KR970008071B1 - 활성 복합물 - Google Patents

Abstract

요약 없음

Description

활성 복합물

본 발명은 기체 또는 액체에 대한 반응성을 가진 활성 복합물에 관한 것으로, 보다 상세하게로는 화학적 열펌프와 충전물상의 기체 흡착에 사용될 수 있는 높은 열전달율과 이방성, 그리고 기공율을 가진 활성 복합체에 관한 것이다.

고체와 기체 또는 액체와 기체간의 반응에서 나타나는 열효과를 이용하는 화학적 열펌프 분야와, 기체의 흡착 분야 등에 있어서 팽창된 흑연(graphite)또는 제올라이트 등과 같이 높은 기공율을 가진 고체를 지지체로 하고, 열매체로 사용되는 기체 또는 액체와 반응성이 있는 염을 적용시킨 복합물이 오래전부터 사용되어져 왔다.

화학적 열펌프는 화학반응의 가역성과 그에 수반되는 반응열을 이용하는 것으로, 그 열화학적 메카니즘은 다음과 같다. 즉, A와 B라는 물질이 T₁의 온도에서 Q_in만큼의 열을 흡수하여 C와 D라는 물질로 반응하는 경우는 아래와 같은 반응식을 가지게 된다.

aA+bB+Q_in↔cC+dD

이 반응의 역반응은 Q_in과 같은 량의 열 Q_out를 다른 온도인 T₂에서 방출하면서 A와 B로 되돌아 가는데, 만약 온도 T₂가 T₁보다 높다고 한다면 저온에서 열이 흡수되어 고온에서 방출되므로 열펌프의 기능을 할 수 있게 된다. 이때 가역반응을 위하여는 반응계가 평형조건에서 벗어나도록 농도, 온도 및 압력을 조절하여 주어야 한다. 이러한 열펌프를 이용하게 되면 폐열을 회수하여 산업상 이용가능한 열로 바꿀 수 있게 된다.

이에 관한 종래의 기술로 일본 특허출원 평3-508203호에서는 상기 팽창성 흑연을 밀도 0.02 내지 1.5가 되도록 일정한 방향으로 압축하여 이방성을 부여함과 동시에 블록 형태로 만든 다음 화학적 열펌프로 사용되는 활성 복합물의 지지체로 사용하는 방법이 개시되어 있다.

이 기술은 팽창성 흑연의 높은 기공성으로 인하여 열매체인 기체의 확산이 용이하고, 좋은 열전도체인 흑연에 높은 이방성을 부여함으로써 원하는 방향으로 반응에서 발생된 열을 전달할 수 있으며, 블록 형태이므로 종래의 과립상에 비하여 비교적 취급이 용이한 이점이 있다.

그러나 상기 기술은 이러한 이점에도 불구하고 제조방법이 까다로울 뿐만 아니라, 반응매질의 허용밀도가 제한되고, 얻어진 지지체의 경도가 낮아서 취급상의 어려움이 있으며, 특히 내구성이 부족하여 열펌프로 장기간 사용될 경우에 기체의 흡/탈착에 수반되는 흡/발열 반응으로 인해 열매체인 기체 또는 액체와 함께 팽창성 흑연의 분말이 압축물로부터 떨어져 나가게 되는 문제점이 있다. 흑연 분말이 압축물로부터 떨어지게 되면 복합물의 수명이 단축되며, 또한 분리된 분말을 걸르기 위한 별도의 여과장치가 필요하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 열전달율이 높고 열전달의 이방성이 좋을 뿐만 아니라, 내구성이 향상되고 취급이 용이하며 제조방법이 간단한 화학적 열펌프 또는 충전물상의 기체흡착에 사용될 수 있는 활성 복합물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 상기 목적을 달성하기 위하여 연구한 결과, 탄소섬유를 단독 또는 팽창성 흑연이나 활성탄소(Activated carbon), 발포탄소(Carbon foam), 제올라이트등과 혼합하여 활성 복합물의 지지체로 사용하고, 열매체로 사용되는 기체 또는 액체와 반응성이 있는 활성제제를 상기 지지체에 적용시키게 되면 목적에 부합되는 활성 복합물이 얻어짐을 밝혀내게 되었다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 사용될 수 있는 탄소섬유는 통상적인 것은 어느 것이나 사용될 수 있으나 직경 5-15μm의 범위의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 그 적절한 사용량은 전체 지지체의 1-90중량이다.

탄소섬유를 단독 사용하거나 탄소섬유의 사용비율이 높을 경우에는 가압에 의하여 블록화가 잘 일어나도록 압력을 조절하고, 필요에 따라 바인더로 페놀수지, 에폭시 수지 등과 같은 열경화성 수지를 3중량% 이내 첨가할 수도 있다. 또한 탄소섬유를 사용할 경우에는 열전도도 및 이방성 향상을 위하여 탄소섬유를 일정방향으로 배향시켜 사용하는 것이 바람직하다. 배향 방향은 사용 목적에 따라 축방향, 가로방향, 방사형 등을 선택할 수도 있고, 활성 복합물의 형태를 살려 원기둥형, 판형, 구형 등을 선택할 수도 있다.

본 발명에 사용될 수 있는 팽창성 흑연은 비중이 낮은 것일 수록 좋으나, 지나치게 낮은 것은 취급이 불편하므로 0.05 내지 2.0정도의 것이 바람직하다. 활성탄소, 발포탄소 등도 비중이 낮은 것을 사용하는 것이 좋고, 제올라이트를 탄소섬유에 첨가하는경우는 기공율이 10-60%, 더욱 좋게로는 30-40%인 것이 바람직하다. 이들의 적절한 사용량은 전체 지지체의 5-99중량%이다.

