KR101333182B1 - 휘발성 유기 화합물 제거용 다공성 복합체 및 이를 채용한 오존 촉매 산화 반응기 - Google Patents
휘발성 유기 화합물 제거용 다공성 복합체 및 이를 채용한 오존 촉매 산화 반응기 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101333182B1 KR101333182B1 KR1020110123990A KR20110123990A KR101333182B1 KR 101333182 B1 KR101333182 B1 KR 101333182B1 KR 1020110123990 A KR1020110123990 A KR 1020110123990A KR 20110123990 A KR20110123990 A KR 20110123990A KR 101333182 B1 KR101333182 B1 KR 101333182B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- volatile organic
- reactor
- organic compounds
- ozone
- composite
- Prior art date
Links
- 239000012855 volatile organic compound Substances 0.000 title claims abstract description 56
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 title claims abstract description 29
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 27
- CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N Ozone Chemical compound [O-][O+]=O CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 title abstract description 33
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 title abstract description 27
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 claims abstract description 27
- IVMYJDGYRUAWML-UHFFFAOYSA-N cobalt(ii) oxide Chemical compound [Co]=O IVMYJDGYRUAWML-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 21
- 229910000428 cobalt oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims abstract description 20
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical group [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 65
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 9
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 69
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 27
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 25
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 25
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 22
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N palladium Substances [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Substances [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 7
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 4
- UBEWDCMIDFGDOO-UHFFFAOYSA-N cobalt(2+);cobalt(3+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Co+2].[Co+3].[Co+3] UBEWDCMIDFGDOO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 4
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N Ammonium chloride Substances [NH4+].[Cl-] NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005033 Fourier transform infrared spectroscopy Methods 0.000 description 2
- PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N Styrene Chemical compound C=CC1=CC=CC=C1 PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N ammonia Natural products N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 239000000383 hazardous chemical Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 238000000120 microwave digestion Methods 0.000 description 2
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- PAWQVTBBRAZDMG-UHFFFAOYSA-N 2-(3-bromo-2-fluorophenyl)acetic acid Chemical compound OC(=O)CC1=CC=CC(Br)=C1F PAWQVTBBRAZDMG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910020599 Co 3 O 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010020751 Hypersensitivity Diseases 0.000 description 1
- 229910021586 Nickel(II) chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000007815 allergy Effects 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- UFMZWBIQTDUYBN-UHFFFAOYSA-N cobalt dinitrate Chemical compound [Co+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O UFMZWBIQTDUYBN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001981 cobalt nitrate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 206010016256 fatigue Diseases 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 1
- 238000003905 indoor air pollution Methods 0.000 description 1
- 229910001510 metal chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011943 nanocatalyst Substances 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- QMMRZOWCJAIUJA-UHFFFAOYSA-L nickel dichloride Chemical compound Cl[Ni]Cl QMMRZOWCJAIUJA-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006385 ozonation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 1
- 208000023504 respiratory system disease Diseases 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
- B01J23/70—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
- B01J23/74—Iron group metals
- B01J23/75—Cobalt
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
- B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
- B01D53/46—Removing components of defined structure
- B01D53/72—Organic compounds not provided for in groups B01D53/48 - B01D53/70, e.g. hydrocarbons
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
- B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
- B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
- B01D53/86—Catalytic processes
- B01D53/8668—Removing organic compounds not provided for in B01D53/8603 - B01D53/8665
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
- B01J35/50—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their shape or configuration
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- Catalysts (AREA)
Abstract
본 발명은 휘발성 유기 화합물(VOC) 제거용 오존 촉매 산화 반응기 내에 상기 휘발성 유기 화합물이 통과하는 반응기 내부에 설치되는 다공성 복합체로서, 다공성 금속 물질; 및 상기 다공성 금속 물질 표면에 부착되어 지지되는 산화코발트 나노와이어 어레이;를 포함하는 휘발성 유기 화합물 제거용 다공성 복합체를 개시한다. 본 발명의 다공성 복합체를 오존 촉매 산화 반응기 내부에 설치함으로써 톨루엔 등의 휘발성 유기 화합물을 효과적으로 제거할 수 있다.
