KR20230111796A - 질소산화물과 황산화물을 포함하는 오염 물질 포집 장치 - Google Patents
질소산화물과 황산화물을 포함하는 오염 물질 포집 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 내부에 내부 기공이 존재하는 제올라이트 비드와 상기 제올라이트 비드의 표면의 적어도 일부에 코팅되는 촉매 코팅층을 구비하는 포집 입자 및 외측면에서 내측면으로 관통되는 복수 개의 통기홀을 구비하며 내부에 상기 포집 입자가 수용되는 케이스 본체 및 상기 통기훌의 내주면을 포함하는 영역에 형성되는 소수성층을 구비하는 선택적 투과 케이스를 포함하는 오염 물질 포집 장치를 개시한다.
Description
본 발명은 질소산화물과 황산화물을 포함하는 오염 물질을 포집하는 포집 장치에 관한 것이다.
도심지내 대기 오염 물질은 차량 배기 물질과 비산 먼지가 주요 배출원이며, 일산화탄소(CO), 탄화수소(CH), 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 오존(O3), 휘발성 유기물(VOC)이 포함되어 있다. 오염 물질 중에서 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx)은 지속 흡입시 호흡기와 눈에 자극이 심해지고, 기관지 염증, 천식, 만성기관지염을 유발할 수 있다. 따라서, 상기 질소산화물(NOx) 및 황산화물(SOx)은 특히 효과적으로 저감시키는 환경 관리가 요구된다. 상기 질소산화물(NOx) 및 황산화물(SOx)을 효과적으로 제거하기 위해서는 실온에서 높은 제거 성능을 가지는 촉매를 사용하는 것이 필요하다. 그러나, 기존에 개발된 촉매들은 귀금속 또는 금속산화물을 주성분으로 하며, 300℃ 이상의 고온에서 높은 효율을 보이지만 실온에서는 제거 성능이 급격히 떨어진다고 보고되고 있다.
본 발명은 질소산화물과 황산화물을 효율적으로 흡착할 수 있는 오염 물질 포집 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 오염 물질 포집 장치는 내부에 내부 기공이 존재하는 제올라이트 비드와 상기 제올라이트 비드의 표면의 적어도 일부에 코팅되는 촉매 코팅층을 구비하는 포집 입자 및 외측면에서 내측면으로 관통되는 복수 개의 통기홀을 구비하며 내부에 상기 포집 입자가 수용되는 케이스 본체 및 상기 통기훌의 내주면을 포함하는 영역에 형성되는 소수성층을 구비하는 선택적 투과 케이스를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제올라이트 비드는 0.1 ~ 10mm의 크기로 형성되며, 상기 내부 기공은 0.1 ~ 1.3nm의 크기로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제올라이트 비드는 실리콘과 알루미늄의 몰 비율이 1:1 ~ 1.5:1일 수 있다.
또한, 상기 촉매 코팅층은 망간계 촉매로 형성될 수 있다.
또한, 상기 촉매 코팅층은 상기 제올라이트 비드의 표면의 적어도 일부와 상기 내부 기공을 포함하는 영역에 형성될 수 있다.
또한, 상기 촉매 코팅층은 상기 제올라이트 비드의 표면에서 부분적으로 또는 전체적으로 코팅되며, 1nm ~ 300㎛의 두께로 형성될 수 있다.
또한, 상기 촉매 코팅층은 상기 제올라이트 비드의 표면에 촉매 입자가 전체적으로 분포되어 형성되며, 상기 촉매 입자는 0.1nm ~ 30㎛의 크기로 형성될 수 있다.
또한, 상기 오염 물질 포집 장치는 입자로 형성되어 상기 포집 입자에 혼합되며, 수분을 흡착하는 수분 흡착 입자를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 수분 흡착 입자는 상기 포집 입자의 전체 중량에 대비하여 10 ~ 20중량부로 혼합될 수 있다.
또한, 상기 통기홀은 5㎛ ~ 1,000㎛의 직경 또는 폭으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 소수성층은 상기 케이스 본체의 외측면을 포함하는 영역에 더 형성될 수 있다.
또한, 상기 케이스 본체는 봉지 형상 또는 통 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 오염 물질 포집 장치는 외부 사용 환경에서 포집 입자가 물과 접촉되는 것을 차단하여 포집 입자의 오염 물질 흡착 성능이 지속적으로 유지되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 오염 물질 포집 장치는 제올라이트의 외부 표면과 내부 기공에 망간계 촉매가 균일하게 코팅되어 오염 물질의 흡착 성능이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오염 물질 포집 장치의 수직 단면도이다.
