KR102518897B1 - 공기 정화용 활성탄 성형체 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가정용이나 사무용 공기청정기 등에 적용되어 공기 중의 유해가스 및 악취 등을 정화(제거)할 수 있는 공기 정화용 활성탄 성형체 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 활성탄; 공기 정화제; 및 바인더를 포함하는 공기 정화용 활성탄 성형체를 제공한다. 또한, 본 발명은 활성탄을 준비하는 제1단계; 활성탄, 성형제, 공기 정화제, 바인더 및 분산 용매를 포함하는 슬러리를 얻는 제2단계; 상기 슬러리를 압출하여 예비 성형체를 성형하는 제3단계; 및 상기 예비 성형체를 성형체로 사이징(sizing)하는 제4단계를 포함하는 공기 정화용 활성탄 성형체의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 실시예에 따라서, 상기 활성탄은 비표면적과 기공 구조가 서로 다른 복합 활성탄으로서, 마이크로 부피 분율이 65% 이상인 제1활성탄과, 메조 부피 분율이 55% 이상인 제2활성탄을 포함한다. 본 발명에 따르면, 적어도 5대 유해가스 및 악취 등에 대한 높은 제거효율을 갖는다. 또한, 본 발명에 따르면, 탄화 및 활성화 공정 없이 원재료를 활성탄으로 사용하고 첨착 공정 없이 단일 공정으로 생산이 가능하여, 설비비용 및 제조비용이 절감되어 높은 경제성을 갖는다.
Description
본 발명은 가정용이나 사무용 공기청정기 등에 적용되어 공기 중의 유해가스 및 악취 등을 정화(제거)할 수 있는 공기 정화용 활성탄 성형체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
대기 오염은 산업의 고도화와 생활수준의 향상 등으로 점점 증가하고 있으며, 공장 등의 산업 현장뿐만 아니라 자연 대기 환경과 일반 가정의 실내 환경도 악화시키고 있다. 이에 따라, 공장 등의 각종 산업 현장에는 물론이고 일반 가정이나 사무실 등에도 공기청정기를 설치하여 공기 중의 유해가스, 분진(미세먼지 등) 및 악취 등을 정화하고 있다.
일반적으로, 공기청정기는 공기 유입구 및 공기 배출구를 가지며, 공기 유입구나 공기 배출구 영역에는 공기 정화용 필터가 장착되고 있다. 상기 공기 정화용 필터는 주로 공기 중의 큰 입자의 분진을 제거하는 부직포 필터; 유해가스 및 악취 등을 제거하는 활성탄 필터; 각종 유해 세균을 제거하는 항균 필터; 및 미세먼지를 제거하는 헤파(HEPA) 필터 등이 사용되고 있다. 대부분의 공기청정기에는 상기 필터들 중에서 적어도 2개 이상을 선택하여 장착되고 있다. 예를 들어, 한국 공개특허 제10-2019-0056369호 및 한국 등록특허 제10-2231447호 등에는 위와 같은 공기 정화용 필터들을 다단으로 적용한 공기청정기가 제안되어 있다.
최근, 대기질 악화로 공기 중의 유해가스가 증가하고 있다. 유해가스는 아세트산(Acetic acid), 아세트알데히드(Acetaldehyde), 암모니아(Ammonia), 톨루엔(Toluene) 및 포름알데히드(Formaldehyde) 등과 같은 휘발성 유기화합물(VOCs)이 대표적이며, 이들은 통상 5대 유해가스로 지칭되고 있다. 이러한 5대 유해가스는, 악취는 물론 발암이나 오존 생성 등의 원인이 되어 건강을 위협하는 것으로 알려져 있다. 이에, 상기 나열한 공기 정화용 필터 중에서도 유해가스의 흡착, 제거에 유리한 활성탄 필터에 대한 관심이 높아지고 있다.
종래, 활성탄 필터를 제조함에 있어서는, 대부분의 경우 탄화 및 활성화가 진행되지 않은 활성탄 원료(주로, 식물계나 석유계)를 이용하여 압출을 통해 펠렛(pellet)을 성형한 다음, 상기 펠렛을 탄화 및 활성화시켜 비표면적과 기공 구조를 확보하고, 그 후 금속 촉매나 공기 정화제(유해가스 흡착제) 등을 첨착(침지나 분사 등의 코팅)하는 공정으로 제조하고 있다.
그러나 종래 기술에 따른 활성탄 필터는, 적어도 공기 정화 성능이 낮은 문제점이 있다. 일반적으로, 활성탄 필터는 활성탄에 존재하는 비표면적과 기공 구조(기공 크기, 기공도 및 기공 분율 등)에 따라 공기 정화 성능이 달라지는데, 종래의 활성탄 필터는 탄화 및 활성화를 진행하기 전에 펠렛을 미리 성형하고, 이후 펠렛 성형체를 탄화 및 활성화시키는 과정으로 제조되어, 공기 정화 성능(특히, 유해가스 흡착능)에 유리한 비표면적과 기공 구조가 확보(제어)되지 않아 양호한 공기 정화 성능을 갖기 어렵다.
또한, 종래 기술에 따른 활성탄 필터의 제조는, 위와 같이 펠렛 성형 공정, 펠렛의 탄화 공정 및 탄화된 펠렛의 활성화 공정을 진행하고, 이후 활성화된 펠렛의 표면에 금속 촉매나 공기 정화제를 첨착(코팅)하는 첨착 공정 등을 포함하고 있어, 적어도 공정이 복잡하여 제조비용이 높다. 구체적으로, 종래 기술에 따른 활성탄 필터의 제조는 복잡한 공정으로 인해 관련 설비의 구축비용 및 인건비 등이 많이 소요되고, 각 공정 후에 발생되는 폐기물 처리 등의 후처리 비용이나 추가 관리 비용이 증가되는 문제점이 있다. 아울러, 펠렛을 탄화 및 활성화시키는 공정에서는 일반적으로 수백도 이상의 높은 온도가 가해지는데, 이러한 높은 온도로 인한 재료의 제한과 펠렛의 손실이 발생되는 문제점이 있다.
이에, 본 발명은, 적어도 공기 정화 성능이 개선되고 제조비용을 절감할 수 있는 공기 정화용 활성탄 성형체 및 그 제조방법, 그리고 상기 공기 정화용 활성탄 성형체를 포함하는 공기청정기를 제공하는 데에 목적이 있다.
구체적으로, 본 발명은 하나의 실시예에 따라서 서로 다른 비표면적과 기공 구조를 가지는 복합 활성탄, 및/또는 특정의 공기 정화제를 사용함으로써, 적어도 유해가스 및 악취 등에 대한 높은 제거효율을 가지는 공기 정화용 활성탄 성형체 및 그 제조방법, 그리고 상기 공기 정화용 활성탄 성형체를 포함하는 공기청정기를 제공하는 데에 목적이 있다.
또한, 본 발명은 활성탄을 원재료(출발원료)로 사용하고, 공기 정화제를 성형체의 성형 전에 활성탄과 혼합하여 균일하게 분산되게 함으로써, 종래의 탄화, 활성화 및 첨착(코팅) 공정 없이 펠렛을 단일 공정으로 제조하여, 제조비용을 절감하면서 유해가스 및 악취 등에 대한 높은 제거효율을 가지는 공기 정화용 활성탄 성형체 및 그 제조방법, 그리고 상기 공기 정화용 활성탄 성형체를 포함하는 공기청정기를 제공하는 데에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
공기 정화를 위해 사용되는 공기 정화용 활성탄 성형체로서,
활성탄;
공기 정화제; 및
바인더를 포함하는 공기 정화용 활성탄 성형체를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따라서, 상기 공기 정화용 활성탄 성형체는 활성탄, 공기 정화제 및 바인더를 포함하는 혼합물의 성형에 의해 제조된다. 이때, 상기 공기 정화제는, 공기 정화용 활성탄 성형체의 성형 후에 첨착(코팅)을 통해 포함되지 않고, 공기 정화용 활성탄 성형체의 성형 전에 활성탄 및 바인더와의 혼합을 통해 포함되어, 공기 정화용 활성탄 성형체의 표면 및 내부에 분산되어 있다.