Description
본 발명은 휘발성 유기 화합물 제거용 다공성 복합체 및 이를 채용한 오존 촉매 산화 반응기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 결정성 산화코발트 나노와이어 어레이가 니켈 폼 상에 지지되어 촉매로서 작용하는 휘발성 유기 화합물 제거용 다공성 복합체, 이를 채용한 오존 촉매 산화 반응기, 및 휘발성 유기 화합물 제거용 오존 촉매 산화 반응기의 제조방법에 관한 것이다.
최근 실내의 공기오염으로 인한 관심이 높아졌다. 실내의 공기에 톨루엔을 비롯한 휘발성 유기 화합물(Volatile Organic Compounds; VOC)의 농도가 증가됨에 따라 알레르기, 피로, 호흡기 질환 등 다양한 질병의 원인이 되기도 한다. 따라서 건물 내부에서 실내공기를 얼마나 청결하고 쾌적하게 유지하는가가 건강관리에 중요한 요인이 되고 있다.
이러한 실내공기 중 유해물질 제거를 위하여 사용되는 것이 오존 촉매 산화 (ozone-catalytic oxidation; OCO) 공정이다. 오존 촉매 산화 공정은 고농도의 톨루엔을 상대적으로 적은 에너지를 이용하여 휘발성 유기 화합물을 70 내지 95% 정도까지 효율적으로 제거하는 장치로 알려져 있다. 이러한 오존 촉매 산화(OCO) 공정의 장치는 실온에서 적용될 수 있으나, 실온에서는 오존 촉매 산화공정에 의한 톨루엔의 산화가 매우 낮은 반응속도를 나타낸다. 따라서 실내 톨루엔 등의 유해물질을 빠르고도 효율적으로 제거하기 위한 오존 촉매 산화 장치의 필요성이 제기되었다.
이러한 오존 촉매 산화 장치 기술에서 핵심적인 관심은 실내에서 실온의 조건에서 유해물질과 반응할 수 있는 촉매물질의 개발이다. 지금까지 높은 활성을 갖는 안정한 형태의 나노 사이즈의 촉매(Pd, Pt)가 소수성 기재(substrate)(예를 들어, MCM-41, SBA-15) 상에 균일하게 분산된 장치들이 공지되어 있다. 그러나 이러한 장치들도 실온에서 근본적으로 휘발성 유기 화합물들을 효과적으로 제거하지 못한다는 문제점이 있었다. 따라서 획기적인 구조의 촉매 개발을 통하여 휘발성 유기 화합물을 효과적으로 제거할 수 있는 기술을 필요로 하고 있다.
도 1a는 종래기술에 따른 OCO 기술이 적용된 장치를 도시한다. 도 1a를 참조하면, 나노촉매는 바인더와 응집하여 낮은 다공성을 갖는 펠렛을 형성하게 되고, 이는 함께 뭉치게 된다. 이러한 내용은 기술문헌[J. Van Durme, J. Dewulf, W. Sysmans, C. Leys, H. Van Langenhove, "Efficient toluene abatement in indoor air by a plasma catalytic hybrid system," AppliedCatalysisB-Environmental, 74, pp. 161-169, 2007]에 기재되어 있다. 이러한 장치에서는 촉매는 바인더에 의해 덮혀 버리게 되고 활용을 감소시킨다.
그러나 VOC와 오존은 펠렛 기공으로 확산되어야 하고, 반응을 위한 활성 표면에 흡착되어야 하는 것이다. 그럼에도 펠렛의 다공도가 다소 작게 되면 물질이동 저항이 커지게 되고, 펠렛 기공 내부로의 반응물의 확산과 반응을 위한 활성 사이트의 흡착은 더욱 어려워지게 되고, 이러한 내용도 기술문헌[C.L. Chang, H.L. Bai, S.J. Lu, "Destruction of styrene in an air stream by packed dielectric barrier discharge reactors," PlasmaChemistryandPlasmaProcessing, 25, pp. 641-657, 2005]에 기재되어 있다. 따라서 반응기 설계를 최적화하여 물질이동을 원활하게 하고 촉매 활용을 개선하는 것이 OCO 기술에서 중요한 문제가 되었다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 휘발성 유기 화합물을 제거하기 위한 오존 촉매 산화 반응기 내부에서 톨루엔 등의 유해물질의 제거효율을 증가시킬 수 있는 촉매 물질을 얻는 것을 목적으로 한다.
또한 유해물질의 제거효율이 우수하고, 촉매 물질의 반응면적이 확대된 휘발성 유기 화합물 제거용 오존 촉매 산화 반응기를 얻는 것을 본 발명의 다른 목적으로 한다.
