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KR-20260061423-A - 탄소질 재료 및 그 제조 방법, 그리고 흡착 필터

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Abstract

본 발명의 탄소질 재료는, 질소 흡착 등온선으로부터 탄소질 재료 1g당의 QSDFT법에 의해 산출한 세공 직경 0.80㎚ 이하의 세공 용적(㎤/g)이 0.23㎤/g 이상 0.35㎤/g 이하이며, JIS K 1474(2014년)에 준거하여 측정되는 충전 밀도가 0.43g/mL 이상 0.65g/mL 이하이며, 리액티브 블랙 5가가 3.0g/L 이상 60.0g/L 이하이다.

Inventors

  • 고바야시 아야
  • 후지이 노리코
  • 세이케 나오야
  • 우에다 사카에
  • 아사다 다쿠야

Assignees

  • 오사카 가스 케미칼 가부시키가이샤

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241127
Priority Date
20231129

Claims (10)

  1. 질소 흡착 등온선으로부터 탄소질 재료 1g당의 QSDFT법에 의해 산출한 세공 직경 0.80㎚ 이하의 세공 용적(㎤/g)이 0.23㎤/g 이상 0.35㎤/g 이하이고, JIS K 1474(2014년)에 준거하여 측정되는 충전 밀도가 0.43g/mL 이상 0.65g/mL 이하이고, 리액티브 블랙 5가가 3.0g/L 이상 60.0g/L 이하인, 탄소질 재료.
  2. 제1항에 있어서, 아이오딘 흡착량이 710㎎/g 이상 1,500㎎/g 이하인, 탄소질 재료.
  3. 제1항에 있어서 상기 세공 직경 0.80㎚ 이하의 세공 용적의 비율이 61% 이상 92% 이하인, 탄소질 재료.
  4. 제1항에 있어서, 마이크로공의 평균 세공 직경이 0.60㎚ 이상 0.80㎚ 이하인, 탄소질 재료.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, n-뷰테인, 아이소뷰테인, 1,2-뷰타다이엔, 및 1,3-뷰타다이엔으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 흡착에 사용되는, 탄소질 재료.
  6. 원료를 탄화시켜 탄화물을 얻는 탄화 공정과, 상기 탄화물을 부활 처리하여 부활물을 얻는 부활 공정을 포함하는, 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 탄소질 재료의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 부활물을 세정하는 세정 공정을 추가로 포함하는, 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 원료가, 야자 껍질인, 제조 방법.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 탄소질 재료를 포함하는, 흡착 필터.
  10. 제9항에 있어서, 상기 흡착 필터가 자동차용인, 흡착 필터.