도 2는 제올라이트 비드의 표면에 촉매 코팅층이 전체적으로 형성되는 포집 입자의 구성도이다.
도 3은 제올라이트 비드의 표면에 촉매 코팅층이 부분적으로 형성되는 포집 입자의 구성도이다.
도 4는 제올라이트 비드의 표면에 촉매 입자에 의한 촉매 코팅층이 형성되는 포집 입자의 구성도이다.
도 5는 도 1의 A에 대한 부분 확대도이다.
도 6은 본 발명의 구체적인 실시예에 따른 제올라이트 비드의 표면에 촉매 코팅층이 전체적으로 형성된 포집 입자의 사진이다.
도 7은 본 발명의 구체적인 실시예에 따른 제올라이트 비드의 표면에 촉매 코팅층이 부분적으로 형성된 포집 입자의 사진이다.
도 8은 도 6의 포집 입자에 대한 SEM 사진이다.
도 9는 도 6의 포집 입자에 대한 성분 분석 결과이다.
도 10은 도 6의 포집 입자의 질소산화물 포집 성능에 대한 평가 그래프이다.
도 11은 도 6의 포집 입자의 황산화물 포집 성능에 대한 평가 그래프이다.
도 12는 일반적인 제올라이트 입자의 질소산화물 포집 성능에 대한 평가 그래프이다.
도 13은 일반적인 제올라이트 입자의 황산화물 포집 성능에 대한 평가 그래프이다.
도 2는 제올라이트 비드의 표면에 촉매 코팅층이 전체적으로 형성되는 포집 입자의 구성도이다.
도 3은 제올라이트 비드의 표면에 촉매 코팅층이 부분적으로 형성되는 포집 입자의 구성도이다.
도 4는 제올라이트 비드의 표면에 촉매 입자에 의한 촉매 코팅층이 형성되는 포집 입자의 구성도이다.
도 5는 도 1의 A에 대한 부분 확대도이다.
도 6은 본 발명의 구체적인 실시예에 따른 제올라이트 비드의 표면에 촉매 코팅층이 전체적으로 형성된 포집 입자의 사진이다.
도 7은 본 발명의 구체적인 실시예에 따른 제올라이트 비드의 표면에 촉매 코팅층이 부분적으로 형성된 포집 입자의 사진이다.
도 8은 도 6의 포집 입자에 대한 SEM 사진이다.
도 9는 도 6의 포집 입자에 대한 성분 분석 결과이다.
도 10은 도 6의 포집 입자의 질소산화물 포집 성능에 대한 평가 그래프이다.
도 11은 도 6의 포집 입자의 황산화물 포집 성능에 대한 평가 그래프이다.
도 12는 일반적인 제올라이트 입자의 질소산화물 포집 성능에 대한 평가 그래프이다.
도 13은 일반적인 제올라이트 입자의 황산화물 포집 성능에 대한 평가 그래프이다.
이하, 첨부된 도면과 실시예를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물과 황산화물을 포함하는 오염 물질 포집 장치에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물과 황산화물을 포함하는 오염 물질 포집 장치에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오염 물질 포집 장치의 수직 단면도이다. 도 2는 제올라이트 비드의 표면에 촉매 코팅층이 전체적으로 형성되는 포집 입자의 구성도이다. 도 3은 제올라이트 비드의 표면에 촉매 코팅층이 부분적으로 형성되는 포집 입자의 구성도이다. 도 4는 제올라이트 비드의 표면에 촉매 입자에 의한 촉매 코팅층이 형성되는 포집 입자의 구성도이다. 도 5는 도 1의 A에 대한 부분 확대도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 오염 물질 포집 장치(100)는, 도 1 내지 도 5를 참조하면, 포집 입자(110)와 수분 흡착 입자(120) 및 선택적 투과 케이스(130)를 포함할 수 있다.
상기 오염 물질 포집 장치(100)는 포집 입자(110)가 선택적 투과 케이스(130)의 내부에 수용되므로, 포집 입자(110)가 외부 환경에서 존재하는 물 또는 수분과 접촉되는 것을 최소화하여 오염 물질의 흡착 효율을 지속적으로 유지할 수 있다.
또한, 상기 오염 물질 포집 장치(100)는 수분 흡착 입자(120)가 포집 입자(110)와 인접하여 존재하므로, 수분이 선택적 투과 케이스(130)를 통과하더라도 수분 흡착 입자(120)에 의하여 제거되므로 포집 입자(110)의 흡착 효율을 지속적으로 유지할 수 있다.
상기 포집 입자(110)는 제올라이트 비드(111) 및 촉매 코팅층(112)을 포함할 수 있다.