또한, 본 발명은,
공기 정화를 위해 사용되는 공기 정화용 활성탄 성형체의 제조방법으로서,
활성탄을 준비하는 제1단계;
활성탄, 성형제, 공기 정화제, 바인더 및 분산 용매를 포함하는 슬러리를 얻는 제2단계;
상기 슬러리를 압출하여 예비 성형체를 성형하는 제3단계; 및
상기 예비 성형체를 성형체로 사이징(sizing)하는 제4단계를 포함하는 공기 정화용 활성탄 성형체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따라서, 상기 활성탄은, 비표면적과 기공 구조가 서로 다른 제1활성탄과 제2활성탄을 포함한다. 이때, 상기 제1활성탄은, 비표면적이 1,000 ~ 1,800 ㎡/g이고, 활성탄의 전체 기공 부피 중에서 기공 크기가 2 nm 이하인 마이크로 기공(micro pore)이 차지하는 마이크로 부피 분율이 65% 이상인 활성탄을 포함한다. 또한, 상기 제2활성탄은, 비표면적이 1,400 ~ 2,100 ㎡/g이고, 활성탄의 전체 기공 부피 중에서 기공 크기가 2 nm를 초과하고 50 nm 이하인 메조 기공(meso pore)이 차지하는 메조 부피 분율이 55% 이상인 활성탄을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따라서, 상기 공기 정화제는 적어도 술파닐산(Sulfanilic Acid)을 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따라서, 상기 공기 정화제는 적어도 술파닐산(Sulfanilic Acid)을 포함하는 제1 공기 정화제; 및 인산(Phosphoric Acid), 질산(Nitric Acid), 염소산(Chloric Acid), 황산(Sulfuric Acid), 술폰산(Sulfonic Acid), 우레아(Urea) 및 아민(Amine)계 등으로부터 선택된 하나 이상의 제2 공기 정화제를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라서, 상기 제3단계에서는, 상기 슬러리를 압출기에서 압출하여 펠렛 형상의 예비 성형체를 성형한 다음, 상기 펠렛 형상의 예비 성형체를 건조시키고, 상기 제4단계에서는, 상기 건조된 펠렛 형상의 예비 성형체를 밀링기에서 파쇄한 다음, 체진동기에서 소정 크기로 분리하여 사이징(sizing)할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 공기 정화용 활성탄 성형체를 포함하는 공기청정기를 제공한다.
본 발명은, 적어도 공기 정화 성능이 개선되고 제조비용을 절감할 수 있는 효과를 갖는다.
구체적으로, 본 발명에 따르면, 적어도 5대 유해가스 및 악취 등에 대한 높은 제거효율을 갖는다. 또한, 본 발명에 따르면, 탄화 및 활성화 공정 없이 원재료를 활성탄으로 사용하고 첨착 공정 없이 단일 공정으로 생산이 가능하여, 설비비용 및 제조비용이 절감되어 높은 경제성을 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시예에서 사용된 마이크로 활성탄('활성탄 1100')의 기공 분포도를 보인 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 사용된 마이크로 활성탄('활성탄 1600')의 기공 분포도를 보인 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 사용된 메조 활성탄('활성탄(메조)')의 기공 분포도를 보인 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 사용된 마이크로 활성탄('활성탄 1600')의 기공 분포도를 보인 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 사용된 메조 활성탄('활성탄(메조)')의 기공 분포도를 보인 그래프이다.
본 발명에서 사용되는 용어 "및/또는"은 전후에 나열한 구성요소들 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 의미로 사용된다. 본 발명에서 사용되는 용어 "하나 이상"은 하나 또는 둘 이상의 복수를 의미한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 용어 "제1", "제2" 및 "제3" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되며, 각 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 제1형태에 따라서, 공기 정화를 위해 사용되는 공기 정화용 활성탄 성형체를 제공한다. 본 발명은 제2형태에 따라서, 공기 정화를 위해 사용되는 공기 정화용 활성탄 성형체의 제조방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 제3형태에 따라서, 본 발명에 따른 공기 정화용 활성탄 성형체를 포함하는 공기청정기를 제공한다.
본 발명에 따른 공기 정화용 활성탄 성형체(이하, 경우에 따라서 「활성탄 성형체」로 약칭한다.)는, 본 발명의 실시예에 따라서 공기 정화를 위한 유효성분으로서 활성탄 및 공기 정화제를 포함하되, 이에 더하여 상기 활성탄과 공기 정화제를 결합시키기 위한 바인더(binder)를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 활성탄 성형체는, 본 발명의 다른 실시예에 따라서 성형성을 위한 성형제를 더 포함할 수 있다. 상기 성형제는 본 발명에 따른 활성탄 성형체의 성형 시 적어도 성형성을 개선하고, 이는 또한 활성탄과 공기 정화제의 결합력 향상 및/또는 공기 정화 성능을 개선할 수 있는 것으로부터 선택된다.
본 발명에 따른 활성탄 성형체는 공기 정화를 위해 사용되는 것이라면, 그의 적용 대상물(장치나 설비), 형상(형태) 및 크기(규격) 등은 제한되지 않는다. 본 발명에 따른 활성탄 성형체는 공장 등의 각종 산업 현장에는 물론이고 일반 가정, 사무실 및 자동차 등에 설치되는 공기 정화 시스템에 적용될 수 있으며, 예를 들어 공기청정기나 환기장치 등에 적용될 수 있다. 본 발명에 따른 활성탄 성형체는, 예시적인 적용 형태에 따라서 가정용이나 사무용 공기청정기의 필터로 적용되어, 실내의 유해가스 및 악취 등을 흡착, 제거하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 활성탄 성형체는, 예를 들어 펠렛형, 원통형, 원반형, 허니컴 구조형 및/또는 다면체 등의 형상을 갖거나, 필름(또는 시트) 형상 또는 소정의 입체적 형상를 가지는 필터 구조체의 형태를 가질 수 있다. 본 발명에 따른 활성탄 성형체는, 일례를 들어 펠렛 형상을 가질 수 있다. 이때, 상기 펠렛은 약 0.5mm ~ 20mm의 직경과 약 0.5mm ~ 30mm의 길이를 가질 수 있으나, 이에 의해 한정되는 것은 아니다. 하나의 실시예에 따라서, 본 발명에 따른 활성탄 성형체는 약 1mm ~ 10mm의 직경과 약 1mm ~ 20mm의 길이를 가지는 펠렛일 수 있으며, 이 경우 상기 펠렛은 필터 케이스 내에 충진된 형태로 구성되어, 공기청정기 등의 필터로 유용하게 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 활성탄 성형체는 압출 및/또는 사출 등의 성형 방법으로 제조될 수 있다. 하나의 실시예에 따라서, 본 발명에 따른 활성탄 성형체는 별도의 첨착 공정(침지나 분사 등의 코팅 공정) 없이 활성탄, 공기 정화제 및 바인더를 모두 포함하는 혼합물의 성형에 의해 제조될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 활성탄 성형체는 활성탄, 공기 정화제 및 바인더를 포함하되, 상기 공기 정화제는 활성탄 성형체의 성형 후에 별도의 첨착(침지나 분사 등의 코팅)을 통해 포함되지 않고, 활성탄 성형체의 성형 전에 활성탄 및 바인더와의 사전 혼합을 통해 활성탄 성형체에 포함된다. 이에 따라, 상기 공기 정화제는 활성탄 성형체의 표면에만 코팅되어 있지 않고, 활성탄 성형체의 표면에는 물론 내부에까지 활성탄 성형체의 전체 영역에 걸쳐 균일하게 분산(분포)되어 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 활성탄 성형체는, 그의 성형 전에 활성탄, 공기 정화제 및 바인더를 모두 포함하는 혼합물(슬러리)을 얻고, 상기 혼합물(슬러리)을 소정의 형상(예를 들어, 펠렛 등)으로 성형하는 방법으로 제조되어, 상기 공기 정화제는 성형 후의 첨착(코팅)에 의하지 않고, 성형 전에 활성탄 및 바인더와의 사전 혼합에 의해 포함된다. 이때, 본 발명의 실시예에 따른 활성탄 성형체는 활성탄 100중량부에 대하여 공기 정화제 5 ~ 20중량부 및 바인더 5 ~ 20중량부를 포함하는 혼합물로부터 압출 성형에 의해 제조될 수 있다.