또한 유해물질의 제거효율이 우수한 촉매 물질을 적용한 휘발성 유기 화합물 제거용 오존 촉매 산화 반응기의 제조방법을 얻는 것을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.
또한 유해물질의 제거효율이 우수한 휘발성 유기 화합물 제거방법을 얻는 것을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
휘발성 유기 화합물(VOC) 제거용 오존 촉매 산화 반응기 내에 상기 휘발성 유기 화합물이 통과하는 반응기 내부에 설치되는 다공성 복합체로서,
다공성 금속 물질; 및
상기 다공성 금속 물질 표면에 부착되어 지지되는 산화코발트 나노와이어 어레이;를 포함하는 휘발성 유기 화합물 제거용 다공성 복합체를 제공한다.
상기 다공성 금속 물질은 니켈 폼(Ni form)인 것이 바람직하다.
상기 산화코발트 나노와이어의 직경은 250 ~ 400 nm인 것이 바람직하다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
상기 다공성 복합체를 반응기 내에 구비하는 휘발성 유기 화합물(VOC) 제거용 오존 촉매 산화 반응기(Ozone-Catalytic Oxidation)를 제공한다.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
금속 물질을 마이크로웨이브 처리하여 다공성 금속 물질을 형성하는 단계;
상기 다공성 금속 물질 표면에 산화코발트 나노와이어 어레이를 부착하여 다공성 복합체를 형성하는 단계; 및
상기 복합체를 반응기 내부에 설치하는 단계를 포함하는 휘발성 유기 화합물(VOC) 제거용 오존 촉매 산화 반응기의 제조방법을 제공한다.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
휘발성 유기 화합물(VOC) 제거용 다공성 복합체를 이용하여 VOC를 제거하는 방법을 제공한다.
본 발명의 다공성 복합체를 오존 촉매 산화 반응기 내부에 설치함으로써 통상적인 다공성 촉매보다 오염물질과 더 활발하게 반응할 수 있으며, 촉매가 바인더와 함께 뭉쳐 오염물질과 반응하지 못하게 되는 부피가 크게 감소하게 되고, 또한 보다 적은 부피의 오존 촉매 산화반응기를 제조할 수 있으며, 톨루엔 등의 휘발성 유기 화합물(VOC)을 효과적으로 제거할 수 있다.
도 1a는 종래기술에 따른 휘발성 유기 화합물(VOC) 제거용 반응기 내부를 도시하고, 도 1b는 본 발명에 따른 휘발성 유기 화합물 제거용 반응기의 내부를 도시하고 있다.
도 2a 내지 도 2d는 각각 니켈 폼(도 2a), 니켈 폼 상에 지지된 산화코발트 나노와이어 어레이(도 2b, 도 2c), 산화코발트 나노와이어의 TEM 사진 이미지를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 휘발성 유기 화합물(VOCs) 제거용 반응장치를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈 폼 기재로부터 측정된 나노와이어의 XRD 패턴을 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화코발트 나노와이어의 촉매 활성화도를 도시한 것이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 의한 산화코발트 나노와이어의 반응온도(도 6a는 40℃, 도 6b는 60℃)에 따른 촉매 활성화도를 도시한 것이다.
도 2a 내지 도 2d는 각각 니켈 폼(도 2a), 니켈 폼 상에 지지된 산화코발트 나노와이어 어레이(도 2b, 도 2c), 산화코발트 나노와이어의 TEM 사진 이미지를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 휘발성 유기 화합물(VOCs) 제거용 반응장치를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈 폼 기재로부터 측정된 나노와이어의 XRD 패턴을 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화코발트 나노와이어의 촉매 활성화도를 도시한 것이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 의한 산화코발트 나노와이어의 반응온도(도 6a는 40℃, 도 6b는 60℃)에 따른 촉매 활성화도를 도시한 것이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명은 휘발성 유기 화합물(VOC) 제거용 오존 촉매 산화 반응기 내에 상기 휘발성 유기 화합물이 통과하는 반응기 내부에 설치되는 다공성 복합체로서, 다공성 금속 물질; 및 상기 다공성 금속 물질 표면에 부착되어 지지되는 산화코발트 나노와이어 어레이;를 포함하는 휘발성 유기 화합물 제거용 다공성 복합체를 제공한다.
