KR20240057456A - 가스 오염물질 제거에 있어 개선된 효율을 위한 표면-개질된 탄소 및 흡착제 - Google Patents

가스 오염물질 제거에 있어 개선된 효율을 위한 표면-개질된 탄소 및 흡착제 Download PDF

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에릭 폰티우스
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콜럼버스 인더스트리즈, 인코포레이티드
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Abstract

VOC, 예컨대, 포름알데하이드를 가스로부터 제거하는 물질, 및 유동 가스에 노출되는 이러한 물질을 갖는 필터 및 기타 구조. 물질은 금속 옥사이드, 예컨대, 망간 옥사이드(MnOx) 나노 입자에 의해 함침된 다공성 흡착제이다. 흡착제는 활성탄일 수 있으며, 망간 옥사이드는 포름알데하이드를 물 및 이산화탄소로 촉매시키면서, 탄소는 포름알데하이드를 흡착시킬 수 있으며, 이 둘 메카니즘 모두는 공기로부터 VOC를 제거하여 인간에 의한 이들의 흡입을 방지하거나 감소시킨다. 물질은 비처리된 흡착제 또는 이온성 알칼리 염으로 처리된 흡착제와 조합될 수 있다.

Description

가스 오염물질 제거에 있어 개선된 효율을 위한 표면-개질된 탄소 및 흡착제{SURFACE-MODIFIED CARBON AND SORBENTS FOR IMPROVED EFFICIENCY IN REMOVAL OF GASEOUS CONTAMINANTS}
발명의 배경
본 발명은 일반적으로 가스로부터 오염물질을 제거하는데 사용되는 물질에 관한 것이며, 더욱 특히, 공기로부터 오염물질 가스, 예컨대, 알데하이드를 제거하는데 사용되는 물질에 관한 것이다.
알데하이드는 고도로 반응성인 유기 화합물이며, 특히, 포름알데하이드, 아세트알데하이드, 프로피온알데하이드, 부티르알데하이드, 벤즈알데하이드, 신남알데하이드, 톨루알데하이드 및 레틴알데하이드를 포함한다. 포름알데하이드는 인간에 의해 충분한 수준으로 흡입되는 경우 유해하며, 휘발성 유기 화합물 또는 VOC로서 간주된다. 알데하이드는 때때로, 주거용 건물에 존재하는 새로 제작된 폴리머 주위의 공기에서 발견된다. 따라서, 주거용 건물의 공기로부터 알데하이드를 제거하는 것이 바람직하다.
주택과 같은 주거용 건물에서 공기로부터 오염물질을 제거하는 하나의 일반적인 방법은 공기가 집안을 순환할 때 공기로부터 오염물질을 흡착하는 물질로 주택의 중앙 냉난방 시스템에 사용되는 필터를 처리하는 것이다. 이러한 냉난방 시스템은 집안의 각 방으로 공기를 이동시키는 동시에 같은 방 전부 또는 대부분으로부터 공기를 끌어내기 위해 팬을 사용하는 것으로 알려져 있다. 이러한 방식으로, 공기는 중앙 시스템을 통과하여 순환되며, 필터가 공기로부터 미립자를 거르고/거르거나 그렇지 않으면 제거하는 동안, 처리 물질은 공기가 필터를 통과하여 이동할 때 공기로부터 오염물질 가스 분자를 흡착한다.
종래 기술의 필터는 건물의 중앙 냉난방 시스템에 사용되는 필터에 대한 흡착(물리흡착 또는 화학흡착) 메카니즘을 위해 처리된 활성탄을 포함하였다. 이들 필터는 큰 메쉬 크기 또는 펠렛 형태의 탄소를 사용하여 포름알데하이드와 같은 오염물질을 흡착시킨다. 이와 같이, 종래 기술은 흡착 메카니즘을 위해 처리된 탄소에 의해 포름알데하이드를 제거한다. 어떤 건물의 입주자에 대한 포름알데하이드의 부정적인 영향을 감소시키기 위해, 더 많은 포름알데하이드를 제거하거나 더 빠른 속도로 포름알데하이드를 제거하는 것이 바람직하다.
발명의 개략적 개요
전이 금속, 금속 옥사이드 및 복합물로의 함침에 의해 수행될 수 있는 표면 개질을 갖는 활성탄 및 기타 다공성 흡착제가 본원에 기술되어 있다. 이러한 표면-개질된 다공성 흡착제는 이들의 기공 내에 금속 옥사이드를 수용하며, 예컨대, HVAC 필터에 첨가됨으로써 실내 공기와 접촉될 수 있다. 이는 필터 또는 다른 공기-접촉 구조를 통과하여 이동하는 공기에서 VOC의 더 높은 흡착, 및 VOC 및 특히, 포름알데하이드의 산화에서의 촉매 활성을 발생시키며, 이에 의해 건물의 입주자가 숨 쉴 공기 스트림으로부터 VOC를 제거한다.
활성탄은 티타니아, 분자체, 제올라이트 및 알루미나와 같이 고려되는 하나의 다공성 흡착제이다. 활성탄은 미리 제조되거나 현장에서 제조될 수 있는 MnOx-기반 나노 입자로 함침되어 VOC, 예컨대, 포름알데하이드 및 기타 알데하이드의 촉매 산화의 부가 메카니즘을 제공할 수 있다. MnOx 나노 입자와 활성탄의 이러한 조합은 더 빠른 역학에서 더 높은 산화 능력을 가지며, 이는 더 높은 여과 효율 및 더 긴 필터 수명을 발생시킨다. 활성탄 이외에 다공성 기재는 비제한적으로 제올라이트를 포함하는 망간-기반 입자 및/또는 나노입자로 함침될 수 있다.
