KR101084666B1 - 탄소나노튜브와 수소가스를 생산하는 필터반응장치 및 이를 이용하여 메탄으로부터 탄소나노튜브와 수소가스를 생산하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브와 수소가스를 생산하는 필터반응장치 및 이를 이용하여 메탄으로부터 탄소나노튜브와 수소가스를 생산하는 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 메탄가스에 촉매나노입자를 혼합해 반응기에 투입하고, 상기 반응기 내에 열을 가함으로써 탄소와 수소를 분리시키되 분리된 탄소성분은 촉매에 흡착 성장되도록 하여 나노튜브가 형성되게 하고 분리된 수소는 필터를 통과하여 포집하여 수소가스를 수취하는 과정에서 추가적으로 탄소나노튜브를 수취할 수 있게 한 것이다. 또한 본 발명은 반응에 투입되는 금속촉매가 메탄의 열분해온도를 낮출수 있어 수소생산에 소요되는 열에너지를 줄일 수 있고, 부가적으로 고가의 탄소나노튜브를 수취할 수 있어 동시 생산되는 수소가스의 생산비용을 낮출수 있어 가격경쟁력을 확보할 수 있으며, 생산과정에서 이산화탄소가 생성되지 않아 환경오염을 방지할 수 있는 필터반응장치 및 그 생산방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 필터반응장치는, 메탄가스를 이용하여 탄소나노튜브와 수소가스를 생산하는 필터반응장치에 있어서, 하단이 상광하협의 원추형의 호퍼부가 형성된 통체로, 외측면에는 히팅부가 설치되어 내부에 열을 가하도록 하고, 내부에는 격벽이 설치되어 내부공간을 상하구획하고, 상기 격벽은 그 하부면에 필터가 장착되어 하부공간의 기체를 필터링하여 상측으로 공급하는 반응챔버와; 상기 반응챔버의 하부에 위치하여 상기 호퍼부와 연통되고 연결부위에는 밸브를 설치하여 개폐가 이루어지도록 하여 반응챔버에서 반응하고 남은 고체 분말을 유입받아 저장하는 저 장챔버와; 상기 반응챔버의 측면에 연통설치되어 메탄가스를 반응챔버내부로 공급하는 공급관과; 상기 공급관의 유로상에 설치되어 공급되는 메탄가스에 촉매나노입자를 공급하는 촉매나노입자 발생기와; 상기 반응챔버의 구획된 상부공간에 연통되어 필터링된 수소가스를 배출하는 수소가스배출관과; 상기 저장챔버와 연통되어 저장된 고체분말을 배출하는 분말배출관;을 포함하여 구성된다.

필터반응장치, 메탄가스, 탄소나노튜브, 동시생산, 열분해

Description

탄소나노튜브와 수소가스를 생산하는 필터반응장치 및 이를 이용하여 메탄으로부터 탄소나노튜브와 수소가스를 생산하는 방법{Filter Reaction Apparatus for Producing Carbon Nano Tube and Hydrogen Gas and Production Method for Carbon Nano Tube and Hydrogen Gas from Methane Gas using Thereof}

본 발명은 탄소나노튜브와 수소가스를 생산하는 필터반응장치 및 이를 이용하여 메탄으로부터 탄소나노튜브와 수소가스를 생산하는 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 메탄가스에 촉매나노입자를 혼합해 반응기에 투입하고, 상기 반응기 내에 열을 가함으로써 탄소와 수소를 분리시키되 분리된 탄소성분은 촉매에 흡착 성장되도록 하여 나노튜브가 형성되게 하고 분리된 수소는 필터를 통과하여 포집하여 수소가스를 수취하는 과정에서 추가적으로 탄소나노튜브를 수취할 수 있게 한 것이다. 또한 본 발명은 반응에 투입되는 금속촉매가 메탄의 열분해온도를 낮출수 있어 수소생산에 소요되는 열에너지를 줄일 수 있고, 부가적으로 고가의 탄소나노튜브를 수취할 수 있어 동시 생산되는 수소가스의 생산비용을 낮출수 있어 가격경쟁력을 확보할 수 있으며, 생산과정에서 이산화탄소가 생성되지 않아 환경오염을 방지할 수 있는 필터반응장치 및 그 생산방법에 관한 것이다.