위와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 공기 정화제를 포함시키기 위한 별도의 첨착(코팅) 공정, 공기 정화제 용액의 제조 공정 및 폐기물 처리 공정(첨착 후에 폐기되는 공기 정화제 폐용액의 처리 공정) 등이 배제되어, 활성탄 성형체의 전체적인 제조 공정 및 후처리 공정이 단순해진다. 이에 따라, 첨착(코팅)을 통해 공기 정화제를 포함시킨 경우보다 적어도 높은 경제성을 갖는다. 또한, 위와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 공기 정화제가 성형 전에 사전 혼합을 통해 활성탄과 균일하게 혼합되어 활성탄 성형체의 전체 영역(표면 및 내부)에 걸쳐 활성탄과 함께 균일한 분포로 분산되어 있음으로 인해, 본 발명의 실시예에 따른 활성탄 성형체는 그의 표면 및 내부의 전체 영역에 걸쳐 균질한 공기 정화 성능(유해가스 흡착능 등)을 갖는다.
본 발명에 따른 공기청정기는, 본 발명에 따른 활성탄 성형체를 포함하는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 본 발명에 따른 공기청정기는, 통상과 같이 공기청정기 본체, 상기 본체의 일측에 형성된 공기 유입구, 상기 본체의 타측에 형성된 공기 배출구, 및 외부 공기의 흡입/토출을 위한 흡입 팬 등을 포함하되, 상기 본체, 공기 유입구 및 공기 배출구 중에서 선택된 어느 하나 이상에 공기 정화용 필터가 장착된 구조를 가질 수 있다. 이때, 상기 공기 정화용 필터는 본 발명에 따른 활성탄 성형체(또는 활성탄 필터)를 포함한다. 또한, 상기 공기 정화용 필터는 통상의 부직포 필터, 항균 필터 및 헤파(HEPA) 필터 등으로부터 선택된 하나 또는 둘 이상을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 공기 정화용 활성탄 성형체의 제조방법(이하, 경우에 따라서 「활성탄 성형체의 제조방법」, 또는 「제조방법」으로 약칭한다.)은, [1] 활성탄을 준비하는 제1단계; [2] 활성탄, 성형제, 공기 정화제, 바인더 및 분산 용매를 포함하는 슬러리를 얻는 제2단계; [3] 상기 슬러리를 압출하여 예비 성형체(압출물)를 성형하는 제3단계; 및 [4] 상기 예비 성형체(압출물)를 소정 크기의 성형체로 사이징(sizing)하는 제4단계를 포함한다.
이하, 본 발명에 따른 제조방법의 각 단계별 실시예를 설명하면서 본 발명에 따른 활성탄 성형체의 구체적인 실시예를 함께 설명한다. 또한, 이하에서는 경우에 따라서 상기 성형체가 펠렛인 경우를 예로 들어 설명한다.
[1] 제1단계 - 활성탄
상기 활성탄은 원료를 탄화 및 활성화시켜 제조한 분말 상으로서, 이는 식물계(야자껍질이나 목질 등), 석탄계 및/또는 석유계 등으로부터 선택된 원료를 탄화시킨 후, 화학적 활성화 및/또는 물리적 활성화를 통해 활성화시킨 것으로부터 선택될 수 있다. 상기 화학적 활성화는 NaOH 및/또는 KOH 등의 알칼리 활성화제를 이용한 알칼리 활성화를 예로 들 수 있으며, 상기 물리적 활성화는 CO2 분위기 및/또는 스팀(steam) 분위기 하에서 진행하는 가스 활성화를 예로 들 수 있다.
상기 활성탄은 특별히 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어 10 ~ 500 ㎛의 평균 입자 크기(D50)를 가질 수 있으며, 구체적인 예를 들어 50 ~ 300 ㎛, 또는 100 ~ 200 ㎛의 평균 입자 크기(D50)를 가질 수 있다. 또한, 상기 활성탄은 탄화 및 활성화를 진행한 후에 비표면적 및/또는 기공 구조를 위해 열처리를 더 진행한 것으로부터 선택될 수 있다. 상기 열처리는 N2 및/또는 Ar 가스 등의 비활성가스 분위기에서 예를 들어 600℃ ~ 900℃의 온도에서 10분 내지 2시간 동안 진행될 수 있다.
상기 활성탄은, 예를 들어 1,000 ㎡/g 이상의 비표면적과, 0.3 ㎤/g 이상의 기공도(단위 중량당 기공 부피)와, 900 mg/g 이상의 요오드가(요오드 흡착력)를 가지는 것으로부터 선택될 수 있다. 상기 활성탄은, 구체적인 예를 들어 1,000 ~ 3,000 ㎡/g의 비표면적과, 0.3 ~ 2 ㎤/g의 기공도와, 900 ~ 1,200 mg/g의 요오드가(요오드 흡착력)를 가지는 것으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라서, 상기 활성탄은, 비표면적과 기공 구조가 서로 다른 2종의 복합 활성탄으로서, 마이크로 기공(micro pore)이 발달한 제1활성탄과 메조 기공(meso pore)이 발달한 제2활성탄을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 활성탄은, 더욱 바람직하게는 아래에서 특정되는 제1활성탄과 제2활성탄을 혼합 사용하는 것이 좋다.
본 발명에서, 마이크로 기공(micro pore)은 활성탄에 존재하는 기공 크기(pore size)가 2 nm 이하인 것(즉, 활성탄에 존재하는 기공의 크기(직경)를 Psize라 할 때, Psize ≤ 2 nm인 기공)을 의미하고, 메조 기공(meso pore)은 활성탄에 존재하는 기공 크기(직경)가 2 nm를 초과하고 50 nm 이하인 것(즉, 2 nm < Psize ≤ 50 nm인 기공)을 의미한다. 매크로 기공(macro pore)은 활성탄에 존재하는 기공 크기(직경)가 50 nm를 초과한 것(즉, Psize ＞ 50 nm인 기공)을 의미한다.
