KR102198796B1 - Preparation method of activated carbon using reducing atmosphere - Google Patents

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Abstract

본 발명은 활성탄의 제조방법에 관한 것으로서, 좀 더 자세하게는 금속 유기 골격체를 환원 분위기에서 열처리하여 메조 기공을 갖는 활성탄을 제조하는 방법에 관한 것이다. 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 (1단계) 금속 유기 골격체를 준비하는 단계; (2단계) 상기 금속 유기 골격체를 불활성 가스를 주입하면서 750~850℃ 범위로 승온하는 단계; 및 (3단계) 상기 승온 이후 불활성 가스를 환원성 가스로 교체하여 주입하면서 열처리하는 단계;를 포함하는 활성탄의 제조방법을 제공하다.The present invention relates to a method of manufacturing activated carbon, and more particularly, to a method of manufacturing activated carbon having mesopores by heat-treating a metal organic skeleton in a reducing atmosphere. In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of (Step 1) preparing an organic metal skeleton; (Step 2) raising the temperature of the organic metal skeleton to a range of 750 ~ 850 ℃ while injecting an inert gas; And (Step 3) performing heat treatment while replacing and injecting an inert gas with a reducing gas after the temperature is raised.

Description

환원 분위기를 이용한 활성탄의 제조방법{Preparation method of activated carbon using reducing atmosphere}Preparation method of activated carbon using reducing atmosphere {Preparation method of activated carbon using reducing atmosphere}

본 발명은 활성탄의 제조방법에 관한 것으로서, 좀 더 자세하게는 금속 유기 골격체를 환원 분위기에서 열처리하여 메조 기공을 갖는 활성탄을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing activated carbon, and more particularly, to a method of manufacturing activated carbon having mesopores by heat-treating a metal organic skeleton in a reducing atmosphere.

활성탄은 다양한 크기의 다공성 세공구조를 가진 무정형 탄소로서, 내부 표면에서 일어나는 물리적 흡착에 기인한 흡착제로써 사용되는 것뿐만 아니라 탈취, 탈색 및 촉매 등으로 널리 사용되고 있으며, 혼합물의 분리, 정제에도 사용되는 등, 활성탄의 용도는 폐가스처리, 휘발성 용제회수, 독성 유기물질 제거 및 농업용 정수처리용 등 그 사용용도 및 사용량이 점점 확대되고 있어 그 수요가 날로 증가하고 있다.Activated carbon is an amorphous carbon having a porous pore structure of various sizes, not only used as an adsorbent due to physical adsorption occurring on the inner surface, but also widely used as deodorization, decolorization, and catalyst, etc. As for the use of activated carbon, waste gas treatment, recovery of volatile solvents, removal of toxic organic substances, and agricultural water treatment, the use and use of activated carbon are gradually increasing, and the demand is increasing day by day.

그러나, 종래 활성탄은 높은 표면적을 갖지만 좁은 기공 크기로 인해 작은 분자의 물질들만 흡착이 가능하며, 기공 부피가 상대적으로 작아 많은 양의 물질을 흡착할 수 없으며, 막 막힘(fouling) 현상을 유발하는 등의 문제점이 지적되고 있다.However, conventional activated carbon has a high surface area, but can only adsorb small molecules due to its narrow pore size, and its pore volume is relatively small, so it cannot adsorb a large amount of material, causing clogging, etc. The problem of is being pointed out.

이에, 기존의 활성탄의 표면특성을 개질하여 비표면적 및 기공 부피를 증가하는 방법이 연구되고 있으며, 예를 들어 탄산칼륨, 염화아연 등 화학물질을 사용하여 화학적 처리를 수행하고, 질소 가스 주입 조건하에서 600~900℃ 이상의 고온에서 하소하는 방법으로 활성탄의 표면특성을 개질하는 방법 등이 제공되고 있다.Accordingly, a method of increasing the specific surface area and pore volume by modifying the surface characteristics of the existing activated carbon is being studied. For example, a chemical treatment is performed using chemical substances such as potassium carbonate and zinc chloride, and under nitrogen gas injection conditions. A method of modifying the surface properties of activated carbon by calcining at a high temperature of 600 to 900°C or higher has been provided.