Description

탄소질 재료 및 그 제조 방법, 그리고 흡착 필터 본 발명은, 탄소질 재료 및 그 제조 방법, 그리고 흡착 필터에 관한 것이다. 자동차 배출 가스 중의 휘발성 유기 화합물(VOC)은, 알데하이드 등의 유해 물질을 포함할 뿐만 아니라, 광화학 반응에 의해 유해 물질을 생성하는 원인도 된다. 배출량이 많고 광화학 반응을 일으키기 쉬운 VOC로서는, 예를 들어, n-뷰테인 및 아이소뷰테인과 같은 뷰테인, 그리고, 1,2-뷰타다이엔 및 1,3-뷰타다이엔과 같은 부텐(이하, 본 명세서에 있어서, 이들 뷰테인 및 부텐을 포괄하여 단순히 “뷰테인류”라고도 호칭함)을 들 수 있다. 뷰테인류는 주행 환경에서 차내 공간으로 유입되어, 운전자에 대한 건강으로의 악영향이나, 악취로 인한 불쾌감을 준다. 따라서, 자동차에는, 통상적으로, 이러한 물질에 대한 흡착재로서 활성탄을 조합한 자동차용 필터가 구비되어 있다. 이러한 필터용 흡착재로서, 예를 들어, 특허문헌 1에서는, BET 비표면적이 700㎡/g 이상 1300㎡/g 이하인 활성탄에 방향족 아미노설폰산과 특정 유기산을 소정량으로 첨착시킨 복합 가스 흡착재가 기재되어 있다. 인용 문헌 1의 흡착재는, 알데하이드 및 뷰테인을 함유하는 복합 가스의 흡착을 목적으로 한다. 도 1은, 유동로의 모식 단면도이다. 이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태(이하, 단순히 “본 실시형태”라고 함)에 대해, 상세히 설명한다. 그리고, 이하의 본 실시형태는, 본 발명을 설명하기 위한 예시이며, 본 발명은 본 실시형태에만 한정되지 않는다. [탄소질 재료] 본 실시형태의 탄소질 재료는, 질소 흡착 등온선으로부터 탄소질 재료 1g당의 QSDFT법에 의해 산출한 세공 직경 0.80㎚ 이하의 세공 용적(㎤/g)이 0.23㎤/g 이상 0.35㎤/g 이하이며, JIS K 1474(2014년)에 준거하여 측정되는 충전 밀도가 0.43g/mL 이상 0.65g/mL 이하이며, 리액티브 블랙 5가가 3.0g/L 이상 60.0g/L 이하이다. 탄소질 재료는, 이러한 요건을 구비함으로써, 뷰테인류에 대하여 높은 흡착 성능을 갖는다. 따라서, 본 실시형태의 탄소질 재료는, 뷰테인류를 제거하기 위한 흡착 필터에 적합하다. 뷰테인류로서는, n-뷰테인, 및 아이소뷰테인 등의 뷰테인, 그리고, 1,2-뷰타다이엔, 1,3-뷰타다이엔 등의 뷰텐을 들 수 있다. 탄소질 재료에 있어서, 질소 흡착 등온선으로부터 탄소질 재료 1g당의 QSDFT법에 의해 산출한 세공 직경 0.80㎚ 이하의 세공 용적(㎤/g)(이하, 단순히 “세공 직경 0.80㎚ 이하의 세공 용적”이라고도 호칭함)은, 0.23㎤/g 이상 0.35㎤/g 이하이다. 탄소질 재료는, 세공 직경 0.80㎚ 이하의 세공 용적이 특정 범위에 있으므로, 분자 크기가 비교적 작은 뷰테인류에 대하여 우수한 흡착 성능을 갖는다. 즉, 세공 직경 0.80㎚ 이하의 세공 용적이 0.23㎤/g 이상임으로써, 분자 크기가 비교적 작은 물질 제거에 적절한 작은 세공 용적이 충분해지고, 뷰테인류에 대한 흡착 성능이 현저하게 향상된다. 또한, 세공 직경 0.80㎚ 이하의 세공 용적이 0.35㎤/g 이하임으로써, 뷰테인류의 분자 크기보다 작은 물질에 적절한 세공 용적의 존재량이 적어지고, 그 만큼, 뷰테인류에 적절한 세공 용적이 많아진다. 