KR20240016301A - 페놀 수지 바인더로 제조된 목탄 제품 및 이의 제조 방법 - Google Patents

페놀 수지 바인더로 제조된 목탄 제품 및 이의 제조 방법 Download PDF

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KR20240016301A
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랄프 브랜드스볼
라민 파르비즈 파루디
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프로카본 바이오 에이비
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Abstract

본 개시내용은 바인더 (예컨대 카다놀을 포함할 수 있는 페놀성 바인더) 및 목탄을 바람직하게는 분말 형태로 포함하는 조성물(바이오-탄소 재료) 및 조성물의 제조 방법을 기술한다. 조성물은 또한 촉진제/촉매를 포함할 수 있다. 바인더, 목탄 분말 및 촉진제를 함께 혼합하여 성형(가압, 압연 또는 압출)한 다음, 경화시킬 수 있다. 생성된 조성물은 야금 환원제로 사용될 수 있고, 야금 산업에서 사용하기 위한 애노드로 가공될 수 있으며, 건설 산업에서 예를 들어 콘크리트 성분 및 요리용 연료로 사용될 수 있다.

Description

페놀 수지 바인더로 제조된 목탄 제품 및 이의 제조 방법
본 개시내용은 일반적으로 응집체, 탄소계 재료, 목탄 조성물, 목탄 제품, 및 목탄 제품 특히 목탄과 바인더를 사용하여 고성능 탄소 제품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시내용은 목탄과 같은 "포집된" 탄소 및 바인더로부터 형성된 재료뿐만 아니라 그러한 재료를 제조하는 상응하는 공정에 관한 것이다. 이들 조성물로부터 제조된 제품은 현재 사용되는 화석 연료의 사용을 대체하기 위해 및/또는 콘크리트, 아스팔트 및 기타 건축 자재의 필러(filler), 및 알루미늄 산업용 애노드로서를 포함하는 다양한 잠재적 용도를 위한 이산화탄소 중립 제품을 만들기 위해 야금 산업의 환원제로서 연료로 사용될 수 있다.
기후 변화는 정부와 개인의 우려가 커지고 있으며 화석 연료 기반 탄소 공급원을 줄이고 "CO2 중립" 탄소 공급원을 더 많이 사용하기 위한 노력이 늘어나고 제안되고 있다. "탄소 포집"의 가장 간단한 형태는 바이오매스 기반 탄소 공급원 예컨대 목재 또는 가공된 목재 물질 예컨대 목탄을 사용하는 것이다. 이산화탄소 중립 탄소 공급원은 이전에 대기로부터 포집된 탄소에 의존하므로 해당 탄소가 이후에 방출되더라도 대기 탄소에 기여하지 않는다. "탄소 포집"에서는, 대기 탄소를 포집하여 대기 탄소의 순 감소를 제공하기 위해 상당한 기간 동안 대기로부터 멀리 떨어진 곳에 보관한다. 마찬가지로, CO2를 생성하는 공정은 결과물이 장기간 대기로부터 탄소를 격리하는 역할을 하는 경우 "상쇄"될 수 있다. 바이오매스의 목탄을 사용하여 생성된 제품은 대기 탄소를 보관할 수 있는 잠재력을 갖고 있으므로 이전의 화석 연료 유래 탄소 공급원에 대한 탄소 중립 대체물을 제공한다. 또한 이러한 재료가 장기간 탄소를 보관하는 데 사용될 수 있는 경우, 시멘트와 같은 특정 재료를 제조할 때 발생하는 이산화탄소를 상쇄하는 데에도 사용할 수 있다.
탄소 및 바인더 재료로부터 생성된 제품은 한동안 알려져 왔다. 바운드 목탄 재료 분야에서는 1939년 이후 수많은 개선이 이루어졌으며 그 중 다수는 특허를 받을 수 있고 대부분은 친환경적이다. 미국 특허 제5,298,040호에는 방수 연료 조개탄(briquette)에 수용성 산화제를 사용하는 것이 개시되어 있다. 미국 특허 제5,221,290호에는 점토 및 유기 바인더의 사용이 개시되어 있다. 이 분야에서 수백 개의 특허가 부여되었다. 그러나 이들 각각에는 결함이 있으며 화석 탄소 제품(예를 들어 코크스 및 화석 탄소 연료)을 대체하거나 대기로부터 바이오-탄소를 격리하는 데 사용할 수 있는 고성능 바이오-탄소계 재료에 대한 필요성이 남아 있다.
따라서, 다양한 목적으로 사용될 수 있는 친환경 및/또는 고성능 바이오-탄소 재료를 제공하는 조성물 및 그 조성물의 제조 방법이 당업계에 필요하다. 야금 산업에서는 환원제로서 바이오-탄소 애노드를 만들고, 건설 산업에서는 건축 자재의 탄소 풋프린트(footprint)을 줄이기 위한 "바이오-탄소 석재"로 사용하고/하거나, BBQ 산업에서는 현재 BBQ 조개탄 연료에 비해 성능을 대폭 향상시킨다.
인용된 참고문헌의 한계를 최소화하고, 본 명세서를 읽고 이해할 때 명백해지는 다른 한계를 최소화하기 위해, 본 명세서는 바이오-탄소계 재료, 및 목탄, 및 적어도 하나의 바인더 재료 포함하는 이러한 재료를 생성하는 방법을 개시한다.
따라서, 제1 양태에서, 본 개시내용은 목탄 및 페놀 수지를 포함하는 적어도 하나의 바인더를 포함하는 바이오-탄소계 재료를 제공한다. 바인더 성분은 적어도 50% (예를 들어 50 내지 100%) 페놀 수지, 예컨대 적어도 75% 또는 적어도 90% 페놀 수지 (모두 중량%)를 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 페놀 수지는 하기 화학식 I의 적어도 하나의 페놀로부터 형성되거나 형성될 수 있다:
여기서 X는 H 또는 OH이고, R은 H 또는 직쇄 또는 분지형일 수 있는 1 내지 24개의 탄소의 선택적으로 치환된 포화 또는 불포화 탄화수소 모이어티이다. 1개 또는 2개의 독립적인 R 기가 존재할 수 있으며 표시된 -OH 기에 대해 오르토-, 메타- 또는 파라- 위치에 독립적으로 존재할 수 있다. 하나의 메타-R 기가 바람직하다. 일 구현예에서, 적어도 하나의 화학식 I의 페놀은 R이 수소가 아닌 적어도 하나의 페놀을 포함한다.
적어도 하나의 화학식 I의 페놀은 적어도 하나의 비-수소 R 기가 존재하는, 바람직하게는 -OH 모이어티에 대해 메타- 위치에 있는 화학식 I의 페놀을 포함하거나, 구성되거나, 본질적으로 구성될 수 있다.
일 구현예에서, 적어도 하나의 화학식 I의 페놀은 적어도 하나의 비-수소 R 기가 존재하는, 바람직하게는 -OH 모이어티에 대해 메타- 위치에 있는 화학식 I의 페놀을 부분적으로 포함할 수 있고, 페놀 및/또는 레조르시놀을 부분적으로 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 페놀 수지는 선택적으로 다른 성분(예를 들어 본원에 기재된 것, 예를 들어 헥사민과 같은 포르밀 탄소 공급원)과 적어도 하나의 화학식 I의 페놀의 중합체일 수 있다.
일 구현예에서, 페놀 수지는 적어도 하나의 화학식 I의 페놀로부터 형성되거나 형성될 수 있으며, 여기서 적어도 하나의 페놀은 카돌 및/또는 카다놀을 포함한다.
일 구현예에서, 페놀 수지는 적어도 하나의 알데하이드, 우레아 또는 포르밀-탄소 공급원 예컨대 헥사민과의 반응에 의해 적어도 하나의 화학식 I의 페놀로부터 형성되거나 형성될 수 있다.
일 구현예에서, 바이오-탄소계 재료는 모래 또는 암석분와 같은 광물 필러를 최대 30 중량%(예를 들어 1 내지 30 중량%)로 함유할 수 있다.
제2 양태에서, 본 개시내용은 목탄 및 적어도 하나의 바인더를 포함하는 바이오-탄소계 재료를 제공하며, 여기서 바이오-탄소계 재료는 아래에 기재된 (실시예를 참조하여 아래에 기재된 바와 같은) 방법에 따라 테스트할 때 압축 강도가 적어도 5 MPa (예를 들어 5 내지 150 MPa, 바람직하게는 적어도 20 MPa, 예컨대 적어도 30 MPa 또는 적어도 40 MPa)이다. 하나의 특정 구현예에서, 바이오-탄소계 재료는 적어도 40 MPa (예를 들어 40 내지 120 MPa), 바람직하게는 적어도 50 MPa 및 더 바람직하게는 적어도 60 MPa (예를 들어 60 내지 100 MPa)의 압축 강도를 갖는다. 바이오-탄소 재료의 압축 강도를 측정하기 위한 적절한 테스트 중 하나는 American Society for Testing Materials ASTM C39/C39M 방법이다. 이는 원통형 콘크리트 시편의 압축 강도에 대한 표준 시험 방법을 제공한다. 달리 명시하지 않는 한, 압축 강도를 테스트하는 이 방법은 본원에서 의도된다.
추가 양태에서, 본 개시내용은 바이오-탄소계 재료의 형성 방법을 제공하며, 상기 방법은 목탄, 적어도 하나의 바인더 재료, 및 선택적으로 촉진제 또는 촉매를 혼합하는 단계, 및 혼합물을 원하는 임의의 형상으로 (예를 들어 블록, 막대 또는 조개탄으로) 형성하는 단계를 포함한다. 결과물은 하기를 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 방식으로 사용될 수 있다: 매우 균일한 바이오-탄소계 환원제로서의 야금 산업; 알루미늄 산업을 위한 바이오-탄소계 애노드 생성; 특히 콘크리트, 아스팔트 또는 기타 복합재의 암석이나 자갈을 전체적으로 또는 바람직하게는 부분적으로 대체하는 건설 산업; 및/또는 BBQ 산업에서 요리용 연료.
일 구현예는 조개탄과 같은 열이나 에너지가 풍부한 고체 연료 재료를 만드는 것일 수 있다. 이 재료는 바인더로 페놀 수지를 사용하여 목탄, 바람직하게는 목탄 분말로 만들어질 수 있다. 이 구현예에 대한 매우 적합한 바인더는 카돌 및/또는 카다놀이다.
다양한 구현예에서, 본 개시내용의 바이오-탄소 재료는 2 내지 99% 범위의 고정 탄소(즉, 비-휘발성 탄소의 중량 백분율)를 가질 수 있다. 바람직하게는, 고정 탄소는 적어도 60% 또는 적어도 75 중량%이다. 이는 목탄과 바인더의 특성, 목탄이 만들어지거나 처리되는 조건, 바이오-탄소 재료의 경화 및 선택적인 이차 열처리에 따라 달라진다. 고정 탄소 함량이 적어도 70%(예를 들어 75 내지 98%)인 목탄을 사용할 수 있다. 일 구현예에서, 바이오-탄소 재료에 사용되는 목탄은 적어도 80%의 고정 탄소 함량을 갖는다. 이러한 목탄은 예를 들어 산소의 부재에서 300 내지 900°C까지 열처리하여 생성될 수 있다. 추가 구현예에서, 사용되는 목탄은 고정 탄소가 적어도 80%, 적어도 90% 또는 적어도 95%일 수 있다. 이러한 목탄은 예를 들어 불활성 대기에서 적어도 700°C(예를 들어 800 내지 1200°C)로 열처리하여 생성될 수 있다.
조성물은 경화 시간을 개선하고, 경화 온도를 낮추고/거나 바인더의 성질을 제어하기 위해 촉매 및/또는 촉진제를 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 촉진제 또는 촉매는 헥사민일 수 있으며, 이는 다른 바인더 성분(예를 들어 화학식 I의 페놀) 및 목탄 분말과 혼합될 때 중합 공정을 시작할 수 있다. 알데하이드 예컨대 포름알데하이드 및 그의 전구체 예컨대 폴리메틸렌 글리콜도 적합한 촉진제 또는 촉매이다. 추가의 촉진제 및 촉매가 아래에 논의되며 본 발명의 임의의 적절한 구현예에서 사용될 수 있다.
일 구현예에서, 바이오-탄소 재료(예를 들어 조개탄)는 섭씨 150도 내지 400도("℃") 범위에서 경화될 수 있다. 바람직하게는 이는 190 내지 220℃와 같이 180 내지 250℃일 것이다. 경화 기간은 바인더, 선택적인 촉진제/촉매 및 처리 온도에 따라 달라질 것이다. 그러나, 전형적인 경화 기간은 5분 내지 12시간, 바람직하게는 20분 내지 3시간, 예를 들어 30분 내지 2시간일 것이다.
일 구현예에서, 바이오-탄소 재료를 조각(예를 들어 조개탄, 블록, 막대 또는 본원에 논의된 것을 포함하는 임의의 적절한 형상)으로 형성하는 데 사용되는 압력은 적어도 5 kN/cm2 (즉 적어도 50 MPa) 예컨대 5 내지 500 kN/cm2 (50 내지 5000 MPa)일 수 있다. 적합한 압축력은 예를 들어 적어도 8 kN/cm2, 예컨대 약 10 kN/cm2일 수 있다. 그러나 적어도 20 N/cm2 (200 MPa) 또는 적어도 50 N/cm2와 같은 더 큰 압축이 사용될 수 있다. 경화 전에 본 발명의 생성물을 압축 및/또는 압착하기 위해 대안적으로 또는 추가적으로 진동이 사용될 수 있다. 일 구현예에서, 진동은 위에 표시된 압축력과 조합하여 사용된다.