상기 제올라이트 비드(111)는 내부에 내부 기공(111a)을 포함하는 다공성 입자로 형성될 수 있다. 상기 제올라이트 비드(111)는 0.1 ~ 20mm의 크기로 형성될 수 있다. 상기 제올라이트 비드(111)는 오염 물질과의 접촉 면적을 증가시키고 선택적 투과방에 용이하게 수용되도록 바람직하게는 0.1 ~ 10mm의 크기로 형성될 수 있다. 상기 내부 기공(111a)은 0.1 ~ 10nm의 크기로 형성될 수 있다. 상기 내부 기공(111a)은 오염 물질의 포집 효율을 극대화하기 위하여 0.1 ~ 1.3nm의 크기로 형성될 수 있다.
상기 제올라이트 비드(111)는 실리콘과 알루미늄의 몰 비율이 1:1 ~ 1.5:1로 포함되어 형성될 수 있다. 상기 제올라이트 비드(111)는 실리콘과 알루미늄의 몰 비율에 따라 오염 물질의 흡착 성능이 달라질 수 있다. 상기 제올라이트 비드(111)는 바람직하게는 실리콘과 알루미늄의 몰 비율이 1:1로 포함되어 흡착 성능이 최대로 유지될 수 있다.
상기 제올라이트 비드(111)는 황산화물을 효율적으로 흡착하여 포집할 수 있다. 또한, 상기 제올라이트 비드(111)는 넓은 표면적에 촉매 코팅층(112)이 최대로 코팅되도록 하여 촉매 코팅층(112)의 활성을 증가시킬 수 있다.
상기 촉매 코팅층(112)은 제올라이트 비드(111)의 내부 기공(111a)을 포함하는 영역에 코팅될 수 있다. 상기 촉매 코팅층(112)은 제올라이트 비드(111)의 내부 기공(111a)과 표면에 코팅될 수 있다. 상기 촉매 코팅층(112)은 질소산화물을 흡착하여 포집할 수 있다. 상기 촉매 코팅층(112)은, 도 2에서 보는 바와 같이, 제올라이트 비드(111)의 전체 표면에 균일하게 박막으로 코팅될 수 있다. 상기 촉매 코팅층(112)은 질소산화물과 황산화물을 투과시키면서 촉매의 역할을 할 수 있는 두께로 형성될 수 있다. 상기 촉매 코팅층(112)은 1nm ~ 300㎛의 두께로 형성될 수 있다. 또한, 상기 촉매 코팅층(112)은, 도 3에서 보는 바와 같이, 제올라이트 비드(111)의 표면에 부분적인 박막으로 형성될 수 있다. 상기 촉매 코팅층(112)은 제올라이트 비드(111)의 표면을 부분적으로 노출시키면서 촉매의 역할을 할 수 있다. 또한, 상기 촉매 코팅층(112)은 제올라이트 비드(111)의 내부 기공(111a)을 노출시킬 수 있다. 상기 촉매 코팅층(112)은 1nm ~ 300㎛의 두께로 형성될 수 있다. 또한, 상기 촉매 코팅층(112)은, 도 4에서 보는 바와 같이, 제올라이트 비드(111)의 표면에 전체적으로 촉매 입자가 분포되어 형성될 수 있다. 상기 촉매 코팅층(112)은 제올라이트 비드(111)의 표면과 내부 기공(111a)을 노출시킬 수 있다. 상기 촉매 입자는 0.1nm ~ 30㎛의 크기로 형성될 수 있다.
상기 촉매 코팅층(112)은 망간계 촉매로 형성될 수 있다. 상기 촉매 코팅층(112)은 망간계 전구체 용액이 코팅되어 형성될 수 있다. 상기 망간계 전구체는 Mn(NO3)2, Mn(CH3COO)2, KMnO4, MnSO3가 사용될 수 있다. 상기 망간계 전구체 용액은 졸-겔 합성법으로 제조될 수 있다. 상기 망간계 전구체 용액은 1 ~ 100 mM의 농도인 수용액으로 제조될 수 있다. 상기 촉매 코팅층(112)은 망간계 전구체 용액의 농도에 따라 코팅되는 망간계 촉매의 양과 코팅 두께가 제어될 수 있다. 즉, 상기 촉매 코팅층(112)은 망간계 전구체 용액의 농도에 따라 제올라이트 비드(111)의 표면에 전체적으로 코팅되거나 부분적으로 코팅될 수 있다.
상기 촉매 코팅층(112)은 제올라이트 비드(111)를 망간계 전구체 용액에 침지시켜 형성할 수 있다. 상기 망간계 전구체 용액은 5 ~ 1,100mbar의 진공 분위기를 유지할 수 있다. 따라서, 상기 제올라이트 비드(111)는 표면과 내부 기공(111a)에 존재하는 공기가 제거되면서 효율적으로 촉매 코팅층(112)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 제올라이트 비드(111)는 촉매 코팅층(112)이 형성된 후에 100℃에서 건조한 후에 500℃에서 추가로 소성될 수 있다.
