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KR101617405B1 - 마이크로포어 탄소 내로 메조포어를 증가시키는 방법 - Google Patents

마이크로포어 탄소 내로 메조포어를 증가시키는 방법 Download PDF

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KR101617405B1
KR101617405B1 KR1020117023056A KR20117023056A KR101617405B1 KR 101617405 B1 KR101617405 B1 KR 101617405B1 KR 1020117023056 A KR1020117023056 A KR 1020117023056A KR 20117023056 A KR20117023056 A KR 20117023056A KR 101617405 B1 KR101617405 B1 KR 101617405B1
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Abstract

본원 발명은 마이크로포어 탄소 내로 메조포어를 포함시키기 위한 방법을 제공하는데, 이 방법은 알카리 토 금속 염, 예컨대, 칼슘 니트레이트 또는 알카리 금속 염으로 과립형 마이크로포어 탄소를 처리하는 단계를 포함한다. 본원 발명은 또한 상기 방법을 사용하여 생산된 메조포어 탄소 및 상기 메조포어 탄소를 포함하는 흡연 물품과 연기 필터를 제공한다.

Description

마이크로포어 탄소 내로 메조포어를 증가시키는 방법 {METHODS FOR INCREASING MESOPORES INTO MICROPOROUS CARBON}
본원 발명은 메조포어 탄소 물질, 특히 흡연 물품 및 연기 필터에서 흡착제로 사용하기 위한 메조포어 탄소 물질을 제조하기 위한 방법과 관련이 있다.
연기 중의 특정 물질의 수준을 감소시키기 위해 흡연 물품과 연기 필터에 포어 탄소 물질을 포함시키는 것은 잘 알려져 있다. 포어 탄소 물질은 많은 상이한 방식으로 생산될 수 있다. 입자의 형상 및 크기, 샘플 중의 입자의 크기 분포, 입자의 감손율(attrition rate), 포어 크기, 포어 크기의 분포 및 표면적을 포함하는, 포어 탄소 물질의 모든 물리적 특성들은 이러한 입자들이 생산된 방식에 따라 폭넓게 달라진다. 이러한 변이는 상이한 환경에서 흡착제로서 기능하도록 물질의 성능 또는 적합성에 유의하게 영향을 미친다.
일반적으로, 포어성 물질의 표면적이 더 크면 클수록, 흡착는 더 효과적이다. 포어성 물질의 표면적은 일정한 온도에서 질소의 부분 압력으로 물질에 의해 흡착되는 질소의 부피 변화를 측정함으로써 평가된다. 브루나우어, 에메트 및 텔러에 의해 최초로 창안된 수학적 모델에 의한 결과 분석은 BET 표면적으로 알려진 값으로 귀결된다.
포어 탄소 물질에서 포어 크기의 분포는 또한 이의 흡착 특성에도 영향을 미친다. 당업자에 의해 사용되는 명명법에 따라, 흡착제 물질에서 포어은 이들 포어 크기가 직경 2 nm (<2 x 10 9 m) 미만이면 "마이크로포어(micropores)"으로 불리우고, 이들 포어 크기가 2 내지 50 nm 범위이면, "메조포어(mesopores)"으로 지칭된다. 포어은, 이들의 포어 크기가 50 nm를 초과하면, "매크로포어(macropores)"으로 지칭된다. 500 nm를 초과하는 직경을 지니는 포어는 일반적으로 포어성 물질의 흡착성에 유의하게 기여하지 못한다. 그러므로 실용적 목적을 위해, 50 nm 내지 500 nm, 더 전형적으로 50 내지 300 nm 또는 50 내지 200 nm 범위의 직경을 갖는 포어이 매크로포어으로 분류될 수 있다.
포어 물질 중의 마이크로포어, 메조포어 및 매크로포어의 상대적 부피는 잘 알려진 질소 흡착 및 수은 포어도측정 기술(mercury porosimetry technique)을 사용하여 평가될 수 있다. 수은 포어도측정은 거대- 및 메조포어의 부피를 측정하는데 사용될 수 있다; 질소 흡착은, 소위 BJH 수학 모델을 사용하여, 미세- 및 메조포어의 부피를 측정하는데 사용될 수 있다. 그러나, 측정에 대한 이론적 근거가 다르기 때문에, 상기 2가지 방법들에 의해 획득되는 값들은 서로 직접적으로 비교될 수 없다.
영국 특허 제 2395650호는 착향제, 예컨대, 멘톨을 함유하는 담배 연기의 풍미에 대한 다양한 마이크로포어 및 메조포어 부피를 지니는 다수의 탄소 물질의 영향을 비교한다. 0.3 cc/g를 초과하지 않는 마이크로포어 부피 및 적어도 0.25 cc/g의 메조포어 부피를 지니는 탄소 물질은 상이한 포어 크기 분포를 지니는 물질 보다 더 적은 멘톨을 흡착하는 것으로 설명되고, 그리하여 착향 궐련 내의 궐련 필터에 사용하기에 더 적합한 것으로 간주된다.