전형적으로 더 높은 압축력(바람직하게는 진동과 함께)은 더 큰 밀도, 더 낮은 표면적, 더 낮은 물 흡착 및/또는 더 강한 압축 강도를 갖는 최종 재료와 관련된다. 선택적으로 진동과 함께 반복적인 압축도 사용할 수 있다. 압축은 1회, 2회, 3회 또는 더 많은 횟수(예를 들어 1 내지 10회)로 수행될 수 있다. 진동은 각 압축 단계에서 독립적으로 사용되거나 사용되지 않을 수 있다.
본 발명의 바이오-탄소 재료가 조개탄 형태인 경우, 이는 BBQ 산업과 같은 요리용 연료를 포함하는 임의의 적절한 목적으로 사용될 수 있다. 바이오-탄소 조개탄은 야금 공정에서 환원제로 사용될 수도 있다.
일 구현예에서, 목탄 및 바인더 혼합물은 유압 프레스, 기계식 프레스, 압출기 및/또는 롤러 프레스에 의해 가압될 수 있고 필로우형, 각기둥형(예를 들어 직육면체 또는 원통형) 또는 기타 균일한 형상을 가질 수 있다. 압출에 의한 형성이 바람직한 방법이다.
본 발명의 일 양태에 있어서, 바이오-탄소 재료는 압축 강도가 50 MPa 초과(505 kg/cm2 초과)일 수 있다. 이 강도는 알려진 목탄 조개탄과 같은 이전의 바이오-탄소 재료보다 훨씬 더 크다. 이러한 압축 강도로 인해, 연료, 야금 산업의 환원제, 알루미늄 용융과 같은 많은 산업 공정의 탄소 전극(예를 들어 애노드)으로 매우 유용한 것 외에, 바이오-탄소 재료는 건축 자재(예를 들어 콘크리트)에 일반적으로 사용되는 돌이나 자갈(골재)의 크기와 유사한 크기로 줄어들 수 있고, 결과물(예를 들어 생성된 콘크리트)의 전체 강도에 실질적으로 영향을 주지 않으면서 이러한 돌(골재)의 (특히 부분) 대체재로 사용될 수 있다.
따라서, 추가 양태에서, 본 개시내용은 시멘트(예를 들어 포틀랜드 시멘트) 및 본원에 기재된 적어도 하나의 바이오-탄소 재료를 포함하는 콘크리트를 제공한다. 이러한 콘크리트는 조각으로 형성, 성형, 절단 또는 파쇄(예를 들어 파쇄)된 본 개시내용의 바이오-탄소 재료를 포함할 수 있다. 이러한 조각은 본원에서 "목탄석"이라고 한다.
바람직하게는, 이들 "목탄석"은 콘크리트에 사용되는 표준 골재와 유사한 크기를 가질 수 있다. 이는 예를 들어 코스 골재의 경우 평균 약 4 내지 40mm(예를 들어 8 내지 40mm) 직경(예를 들어 중량 평균 직경 15 내지 30mm)일 수 있다. 약 40mm 중량 평균 직경(예를 들어 평균 35 내지 45mm)의 대안도 적합하다. 중량 평균 직경이 10mm 이하(예를 들어 최대 직경 약 9.55mm)인 잔골재도 적합할 수 있다.
본 개시내용의 콘크리트는 임의의 적합한 양의 목탄석(본 개시내용의 바이오-탄소 재료)을 함유할 수 있지만, 이는 유리하게는 각 콘크리트 입방 미터당 적어도 약 100 kg(예를 들어 80 내지 300 kg 또는 100 내지 300 kg, 예를 들어 100 내지 200 kg)일 것이다. 이는 본원에 논의된 바와 같이 콘크리트를 대략 "탄소 중립"으로 만든다. 대기로부터 탄소를 효과적으로 격리하고 해당 탄소를 장기 보관 매체에 가두기 위해 입방미터당 100 kg보다 큰 양이 사용될 수 있다. 대안으로, 생산에서 방출되는 이산화탄소를 완전히 상쇄할 필요 없이 콘크리트와 같은 재료의 대기 탄소 영향을 줄일 수 있다. 입방미터당 적어도 20 kg의 목탄, 바람직하게는 적어도 50 kg(예를 들어 입방 미터당 50 내지 120 kg)의 양은 콘크리트와 같은 건축 자재 제조 시 방출되는 이산화탄소를 부분적으로 또는 완전히 상쇄할 수 있다. 따라서 이러한 수준의 탄소석을 갖는 콘크리트는 추가 구현예를 형성한다.
본 개시내용의 콘크리트는 표준 산업 콘크리트(예를 들어, 많은 다른 용도 중에서 보도, 산업, 주거 또는 사무실 건물, 교량, 사이딩, 대구경 파이프, 도로, 터널 및/또는 포장도로에 사용)에 사용될 수 있다.
콘크리트 압축 강도에 대한 많은 표준이 존재한다. 본 개시내용의 바이오-탄소 재료는 임의의 적절한 콘크리트에 사용될 수 있다. 표준 콘크리트 강도는 연석 바닥의 경우 약 7.5MPa이며, 농업 및 산업용 철근 콘크리트의 경우 배수 작업의 경우 최대 50 MPa 이상이다. 일 구현예에서, 본 개시내용의 콘크리트는 적어도 사용되는 표준 콘크리트의 명목 28-일 강도만큼 높은 강도를 갖는 목탄석을 포함한다.
본 개시내용의 목탄석을 콘크리트 혼합물에 첨가함으로써, 콘크리트의 이산화탄소 풋프린트가 제어될 수 있고, 이산화탄소 풋프린트를 수축시켜, 콘크리트 혼합물에 포함된 목탄석의 양에 따라 이산화탄소를 중립으로 만들거나 심지어 이산화탄소를 음으로 만들 수 있다. 본 개시내용의 목탄석을 콘크리트에 첨가함으로써, 대기로부터 포집되어 돌과 함께 탄소로서 함유된 이산화탄소는 대략 1:3 비율로 결합될 것이다(원소 탄소 12kg은 CO2 44kg에 해당). 이는 목탄석 1kg을 추가할 때마다 대략 3kg(순수 탄소 재료의 경우 최대 3.6kg)의 이산화탄소가 대기로 유입되는 것을 금지한다는 의미이다. 입방미터의 시멘트를 제조하면 약 300 kg의 이산화탄소가 배출되므로, 목탄석 형태로 약 100 kg의 탄소(예를 들어 80 내지 150 kg/m3)를 혼입하면 유사한 양의 탄소가 장기간 대기로부터 격리되어, 시멘트를 "탄소 중립"으로 만들 수 있다. 그러한 기간은 콘크리트의 수명이 다했을 때에도 그것은 매장되거나 분쇄되어 미래 재료(예를 들어 미래 콘크리트)의 하드 코어 또는 충전재로 사용될 수 있으므로 계속해서 대기로부터 탄소를 가두어 둘 수 있기 때문에 수십년 또는 수백년(예를 들어 100년에서 500년)이 될 수 있다. 탄소 방출의 감소 또는 부분 상쇄가 바람직한 경우 또는 더 적은 양의 포틀랜드 시멘트가 상쇄되어야 하거나 혼합물에 더 적은 양의 표준 골재가 필요한 경우, 콘크리트에는 더 적은 양의 목탄석(예를 들어 10 내지 99 또는 10 내지 120 kg/m3)이 포함될 수 있다. 마찬가지로, 더 많은 양의 목탄석(예를 들어 150 내지 250 kg/m3)을 사용하여 더 높은 수준의 탄소 방출(예를 들어 더 많은 포틀랜드 시멘트 함유)을 갖는 혼합의 제조에서 또는 대기로부터 탄소를 전반적으로 제거하려는 경우, 방출되는 이산화탄소를 상쇄하기 위해 사용할 수 있다.
따라서 일 구현예에서, 본 개시내용은 콘크리트의 형성(특히 포틀랜드 시멘트와 같은 콘크리트의 시멘트 결합제의 형성)에서 방출된 이산화탄소가 적어도 콘크리트 내에 비말동반된 목탄석에 함유된 포집된 탄소에 의해 상쇄되는 "탄소 네가티브" 콘크리트를 제공한다. 바람직하게는 탄소 중립 시멘트는 콘크리트 형성 중에 대기로 방출된 탄소 양의 100±20%(예컨대 100±10%)가 목탄석 내에 포집된 탄소의 형태로 콘크리트 내에 비말동반되는 시멘트일 것이다. 따라서 추가 구현예에서, 본 개시내용은 콘크리트의 형성(특히 포틀랜드 시멘트와 같은 콘크리트의 시멘트 결합제의 형성)에서 방출된 이산화탄소가 적어도 콘크리트 내에 비말동반된 목탄석에 함유된 포집된 탄소에 의해 상쇄되는 것 초과인 "탄소 중립" 콘크리트를 제공한다. 바람직하게는 탄소 네거티브 시멘트는 콘크리트 형성 중에 대기로 방출된 탄소 양의 적어도 100% (예컨대 100 내지 500%)가 목탄석 내에 포집된 탄소의 형태로 콘크리트 내에 비말동반되는 시멘트일 것이다. 그러한 탄소 중립 및/또는 탄소 네거티브 콘크리트는 건설/건축 산업에 의해 방출되는 탄소를 감소시키고/또는 수십 년 동안 대기로부터 탄소를 격리시키는 데 귀중한 도구를 형성할 수 있다.
일 구현예에서, 바인더는 최종 혼합물(따라서 최종 바이오-탄소 재료)의 대략 2 내지 50 중량%일 수 있다. 이는 바람직하게는 5 내지 30 중량%일 것이다. 바인더의 양은 일반적으로 더 많은 양의 바인더를 요구하는 더 높은 압축 강도를 갖는 적용 분야에 따라 달라질 수 있다. 야금 공정에서 환원제 또는 연료로 사용하기 위한 조개탄의 경우, 바인더의 양은 전형적으로 바이오-탄소 재료의 중량으로 2 내지 15% 또는 5 내지 10%일 수 있다. 건축 자재에 사용하기 위한 "목탄석"을 형성하거나 알루미늄 제조용 애노드를 형성하는 것과 같이 강도가 더 중요한 경우에는, 더 높은 수준, 예컨대 15 중량% 내지 25 중량% 또는 20 내지 30 중량%의 바인더를 사용한다.
본원에 표시된 "바인더"는 적어도 하나의 페놀 성분(예를 들어 본원에 기재된 것, 특히 화학식 I의 것)을 포함할 수 있지만 또한 적어도 하나의 촉진제 및/또는 촉매를 포함할 수도 있다. 헥사민(및 본원에 기재되고 당업계에 공지된 다른 것)과 같은 촉진제는 바람직하게는 바인더 성분의 중량으로 대략 4 내지 10%(예를 들어 6 내지 8%)로 존재할 수 있다. 일 구현예에서, 촉진제는 포르밀 탄소의 공급원이고 바인더에 존재하는 페놀 1몰당 적어도 1몰의 포르밀 탄소에 해당하는 양으로 존재한다.
선택적인 촉진제/촉매에 더하여, 바인더 성분은 적어도 하나의 오일 성분을 포함할 수 있다. 이러한 오일은 바인더의 선택적인 부분을 형성하므로 존재하지 않거나 바인더 총 중량의 최대 50%(즉, 페놀 성분과 대략 동일한 중량 함량까지)로 존재할 수 있다. 적합한 오일에는 "건성유"가 포함된다. 건성유는 전형적으로 고불포화 지방산, 특히 알파-리놀렌산의 글리세롤 트리에스테르를 포함한다. "요오드가(iodine number)"는 오일의 이중 결합 수와 건성유가 되는 경향을 나타내는 지표이다. 요오드가가 130보다 큰 오일은 건조성으로 간주되어 본 발명에서 오일 성분으로 바람직하다. 요도드가가 115 내지 130인 제품은 반건성 제품이므로 건성유와 함께 사용하는 것이 바람직하다. 바람직한 건성유 중 하나는 아마인유이다. 이러한 오일은 산화적 가교에 의해 건조되며 이론에 구애되지 않고 이러한 공정에 의해 불포화 페놀성 성분으로 경화될 수 있다. 일 구현예에서, 오일 성분은 불포화 "R" 기를 갖는 적어도 하나의 화학식 I의 페놀과 조합하여 사용된다. 예는 카다놀(cardanol)과 카돌(cardol)을 포함한다.
일 구현예는 카다놀 (및 선택적으로 카돌); 및 목탄 분말을 포함하는 조성물일 수 잇고; 카다놀과 목탄 분말을 함께 혼합하여 혼합물을 형성하고; 그리고 상기 혼합물은 경화되어 바이오-탄소 재료를 형성한다. 조성물은 촉진제 또는 촉매를 추가로 포함할 수 있으며, 여기서 촉진제/촉매는 혼합물의 일부로서 카다놀 및 목탄 분말과 함께 혼합된다. 혼합물은 압축될 수 있고, 압축된다면 대략 5 내지 500 kN/cm2(50 내지 5000 MPa), 예컨대 5 내지 100 kN/cm2 범위의 압력으로 압축될 수 있다. 적절한 압력은 10 내지 50 kN/cm2 범위와 같이 본원에 기재되어 있다. 혼합물은 바람직하게는 450℃ 미만에서 경화될 수 있다. 적합한 경화 온도는 대략 150℃ 내지 300℃, 예컨대 180℃ 내지 250℃ 범위일 수 있다. 경화 시간은 변할 수 있지만 짧게는 1분, 대략 2시간 또는 그 초과일 수 있다. 적합한 경화 시간은 본원에 기재되어 있지만, 예를 들어 5분 내지 2시간, 예를 들어 15분 내지 1시간일 수 있다.
본 발명의 임의의 구현예에서, 혼합물은 간접 열; 직접 열; 복사열; 자외선; 적외선; 마이크로파; 초음파; 유도 전력; 및 이들의 조합 중 하나 이상으로 구성된 경화 또는 가열 메커니즘의 군으로부터 선택된 경화 메커니즘을 통해 경화될 수 있다. 전기 가열과 같은 직접 가열이 바람직한 경화 방법을 형성한다.