또한, 폴리머일 수 있는 섬유 구조, 예컨대, 직조 시트, 비직조 배트(batt) 또는 섬유 웹이 본원에 기재되었다. 섬유 구조는 섬유 구조 상에 촉매 부위를 생성시키는 금속 옥사이드 및 이온성 현탁액의 코팅을 지닐 수 있다. 이러한 섬유 구조를 프레임에 넣어 중앙 냉난방 시스템의 필터로서 장착시킬 수 있다. 공기 스트림 중 휘발성 유기 화합물(VOC), 특히, 포름알데하이드의 산화를 위한 공기 여과 매체로서 생성된 여과 매체를 사용하는 것이 고려된다. 이는 주택, 아파트, 사무실, 공장 또는 어떤 다른 구조물일 수 있는 건물의 난방, 냉방 및 환기(HVAC) 시스템의 공기 경로로 형성된 덕트의 프레임에 매체를 넣음으로써 달성될 수 있다. 촉매 나노 금속 옥사이드(예를 들어, 망간 옥사이드)로 코팅된 폴리머 웹은 오염물질의 덜 해로운 물질로의 촉매 및 흡착에 의한 분자 가스 및/또는 VOC의 제거에 있어서 향상된 효율을 갖는다.
폴리머 웹 매체는 나노-크기 망간 옥사이드 및 포타슘 이온으로 코팅될 수 있다. 여과 매체는 HVAC 시스템에서 활성탄과 조합되어 또는 단독으로 사용될 수 있다. 매체는 본원에 기술된 바와 같이 시중에서 입수가능하거나 현장에서 제조된 MnOx-기반 나노 입자로 함침된 활성탄으로 처리되어 VOC, 예컨대, 포름알데하이드의 촉매 산화에 의한 VOC/가스 제거를 위한 메카니즘을 제공할 수 있다. 이는 더 빠른 역학에서 더 큰 제거 용량을 발생시켜, 더 높은 여과 효율 및 더 긴 필터 수명을 유도한다. 따라서, 망간 옥사이드의 나노 입자로 코팅된 이러한 폴리머 웹의 이점은 코팅된 웹이 더 빠른 역학으로 더 많은 VOC를 분해하여, 더 높은 CADR 및 CCM 달성을 지지할 수 있다는 점이다.
망간 옥사이드로 코팅된 폴리머 섬유 구조는 공기 스트림으로부터의 VOC(특히, 포름알데하이드)의 CO2로의 분해 및/또는 산화를 위한 강력한 촉매로서 작용한다. 웹은 공기 여과 시스템에서 촉매 코팅된 웹을 단독으로 또는 활성탄과 조합하여 사용함으로써 가스 오염물질(포름알데하이드 증기 및 기타 가스를 포함)을 제거하는데 있어 종래 기술의 구조보다 더 높은 촉매 능력을 갖는다. 또한, 나노 망간 옥사이드 입자(MnOx)를 합성하고 폴리머 웹을 코팅하는 기술이 기재된다.
촉매 활성을 부가하는 본원에 기재된 여과 매체는 공기 스트림으로부터 포름알데하이드 및 분자 가스 및/또는 증기를 제거한다. 촉매 망간 옥사이드 및 포타슘 이온으로 코팅된 폴리머 웹 층을 사용함으로써 촉매 활성이 탄소 필터에 부가될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 2개의 층 사이에 MnOx로 함침된 과립 흡착제를 포획시킴으로써 또는 MnOx가 함침된 활성탄을 섬유 웹에 부착시킴으로써 촉매 활성이 미립자 필터에 부가될 수 있다. 가스 상을 위한 공기 여과 매체는 미립자 필터 웹과 탄소 필터의 조합물일 수 있으며, 이는 공기 스트림으로부터의 가스 오염물질과 반응(및/또는 흡착)함으로써 이를 제거하는 펠렛, 과립 형태의 탄소 또는 시트 형태의 고정 탄소일 수 있다.
본원에 기재된 생성물은 포름알데하이드 및 기타 휘발성 유기 화합물(VOC)을 제거하기 위해 더 높은 여과 효율의 측면에서 새롭게 등장한 공기 필터 표준을 충족시켜야 한다. 특히, 기재된 생성물은 더 높은 청정 공기 공급율(CADR)로 포름알데하이드를 제거하기 위해 중국 당국에 의해 도입된 GBT 18801 시험 프로토콜을 바람직하게 충족시킨다.
본원에 기술된 표면-개질된 탄소를 고정하여 더 높은 흡착 및 촉매 활성을 달성하여 공기 스트림으로부터 포름알데하이드 및 기타 증기/가스를 제거하는 고 여과 매체가 본원에 기재된다.
도면의 다양한 부분에 대한 간단한 설명
도 1은 MnOx의 입자가 분산된 고도로 다공성인 탄소 과립을 예시하는 개략적 단면도이다.
도 2는 대량의 공기로부터 포름알데하이드를 제거하기 위한 다중의 다양한 물질에 대해 필요한 시간의 양을 실험에서 도출한 실험 데이터의 그래프 표현이다.
도 3은 오염물질에 의한 필터의 파과 시간이 4개 샘플 각각에 대해 제시된 실험으로부터 도출된 실험 데이터의 그래프 표현이다.