그러나 기존의 활성탄의 표면특성을 개질하는 방법은 비표면적 및 기공 부피 면에서 약간의 증가만 있을 뿐 메조 기공이 제대로 확보되지 않는 문제가 있다. 따라서 거대 분자물질의 흡착이 여전히 어려우며, 또한 메조 기공이 없어 대상 물질이 기공 내에 침투하기에 시간이 오래 걸려 효과적인 사용이 제한되는 문제가 있다. 따라서 최근 메조 기공을 갖는 카본 물질이 주목받고 있다. However, the conventional method of modifying the surface properties of activated carbon has a problem in that the mesopores are not properly secured, only a slight increase in the specific surface area and pore volume. Therefore, adsorption of macromolecular substances is still difficult, and there is a problem in that effective use is limited because it takes a long time for the target substance to penetrate into the pores due to no mesopores. Therefore, recently, a carbon material having mesopores is attracting attention.

한편, 금속 유기 골격체는 동일한 크기의 미세기공이 고르게 정렬되어 있는 3차원 다공성 물질로, 금속 유기 골격체의 미세기공들은 지지대 역할을 하는 유기 리간드 물질들이 금속 이온을 중심으로 일정한 간격으로 결합되어 공간을 이루고 있다. 이에 본 발명자들은 금속 유기 골격체의 유기 리간드 물질을 탄화시키고 동시에 중심 금속 이온을 제거하여 메조 기공을 갖는 활성탄을 제조하는 방법을 개발하게 되었다.On the other hand, the metal organic framework is a three-dimensional porous material in which micropores of the same size are evenly arranged. Is achieved. Accordingly, the present inventors have developed a method for producing activated carbon having mesopores by carbonizing an organic ligand material of a metal organic framework and simultaneously removing central metal ions.

대한민국 등록특허 제10-0715873호 (발명의 명칭 : 수퍼캐패시터 전극용 탄소재료의 메조포어 함량 증대 방법, 출원인 : 재단법인 포항산업과학연구원, 등록일 : 2007년05월01일)Republic of Korea Patent Registration No. 10-0715873 (Name of invention: method of increasing the mesopore content of carbon materials for supercapacitor electrodes, Applicant: Pohang Institute of Industrial Science and Technology, registration date: May 1, 2007) 대한민국 등록특허 제10-0885191호 (발명의 명칭 : 철촉매 이온교환법을 이용하는 메조포아 활성탄 제조방법, 출원인 : 충북대학교 산학협력단, 등록일 : 2009년02월17일)Republic of Korea Patent Registration No. 10-0885191 (Name of invention: Mesopoa activated carbon manufacturing method using iron catalyst ion exchange method, Applicant: Chungbuk National University Industry-Academic Cooperation Foundation, registration date: February 17, 2009)

본 발명의 목적은 금속 유기 골격체를 이용하여 저온에서도 비표면적이 우수한 활성탄을 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a method for producing activated carbon having excellent specific surface area even at low temperature using a metal organic skeleton.

본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법을 통해 제조된 메조 기공을 갖는 활성탄을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide an activated carbon having mesopores manufactured through the above manufacturing method.

본 발명은 (1단계) 금속 유기 골격체를 준비하는 단계;The present invention (step 1) preparing a metal organic skeleton;

(2단계) 상기 금속 유기 골격체를 불활성 가스를 주입하면서 750~850℃ 범위로 승온하는 단계; 및(Step 2) raising the temperature of the organic metal skeleton to a range of 750 ~ 850 ℃ while injecting an inert gas; And

(3단계) 상기 승온 이후 불활성 가스를 환원성 가스로 교체하여 주입하면서 열처리하는 단계;를 포함하는 활성탄의 제조방법을 제공하다.It provides a method for producing activated carbon comprising: (Step 3) heat treatment while injecting and replacing the inert gas with a reducing gas after heating.

상기 2단계에서 불활성 가스는 질소인 것이 바람직하며, 승온 속도는 3~7℃/min인 것이 더욱 바람직하다.In the second step, the inert gas is preferably nitrogen, and the heating rate is more preferably 3 to 7° C./min.

상기 3단계에서 환원성 가스는 수소 및 아르곤의 혼합가스인 것이 바람직하며, 상기 혼합가스는 수소가 3~7부피%로 포함되는 것이 더욱 바람직하다.In the third step, the reducing gas is preferably a mixture of hydrogen and argon, and more preferably, the mixed gas contains 3 to 7% by volume of hydrogen.