압축된 혼합물은 최종 형상으로 직접 경화될 수 있다(예를 들어 경화 전에 조개탄, 원통형, 막대, 블록, 정육면체, 볼 또는 프리즘으로 형성됨). 대안적으로 혼합물은 절단, 분쇄 또는 파쇄와 같은 임의의 적절한 수단에 의해 경화된 후 최종 형상으로 형성될 수 있다. 조개탄은 야금 환원제 또는 연료로 사용하기에 적합한 형상일 수 있다. 대안적으로, 바이오탄소 재료는 임의의 적절한 형태로 형성 및/또는 추가 가공될 수 있다. 추가 가공은 절단 및/또는 파쇄에 의해, 또는 알루미늄 생산을 위한 기존 탄소 애노드에 전형적으로 사용되는 유형의 추가 경화, 코팅 또는 열처리(이차 열처리 또는 SHT로 알려짐)와 같은 후속 처리에 의한 바이오-탄소 재료의 형상화를 포함할 수 있다. 목탄석의 경우, 바이오-탄소 재료는 초기에 조각(예를 들어 표준 치수 블록)으로 형성될 수 있으며 경화 후 분쇄(예를 들어 조 크러셔(jaw crusher)에 의함)하고 골재(예를 들어 콘크리트)로 사용하기 위해 원하는 등급으로 체질할 수 있다.
알루미늄 산업을 위한 펫-코크스(pet-coke) 애노드와 화석 자원으로 만든 애노드를 사용하는 기타 모든 야금 회사와 관련하여, 전체 야금 산업은 이산화탄소 풋프린트를 줄이는 방법을 수년간 모색해 왔다. 일반적인 애노드는 펫코크스로 만들어지며 바인더로 석탄 피치가 추가된다. 석탄 피치와 펫코크스는 대량의 이산화탄소를 사용하고 방출하다. 따라서, 이산화탄소를 덜 사용하고 방출하는 야금 애노드의 제조에 사용하기 위한 새로운 원료 및 바인더에 대한 당업계의 오랜 필요성이 존재한다.
바이오-탄소 재료의 용도에는 야금 산업, 특히 알루미늄 생산과 같은 금속 생산을 위한 애노드에서의 사용이 포함될 수 있다. 본 발명의 바이오-탄소 재료는 전형적으로 장기간 동안 1000℃ 초과의 경화 온도를 요구하지만 화석 탄소로 형성되는 기존 탄소 애노드에 비해 상당한 이점을 제공한다. 이러한 요인과 기타 요인의 결과로, 알루미늄 1000 kg을 생산할 때 최대 약 수백 킬로그램의 화석 탄소(약 400 kg의 화석 탄소 애노드 포함)가 이산화탄소로서 대기 중으로 방출된다. 이는 알루미늄 1톤을 제조할 때 최대 약 6톤의 이산화탄소가 배출된다는 의미이다(2014년 수준). 따라서 알루미늄 제조에서 화석 탄소 활용을 줄여야 할 필요성이 상당히 높다. 일 구현예에서, 본 개시내용의 바이오-탄소 재료는 애노드의 형태이다. 특정 구현예에서, 이러한 애노드는 매우 높은 온도에서 처리할 필요 없이 및/또는 장기간 동안 열 처리 없이 제조될 수 있다. 현재의 펫코크스 애노드는 약 8일 동안 450°C 초과의 온도에서 처리될 수 있다. 따라서 더 낮은 온도(예를 들어 450°C 미만) 및/또는 더 짧은 가열 시간(특히 1일 미만)이 가능하다면 바람직하다. 특히, 목탄이 바인더와 혼합되기 전에 고온으로 가열된 경우 및/또는 바인더가 특정 첨가제(이온성 액체와 같이 본원에 기재된 바와 같은 것)를 사용하여 제조되는 경우, 고온에서의 처리는 애노드 형성에 필요하지 않을 수 있다. 따라서 일 구현예에서, 본 개시내용은 450℃ 초과의 열 처리 없이 본 개시내용의 바이오-탄소 재료로부터 형성된 탄소 애노드를 제공한다. 대안적인 구현예에서, 본 발명의 바이오-탄소 재료는 이차 열처리(SHT)를 받을 수 있다. SHT는 공지된 방법에 의해 수행될 수 있지만 전형적으로 불활성 대기에서 본 개시내용의 바이오-탄소 재료를 800 내지 1500℃ 범위, 예를 들어 1000 내지 1200℃의 온도로 가열하는 것을 포함할 것이다. 가열 기간은 바람직하게는 종래의 석유 피치/코크스 애노드에 전형적으로 요구되는 300 내지 400시간보다 짧을 것이다. 일 구현예에서, SHT는 72시간 이하(예를 들어 2 내지 72시간), 바람직하게는 48시간 이하 또는 24시간 이하 동안 수행된다. 일 구현예에서, 제품에 존재하는 휘발성물질이 중량으로 3.5% 미만 (예를 들어 3.5 내지 0.1%)이 될 때까지, SHT는 본 개시내용의 바이오-탄소 재료로 형성된 제품(예를 들어 애노드, 조개탄 또는 다른 제품 예컨대 본원에 기재된 것)에 대해 수행된다. 철강 생산과 같은 특정 산업에서는 더 높은 수준의 휘발성물질이 허용될 수 있다. 사용된 목탄, 바인더 및 가열 조합에 따라 휘발성물질이 낮아야 하는 일부 경우에(예를 들어 5% 미만 또는 3.5% 미만), SHT가 더 짧거나 SHT가 없을 수도 있다. 카다놀, 카돌 및 기타 장쇄 페놀(예를 들어 R이 8개 이상의 탄소를 포함하는 화학식 I)은 휘발성물질이 낮을 수 있으며 특정 경우에는 감소된 열 처리(본원에 기재된 바와 같음)가 필요할 수 있다.
본 발명의 바이오-탄소 재료는 애노드 제조 시 표준 석유 코크스의 일부 대체재로 사용될 수도 있다. 이러한 구현예에서, 애노드 내 탄소의 적어도 50%는 포집된 탄소(바이오-탄소)에서 유래할 수 있고 나머지는 화석 공급원에서 유래할 수 있다. 이러한 애노드 내의 바인더는 통상적인 피치 바인더 또는 더 바람직하게는 유기 바인더 (예컨대 본원에 기재된 것) 및/또는 무기 바인더일 수 있다. 부분적으로 바이오-탄소 재료 (예를 들어 적어도 50% 포집된 탄소)로부터 형성된 본 발명의 제품은 환원제로서 사용될 수 있으며, 본원에 기재된 다른 다양한 구현예에서도 사용될 수 있다.
전체 야금 및 건설 산업이 수십 년 동안 탄소 중립 해법을 모색해 왔기 때문에 본 개시내용의 생성물 및 방법은 이전에 실시된 내용을 고려할 때 명확하지 않다. 그것이 명백하다면 다른 사람들은 이미 수년 동안 본 개시내용의 방법을 실시해 왔을 것이다.
경화 및 가압된 혼합물(바이오-탄소 재료)은 본원에 기재된 바와 같이 콘크리트를 만드는 성분 중 하나로 사용될 수 있다. 이는 바람직하게는 "탄소 중립 콘크리트"일 수 있다. 그러한 용도에서, 바이오-탄소 재료는 적절한 골재, 자갈 또는 자갈 크기의 조각으로 형성되거나 가공될 수 있다(위 참조). 이러한 성형은 조 크러셔(jaw crusher)를 사용하여 형성된 재료를 더 작은 조각으로 분해함으로써 이루어질 수 있다. 한 구현예에서, 바이오-탄소 재료는 야금(특히 알루미늄) 산업을 위한 애노드와 같은 고성능 재료로 형성될 수 있으며, 요구되는 허용 오차에 도달하지 못하는 항목은 콘크리트 또는 유사한 재료(예를 들어 아스팔트)의 목탄석으로 사용하기 위해 적절한 조각으로 파손되거나 새로운 애노드로 재순환될 수 있다.
본 발명의 바이오-탄소 재료에 대해 일반적으로, 혼합물 중 바인더(예를 들어 선택적으로 촉진제를 포함하는 카다놀 및/또는 카돌)는 최종 재료/혼합물의 중량을 기준으로 대략 2 % 내지 50 %의 범위일 수 있다. 전형적으로 이는 5 중량% 내지 30 중량%, 예컨대 8 중량% 내지 24 중량%일 수 있다. 탄소 애노드의 경우, 이는 10 내지 30 중량% 예컨대 15 내지 25 중량%일 수 있다.
일반 혼합물 내의 목탄 분말은 혼합물의 중량을 기준으로 대략 10 % 내지 98 %의 범위일 수 있다. 더욱 전형적으로, 재료의 적어도 20%, 바람직하게는 적어도 40%, 더욱 바람직하게는 적어도 50%가 목탄을 포함할 것이다. 애노드 및 특정 기타 용도에 사용하기 위해, 목탄 분말의 휘발성물질 수준은 낮은 수준으로 유지될 수 있다. 따라서, 일 구현예에서, 목탄의 휘발성물질 수준은 5% 미만(예를 들어 0.1 내지 5%), 바람직하게는 3% 미만일 수 있다.
바람직하게는 헥사민인 촉매/촉진제는 혼합물 중 바인더의 0.1 중량 부피 % 내지 15 중량 부피 %의 범위일 수 있다. 적합한 양이 본원에 기재되어 있다.
일 구현예에서, 목탄 분말은 순수한 목탄 분말일 수 있어서, 바이오-탄소 재료는 목탄과 바인더(선택적으로 촉진제 포함)로 구성되거나 본질적으로 구성된다. 이러한 목탄은 본원에 기재된 바와 같이 감소된 휘발성물질을 가질 수 있다. 대안적인 구현예에서, 적어도 하나의 광물 필러가 존재할 수 있다. 바람직하게는 바이오-탄소 재료는 30 중량% 이하의 광물 필러를 함유할 것이다(예를 들어 이로부터 형성될 것이다). 이는 0 중량% 내지 30 중량% 또는 1 중량% 내지 30 중량% 예컨대 10 중량% 내지 25 중량% 또는 15 중량% 내지 25 중량%의 필러일 수 있다. 광물 필러는 바이오-탄소 재료의 압축 강도를 증가시키는 역할을 할 수 있고/있거나 재료의 밀도를 제어하는 데 사용될 수 있다. 특히, 콘크리트에 사용하는 것과 같은 특정 적용의 경우 바이오-탄소 재료의 밀도를 높이는 것이 유리할 수 있다. 이는 시멘트나 아스팔트와 같은 혼합물에 혼입하는 데 도움이 될 수 있다. 적합한 광물 필러는 본원에 하기에 개시된 것들을 포함하고, 화강암 가루, 규소 분말 또는 고운 모래와 같은 암석분(암석을 뚫거나 분쇄하여 생성된 것과 같은 초미세 암석 입자)와 같은 재료를 포함할 수 있다. 바람직한 필러 입자 크기는 50nm 내지 500 m 직경, 예컨대 100nm 내지 200m, 예컨대 3 내지 100 m의 범위일 수 있다. 평균 입자 직경이 100m 미만(예를 들어 100nm 내지 80μm 또는 1 내지 50 μm)인 것과 같은 초미세 필러도 사용될 수 있다.
또 다른 특정 구현예는 카다놀(선택적으로 최대 12%의 카돌을 포함함); 목탄 분말; 및 헥사민을 포함하는 조성물일 수 있고; 카다놀, 목탄 분말 및 헥사민은 함께 혼합되어 혼합물을 형성하고; 혼합물은 1 내지 2시간 동안 대략 180℃ 내지 250℃의 범위에서 경화되고; 혼합물은 (경화 전) 대략 3 내지 50 kN/cm2의 범위로 압축되고; 카다놀은 혼합물의 중량을 기준으로 대략 8% 내지 35%(예를 들어 8% 내지 20%) 범위이고; 목탄 분말은 혼합물의 중량을 기준으로 대략 50% 내지 92% 범위이고; 그리고 촉매/촉진제(예를 들어 헥사민)는 카다놀/카돌 성분의 중량을 기준으로 0.1% 내지 20%(예를 들어 0.1 내지 15%) 범위이다. 본 구현예의 다양한 특징에 적합한 본원의 모든 설명은 기술적으로 실시 가능한 경우 본 구현예와 이용 및 조합될 수 있다.
또 다른 구현예는 다음 단계를 포함하는, 목탄 분말 및 카다놀 제품을 제조하는 방법일 수 있다: 카다놀을 제공하는 단계; 목탄 분말을 제공하는 단계; 카다놀을 목탄 분말과 혼합하여 카다놀 및 목탄 분말 조성물을 생성하는 단계; 카다놀 및 목탄 분말 조성물을 가압하는 단계; 및 카다놀 및 목탄 분말 조성물을 경화시키는 단계. 방법은 촉매를 제공하는 단계를 포함하고; 여기서 촉매는 카다놀 및 목탄 분말과 혼합되어, 카다놀 및 목탄 분말 조성물이 촉매를 포함하게 된다. 카다놀은 카다놀 및 목탄 분말 조성물의 중량을 기준으로 대략 2% 내지 50% 범위일 수 있으며; 목탄 분말은 카다놀 및 목탄 분말 조성물의 중량을 기준으로 대략 10% 내지 98% 범위일 수 있고; 촉진제/촉매는 바인더(카다놀) 성분의 중량을 기준으로 0.1% 내지 15% 범위일 수 있고; 카다놀 및 목탄 분말 조성물은 대략 3 내지 100 kN/cm2의 범위에서 (선택적으로 진동으로) 가압될 수 있고; 혼합물은 대략 180℃ 내지 250℃의 범위에서 30분 내지 2시간 동안 경화될 수 있다.