도 4는 본 발명의 구체예를 예시하는 개략적 측면도이다.
도 5는 본 발명의 구체예를 예시하는 개략적 측면도이다.
도 6은 선 5-5에 따른 도 5의 본 발명의 구체예를 예시하는 개략적 단면도이다.
도 7은 본 발명의 구체예를 예시하는 개략적 측면도이다.
도 8은 선 8-8에 따른 도 7의 본 발명의 구체예를 예시하는 개략적 단면도이다.
도 9는 제 위치에 본 발명의 구체예를 지닌 난방, 환기 및 냉각 시스템의 개략적 도면이다.
도면에 예시된 본 발명의 바람직한 구체예를 설명하는데 있어서, 명확성을 위해 특정 용어가 사용될 것이다. 그러나, 본 발명을 선택된 특정 용어로 제한하고자 하는 것은 아니며, 각 특정 용어는 유사한 목적을 달성하기 위해 유사한 방식으로 작동하는 모든 기술적 등가물을 포함하는 것으로 이해해야 한다. 예를 들어, 연결 단어 또는 이와 유사한 용어가 종종 사용된다. 이들은 직접적인 연결에만 제한되지 않으며, 그러한 연결이 당업자에 의해 동등한 것으로 인식되는 다른 요소들을 통한 연결을 포함한다.
발명의 상세한 설명
2016년 11월 3일 출원된 미국 가출원 번호 62/416,899; 2017년 2월 24일 출원된 미국 가출원 번호 62/463,144; 및 2016년 11월 16일 출원된 미국 가출원 번호 62/422,943은 본 출원에 참조로 포함된다.
4mm 만큼 거친 크기 내지 10 마이크론 만큼 미세한 크기의 임의의 입자 크기 분포의 활성탄은 예컨대, 망간 옥사이드(MnOx) 및 미세하게 분산된 나노 입자로서 제조된 이러한 복합물로 함침됨으로써 처리될 수 있다. MnOx의 나노입자는 바람직하게는, 100-400 나노미터 범위이다.
이러한 나노 입자는 시중에서 입수가능하며, 활성탄 또는 다른 기재에 적용될 수 있다. 대안적으로, 입자는 이들의 전구체 예컨대, 포타슘/소듐 퍼망가네이트, 망간 아세테이트, 망간 옥살레이트 및/또는 망간 설페이트 및 당업자에게 공지된 기타의 것과 화학 제제/환원제에 의해 현장에서 형성될 수 있다. 이러한 MnOx 함침된 탄소를 이온성 알칼리 염 예컨대, KOH 및 KCl로 함침된 소정 비율(10-60%)의 탄소와 블렝딩시켜 촉매 산화를 위한 활성을 증가시킬 수 있다.
생성된 MnOx 함침된 활성탄 또는 기타 기재는 흡착 특성 이외에 촉매 특성을 갖는다. 한 제안된 MnOx 함침된 기재는 탄소의 0.5-5.0 중량% 범위의 MnOx 입자 농도를 갖는 활성탄이다. 제안된 함침된 기재는 제올라이트의 0.5-2.0 중량% 범위의 MnOx 입자 농도를 갖는 제올라이트이다.
VOC, 예컨대, 포름알데하이드의 촉매 산화 효과와 이러한 VOC의 물리흡착 및 화학흡착을 조합시키기 위해, 다공성 탄소 또는 기타 기재는 더욱 미세한 탄소 입자 상에서 망간 옥사이드 및 가능하게는 또한, 하이드록사이드로 함침되고, 망간 결정질의 촉매 부위의 균일한 분산을 달성한다. 이러한 MnOx 함침된 탄소는 소정 비율의 이온성 알칼리 염(예컨대, KOH 및 KCl) 함침된 탄소와 블렌딩되어 촉매 산화를 위한 활성을 추가로 증가시킬 수 있다.
가스 상을 위한 공기 여과 매체는 미립자 필터와 탄소 필터의 조합물일 수 있다. 탄소 필터는 탄소 펠렛, 과립 또는 시트 형태의 고정화된 탄소로 형성될 수 있으며, 시트 형태는 벌집형 구조를 가져 과립을 유지시킬 수 있다.
표면 개질은 하나 이상의 많은 형태의 탄소 상에서 광범위한 입자 크기 분포에서 망간 옥사이드로의 습식 함침에 의해 수행될 수 있다. 망간 옥사이드는 망간 전구체 화합물(예컨대, 포타슘/소듐 퍼망가네이트, 망간 아세테이트, 망간 옥살레이트 및 망간 설페이트)을 이들의 환원제(예컨대, 암모늄 옥살레이트, 암모늄 하이드록사이드 및 아닐린)와 수성 상에서 용해시킴으로써 제조될 수 있다. 그 후, 액체 상의 현탁액 중에 형성된 망간 옥사이드 입자는 습식 공정 이어서, 150℃ 미만의 온도에서의 건조에 의해 활성탄의 다공성 표면에 분산된다.