또한, 상기 3단계에서 열처리는 2~4시간 수행되는 것이 바람직하다.In addition, the heat treatment in step 3 is preferably performed for 2 to 4 hours.

상기 2단계 또는 3단계에서 가스의 주입 속도는 250~350ml/min인 것이 바람직하며, 상기 2단계 또는 3단계의 가스 주입 속도는 같거나 서로 다를 수 있다.The gas injection rate in the second or third step is preferably 250 to 350 ml/min, and the gas injection rate in the second or third step may be the same or different.

본 발명의 활성탄의 제조방법은 상기 3단계에서 승온 이후 불활성 가스를 환원성 가스로 교체하기 전에 불활성 가스 분위기에서 추가로 2~4시간 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method of manufacturing activated carbon of the present invention may further include performing heat treatment in an inert gas atmosphere for an additional 2 to 4 hours after heating in the third step and before replacing the inert gas with a reducing gas.

본 발명의 제조방법을 통해 제조된 활성탄은 4.5nm 이상의 메조 기공을 갖는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 활성탄은 1600~1700m2/g의 총 비표면적 및 300m2/g 이상의 메조 기공에 의한 비표면적을 갖는 것을 특징으로 한다.Activated carbon prepared through the manufacturing method of the present invention is characterized by having mesopores of 4.5 nm or more. In addition, the activated carbon is characterized by having a total specific surface area of 1600 to 1700 m 2 /g and a specific surface area due to mesopores of 300 m 2 /g or more.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 (1단계) 금속 유기 골격체를 준비하는 단계;In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of (Step 1) preparing an organic metal skeleton;

(2단계) 상기 금속 유기 골격체를 불활성 가스를 주입하면서 750~850℃ 범위로 승온하는 단계; 및(Step 2) raising the temperature of the organic metal skeleton to a range of 750 ~ 850 ℃ while injecting an inert gas; And

(3단계) 상기 승온 이후 불활성 가스를 환원성 가스로 교체하여 주입하면서 열처리하는 단계;를 포함하는 활성탄의 제조방법을 제공하다.It provides a method for producing activated carbon comprising: (Step 3) heat treatment while injecting and replacing the inert gas with a reducing gas after heating.

즉, 본원발명은 환원 분위기에서 금속 유기 골격체의 중심금속 성분에 결합하는 유기 리간드 물질을 탄화시키고, 동시에 중심금속을 제거하여 메조 기공을 갖는 활성탄을 제조하는 방법에 관한 것이다.That is, the present invention relates to a method of producing activated carbon having mesopores by carbonizing an organic ligand material that binds to a central metal component of a metal organic skeleton in a reducing atmosphere and removing the central metal at the same time.

상기 1단계에서 금속 유기 골격체는 아연 전구체, 테레프탈산 및 용매를 혼합한 후 가열하여 제조될 수 있으며, 이에 상기 금속 유기 골격체는 아연 또는 산화아연을 중심금속 성분으로 갖는 것을 특징으로 한다. 이때 상기 용매는 금속 유기 골격체의 구조를 무너뜨리지 않는 것이 바람직하며, 예를 들어 클로로폼, 테트라하이드로퓨란, 벤젠, 물, 에탄올, 메탄올, 아세톤, Dimethyl sulfoxide, N,N-Dimethylformamide 및 N,N-Diethylformamide로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.In the first step, the metal organic skeleton may be prepared by mixing a zinc precursor, terephthalic acid, and a solvent, followed by heating, and the metal organic skeleton has zinc or zinc oxide as a central metal component. At this time, the solvent is preferably not to destroy the structure of the metal organic skeleton, for example, chloroform, tetrahydrofuran, benzene, water, ethanol, methanol, acetone, dimethyl sulfoxide, N,N-Dimethylformamide and N,N It may be one or more selected from the group consisting of -Diethylformamide.

상기 2단계에서 불활성 가스는 질소인 것이 바람직하다.In the second step, the inert gas is preferably nitrogen.

또한, 상기 2단계에서 승온 속도는 3~7℃/min인 것이, 승온 온도 범위는 750~850℃인 것이 바람직하다. 상기 승온 온도가 750℃ 미만이면 아연이 증발되지 않아 활성탄의 비표면적이 충분하지 않으며, 850℃를 초과하면 메조 기공이 충분히 형성되지 않아 바람직하지 않다.In addition, in the second step, the heating rate is preferably 3 to 7°C/min, and the temperature raising temperature range is preferably 750 to 850°C. If the heating temperature is less than 750° C., zinc does not evaporate, so that the specific surface area of the activated carbon is not sufficient, and if it exceeds 850° C., mesopores are not sufficiently formed, which is not preferable.