또한, 본 발명에서, 마이크로 부피 분율(%)은 활성탄의 전체 기공 부피 중에서 마이크로 기공(Psize ≤ 2 nm인 기공)이 차지하는 부피 분율(micro/total, %)을 의미한다. 즉, 본 발명에서, 마이크로 부피 분율(%)은 활성탄에 존재하는 기공들의 총 기공 부피를 100%이라고 할 때, 이 중에서 기공 크기가 2 nm 이하인 마이크로 기공들이 차지하는 부피 비율을 의미한다. 이와 같은 의미로, 메조 부피 분율(%)은 활성탄의 전체 기공 부피 중에서 기공 크기가 2 nm를 초과하고 50 nm 이하인 메조 기공(2 nm < Psize ≤ 50 nm인 기공)이 차지하는 부피 분율(meso/total, %)을 의미하고, 매크로 부피 분율(%)은 활성탄의 전체 기공 부피 중에서 기공 크기가 50 nm를 초과한 매크로 기공(Psize ＞ 50 nm인 기공)이 차지하는 부피 분율(macro/total, %)을 의미한다.
상기 제1활성탄은, 마이크로 기공(Psize ≤ 2 nm인 기공)이 발달한 마이크로 활성탄으로서, 비표면적이 1,000 ~ 1,800 ㎡/g이고, 마이크로 부피 분율이 65% 이상인 활성탄으로부터 선택된다. 상기 제1활성탄은, 예를 들어 50 ~ 300 ㎛의 평균 입자 크기(D50), 또는 100 ~ 200 ㎛의 평균 입자 크기(D50)를 가질 수 있으며, 이는 또한 0.3 ~ 0.9 ㎤/g의 기공도, 또는 0.4 ~ 0.8 ㎤/g의 기공도를 가질 수 있다. 상기 제1활성탄은, 보다 구체적인 실시예에 따라서, 마이크로 부피 분율이 약 75 ~ 95%이고, 메조 부피 분율이 약 5 ~ 25%인 활성탄으로부터 선택될 수 있다. 이러한 제1활성탄은 추가로 매크로 부피 분율을 가질 수 있으며, 예를 들어 0.1 ~ 15%, 또는 0.5 ~ 10%의 매크로 부피 분율을 가질 수 있다.
상기 제2활성탄은, 메조 기공(2 nm < Psize ≤ 50 nm인 기공)이 발달한 메조 활성탄으로서, 비표면적이 1,400 ~ 2,100 ㎡/g이고, 메조 부피 분율이 55% 이상인 활성탄으로부터 선택된다. 상기 제2활성탄은, 예를 들어 50 ~ 300 ㎛의 평균 입자 크기(D50), 또는 100 ~ 200 ㎛의 평균 입자 크기(D50)를 가질 수 있으며, 이는 또한 1.2 ~ 1.8 ㎤/g의 기공도, 또는 1.4 ~ 1.6 ㎤/g의 기공도를 가질 수 있다. 상기 제2활성탄은, 보다 구체적인 실시예에 따라서, 메조 부피 분율이 약 60 ~ 90%이고, 마이크로 부피 분율이 약 10 ~ 40%인 활성탄으로부터 선택될 수 있다. 이러한 제2활성탄은 추가로 매크로 부피 분율을 가질 수 있으며, 예를 들어 0.5 ~ 25%, 또는 2 ~ 20%의 매크로 부피 분율을 가질 수 있다.
본 발명의 실험적 고찰에 따르면, 활성탄의 비표면적과 기공 구조(예를 들어, 기공 크기, 기공도 및 기공 부피 분율 등)는 공기 정화에 중요한 기술적 인자로 작용함을 알 수 있었다. 특히, 활성탄의 기공 구조에 따라 유해가스 흡착능(제거효율)은 물론이고 흡착되는 유해가스의 종류 등이 달라짐을 알 수 있었다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 상기한 바와 같은 비표면적과 기공 구조를 가지는 특정의 제1활성탄과 제2활성탄을 복합(혼합)하여 사용하는 경우, 기존의 활성탄을 사용하는 경우보다 유해가스 및 악취 등에 대한 공기 정화 성능이 개선된다. 이는 특히 휘발성 유기화합물(VOCs)에 대한 높은 흡착능을 가지며, 예를 들어 아세트산(Acetic acid), 아세트알데히드(Acetaldehyde), 암모니아(Ammonia), 톨루엔(Toluene) 및 포름알데히드(Formaldehyde)의 적어도 5대 유해가스를 모두 흡착, 제거할 수 있는 높은 흡착능을 갖는다.
상기 제1활성탄은 잘 발달된 마이크로 기공 구조를 가짐으로 인해, 이는 예를 들어 포름알데히드(Formaldehyde), 아세트알데히드(Acetaldehyde), 암모니아(Ammonia) 및 아세트산(Acetic acid) 등의 휘발성 유기화합물(VOCs)에 대한 높은 흡착능을 갖는다. 또한, 상기 제2활성탄은 잘 발달된 메조 기공 구조를 가짐으로 인해, 이는 예를 들어 톨루엔(Toluene) 및 벤젠(Benzene) 등과 같은 방향족계이나 아세트산(Acetic acid) 등과 같은 유기산계 등의 휘발성 유기화합물(VOCs)에 대한 높은 흡착능을 갖는다. 이에 따라, 상기 제1활성탄과 제2활성탄을 혼합 사용하는 경우, 적어도 5대 유해가스 모두에 대한 높은 흡착능을 갖는다.
본 발명의 실시예에 따라서, 상기 활성탄은, 활성탄 전체 중량 기준으로 제1활성탄 55 ~ 95중량%와 제2활성탄 5 ~ 45중량%를 포함하는 것이 좋다. 구체적으로, 상기 제1활성탄과 제2활성탄을 혼합 사용함에 있어, 상기 제1활성탄과 제2활성탄을 55 ~ 95 : 5 ~ 45의 중량비로 혼합하여, 상기 제2활성탄을 제1활성탄보다 낮은 함량으로 사용하는 것이 좋다. 이때, 상기 제2활성탄의 함량이 5중량% 미만으로서 너무 적은 경우, 예를 들어 5대 유해가스 중에서 톨루엔(Toluene)이나 아세트산(Acetic acid) 등에 대한 흡착능이 낮아질 수 있다. 그리고 상기 제2활성탄의 함량이 45중량%를 초과하여 너무 많은 경우, 상대적으로 제1활성탄의 함량이 낮아져 예를 들어 5대 유해가스 중에서 포름알데히드(Formaldehyde) 및 아세트알데히드(Acetaldehyde) 등에 대한 흡착능이 낮아질 수 있다. 이러한 점을 고려하여, 상기 활성탄은 제1활성탄 55 ~ 95중량%와 제2활성탄 5 ~ 45중량%로 혼합 사용하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 제1활성탄 60 ~ 90중량%와 제2활성탄 10 ~ 40중량%로 혼합 사용하는 것이 좋다.
[2] 제2단계 - 슬러리 제조(혼합)
활성탄 성형체의 제조를 위한 슬러리를 얻는다. 상기 슬러리는 활성탄, 성형제, 공기 정화제, 바인더 및 분산 용매를 포함하도록 혼합하여 얻는다. 이때, 상기 활성탄은, 바람직하게는 상기한 바와 같은 제1활성탄과 제2활성탄을 포함하는 복합 활성탄을 사용한다.
본 발명의 실시예에 따라서, 본 단계(혼합)는 활성탄과 성형제를 혼합한 제1혼합물을 얻는 제1혼합 단계; 및 상기 제1혼합물에 공기 정화제, 바인더 및 분산 용매를 혼합한 슬러리를 얻는 제2혼합 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1혼합 단계에서는, 바람직하게는 제1활성탄, 제2활성탄 및 성형제를 적절한 함량으로 혼합하여 제1혼합물을 얻는다.
본 발명의 다른 실시예에 따라서, 본 단계(혼합)는 활성탄과 성형제를 혼합한 제1혼합물을 얻는 제1혼합 단계; 공기 정화제, 바인더 및 분산 용매를 혼합한 제2혼합물을 얻는 제2혼합 단계; 및 상기 제1혼합물과 제2혼합물을 혼합하여 슬러리를 얻는 제3혼합 단계를 포함할 수 있다.