망간 옥사이드 입자를 형성하는 반응 속도는 입자 크기에 영향을 미친다. 전구체와 환원제가 신속하게 조합되는 경우, 큰 입자가 침전될 것이며, 이는 바람직하지 않다. 그러나, 반응을 감속시키기 위해 환원제를 의도적으로 낮은 농도로 유지시키면서 전구체와 환원제를 제어된 방식으로, 예를 들어, (물 중의) 희석된 형태로 조합시킬 경우, 형성된 입자는 요망에 따라, 극도로 작다. 알칼리성 이온 전하를 갖는 탄소는 포타슘 전구체 화합물, 예컨대, 포타슘 하이드록사이드/클로라이드/아이오다이드를 물에 용해시킴으로써 제조될 수 있다. 탄소는 약 1시간 동안 이러한 용액으로 함침되거나 침수되며, 그 후, 150℃ 미만의 온도에서 동일한 방식으로 건조된다.
망간 전구체는 전형적으로 함침될 탄소의 0.5 내지 5 wt% 범위로 사용되며, 탄소 초기 부피의 1-100%(예를 들어, 20%) 과량의 탈이온수를 사용하여 제조된다. 환원제, 예컨대, 암모늄 하이드록사이드, 암모늄 옥살레이트, 올레산 또는 아닐린은 망간 전구체를 매우 작은 크기의 망간 옥사이드 입자로 전환시키는데 사용된다. 그 후, 탄소는 활성탄 위로 망간 옥사이드 나노 입자를 균일하게 스프레딩하는 스프레이 및/또는 침수 공정을 이용하여 미세 망간 옥사이드 나노 입자를 함유하는 이러한 물 현탁액으로 함침된다.
알킬리/K+ 이온 전구체는 전형적으로 탄소의 0.5 내지 10 wt% 범위로 사용되며, 상기와 같이 탄소 초기 부피의 1-100% 과량의 탈이온수를 사용하여 제조된다.
한 방법에서, 시중에서 입수가능한 망간 옥사이드(MnO4) 분말을 구입하였으며, 1.0 g의 MnO4 분말을 100 ml의 물에 현탁시켰다. 그 후, 이러한 현탁액을 100 g의 시중에서 입수가능한 활성탄 상에 스프레이하고 건조시켰다. 이러한 탄소에 대한 CADR 테스트 결과는 하기 기술된 방법으로 생성된 MnOx 탄소의 결과와 유사하였다.
또 다른 방법에서, 1.0 g의 포타슘 퍼망가네이트 또는 망간 아세테이트를 120 ml의 물에 용해시켰다. 암모늄 하이드록사이드 또는 옥살레이트 용액 (용액은 500 ml 물 중의 50.0 g의 희석액임) 몇 방울을 첨가하였으며, 조합물을 30분 동안 진탕시켜 액체 현탁액 중의 망간 옥사이드 나노 입자를 형성시켰다. 그 후, 본원에 언급된 크기 범위의 100.0 g의 활성탄 입자에 상기 현탁액을 스프레이하고, 30분 동암 침수되게 하였다. 마지막으로, 탄소 중의 최종 수분 함량이 탄소의 약 1 중량% 미만이 될 때까지 탄소를 저온(150℃ 미만)에서 건조시켰으며, 이는 약 20-24시간이 소요되었다.
망간 옥사이드로 함침된 상기 기술된 탄소는 촉매 특성뿐만 아니라 흡착 특성 둘 모두를 가져 공기 스트림으로부터 VOC, 특히, 포름알데하이드를 제거한다. 망간 옥사이드는 습식 공정에 의해 미세 입자로 제조되고, 활성탄 과립의 기공에 분산된다. 포름알데하이드(HCHO) 분자가 흡착되고, 촉매 MnOx 입자와 반응하고, 하기 제안된 메카니즘에 의해 CO2 및 H20로 산화된다:
HCHO + O2 → CO2 + H2O
이러한 망간 옥사이드가 로딩된 표면 개질된 탄소는 포름알데하이드의 CO2로의 분해/산화 및 다른 VOC의 분해 및/또는 산화를 위한 강한 촉매로서 작용한다. 게다가, 상기 물질은 가스 상 여과에서 물리흡착 및 화학흡착에 의해 이러한 유기 가스 분자를 흡착시키는데 고효율 흡착제로서 작용한다.
MnOx(예를 들어, MnO2 및 기타 망간 옥사이드)가 로딩된 표면 개질된 탄소의 생성된 형태는 도 1에 스케치되어 있다. MnOx 입자가 다공성 기재 과립의 기공 내에 넓고 고르게 이의 외면 상에 또는 외면 쪽으로 분포됨을 도 1의 개략도에 의해 알 수 있다. 본원에 언급된 농도에서 탄소 기재 상의 이러한 MnOx 입자는 흡착 특성 이외에 촉매 특성을 갖는다. 이러한 MnOx 입자는 통상적인 HVAC 시스템 또는 실내 또는 건물 여과 장치에 탑재된 필터를 통과하여 흐르는 주변 공기로부터 포름알데하이드 및 기타 VOC를 제거하기 위해 필터에 탑재될 수 있다. 포름알데하이드의 촉매화는 해로운 화학물질을 훨씬 덜 해로운 CO2 및 H2O로 산화시킨다. 흡착 특징은 흡착에 의해 공기로부터 VOC를 제거한다. 이러한 조합은 극도로 작은 입자의 MnOx의 단위 질량 당 표면적으로 인해 발생한다. 예로서, MnOx 입자는 100-400 나노미터 크기 범위일 수 있다. 또한, 활성탄은 단위 질량 당 높은 표면적을 지니며, 800-1,300 m2/g의 범위일 수 있다. 바람직한 활성탄은 약 1,000 m2/g의 표면적을 갖는다.