상기 3단계에서 환원성 가스는 수소 및 아르곤의 혼합가스인 것이 바람직하며, 상기 혼합가스는 수소가 3~7부피%로 포함되는 것이 더욱 바람직하다. 상기 혼합가스 내 수소의 함량이 3부피% 미만이면 아연이 증발온도를 낮추기 어려우며, 7부피%를 초과하면 활성탄 내 메조 기공이 충분히 형성되지 않아 바람직하지 않다.In the third step, the reducing gas is preferably a mixture of hydrogen and argon, and more preferably, the mixed gas contains 3 to 7% by volume of hydrogen. If the content of hydrogen in the mixed gas is less than 3% by volume, it is difficult for zinc to lower the evaporation temperature, and if it exceeds 7% by volume, the mesopores in the activated carbon are not sufficiently formed, which is not preferable.

또한, 상기 3단계에서 열처리는 2~4시간 수행되는 것이 바람직하다. 상기 열처리 시간이 2시간 미만일 경우 아연이 충분히 증발되지 않으며, 4시간을 초과하는 경우 경제적이지 못해 바람직하지 않다.In addition, the heat treatment in step 3 is preferably performed for 2 to 4 hours. If the heat treatment time is less than 2 hours, zinc is not sufficiently evaporated, and if it exceeds 4 hours, it is not economical and thus is not preferable.

상기 2단계 또는 3단계에서 가스의 주입 속도는 250~350ml/min인 것이 바람직하며, 상기 2단계 또는 3단계의 가스 주입 속도는 같거나 서로 다를 수 있다.The gas injection rate in the second or third step is preferably 250 to 350 ml/min, and the gas injection rate in the second or third step may be the same or different.

본 발명의 활성탄의 제조방법은 상기 3단계에서 승온 이후 불활성 가스를 환원성 가스로 교체하기 전에 불활성 가스 분위기에서 추가로 2~4시간 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method of manufacturing activated carbon of the present invention may further include performing heat treatment in an inert gas atmosphere for an additional 2 to 4 hours after heating in the third step and before replacing the inert gas with a reducing gas.

본 발명의 제조방법을 통해 제조된 활성탄은 4.5nm 이상의 메조 기공을 갖는 것을 특징으로 한다.Activated carbon prepared through the manufacturing method of the present invention is characterized by having mesopores of 4.5 nm or more.

또한, 상기 활성탄은 총 비표면적이 1600~1700m2/g이며, 메조 기공에 의한 비표면적이 300m2/g 이상인 것을 특징으로 한다. 더욱 바람직하게는 메조 기공에 의한 비표면적인 350m2/g 이상일 수 있다.In addition, the activated carbon has a total specific surface area of 1600 to 1700 m 2 /g, and a specific surface area due to mesopores of 300 m 2 /g or more. More preferably, the specific surface area of the mesopores may be 350m 2 /g or more.

본 발명에서 제공하는 활성탄의 제조방법은 금속 유기 골격체를 환원 분위기에서 탄화시킴으로써 충분한 메조 기공을 갖는 활성탄을 제조하는데 적합한 방법이다.The method for producing activated carbon provided in the present invention is a suitable method for producing activated carbon having sufficient mesopores by carbonizing a metal organic skeleton in a reducing atmosphere.

또한, 상기 제조방법을 통해 낮은 온도에서 우수한 비표면적을 갖는 활성탄을 제조할 수 있으며, 이에 경제적이다. In addition, through the above manufacturing method, activated carbon having an excellent specific surface area can be manufactured at a low temperature, which is economical.

도 1은 실시예 및 비교예에 따라 제조된 활성탄의 TGA 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 실시예 및 비교예에 따라 제조된 활성탄의 흡착등온선 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 실시예 및 비교예에 따라 제조된 활성탄의 공극도분포 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a graph showing TGA measurement results of activated carbon prepared according to Examples and Comparative Examples.
2 is a graph showing the results of adsorption isotherms of activated carbon prepared according to Examples and Comparative Examples.
3 is a graph showing the results of porosity distribution of activated carbon prepared according to Examples and Comparative Examples.