천연가스는 약 90%가 메탄(CH₄) 가스로 구성되어 있으며, 고온의 분위기에서 열분해하여 수소와 탄소를 직접 생산할 수 있다.

상기 수소를 생산하는 방법으로는 수증기를 촉매로 사용하여 개질시키는 방법과, 플라즈마를 이용하는 방법이 있다. 상기 수증기를 촉매로 사용하는 방법은 현재 전 세계 수소생산공정의 40%를 차지하고 있는 검증된 상용화 공정이지만, 공정이 매우 복잡하며 수증기를 사용함에 따라 반응공정상에서 이산화탄소가 발생되어 이를 처리하는 비용이 필수적으로 요구되기 때문에 수소생산단가가 높아지는 단점이 있다.

다음으로 플라즈마를 이용한 고온열분해공정은 메탄 열분해과정에서 이산화탄소가 발생되지 않는 장점이 있으나, 메탄의 열분해에 다량의 에너지를 공급해야되기 때문에 수소생산비용이 증대된다. 물론 반응과정에서 부산물로 생산되는 카본블랙에 의해 경제적 가치로 인해 최종적인 수소생산비용을 절감할 수 있다.

따라서 상기 플라즈마를 이용한 방법과 같이 순수한 수소생산 뿐만 아니라 반응에서 발생되는 부가적인 고부가가치적 생산물을 수취하여 최종적으로는 수소생산비용을 절감시킬 수 있는 방향으로 연구가 진행되고 있다.

그 중 일부분이 수소생산 함과 동시에 탄소나노튜브를 합성하는 방법이 개발되고 있지만, 대부분 공정들이 탄화수소 가스의 촉매 열분해를 통하여 탄소나노튜 브를 합성한 후 장치의 운전을 중단시키고 탄소나노튜브를 포집하는 등 비연속식인 batch 방식을 갖고 있다.

따라서, 상기 메탄으로부터 수소가스를 생산하는 과정에서 탄소나노튜브를 수취하도록 하되 수소가스를 연속적으로 생산하면서 탄소나노튜브를 수취하여 생산효율을 극대화시킬 수 있는 연구개발이 필요하다.

상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 탄소나노튜브와 수소가스를 생산하는 필터반응장치는,

메탄가스를 이용하여 탄소나노튜브와 수소가스를 생산하는 필터반응장치에 있어서, 하단이 상광하협의 원추형의 호퍼부가 형성된 통체로, 외측면에는 히팅부가 설치되어 내부에 열을 가하도록 하고, 내부에는 격벽이 설치되어 내부공간을 상하구획하고, 상기 격벽은 그 하부면에 필터가 장착되어 하부공간의 기체를 필터링하여 상측으로 공급하는 반응챔버와; 상기 반응챔버의 하부에 위치하여 상기 호퍼부와 연통되고 연결부위에는 밸브를 설치하여 개폐가 이루어지도록 하여 반응챔버에서 반응하고 남은 고체 분말을 유입받아 저장하는 저장챔버와; 상기 반응챔버의 측면에 연통설치되어 메탄가스를 반응챔버내부로 공급하는 공급관과; 상기 공급관의 유로상에 설치되어 공급되는 메탄가스에 촉매나노입자를 공급하는 촉매나노입자 발생기와; 상기 반응챔버의 구획된 상부공간에 연통되어 필터링된 수소가스를 배출하는 수소가스배출관과; 상기 저장챔버와 연통되어 저장된 고체분말을 배출하는 분 말배출관;을 포함하여 구성된다.