생성된 탄소의 한 이점은 흡착 활성과 촉매 활성의 조합으로 인해 다른 생성물보다 더 많은 VOC를 더 빠른 역학으로 분해할 수 있다는 점이다. 또 다른 이점은 탄소가 거친 크기로부터 더욱 미세한 메쉬 크기의 임의의 크기의 입자로 존재할 수 있다는 점이다. 게다가, 탄소는 필터의 주어진 공간에서 이들 이점을 부여하기 위해 비직조 여과 매체에서 예컨대, 2개 층 사이에 고정될 수 있다.
촉매 산화에 의한 효율 증가를 지지하기 위해, 출원인은 다양한 탄소 및 제올라이트 샘플의 포름알데하이드 CADR을 비교하였다. 결과는 표 2에 나타내었다. 시험에서, 1m3 챔버를 VOC 발생기를 사용하여 ~1.2 ppm의 포름알데하이드로 충전시키고, 30분 동안 자연적으로 비워지게 하였다. 이러한 시간 동안 온도는 22℃로 유지시키고, 약 50%의 상대 습도를 유지시켰다. 일단 농도가 안정화되면, 챔버 내에서 공기 정화 장치를 키고, 챔버에서 포름알데하이드가 완전히 제거될 때 까지 시간 대 농도를 기록하였다. 결과는 본 발명에 따라 제조된 생성물이 시중에서 입수가능한 어느 한 유형의 단독의 탄소보다 더욱 신속하게 포름알데하이드를 제거하였음을 보여준다. 추가로, 표면 개질된 탄소 및 제올라이트는 비처리된(미가공) 탄소 및 제올라이트와 비교하여 챔버 정화에 있어서 현저하게 더 높은 효율(CADR)을 보여줌을 알 수 있다.
본 발명은 조합물의 특정 형태 및 특성을 발생시키기 위해 탄소 또는 다른 흡착 기재 기공에 분산된 나노 망간 옥사이드 입자(MnOx)의 존재에 의해 종래 기술과 상이하다. 이는 흡착 및 촉매 활성을 발생시켜 포름알데하이드 증기 및 기타 가스를 포함하는 가스 오염물질을 제거한다.
탄소에 함침되고, 다른 탄소 입자에 함침된 소정 비율의 이온성 알칼리 염(예컨대, KOH 및 KCl)과 블렌딩된 MnOx의 조합물은 촉매 산화를 위한 활성을 추가로 증가시킨다. 처리된 탄소와 결합제를 갖는 매체 및 이의 포뮬레이션의 구조적 일체성은 상당하다. 본 발명은 시너지를 발생시켜 더욱 더 높은 성능을 제공하기 위해 탄소 이외에, 소정 비율의 표면-개질된 흡착제, 예컨대, 티타니아, 분자체, 제올라이트 및 알루미나를 포함하는 것을 고려한다. 현존하는 벌집형 필터에서, 2개의 VOC-제거 메카니즘(촉매 탄소에 의한 촉매 및 벌집형 필터의 탄소에 의한 흡착)이 작동하도록 구조를 이러한 촉매 탄소로 코팅하는 것이 고려된다.
수성 상의 MnOx 입자를 제조하기 위한 방법은 망간 전구체, 예컨대, 포타슘 퍼망가네이트 또는 망간 아세테이트 또는 망간 설페이트로 시작될 수 있으며, 이러한 미세하게 현탁된 MnOx 입자로의 탄소 입자 함침을 발생시킨다. 출발 탄소 입자 크기는 4 mm 만큼 거친 크기 내지 10 마이크론 만큼 미세한 크기일 수 있으며, 높은 미세-다공성 및 조직 특성(textural property)을 가질 수 있다. 탄소 상에서 미세한 촉매 MnOx 입자의 균일한 분산으로 인해, 생성된 필터는 가스 오염물질의 더 높은 여과 효율로 더 긴 수명을 갖는다.
상기 기술된 화합물은 활성탄을 현장 제조된 나노 망간 옥사이드(nMnOx) 입자 현탁액으로 함침시키고, 이는 포름알데하이드와 같은 다양한 가스 분자를 분해하는 촉매 특성을 부여한다. 포름알데하이드는 "알데하이드" 화합물 부류에서 기본 화합물인 것으로 공지되어 있다. 또 다른 이러한 화합물은 유사한 특성을 가지며, 동등하거나 더욱 독성인 공기 오염물질인 것으로 간주되는 아세트알데하이드이다. 상기 동일한 nMnOx 함침된 탄소는 촉매 산화에 의해 아세트알데하이드뿐만 아니라 포름알데하이드를 제거할 수 있다. 생성물이 포름알데하이드 및 아세트알데하이드를 포함하는 알데하이드 군의 화합물과 같은 VOC의 촉매 산화로 확장된다는 것은 이러한 맥락 안에 있다.
전이 금속 및 금속 옥사이드, 특히, 망간 옥사이드로의 습식 함침에 의한 활성탄 및 다른 다공성 흡착제의 표면 개질이 본원에 기재되어 있다. 활성탄 과립은 임의의 메쉬 크기 및 임의의 형태일 수 있으나, 바람직하게는, 4-8 mm, 8-16 mm, 20-50 mm 및 50-200 mm U.S. 메쉬 크기의 범위이다. 제올라이트가 사용되는 경우, 바람직한 크기는 12-30 mm 메쉬 크기이다. 활성탄 펠렛은 2-3 mm 범위 크기로 사용될 수 있다. 이러한 MnOx 함침된 탄소는 촉매 산화를 위한 활성을 증가시키기 위해 KOH 및 KCl과 같은 이온성 알칼리 염으로 함침된 또 다른 탄소와 블렌딩될 수 있다.