다른 특징 및 이점은 다음의 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 당업자에게 명백해질 것이다.
도면은 예시적인 구현예를 보여주지만, 모든 구현예를 묘사하는 것은 아니다. 예시적인 구현예에 추가로 또는 예시적인 구현예를 대신하여 다른 구현예가 사용될 수 있다. 공간 절약이나 보다 효과적인 예시를 위해 명백하거나 불필요한 세부 사항은 생략될 수 있다. 일부 구현예는 추가 구성요소 또는 단계를 사용하여 및/또는 예시에 제공된 일부 또는 모든 구성요소 또는 단계 없이 실시될 수 있다. 상이한 도면에 동일한 숫자가 포함되어 있는 경우, 해당 숫자는 동일하거나 유사한 구성 요소 또는 단계를 나타낸다.
도 1은 바이오-탄소 재료 및 제품을 생성하기 위한 공정의 일 구현예의 흐름 블록 선도이다.
도 2는 목탄 분말 및 페놀성 바인더 조개탄을 생성하기 위한 공정의 일 구현예를 예시한 것이다.
도 3은 페놀성 바인더를 형성하는 페놀로서 카다놀을 사용할 때, 특정 제형에서 더 많은 바인더를 첨가할수록 결과물이 더 강해진다는 것을(특정 한도 내에서) 보여주는 그래프이다.
도 4는 압축 강도 테스트 후 본 개시내용의 바이오-탄소 재료의 실린더 사진이다.
도 5는 페놀 수지를 포함하는 바인더와 냉수용성으로 변성 감자 전분의 이차 바인더로 형성된 바이오-탄소 재료의 압출 사진이다.
다양한 구현예에 대한 다음의 상세한 설명에서, 구현예의 다양한 양태에 대한 철저한 이해를 제공하기 위해 수많은 특정 세부사항이 제시된다. 그러나 구현예는 이러한 특정 세부사항의 일부 또는 전부 없이도 실시될 수 있다. 다른 경우에, 구현예의 양태를 불필요하게 모호하게 하지 않기 위해 잘 알려진 절차 및/또는 구성요소는 자세히 기재되지 않았다.
일부 구현예가 본원에 개시되어 있지만, 다음의 상세한 설명의 결과로 다른 구현예가 당업자에게 명백해질 것이다. 이러한 구현예는 모두 보호의 사상과 범위를 벗어나지 않고 다양한 명백한 양태를 수정할 수 있다. 도 및 그 상세한 설명은 본질적으로 예시적인 것이며 제한적인 것이 아닌 것으로 간주되어야 하다. 또한, 특정 구현예에 대한 참조 또는 비-참조가 보호 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
다음 설명에서, 하나 이상의 구현예의 특정 특징을 기재하기 위해 특정 전문용어가 사용된다. 본 명세서의 목적상, 달리 명시하지 않는 한, "실질적으로"라는 용어는 동작, 특성, 속성, 상태, 구조, 항목, 항목 그룹 또는 결과의 완전하거나 거의 완전한 범위 또는 정도를 의미하다. 예를 들어, 일 구현예에서, 하우징 내에 "실질적으로" 위치하는 물체는 물체가 완전히 하우징 내에 있거나 거의 완전히 하우징 내에 있다는 것을 의미할 것이다. 절대 완전성에서 허용되는 정확한 편차 정도는 경우에 따라 특정 문맥에 따라 달라질 수 있다. 그러나 일반적으로, 완료에 가까웠다는 것은 마치 절대적이고 전체 완료를 얻은 것과 같이 전체적으로 동일한 결과를 갖게 되는 것이다. "실질적으로"라는 표현은 행동, 특성, 속성, 상태, 구조, 항목, 항목 그룹 또는 결과가 완전히 또는 거의 완전히 부족함을 나타내기 위해 부정적인 의미로 사용될 때도 동일하게 적용된다. 다른 예에서, 실질적으로 모든 항목 그룹은 해당 그룹의 모든 항목, 또는 일반적으로 항목에 대한 일반 매개변수 내에 있는 해당 그룹의 항목 전체를 적어도 포함할 수 있다. 항목 그룹에 정상 매개변수를 훨씬 초과하는 구성원이 포함될 수 있는 경우, 이 비정상적인 항목은 실질적으로 모든 항목 그룹의 일부가 될 것으로 예상되지 않을 수 있다.
본원에 사용된 용어 "대략" 및 "약"은 일반적으로 명시된 수 또는 수치 범위의 5% 이내의 편차를 지칭하다. 이에 따라 "실질적으로 순수한" 또는 "실질적으로 구성되는"은 어떤 것이 효과적으로 순수하지만 12% 미만, 10% 미만, 5% 미만 또는 1% 미만의 기타 재료(들)와 같은 특정 정도의 불순물을 허용함을 나타낸다. 일 구현예에서, 용어 "대략" 및 "약"은 명시된 수 또는 수치 범위로부터 0.0001 내지 39%의 편차를 지칭할 수 있다.
본원에 사용된 용어 "목탄"(때때로 당업계에서 "바이오차르(biochar)"으로 지칭되고 본원에서 "목탄"이 "바이오차르"로 판독될 수 있도록 동등하게 사용됨)은 탄화를 겪는 임의의 유기 재료로부터 생성될 수 있다. 일반적으로 목탄/바이오차르는 산소가 제한된 환경에서 바이오매스의 열화학적 전환을 통해 얻은 고체이고 탄소가 풍부한 재료이다. 바람직하게는 목탄은 사탕수수, 버개스, 짚, 대나무, 견과 껍질 및 기타 견과 부산물(예를 들어 코코넛 껍질 또는 캐슈넛 껍질 및/또는 고체 잔류물), 왕겨, 농업 잔류물(예를 들어 농업 폐기물), 도시 폐기물, 경목 및 연목을 포함하지만 이에 국한되지 않는 임의의 바이오매스로부터 유래될 수 있다. 임의의 그러한 재료, 또는 임의의 다른 유기 재료는 목탄의 기초가 될 수 있다. 본 발명의 유리한 양태는 제품 생산 시 방출되는 순 탄소를 감소시키고/시키거나 대기로부터 탄소를 콘크리트와 같은 장수명 제품으로 격리시키기 위해 대기로부터 포집된 탄소를 사용하는 시설이다. 따라서 일 구현예에서, 목탄(바이오차르)은 최근에 살아 있는(성장하는) 바이오매스로 형성된다. 이는 지난 100년(예를 들어 사용 전 1주 내지 100년) 또는 지난 50년 이내에 성장한(따라서 대기로부터 탄소를 제거하는) 바이오매스일 수 있다. 일부 형태의 바이오매스(특히, 대나무 또는 짚이나 왕겨와 같은 작물 잔류물)의 경우, 바이오매스는 지난 5년 이내에(예를 들어 지난 3년 또는 지난 1년 동안) 성장했을 수 있다.
바람직하게는 본 개시내용의 조성물에 사용되는 목탄은 목탄 분말 형태이다. 본원에 사용된 "목탄 분말"은 전형적으로 최대 치수(예를 들어 1 nm 내지 20 mm 1 nm 내지 8mm, 예컨대 100 nm 내지 8mm 또는 1 μm 내지 8mm)에서 8 mm 이하와 같이 20 mm 이하의 중량 평균 입자 크기를 가질 것이다. 바람직하게는 목탄 분말은 2mm 이하(예를 들어 3 μ 내지 1 mm 또는 10 μm 내지 1 mm)의 중량 평균 입자 크기를 가질 것이다. 본 발명자들은 더 작은 목탄 입자가 전형적으로 더 강한 바이오-탄소 재료를 생성하므로 바람직한 목탄 분말 크기는 200μm 이하 (예를 들어 10 내지 200 μm), 바람직하게는 100μm 이하라는 것을 발견하였다.
본원에 사용된 용어 "목탄 분말"은 바람직하게는 위에 표시된 크기의 파쇄되거나 분쇄된 목탄을 의미한다. "목탄 미세분"은 BBQ, 야금 산업 또는 목탄이 일반적으로 사용되는 임의의 기타 적용에서 목탄을 가공할 때 생성되는 목탄 먼지와 작은 조각으로 구성된 폐기물이며 목탄 분말의 출발 재료로 사용될 수 있다. 목탄 분말은 일반적으로 목탄 색(sack) 바닥이나 목탄 생산 및/또는 포장 현장에서 발견되는 그을음이 나는 검은 분말 물질인 목탄의 잔류물로 발견될 수 있다. 목탄 미세분은 일반적으로 직경이 40mm 미만인 목탄 조각이다. 그 다음 이를 파쇄 및/또는 분쇄하여 목탄 분말로 만든다. 바람직하게는, 사용되는 목탄 분말은 (본원에 기재된 바와 같이) 2 mm 미만의 직경을 가질 수 있다.
본 발명의 다양한 구현예에서 목탄 분말은 대략 60 % 내지 100% 또는 70 중량% 내지 100%의 순수 목탄이어야 하며, 대략 40% 또는 30% 이하의 탄소계 필러(목탄 성분의 중량 기준)를 포함해야 한다. 본원에서 사용된 용어 "탄소계 필러"는 예를 들어 석탄, 코크스, 무연탄, 흑연, 목재 분진, 톱밥, 목편, 목재 분말, 갈탄, 세미코크스, 펫코크스, 야금 코크스, 탄소 섬유 등을 지칭한다. 이는 본원에 기재된 선택적 "광물 필러"와 대조된다. 일 구현예에서 목탄 성분은 순수한 목탄 또는 실질적으로 확실한 목탄이다.
광물 필러는 바이오-탄소 재료의 중량을 기준으로 최대 40%, 바람직하게는 30% 이하(위에서 논의한 바와 같음)로 사용될 수 있다. 이러한 필러는 재료에 강도를 추가하고, 재료의 표면적이나 수분 흡수를 줄이고/이거나 바이오-탄소 재료의 밀도를 높이는 것과 같은 임의의 목적으로 사용될 수 있다. 적합한 필러는 암석분(암석을 뚫거나 분쇄하여 생성된 것과 같은 초미세 암석 입자), 실리콘 분말 또는 고운 모래를 포함할 수 있다. 특정 구체예에서 탄산마그네슘 탄산칼슘(백운석)과 같은 탄산염 광물인 것처럼 화강암 가루가 특히 적합하다. 바람직한 광물 필러 입자 크기는 1nm 내지 100 μm, 예컨대 1 내지 20 μm 또는 3 내지 1 μm 의 범위일 수 있다.
본 개시내용의 바이오-탄소 재료에서는, 중량으로 적어도 10%(예를 들어 10 내지 98%)의 바이오-탄소 재료가 목탄으로 구성될 것이다. 이는 바람직하게는 중량으로 적어도 40 %(예를 들어 40 내지 95 %), 더욱 바람직하게는 50 내지 90 %일 것이다. 낮은 수준의 바인더(예를 들어 2 내지 15 중량%)가 충분할 수 있는 연료 및 환원제 용도와 같은 일 구현예에서, 목탄의 중량%는 중량으로 75% 내지 98%, 75% 내지 95% 또는 80 % 내지 90 %일 수 있다. "목탄석"(본원에 논의된 바와 같음) 및 알루미늄 생산용 애노드와 같은 더 높은 강도의 용도를 위한 추가 구현예에서, 바인더 함량은 더 높을 수 있고(예를 들어 20 내지 30 중량%), 따라서 목탄 함량은 더 낮을 수 있다(예를 들어 70 내지 80 중량%). 광물 필러도 포함되는 경우, 목탄 함량은 40 내지 70 중량% 또는 45 내지 60 중량%일 수 있다.
본원에 사용된 "포집된 탄소"는 지난 100년 또는 지난 50년 이내에 대기로부터 제거된 탄소를 나타낸다. 이는 전형적으로 나무, 대나무 또는 농작물과 같은 식물의 성장에 의해 이루어지지만 화학적 방법과 같은 다른 수단에 의해 이루어질 수도 있다. 포집된 탄소는 화석 연료에서 유래된 "화석 탄소"와 대조될 수 있다. 포집된 탄소를 CO2로 대기 중으로 방출하는 방식으로 활용한다면, 순 효과는 단순히 이전에 대기에 있던 탄소를 대체하는 것이다(예를 들어 이전에 식물 성장에 의해 대기로부터 제거됨). 이는 대기의 탄소 함량에 전반적으로 영향을 미치지 않으며 "탄소 중립"으로 알려져 있다. 이에 따라, 포집된 탄소가 장기간(예를 들어 100년 이상, 예컨대 100 내지 500년 동안) 대기로부터 격리되는 경우, 탄소가 대기로부터 제거되고 대체되지 않는다는 점에서 전반적인 효과는 "탄소 네거티브"이다.
본원에 사용된 바와 같이, "탄소 중립" 또는 "CO2 중립"은 순-제로 이산화탄소 배출을 갖는 특성이다. 제품은 공정과 관련된 이산화탄소 배출과 대기로부터 해당 양의 탄소 포집과의 균형을 유지함으로써 탄소 중립이 될 수 있다. 방출 및 흡수된 탄소 중량의 ±20% 또는 ±10% 이하, 바람직하게는 ±5% 이하의 불균형은 정확한 측정이 어려울 수 있으므로 본원에서 "탄소 중립"으로 간주된다. 이에 따라, 제품 생산과 관련된 이산화탄소 배출이 제품 자체가 대기로부터 흡수된 이산화탄소보다 적으면 해당 제품은 "탄소 네거티브"이다. 일반적으로, 대기로부터 제품으로 포집된 탄소의 중량이 해당 제품의 제조에서 이산화탄소로서 방출되는 탄소의 양보다 10% 초과, 바람직하게는 20% 초과인 경우, 제품은 "탄소 네거티브"으로 간주될 수 있다.