또한, 필터반응장치를 이용하여 메탄으로부터 탄소나노튜브와 수소가스를 생산하는 방법은,

필터가 설치된 반응챔버와 밸브의 개폐가 이루어지는 저장챔버가 수직으로 설치된 반응장치를 이용하여 메탄으로부터 탄소나노튜브와 수소가스를 생산하는 방법에 있어서, 메탄가스에 촉매나노입자를 혼합하는 단계와; 상기 촉매나노입자가 혼합된 메탄가스를 반응챔버에 투입한 후 열을 가하여 탄소와 수소를 분리시키는 열분해단계와; 상기 분리된 수소가스는 반응챔버에 설치된 필터로 필터링하여 탄소가 제거된 수소를 수취하는 수소수취단계와; 상기 열분해단계에서 분리된 탄소성분은 촉매나노입자에 흡착되어 반응챔버의 필터 표면에 부착되고, 부착된 촉매나노입자를 촉매활성점으로 하여 탄소나노튜브 합성과 성장이 이루어지는 탄소나노튜브 성장단계와; 상기 필터표면으로부터 탈거된 탄소나노튜브를 포집하여 하부의 저장챔버로 저장하는 저장단계;를 포함하여 이루어진다.

이상에서 상세히 기술한 바와 같이 본 발명의 탄소나노튜브와 수소가스를 생산하는 필터반응장치 및 이를 이용하여 메탄으로부터 탄소나노튜브와 수소가스를 생산하는 방법은,

메탄가스에 촉매나노입자를 혼합해 반응기에 투입하고, 상기 반응기 내에 열을 가함으로써 탄소와 수소를 분리시키되 분리된 탄소성분은 촉매에 흡착 성장되도 록 하여 나노튜브가 형성되게 하고 분리된 수소는 필터를 통과하여 포집하여 수소가스를 수취하는 과정에서 추가적으로 탄소나노튜브를 수취할 수 있게 한 것이다. 또한 본 발명은 반응에 투입되는 금속촉매가 메탄의 열분해온도를 낮출수 있어 수소생산에 소요되는 열에너지를 줄일 수 있고, 부가적으로 고가의 탄소나노튜브를 수취할 수 있어 동시 생산되는 수소가스의 생산비용을 낮출수 있어 가격경쟁력을 확보할 수 있으며, 생산과정에서 이산화탄소가 생성되지 않아 환경오염을 방지할 수 있는 유용한 장치 및 방법의 제공이 가능하게 된 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1을 참조한 바와같이 본 발명에 따른 필터반응장치(10)는, 하단이 상광하협의 원추형으로 형성된 호퍼부(21)를 갖는 반응챔버(20)를 구비한다. 상기 반응챔버는 외측면에 히팅부(22)를 설치하여 내부에 열에너지가 전달되도록 하여 유입되는 메탄가스를 구성하는 탄소와 수소 원자를 분리하도록 한다. 상기 반응챔버(20)의 내부에는 격벽(23)을 설치하여 내부공간을 상하부로 구획한다. 상기 설치된 격벽의 하부면에는 필터(24)가 더 장착되어 반응에 의해 분리된 가스를 필터링하여 수소가스만 상부공간으로 유입되도록 한다. 상기 필터는 다양한 형태로 형성하는 것이 가능하며, 분리 가스와의 접촉면적을 증가시키기 위해 원통형과 같이 돌출된 형태로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 반응챔버(20)의 하부에는 저장챔버(30)가 연통설치된다. 상기 저장챔버는 반응챔버의 호퍼부와 연통되고, 연결된 부분에는 밸브(31)를 설치하여 유로 개폐를 단속하도록 한다. 따라서, 상기 반응챔버(20)의 호퍼부(21)에 적재되는 탄소나노튜브(80)가 밸브(31)의 개폐에 의해 저장챔버(30)로 유입되도록 한다. 이 때 상기 밸브(31)는 로터리밸브를 사용하여 반응챔버에서의 열분해반응을 중단하지 않고, 로터리밸브의 작동만으로 반응챔버의 압력손실을 최소화하면서 호퍼부(21)에 포집된 탄소나노튜브(80)를 저장챔버(30)로 공급할 수 있다.

다음으로 상기 반응챔버(20)의 측면에는 메탄가스를 반응챔버의 내부로 공급하는 필터(24)이 연통 설치되고, 상기 공급관의 유로상에는 촉매나노입자발생기(50)가 설치되어 공급되는 메탄가스에 촉매나노입자를 혼합 공급하도록 한다.