더 높은 흡착에 의해 공기 스트림으로부터 가스 종을 제거하고 활성탄에 의해 촉매하는 것이 목적이다. 상기 더 높은 흡착 및 촉매 활성은 활성 금속/옥사이드로의 다양한 화학적 처리 및 함침에 의해 발생할 수 있다. 화학적 처리에 의해, 본 발명자들은 탄소 기저 평면 상에 다양한 작용기를 생성시켰으며, 이는 화학흡착 활성 부위로서 간주된다. 이러한 부위는 작용기와 가스 분자 사이에 결합을 형성시키기 위해 가스 분자에 의해 점령되고 점차적으로 포화된다. 즉, 화학-처리된 탄소(예를 들어, 포타슘 이온을 갖는 활성탄)는 가스 종을 제거하기 위한 화학흡착에 대해 제한된 용량을 갖는다. 그러나, 설명된 nMnOx 입자로의 함침 방법에 의해 제조된 촉매 탄소는 가스 분자를 분해할 수 있는 능력을 지니며, 잔존하는 활성 부위는 매 사이클 후에 재생된다.
가스를 제거하기 위해 화학흡착과 촉매 메카니즘을 조합시키는 것이 고려된다. 두 가지 접근법이 고려된다. 첫 번째 접근법은 두 탄소를 물리적으로 블렌딩시키는 것이다: 화학-처리된 탄소 및 nMnOx-함침된 촉매 탄소는 다양한 비율로 혼합되어 효과를 조합시킬 수 있다. 포름알데하이드 및 기타 가스 제거 효율이 화학흡착 탄소 및 촉매 탄소를 블렌딩시킴으로써 현저하게 증가된다는 것이 관찰된다. 다양한 블렌드의 포름알데하이드 파과 및 포화 능력을 결정하기 위한 실험의 결과를 보여주는 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 효과는 유의하게 증가된다. 가장 짧은 파과 시간은 촉매적 nMnOx 탄소 단독에 의한 것이며, 그 다음으로 짧은 시간은 화학적으로 처리된 탄소 단독에 의한 것이다. 이와 관련하여 가장 우수한 생성물을 암시하는 가장 긴 파과 시간은 nMnOx로 함침된 탄소와 포타슘 이온(예를 들어, KCl, KOH, KI)과 같은 이온성 알칼리 염으로 화학-처리된 탄소의 50/50 혼합물의 물리적 블렌드이다. 두 번째로 긴 시간은 nMnOx로 함침된 탄소 40%와 이온성 알칼리 염으로 화학-처리된 탄소 60%의 블렌드이다. 이와 같이, 오염물질의 가장 긴 파과 시간은 nMnOx로 함침된 활성탄 50%와 이온성 알칼리 염으로 화학-처리된 탄소 50%의 블렌드에서 발견된다.
두 번째 접근법은 먼저 촉매 망간 옥사이드로 함침시킨 후 화학 시약으로 처리함으로써 동일한 탄소 상에서 촉매 및 화학흡착의 이중 효과를 발생시키는 것이다. nMnOx 탄소를 제조하는 첫 번째 단계는 본원에 설명되어 있다. 두 번째 처리가 동일한 탄소 상에서 수행된다. 이를 위해, KI, KOH 등과 같은 화학 시약을 처리될 탄소의 10-25 부피%의 물 중에 용해시키고, nMnOx 탄소 상에 균일하게 스프레이한다.
본원에 기술된 탄소 필터와 조합되어 또는 개별적으로 사용될 경우, 또 다른 구체예는 VOC를 산화시키기 위한 공기 필터에서 추가적인 촉매 활성을 제공하기 위해 폴리머 섬유 구조를 본원 기술된 동일한 망간 옥사이드 입자 및 포타슘 이온으로 코팅함으로써 생성될 수 있다. (망간 전구체 예컨대, 포타슘 퍼망가네이트, 망간 아세테이트 또는 망간 설페이트로 출발하여) 수성 상에서 MnOx 입자를 제조하고, 이러한 미세하게 현탁된 MnOx 입자로 탄소를 함침시킬 수 있다. 다음 단계는 공기 스트림으로부터 분자 가스 오염물질/VOC를 제거하기 위한 더 높은 CADR 및 CCM을 달성하기 위해 폴리머 웹 상에 MnOx 입자를 코팅하는 것이다. 첫 번째 단계에서, 망간 전구체 화합물은 1 내지 30% w/v 범위로 물에 용해되며, 포타슘 이온 전구체는 섬유 상의 코팅을 위해 10 내지 30% w/v 범위로 용해된다. 두 번째 단계에서, 나노 망간 옥사이드 로딩은 1-5%이다.