상기 성형제는 활성탄 성형체의 성형 시 성형성을 위한 것으로서, 이는 펠렛 압출 시 토출성에 유리한 강점을 가지는 것, 및/또는 각 성분들(활성탄 및 공기 정화제 등)을 응집(결합)시켜 활성탄 성형체의 형태 유지성을 부여할 수 있는 것으로부터 선택될 수 있다. 상기 성형제는, 바람직하게는 성형성을 가짐과 함께 공기 정화 성능을 개선할 수 있는 것으로부터 선택될 수 있다.
상기 성형제는 유기물 및/또는 무기물로부터 선택될 수 있다. 상기 유기물은 예를 들어 석유 화학 공정 등에서 부산물로 발생되는 콜타르(coal tar)나 콜타르 피치(coal tar pitch) 등과 같은 콜타르피치계 등을 들 수 있다. 상기 콜타르피치계는 자체적인 점성으로 활성탄 및 공기 정화제를 응집(결합)시키면서 압출 시 양호한 토출성을 부여할 수 있다.
또한, 상기 무기물은, 예를 들어 벤토나이트계, 제올라이트계, 지르코니아계 및/또는 알루미나계 등으로부터 선택된 무기 분말을 사용할 수 있다. 이러한 무기물은 물(분산 용매)과의 혼합에 의해 소정의 점성을 갖게 되어 활성탄 및 공기 정화제를 응집(결합)시키면서 압출 시 양호한 토출성을 부여할 수 있다.
하나의 실시예에 따라서, 상기 성형제는 적절한 비표면적 및 기공 구조를 가지는 미세 다공질의 무기물로부터 선택될 수 있으며, 예를 들어 제올라이트3A, 제올라이트4A 및/또는 제올라이트5A 등으로부터 선택된 제올라이트계를 사용할 수 있다. 이러한 미세 다공질의 제올라이트계를 사용하는 경우, 성형성을 갖게함과 동시에 비표면적 및 기공 구조를 통해 공기 정화 성능(유해가스 흡착능 등)도 개선될 수 있다.
상기 성형제는 특별히 한정하는 것은 아니지만, 활성탄 100중량부에 대하여 2 ~ 50중량부를 사용할 수 있으며, 구체적인 예를 들어 5 ~ 40중량부, 또는 10 ~ 30중량부를 사용할 수 있다.
상기 공기 정화제는 공기 정화 성능(유해가스 흡착능 등)을 가지는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 이는 산계 화합물, 염기계 화합물 및/또는 이들의 염 등으로부터 선택될 수 있다. 상기 공기 정화제는, 예를 들어 술파닐산(Sulfanilic Acid), 인산(Phosphoric Acid), 질산(Nitric Acid), 염소산(Chloric Acid), 황산(Sulfuric Acid) 및 술폰산(Sulfonic Acid) 등으로부터 선택된 적어도 하나의 산계; 우레아(Urea)나 아민(Amine)계 등의 염기계 화합물; 및/또는 이들의 염 등으로부터 선택될 수 있다. 상기 아민(Amine)계는 지방족 아민(알킬 아민)이나 방향족 아민 등을 사용할 수 있으며, 일례를 들어 디에틸렌 트리아민(Diethylene triamine) 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 상기 공기 정화제는 적어도 술파닐산(Sulfanilic Acid)을 포함하는 것이 좋다. 상기 술파닐산(Sulfanilic Acid)은 적어도 5대 유해가스에 대한 높은 흡착능을 가져 본 발명에 바람직하게 적용될 수 있다. 상기 공기 정화제는 적어도 술파닐산(Sulfanilic Acid)을 포함하되, 여기에 산계, 염기계 및/또는 이들의 염 중에서 선택된 하나 이상을 더 혼합하여 사용할 수 있다. 구체적인 실시예에 따라서, 상기 공기 정화제는 술파닐산(Sulfanilic Acid)으로부터 선택된 제1 공기 정화제; 및 인산(Phosphoric Acid), 질산(Nitric Acid), 염소산(Chloric Acid), 황산(Sulfuric Acid), 술폰산(Sulfonic Acid), 우레아(Urea) 및 아민(Amine)계 등으로부터 선택된 하나 이상의 제2 공기 정화제를 포함할 수 있다.
상기 공기 정화제는 특별히 한정하는 것은 아니지만, 활성탄 100중량부에 대하여 1 ~ 25중량부를 사용할 수 있으며, 구체적인 예를 들어 5 ~ 20중량부를 사용할 수 있다.
상기 바인더는 결합력(접착성)을 가지는 것이면 좋으며, 이는 예를 들어 셀룰로오스계, 비닐계 및/또는 검(Gum)계 등으로부터 선택될 수 있다. 상기 바인더는, 구체적인 예를 들어 카르복시메틸셀룰로오스(Carboxylmethly Cellulose), 하이드록시에틸셀룰로오스(Hydroxylethly Cellulose), 하이드록시프로필메틸셀룰로오스(Hydorxypropylmethyl Cellulose), 폴리비닐알코올(Polyvinyl Alcohol), 폴리비닐아세테이트(Polyvinyl Acetate), 에틸렌비닐아세테이트(Ethylene-Vinyl Acetate), 잔탄검(Xanthan Gum), 아라비아검(Arabic Gum) 및 구아검(Guar Gum) 등으로부터 선택된 하나 이상의 유기 바인더를 사용할 수 있다. 이러한 유기 바인더는 펠렛의 강도, 토출성 및 형상 유지성 등에서 장점이 있다.
상기 바인더는 특별히 한정하는 것은 아니지만, 활성탄 100중량부에 대하여 0.1 ~ 25중량부를 사용할 수 있으며, 구체적인 예를 들어 5 ~ 20중량부를 사용할 수 있다.
상기 분산 용매는 물 및/또는 탄화수소계(유기 용제) 등으로부터 선택될 수 있다. 상기 탄화수소계는, 예를 들어 바인더의 종류에 따라 알코올류(메탄올, 에탄올 등), 케톤류(메틸에틸케톤 등), 글리콜류(부틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 등) 및/또는 글리세린 등으로부터 선택될 수 있다. 상기 분산 용매는, 적어도 물을 포함할 수 있다.
상기 분산 용매는 특별히 한정하는 것은 아니지만, 활성탄 100중량부에 대하여 20 ~ 200중량부를 사용할 수 있으며, 구체적인 예를 들어 50 ~ 150중량부를 사용할 수 있다.
[제3단계] 성형
상기 슬러리를 이용하여 소정의 형상을 가지는 예비 성형체(압출물)을 압출 성형한다. 상기 슬러리를 압출기에 투입하여, 예를 들어 펠렛 형상의 예비 성형체로 성형할 수 있다. 상기 압출기는 수평 압출기 및/또는 수직 압출기 등을 사용할 수 있으며, 이러한 압출기를 통해 예를 들어 약 1mm ~ 10mm의 직경, 또는 약 2mm ~ 5mm의 직경을 가지는 펠렛 형상의 예비 성형체를 성형할 수 있다. 이와 같이 압출을 진행한 후에는 상기 예비 성형체(압출물)에 대해 적절한 온도(예들 들어, 80℃ ~ 150℃)에서 건조를 진행할 수 있다.
[제4단계] 사이징(sizing)
상기 압출을 통해 얻어진 예비 성형체(압출물)를 소정 크기의 성형체로 사이징(sizing)한다. 본 발명에서, 사이징(sizing)은 상기 예비 성형체(압출물)를 절단, 파쇄(분쇄) 및/또는 분급 공정 등을 통해 적절한 크기(규격)로 가공하여 분리하는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 이러한 사이징은, 압출 후에 진행(건조시키기 전)하거나, 압출 후 건조시킨 다음에 진행할 수 있다.