따라서, 뷰테인류에 대한 흡착 성능이 현저하게 향상된다. 본 명세서에 있어서, 탄소질 재료가 갖는 세공은, IUPAC(국제순수 응용화학연합)의 분류 기준에 준거하여, 그 세공 직경(직경)에 따라, 세공 직경이 2.0㎚ 미만의 세공을 마이크로공으로 하고, 세공 직경이 2.0㎚ 이상 50.0㎚ 이하의 세공을 메소공으로 하고, 세공 직경이 50.0㎚를 초과하는 세공을 마이크로공으로 분류한다. 마이크로공은, 메소공보다 작은 세공이며, 분자 크기가 비교적 작은 뷰테인류의 흡착에 유효하다. 본 명세서에 있어서, 세공 직경 0.80㎚ 이하의 세공 용적은, QSDFT법에 의해 산출된다. QSDFT법이란, 기하학적·화학적으로 불규칙한 마이크로포러스·메소포러스의 탄소의 세공 직경 해석을 대상으로 한, 약 0.5㎚ 이상 약 40㎚ 이하의 세공 직경 분포 계산이 가능한 해석 방법이다. QSDFT법은, 세공 표면의 거칠기와 불균일성에 의한 영향이 명확하게 고려되고 있기 때문에, 세공 직경 분포 해석의 정확도가 대폭 향상된 수법이다. 세공 직경 0.80㎚ 이하의 세공 용적의 구체적인 측정 및 산출 방법은, 실시예를 참조하면 된다. 세공 직경 0.80㎚ 이하의 세공 직경은, 바람직하게는 0.235㎤/g 이상 0.300㎤/g 이하이며, 보다 바람직하게는 0.240㎤/g 이상 0.270㎤/g 이하이다. 세공 직경 0.80㎚ 이하의 세공 용적의 범위가 상기 범위에 있으면, 뷰테인류에 대하여 보다 높은 흡착 성능을 갖는 탄소질 재료가 얻어지는 경향이 있다. 탄소질 재료에 있어서, JIS K 1474(2014년)에 준거하여 측정되는 충전 밀도(이하, 단순히 “충전 밀도”라고도 호칭함)는, 0.43g/mL 이상 0.65g/mL 이하이다. 충전 밀도는, 탄소질 재료의 세공 용적의 영향을 크게 받는다. 따라서, 체적 기준의 누적 분포의 50% 입경(D50)이 9.0㎛ 이상 11.0㎛ 이하로 조정된 탄소질 재료를 사용하여, 그 충전 밀도를 측정했을 경우, 그 충전 밀도 값은, 탄소질 재료가 보유하는 세공 용적의 지표가 된다. 충전 밀도가 상기 범위에 있음으로써, 탄소질 재료는, 뷰테인류에 대한 흡착 성능을 보다 높은 수준으로 실현할 수 있는 경향이 있다. 충전 밀도가 0.43g/mL 이상임으로써, 탄소질 재료의 세공이 지나치게 커지지 않고, 뷰테인류에 대해 유효한 세공을 많이 보유할 수 있다. 충전 밀도가 0.65g/mL 이하임으로써, 뷰테인류의 흡착에 기여하는 세공이 충분히 존재하는 경향이 있다. 충전 밀도의 구체적인 측정 및 산출 방법은, 실시예를 참조하면 된다. 충전 밀도는, 바람직하게는 0.50g/mL 이상 0.63g/mL 이하이며, 보다 바람직하게는 0.52g/mL 이상 0.60g/mL 이하이다. 충전 밀도의 범위가 상기 범위에 있으면, 뷰테인류에 대하여 보다 높은 흡착 성능을 갖는 탄소질 재료가 얻어지는 경향이 있다. 탄소질 재료의 리액티브 블랙 5가는, 3.0g/L 이상 60.0g/L 이하이다. 리액티브 블랙 5는, 하기 식(1)로 나타내는 염료이며, C. I. Reactive Black 5라고도 호칭된다. [화학식 1] 리액티브 블랙 5는, 그 분자량이 995.88로 크고, 부피가 큰 구조를 가지므로, 리액티브 블랙 5가는, 탄소질 재료가 갖는 큰 세공에서의 누적 세공 용적의 지표가 된다. 탄소질 재료는, 리액티브 블랙 5가가 상기 범위에 있음으로써, 뷰테인류에 대하여, 높은 흡착 성능을 발휘한다. 