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KR101472255B1 - 배기가스 처리장치 - Google Patents

배기가스 처리장치 Download PDF

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KR101472255B1 KR20140076067A KR20140076067A KR101472255B1 KR 101472255 B1 KR101472255 B1 KR 101472255B1 KR 20140076067 A KR20140076067 A KR 20140076067A KR 20140076067 A KR20140076067 A KR 20140076067A KR 101472255 B1 KR101472255 B1 KR 101472255B1
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김동립
황정훈
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

배기가스 처리장치를 제공한다. 배기가스 처리장치는 내부에 배기가스 처리공간을 가지며, 일측에 배기가스 유입구가 구비되고, 타측에 배기가스 배출구가 구비된 하우징, 상기 배기가스 처리공간에 수용되는 담체 및 상기 담체의 표면에 형성되며, 상기 배기가스 유입구로부터 유입된 배기가스를 처리하는 금속산화물 나노구조체 촉매를 포함할 수 있다. 따라서, 담체의 표면에 나노구조체 촉매가 형성됨으로써 촉매 변환 할 수 있는 면적을 증가시켜 정화 효율을 향상시킬 수 있는 바, 귀금속 촉매 대신 비귀금속 촉매를 사용하여도 충분한 정화 효율을 갖는 배기가스 처리장치를 제공한다. 또한, 비귀금속 촉매 중 산화코발트를 촉매로 사용함으로써 냉간 시동 시의 문제점을 완화시킬 수 있다.