이하 본 발명의 바람직한 실시예을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 내용이 철저하고 완전해지도록, 당업자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제공하는 것이다. Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, it is provided to sufficiently convey the spirit of the present invention to those skilled in the art so that the contents introduced herein are thorough and complete.

제조예. MOF-5 제조Manufacturing example. MOF-5 manufacturing

오토클레이브(autoclave)에 질산아연 6수화물(zinc nitrate hexahydrate) 11.9g, 테레프탈산(terephthalic acid) 2.3g 및 다이메틸폼아마이드(dimethylformamide, DMF) 160ml를 넣고 밀봉하여 120℃로 24시간 가열하여 1mm 크기의 결정체를 제조하였다. 이어서 상기 결정체를 DMF로 수차례 세척한 후 클로로폼(chloroform, CHCl3)으로 세척하여 반응하지 않은 불순물을 제거하였다. 이후 불순물이 제거된 결정체를 150℃에서 24시간 진공 건조하여 MOF-5를 제조하였다.11.9 g of zinc nitrate hexahydrate, 2.3 g of terephthalic acid and 160 ml of dimethylformamide (DMF) were put in an autoclave, sealed, heated at 120° C. for 24 hours, Crystals were prepared. Subsequently, the crystals were washed several times with DMF and then washed with chloroform (CHCl 3 ) to remove unreacted impurities. Thereafter, the crystals from which impurities were removed were vacuum-dried at 150° C. for 24 hours to prepare MOF-5.

실시예 및 비교예. 활성탄 제조Examples and Comparative Examples. Activated carbon manufacturing

실시예 1(800℃, 불활성 가스 주입 후 환원성 가스로 교체 주입)Example 1 (800° C., inert gas injection, then replacement injection with reducing gas)

tube furnace에 상기에서 제조된 MOF-5 2g을 넣은 후 300ml/min의 속도로 N2 가스를 주입하면서 800℃까지 분당 5℃의 승온 속도로 가열하였다. 이어서 800℃ N2 가스 조건하에서 3시간을 더 가열한 후, N2 가스 대신 H2/Ar mix gas(H2 4부피%)를 300ml/min의 속도로 주입하면서 3시간 열처리하였다. 이후 자연 냉각시켜 활성탄을 제조하였다.After putting 2 g of MOF-5 prepared above into a tube furnace, it was heated to 800° C. at a rate of 5° C. per minute while injecting N 2 gas at a rate of 300 ml/min. Subsequently, after further heating for 3 hours under N 2 gas conditions at 800° C., H 2 /Ar mix gas (H 2 4 vol%) was injected instead of N 2 gas at a rate of 300 ml/min, followed by heat treatment for 3 hours. Then, it was naturally cooled to prepare activated carbon.

비교예 1(700℃, 불활성 가스 주입 후 환원성 가스로 교체 주입)Comparative Example 1 (700° C., inert gas injection and then replacement injection with reducing gas)

실시예 1과 동일한 방법으로 활성탄을 제조하되, 700℃의 온도까지 승온하여 활성탄을 제조하였다.Activated carbon was prepared in the same manner as in Example 1, but the temperature was raised to 700°C to prepare activated carbon.

비교예 2(900℃, 불활성 가스 주입 후 환원성 가스로 교체 주입)Comparative Example 2 (900° C., inert gas injection and then replacement injection with reducing gas)

실시예 1과 동일한 방법으로 활성탄을 제조하되, 900℃의 온도까지 승온하여 활성탄을 제조하였다.Activated carbon was prepared in the same manner as in Example 1, but heated to 900°C to prepare activated carbon.

비교예 3(800℃, 불활성 가스 주입)Comparative Example 3 (800°C, inert gas injection)

tube furnace에 상기에서 제조된 MOF-5 2g을 넣은 후 300ml/min의 속도로 N2 가스를 주입하면서 800℃까지 분당 5℃의 승온 속도로 가열하였다. 이어서 700℃ N2 가스 조건하에서 6시간을 더 가열한 후, 자연 냉각시켜 활성탄을 제조하였다.After putting 2 g of MOF-5 prepared above into a tube furnace, it was heated to 800° C. at a rate of 5° C. per minute while injecting N 2 gas at a rate of 300 ml/min. Subsequently, after further heating for 6 hours under 700° C. N 2 gas condition, it was naturally cooled to prepare activated carbon.