따라서, 상기 촉매나노입자가 혼합된 메탄가스는 히팅부에 의해 고온분위기를 갖는 반응챔버(20)로 유입되어 탄소와 수소로 분리되는 열분해반응이 이루어진다. 상기 열분해된 성분은 필터(24)에 의해 필터링되어 가스성분은 격벽의 상부공간으로 이동하고, 촉매나노입자 및 탄소성분은 필터에 흡착된다. 이 때 상기 촉매나노입자는 촉매활성점이 되어 탄소가 흡착되고 탄소나노튜브(80)의 합성과 성장이 이루어진다.

상기 필터(24)를 통과한 수소가스는 격벽(23) 상부공간과 연통된 수소가스배출관(60)을 통해 외부의 저장소 또는 사용처로 이송되고, 필터에 흡착된 촉매나노입자를 포함한 탄소나노튜브(80) 분말은 탈진에 의해 반응챔버의 하부 호퍼부(21)로 포집된다. 상기 포집된 탄소나노튜브는 밸브(31)의 개폐에 의해 호퍼부의 하부 에 연통된 저장챔버(30)로 투입되어 저장되며, 저장된 탄소나노튜브는 분말배출관(70)으로 배출되어 별도로 저장되거나 다른 가공이 이루어지도록 하는 공정이 수행될 수 있다.

또한, 상기 탈진은 반응챔버에 설치된 탈진노즐(25)에 의해 이루어진다. 상기 탈진노즐은 반응챔버 중 격벽으로 분리된 상부공간에 설치되며, 바람직하게는 탈진노즐의 분사방향이 격벽에 설치된 필터(24) 내측을 향하도록 하는 것이다. 상기 탈진노즐(25)은 탈진가스저장조로부터 탈진가스를 공급받아 분사가 이루어지도록 하고, 유로의 단속을 탈진밸브(27) 바람직하게는 전자적인 개폐조절이 가능한 솔레노이드밸브를 사용하는 것이다.

아울러 상기 탈진밸브(27)는 격벽으로 구획된 상하부공간을 각각 측정하는 차압계(26)와 연동하여 구동이 이루어지도록 한다. 상기 차압계(26)는 반응챔버 상하부공간의 압력을 측정하여 부하가 일정수준 이상일 때 메탄가스의 공급을 중단하고 탈진이 이루어지도록 하여 필터(24)에 흡착된 탄소나노튜브(80)를 탈거한 후 메탄가스를 재공급하여 열분해반응이 이루어지도록 하는 것이다. 이러한 작용을 하는 탈진노즐(25)은 도시된 바와같이 하나의 노즐을 구비하여 분사가 이루어지도록 하거나 탈진노즐을 외주면에 다수의 통공이 형성된 관형태로 하여 필터내부에 삽입한 후 측면으로 분사가 이루어져 필터의 탈진이 이루어지도록 하는 등 필터의 형상에 따라 다양한 형태로 형성할 수 있다.

다른 실시예로는 상기 필터의 재질을 금속재질의 필터를 사용하여 촉매나노입자의 공급없이 금속필터표면을 환원처리하여 활성화시킴으로써 탄소와 수소를 분 리하여 수소생산을 하고, 동시에 촉매활성점인 표면으로부터 탄소나노튜브를 합성하도록 할 수 있다. 필터는 스테인리스 스틸 재질로 이루어진 필터를 포함한다.

한편 본 발명에 따른 메탄으로부터 탄소나노튜브와 수소가스를 생산하는 방법은, 도 2를 참조한 바와같이 필터가 설치된 반응챔버와 밸브의 개폐가 이루어지는 저장챔버가 수직으로 설치된 반응장치를 이용하여 메탄으로부터 탄소나노튜브와 수소가스를 생산하는 방법에 있어서, 메탄가스에 촉매나노입자를 혼합하는 단계(S1)가 선행되어 이루어진다. 상기 단계에서는 메탄가스 또는 천연가스를 촉매나노입자발생기에 통과시킴으로써 가스 내에 촉매나노입자가 혼합되도록 한다.