상기 다공성 금속 물질은 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 등 다양한 금속이 적용될 수 있으나, 니켈(Ni)이 바람직하고, 더욱 구체적으로는 니켈 폼(Ni form)인 것이 바람직하다.
도 1a는 종래기술에 따른 휘발성 유기 화합물 제거용 반응기 내부를 도시하고, 도 1b는 본 발명에 따른 휘발성 유기 화합물 제거용 반응기의 내부를 도시하고 있다. 도 1a를 참조하면, 반응기 내부는 기재(substrate) 상에 촉매(catalyst)가 지지되어 있으며, 이러한 복합체들 사이는 바인더 물질이 차지하고 있다. 반응기를 통과하는 유해물질들은 촉매 복합체와 바인더로 채워지지 않는 공간을 따라서 이동하고, 반응기 내에 빈 공간이 생겨 촉매물질로 인한 유해물질의 제거효율은 저하된다.
이와 비교하여 본 발명에 따른 도 1b를 참조하면, 다공성 금속 물질, 바람직하게는 니켈 폼이 다양한 형상으로 이루어지고, 니켈 폼 상부에 산화코발트 나노와이어 어레이가 부착된다. 이러한 형상은 반응기 내부에 별도의 바인더를 필요로 하지 않고도 조밀하게 적층이 가능하여 휘발성 유기 화합물을 포함한 유해물질이 반응기 통과 과정에서 촉매 복합체 물질을 더 많이 접촉하게 되고, 유해물질의 제거효율은 더 증가하게 된다.
상기 산화코발트 나노와이어의 직경은 250 ~ 400 nm인 것이 바람직하다. 본 발명의 산화코발트 나노와이어의 직경이 250 nm 미만인 경우에는 나노와이어를 합성할 수 없기 때문에 바람직하지 못하고, 400 nm를 초과하는 경우에는 표면적 대비 부피비율이 작아지기 때문에 질량 이동의 효율성이 바람직하지 못하다.
본 발명에 따르면, 1차원의 산화코발트 나노와이어는 균일한 나노구조를 나타냄으로써 계층적 조직의 조절이 용이하고, 효율적인 물질이동이 가능하고 표면적의 확대도 용이하다.
본 발명은 상기 다공성 복합체를 반응기 내에 구비하는 휘발성 유기 화합물(VOC) 제거용 오존 촉매 산화(Ozone-Catalytic Oxidation) 반응기를 제공한다. 본 발명에 따른 반응기는 촉매로서 상기 다공성 복합체를 사용한다는 점이 중요한 특징이고 일반적인 오존 촉매 산화(OCO) 반응기에도 적용이 가능하다. 그러므로 반응기 내부에서 촉매 복합체 부분을 제외한 구조는 일반적인 오존 촉매 산화 반응기와 동일 또는 유사하다.
본 발명에 따른 반응기는 통상의 반응기보다 활성 촉매의 면적이 더 넓고, 촉매의 활용도도 더 크다고 할 수 있으며, 대량의 처리에 따른 저항도도 더 감소된다. 또한 기재로서 니켈 폼(인치 당 기공 : 110-200)의 이용은 그 높은 수준의 다공도(예: 90% 이상)로 인하여 열과 질량의 수송을 개선하고, 반응기의 압력강하를 감소시킬 수 있다. 일반적인 VOC 촉매와 달리 본 발명의 VOC는 낮은 물질이동 저항을 가지므로 나노와이어의 반응위치에서 반응이 일어나게 되면 저항도는 낮아지게 된다.
반응기에 의한 처리에 있어 반응온도에 따라 반응속도가 상이해질 수 있다. 반응기 내부의 온도가 낮은 것보다는 높은 경우 유해물질이 촉매와 더 활발하게 반응하여 반응기 내에서 유해물질이 제거될, 다시 말해 전환될 가능성이 더 커진다. 따라서 반응기 내의 효율적 제거반응을 위해서는 반응온도를 높여주는 것이 바람직하다.