비교예 4(900℃, 불활성 가스 주입)Comparative Example 4 (900°C, inert gas injection)

비교예 3과 동일한 방법으로 활성탄을 제조하되, 900℃의 온도까지 승온하여 활성탄을 제조하였다.Activated carbon was prepared in the same manner as in Comparative Example 3, but the temperature was raised to 900°C to prepare activated carbon.

비교예 5(1000℃, 불활성 가스 주입)Comparative Example 5 (1000° C., inert gas injection)

비교예 3과 동일한 방법으로 활성탄을 제조하되, 100℃의 온도까지 승온하여 활성탄을 제조하였다.Activated carbon was prepared in the same manner as in Comparative Example 3, but the temperature was raised to 100°C to prepare activated carbon.

실험예 1. 활성탄의 비표면적 측정Experimental Example 1. Measurement of specific surface area of activated carbon

상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 5에서 제조된 활성탄의 질소 흡착-탈착 등온선 분석(Nitrogen adsorption-desorption isotherm analysis) 결과를 통해 비표면적을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1 및 도 1에 나타내었다.Specific surface area was measured through the results of nitrogen adsorption-desorption isotherm analysis of the activated carbons prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 5, and the results are shown in Table 1 and FIG. .

환원 분위기Reducing atmosphere 질소 분위기Nitrogen atmosphere 비교예 1
(700℃)
Comparative Example 1
(700℃)
실시예 1
(800℃)
Example 1
(800℃)
비교예 2
(900℃)
Comparative Example 2
(900℃)
비교예 3
(800℃)
Comparative Example 3
(800℃)
비교예 4
(900℃)
Comparative Example 4
(900℃)
비교예 5
(1000℃)
Comparative Example 5
(1000℃)
SBET (m2/g)S BET (m 2 /g) 157.3157.3 1673.11673.1 1742.41742.4 187.69187.69 1616.91616.9 2376.52376.5

상기 표 1 및 도 1을 참고하여, 질소 조건하에서 제조된 활성탄의 경우 900℃ 이상에서, 환원성 기체하에서 제조된 활성탄의 경우 800℃부터 비표면적이 증가하는 경향을 보였다.Referring to Table 1 and FIG. 1, in the case of activated carbon prepared under nitrogen conditions, the specific surface area tended to increase from 900°C or higher, and from 800°C in the case of activated carbon prepared under reducing gas.

실험예 2. 활성탄의 TGA 측정Experimental Example 2. TGA measurement of activated carbon

상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 5에서 제조한 활성탄 내 아연의 존재 유무를 확인하기 위해 산소가 포함된 공기 조건에서 열 중량 분석(Thermogravimetric analysis, TGA)하였으며, 그 결과를 하기 표 2 및 도 2에 나타내었다. 이때, 탄소는 600℃ 이하에서 열 분해되며, 그 이상의 온도에서 남아있는 물질은 산화아연(ZnO)이다.In order to check the presence or absence of zinc in the activated carbon prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 5, thermogravimetric analysis (TGA) was performed under air conditions containing oxygen, and the results are shown in Tables 2 and 2 below. Shown in. At this time, carbon is thermally decomposed below 600°C, and the material remaining at a temperature above that is zinc oxide (ZnO).

환원 분위기Reducing atmosphere 질소 분위기Nitrogen atmosphere 비교예 1
(700℃)
Comparative Example 1
(700℃)
실시예 1
(800℃)
Example 1
(800℃)
비교예 2
(900℃)
Comparative Example 2
(900℃)
비교예 3
(800℃)
Comparative Example 3
(800℃)
비교예 4
(900℃)
Comparative Example 4
(900℃)
비교예 5
(1000℃)
Comparative Example 5
(1000℃)
수율(%)yield(%) 52.352.3 11.611.6 7.47.4 42.042.0 7.67.6 3.33.3 TGA-air
남은 양(%)
TGA-air
Remaining Amount (%)
77.977.9 7.27.2 00 80.880.8 26.126.1 5.25.2

상기 표 2 및 도 2를 참고하여, 환원 분위기에서 제조된 활성탄의 경우 800℃에서 아연이 거의 증발되었음을 확인할 수 있었다.Referring to Table 2 and FIG. 2, in the case of activated carbon prepared in a reducing atmosphere, it was confirmed that zinc was almost evaporated at 800°C.