본원에 사용된 용어 "바이오-탄소"는 식물 성장과 같은 생물학적 과정에 의해 지난 100년 또는 지난 50년(바람직하게는 지난 30년) 이내에 대기로부터 취한 포획된 탄소를 나타내는 데 사용된다. 이에 따라, 본원에서 언급되는 "바이오-탄소 재료"는 바이오-탄소를 포함하는 재료이다. 특히, 바이오-탄소 재료의 탄소 함량은 적어도 50% 바이오-탄소, 바람직하게는 적어도 80% 바이오-탄소를 포함해야 한다. 일부 구현예에서, 바이오-탄소 재료의 탄소 함량은 본원에 기재된 바와 같이 바이오-탄소로 본질적으로 구성되거나 구성된다. 바이오-탄소의 사용은 화석 탄소(CO2 형태)가 대기 중으로 방출되거나 방출될 위험을 방지하기 때문에 중요하다. 바이오-탄소("포집된 탄소"라고도 함)는 적어도 동위원소 프로파일에서 화석 탄소와 측정적으로 다르며 방사성탄소 방법으로 화석 탄소와 구별할 수 있다. 예를 들어, 대기 중 14C의 비율은 12C 원자의 1012개의 원자 중 14C의 약 1개 원자이며 육상 생물권에서도 유사하다. 따라서 포집된 탄소는 약 1:1012, 예컨대 1:1012 내지 1:1013 또는 1:1012 내지 1:1014의 14C : 12C의 원자 비율을 가질 수 있다 14C:12C의 원자 비율이 약 1:1015 미만인 탄소는 적어도 50,000년 동안 대기나 생물권에 존재하지 않은 높은 수준의 탄소를 포함할 가능성이 높으므로 본원에서 "포획된 탄소" 또는 바이오-탄소로 간주되지 않는다.
본 개시내용의 다양한 구현예에서, 적어도 하나의 바인더가 활용된다. 바람직한 바인더는 적어도 하나의 페놀 수지를 포함한다. 페놀 수지는 전형적으로 적어도 하나의 알데하이드 또는 포르밀 탄소 공급원 예컨대 헥사민을 사용하거나 활용하여 적어도 하나의 페놀을 중합하여 생성된다.
바인더로서 사용하기 위한 페놀 수지의 형성에 적합한 페놀은 하기 화학식 I의 것들을 포함한다:
화학식 I에서, X는 H 또는 OH이고, R은 H 또는 직쇄 또는 분지형일 수 있는 1 내지 24개의 탄소의 선택적으로 치환된 포화 또는 불포화 탄화수소 모이어티이다. 일 구현예에서, 적어도 하나의 화학식 I의 페놀은 R이 수소가 아닌 적어도 하나의 페놀을 포함한다. R은 전형적으로 페놀성 OH 기의 메타 위치에 있다. 일반적으로, 치환되지 않은 페놀은 본원에 기재된 바와 같은 페놀 수지를 생성하기 위한 유일한 페놀을 형성하지 않는다.
따라서, 일반적으로 페놀 수지는 적어도 하나의 페놀로부터 형성될 것이고(즉, 페놀의 중합체일 것이고), 여기서 화학식 I의 페놀의 적어도 일부는 수소 이외의 모이어티로서 R을 가질 것이다. 바람직하게는, 화학식 I의 페놀의 60 중량% 이하(예를 들어 1 내지 50%) 또는 30 중량% 이하, 바람직하게는 10% 이하, 더욱 바람직하게는 1% 이하가 R=H를 가질 것이다. 일 구현예에서, 화학식 I의 페놀(들)은 모이어티 R로서 수소를 갖지 않는다. R의 전형적인 예는 직쇄 또는 분지쇄를 갖는 C1 내지 C24 탄화수소, 예컨대 C6 내지 C20 (예를 들어 C8 내지 C18 또는 C10 내지 C17) 포화 또는 불포화 탄화수소를 포함한다. 이러한 탄화수소 모이어티는 포화되거나 불포화될 수 있다. 이러한 불포화는 탄화수소 모이어티 내의 적어도 하나의 이중 및/또는 삼중 결합, 예를 들어 1, 2, 3, 4 또는 5개의 이중 결합의 형태일 수 있다. 존재하는 경우 이중 결합은 시스- 또는 트랜스- 이중 결합일 수 있다. 바람직하게는 적어도 하나의 시스 이중 결합이 화학식 I의 페놀의 적어도 일부에 존재할 수 있다. 일 구현예에서, 0, 1, 2 또는 3개의 이중 결합이 존재할 수 있고 2개 이상의 혼합물이 화학식 I의 페놀에 존재할 수 있다. R 모이어티가 치환된 하이드로카르빌 모이어티인 경우, 이는 임의의 적절한 기, 예컨대 Cl, F, OH, NH2 에폭시 또는 다른 치환기로 치환될 수 있다. 화학식 I의 아민 및 하이드록실 치환된 화합물이 특히 적합하다. 에폭시 치환도 사용될 수 있다. 일 구현예에서, R은 C15H31-n이고, 여기서 n은 0, 2, 4 및/또는 6이다.
일 구현예에서, 페놀성 바인더는 카다놀 및/또는 카돌을 포함하거나, 본질적으로 구성되거나, 이로 구성되는 (예를 들어 형성되거나 형성될 수 있는) 화학식 I의 페놀의 중합체일 수 있다. 일 구현예에서, 페놀성 바인더는 적어도 50% (예를 들어 50% 내지 100%) 카돌 및/또는 카다놀 (예를 들어 적어도 70% 또는 적어도 80%, 예컨대 적어도 90%)을 포함하는 페놀로부터 형성되거나 형성될 수 있다.
순수한 페놀 수지 바인더에 대한 대안 또는 부분 대안으로서 에폭시 수지가 활용될 수 있다.
특히, 화학식 I의 페놀은 에피클로히드린과 같은 공지된 방법을 사용하여 에폭시화될 수 있다. 예를 들어 카다놀은 다음과 같이 에폭시화될 수 있다:
또한, 화학식 I의 페놀은 본원에 개시된 바와 같이 헥사민과 같은 포르밀 탄소 공급원을 사용하여 노바락형 페놀 수지로 형성될 수 있고, 후속적으로 에폭시화될 수 있으며 이어서 에폭시화된 예비중합체의 반응에 의해 추가로 가교결합될 수 있다:
대안적인 구현예에서, 페놀 수지는 임의의 에폭시 기를 포함하지 않으며 페놀 수지의 합성에서 임의의 에폭시화 단계를 포함하지 않는다.
본원에서 사용된 용어 "캐슈 넛쉘 액" 또는 "CNSL"은 캐슈 넛쉘의 벌집 구조에서 발견되는 황색 광택을 갖는 천연 수지이며 캐슈넛 가공의 부산물인 액체를 지칭한다. 천연 발생 CNSL은 주로 아나카드산, 카다놀, 카돌 및 2-메틸 카돌의 네 가지 성분을 함유한다. 이 네 가지 성분은 메타 위치에 탄화수소 측쇄가 있는 1가 또는 2가 페놀 또는 페놀산이다. CNSL은 열처리를 통해 아나카드산을 탈카르복실화하여 카다놀이 풍부한 공업용 CNSL을 생산할 수 있다. 이 재료를 증류하면 78% 카다놀과 8% 카돌을 함유하는 증류된 기술적 CNSL이 생성된다. 일 구현예에서, 화학식 I의 페놀은 약 78% 카다놀 및 약 8% 카돌(예를 들어 75 내지 85% 카다놀 및 5 내지 15% 카돌)이다.
본원에 사용된 용어 "카다놀" 또는 "카다놀 오일"은 분자식 C21H30O, C21H32O, C21H34O 및/또는 C21H36O및 다음 구조를 갖는 CNSL의 성분을 지칭하다:
여기서 n은 0, 2, 4 또는 6이다. 전형적으로 n=6을 적어도 일부 함유하는 혼합물이 존재한다.
카다놀은 캐슈 넛쉘 액의 주요 성분인 아나카드산으로부터 얻은 페놀성 지질이다.
일부 아나카드산(예를 들어 중량으로 0 내지 20% 예컨대 1 내지 15% 또는 1 내지 10 %)이 바인더에 존재할 수 있다.
상기에 나타낸 C15 사슬(화학식 I 및 본원의 구조에서 그룹 "R"에 해당)을 갖는 장쇄 알킬 페놀의 혼합물인 카다놀은 CAS 번호 37330-39-5를 갖는다. 위와 같이 R-기 C15H25를 갖는 정제된 카다놀도 동일한 CAS 번호로 입수 가능할 수 있다. 어느 등급이든 본 발명의 다양한 양태에서 화학식 I의 페놀의 전부 또는 일부로서 사용될 수 있다. 일 구현예에서, 화학식 I의 페놀의 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 75%가 카다놀 CAS 37330-39-5, 예컨대 상기에 지정된 카다놀 혼합물로 구성된다.
본 개시내용의 바이오-탄소 재료에서, 바인더 성분의 양은 전형적으로 (본원에서 논의된 바와 같이) 중량으로 5% 내지 30%일 것이다. 이는 상기에 논의한 대로 적용마다 다를 수 있다. 재료가 "목탄석"을 형성하는 경우, 바인더의 양은 일반적으로 중량으로 적어도 15%, (예를 들어 12 내지 30%), 바람직하게는 적어도 15% 또는 적어도 18 %일 것이다. 더 많은 양을 이용하는 경우, 압축 시 재료가 바인더를 잃을 수 있으므로 최대 약 25-30%의 바인더가 바람직하다. 그러나 목탄 및/또는 필러의 입자 크기가 바인더의 최대량에 영향을 미칠 수 있으므로 임의의 특정 목탄 분말 및 선택적 필러에 대한 상한이 쉽게 결정될 것이다.
본 발명의 다양한 구현예의 바인더 성분은 페놀성 바인더를 포함하거나 이로 구성될 수 있다. 이러한 바인더는 본원에 기재된 바와 같은 화학식 I의 페놀과 같은 페놀의 중합체를 포함하거나 이로 구성될 수 있다. 본 개시내용의 바이오-탄소 재료를 형성하는 방법은 목탄 분말을 페놀(들) 및 기타 재료 예컨대 선택적 촉진제 (본원에 기재된 바와 같음)와 혼합하는 단계, 재료를 원하는 형상으로 형성하는 단계, 선택적으로 재료 (본원에 기재된 바와 같음)를 압축하는 단계 및 재료 (본원에 기재된 바와 같음)를 경화시키는 단계를 포함할 수 있다. 바인더 성분은 대안적으로 "노발락(novalac)" 유형 수지(당업계에 공지되어 있고 위에서 기재한 바와 같음)와 같은 예비중합체의 형태일 수 있다. 이러한 예비중합체는 목탄을 포함하고 선택적으로 추가 페놀(들) 및 촉진제(들), 건성유 및/또는 필러(들)와 같은 선택적 구성요소를 포함하는 다른 구성요소와 혼합될 수 있다. 이러한 다양한 성분이 본원에 기재되어 있다. 그 다음 예비중합체 혼합물은 알데하이드 또는 포르밀 탄소 공급원과의 반응에 의한 것과 같은 가교, 에폭시 개질 및 가교(상기 참조) 및/또는 산화 가교(건성유에 대해 공지됨)에 의해 경화될 수 있다.
일 구현예에서, 바인더에 존재하는 탄소의 적어도 50%이 포집된 탄소이다. 이는 중량으로 50 내지 100%, 50 내지 98% 또는 70 내지 99%일 수 있다. 천연 공급원(예를 들어 카돌이 포함되거나 포함되지 않은 카다놀)의 재료로 포함하는 바인더를 사용하면, 바이오-탄소 재료 내의 포집된 탄소의 양이 증가하고 탄소 포집 및 격리 특성이 개선된다. 화석 탄소를 활용하는 바인더는 전체 또는 부분 대안으로 사용될 수 있다.
일 구현예에서, 바인더는 리그닌을 포함하지 않거나 리그닌을 바인더 성분의 1 중량% 미만의 양으로 포함한다.
본원에 사용된 용어 "가압된" 또는 "압축된"은 혼합물 또는 조성물에 압력을 가하는 행위를 지칭하다. 가해지는 압력은 공압 프레스, 기계적 프레스, 전기 프레스, 압출기, 롤러 프레스 등을 통해 이루어질 수 있다. 압축은 1회 일어날 수 있고 여러 번(예를 들어 2, 3, 5 또는 10회) 수행될 수 있다. 여러 번 압축하면 경화된 제품이 더욱 강력해질 수 있다. 가압 또는 압축이 본원에서 언급될 때마다, 이는 선택적으로 순차적으로 또는 동시에 진동을 동반할 수 있다.
CNSL과 카다놀은 기계적 추출, 열 추출, 용매 추출(정적, 속슬렛, 초음파, 이산화탄소) 및 열분해를 포함한 많은 상이한 방법을 사용하여 추출 및 정제될 수 있다. 기계적 및 열 추출이 유리하며 가장 일반적으로 사용되고 상업적으로 실시된다. 일 구현예에서, CNSL은 전형적으로 고온으로 처리되어 아나카드산을 탈카르복실화시켜 카다놀을 생성한다. CNSL을 추가로 증류하면 카돌의 적어도 일부가 제거되어 순수한 형태 또는 최소한 더 순수한 형태의 카다놀을 남긴다.
본원에서 사용된 용어 "헥사민"은 우로트로핀, 메테나민, 헥사메틸렌테트라민으로도 불리며, 화학식 (CH2)6N4를 갖는 헤테로사이클릭 유기 화합물을 지칭하다. 헥사민은 물과 극성 유기 용매에 잘 녹는 백색 결정성 화합물이다. 플라스틱, 의약품, 고무 첨가제를 포함한 기타 유기 화합물의 합성에 유용하다. 촉진제나 촉매제로도 사용할 수 있다. 본원에 기재된 것을 포함하여 포르밀 탄소의 다른 공급원이 촉진제로 사용될 수 있다.