상기 수분 흡착 입자(120)는 수분을 흡착할 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 상기 수분 흡착 입자(120)는 실리카겔, 활성알루미나, 활성탄, 티나늄실리케이트 및 염화리튬에서 선택되는 적어도 하나의 물질로 형성될 수 있다. 상기 수분 흡착 입자(120)는 포집 입자(110)에 대응되는 크기를 갖는 입자로 형성될 수 있다. 상기 수분 흡착 입자(120)는 포집 입자(110)와 혼합될 수 있다. 상기 수분 흡착 입자(120)는 포집 입자(110)의 전체 중량에 대비하여 5 ~ 30중량부로 혼합될 수 있다. 상기 수분 흡착 입자(120)는 포집 입자(110)의 주변으로 유입되는 수분을 포집하여 수분이 포집 입자(110)에 흡착되는 것을 차단할 수 있다. 따라서, 상기 수분 흡착 입자(120)는 포집 입자(110)가 질소산화물과 황산화물을 흡착하는 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
상기 선택적 투과 케이스(130)는 케이스 본체(131) 및 소수성층(132)을 포함할 수 있다. 상기 선택적 투과 케이스(130)는 중간층(133)을 더 포함할 수 있다.
상기 선택적 투과 케이스(130)는 내부에 포집 입자(110)와 수분 흡착 입자(120)를 수용하는 공간이 형성될 수 있다. 상기 선택적 투과 케이스(130)는 전체적으로 봉지 형상, 통 형상으로 제조될 수 있다. 상기 선택적 투과 케이스(130)는 소수성을 가지며, 공기와 가스가 외부에서 내부로 유입되어 포집 입자(110)와 접촉되도록 할 수 있다. 또한, 상기 선택적 투과 케이스(130)는 내부의 공기와 가스가 외부로 유출되도록 할 수 있다. 또한, 상기 선택적 투과 케이스(130)는 외부에서 물과, 음료수 또는 오일과 같은 액체가 내부로 유입되는 것을 차단할 수 있다. 상기 선택적 투과 케이스(130)는 포집 입자(110)가 물등과 접촉되면서 오염 물질을 흡착하는 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
상기 케이스 본체(131)은 봉지 형상 또는 통 형상으로 형성될 수 있다. 상기 케이스 본체(131)는 내부에 포집 입자(110)와 수분 흡착 입자(120)를 수용하는 내부 수용 공간을 구비할 수 있다. 상기 케이스 본체(131)는 적어도 2개의 본체면으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 케이스 본체(131)가 봉지 형상 또는 원통 형상으로 형성되는 경우에 2개의 본체면으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 케이스 본체(131)가 육면체의 통 형상으로 형성되는 경우에 6개의 본체면으로 형성될 수 있다.
상기 케이스 본체(131)는 복수 개의 통기홀(131a)을 포함할 수 있다. 상기 통기홀(131a)은 케이스 본체(131)의 적어도 1개의 본체면에 외측면에서 내측면으로 관통되어 형성될 수 있다. 또한, 상기 통기홀(131a)은 케이스 본체(131)의 서로 대향하는 본체면에 각각 형성될 수 있다. 상기 케이스 본체(131)는 통기홀(131a)이 형성되는 메쉬망 또는 타공판으로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 통기홀(131a)은 메쉬망 또는 타공판의 홀로 형성될 수 있다.
상기 케이스 본체(131)는 내부식성 재질로 형성될 수 있다. 상기 케이스 본체(131)는 금속, 플라스틱, 폴리머 또는 세라믹과 같은 재질로 형성될 수 있다. 상기 케이스 본체(131)는 내부식성이 우수한 알루미늄, 스테인레스 스틸, 모넬, 인코넬, 텅스텐, 은, 티타늄 또는 몰리브덴과 같은 금속 재질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 케이스 본체(131)는 폴리에스테르, 나일론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 화이버 글라스로 형성될 수 있다.
상기 통기홀(131a)은 평면 형상이 원형인 원형 홀, 사각형, 오각형 또는 육각형과 같은 다각형 홀로 형성될 수 있다. 상기 통기홀(131a)은 5㎛ ~ 1,000㎛의 직경 또는 폭으로 형성될 수 있다. 상기 통기홀(131a)은 직경 또는 폭이 너무 작으면 공기가 원활하게 통과할 수 없다. 또한, 상기 통기홀(131a)의 직경 또는 폭이 너무 크면 물 또는 음료수와 같은 액체가 내부로 유입되는 것을 차단할 수 없다.