또한 본 발명은 금속 물질을 마이크로웨이브 처리하여 다공성 금속 물질을 형성하는 단계; 상기 다공성 금속 물질 표면에 산화코발트 나노와이어 어레이를 부착하여 다공성 복합체를 형성하는 단계; 및 상기 복합체를 반응기 내부에 설치하는 단계를 포함하는 휘발성 유기 화합물(VOC) 제거용 오존 촉매 산화 반응기의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 휘발성 유기 화합물(VOC) 제거용 오존 촉매 산화 반응기를 제조하기 위해서는 먼저 니켈 폼을 형성한다. 니켈 폼 상부에 산화코발트 나노와이어 어레이를 코팅하여 니켈 폼에 지지되도록 한다. 구체적인 공정은 다음과 같이 진행되었다.
기재로서 금속 시트를 준비한다. 기재는 산 용액에 침지하여 에칭하고 세척한다. 금속 시트를 염화금속 용액에 담그고 증류수로 세척하여 건조한다. 수용성 암모니아 용액에 질산코발트 및 질산암모늄을 용해시키고 실온에서 교반하면서 균일하게 혼합한다. 전처리된 니켈 폼이 포함된 혼합물을 초단파 융해장치(microwave digestion system)에 넣고 마이크로웨이브 처리한다. 처리된 니켈 폼은 증류수로 세척하고, 건조 및 하소하여 다공성 복합체 제조를 완성한다. 마지막으로 형성된 다공성 복합체를 반응기 내부에 설치하는 단계를 거친다. 반응기 내부에 통상의 방식으로 다공성 복합체를 설치함으로써 휘발성 유기 화합물(VOC) 제거용 오존 촉매 산화 반응기를 완성하게 된다.
다공성 복합체의 설명에서와 동일하게 다공성 금속 물질은 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 등 다양한 금속이 적용될 수 있으나, 니켈(Ni)이 바람직하고, 더욱 구체적으로는 니켈 폼(Ni form)인 것이 바람직하다. 다공성 금속 표면에 지지되는 산화코발트 나노와이어의 직경은 상기 산화코발트 나노와이어의 직경은 250 ~ 400nm인 것이 바람직하고, 구체적인 이유에 대하여는 위에서 설명하였으므로 생략한다.
이하 실시예를 들어 설명한다. 이는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 제시되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
실시예
복합체 촉매의 제조
마이크로웨이브를 이용한 템플레이트로 니켈 폼을 형성하였다. 니켈 폼 상부에 산화코발트 나노와이어 (직경은 250-400 nm) 어레이를 코팅하여 니켈 폼에 지지되도록 하였다. 구체적인 공정은 다음과 같이 진행되었다.
기재로서 110 PPI 및 320 g/m2인 1cm×1cm의 니켈 폼(Artenano Company limited, Hong Kong) 시트를 준비하였다. 상기 기재는 아세톤에 10분간 침지하고, 이어서 희석된 HCl(6.0 mol/L)으로 15분 동안 에칭하고 증류수에 세척하였다.
마지막으로 니켈 폼을 염화니켈에 4시간 동안 담그고 증류수로 세척하여 건조하였다. 수용성 암모니아 용액(12 wt%)에 Co(NO3)2 (1.164g) 및 NH4NO3 (0.16g)를 용해시키고 실온에서 강렬하게 교반하면서 균일하게 혼합하였다.
전처리된 니켈 폼을 포함한 생성된 혼합물은 초단파 융해장치(microwave digestion system)(MDS-6, Sineo Microwave Chemical Technology Co. Ltd.)에 넣고 90℃에서 마이크로웨이브 처리하였다. 처리된 니켈 폼은 증류수로 세척하였고, 밤새 실온에서 건조하였다. 마지막으로 니켈 폼은 300℃에서 2시간 동안 하소하여 나노코발트 니켈복합체 촉매를 완성하였다.
평가 및 결과
촉매특성 측정장치
쳄버 반응기를 이용하여 대기압 하에서 촉매특성을 측정하였다. 측정장치의 개략도를 도 3에 도시하였다. 타겟으로 하는 농도의 톨루엔 가스는 캐리어 가스로서 질소를 이용하는 VOC 발생기(VICI Metronics Dynacalibrator Model 150)로부터 제조되었고, 오존은 오존발생기(Medozons BM-02)에 의하여 산소로부터 합성되었다. 반응 가스 혼합물은 설정된 농도대로 계속 반응기를 통과하였다. 투입구와 출구의 가스 농도는 10cm 광학 거리(가스가 통과해야 하는 길이) 가스 셀(부피 100mL)을 구비한 퓨리에 변환 적외선 분광기(Fourier Transform Infrared Spectrometer(FTIR, Bruker Tensor 27))로 분석하였다.