사용될 수 있는 다른 촉매 및 촉진제는 카다놀을 가열할 때 중합을 가속화할 수 있는 양이온성, 이온성 및 산화 제제이다. 다른 알칼리도 촉매로 사용될 수 있다.
헥사민은 포르밀 탄소의 유용한 공급원이지만 다른 포르밀 탄소 공급원도 사용될 수 있다. 이들은 포름알데하이드와 포르말린 또는 파라포름알데하이드와 같은 폴리메틸렌 글리콜 올리고머를 포함한다. 다른 알데하이드도 사용될 수 있다.
우레아 및/또는 우레아 유도체(예를 들어 메틸올우레아)는 단독으로 또는 포르밀 탄소 공급원과 함께 촉진제로 사용될 수도 있다. 산화마그네슘과 같은 금속 산화물은 우레아 또는 우레아 유도체가 포함되는 촉매로서 가치가 있을 수 있다.
페놀 수지 바인더(특히 카다놀로부터 적어도 부분적으로 형성된 것)는 본 개시내용의 하나의 바람직한 구현예를 형성한다. 이러한 페놀성 바인더는 페놀, 예컨대 본원의 화학식 I의 페놀과 자체 (예를 들어 산화 가교에 의해) 또는 촉진제 예컨대 헥사민 또는 다른 포르밀 탄소 공급원과의 반응에 의해 형성될 수 있다. 이들은 추가로 단량체 또는 예비중합체로서 에폭시화될 수 있으며 기존의 에폭시 경화제 예컨대 아민(예를 들어 페날카민)으로 경화될 수 있다. 한 특정 구현예에서, 에폭시화 페놀 및/또는 페놀 예비중합체 예컨대 본원에 지정된 것은 이온성 액체의 첨가에 의해 또는 첨가로 경화될 수 있다. 특히, 포스포늄계 이온성 액체를 사용할 수 있다. 일 구현예에서, 페놀 수지는 에폭시 수지가 아니다. 예를 들어, 일 구현예에서, 페놀 수지는 임의의 에폭시 성분을 포함하지 않는다(예를 들어 페놀 또는 임의의 예비중합체의 에폭시화에 의해 형성되지 않음). 일 구현예에서, 바인더 성분은 적어도 하나의 페놀 수지를 포함하거나, 본질적으로 구성되거나, 구성될 수 있다(예를 들어 90 중량% 내지 100 중량% 함유).
페놀성 바인더의 대안으로 다른 바인더가 활용될 수 있다. 특히, 본 개시내용의 일 양태에서는 목탄과 적어도 하나의 바인더를 포함하는 바이오-탄소계 재료가 제공되며, ASTM C39/C39M과 같은 본원에 기재된 바와 같이 테스트할 때, 바이오-탄소계 재료는 적어도 30 MPa, 적어도 50 MPa 또는 적어도 60 MPa (본원에 기재된 바와 같음)의 압축 강도를 갖는다. 이러한 재료는 콘크리트와 같은 건축 자재 및 이러한 재료를 포함하는 콘크리트에서 적어도 부분 필러로서 사용되기에 충분히 단단하며 본 발명의 추가 양태를 형성한다. 본원에 기재된 페놀 수지 바인더에 대한 전체 또는 부분 대체로서, 기술적으로 실시 가능한 본원에 기재된 모든 비율 및 구현예의 임의의 적절한 바인더가 활용될 수 있다. 이러한 대체 바인더에는 멜라민, 에폭시 수지 또는 무기 바인더와 같은 다른 중합체가 포함된다. 폴리시알레이트와 같은 적합한 무기 바인더는 금속 산화물의 나노입자로 개질된 물유리(예를 들어 규산나트륨)를 포함한다. 이러한 재료는 본원에 참고로 포함된 EP3524372A1에 기재되어 있다. 무기 바인더는 본원에 기재된 페놀 수지 바인더와 같은 유기 바인더와 조합하여 사용될 수 있다.
주요(특히 페놀성) 바인더 이외에, 바이오-탄소 재료 및 본 발명의 모든 상응하는 양태는 또한 선택적인 이차 바인더를 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 이차 바인더는 성형 후 경화 전의 강도인 재료의 "그린 강도(green strength)"를 증가시키는 역할을 한다. 이차 바인더는 경화된 생성물의 강도를 손상시키지 않으면서 혼합물의 "그린 강도"를 증가시키는 역할을 하는 임의의 바인더일 수 있다.
전형적인 "이차 바인더"의 예는 아마인유를 포함하여 상기에 논의된 것과 같은 "건성유" 및 다당류 바인더 예컨대 알기네이트, 구아 검 또는 전분 기반 바인더를 포함한다. 전분 바인더는 임의의 형태의 전분 예컨대 옥수수 전분, 밀 전분, 감자 전분, 쌀 전분 및 이의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 모든 예에서 "전분"은 변성 옥수수 전분, 변성 밀 전분, 변성 감자 전분, 변성 쌀 전분 및 이들의 임의의 조합과 같은 "변성 전분"을 포함한다. "변성 전분"은 당업계에서 잘 이해되는 용어이며 임의의 적합한 공급원으로부터의 물리적, 효소적 및/또는 화학적으로 처리된 전분을 포함한다.
특히 유용한 전분 개질에는 전분을 냉수에 용해시키는 개질이 포함된다. 이들은 압출, 드럼 건조, 분무 건조 또는 덱스트린화(HCl을 사용한 로스팅)를 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 이차 바인더는 냉수 용해성 변성 전분(예를 들어 감자)을 포함한다.
이차 바인더는 바인더 성분의 중량을 기준으로 최대 50%(예를 들어 1 내지 50%) 또는 전체 바이오-탄소 재료의 약 15%의 양으로 존재할 수 있다. 이는 바람직하게는 바인더 성분의 5 내지 40% 또는 10 내지 35%(예를 들어 15 내지 30%)일 것이다.
본원에 기재된 방법에서 물은 가공 조제로 사용될 수 있다. 이는 특히 형성(예를 들어 압출, 단광화(briquetting) 또는 펠렛화) 시 윤활제 역할을 하며 이차 바인더 예컨대 다당류 바인더 (예컨대 전분 또는 변성 전분)의 혼입을 도울 수도 있다. 물이 혼합물에 첨가되는 경우, 이는 전형적으로 생성물의 형상화 이전에 이루어지며 전형적으로 바인더 경화 전에 건조에 의해 제거된다. 일 구현예에서, 형상화 "그린" 제품(즉, 경화 전)은 경화 단계 전에 50 내지 120℃(예를 들어 80 내지 105℃)의 온도에서 10분 내지 2시간 동안 건조된다. 이러한 건조 단계는 경화 전에 그린 생성물의 수분 함량을 10 중량% 미만, 바람직하게는 8% 미만 또는 5 중량% 미만으로 감소시키는 것일 수 있다. 경화 단계에서 생성물에 다량의 수분이 남아 있으면 바인더가 효과적으로 경화되지 않아 최종 생성물의 물성이 저하될 수 있다. 가공 조제로 사용되는 물은 일반적으로 최종 생성물에 높은 수준으로 존재하지 않기 때문에 본원에서 성분의 중량%를 계산할 때 고려되지 않는다.
구체적인 구현예
본 개시내용의 일 구현예는 다음 단계를 포함하는 방법일 수 있다:
● 적어도 하나의 화학식 I의 페놀(예를 들어 카다놀)을 제공하는 단계;
○ 바람직하게는 대략 2 내지 50 중량% 범위;
■ 혼합물이 대략 50 중량% 초과의 바인더(예를 들어 카다놀)를 갖는 경우, 바인더는 압력을 가할 때 혼합물로부터 스며 나오거나 흘러나올 수 있다(바인더 (예를 들어 카다놀) 포화는 약 50%에서 일어남);
■ 도 2에 상세하게 설명된 바와 같이, 혼합물에 바인더가 많을수록 생성된 조개탄 또는 제품이 더 단단해지며;
○ 더욱 바람직하게는 바인더(특히 카다놀)는 최종 혼합물의 중량을 기준으로 5 내지 30 % 범위일 수 있으며;
● 바람직하게는 목탄 분말 형태의 목탄을 제공하는 단계;
○ 바람직하게는 30 내지 98 중량% 범위;
○ 일부 구현예에서, 목탄은 균일한 목탄 분말이 되도록 분쇄될 수 있으며;
○ 일부 구현예에서, 목탄 분말은 목탄 분말의 중량을 기준으로 최대 대략 30%의 탄소 필러로 절단될 수 있으며(본원에 기재된 바와 같음);
● 바인더(예를 들어 카다놀)를 목탄 분말과 혼합하여 카다놀 및 목탄 분말 조성물을 생성하는 단계;
○ 일 구현예에서, 대략 10분 후에 조성물이 완전히 혼합되고;
○ 일부 구현예에서 목탄은 최대 대략 30%의 탄소 필러로 절단될 수 있다.
● 가압을 위해 바인더와 목탄 혼합물을 다이 또는 다른 적합한 용기에 로딩하는 단계;
○ 대안적으로, 혼합물은 압출되거나 가압을 제공할 수 있는 롤러 프레스를 통과할 수 있으며;
● 바인더(예를 들어 카다놀)와 목탄 분말 혼합물에 압력을 가하는 단계;
○ 일 구현예에서는 유압 프레스가 사용될 수 있지만 기계적 프레스, 압출기 또는 롤러 프레스를 포함하는 다른 압력 메커니즘이 사용될 수 있으며;
○ 바람직하게는 압력은 대략 3 내지 200 N/cm2, 바람직하게는 대략 10 N/cm2일 수 있고;
○ 압축 강도를 증가시키기 위해, 조성물을 여러 번 가압할 수 있으며;
● 가압 바인더(예를 들어 카다놀) 및 목탄 분말 조성물을 경화시키는 단계;
○ 일 구현예에서, 가압 바인더(예를 들어 카다놀) 및 목탄 조성물은 오븐에서 대략 1분 내지 2시간(또는 그 초과) 동안 가열되고;
○ 일 구현예에서, 가압 바인더 및 목탄 조성물은 오븐에서 450℃ 미만, 바람직하게는 대략 180℃ 내지 250℃ 범위에서 경화되고;
○ 경화는 직접 열, 간접 열, 복사열, 자외선/광선(UV), 적외선(IR), 마이크로파, 초음파, 유도 전력 등을 통해 수행될 수 있다.
● 경화된 바인더 및 목탄 분말 조성물(바이오-탄소 재료)은 산업용 또는 BBQ 조개탄으로 사용될 수 있다.
● 경화 바인더 및 목탄 분말 조성물(바이오-탄소 재료)은 콘크리트 전체의 강도를 저하시키지 않으면서 원하는 경우 콘크리트에 일반적으로 사용되는 암석, 돌 또는 기타 필러를 전부 또는 부분 대체하여 사용할 수 있다. 이러한 사용은 콘크리트의 탄소 풋프린트를 낮출 수 있다. 이러한 사용은 콘크리트 제조 시 방출되는 탄소와 관련하여 콘크리트를 탄소 중립화하거나 심지어 탄소 네거티브화하게 만들 수 있다.
● 경화 바인더 및 목탄 분말 조성물(바이오-탄소 재료)은 야금 환원제 및/또는 예를 들어 알루미늄 제조에 사용하기 위한 애노드로 사용될 수 있다.
○ 애노드를 준비하려면 전형적으로 높은 열 온도로 가열해야 하며, 이는 1000℃보다 높은 온도로 정의된다.
본 개시내용의 바인더 및 목탄 제품(특히 카다놀 및 목탄 제품)의 결과적인 압축 강도는 기분 좋은 놀라움이었다. 실제로, 바인더가 18%만큼 낮더라도, 생성된 카다놀 및 목탄 제품은 특정 등급의 콘크리트만큼 단단하므로 건축 자재 또는 복합 재료 등으로 사용할 수 있다. 이러한 용도의 경우, 바인더 수준은 약 18 내지 30%가 바람직하다. 바인더 백분율은 다양할 수 있으므로 결과물의 경도와 강도는 맞춤화될 수 있다.
본 개시내용의 일 구현예는 다음 단계를 포함하는 방법일 수 있다:
● 페놀성 바인더(예를 들어 카다놀)를 제공하는 단계;
● 바람직하게는 목탄 분말 형태의 목탄을 제공하는 단계;
● 바인더에 촉매를 제공하는 단계;
○ 여기서 촉매는 헥사민 또는 포르밀 탄소 또는 알데하이드의 또 다른 공급원일 수 있고;
○ 촉매는 가열될 때 바인더(예를 들어 카다놀과 같은 페놀)의 중합을 촉진하는 임의의 양이온성, 이온성, 산화제 또는 알칼리일 수 있으며;
○ 일 구현예에서, 헥사민은 첨가되는 페놀 (예를 들어 카다놀)의 중량을 기준으로 대략 6 내지 8 %로 첨가되고;
● 페놀(카다놀), 촉매 및 목탄을 혼합하여 조성물을 생성하는 단계;
● 조성물을 가압 (및 선택적으로 동시에 또는 순차적으로 진동)시키는 단계;
● 조성물을 경화시키는 단계;
● 선택적으로, 경화된 페놀, 촉매 및 목탄 조성물을 가공하여 콘크리트의 성분, 야금 환원제, BBQ 산업에서 요리용 연료 및/또는 예를 들어 알루미늄 제조에 사용하기 위한 애노드로 사용될 수 있는 조개탄을 생성하는 단계;
○ 애노드를 준비하려면 전형적으로 높은 열 온도로 가열해야 하며, 이는 1000℃보다 높은 온도로 정의된다. 전통적인 석유 코크스 및 피치 애노드의 전형적인 조건은 1100℃에서 200 내지 300시간이다.