함침된 탄소를 지닌 코팅 섬유로부터 생성된 생성물은 도 4에 개략적으로 도시되어 있으며, 여기에서 필터 매체 예컨대, 비직조 배트(100)는 가스 흐름 스트림(110)에 위치한다. 매체의 확대도는 비직조 배트(100)에서 다공성 흡착 입자(120)를 보여준다. 입자(120)는 MnOx로 함침되거나, 포타슘 이온으로 처리되거나, 둘 모두이거나, 함침된 일부와 처리된 일부의 조합물로 처리될 수 있다. 도 5 및 6에 도시된 대안적 구체예에서, 섬유 매체의 배트(200)에는 함침된 탄소 입자가 보유된 물질의 시트 또는 패널(210)이 안에 삽입되었다. 패널(210)은 직조 또는 비직조의 가스-투과성 물질의 2개 시트일 수 있다. 따라서, 배트(200)는 미립자를 여과하면서, 패널(210)에 보유된 함침된 탄소 입자는 VOC의 전환을 촉매하고, 이를 흡착시켜, 매체 배트(200)를 통과하여 흐르는 가스로부터 VOC를 제거한다. 또 다른 대안적 구체예는 도 7 및 8에 도시되어 있으며, 비직조 구조로 형성된 폴리머 섬유일 수 있는 매체 배트(300)는 배트(300)의 섬유에 부착된 다공성의 흡착제 입자를 갖는다. 흡착제 입자는 본원에 기재된 바에 따라 금속 옥사이드 나노 입자로 함침되며, 일부 흡착제 입자는 이온성 알칼리 염으로 처리될 수 있다.
폴리머 층 상의 이러한 촉매 MnOx 입자의 균일한 코팅으로 인해, 이러한 매체는 본원에 기술된 활성탄 필터와 조합되어 사용되는 경우, 가스 오염물질의 더 높은 여과 효율로 더 긴 수명을 갖는다. 따라서, 촉매 망간 옥사이드 및 포타슘 이온으로 코팅된 섬유의 폴리머 비직조 웹을 생성하는 것이 고려된다. 이러함 섬유의 웹은 공기 여과 매체에서 개별적으로 또는 탄소 필터와 조합되어 사용될 수 있다.
망간 옥사이드 코팅은 섬유 구조를 망간 화합물, 예컨대, 포타슘/소듐 퍼망가네이트의 콜로이드 용액으로 코팅하여 출발하는 다중 단계로 제조될 수 있다. 이들은 본원에 기술된 바와 같은 활성탄 과립을 코팅하는 MnOx 나노 입자의 형성에 사용된 전구체와 동일할 수 있다. 예컨대, 웹 구조에 MnOx 나노 입자의 현탁액을 적용함으로써, 나노 망간 옥사이드 입자는 생성된 웹 구조에 적용된다. 따라서, 금속 옥사이드 복합 용액은 망간 옥사이드(MnOx)로 제조되는데, 포타슘/소듐 퍼망가네이트 또는 망간 아세테이트 또는 망간 설페이트로서의 이들의 전구체와 화학 제제/환원제를 사용하여 제조되며, 수성 형태로 제조된 나노 망간 옥사이드 입자는 폴리머 섬유 또는 웹을 코팅한다.
망간 옥사이드는, 망간 전구체 화합물, 예컨대, 포타슘 퍼망가네이트, 망간 아세테이트 및 망간 설페이트를 용해시키고, 본원에 기술된 바와 같이, 수성 상의 암모늄 옥살레이트, 암모늄 하이드록사이드 및 아닐린을 포함하는 화학 제제와의 이들의 산화환원 반응에 의해 제조될 수 있다.
다양한 농도의 MnOx 입자를 갖는 다양한 농도의 폴리머 섬유 구조는 망간 전구체, 예컨대, 포타슘 퍼망가네이트, 망간 아세테이트 또는 망간 설페이트로 출발한다. 이러한 나노 망간 옥사이드 코팅된 섬유 웹은 통상적인 벌집형 필터에서 코팅되어 촉매 활성을 시너지화시킬 수 있다.
망간 옥사이드 전구체는 전구체가 물 또는 일부 다른 액체로 희석되는 경우 섬유에 적용될 수 있다. 망간 옥사이드 나노 입자는 상기 기술된 현탁액을 섬유에 적용함으로써 섬유에 적용될 수 있다. 섬유 상의 망간 옥사이드 전구체는 VOC를 촉매하는 일부 효과를 가질 수 있으며, 섬유 상의 망간 옥사이드 나노 입자는 또한 VOC를 촉매하는 일부 효과를 가질 수 있다. 생성된 생성물의 촉매 효과는 (망간 옥사이드 전구체 및 망간 옥사이드 나노 입자로) 이렇게 코팅된 섬유에 활성탄 필터를 부가함으로써 향상될 수 있으며, 상기 활성탄 필터는 미국 특허 번호 9,199,189 및/또는 미국 특허 출원 공개 번호 2016/0023186에 제시된 바와 같을 수 있으며, 상기 문헌 둘 모두는 본원에 참조로 통합된다.
도 9에는 통상적인 가열, 환기 및 냉각(HVAC) 시스템(400)에 위치한 본 발명의 구체예가 도시된다. HVAC 시스템(400)은 공기 조작 노(430)에 인접한 필터(420)를 지니며, 여기에서 송풍 팬(440)은 공기를 건물 실내로부터 끌어당겨 공기 리턴(air return)(410)을 통과시키고, 필터(420)를 통과시키고, 공기 조작 노(air handling furnace)(430)를 통과시키고 공급기(450) 밖의 건물 실내로 이동시킨다. 본원에 기술된 임의의 필터, 및 임의의 필터 매체 또는 매체 또는 필터로의 첨가제가 위치할 수 있으며, 여기에서 필터(420)는 도 9에 도시된 바와 같이 위치한다. 이에 의해 공기 또는 임의의 다른 가스는 필터(420)를 통과하여 흐르며, VOC, 예컨대, 포름알데하이드는 H2O 및 CO2로의 반응에서 촉매되며, 본원에 기술된 첨가제에 흡착된다.