반응 전, 반응기 내부를 비우고 실험을 실시하였고, 빈 반응기에서 가스상에서 톨루엔 산화와 오존의 분해는 진행되지 않음을 확인하였다. 톨루엔 및 오존의 전환(X i ) 은 다음의 식에 따라 계산되었다.
상기 식에서, Ci, in/out은 각각 반응기의 투입구/출구에서 톨루엔과 오존의 농도를 나타낸다.
XRD
분석
본 발명의 실시예에 따른 결정상과 구조를 XRD 피크에 의하여 측정하였다. XRD 패턴은 Siemens D500 회절기를 이용하여 측정하였고, 40kV 및 30mA에서 Cu Kα(λ=0.1542 nm) 조사(radiation)를 이용하여 0.02°스텝으로 측정하였다. 나노와이어 어레이의 모폴로지를 20kV에서 주사전자 현미경(scanning electron microscope)(SEM, JEOL JSM-5600)으로 관찰하였다. 그 결과를 도 4에 나타내었다.
니켈 폼의 기재 회절 피크가 나타나지만, 주요한 회절피크는 산화코발트(Co3O4) (111), (220), (222), (311), (400), (422), (511) 및 (440)에 대응되는 19.0°, 31.3°, 36.8°, 38.5°, 44.8°, 55.6°, 59.4°, 및 65.2°에서 나타나고 이는 전형적인 큐빅 Co3O4(JCPDS No. 80-1536)으로서의 시료와 동일하다. 또한 다른 코발트 산화물에 대응되는 피크가 명확하게 발견되지 않아 시료의 높은 순도를 확인할 수 있다.
촉매 활성화도
산화코발트(Co3O4) 나노와이어의 촉매 활성화도를 측정하였고, 톨루엔=395 ppm, 오존=1200 ppm, 유량=75 mL/min이고, 톨루엔=250 ppm, 오존= 1200 ppm, 유량=75 mL/min, 시료크기=2.5cm×2cm×2cm (0.1263g)로 측정하였다. 산화코발트(Co3O4) 나노와이어의 촉매 활성화도를 도 5에 도시하였다.
도 5를 참조하면, 톨루엔과 오존의 전환율은 최대치로 전환된 다음 이어서 정상 상태에 이르렀다. 예를 들면, 250 ppm의 톨루엔 농도에서 톨루엔 전환율은 약 30%로 향상되고, 오존 전환율은 약 15%로 저하되었다. 이로부터 본 발명에 따른 다공성 복합체를 촉매 물질로 사용하는 경우 톨루엔 전환율이 어느 정도 우수하게 나타남을 확인할 수 있다.
온도에 따른 영향
톨루엔 촉매 오존화에서 산화코발트(Co3O4) 나노와이어의 촉매 활성화도에서의 반응온도의 효과를 측정하였다. 도 6a 및 도 6b는 각각 40℃와 60℃ 온도를 선택하여 측정하였다. 도 6a는 톨루엔=201ppm, 오존=1345 ppm, 온도=40℃, 유량=60 mL/min, 시료크기=1cm×1cm (0.09566g)이고; 도 6b는 톨루엔=201ppm, 오존=1345 ppm, 온도= 60℃, 유량=60 mL/min, 시료크기=1cm×1cm (0.09566g)이었다.
40℃ 온도에서 톨루엔 전환율은 40분 후에 단지 약 20%이었고, 오존 전환율은 10% 미만이었다. 그러나 톨루엔 전환율은 60℃ 까지 반응온도를 증가함에 따라 50%까지 증가하였다. 또한 반응속도는 온도를 40℃에서 60℃로 증가시키는 것에 의하여 3.5 × 10-4 mol/min·g 내지 6.5 × 10-4 mol/min·g로 변화되었다. 이러한 결과로부터 온도의 증가에 따라 휘발성 유기 화합물의 제거효율은 매우 증가함을 확인할 수 있다. 도 5, 도 6a, 도 6b에서 ■ : 톨루엔, ● : 오존, ▲ : 반응률(reaction rate)을 나타낸다.