Description

배기가스 처리장치{Exhaust gas treatment apparatus}
본 발명은 배기가스 처리장치에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 금속산화물 나노구조체 촉매를 이용한 배기가스 처리장치에 관한 것이다.
배기가스 처리장치 중 자동차 배기가스 후처리 장치는 자동차의 주행 중에 발생하는 유해물질, 예를 들어 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 탄화수소(HC)를 촉매를 이용하여 안정적인 물질인 이산화탄소(CO2), 물(H2O), 질소(N2)로 정화시키는 장치이다.
대한민국 공개특허 제10-2013-0032349(2013.04.26.)와 같이 일반적인 자동차 배기가스 후처리 장치는 담체에 촉매를 담지하여 촉매층을 형성하는 방식이 사용되고 있다.
이때 사용되는 촉매 물질은 주로 귀금속인 백금(Pt), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd)으로 구성되어 왔으며, 귀금속 촉매의 장점인 뛰어난 정화효율과 안정성으로 각광을 받아왔다.
그러나, 귀금속 촉매는 재료의 희소성으로 인한 높은 가격으로 자동차 배기가스 후처리 장치의 단가를 높이는 원인이 되고, 낮은 온도에서 촉매의 활성이 어려워 냉간 시동 시 유해물질이 정화되지 않고 배출되는 문제점이 있다.
한편, 이러한 귀금속 촉매 대신 비귀금속 촉매를 사용하게 될 경우 일반적으로 유해물질의 정화효율이 귀금속 촉매보다 떨어지게 된다. 따라서, 귀금속 촉매 대신 비귀금속 촉매를 사용하기 위하여는 유해물질의 정화효율을 향상시킬 수 있는 보완책이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 촉매 물질로 귀금속 물질 대신에 비귀금속 물질로 사용하여도 유해물질을 충분히 정화시킬 수 있는 배기가스 처리장치를 제공함에 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 배기가스 처리장치를 제공한다. 이러한 배기가스 처리장치는 내부에 배기가스 처리공간을 가지며, 일측에 배기가스 유입구가 구비되고, 타측에 배기가스 배출구가 구비된 하우징, 상기 배기가스 처리공간에 수용되는 담체 및 상기 담체의 표면에 형성되며, 상기 배기가스 유입구로부터 유입된 배기가스를 처리하는 금속산화물 나노구조체 촉매를 포함할 수 있다.
상기 배기가스는 CO, HC 또는 NOx를 포함할 수 있다.
상기 담체는 벌집 구조 또는 그물구조망 형태일 수 있다.
상기 금속산화물은 비귀금속 물질의 산화물인 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 금속산화물은 산화코발트, 산화구리 또는 산화철을 포함할 수 있다. 또한, 상기 나노구조체는 나노선, 나노로드, 나노판, 나노파인 또는 나노벽을 포함할 수 있다.
상기 금속산화물 나노구조체 촉매는 수열합성법을 이용하여 상기 담체의 표면에 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 수열합성법을 이용하여 담체의 표면에 나노구조체 촉매를 형성함으로써 촉매 변환 할 수 있는 면적을 증가시켜 정화 효율을 향상시킬 수 있는 배기가스 처리장치를 제공한다.
또한, 이러한 나노 구조체 촉매를 이용함으로써, 귀금속 촉매 대신 비귀금속 촉매를 사용하여도 충분한 정화 효율을 갖는 배기가스 처리장치를 제공한다.
따라서, 이러한 비귀금속 촉매를 사용함으로써, 귀금속 촉매에 비해 저렴한 가격으로 동등한 성능의 배기가스 후처리 장치를 제작할 수 있다.
나아가, 비귀금속 촉매 중 산화코발트를 촉매로 사용함으로써 냉간 시동 시의 문제점을 완화시킬 수 있다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 처리장치를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 배기가스 처리장치용 담체 표면에 금속산화물 나노구조체를 형성하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 제조예 1에 따라 제조된 산화코발트 나노선 촉매의 SEM 이미지이다.
도 4는 제조예 2에 따라 제조된 표면에 산화코발트 나노선 촉매가 형성된 그물 구조망의 담체의 SEM 이미지이다.
도 5는 수열합성법을 이용하여 형성한 금속산화물 나노구조체들의 SEM 이미지들이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 처리장치를 설명하기 위한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 처리장치는 배기가스 처리공간을 가지는 하우징(100)과 이러한 하우징(100) 내부에 수용되어 배기가스를 정화 처리하는 촉매(300)를 포함하는 담체(200)를 포함한다.
하우징(100)은 내부에 배기가스 처리공간(110)을 가지며, 일측에 배기가스 유입구(120)가 구비되고, 타측에 배기가스 배출구(130)가 구비된다.