카다놀과 촉매의 함량이 높을수록 생성된 재료(예를 들어 조개탄)이 더 강해진다. 카다놀 함량이 높을수록 재료(예를 들어 조개탄)의 내수성이 높아진다.
일 구현예에서, 본원에 기재된 바이오-탄소 재료(예를 들어 조개탄)는 방수 또는 실질적으로 내후성이 있을 수 있으며 요소 외부에 보관될 수 있다. 일 구현예에서, 본원에 기재된 바이오-탄소 재료(예를 들어 조개탄)는 24시간, 바람직하게는 48시간, 더욱 바람직하게는 7일 동안 물에 침지시킨 후에도 재료가 부서지거나 구조를 잃지 않을 정도로 방수성일 수 있다. 바람직하게는, 본원에 기재된 바이오-탄소 재료(예를 들어 조개탄)는 물의 중량을 기준으로 5 내지 10%로 흡수할 수 있고 재료의 구조적 약점 없이 노출될 수 있다.
일 구현예에서, 본원에 기재된 바이오-탄소 재료(예를 들어 조개탄)은 오늘날 석탄, 펫코크스, 멧코크스 및 자갈의 조작 및 보관에 일반적으로 사용되는 유사한 장비 및 관행을 사용하여 대량으로 적재, 수송, 하역 및 보관할 수 있을 정도로 충분히 강하다.
바람직하게는, 본 개시내용의 조개탄은 수송 또는 보관 중에 자체 발화될 가능성이 없다.
본 개시내용의 조성물 및 방법 이전에, 목탄 내의 휘발성 유기 화합물 및 가스는 부피로 대략 0-30 중량% 범위이다. 카다놀은 본 발명의 다양한 양태에 사용하기에 바람직한 바인더이다. 카다놀은 CNSL을 정제하고 증류한 후 대략 1% 미만의 휘발성 유기 화합물을 갖는다. 따라서 카다놀은 환경친화적일 뿐만 아니라 비-휘발성이며 본질적으로 무해하다.
일 구현예에서, 가압(압축)은 표준 압력(대략 1bar 또는 대략 0.1MPa)에서 수행될 수 있다.
일 구현예에서, 경화는 불활성 표준 대기에서 일어날 수 있다.
SHT의 경우, 불활성 대기가 사용되며 온도는 700 내지 1300°C 범위로 증가할 수 있다. 약 1000 내지 1100°C가 최적의 온도(불활성 대기에서)이다. 경화 및 SHT는 단일 가열 단계로 수행될 수도 있고 순차적으로 수행될 수도 있다.
추가 압력 없이 산소가 풍부한 대기에서 경화되는 경우, 경화 온도는 대략 400℃ 이하까지 낮아질 수 있으며 (본원에 기재된 대로) 300℃ 미만 또는 200℃ 미만이 바람직하다.
일 구현예에서, 바이오-탄소 재료는 적어도 표준 펫코크스 애노드의 압축 강도를 가지며, 이는 대략 8 내지 10 MPa의 굴곡 강도, 30 내지 50 MPa의 압축 강도 및 4 내지 5.5 GPa(기가파스칼)의 정적 탄성률을 갖는다. 따라서, 본 개시내용의 생성물은 펫코크스 애노드와 동일한 최소 기술 요구 사항을 모두 갖지만 바이오-탄소로 형성된다. 따라서 바이오-탄소 재료는 이산화탄소 중립적이다.
도면은 본 개시내용의 방법에 의해 생성된 제품의 예시적인 구현예를 보여주지만, 모든 구현예를 묘사하지는 않는다. 예시적인 구현예에 추가로 또는 예시적인 구현예를 대신하여 다른 구현예가 사용될 수 있다. 공간 절약이나 보다 효과적인 예시를 위해 명백하거나 불필요한 세부 사항은 생략될 수 있다. 일부 구현예는 추가 구성요소 또는 단계를 사용하여 및/또는 예시에 제공된 일부 또는 모든 구성요소 또는 단계 없이 실시될 수 있다. 상이한 도면에 동일한 숫자가 포함되어 있는 경우 해당 숫자는 동일하거나 유사한 구성 요소 또는 단계를 나타낸다.
도 1은 목탄 및 카다놀 제품을 생성하기 위한 공정의 일 구현예의 흐름 블록 선도이다. 도 1에 표시된 대로, 공정(1)은 조성물을 생성하는 데 사용되며, 이는 여러 가지 사용 가능한 생성물(7)을 가질 수 있다. 카다놀은 목탄(이 경우 목탄 분말)과 조합되어 분쇄 및 혼합 단계(2)에서 혼합된다. 필요하다면, 목탄을 분쇄하여 균일한 목탄 분말을 만들 수도 있다. 바람직하게는, 목탄 분말 입자는 직경이 대략 1nm 내지 1mm와 같이 본원에 기재된 바와 같은 크기이지만, 더 큰 조각이 사용될 수도 있다. 혼합물은 혼합물에 가압(4) 또는 압출(5)를 제공하는 몰드, 다이, 용기 또는 가압 장치로 이송될 수 있다. 그 다음, 가압/압출된 혼합물은 전형적으로 혼합물에 경화를 제공하는 오븐 또는 기타 장치인 경화(6)을 거칠 수 있다. 생성된 경화 및 가압된 혼합물은 원하는 대로 추가로 형상화, 가공 또는 경화될 수 있다. 일 구현예에서, 생성된 조성물은 산업용 또는 BBQ 조개탄(8)으로 사용될 수 있다. 일 구현예에서, 생성물은 더 작은 조각 또는 "탄소석(12)"(본원에서는 "바이오-탄소석" 또는 "목탄석"이라고도 함)으로 파손될 수 있다. 이들은 원료로 사용될 수도 있고, 예를 들어 "탄소 중립" 콘크리트(13)와 같은 콘크리트에 사용될 수도 있다. 일 구현예에서, 생성물은 환원제(11)로 사용될 수 있거나 선택적으로 1000℃ 초과(불활성 대기에서)에서 두 번째 열처리에 의해 경화되어 애노드(10)으로 가공될 수 있다.
도 2는 목탄 분말 및 카다놀 조개탄을 생성하기 위한 공정의 일 구현예를 예시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 목탄 및 카다놀 조개탄을 제조하기 위한 공정(100)은 목탄 분말 및 카다놀을 제공하고 이를 혼합기(102)에서 혼합하는 것을 포함할 수 있다. 대안적으로, 헥사민 또는 다른 유형의 촉매와 같은 다른 화합물이 첨가될 수 있다. 그 후, 혼합물은 프로세서(106)로 이송(104)될 수 있다. 프로세서(106)는 혼합물을 경화 및/또는 특정 형상으로 형성하기 위해 혼합물에 압력을 가할 수 있다. 도 2는 혼합물이 롤러 프레스(107)를 통해 어떻게 압출될 수 있는지를 보여준다. 조개탄(110)은 스크리닝(108)될 수 있고 잔류 재료(120)은 혼합기(102)로 다시 재순환될 수 있다. 도 2는 조개탄(110)이 필로우(pillow) 형상일 수 있음을 도시한다. 바람직한 구현예에서, 조개탄(110)은 열 또는 일부 다른 경화 공급원 예컨대 UV, IR, 마이크로파, 초음파, 유도 전력, 직접 열, 간접 열, 복사열 등을 사용하여 경화될 수 있다.
도 3은 카다놀을 많이 첨가할수록 결과물의 강도가 강해지는 것을 나타내는 그래프이다. 그래프는 강도를 결정하기 위해 다양한 조성의 조개탄에 알려진 압력을 가하는 여러 압축 강도 테스트의 결과를 보여준다. 만들어진 조개탄은 모두 동일하게 가압되고 동일한 경화 과정을 거쳤다. 그래프의 데이터 포인트(300)과 관련된 조개탄을 2회 가압하고 뒤집은 다음, 다시 가압했는데, 모두 대략 100 MPa에서 이루어졌다. 이 추가적인 가압으로 인해 조개탄이 더 강해졌다. 일반적으로 다른 조개탄은 대략 100 MPa에서 1회 가압된다. RK는 본 개시내용의 방법으로 제조된 목탄 분말, 카다놀 및 헥사민 기반 조개탄이다. RKHYD는 동일한 조개탄이지만 조성물의 중량으로 5%로 소석회가 첨가되어 있다. 도시된 바와 같이, 추가적인 압력이 가해질수록 조개탄의 강도는 더 커진다.
도 3에 도시된 바와 같이, 카다놀인 "바인더"를 16 내지 28 중량%로 첨가하였다. 제곱 센티미터당 킬로그램 힘(kgf/cm2)으로 표시되는 압력은 220 내지 400의 범위이다. 카다놀이 18% 미만인 경우, 압력은 대략 240 kgf/cm2였으며 이는 표준 야금 코크스의 강도 140 kg/cm2보다 훨씬 높다. 조개탄 표면적은 8.04cm2이고 카다놀이 18% 미만인 경우, 대략 240 kg의 힘(2.5미터톤 압력에 해당)에서 파손되었다. 카다놀의 중량 퍼센트가 증가할수록, 조개탄의 강도도 증가함을 도 3을 통해 알 수 있다.
도 4는 압축 강도 테스트 후 본 개시내용의 바이오-탄소 재료의 실린더 사진이다. 관찰된 "모래시계" 파손 패턴은 콘크리트의 일반적인 파손 패턴이지만 다른 목탄 재료에서는 전형적으로 볼 수 없다. 이는 본 발명의 바이오-탄소 재료와 콘크리트 사이의 높은 정도의 상용성을 나타낼 수 있다.
도 5는 실시예 5의 방법으로 형성된 바이오-탄소 재료가 압출된 사진이다. 사진에서 볼 수 있는 압출된 "막대"는 적어도 부분적으로 이차 바인더의 포함으로 인해 높은 "그린 강도"를 갖는다. 사진의 예에서, 냉수용성으로 변성된 감자 전분을 이차 바인더로 사용하였다. 막대가 압출기에서 수집 트레이로 떨어지는 것을 형태의 심각한 손실 없이 견뎌낸 것을 볼 수 있다. 따라서 이러한 "그린(green)" 재료는 경화 전에 컨베이어 등에서 수동 및 자동 처리에 충분히 강력하다.
달리 명시하지 않는 한, 다음 청구 범위를 포함하여 본 명세서에 명시된 모든 측정, 값, 등급, 위치, 규모, 크기, 위치 및 기타 사양은 대략적인 것이며 정확한 것은 아니다. 이들은 관련된 기능 및 관련된 기술 분야의 관례와 일치하는 합리적인 범위를 갖도록 의도된다.
바람직한 구현예에 대한 전술한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제시되었다. 다수의 구현예가 개시되어 있지만, 위의 상세한 설명으로부터 당업자에게는 또 다른 구현예가 명백해질 것이다. 이러한 구현예는 모두 보호의 사상과 범위를 벗어나지 않고 다양한 명백한 양태를 수정할 수 있다. 따라서, 상세한 설명은 본질적으로 예시적인 것이며 제한적인 것이 아닌 것으로 간주되어야 하다. 또한, 명시적으로 언급되지는 않았지만, 하나 이상의 구현예가 서로 조합되거나 연계되어 실시될 수 있다. 더욱이, 특정 구현예에 대한 참조 또는 비-참조가 보호 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 보호 범위는 이 상세한 설명에 의해서가 아니라 여기에 첨부된 청구범위와 청구범위의 균등물에 의해 제한되도록 의도되었다.
위에서 바로 언급한 경우를 제외하고, 청구항에 기재되어 있는지 여부에 관계없이 언급되거나 예시된 어떤 내용도 구성 요소, 단계, 특징, 대상, 이점, 장점 또는 이에 상응하는 것을 대중에게 제공하도록 의도되거나 해석되어서는 안 된다.
본 발명은 다음의 비제한적인 실시예를 참조하여 하기에 추가로 설명될 것이다:
실시예 1 - 페놀성 바인더를 갖는 목탄 항목의 형성
목탄을 실험실 분쇄기에서 분쇄하여 목탄 분말을 생성하였다. 목탄 분말을 폭 1 mm 및 길이 2 mm의 메쉬 크기(체의 구멍은 직사각형 형상)의 체에 통과시켜 100 μm 이하의 입자를 제공하였다.
목탄 분말 입자 크기는 Mastersizer 3000E 레이저 크기 분석기를 사용하여 레이저로 측정되었다. 입자는 10μm에서 100μm까지의 분포를 갖는 것으로 밝혀졌다.
강도가 30 MPa 이상인 조개탄을 제조하기 위해, 30g의 공업용 카다놀을 2.4g의 헥사민 및 100g의 상기 목탄 분말과 혼합하였다. 혼합물을 습성은 아니지만 젖지 않을 때까지 약 5분 동안 교반하였다. 총 바인더(카다놀 + 헥사민)는 혼합물 총 중량의 24.4%였다.
20.5g의 습성 혼합물을 32 mm 내부 직경의 다이로 이송하고 10 kN/cm2의 힘을 갖는 실험실 유압 프레스에서 가압하여 그린 정제 블록/조개탄을 형성하였다 반복적인 압축을 통해 최종 생성물의 강도가 향상되는 것으로 나타났다.
그린 정제 블록/조개탄을 오븐에서 200℃에서 2시간 동안 경화시킨 후, 주위 공기에서 냉각시켰다.
　실시예 2 - 강도 테스트
　실시예 1에 기재된 대로 제조된 목탄 블록을 완전히 냉각시키고 다음 방법에 따라 압축 강도를 테스트하였다.