본 명세서에서는 본 발명을 한정된 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능하다. 또한 설명되지는 않았으나, 균등한 수단도 또한 본 발명에 그대로 결합되는 것이라 할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
Claims (8)
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 금속 물질을 마이크로웨이브 처리하여 다공성 금속 물질을 형성하는 단계;
상기 다공성 금속 물질 표면에 산화코발트 나노와이어 어레이를 부착하여 다공성 복합체를 형성하는 단계; 및
상기 복합체를 반응기 내부에 설치하는 단계;를 포함하여 제조되고,
상기 다공성 금속 물질은 니켈 폼(Ni form)이고,
상기 산화코발트 나노와이어의 직경은 250 ~ 400nm인 것을 특징으로 하는,
다공성 복합체를 채용한 휘발성 유기 화합물(VOC) 제거용 오존 촉매 산화 반응기의 제조방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110123990A KR101333182B1 (ko) | 2011-11-25 | 2011-11-25 | 휘발성 유기 화합물 제거용 다공성 복합체 및 이를 채용한 오존 촉매 산화 반응기 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110123990A KR101333182B1 (ko) | 2011-11-25 | 2011-11-25 | 휘발성 유기 화합물 제거용 다공성 복합체 및 이를 채용한 오존 촉매 산화 반응기 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20130058138A KR20130058138A (ko) | 2013-06-04 |
| KR101333182B1 true KR101333182B1 (ko) | 2013-11-27 |
Family
ID=48857454
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020110123990A KR101333182B1 (ko) | 2011-11-25 | 2011-11-25 | 휘발성 유기 화합물 제거용 다공성 복합체 및 이를 채용한 오존 촉매 산화 반응기 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101333182B1 (ko) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101658624B1 (ko) * | 2014-11-17 | 2016-09-22 | 주식회사 알란텀 | 가열 조리 기구용 촉매 금속 폼 구조체 및 이를 포함하는 가열 조리 기구 |
| CN105688927B (zh) * | 2014-11-27 | 2018-04-20 | 中国海洋石油集团有限公司 | 一种臭氧催化氧化催化剂及其应用 |
| CN105688928B (zh) * | 2014-11-27 | 2018-05-15 | 中国海洋石油集团有限公司 | 一种臭氧催化氧化催化剂及其制备方法和应用 |
| CN111068619B (zh) * | 2019-12-31 | 2022-08-26 | 近通物联网(苏州)有限公司 | 用于吸附挥发性有机化合物的复合材料及其制备方法 |
| CN112978986A (zh) * | 2021-02-07 | 2021-06-18 | 金风环保有限公司 | 污水处理单元和污水处理系统 |
| CN113070066A (zh) * | 2021-03-16 | 2021-07-06 | 西安交通大学 | 一种钴铜双金属氧化物负载在泡沫镍的催化材料及制备方法与应用 |
| CN116713006B (zh) * | 2023-06-05 | 2024-07-05 | 郑州大学 | 一种Pt/MnCo2O4/泡沫镍复合材料的制备方法及应用 |
| CN118698558B (zh) * | 2024-08-28 | 2024-11-22 | 中山大学 | 一种NF@Ni(OH)2@MnOx整体式催化剂及其制备方法和应用 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100982641B1 (ko) | 2008-12-09 | 2010-09-16 | 한국화학연구원 | 결정성 다공성 유무기혼성체를 함유하는 흡착제 |
-
2011
- 2011-11-25 KR KR1020110123990A patent/KR101333182B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100982641B1 (ko) | 2008-12-09 | 2010-09-16 | 한국화학연구원 | 결정성 다공성 유무기혼성체를 함유하는 흡착제 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| GAO, Y. 외 4명, Journal of Power Sources 195권 1757-1760쪽 * |
| GAO, Y. 외 4명, Journal of Power Sources 195권 1757-1760쪽* |
| GUO, Y. 외 3명, Catalysis Today 126권 328-337쪽 * |
| GUO, Y. 외 3명, Catalysis Today 126권 328-337쪽* |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20130058138A (ko) | 2013-06-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101333182B1 (ko) | 휘발성 유기 화합물 제거용 다공성 복합체 및 이를 채용한 오존 촉매 산화 반응기 | |
| Rong et al. | Engineering crystal facet of α-MnO2 nanowire for highly efficient catalytic oxidation of carcinogenic airborne formaldehyde | |
| Yang et al. | Defective polymeric carbon nitride: Fabrications, photocatalytic applications and perspectives | |
| Wang et al. | Trifunctional C@ MnO catalyst for enhanced stable simultaneously catalytic removal of formaldehyde and ozone | |
| Tan et al. | Support morphology-dependent catalytic activity of Pd/CeO2 for formaldehyde oxidation | |
| Yang et al. | Surface in situ doping modification over Mn2O3 for toluene and propene catalytic oxidation: the effect of isolated Cuδ+ insertion into the mezzanine of surface MnO2 cladding | |
| Putla et al. | MnO x nanoparticle-dispersed CeO2 nanocubes: a remarkable heteronanostructured system with unusual structural characteristics and superior catalytic performance | |
| Huang et al. | Enhanced degradation of gaseous benzene under vacuum ultraviolet (VUV) irradiation over TiO2 modified by transition metals | |