예를 들어, 이러한 배기가스는 자동차 엔진으로부터 배출된 배기가스일 수 있다. 이러한 배기가스는 CO, HC 또는 NOx를 포함할 수 있다.
이러한 유해물질을 포함하는 배기가스는 하우징(100)의 일측에 위치하는 배기가스 유입구(120)를 통하여 배기가스 처리공간(110)으로 유입되어, 후술하는 담체(200)에 형성된 촉매(300)에 의해 정화되어 하우징(100)의 타측에 위치하는 배기가스 배출구(130)를 통하여 외부로 배출된다. 예를 들어, CO, NOx, HC를 포함하는 배기가스가 본 발명 배기가스 처리장치의 하우징(100)을 통과하면서 하우징(100) 내에 수용된 담체(200)에 형성된 촉매(300)에 의해 안정적인 물질인 이산화탄소(CO2), 물(H2O), 질소(N2)로 정화되어 배기가스 배출구(130)로 배출될 수 있다.
담체(200)는 이러한 하우징(100) 내부 즉, 배기가스 처리공간(110)에 수용된다. 이러한 담체(200)는 금속산화물 나노구조체 촉매(300)가 형성되는 지지체로써, 이러한 담체(200)의 표면에는 금속산화물 나노구조체 촉매(300)가 형성된다. 바람직하게 담체(200)의 표면 전부에 금속산화물 나노구조체 촉매(300)가 형성될 수 있다.
또한, 금속산화물 나노구조체 촉매(300)가 형성되는 면적을 증가시키기 위하여 담체(200)는 벌집 구조 또는 그물구조망 형태로 구비될 수 있다. 또한, 예를 들어 이러한 담체(200)는 스테인리스 강 또는 알루미늄으로 구성될 수 있다. 또 다른 예로 이러한 담체(200)는 세라믹 담체일 수 있다.
금속산화물 나노구조체 촉매(300)는 담체(200)의 표면에 형성되며, 배기가스 유입구(120)로부터 유입된 배기가스를 정화 처리하는 역할을 한다.
이때의 금속산화물은 귀금속 물질 또는 비귀금속 물질의 산화물일 수 있다. 바람직하게 금속산화물은 비귀금속 물질의 산화물일 수 있다. 예를 들어, 이러한 금속산화물은 산화코발트, 산화구리 또는 산화철을 포함할 수 있다. 바람직하게, 산화코발트를 촉매로 이용할 수 있다. 이러한 산화코발트는 귀금속물질에 비하여 저렴한 가격으로 제작가능하고, 약 -75 ℃에서부터 일산화탄소(CO) 산화 가능한 저온 활성 특성에 의해 약 150 ℃에서 일산화탄소(CO) 100% 산화, 일산화질소(NO) 약 50% 환원이 가능한 바, 냉간 시동시 정화효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 이때의 금속산화물 나노구조체는 나노선(nanowire), 나노로드(nanorod), 나노판(nanoplate), 나노파인(nanopine) 또는 나노벽(nanowall)을 포함할 수 있다. 따라서, 담체(200)의 표면에 촉매를 박막 형태로 형성되는 것보다 나노구조체 형태로 형성됨으로써, 촉매 변환 할 수 있는 면적이 증가되므로 정화 효율이 보다 향상될 수 있다.
도 2는 배기가스 처리장치용 담체 표면에 금속산화물 나노구조체를 형성하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 먼저, 배기가스 처리장치용 담체를 준비한다(S100). 이러한 담체는 벌집구조 또는 그물구조망일 수 있다.
그 다음에 금속산화물 전구체가 용해된 금속산화물 전구체 용액에 상기 담체를 투입한다(S200). 예를 들어 금속산화물 전구체는 코발트산화물 전구체일 수 있다. 예를 들어, 증류수에 질산 코발트 6수화물(Cobalt Nitrate Hexahydrate), 요소(Urea)를 용해시킨 전구체 용액에 그물구조망 형태의 담체를 투입할 수 있다. 만일, 담체 중 접착력(adhesion)이 떨어지는 재질(유리)인 경우에는 접착보조제로서 예컨대, 불화 암모늄(Ammonium Fluoride)을 전구체 용액에 용해시켜 담체와 산화 코발트 나노선 촉매 사이의 접착력을 높일 수 있다.
그 다음에, 담체가 투입된 금속산화물 전구체 용액을 저온 상태에서 가열할 수 있다(S300). 이때의 저온 가열 단계는 담체의 표면에 금속 나노구조체를 성장시키는 단계로서, 이때의 저온 가열 온도 100 ℃ 내지 130 ℃ 일 수 있다.
또한, 이때의 가열 시간은 온도에 따라서 달라지는데 보통 5시간 내지 15시간일 수 있다. 예를 들어, 120 ℃에서 가열할 경우 이때의 가열 시간은 10시간 내지 15시간일 수 있다.
이 때, 성장되는 금속 나노구조체는 수열합성법에서 용액의 농도, 반응시간 등의 조건을 조절하여 다양한 형상으로 성장시킬 수 있다. 예를 들어, 일정 농도의 첨가물이 투입된 용액에 담체를 투입하여 수열합성한 경우, 담체 표면에 나노선 형태의 나노구조체가 성장될 수 있다.
그 다음에 담체를 용액에서 꺼내 잔해물을 제거할 수 있다(S400). 이때, 물을 이용하여 잔해물을 제거할 수 있다.
그 다음에, 잔해물을 제거한 담체를 고온 상태에서 가열할 수 있다. 이러한 고온 가열 단계는 금속 나노구조체를 산화시켜 금속산화물 나노구조체를 형성하는 단계로서, 이때의 고온 가열 온도는 300℃ 내지 400℃ 일 수 있다.
예를 들어, 용액에서 꺼낸 담체를 400 ℃에서 가열하여 코발트 나노구조체를 산화시켜 코발트산화물 나노구조체로 형성할 수 있다. 또한, 이때의 가열 시간은 2시간 내지 4시간일 수 있다. 예를 들어, 이때의 가열 시간은 3시간일 수 있다.