상기 혼합단계 다음으로는 열분해단계(S2)가 수행된다. 상기 열분해단계는 반응챔버의 내부를 고온분위기로 형성한 후 촉매나노입자가 혼합된 메탄가스를 유입되게 하여 열분해반응이 이루어지도록 하는 단계이다. 예컨대 상기 고열의 반응챔버에 유입된 촉매나노입자가 혼합된 메탄가스는 열을 흡수하면서 탄소와 수소가 분리된다. 여기서 상기 일반적인 반응챔버는 850~1700℃의 고온분위기를 유지시켜 열분해반응이 이루어지도록 하고 있으나, 본 발명은 촉매나노입자에 의해 반응온도를 600~900℃까지 낮추게 함으로써 반응챔버의 가열온도를 낮추는 등 수소생산에 사용되는 열에너지 량을 줄일 수 있다.

다음으로는 수소수취단계(S3)가 이루어진다. 상기 단계는 상기 열분해단계에 의해 분리된 가스를 반응챔버에 설치된 필터로 탄소성분을 필터링한 후 수소가스만을 수취하여 별도로 저장 또는 사용처로의 이송하는 단계이다.

아울러 열분해반응시 분리된 탄소 성분은 촉매나노입자를 활성점으로 하여 탄소나노튜브를 합성하는 탄소나노튜브성장단계(S4)가 이루어진다. 상기 단계에서는 열분해반응에서 분리된 탄소성분이 필터의 외면에 흡착된 촉매나노입자를 활성점으로 하여 합성되면서 탄소나노튜브가 생성되며, 반응이 진행되면서 상기 탄소나노튜브가 연속적으로 성장되는 단계이다.

도 3을 참조한 바와같이 상기 성장된 탄소나노튜브는 탈진단계(S6)에 의해 필터로부터 분리한다. 상기 탈진단계에서는 수소수취를 위해 흡입하는 방향의 역방향으로 탈진가스를 분사하여 필터 표면에 흡착된 탄소나노튜브를 분리시키는 단계이다. 상기 탈진단계의 수행여부는 반응챔버에서 필터를 설치한 격벽으로 분리된 두 공간에 각각 차압계를 설치하여 압력의 차이에 의해 판단되며, 측정치가 설정압력 이상으로 발생될 경우 촉매나노입자가 혼합된 메탄가스의 유입을 차단하고 탈진노즐을 개방함으로써 수소가스흡입의 역방향으로 분사가 이루어지도록 한다.

다음으로 상기 탈진단계에서 필터에서 분리된 탄소나노튜브 또는 과다하게 성장되어 필터로부터 분리된 탄소나노튜브를 포집하여 저장하는 저장단계(S5)가 이루어진다. 상기 저장단계에서는 반응챔버의 하부에서 1차적으로 포집이 이루어지고, 밸브의 조작에 의해 반응챔버의 하부에 연통설치된 저장챔버로 포집된 탄소나노튜브를 이송시키는 과정이 이루어지며, 상기 저장챔버에 포집된 탄소나노튜브는 간단한 정제과정 예컨대 촉매나노입자를 제거하는 과정으로 통해 순수한 탄소나노튜브를 수취하여 저장하거나 사용처로의 이송이 이루어지도록 한다.

상기한 필터반응장치 및 생산방법에 의해 메탄가스(천연가스)를 열분해시키 면, 수소를 생산함과 동시에 탄소나노튜브를 생산할 수 있으며, 순간적인 탈진공정 이외에는 연속적인 생산이 가능함으로 batch 방식보다는 월등한 생산성을 제공한다.

그리고, 수소생산과정에서 이산화탄소 배출이 없으며, 고온열분해 공정에서 사용되는 열에너지보다 훨씬 낮은 에너지로 수소를 생산할 수 있다. 또한, 촉매나노입자를 연속적으로 공급할 수 있어 촉매의 수명저하를 방지하기 위한 재생과정이 필요없으며, 열분해과정의 중지 없이 연속적으로 탄소나노튜브의 수취할 수 있게 되었다.