　직경 32 mm, 길이 25 내지 30mm의 원통형 정제 블록/조개탄을 압축 강도를 측정하는 컴퓨터에 부착된 유압 기계에 넣었다.
블록/조개탄에 가해지는 힘은 파손될 때까지 분당 100N의 속도로 동일한 단계로 선형적으로 증가하였다. 파손 시 최대 힘은 ≥30 MPa로 나타났다.
바이오-탄소 실린더에서 관찰된 전형적인 "모래시계(hourglass)" 파손 패턴은 도 4에 도시된다. 이는 콘크리트 원통형에서는 흔히 볼 수 있는 패턴이지만 이전에는 목탄 재료에서는 볼 수 없었던 패턴이다. 이는 바이오-탄소 재료가 압축 응력에 대해 콘크리트와 유사한 반응을 나타냄을 의미하며, 이는 콘크리트와 바이오-탄소 재료 사이의 잠재적인 높은 호환성을 나타낸다.
실시예 3 - 내수 테스트.
바이오-탄소 재료의 조개탄 10개를 각각 칭량하여 밀폐된 물병에 넣었다. 조개탄을 각각 12시간, 24시간, 48시간 및 72시간 동안 침지시킨 후, 제거하고 다시 칭량하였다. 조개탄은 물에 침지시킨 후 질량 증가가 5%를 초과하지 않았다. 또한, 조개탄을 텀블러에 넣고 침지 후 30분간 텀블링한 결과, 조개탄의 취약성은 발견되지 않았다.
실시예 4 - 페놀성 예비중합체의 형성
페놀 (8kg), 공업용 카다놀 -공업용(Rishabh Resins & Chemicals, Telangana, India, 2kg), 포름알데하이드(37% 고형분, 10 kg), 암모니아수(25% 고형분 450g) 및 메탄올 5 내지 6kg을 반응기에 채웠다. 반응기를 60 내지 70℃로 가열하고 70 내지 100℃의 온도에서 30분 동안 유지한다. 물은 반응기로 다시 환류되고 핫플레이트에서 겔화 시간이 120 내지 140초인 예비중합체가 달성될 때까지 60 내지 70분 동안 가열이 유지된다. 그 다음 반응을 90℃ 이하로 유지하면서 진공 증류로 물을 제거한다. 충분한 물이 제거되면 혼합물을 냉각하고 필요에 따라 메탄올로 희석한다. 예비중합체는 실시예 1의 카다놀을 전체적으로 또는 부분적으로 대체하여 사용될 수 있다.
실시예 5 - 페놀성 바인더 및 변성 전분 이차 바인더의 사용
650°C에서 진공 마비하여 만든 노르웨이산 자작나무 목탄(고정 탄소 94.3%, 회분 1.9%, 휘발성물질 3.8%)을 자립형 해머밀에서 분쇄하여 목탄 분말을 생성하였다.
목탄 분말 64.8%(전체 중량부), 변성 전분(Empre KST 냉수용성 변성 감자 전분, 독일 엠스란트) 5% 및 헥사민 1.6%를 고속 공업용 혼합기에서 건조 분말로서 잘 혼합하였다. 분말이 혼합되면 카다놀 10.6%와 물 18%를 첨가하고 혼합물을 압출기에 도입하였다.
15mm 막대를 압출하여 약 200mm 길이로 절단하였다. 막대는 형상 손실 없이 수동 및 자동 취급에 충분한 "그린" 강도를 갖는 것으로 즉시 확인되었다. 압출 공정은 도 5에 도시된다.
그 다음, 비말동반된 물이 제거될 때까지(약 2시간), 압출된 막대를 105°C에서 초기 건조하는 2-단계 건조 공정을 통해 건조한 다음, 150 내지 200°C에서 1 내지 2시간 동안 (예를 들어 200°C에서 2시간 동안) 경화시켰다.
경화 후, 직경 15mm의 200mm 막대는 너무 강해서 손으로 파손되지 않았다.
실시예 6 - 페놀성 바인더와 이차 바인더의 사용 - 대체 혼합
실시예 5의 생산 방법을 반복하되, 초기에 건조 성분을 혼합하는 것이 아닌 "올인(all-in)" 혼합 방식을 채택하였다. 모든 성분(습식 및 건식 성분)을 함께 첨가하고 고속 공업용 믹서에서 완전히 혼합하였다.
그 다음 혼합된 재료를 압출기로 이송하고 압출하여 15mm x 대략 200mm 막대를 형성하였다.
실시예 5와 같이 건조 및 경화시킨 후, "올인" 혼합 재료는 실시예 5의 2-단계 혼합과 동일한 강도 및 경도 특성을 나타내었다.
물(가공 조제로만 사용됨)을 제외한 재료의 비율(중량%)은 다음과 같다: 목탄 분말 79%, 냉수용성 변성 감자 전분 6%, 헥사민 2%, 카다놀 13%.

Claims (38)

  1. 40 중량% 내지 95 중량%의 목탄 및 페놀 수지를 포함하는 적어도 하나의 바인더를 포함하는, 바이오-탄소 재료.
  2. 제1항에 있어서, 바인더는 2% 내지 50 중량%의 양으로 존재하는, 바이오-탄소 재료.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 페놀 수지는 적어도 하나의 화학식 I의 페놀 및 선택적으로 촉진제의 중합체인, 바이오-탄소 재료:

    여기서 X는 H 또는 OH이고, R은 H 또는 직쇄 또는 분지형일 수 있는 1 내지 24개의 탄소의 선택적으로 치환된 포화 또는 불포화 탄화수소 모이어티이다.
  4. 제3항에 있어서, 적어도 하나의 화학식 I의 페놀은 R이 수소가 아닌 적어도 하나의 페놀을 포함하는, 바이오-탄소 재료.
  5. 제3항에 있어서, 적어도 하나의 화학식 I의 페놀은 적어도 하나의 페놀을 포함하며, 여기서 R은 적어도 하나의 아민, 하이드록실 및/또는 에폭시 모이어티로 선택적으로 치환된 C6 내지 C20 불포화 하이드로카르빌 모이어티인, 바이오-탄소 재료.
  6. 제3항에 있어서, 적어도 하나의 화학식 I의 페놀은 카돌 및/또는 카다놀을 포함하거나, 본질적으로 구성되거나, 구성되는, 바이오-탄소 재료.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 페놀 수지는 적어도 하나의 화학식 I의 페놀과 적어도 하나의 알데하이드 또는 포르밀-탄소 공급원 예컨대 헥사민으로부터 선택되는 적어도 하나의 촉진제의 중합체인, 바이오-탄소 재료.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 바인더는 제2항의 수지와 같은 적어도 하나의 페놀 수지로 구성되거나 본질적으로 구성되는, 바이오-탄소 재료.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 페놀 수지는 카돌 및/또는 카다놀로 구성되거나 본질적으로 구성되는 적어도 하나의 페놀의 중합체인, 바이오-탄소 재료.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바이오-탄소 재료는 상기 목탄과 상기 바인더를 혼합하고 상기 바인더를 경화시켜 형성된 것인, 바이오-탄소 재료.
  11. 제10항에 있어서, 상기 혼합물은 압축되고 선택적으로 진동되는, 바이오-탄소 재료.
  12. 제11항에 있어서, 상기 혼합물은 1회 내지 10회 반복 동안 대략 3 내지 50 MPa의 범위에서 압축되는, 바이오-탄소 재료.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료는 450℃ 미만에서 경화되는, 바이오-탄소 재료.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료는 대략 180℃ 내지 250℃의 범위에서 대략 1분 내지 3시간 동안 경화되는, 바이오-탄소 재료.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 야금 환원제로 사용하기 위한, 바이오-탄소 재료.
  16. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 요리 연료로 사용하기 위한, 바이오-탄소 재료.
  17. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료는 야금 산업에 사용하기에 적합한 애노드를 형성하기 위해 불활성 대기에서 1000℃ 초과의 온도에서 추가로 경화되는, 바이오-탄소 재료.
  18. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 콘크리트 제조용 성분으로 사용하기 위한, 바이오-탄소 재료.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바인더는 상기 혼합물의 중량을 기준으로 대략 5 % 내지 30 %의 범위로 존재하는, 바이오-탄소 재료.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 목탄은 상기 혼합물의 중량을 기준으로 대략 50 % 내지 90 %의 범위인, 바이오-탄소 재료.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉진제는 바인더의 중량을 기준으로 0.1 % 내지 15 %의 범위로 존재하는, 바이오-탄소 재료.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 촉진제는 헥사민인, 바이오-탄소 재료.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료는 최대 30 중량%의 광물 필러 예컨대 암석분을 포함하는, 바이오-탄소 재료.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 바인더는 재료의 미경화(그린) 강도를 증가시키는 이차 바인더의 1 내지 50 중량%의 바인더 성분을 더 포함하는, 바이오-탄소 재료.
  25. 제24항에 있어서, 이차 바인더는 건성유" 예컨대 아마인 오일, 및/또는 적어도 하나의 다당류 예컨대 알기네이트, 구아 검 또는 전분인, 바이오-탄소 재료.
  26. 제25항에 있어서, 전분은 옥수수 전분, 밀 전분, 감자 전분, 쌀 전분, 변성 옥수수 전분, 변성 밀 전분, 변성 감자 전분, 변성 쌀 전분 및 이의 임의의 조합인, 바이오-탄소 재료.
  27. 조성물로서,
    카다놀;
    목탄 분말; 및
    헥사민을 포함하고;
    상기 카다놀, 상기 목탄 분말 및 상기 헥사민은 함께 혼합되어 혼합물을 형성하고;
    상기 혼합물은 대략 180℃ 내지 250℃의 범위에서 경화되고;
    상기 혼합물은 대략 3 내지 50 MPa의 범위에서 가압되고;
    상기 카다놀은 상기 혼합물의 중량을 기준으로 대략 8 % 내지 35 %의 범위이고;
    상기 목탄 분말은 상기 혼합물의 대략 50 중량% 내지 92 중량%의 범위에 있고; 그리고
    상기 헥사민은 상기 혼합물의 0.1 중량% 내지 15 중량%의 범위에 있는, 조성물.
  28. 바이오-탄소 재료의 제조 방법으로서, 하기를 포함하는, 방법:
    카다놀과 같은 적어도 하나의 페놀을 제공하는 단계;
    목탄 분말을 제공하는 단계;
    적어도 하나의 상기 페놀을 상기 목탄 분말과 혼합하여 페놀 및 목탄 조성물을 생성하는 단계;
    상기 페놀 및 목탄 조성물을 압축하고 선택적으로 진동시키는 단계; 및
    상기 페놀 및 목탄 조성물을 경화시키는 단계.
  29. 제25항에 있어서,
    촉매 및/또는 촉진제를 제공하는 단계를 추가로 포함하고;
    상기 촉매 및/또는 촉진제는 상기 페놀 및 상기 목탄과 혼합되어, 상기 페놀 및 목탄 조성물은 상기 촉매 및/또는 촉진제를 포함하는, 방법.
  30. 제29항에 있어서, 상기 페놀은 상기 페놀 및 목탄 조성물의 중량을 기준으로 대략 2 % 내지 50 %의 범위로 존재하고;
    상기 목탄 분말은 상기 페놀 및 목탄 조성물의 대략 10 중량% 내지 98 중량%의 범위에 있고; 그리고
    상기 촉매 및/또는 촉진제는 상기 페놀 및 목탄 조성물의 중량을 기준으로 0.1 % 내지 15 %의 범위이고;
    상기 페놀 및 목탄 조성물은 대략 3 내지 50 MPa의 범위에서 가압되고; 그리고
    상기 혼합물은 대략 180℃ 내지 250℃의 범위에서 경화되는, 방법.
  31. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 바이오-탄소 재료를 포함하는, 콘크리트.
  32. 제31항에 있어서, 상기 콘크리트는 탄소 중립인, 콘크리트.
  33. 제31항에 있어서, 상기 바이오-탄소 재료는 적어도 콘크리트의 명목 28일 강도만큼 큰 압축 강도를 갖는, 콘크리트.
  34. 제31항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 바이오-탄소 재료는 ASTM C39/C39M에 따라 시험할 때 압축 강도가 50 MPa 이상인, 콘크리트.
  35. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 따른 탄소 재료를 포함하는 애노드.
  36. 제35항에 있어서, 1000 내지 1200℃에서 2 내지 72시간 동안 이차 열처리된, 애노드.
  37. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 따른 바이오-탄소 재료를 포함하는 조개탄.
  38. 제37항에 있어서, 방수성이 있는, 조개탄.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR870104A (fr) * 1941-02-17 1942-03-03 Procédé d'agglomération de matières telles, notamment, que le charbon végétal ou le charbon minéral, et produits obtenus par ce procédé
US5298040A (en) 1989-06-09 1994-03-29 Roquette Freres Process for the preparation of a water-resistant fuel agglomerate
US5221290A (en) 1991-02-04 1993-06-22 American Colloid Company Charcoal briquettes bound with an organic binder and a water-swellable clay and method
NO313511B1 (no) * 1999-10-01 2002-10-14 Elkem Materials Karbonholdige agglomerater
EP1795513A1 (de) * 2005-12-09 2007-06-13 Sgl Carbon Ag Verfahren zur Herstellung von Silicumcarbid-Keramik
CN100526258C (zh) * 2007-09-03 2009-08-12 昆明理工大学 一种用烟杆废弃物制备木质陶瓷的方法
CN103805302A (zh) * 2013-12-20 2014-05-21 广西柳州浚业科技有限公司 环保型工业型煤复合粘结剂及其制备方法
CN110395941A (zh) * 2019-08-01 2019-11-01 北京理工大学珠海学院 生物炭基热固性树脂复合材料及其制备方法
CN112125306B (zh) * 2020-09-28 2022-05-06 烟台中科恩吉科创新产业园管理有限公司 一种活性炭及其制备方法

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