반면 질소 분위기에서만 제조된 활성탄의 경우 800℃에선 탄소만 열분해 될 뿐 아연은 증발되지 않았으며, 900℃ 이상에서 아연이 증발되기 시작하였다.On the other hand, in the case of activated carbon produced only in a nitrogen atmosphere, only carbon was thermally decomposed at 800°C, but zinc did not evaporate, and zinc began to evaporate above 900°C.

이에 본 발명은 통해 상대적으로 저온에서 우수한 비표면적을 갖는 활성탄을 제조하는 방법을 제공하는 것을 확인할 수 있었다.Accordingly, it was confirmed that the present invention provides a method for producing activated carbon having an excellent specific surface area at a relatively low temperature.

실험예 3. 활성탄의 기공 크기에 따른 비표면적 측정Experimental Example 3. Measurement of specific surface area according to pore size of activated carbon

상기 실시예 1, 비교예 2, 비교예 4 및 비교예 5에서 제조된 활성탄의 질소 흡착-탈착 등온선 분석(Nitrogen adsorption-desorption isotherm analysis) 결과를 통해 비표면적, 기공부피를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 3 및 도 3에 나타내었다.Specific surface area and pore volume were measured through the results of nitrogen adsorption-desorption isotherm analysis of the activated carbons prepared in Example 1, Comparative Example 2, Comparative Example 4, and Comparative Example 5. It is shown in Table 3 and FIG. 3 below.

Vtotal
(cm3/g)
V total
(cm 3 /g)
SBET
(m2/g)
S BET
(m 2 /g)
SMicro
(m2/g)
S Micro
(m 2 /g)
SMeso
(m2/g)
S Meso
(m 2 /g)
SMacro
(m2/g)
S Macro
(m 2 /g)
Dp
(nm)
D p
(nm)
실시예 1Example 1 1.971.97 1673.11673.1 1025.01025.0 388.7388.7 259.4259.4 4.734.73 비교예 2Comparative Example 2 1.821.82 1742.41742.4 1421.01421.0 195.6195.6 125.8125.8 4.184.18 비교예 4Comparative Example 4 1.611.61 1616.91616.9 1288.21288.2 208.9208.9 119.8119.8 3.983.98 비교예 5Comparative Example 5 2.242.24 2376.52376.5 1983.51983.5 252.7252.7 140.3140.3 3.773.77 micro pore ( < 2nm), meso pore ( 2 ~ 50nm), macro pore ( > 50nm)
SBET: specific surface area calculated using Brunauer-Emmett-Teller (BET) equation at a relative pressure range of 0.04-0.2.
VTotal: total pore volume is estimated at a relative pressure P/P0 = 0.990.
SMicro: t-plot micropore area.
SMeso: calculated from desorption curve by BJH-method.
SMacro: calculated from BET surface area subtracting to micropore and mesopore area.
DP : average pore diameter
micro pore (<2nm), meso pore (2 ~ 50nm), macro pore (> 50nm)
S BET : specific surface area calculated using Brunauer-Emmett-Teller (BET) equation at a relative pressure range of 0.04-0.2.
V Total : total pore volume is estimated at a relative pressure P/P 0 = 0.990.
S Micro : t-plot micropore area.
S Meso : calculated from desorption curve by BJH-method.
S Macro : calculated from BET surface area subtracting to micropore and mesopore area.
D P : average pore diameter

표 3을 참고하여, 환원 분위기에서 제조된 활성탄 중 800℃의 환원 분위기에서 제조된 활성탄(실시예 1)의 경우 비표면적이 1673.1mg2/g으로 900℃의 질소 분위기에서 제조된 활성탄(비교예 4)과 유사한 결과를 나타내었다. 즉, 본 발명은 환원 분위기에서 활성탄을 제조함으로써 상대적으로 저온에서 우수한 비표면적을 갖는 활성탄을 제공할 수 있다.Referring to Table 3, of activated carbon prepared in a reducing atmosphere, activated carbon prepared in a reducing atmosphere at 800° C. (Example 1) had a specific surface area of 1673.1 mg 2 /g, and activated carbon prepared in a nitrogen atmosphere at 900° C. (Comparative Example Results similar to 4) were shown. That is, the present invention can provide activated carbon having an excellent specific surface area at a relatively low temperature by preparing activated carbon in a reducing atmosphere.