상기 소수성층(132)은 케이스 본체(131)의 통기홀(131a)을 포함하는 영역에 형성될 수 있다. 즉, 상기 소수성층(132)은 통기홀(131a)의 내주면에 코팅되어 형성될 수 있다. 또한, 상기 소수성층(132)은 케이스 본체(131)의 외측면과 내측면에도 형성될 수 있다. 상기 소수성층(132)은 통기홀(131a)의 내주면에 형성되어 통기홀(131a)을 통하여 물과 같은 액체가 유입되는 것을 차단할 수 있다. 또한, 상기 소수성층(132)은 공기에 포함되어 있는 수분이 응축되는 경우에, 물 방울이 신속하게 케이스 본체(131)의 외부로 흘러가도록 할 수 있다. 따라서, 상기 소수성층(132)은 공기 중의 수분이 응축되는 경우에도 통기홀(131a)이 막히지 않도록 할 수 있다.
상기 소수성층(132)은 0.1nm ~ 30㎛의 두께로 형성될 수 있다. 상기 소수성층(132)의 두께가 너무 얇으면 소수성이 저하되어 물과 같은 액체가 통기홀(131a)로 유입되는 것을 효과적으로 차단할 수 없다. 상기 소수성층(132)의 두께가 너무 두꺼우면 통기홀(131a)을 막을 수 있다.
상기 소수성층(132)은 소수성 특성을 갖는 다양한 물질로 형성될 수 있다. 상기 소수성층(132)은 그래핀 또는 실리콘을 포함하는 반도체 물질, 테프론과 폴리에스터 및 폴리스티렌을 포함하는 유기 물질, 실리카를 포함하는 금속 산화물을 포함하는 세라믹에서 선택되는 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다.
상기 소수성층(132)은 CF(탄화불소) 또는 CH(탄화수소)를 포함하는 인산계 화합물을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 인산계 화합물은 하기 구조식(1)로 표시되는 인산계 화합물로 형성될 수 있다. 상기 소수성층(132)은 포스폰산 자기결합 단분자막(phosphonic acid SAMs)으로 형성될 수 있다. 상기 포스폰산 자기결합 단분자막은 (1H,1H,2H,2H-heptadecafluorodec-1-yl) phosphonic acid (HDF-PA) 또는 Octadecylphosphonic acid (ODPA)일 수 있다.
상기 소수성층(132)은 인산계 화합물이 에탄올과 같은 알코올 용매에 용해되어 케이스 본체(131)에 형성되는 통기홀(131a)의 내주면에 코팅되어 형성될 수 있다. 이때, 상기 인산계 화합물은 0.1 ~ 10mM의 농도로 용매에 용해되며, 바람직하게는 1 ~ 3mM의 농도로 용매에 용해된다. 상기 인산계 화합물의 농도가 너무 낮으면 충분한 두께의 소수성층(132)이 형성되지 않을 수 있다. 또한, 상기 인산계 화합물의 농도가 너무 높으면 자기 결합(self-assembly)이 포화되므로 농도가 높은 것이 의미가 없게 되며, 재료 소모만 증가될 수 있다.
또한, 상기 소수성층(132)은 CF(탄화불소)기 또는 CH(탄화수소)기를 포함하는 실란계 화합물이 코팅되어 형성된다. 또한, 상기 소수성층(132)은 삼염화 실란 자기결합 단분자막(trichlorosilane SAM)으로 형성될 수 있다. 상기 삼염화 실란 자기결합 단분자막은 (heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl) trichlorosilane (HDF-S)일 수 있다.
상기 소수성층(132)은 실란계 화합물이 무수톨루엔과 같은 용매에 용해되어 케이스 본체(131)의 통기홀(131a)의 내주면을 포함하는 영역에 코팅되어 형성될 수 있다. 이때, 상기 실란계 화합물은 0.1 ∼ 10mM의 농도로 용매에 용해되며, 바람직하게는 1 ~ 3mM의 농도로 용매에 용해된다. 상기 실란계 화합물의 농도가 너무 낮으면 충분한 두께의 소수성층(132)이 형성되지 않을 수 있다. 또한, 상기 실란계 화합물의 농도가 너무 높으면 소수성층(132)의 두께가 불필요하게 두꺼워지거나 두께 조절이 어려울 수 있다.
상기 소수성층(132)은 인산계 화합물 또는 실란계 화합물을 포함하는 상기와 같은 물질을 포함하는 코팅액을 디핑 코팅, 스핀 코팅 또는 스프레이 코팅 방식에 의하여 코팅하여 형성할 수 있다.