상기 사이징은, 본 발명의 실시예에 따라서, 절단기를 이용하여 예비 성형체를 균일한 길이(예를 들어, 1mm ~ 20mm의 길이, 또는 2mm ~ 10mm의 길이)로 절단하는 절단 공정을 포함할 수 있다. 이때, 상기 절단기는 압출기의 후단에 설치되어 압출기로부터 토출되는 예비 성형체를 압출 직후에 절단할 수 있으며, 절단 후에는 건조가 진행될 수 있다.
상기 사이징은, 본 발명의 다른 실시예에 따라서, 압출 후 건조된 예비 성형체를 밀링기에 투입하여 상기 밀링기에서 적절한 크기로 파쇄(분쇄)하는 파쇄 공정과, 상기 파쇄(분쇄)된 성형체를 분급하여 균일한 크기의 성형체로 분리하는 분리 공정을 포함할 수 있다.
상기 파쇄 공정에서는, 예를 들어 핀밀(Pin Mill)이나 볼밀(Ball Mill) 등의 밀링기를 이용할 수 있다. 이때, 상기 밀링기의 회전 속도(rpm) 및/또는 밀링 시간 등을 조절하여 원하는 크기(길이)를 갖도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 회전 속도(rpm)나 밀링 시간을 느리게 하거나 짧게 하는 경우, 큰 크기로 사이징할 수 있으며, 회전 속도(rpm)나 밀링 시간을 빠르게 하거나 길게 하는 경우, 비교적 작은 크기로 사이징할 수 있다.
또한, 상기 분리 공정에서는, 예를 들어 체진동기를 이용하여 진동과 체가름을 진행할 수 있다. 이때, 상기 체진동기에 예를 들어 약 8 ~ 30 mesh의 체가름 망을 설치하여, 미분말 등의 불량품은 분리 제거하고, 원하는 규격의 펠렛(예를 들어, 약 2mm ~ 5mm의 직경과 2mm ~ 10mm의 길이를 가지는 펠렛)을 분리하여 수거할 수 있다.
위와 같은 파쇄 공정과 분리 공정을 통해, 균일하면서도 공기청정기에 유용하게 적용될 수 있는 규격화된 펠렛으로 사이징할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따라서, 위와 같은 밀링기를 이용한 파쇄 공정과 체진동기를 이용한 분리 공정을 통해 사이징하는 경우, 많은 양을 처리할 수 있고, 경우에 따라서는 서로 다른 크기로 규격화된 펠렛을 얻을 수 있다. 예를 들어, 상기 파쇄 공정에서는 밀링기를 통해 불균칙한 크기의 파쇄물이 생성되게 하고, 이후 상기 분리 공정에서는 체진동기에 mesh 크기가 다른 2개 이상의 체가름 망을 설치하여 제1규격(예를 들어, 약 2mm ~ 5mm의 직경과 4mm ~ 10mm의 길이를 가지는 펠렛)과, 이보다 작은 크기의 제2규격(예를 들어, 약 0.5mm ~ 2mm의 직경과 0.5mm ~ 4mm의 길이를 가지는 펠렛) 등의 펠렛을 분리하여 수거할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 예시한다. 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 하기의 비교예는 종래 기술을 의미하는 것은 아니며, 이는 단지 실시예와의 비교를 위해 제공된다.
하기의 실시예 및 비교예에서 사용된 활성탄의 비표면적 및 기공 구조를 아래의 [표 1]에 나타내었다. 아래의 [표 1]에 보인 활성탄은 모두 당사(파워카본테크놀로지(주), 경상북도 구미시 소재)의 제품으로서, 이들은 잘 건조된 야자껍질을 원료로 하여 절단, 탄화, 분쇄 및 활성화를 진행하되, 각 제품에 따라 활성화 온도, 활성화 조건(NaOH에 의한 화학적 활성화와 CO2 분위기에 의한 물리적 활성화), 활성화제의 사용량, 활성화 후의 열처리 진행 여부 및 열처리 온도를 각각 달리하여 비표면적 및 기공 구조를 달리한 것이다.
아래 [표 1]에서, '활성탄 1100'과 '활성탄 1600'은 마이크로 기공이 발달한 마이크로 활성탄 분말이고, '활성탄(메조)'은 메조 기공이 발달한 메조 활성탄 분말이다.
| 비 고 | 비표면적 (㎡/g) |
전체 기공도 (㎤/g) |
마이크로 기공도 (㎤/g) |
Vmicro * [micro/total] |
Vmeso ** [meso/total] |
| 활성탄 1100 (마이크로 활성탄) |
1,120 | 0.46 | 0.41 | 89.1% | 8.2% |
| 활성탄 1600 (마이크로 활성탄) |
1,619 | 0.69 | 0.554 | 80.3% | 16.6% |
| 활성탄(메조) (메조 활성탄) |
1,719 | 1.48 | 0.42 | 28.3% | 70.1% |
| * Vmicro : 활성탄의 전체 기공 부피 중에서, 마이크로 기공(기공 크기 2 nm 이하)이 차지하는 마이크로 부피 분율(%)이고, ** Vmeso : 활성탄의 전체 기공 부피 중에서, 메조 기공(기공 크기 2 nm 초과, 50 nm 이하)이 차지하는 메조 부피 분율(%)이며, 나머지는 매크로 기공(기공 크기 50 nm 초과)이 차지하는 부피 분율(%)이다. |
|||||
상기 [표 1]에서, 비표면적은 N2 흡착을 이용한 BET법을 이용하여 측정(일본, BEL JAPAN제품, 모델명 BEL SORP-MINI Ⅱ 측정기기 이용)한 것이고, 기공 구조는 가스 분석기, BET법 및 NLDFT(non-local density functional theory)를 이용하여 기공 크기와 기공도(부피)를 측정한 다음, 이들로부터 마이크로 부피 분율(%) 및 메조 부피 분율(%)을 평가한 것이다.
또한, 첨부된 도 1 내지 도 3은 상기 [표 1]에 보인 각 활성탄 제품의 기공 분포도를 보인 것으로서, 도 1은 '활성탄 1100', 도 2는 '활성탄 1600', 도 3은 '활성탄(메조)'의 기공 분포도를 보인 것이다.
[실시예 1]
먼저, 교반기가 설치된 믹서에 마이크로 기공이 발달한 '활성탄 1100' 60중량부와, 마이크로 기공이 발달한 '활성탄 1600' 40중량부와, 무기 성형제로서의 벤토나이트 20중량부를 넣고 교반 혼합한 분말 혼합물을 얻었다. 이후, 믹서에 상기 혼합 활성탄의 100중량부에 대하여 공기 정화제로서 분말상의 술파닐산(Sulfanilic Acid) 14중량부, 바인더로서 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 4중량부와 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 10중량부, 분산 용매로서 물 125중량부를 투입하고 충분히 교반 혼합한 슬러리를 얻었다.
상기 슬러리를 압출기에 투입하여 펠렛 성형체로 압출한 다음, 이를 약 110℃의 오븐에 넣어 건조시켰다. 이후, 상기 건조된 펠렛 성형체를 핀밀(Pin Mill)에 투입하여 소정 크기로 절단(분쇄)한 다음, 체진동기에서 진동과 체가름을 진행하여 직경 약 2mm와 길이 약 2 ~ 4mm를 가지는 펠렛을 제조하여 수득하였다.