제조예 1
수열합성법을 이용하여 평평한 기판인 알루미늄 기판 상에 산화코발트 나노선 촉매를 제조하였다.
먼저 증류수에 질산 코발트 6수화물(Cobalt Nitrate Hexahydrate)과 요소(Urea)를 용해시켜 전구체 용액를 제작한다.
그 후 이러한 전구체 용액에 알루미늄 기판을 투입하고 저온(100~130℃)에서 10~15시간 가열하여 기판 상에 코발트 나노선 구조체를 제작하였다.
그, 다음에, 저온 반응이 끝난 후 기판을 전구체 용액에서 꺼내 증류수로 잔해물을 제거하였다.
이 후 기판을 고온(300~400℃)에서 2~4시간 가열하여 코발트 나노선을 산화시켜 산화코발트 나노선 촉매를 제조하였다.
도 3은 제조예 1에 따라 제조된 산화코발트 나노선 촉매의 SEM 이미지이다.
도 3을 참조하면, 기판 상에 산화코발트 나노선 촉매가 형성됨을 알 수 있다.
제조예 2
수열합성법을 이용하여 그물구조망 형태의 담체 상에 산화코발트 나노선 촉매를 제조하였다. 이때의 담체의 재질은 스테인리스 강이다.
먼저, 증류수에 질산 코발트 6수화물(Cobalt Nitrate Hexahydrate)과 요소(Urea)를 용해시켜 금속산화물 전구체 용액을 제작하였다.
그 후 금속산화물 전구체 용액에 그물구조망 형태의 담체를 투입하고 저온(100~130℃)에서 10~15시간 가열하여 담체 표면에 코발트 나노선 구조체를 제작하였다.
저온 반응이 끝난 후 담체를 금속산화물 전구체 용액에서 꺼내 증류수로 잔해물을 제거하였다.
이 후 담체를 고온(300~400℃)에서 2~4시간 가열하여 산화시켜 산화코발트 나노선 촉매를 제조하였다.
도 4는 제조예 2에 따라 제조된 표면에 산화코발트 나노선 촉매가 형성된 그물 구조망 담체의 SEM 이미지이다.
도 4를 참조하면, 수열합성법을 이용하여 그물 구조망 담체의 표면에 산화코발트 나노선 촉매가 형성됨을 알 수 있다.
도 5는 수열합성법을 이용하여 형성한 금속산화물 나노구조체들의 SEM 이미지들이다.
도 5를 참조하면, 수열합성법을 이용할 경우 전구체 용액의 적절한 배합을 통해 나노선 구조체뿐만 아니라 마름모 모양의 나노로드(Rhombus like nanorod, 도 5(a)), 나노판(Nanoplate, 도 5(b)), 솔잎 모양의 나노파인(Nanopine, 도 5(c)) 및 나노벽(Nanowall, 도 5(d))을 형성할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명에 따르면, 수열합성법을 이용하여 담체의 표면에 나노구조체 촉매를 형성함으로써 촉매 변환 할 수 있는 면적을 증가시켜 정화 효율을 향상시킬 수 있는 배기가스 처리장치를 제공한다.
또한, 이러한 나노 구조체 촉매를 이용함으로써, 귀금속 촉매 대신 비귀금속 촉매를 사용하여도 충분한 정화 효율을 갖는 배기가스 처리장치를 제공한다.
따라서, 이러한 비귀금속 촉매를 사용함으로써, 귀금속 촉매에 비해 저렴한 가격으로 동등한 성능의 배기가스 후처리 장치를 제작할 수 있다.
나아가, 비귀금속 촉매 중 산화코발트를 촉매로 사용함으로써 냉간 시동 시의 문제점을 완화시킬 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100: 하우징 110: 배기가스 처리공간
120: 배기가스 유입구 130: 배기가스 배출구
200: 담체 300: 금속산화물 나노구조체 촉매

Claims (7)

  1. 내부에 배기가스 처리공간을 가지며, 일측에 배기가스 유입구가 구비되고, 타측에 배기가스 배출구가 구비된 하우징;
    상기 배기가스 처리공간에 수용되는 담체; 및
    상기 담체의 표면에 형성되며, 상기 배기가스 유입구로부터 유입된 배기가스를 처리하는 금속산화물 나노구조체 촉매를 포함하고,
    상기 나노구조체는 나노선, 나노로드, 나노판, 나노파인 또는 나노벽 구조체인 것을 특징으로 하는 배기가스 처리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배기가스는 CO, HC 또는 NOx를 포함하는 배기가스 처리장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 담체는 벌집 구조 또는 그물구조망 형태인 배기가스 처리장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속산화물은 비귀금속 물질의 산화물인 것을 특징으로 하는 배기가스 처리장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속산화물은 산화코발트, 산화구리 또는 산화철을 포함하는 배기가스 처리장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속산화물 나노구조체 촉매는 수열합성법을 이용하여 상기 담체의 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 처리장치.
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