상기 중간층(133)은 금속 산화물, 그래핀 또는 그래핀옥사이드로 형성된다. 상기 금속 산화물은 TixOy, FexOy, AlxOy, SixOy, SnxOy, ZnxOy, InxOy, CexOy, 및 ZrxOy로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속산화물 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 여기서 상기 x는 1≤x≤3, y는 1≤y≤3일 수 있다. 또한, 상기 중간층(133)은 케이스 본체(131)가 금속 재질로 형성되는 경우에 통기홀(131a)의 내주면이 산화되어 형성되는 금속 산화물로 형성될 수 있다. 이 경우에, 상기 중간층(133)은 통기홀(131a)의 내주면과 강하게 결합될 수 있다. 상기 중간층(133)은 통기홀(131a)의 내주면에 금속 산화물등이 코팅되어 형성된다. 또한, 상기 중간층(133)은 케이스 본체(131)의 외측면과 내측면에도 형성될 수 있다.
상기 중간층(133)은 금속 산화물의 나노 입자가 포함된 코팅액이 디핑 코팅, 스핀 코팅 또는 스프레이 코팅 방식에 의하여 코팅되어 형성될 수 있다. 또한, 상기 중간층(133)은 금속 산화물의 금속 성분을 포함하는 금속염 용액(metal salt solution)이 스핀(spin) 코팅 또는 디핑(dipping) 코팅 방식에 의하여 코팅되고, 금속염이 산화되면서 형성될 수 있다. 또한, 상기 중간층(133)은 스퍼터링, 상압 플라즈마, 원자층 증착(Atomic Layer Deposition), 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition), 전자 빔 증착(E-beam Deposition)에 의하여 형성될 수 있다.
상기 중간층(133)은 표면에 다수의 수산화기(-OH) 또는 카르복시기(-COOH)가 형성될 수 있다. 상기 중간층(133)은 산소 플라즈마와 같은 플라즈마를 이용한 플라즈마 처리, UVO(Ultra Violet Ozone) 처리와 같은 표면 처리에 의하여 수산화기(-OH) 또는 카르복시기(-COOH)가 형성될 수 있다. 또한, 상기 중간층(133)은 수산화기(-OH) 또는 카르복시기(-COOH)를 포함하는 화학 물질을 분사 또는 도포하는 화학적 처리 방법에 의하여 수산화기(-OH) 또는 카르복시기(-COOH)가 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 중간층(133)이 실리카 나노 박막층으로 형성되는 경우에, 실리콘 산화물의 표면에 도포되는 헥사클로로실록산(hexachlorosiloxane)에 의하여 표면에 다수의 수산화기(-OH)가 형성될 수 있다.
또한, 상기 중간층(133)이 금속 산화물로 형성되는 경우에, 중간층(133)의 표면에 다수의 금속이온기(M+) 또는 하이드록시기(-OH)가 형성될 수 있다. 이때, 상기 중간층(133)은 플라즈마 처리를 통하여 표면에 금속이온기(M+)가 형성될 수 있다. 한편, 상기 중간층(133)은 금속 또는 금속 산화물로 형성되는 경우에 별도의 처리를 진행하지 않아도 표면에 금속이온기(M+) 또는 하이드록시기(-OH)가 자연적으로 존재할 수 있다.
상기 중간층(133)은 소수성층(132)이 인산계 화합물로 형성되는 경우에, 바람직하게는 금속산화물로 형성될 수 있다. 상기 소수성층(132)은 인산계 화합물로 형성되는 경우에 인산기가 금속 산화물의 금속이온기(M+)와 결합되어 결합력이 증가될 수 있다. 또한, 상기 소수성층(132)은 인산계 화합물의 인산기가 중간층(133)의 금속이온기(M+) 또는 하이드록시기(-OH))와 자기결합을 통하여 배위 결합되는 자기결합 단분자막(self-assembled monolayer)으로 형성될 수 있다. 상기 인산계 화합물은 대기중에서 안정한 상태를 유지하므로 대기중에서 코팅 공정이 진행될 수 있다.
상기 중간층(133)은 케이스 본체(131)의 표면과 소수성층(132)의 결합력을 증가시키며, 소수성층(132)이 케이스 본체(131)로부터 부분적으로 또는 전체적으로 분리되는 것을 감소시킬 수 있다. 따라서, 상기 케이스 본체(131)와 소수성층(132)의 결합력이 충분한 경우에 중간층(133)은 생략될 수 있다. 또한, 상기 케이스 본체(131)가 금속 재질로 형성되면서 어닐링 처리되는 경우에 소수성층(132)과의 결합력이 증가되므로 중간층(133)이 생략될 수 있다.