[실시예 2]
상기 실시예 1과 대비하여, 활성탄과 바인더를 달리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 펠렛을 제조하였다. 본 실시예에서, 활성탄의 경우에는 복합 활성탄으로서 마이크로 기공이 발달한 '활성탄 1600' 80중량부와, 메조 기공이 발달한 '활성탄(메조)' 20중량부를 혼합 사용하였다. 그리고 바인더의 경우에는 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 3중량부와 폴리비닐알코올(PVA) 4중량부를 혼합 사용하였다. 또한, 본 실시예에서 분산 용매(물)는 115중량부로 사용하였다.
[실시예 3]
상기 실시예 1과 대비하여, 활성탄과 성형제를 달리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 펠렛을 제조하였다. 본 실시예에서, 활성탄의 경우에는 복합 활성탄으로서 마이크로 기공이 발달한 '활성탄 1600' 60중량부와, 메조 기공이 발달한 '활성탄(메조)' 40중량부를 혼합 사용하였다. 그리고 성형제의 경우에는 벤토나이트 대신에 미세 다공성의 제올라이트5A를 20중량부로 사용하였다.
[실시예 4]
상기 실시예 2와 대비하여, 복합 활성탄의 함량을 달리한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 실시하여 펠렛을 제조하였다. 본 실시예에서는 마이크로 활성탄과 메조 활성탄을 혼합 사용하되, 실시예 2보다는 메조 활성탄의 함량을 높여 마이크로 기공이 발달한 '활성탄 1600' 50중량부와, 메조 기공이 발달한 '활성탄(메조)' 50중량부를 혼합 사용하였다.
[실시예 5]
상기 실시예 1과 대비하여, 공기 정화제를 달리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 펠렛을 제조하였다. 본 실시예에서는 실시예 1과 대비하여, 공기 정화제로서 술파닐산(Sulfanilic Acid) 대신에 디에틸렌 트리아민(Diethylene triamine) 8중량부와 술폰산(Sulfonic Acid) 6중량부를 혼합 사용하였다.
[비교예 1]
상기 실시예 1과 대비하여, 공기 정화제를 사용하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 펠렛을 제조하였다.
상기 각 실시예 및 비교예에 따른 펠렛(슬러리)의 조성(성분 및 함량)을 하기 [표 2]에 나타내었다. 하기 [표 2]에서 각 성분의 함량은 활성탄 100중량부를 기준으로 한 것이다.
| 성 분 | 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | 실시예 4 | 실시예 5 | 비교예 1 | |
| 활성탄 | 활성탄 1100 | 60 | - | - | - | 60 | 60 |
| 활성탄 1600 | 40 | 80 | 60 | 50 | 40 | 40 | |
| 활성탄(메조) | - | 20 | 40 | 50 | - | - | |
| 성형제 | 벤토나이트 | 20 | 20 | - | 20 | 20 | 20 |
| 제올라이트5A | - | - | 20 | - | - | - | |
| 공기 정화제 |
술파닐산 | 14 | 14 | 14 | 14 | - | - |
| 아민 | - | - | - | - | 8 | - | |
| 술폰산 | - | - | - | - | 6 | - | |
| 바인더 | CMC | 4 | 3 | 4 | 4 | 4 | 4 |
| EVA | 10 | - | 10 | 10 | 10 | 10 | |
| PVA | - | 4 | - | - | - | - | |
| 분산 용매 | 물 | 125 | 115 | 125 | 125 | 125 | 125 |
[시험예] - 유해가스 제거시험
상기 각 실시예 및 비교예에 따른 펠렛을 관(pipe) 형상의 필터 케이스에 약 190g 충진하고, 플라스틱 망(Mesh)으로 밀봉하여 필터를 제작하였다. 이후, 상기 제작된 필터를 공기청정기에 장착한 다음, 8㎥의 공기청정테스트용 부스에서 한국공기청정협회의 표준 시험법(CA 인증 시험방법)에 따라 유해가스 제거능(탈취능)을 평가하였다. 유해가스 제거능 평가는 습도 40 ~ 60%, 온도 20 ~ 30℃ 영역에서 아세트산(Acetic acid), 아세트알데히드(Acetaldehyde), 암모니아(Ammonia), 톨루엔(Toluene) 및 포름알데히드(Formaldehyde)의 5대 유해가스에 대한 제거시험을 진행하였으며, 그 결과를 하기 [표 3]에 나타내었다.
하기 [표 3]에서 대조군은 기존 상용 제품으로서, 이는 국내 W사의 공기청정기용 정품 펠렛을 구매하여 사용한 것이다. 펠렛 제품을 분해한 다음, 이를 위와 동일한 방법으로 관 형상의 필터 케이스체 약 190g 충진하여 5대 유해가스에 대한 제거시험을 진행하였다.
| 유해가스 | 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | 실시예 4 | 실시예 5 | 비교예 1 | 대조군 |
| 아세트산 (Acetic acid) |
90.6 | 91.5 | 94.0 | 92.5 | 90.1 | 89.9 | 90.4 |
| 아세트알데히드 (Acetaldehyde) |
80.5 | 75.6 | 87.8 | 67.6 | 71.6 | 41.7 | 60.9 |
| 암모니아 (Ammonia) |
95.5 | 91.7 | 95.2 | 90.3 | 90.7 | 90.7 | 81.3 |
| 톨루엔 (Toluene) |
69.2 | 80.0 | 82.5 | 81.4 | 64.7 | 70.0 | 64.7 |
| 포름알데히드 (Formaldehyde) |
88.3 | 87.2 | 89.1 | 80.0 | 83.2 | 30.2 | 80.3 |
| 평균 제거효율 | 84.8 | 85.2 | 89.7 | 82.4 | 80.1 | 64.5 | 75.5 |
상기 [표 2] 및 [표 3]에 보인 바와 같이, 활성탄의 비표면적과 기공 구조, 복합 활성탄의 혼합 비율, 공기 정화제의 사용 여부 및 종류, 그리고 성형제의 종류 등에 따라 5대 유해가스에 대한 제거효율(%)이 달라짐을 알 수 있었다.
먼저, 실시예 1과 비교예 1을 대비하면, 동일한 조건에서 공기 정화제로서 술파닐산을 더 포함하는 실시예 1의 경우가 비교예 1에 비하여 거의 모든 항목에서 유해가스에 대한 높은 제거효율을 보임을 알 수 있었다. 특히, 술파닐산은 5대 유해가스 중에서도 아세트알데히드와 포름알데히드의 제거에 매우 효과적임을 알 수 있었다. 또한, 실시예 1에 따른 펠렛은 기존 상용 제품(대조군)보다 5대 유해가스 모두에 대해 높은 제거효율을 보임을 알 수 있었다.
실시예 1 내지 실시예 4를 대비하면, 활성탄으로서 마이크로 기공이 발달한 마이크로 활성탄과 메조 기공이 발달한 메조 활성탄을 혼합 사용하는 경우(실시예 2 ~ 4)가 그렇지 않은 경우(실시예 1)보다 톨루엔에 대한 제거효율이 향상됨을 알 수 있다. 구체적으로, 마이크로 활성탄을 단독으로 사용한 실시예 1은 5대 유해가스 중에서 톨루엔에 대한 제거효율이 낮았으나, 메조 활성탄을 더 혼합 사용한 실시예 2 ~ 4는 톨루엔에 대한 제거효율이 현저히 향상됨을 알 수 있었다.
한편, 메조 활성탄의 함량이 증가할수록 톨루엔에 대한 제거효율이 유의적으로 높아지기는 하나, 실시예 4에서와 같이 마이크로 활성탄과 메조 활성탄을 50 : 50의 중량 비율로서 메조 활성탄의 함량을 증가시킨 경우 아세트알데히드와 포름알데히드에 대한 제거효율이 낮아짐을 알 수 있었다. 즉, 동일한 조건에서 실시예 4의 경우가 실시예 2보다 아세트알데히드와 포름알데히드에 대한 제거효율이 낮게 평가되었다.