도면과 연관된 이러한 상세한 설명은 원칙적으로 본 발명의 현재 바람직한 구체예의 설명으로서 의도된 것이며, 본 발명이 구성되고 이용될 수 있는 유일한 형태를 나타내고자 하는 것은 아니다. 설명은 예시된 구체예와 관련하여 본 발명을 구현하는 설계, 기능, 수단 및 방법을 제시한다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위 내에 포함되도록 또한 의도된 다른 구체예에 의해 동일하거나 동등한 기능 및 특징이 달성될 수 있으며, 본 발명 또는 하기 청구범위로부터 벗어나지 않고 다양한 변형이 채택될 수 있음이 이해되어야 한다.

Claims (22)

  1. 가스 흐름 중의 휘발성 유기 화합물과 반응시키기 위한 물질로서, 상기 물질은 적어도 다공성 흡착제의 외면 상에 형성된 기공에서 금속 옥사이드 입자로 함침된 다공성 흡착제를 포함하는 물질.
  2. 제1항에 있어서, 다공성 흡착제가 제올라이트를 추가로 포함하며, 금속 옥사이드 입자는 망간 옥사이드(MnOx)를 추가로 포함하는 물질.
  3. 제2항에 있어서, 망간 옥사이드 입자가 제올라이트의 0.5-2.0 중량%의 범위로 존재하는 물질.
  4. 제1항에 있어서, 다공성 흡착제가 활성탄을 추가로 포함하며, 금속 옥사이드 입자는 망간 옥사이드(MnOx)를 추가로 포함하는 물질.
  5. 제4항에 있어서, 망간 옥사이드 입자가 약 100 내지 약 400 나노미터의 크기 범위 내에 있는 물질.
  6. 제4항에 있어서, 활성탄이 그램 당 약 800 내지 약 1,300 제곱 미터의 단위 질량 당 표면적을 갖는 물질.
  7. 제4항에 있어서, 활성탄 크기가 약 10 마이크론과 약 4.0 밀리미터 사이의 범위 내에 있는 물질.
  8. 제4항에 있어서, 망간 옥사이드 입자가 탄소의 0.5-5.0 중량%의 범위로 존재하는 물질.
  9. 가스 흐름 중의 휘발성 유기 화합물과 반응시키기 위한 물질로서, 상기 물질이
    (a) 적어도 제1 다공성 흡착제의 외면 상에 형성된 기공에서 금속 옥사이드 입자로 함침된 제1 다공성 흡착제; 및
    (b) 적어도 제2 다공성 흡착제의 외면 상에 형성된 기공에서 이온성 알칼리 염으로 함침된 제2 다공성 흡착제를 포함하는 물질.
  10. 제9항에 있어서, 제1 다공성 흡착제가 제올라이트를 추가로 포함하며, 금속 옥사이드 입자는 망간 옥사이드(MnOx)를 추가로 포함하며, 제2 다공성 흡착제는 제올라이트를 추가로 포함하며, 이온성 알칼리 염은 포타슘 이온을 추가로 포함하는 물질.
  11. 제10항에 있어서, 제1 다공성 흡착제가 약 40-50 중량%를 구성하며, 제2 다공성 흡착제가 약 50-60 중량%를 구성하는 물질.
  12. 제9항에 있어서, 제1 다공성 흡착제가 활성탄을 추가로 포함하며, 금속 옥사이드 입자는 망간 옥사이드(MnOx)를 추가로 포함하며, 제2 다공성 흡착제는 활성탄을 추가로 포함하며, 이온성 알칼리 염은 포타슘 이온을 추가로 포함하는 물질.
  13. 제12항에 있어서, 제1 다공성 흡착제가 약 40-50 중량%를 구성하며, 제2 다공성 흡착제가 약 50-60 중량%를 구성하는 물질.
  14. 필터 매체가 놓인 가스 흐름으로부터 적어도 휘발성 유기 화합물을 제거하기 위한 필터 매체로서, 상기 필터 매체는 적어도 제1 다공성 흡착제의 외면 상에 형성된 기공에서 금속 옥사이드 입자로 함침된 제1 다공성 흡착제를 포함하는 필터 매체.
  15. 제14항에 있어서, 제1 다공성 흡착제가 제올라이트를 추가로 포함하며, 금속 옥사이드 입자는 망간 옥사이드(MnOx)를 추가로 포함하는 물질.
  16. 제14항에 있어서, 제1 다공성 흡착제가 활성탄을 추가로 포함하며, 금속 옥사이드 입자는 망간 옥사이드(MnOx)를 추가로 포함하는 물질.
  17. 제16항에 있어서, 제1 다공성 흡착제가 가스-투과성 패널에 장착된 필터 매체.
  18. 제17항에 있어서, 가스-투과성 패널이 섬유 웹에 인접한 필터 매체.
  19. 제16항에 있어서, 제1 다공성 흡착제가 섬유 웹에 장착된 필터 매체.
  20. 제19항에 있어서, 적어도 다공성 흡착제의 외면 상에 형성된 기공에서 이온성 알칼리 염으로 함침된 제2 다공성 흡착제를 추가로 포함하는 필터 매체.
  21. 제20항에 있어서, 이온성 알칼리 염이 포타슘 이온을 추가로 포함하는 필터 매체.
  22. 제21항에 있어서, 제1 다공성 흡착제가 약 40-50 중량%를 구성하며, 제2 다공성 흡착제가 약 50-60 중량%를 구성하는 필터 매체.
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