또한, 실시예 1의 경우 메조 기공에 의한 비표면적이 388.7m2/g이며, 이는 같은 환원 분위기에서 제조되었으나 승온 온도가 900℃인 비교예 2의 활성탄은 메조 기공에 의한 비표면적인 195.6m2/g으로 매우 큰 차이를 나타내었다. 이에 본 발명은 메조 기공을 갖는 활성탄을 제조하는데 적합하다.In addition, in the case of Example 1, the specific surface area due to mesopores was 388.7 m 2 /g, which was prepared in the same reducing atmosphere, but the activated carbon of Comparative Example 2 having a heating temperature of 900°C was 195.6 m 2 /g showed a very large difference. Accordingly, the present invention is suitable for producing activated carbon having mesopores.

Claims (12)

(1단계) 중심금속으로 아연 또는 산화아연을 포함하는 금속 유기 골격체를 준비하는 단계;
(2단계) 상기 금속 유기 골격체를 불활성 가스를 주입하면서 750~850℃ 범위로 승온하는 단계; 및
(3단계) 상기 승온 이후 불활성 가스를 환원성 가스로 교체하여 주입하면서 2 내지 4시간 동안 열처리하는 단계;를 포함하며,
활성탄의 총 비표면적이 1600~1700m2/g이며, 메조 기공에 의한 비표면적이 300m2/g 이상인 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
(Step 1) preparing a metal organic framework containing zinc or zinc oxide as a core metal;
(Step 2) raising the temperature of the organic metal skeleton to a range of 750 ~ 850 ℃ while injecting an inert gas; And
(Step 3) heat-treating for 2 to 4 hours while injecting and replacing the inert gas with a reducing gas after the temperature is raised; includes,
A method for producing activated carbon, characterized in that the total specific surface area of the activated carbon is 1600 to 1700 m 2 /g, and the specific surface area by mesopores is 300 m 2 /g or more.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 금속 유기 골격체의 중심금속 성분에 결합하는 유기 리간드 물질은 탄화되고, 중심금속은 증발되어 메조 기공을 형성하는 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
The method of claim 1,
An organic ligand material that binds to the central metal component of the organic metal framework is carbonized, and the central metal is evaporated to form mesopores.
제1항에 있어서,
상기 활성탄은 4.5nm 이상의 메조 기공을 갖는 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
The method of claim 1,
The method for producing activated carbon, characterized in that the activated carbon has mesopores of 4.5 nm or more.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 2단계에서 불활성 가스는 질소인 것을 특징으로 하는 메조 기공을 갖는 활성탄의 제조방법.
The method of claim 1,
The method of manufacturing activated carbon having mesopores, characterized in that the inert gas in the second step is nitrogen.
제1항에 있어서,
상기 3단계에서 환원성 가스는 수소 및 아르곤의 혼합가스인 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
The method of claim 1,
In the third step, the reducing gas is a mixed gas of hydrogen and argon.
제7항에 있어서,
상기 혼합가스는 수소가 3~7부피%로 포함되는 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
The method of claim 7,
The method for producing activated carbon, characterized in that the mixed gas contains 3 to 7% by volume of hydrogen.
제1항에 있어서,
상기 2단계 또는 3단계에서 가스의 주입 속도는 250~350ml/min인 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
The method of claim 1,
The method of manufacturing activated carbon, characterized in that the injection rate of the gas in the second or third step is 250 to 350 ml/min.
제1항에 있어서,
상기 2단계에서 승온 속도는 3~7℃/min인 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
The method of claim 1,
The method for producing activated carbon, characterized in that the temperature increase rate in the second step is 3 to 7°C/min.
제1항에 있어서,
상기 3단계에서 열처리는 2~4시간 수행하는 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
The method of claim 1,
The method for producing activated carbon, characterized in that the heat treatment in the third step is performed for 2 to 4 hours.
제1항에 있어서,
상기 3단계에서 승온 이후 환원성 가스로 교체하기 전에 불활성 가스 분위기에서 추가로 2~4시간 더 열처리하는 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
The method of claim 1,
The method of manufacturing activated carbon, characterized in that heat treatment is further performed for 2 to 4 hours in an inert gas atmosphere after the temperature is raised in the third step before replacing with a reducing gas.
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