한편, 상기 서술한 예는, 본 발명을 설명하고자하는 예일 뿐이다. 따라서 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 전문가가 본 상세한 설명을 참조하여 부분변경 사용한 것도 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연한 것이다.

도 1은 본 발명의 탄소나노튜브와 수소가스를 생산하는 필터반응장치의 전체구성을 도시한 개략도.

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 탄소나노튜브와 수소가스를 생산하는 방법을 도시한 흐름도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 필터반응장치

20 : 반응챔버

21 : 호퍼부 22 : 히팅부 23 : 격벽

24 : 필터 25 : 탈진노즐 26 : 차압계

27 : 탈진밸브

30 : 저장챔버

31 : 밸브

40 : 공급관

50 : 촉매나노입자 발생기

60 : 수소가스배출관

70 : 분말배출관

80 : 탄소나노튜브

Claims (6)

1. 메탄가스를 이용하여 탄소나노튜브와 수소가스를 생산하는 필터반응장치에 있어서,

   하단이 상광하협의 원추형의 호퍼부(21)가 형성된 통체로, 외측면에는 히팅부(22)가 설치되어 내부에 열을 가하도록 하고, 내부에는 격벽(23)이 설치되어 내부공간을 상하구획하고, 상기 격벽은 그 하부면에 필터(24)가 장착되어 하부공간의 기체를 필터링하여 상측으로 공급하고, 상기 격벽(23)으로 구획된 상부공간에는 탈진노즐(25)을 설치하여 필터에 흡착된 고체분말을 분리시키는 반응챔버(20)와;

   상기 반응챔버의 하부에 위치하여 상기 호퍼부(21)와 연통되고 연결부위에는 밸브(31)를 설치하여 개폐가 이루어지도록 하여 반응챔버에서 반응하고 남은 고체 분말을 유입받아 저장하는 저장챔버(30)와;

   상기 반응챔버의 측면에 연통설치되어 메탄가스를 반응챔버내부로 공급하는 필터(24)과;

   상기 공급관의 유로상에 설치되어 공급되는 메탄가스에 촉매나노입자를 공급하는 촉매나노입자 발생기(50)와;

   상기 반응챔버의 구획된 상부공간에 연통되어 필터링된 수소가스를 배출하는 수소가스배출관(60)과;

   상기 저장챔버와 연통되어 저장된 고체분말을 배출하는 분말배출관(70);을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 탄소나노튜브와 수소가스를 생산하는 필터반응장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 필터(24)는 원통형인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브와 수소가스를 생산하는 필터반응장치.
4. 필터가 설치된 반응챔버와 밸브의 개폐가 이루어지는 저장챔버가 수직으로 설치된 반응장치를 이용하여 메탄으로부터 탄소나노튜브와 수소가스를 생산하는 방법에 있어서,

   메탄가스에 촉매나노입자를 혼합하는 단계(S1)와;

   상기 촉매나노입자가 혼합된 메탄가스를 반응챔버에 투입한 후 열을 가하여 탄소와 수소를 분리시키는 열분해단계(S2)와;

   상기 분리된 수소가스는 반응챔버에 설치된 필터로 필터링하여 탄소가 제거된 수소를 수취하는 수소수취단계(S3)와;

   상기 열분해단계에서 분리된 탄소성분은 촉매나노입자에 흡착되어 반응챔버의 필터 표면에 부착되고, 부착된 촉매나노입자를 촉매활성점으로 하여 탄소나노튜브 합성과 성장이 이루어지는 탄소나노튜브성장단계(S4)와;

   상기 필터 내부에서 외부로 탈진가스를 배출시켜 필터표면에 부착된 탄소나노튜브를 탈거시키는 탈진단계(S6)와;

   상기 필터표면으로부터 탈거된 탄소나노튜브를 포집하여 하부의 저장챔버로 저장하는 저장단계(S5);를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 메탄으로부터 탄소나노튜브와 수소가스를 생산하는 방법.
5. 삭제
6. 제4항에 있어서,

   상기 열분해단계(S2)에서 가해지는 분해반응온도는 600~900℃로 이루어짐을 특징으로 하는 메탄으로부터 탄소나노튜브와 수소가스를 생산하는 방법.

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