본 발명의 활성 복합체의 기체 흡착 효율을 보다 향상시키기 위하여는 금속촉매를 첨가할 수도 있으며, 사용될 수 있는 금속촉매의 예로는 백금족 원소와 같은 전이금속 및 그 산화물을 들 수 있다. 그 적절한 사용량은 전체 지지체의 0.01-5중량%이다.

상기와 같은 성분을 잘 혼합하여 실린더 또는 여러형태의 금형에 넣은 다음 가압하여 활성 복합물 지지체를 제조한다. 이때 가하는 적절한 압력은 0.1-30MPa이다. 상기 범위 이상의 경우에는 지지체내에서 기체, 액체 전달물질의 함량이 저하될 우려가 있으며, 상기 범위 이내의 경우에는 블록화가 잘 이루어지지 않을 뿐만 아니라, 열전달율의 이방성이 부족하게 된다.

상기와 같이 제조된 지지체에 흡/발열 반응의 활성제제를 함침시켜서 활성 복합체를 제조한다. 활성제제의 예로는 Li, Mg, Ba, Ca, Mn, Ni, Cu, NH₄등의 할로겐화물 등을 들 수 있으며, 함침방법은 물, 알콜, 아세톤, 에테르 또는 액체 NH₃등과 같은 용매에 용해시키거나 현탁시켜서 활성지지체에 수초 내지 수분간 적용시켜 활성제제를 ㅈ지체에 균일하게 분포시킨다.

함침 후에는 사용된 용매를 제거하여야 하며, 제거방법은 건조 오븐에서 수시간 가열시키는 방법을 취한다.

본 발명의 실시예는 다음과 같다.

제조실시예 1-3)

*활성 복합체 지지체의 제조

다음과 같은 방법으로 팽창성 흑연 단독, 팽창성 흡연과 탄소섬유의 혼합물로 구성된 활성 복합체의 지지체를 제조하였다.

제조실시예 1)

초기밀도 0.005를 가지는 팽창성 흑연을 부착성을 갖도록 실린더에 넣고 밀도 0.1이 되도록 압축하여 지지체를 제조하였다.

제조실시예 2~3)

실시예 1과 동일한 방법으로 탄소섬유를 각각 50%, 80%씩 혼합하여 지지체를 제조하였다.

얻어진 지지체의 물성 평가 결과는 아래 표 1과 같다.

[표 1]

상기와 같이 제조된 지지체의 밀도는 0.1-2.8g/m³이고, 사용된 탄소섬유의 직경은 5-15μm이며, 압축강도는 6.5-60MPa이다. 지지체를 원하는 방향으로 배향시켰을 경우에는 열전도도가 20-150W/m^-1K^-1정도로서 종래의 팽창성 흑연 단독만을 사용한 지지체에 비하여 높은 값을 가지게 된다.

실시예 1-2 및 비교예 1)

본 실시예들은 지지체에 활성제제인 NiCl₂를 함성시킨 활성 복합물의 공극율과 반응기체를 적용시킬 경우의 열력(Thermal power)을 알기 위한 것이다. 탄소섬유(30중량%)에 NiCl₂(70중량%), 탄소섬유와 활성탄소 복합물(30중량%)에 NiCl₂(70중량%)을 적용시킨 활성 복합물의 공극율과 열력을 측정하였으며, 비교예로 팽창흑연(30중량%)에 NiCl₂(70중량%)를 적용시킨 것을 측정하였다.

그 측정 결과는 아래의 표 2와 같다.

[표 2]

본 실시예에 의하여 알 수 있는 바와 같이 팽창성 흑연 대신에 탄소섬유 또는 탄소섬유 복합물을 사용하게 되면 공극율은 다소 떨어지게 되나 열력은 현격하게 향상된다. 반응기체가 공극사이로 확산되어 흡착 또는 결합반응을 하므로 공극율이 클수록 좋은 지지체이지만 열전달의 경우는 공극을 통하여 이루어지는 것이 아니고 지지체를 직접 통하여 전달되는 것으로, 일정 수준 이상의 공극율을 유지하면 배향된 지지체의 경우가 외부로 전달되는 열력은 커지게 되는 것이다.

실시예 3-4 및 비교예 2-3)

팽창성 흑연, 탄소섬유 또는 그 복합물로 이루어진 지지체(200g)의 내구성을 비교하였다. 비교방법은 상기 지지체에 활성제제를 함침시키고 건조 후, 10시간 동안 반응기체를 가한 다음 지지체 외부에 장착된 필터(325mesh seive)에 포집된 분리된 지지체의 량으로 판단하였다. 즉, 포집된 지지체의 량이 많을수록 내구성은 부족한 것이다. 그 시험 결과는 아래의 표 3)과 같다.

[표 3]

상기 실시예를 통하여 알 수 있는 바와 같이 팽창성 흑연에 탄소섬유를 첨가한 경우에 기공율의 저하는 별로 없으나, 내구성은 크게 향상된다.

Claims (2)

1. 직경 5-15μm의 탄소섬유를 함유한 지지체와, 기체에 대하여 반응성을 가지는 활성제제의 혼합물을 금형에 놓고 1-30MPa의 압력으로 가압하여 블록화한 것을 특징으로 하는 활성 복합물.
2. 제 1 항에 있어서, 활성제제로 Li, Ba, Ca, Mn, Ni, Cu, NH₄, Sr, Ti, Fe, Ru중에서 선택된 1종의 할로겐화합물 또는 수산화물을 사용하는 것을 특징으로 하는 활성 복합물.