 대비 본 발명의 CNT 비드의 열효율은 실험된 동일 구간에서 최대 53% 까지 증가하였다. 이는 실리콘 카바이드 입자 대비 최대 53% 까지 증가되는 결과이다 (기체속도 0.16 m/s 기준). 또한, 본 발명의 CNT 비드는 원재료인 CNT 입자(VACNT) 대비 14%(기체속도 0.09 m/s 기준) 및 21%(기체속도 0.11 m/s 기준) 더 높은 열효율을 나타내었다. 특히, 도 10a에서 나타난 것과 같이 원재료 CNT 입자는 불안정한 유동성으로 인해 0.13 m/s 이상으로 운전은 불가능하여, 제조된 CNT 비드는 높은 열효율과 안정된 유동성의 운전 우수성을 나타내었다. As a result, as shown in FIG. 10, the thermal efficiency of the CNT beads of the present invention compared to the conventional representative silicon carbide particles (coarse SiC) at a gas velocity or higher at which the particles are fluidized increased up to 53% in the same section tested. This is the result of an increase of up to 53% compared to silicon carbide particles (based on gas velocity of 0.16 m/s). In addition, the CNT beads of the present invention showed 14% (based on gas velocity of 0.09 m/s) and 21% (based on gas velocity of 0.11 m/s) higher thermal efficiency than CNT particles (VACNT), which is a raw material. In particular, as shown in FIG. 10a, the raw material CNT particles could not operate at 0.13 m/s or more due to unstable fluidity, and thus the manufactured CNT beads exhibited high thermal efficiency and stable fluidity.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, the present invention has been looked at with respect to its preferred embodiments. Those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to understand that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative rather than a limiting point of view. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent scope will be construed as being included in the present invention.

Claims (10)

a) 크레졸 및 탄소나노튜브를 혼합하여 페이스트 상태로 제조하는 단계;
b) 교반기에 상기 페이스트와 함께 물을 첨가하여 1차 교반시킨 다음 안정화시키는 단계;
c) 상기 1차 교반 과정을 거친 혼합액을 2차 교반시키는 단계;
d) 상기 2차 교반 과정을 거친 혼합액을 물을 이용하여 세척하면서 여과시켜 탄소나노튜브(CNT) 응집체를 수득하는 단계;
e) 상기 탄소나노튜브(CNT) 응집체를 1차 건조시키는 단계;
f) 상기 1차 건조 과정을 거친 탄소나노튜브(CNT) 응집체에 물을 첨가하여 교반시킨 다음 세척하는 단계; 및
g) 진공 건조를 통해 미립자 형태의 비드를 수득하는 단계;를 포함하는,
태양열 유동층 입자 흡열기용 탄소나노튜브 비드 열흡수체의 제조방법.
a) preparing a paste by mixing cresol and carbon nanotubes;
b) first stirring by adding water together with the paste to a stirrer and then stabilizing;
c) secondarily stirring the mixed solution that has undergone the first stirring process;
d) obtaining carbon nanotube (CNT) aggregates by filtering the mixed solution after the secondary stirring process while washing with water;
e) firstly drying the carbon nanotube (CNT) aggregate;
f) adding water to the carbon nanotube (CNT) aggregate that has undergone the primary drying process, stirring, and then washing; and
g) obtaining beads in particulate form through vacuum drying;
Manufacturing method of carbon nanotube bead heat absorber for solar fluidized bed particle absorber.
제1항에 있어서,
상기 d) 단계 이후 d’)오일 흡수지를 이용하여 크레졸을 흡수하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 태양열 유동층 입자 흡열기용 탄소나노튜브 비드 열흡수체의 제조방법.
According to claim 1,
The method of manufacturing a carbon nanotube bead heat absorber for a solar fluidized bed particle absorber, characterized in that it further comprises the step of absorbing cresol using d') oil absorbent paper after step d).
제1항에 있어서,
상기 b) 단계에서 1차 교반은 5000 ~ 7000rpm 에서 5 ~ 20분 동안 진행되는 것을 특징으로 하는, 태양열 유동층 입자 흡열기용 탄소나노튜브 비드 열흡수체의 제조방법.
According to claim 1,
In step b), the first stirring is performed at 5000 to 7000 rpm for 5 to 20 minutes, a method for producing a carbon nanotube bead heat absorber for a solar fluidized bed particle absorber.
제1항에 있어서,
상기 c) 단계에서 2차 교반은 5000 ~ 7000rpm 에서 5 ~ 20분 동안 진행되는 것을 특징으로 하는, 태양열 유동층 입자 흡열기용 탄소나노튜브 비드 열흡수체의 제조방법.
According to claim 1,
In step c), the secondary stirring is performed at 5000 to 7000 rpm for 5 to 20 minutes, a method for producing a carbon nanotube bead heat absorber for a solar fluidized bed particle absorber.
제1항에 있어서,
상기 f) 단계에서 1차 건조는 180 ~ 190℃의 온도 및 0.2atm의 압력 조건에서 40 ~ 50시간 동안 진행되는 것을 특징으로 하는, 태양열 유동층 입자 흡열기용 탄소나노튜브 비드 열흡수체의 제조방법.
According to claim 1,
In step f), the primary drying is performed for 40 to 50 hours at a temperature of 180 to 190 ° C and a pressure of 0.2 atm. Method for producing a carbon nanotube bead heat absorber for a solar fluidized bed particle absorber.
제1항에 있어서,
상기 g) 단계에서 진공 건조는 160 ~ 170℃의 온도 및 0.9 ~ 1.0atm의 압력 조건에서 진행되는 것을 특징으로 하는, 태양열 유동층 입자 흡열기용 탄소나노튜브 비드 열흡수체의 제조방법.
According to claim 1,
In step g), the vacuum drying is performed at a temperature of 160 to 170 ° C and a pressure of 0.9 to 1.0 atm. Method for producing a carbon nanotube bead heat absorber for a solar fluidized bed particle absorber.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 태양열 유동층 입자 흡열기용 탄소나노튜브 비드 열흡수체.A carbon nanotube bead heat absorber for a solar fluidized bed particle heat absorber manufactured by the method of any one of claims 1 to 6. 제7항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 비드 열흡수체는 200 ~ 600μm 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는, 태양열 유동층 입자 흡열기용 탄소나노튜브 비드 열흡수체.
According to claim 7,
The carbon nanotube bead heat absorber is a carbon nanotube bead heat absorber for a solar fluidized bed particle absorber, characterized in that it has a particle size of 200 ~ 600μm.
제7항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 비드 열흡수체는 0.2 ~ 0.3g/cm3 범위의 입자 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는, 태양열 유동층 입자 흡열기용 탄소나노튜브 비드 열흡수체.
According to claim 7,
The carbon nanotube bead heat absorber is characterized in that it has a particle density in the range of 0.2 ~ 0.3g / cm 3 , carbon nanotube bead heat absorber for solar fluidized bed particle absorber.
제7항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 비드 열흡수체는 Geldart 분류의 Group A 범위에 해당하는 것을 특징으로 하는, 태양열 유동층 입자 흡열기용 탄소나노튜브 비드 열흡수체.
According to claim 7,
The carbon nanotube bead heat absorber is a carbon nanotube bead heat absorber for a solar fluidized bed particle absorber, characterized in that it corresponds to the Group A range of the Geldart classification.
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