또한, 실시예 1과 실시예 5를 대비하면, 공기 정화제의 경우, 술파닐산을 사용한 경우(실시예 1)가 아민계와 술폰산을 사용한 경우(실시예 5)보다 5대 유해가스 모두에 대한 높은 제거효율을 보임을 알 수 있었다. 즉, 공기 정화제로서 술파닐산 1종을 사용하는 경우, 아민계와 술폰산의 2종을 사용한 경우보다 높게 평가되어 제조 공정이나 제거효율 면에서 효과적임을 알 수 있었다.
아울러, 무기 성형제의 경우, 비표면적 및 기공 구조를 가지는 미세 다공질의 제올라이트를 사용하는 경우(실시예 3)가 비표면적이나 기공이 거의 없는 벤토나이트를 사용한 경우보다 유해가스 제거에도 유리함을 알 수 있었다. 즉, 실시예 2와 실시예 3을 대비하면, 제올라이트를 사용하는 경우(실시예 3)가 아세트알데하이드 및 톨루엔 등에 대한 제거효율이 높게 평가되었다.
Claims (12)
- 공기 정화를 위해 사용되는 공기 정화용 활성탄 성형체이고,
활성탄;
공기 정화제; 및
바인더를 포함하며,
상기 활성탄은, 활성탄 전체 중량 기준으로 제1활성탄 55 ~ 95중량%와 제2활성탄 5 ~ 45중량%를 포함하고,
상기 제1활성탄은, 비표면적이 1,000 ~ 1,800 ㎡/g이고, 활성탄의 전체 기공 부피 중에서 기공 크기가 2 nm 이하인 마이크로 기공(micro pore)이 차지하는 마이크로 부피 분율이 75 ~ 95%이며, 활성탄의 전체 기공 부피 중에서 기공 크기가 2 nm를 초과하고 50 nm 이하인 메조 기공(meso pore)이 차지하는 메조 부피 분율이 5 ~ 25%인 활성탄을 포함하고,
상기 제2활성탄은, 비표면적이 1,400 ~ 2,100 ㎡/g이고, 활성탄의 전체 기공 부피 중에서 기공 크기가 2 nm를 초과하고 50 nm 이하인 메조 기공(meso pore)이 차지하는 메조 부피 분율이 60 ~ 90%이며, 활성탄의 전체 기공 부피 중에서 기공 크기가 2 nm 이하인 마이크로 기공(micro pore)이 차지하는 마이크로 부피 분율이 10 ~ 40%인 활성탄을 포함하는 공기 정화용 활성탄 성형체.
- 제1항에 있어서,
상기 공기 정화용 활성탄 성형체는 성형성을 위한 성형제를 더 포함하고,
상기 성형제는 콜타르피치계, 벤토나이트계, 제올라이트계, 지르코니아계 및 알루미나계로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 공기 정화용 활성탄 성형체.
- 제1항에 있어서,
상기 공기 정화용 활성탄 성형체는 활성탄, 공기 정화제 및 바인더를 포함하는 혼합물의 성형에 의해 제조되고,
상기 공기 정화제는, 상기 공기 정화용 활성탄 성형체의 성형 후에 첨착(코팅)을 통해 포함되지 않고, 상기 공기 정화용 활성탄 성형체의 성형 전에 활성탄 및 바인더와의 혼합을 통해 포함되어, 상기 공기 정화용 활성탄 성형체의 표면 및 내부에 분산되어 있는 공기 정화용 활성탄 성형체.
- 제1항에 있어서,
상기 공기 정화제는 술파닐산(Sulfanilic Acid)을 포함하는 공기 정화용 활성탄 성형체.
- 제1항에 있어서,
상기 공기 정화용 활성탄 성형체는 활성탄 100중량부에 대하여 공기 정화제 5 ~ 20중량부 및 바인더 5 ~ 20중량부를 포함하는 혼합물의 성형에 의해 제조되고,
상기 공기 정화제는, 상기 공기 정화용 활성탄 성형체의 성형 후에 첨착(코팅)을 통해 포함되지 않고, 상기 공기 정화용 활성탄 성형체의 성형 전에 활성탄 및 바인더와의 혼합을 통해 포함되어, 상기 공기 정화용 활성탄 성형체의 표면 및 내부에 분산되어 있으며,
상기 공기 정화제는,
술파닐산(Sulfanilic Acid)으로부터 선택된 제1 공기 정화제; 및
인산(Phosphoric Acid), 질산(Nitric Acid), 염소산(Chloric Acid), 황산(Sulfuric Acid), 술폰산(Sulfonic Acid), 우레아(Urea) 및 아민(Amine)계로부터 선택된 하나 이상의 제2 공기 정화제를 포함하는 공기 정화용 활성탄 성형체.
- 삭제
- 공기 정화를 위해 사용되는 공기 정화용 활성탄 성형체의 제조방법이고,
활성탄을 준비하는 제1단계;
활성탄, 성형제, 공기 정화제, 바인더 및 분산 용매를 포함하는 슬러리를 얻는 제2단계;
상기 슬러리를 압출하여 예비 성형체를 성형하는 제3단계; 및
상기 예비 성형체를 성형체로 사이징(sizing)하는 제4단계를 포함하며,
상기 활성탄은, 활성탄 전체 중량 기준으로 제1활성탄 55 ~ 95중량%와 제2활성탄 5 ~ 45중량%를 포함하고,
상기 제1활성탄은, 비표면적이 1,000 ~ 1,800 ㎡/g이고, 활성탄의 전체 기공 부피 중에서 기공 크기가 2 nm 이하인 마이크로 기공(micro pore)이 차지하는 마이크로 부피 분율이 75 ~ 95%이며, 활성탄의 전체 기공 부피 중에서 기공 크기가 2 nm를 초과하고 50 nm 이하인 메조 기공(meso pore)이 차지하는 메조 부피 분율이 5 ~ 25%인 활성탄을 포함하고,
상기 제2활성탄은, 비표면적이 1,400 ~ 2,100 ㎡/g이고, 활성탄의 전체 기공 부피 중에서 기공 크기가 2 nm를 초과하고 50 nm 이하인 메조 기공(meso pore)이 차지하는 메조 부피 분율이 60 ~ 90%이며, 활성탄의 전체 기공 부피 중에서 기공 크기가 2 nm 이하인 마이크로 기공(micro pore)이 차지하는 마이크로 부피 분율이 10 ~ 40%인 활성탄을 포함하는 공기 정화용 활성탄 성형체의 제조방법.
- 삭제
- 제7항에 있어서,
상기 제2단계는,
상기 활성탄과 성형제를 혼합한 제1혼합물을 얻는 제1혼합 단계; 및
상기 제1혼합물에 공기 정화제, 바인더 및 분산 용매를 혼합한 슬러리를 얻는 제2혼합 단계를 포함하는 공기 정화용 활성탄 성형체의 제조방법.
- 삭제
- 제7항에 있어서,
상기 제3단계에서는, 상기 슬러리를 압출기에서 압출하여 펠렛 형상의 예비 성형체를 성형한 다음, 상기 펠렛 형상의 예비 성형체를 건조시키고,
상기 제4단계에서는, 상기 건조된 펠렛 형상의 예비 성형체를 밀링기에서 파쇄한 다음, 체진동기에서 분리하여 사이징하는 공기 정화용 활성탄 성형체의 제조방법.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 따른 공기 정화용 활성탄 성형체를 포함하는 공기청정기.
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