다음은 본 발명의 구체적인 실시예에 따른 오염 물질 포집 장치에 대하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 구체적인 실시예에 따른 제올라이트 비드의 표면에 촉매 코팅층이 전체적으로 형성된 포집 입자의 사진이다. 도 7은 본 발명의 구체적인 실시예에 따른 제올라이트 비드의 표면에 촉매 코팅층이 부분적으로 형성된 포집 입자의 사진이다. 도 8은 도 6의 포집 입자에 대한 SEM 사진이다. 도 9는 도 6의 포집 입자에 대한 성분 분석 결과이다. 도 10은 도 6의 포집 입자의 질소산화물 포집 성능에 대한 평가 그래프이다. 도 11은 도 6의 포집 입자의 황산화물 포집 성능에 대한 평가 그래프이다. 도 12는 일반적인 제올라이트 입자의 질소산화물 포집 성능에 대한 평가 그래프이다. 도 13은 일반적인 제올라이트 입자의 황산화물 포집 성능에 대한 평가 그래프이다.
본 발명의 구체적인 실시예에서 포집 입자(110)는 제올라이트 비드(111)의 표면에 부분적으로 촉매 코팅층(112)을 형성하였다. 또한, 상기 포집 입자(110)는 제올라이트 비드(111)의 표면에 전체적으로 촉매 코팅층(112)을 형성하였다.
상기 제올라이트 비드(111)는 실리콘과 알루미늄의 몰 비율이 1:1인 비드 또는 1.5:1인 비드를 사용하였다. 상기 포집 입자(110)는 촉매 코팅층(112)이 제올라이트 비드(111)의 표면에 부분적으로 형성된 입자와 촉매 코팅층(112)이 제올라이트 비드(111)의 표면에 부분적으로 형성된 입자로 각각 제조하였다. 상기 촉매 코팅층(112)은 망간계 전구체 용액에 제올라이트 비드(111)를 침지하여 형성하였다. 상기 망간계 전구체는 Mn(NO3)2를 사용하였다. 상기 망간계 전구체 용액은 망간계 전구체의 농도를 달리하여 2개로 제조하였다. 도 6을 참조하면, 상기 포집 입자(110)는 망간계 전구체를 상대적으로 높은 농도인 0.1 내지 10M 농도로 혼합한 망간계 전구체 용액에 제올라이트 비드(111)를 침지하여 촉매 코팅층(112)을 형성하였다. 따라서, 상기 포집 입자(110)는 제올라이트 비드(111)의 표면에 전체적으로 촉매 코팅층(112)이 형성되어 표면 색상이 전체적으로 균일한 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 7을 참조하면, 상기 포집 입자(110)는 망간계 전구체를 상대적으로 낮은 농도인 1 내지 50mM 농도로 혼합한 망간계 전구체 용액에 제올라이트 비드(111)를 침지하여 촉매 코팅층(112)을 형성하였다. 따라서, 상기 포집 입자(110)는 제올라이트 비드(111)의 표면에서 부분적으로 촉매 코팅층(112)이 형성되어 표면 색상이 균일하지 않은 것을 확인할 수 있다. 따라서, 상기 촉매 코팅층(112)은 망간계 전구체의 농도에 따라 제올라이트 비드의 표면에 전체적으로 코팅되거나 부분적으로 코팅될 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 포집 입자는 표면에 촉매 코팅층(112)이 형성된 것을 확인할 수 있다.
도 9를 참조하면, 상기 포집 입자는 성분 분석 결과에 따르면 제올라이트 성분인 Al과 Si이 검출되고, 촉매 코팅층(112)의 성분인 Mn이 검출되는 것을 확인할 수 있다.
도 10 내지 도 13의 그래프는 1ppm의 질소산화물 또는 황산화물 기체 가 균일하게 주입되는 측정 기기에 일정 부피의 포집 입자를 노출시킨 뒤, 포집 입자의 의해 감소되는 질소산화물 또는 황산화물 기체 농도 및 포집 성능을 나타낸다.
도 10을 참조하면, 1ppm의 질소산화물 기체에 노출시킨 포집 입자(110)는 질소산화물을 흡착 및 분해하여 0.2ppm이하의 농도 감소를 보인다. 또한, 사용 시간이 경과하더라도 증가하지 않고 농도가 유지되는 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 포집 입자(110)는 사용 시간이 경과하더라도 질소산화물의 흡착 능력이 유지되고 있음을 알 수 있다.