| Wang et al. | Enhanced low-temperature activity of toluene oxidation over the rod-like MnO2/LaMnO3 perovskites with alkaline hydrothermal and acid-etching treatment | |
| Nie et al. | Efficient visible-light photocatalytic oxidation of gaseous NO with graphitic carbon nitride (g–C3N4) activated by the alkaline hydrothermal treatment and mechanism analysis | |
| Chen et al. | Salt-assisted synthesis of hollow Bi2WO6 microspheres with superior photocatalytic activity for NO removal | |
| Liu et al. | Insight into the mechanism of photocatalytic degradation of gaseous o-dichlorobenzene over flower-type V 2 O 5 hollow spheres | |
| Luo et al. | Catalytic combustion of toluene over cobalt oxides supported on graphitic carbon nitride (CoOx/g-C3N4) catalyst | |
| Kwon et al. | Gas-phase nitrogen doping of monolithic TiO2 nanoparticle-based aerogels for efficient visible light-driven photocatalytic H2 production | |
| Chin et al. | Preparation of TiO2 ultrafine nanopowder with large surface area and its photocatalytic activity for gaseous nitrogen oxides | |
| Chen et al. | Design strategies for SCR catalysts with improved N 2 selectivity: the significance of nano-confining effects by titanate nanotubes | |
| Liu et al. | CuO/gC 3 N 4 nanocomposite for elemental mercury capture at low temperature | |
| Han et al. | Preparation of highly active, low Au-loaded, Au/CeO2 nanoparticle catalysts that promote CO oxidation at ambient temperatures | |
| Wang et al. | Highly active catalysis of methanol oxidative carbonylation over nano Cu2O supported on micropore-rich mesoporous carbon | |
| CN108906043A (zh) | 一种降解甲醛的合金催化剂及其制备方法和应用 | |
| Yusuf et al. | Opposite effects of Co and Cu dopants on the catalytic activities of birnessite MnO2 catalyst for low-temperature formaldehyde oxidation | |
| Li et al. | Combination of porous covalent triazine frameworks with spinel for highly improved photothermal catalytic oxidation of toluene | |
| Chen et al. | Defect engineering and synergistic effect in Co3O4 catalysts for efficient removal of formaldehyde at room temperature | |
| Zhang et al. | Catalytic oxidation of vinyl chloride over Co–Ce composite oxides derived from ZIF-67 template: Effect of cerium incorporation | |
| Mahmood et al. | Atomically dispersed Pt on TiO2 nanosheets for catalytic gaseous acetaldehyde abatement |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20111125 |
|
| PA0201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20130527 Patent event code: PE09021S01D |
|
| PG1501 | Laying open of application | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| PE0701 | Decision of registration |
Patent event code: PE07011S01D Comment text: Decision to Grant Registration Patent event date: 20131030 |
|
| GRNT | Written decision to grant | ||
| PR0701 | Registration of establishment |
Comment text: Registration of Establishment Patent event date: 20131120 Patent event code: PR07011E01D |
|
| PR1002 | Payment of registration fee |
Payment date: 20131121 End annual number: 3 Start annual number: 1 |
|
| PG1601 | Publication of registration | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20161121 Year of fee payment: 4 |
|
| PR1001 | Payment of annual fee |
Payment date: 20161121 Start annual number: 4 End annual number: 4 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20171108 Year of fee payment: 5 |
|
| PR1001 | Payment of annual fee |
Payment date: 20171108 Start annual number: 5 End annual number: 5 |
|
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee | ||
| PC1903 | Unpaid annual fee |
Termination category: Default of registration fee Termination date: 20190901 |