리액티브 블랙 5가가 3.0g/L 이상임으로써, 탄소질 재료가 갖는 세공 중, 뷰테인류를 흡착하기 어려운 비교적 큰 세공이 적어진다. 따라서, 뷰테인류에 대한 흡착에 유효한 세공 용적이 커지고, 그 결과, 뷰테인류에 대한 흡착 성능이 현저하게 향상된다. 또한, 리액티브 블랙 5가가 60.0g/L 이하임으로써, 탄소질 재료는, 뷰테인류의 흡착에 유효한 세공량을 유지할 수 있다. 따라서, 뷰테인류에 대한 흡착 성능이 현저하게 향상된다. 리액티브 블랙 5가는, 예를 들어, 다음과 같이 산출할 수 있다. 즉, 우선, 자외가시분광광도계를 사용하여, 파장 594㎚ 및 광로 길이(셀 길이) 10㎜의 조건에서, 리액티브 블랙 5를 포함하는 시험액과, 그 시험액에 탄소질 재료를 혼합하여 충분히 리액티브 블랙 5를 탄소질 재료에 흡착시킨 후에, 리액티브 블랙 5가 흡착한 탄소질 재료를 제거하여 얻어지는 잔액의, 각각의 흡광도를 측정한다. 그리고, 이들 흡광도를 이용하여, 잔액 중에 포함되는 리액티브 블랙 5의 잔존율(%)과, 탄소질 재료 1g당의 리액티브 블랙 5의 흡착량(/g)을 산출한다. 리액티브 블랙 5가(g/L)는, 이들 값을 사용하여, 1L의 시험액 중의 리액티브 블랙 5를 99% 제거하는 데 필요한 탄소질 재료의 양으로 산출한다. 그리고, 리액티브 블랙 5가의 측정에 있어서, 탄소질 재료로서는, 체적 기준의 누적 분포의 50% 입경(D50)이 9.0㎛ 이상 11.0㎛ 이하로 조정된 탄소질 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 본 명세서에 있어서, 50% 입경(D50)은, 레이저 회절 광산란법 입도 분포 측정 장치를 사용하여, 체적 기준의 메디안 직경으로 측정되는 값을 지칭한다. 리액티브 블랙 5가의 구체적인 측정 및 산출 방법은, 실시예를 참조하면 된다. 리액티브 블랙 5가는, 바람직하게는 10.0g/L 이상 55.0g/L 이하이며, 보다 바람직하게는 15.0g/L 이상 50.0g/L 이하이며, 더욱 바람직하게는 20.0g/L 이상 40.0g/L 이하이며, 더더욱 바람직하게는 22.0g/L 이상 30.0g/L 이하이다. 리액티브 블랙 5가의 범위가 상기 범위에 있으면, 뷰테인류에 대하여 보다 높은 흡착 성능을 갖는 탄소질 재료가 얻어지는 경향이 있다. 탄소질 재료의 아이오딘 흡착량은, 바람직하게는 710㎎/g 이상 1,500㎎/g 이하이며, 보다 바람직하게는 750㎎/g 이상 1,300㎎/g 이하이고, 더욱 바람직하게는 800㎎/g 이상 1,120㎎/g 이하이다. 아이오딘 흡착량의 범위가 상기 범위에 있으면, 뷰테인류에 대하여 보다 높은 흡착 성능을 갖는 탄소질 재료가 얻어지는 경향이 있다. 아이오딘 흡착량은, 탄소질 재료에 존재하는, 뷰테인류를 물리 흡착할 수 있는 세공의 표면적 지표다. 탄소질 재료의 아이오딘 흡착량이 상기 범위에 있음으로써, 탄소질 재료는, 뷰테인류에 대하여, 높은 흡착 성능을 발휘한다. 아이오딘 흡착량이 710㎎/g 이상임으로써, 탄소질 재료의 세공 용적이 지나치게 작아지지 않고, 뷰테인류의 흡착에 대해 유효한 세공을 많이 보유할 수 있다. 아이오딘 흡착량이 1,500㎎/g 이하임으로써 탄소질 재료의 세공이 지나치게 커지지 않고, 뷰테인류에 대해 유효한 세공을 많이 보유할 수 있다. 아이오딘 흡착량은, JIS K 1474(2014년)에 준거하여 측정 및 산출된다. 아이오딘 흡착량에서의 구체