도 11을 참조하면, 1ppm의 황산화물 기체에 노출시킨 포집 입자(110)는 황산화물을 흡착 및 분해하여 거의 0ppm에 가까운 농도로 감소되었다. 또한, 사용 시간이 경과하더라도 증가하지 않고 농도가 유지되는 것을 알 수 있다. 상기 황산화물의 검출 농도는 사용 시간이 경과하더라도 증가하지 않는 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 포집 입자(110)는 사용 시간이 경과하더라도 황산화물의 흡착 능력이 유지되고 있음을 알 수 있다.
이에 비하여. 일반적인 제올라이트 비드를 사용한 경우에는 도 12에서 보는 바와 같이 일정 시간이 지나면 더 이상 질소산화물을 제거하지 못하고 검출 농도는 사용 시간이 경과함에 따라 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 상기 제올라이트 비드는 사용 시간이 경과함에 따라 질소산화물의 흡착 능력이 감소하는 것을 알 수 있다.
또한, 일반적인 제올라이트 비드를 사용한 경우에 도 13에서 보는 바와 같이 황산화물을 흡착 분해하여 검출 농도가 사용 시간이 경과함에 따라 유지되는 것을 알 수 있다. 즉, 상기 일반 제올라이트 비드는 사용 시간이 경과함에 따라 황산화물의 흡착 능력이 유지되는 것을 알 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 질소산화물과 황산화물을 포함하는 오염 물질 포집 장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100: 오염 물질 포집 장치
110: 포집 입자 111: 제올라이트 비드
111a: 내부 기공 112: 촉매 코팅층
120: 수분 흡착 입자 130: 선택적 투과 케이스
131: 케이스 본체 132: 소수성층
133: 중간층
110: 포집 입자 111: 제올라이트 비드
111a: 내부 기공 112: 촉매 코팅층
120: 수분 흡착 입자 130: 선택적 투과 케이스
131: 케이스 본체 132: 소수성층
133: 중간층
Claims (12)
- 내부에 내부 기공이 존재하는 제올라이트 비드와 상기 제올라이트 비드의 표면의 적어도 일부에 코팅되는 촉매 코팅층을 구비하는 포집 입자 및
외측면에서 내측면으로 관통되는 복수 개의 통기홀을 구비하며 내부에 상기 포집 입자가 수용되는 케이스 본체 및 상기 통기훌의 내주면을 포함하는 영역에 형성되는 소수성층을 구비하는 선택적 투과 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 오염 물질 포집 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제올라이트 비드는 0.1 ~ 10mm의 크기로 형성되며, 상기 내부 기공은 0.1 ~ 1.3nm의 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 오염 물질 포집 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제올라이트 비드는 실리콘과 알루미늄의 몰 비율이 1:1 ~ 1.5:1로 포함되는 것을 특징으로 하는 오염 물질 포집 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 촉매 코팅층은 망간계 촉매로 형성되는 것을 특징으로 하는 오염 물질 포집 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 촉매 코팅층은 상기 제올라이트 비드의 표면의 적어도 일부와 상기 내부 기공을 포함하는 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 오염 물질 포집 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 촉매 코팅층은 상기 제올라이트 비드의 표면에서 부분적으로 또는 전체적으로 코팅되며, 1nm ~ 300㎛의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 오염 물질 포집 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 촉매 코팅층은 상기 제올라이트 비드의 표면에 촉매 입자가 전체적으로 분포되어 형성되며, 상기 촉매 입자는 0.1nm ~ 30㎛의 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 오염 물질 포집 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 오염 물질 포집 장치는 입자로 형성되어 상기 포집 입자에 혼합되며, 수분을 흡착하는 수분 흡착 입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오염 물질 포집 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 수분 흡착 입자는 상기 포집 입자의 전체 중량에 대비하여 10 ~ 20중량부로 혼합되는 것을 특징으로 하는 오염 물질 포집 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 통기홀은 5㎛ ~ 1,000㎛의 직경 또는 폭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 오염 물질 포집 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 소수성층은 상기 케이스 본체의 외측면을 포함하는 영역에 더 형성되는 것을 특징으로 하는 오염 물질 포집 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 케이스 본체는 봉지 형상 또는 통 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 오염 물질 포집 장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220007696A KR20230111796A (ko) | 2022-01-19 | 2022-01-19 | 질소산화물과 황산화물을 포함하는 오염 물질 포집 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230111796A true KR20230111796A (ko) | 2023-07-26 |
Family
ID=87427803
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020220007696A KR20230111796A (ko) | 2022-01-19 | 2022-01-19 | 질소산화물과 황산화물을 포함하는 오염 물질 포집 장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20230111796A (ko) |
-
2022
- 2022-01-19 KR KR1020220007696A patent/KR20230111796A/ko not_active Application Discontinuation
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