국제 공개 공보 WO 03/059096호는 담배 로드(tobacco rod) 및 0.2 내지 0.7 mm의 직경, 1000-1600 ㎡/g 범위의 BET 표면적, 및 주로 마이크로포어 및 작은 메조포어의 범위인 포어 크기 분포를 지니는 구형의 비드상 탄소(beaded carbon)으로 채워진 캐비티를 지니는 필터 성분을 포함하는 궐련을 개시하고 있다.
국제 공개 공보 WO 2006/103404호는 적어도 800 ㎡/g의 BET 표면적 및 메조포어 및 마이크로포어을 포함하는 포어 구조를 지니는 궐련용 연기 필터 내에 포함시키기에 적합한 포어 탄소 물질을 개시하고 있다. (질소 흡착으로 측정된) 포어 부피는 적어도 0.9 ㎤/g이고, 포어 부피의 15 내지 65%는 메조포어로 존재한다. 물질의 포어 구조는 일반적으로 0.5 g/cc 미만의 벌크 밀도를 제공한다. 물질은 유기 레진을 탄소화시키고 활성화시킴으로써 생산될 수 있다.
탄소 물질은 활성화로 알려진 프로세스로 이들의 표면적을 증가시키기 위해 처리될 수 있다. 활성화된 탄소는 스팀 활성화 또는 화학 활성화에 의해 생산될 수 있다. 예를 들어, 활성화는 인산 또는 염화 아연으로 처리된 탄소를 가열함으로써, 또는 스팀 또는 이산화탄소로 탄소를 가열함으로써 실행될 수 있다. 때때로, 이산화탄소에 의한 활성화 다음에 공기 중에서 탄소를 가열하는 단계를 포함하는, 추가의 공기 변형 단계가 따른다. 활성화 프로세스는 탄소 입자의 내부 표면으로부터 물질을 제거하여, 결과적으로 중량의 감소를 야기시키며, 이 중량 손실은 처리 기간에 비례한다.
식물계 활성화된 탄소(Vegetable-based activated carbon), 예를 들어, 코코넛 껍질로부터의 탄소는 현재 상당하고 수치가 증가중인 담배 필터에서 사용되고 있다. 코코넛 탄소의 경우에, 스팀 활성화가 바람직하다. 스팀 활성화의 프로세스는, 바람직하게는, 2 단계로 실행된다. 제일 먼저, 코코넛 껍질이 탄소화 프로세스에 의해 껍질 차콜(charcoal)로 전환된다. 그런 다음 코코넛 껍질 차콜은 조절된 대기하에서 900℃-11OO℃의 온도에서 스팀과 반응하여 활성화된다. 스팀과 차콜 사이의 반응은 내부 표면 영역에서 일어나고, 이는 더 많은 흡착 부위를 생성시킨다. 활성화가 일어나는 온도는 매우 중요하다. 900℃ 미만에서, 반응은 너무 느리고 비경제적이다. 1100℃ 초과의 온도에서, 반응은 차콜의 외부 표면에서 일어나는데, 이는 결과적으로 차콜의 소실을 가져온다.
이 활성화된 코코넛 탄소는 담배 필터내로의 봉입에 매력적이게 만드는 다양한 유익한 특성들을 지닌다. 이것은 높은 수준의 마이크로포어을 포함한다. 그러나, 연기로부터 물질을 흡착하도록 메조포어의 능력을 향상시키기 위해, 흡연 물품에 사용되는 흡착제는 증가된 수준의 메조포어를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
따라서, 본원 발명의 목적은 식물계 마이크로포어 탄소에 메조포어를 부가하여 궐련 필터에서 흡착제 특성 및 성능을 개선시키는 것이다. 특히 본원 발명의 목적은 관용적인 활성화된 코코넛 탄소 또는 균등의 흡착제 물질보다 담배 연기로부터 구성성분들을 제거시키는데 더 효과적인 메조포어 탄소를 제공하는 것이다.
본원 발명의 추가 목적은 담배 연기로부터 하나 이상의 성분들을 감소시키는데 특히 효과적인 흡착제를 제공하기 위해 포어 탄소 물질에 메조포어를 부가하기 위한 방법을 제공하는 것이다. 이 방법은 단순하고, 비용-효율적이어야 하며, 재현가능한 결과를 생산하여야 한다. 코코넛 탄소와 같은 식물 또는 미네랄계 탄소내로 메조포어를 도입하는 소수의 방법들만 있다는 것에 주목하여야 한다.
본원 발명의 제 1 양상에 따라, 마이크로포어 탄소 내로 메조포어를 포함시키는 방법이 제공되는데, 이 방법은 알카리 토 금속 염, 예컨대, 칼슘 니트레이트 (Ca(NO3)2) 또는 알카리 금속 염으로 마이크로포어 탄소를 처리하는 단계를 포함한다. 마이크로포어 탄소는, 바람직하게는, 마이크로포어 코코넛 탄소, 예를 들어, 활성화된 마이크로포어 코코넛 탄소이다.
일 구체예에서, 본원 발명의 방법은 3 단계를 포함한다. 제 1 단계는 마이크로포어 탄소 상에 알카리 토 금속 염 또는 알카리 금속 염을 분산시키는 것을 포함한다. 제 2 단계는 수증기 (스팀) 활성화에 의한 메조포어를 부가하는 단계를 포함한다. 3 단계는 산, 예컨대, 염산을 사용하여 메조포어 탄소로부터 금속을 제거하는 것을 포함한다.
제 1 단계에서, 알카리 토 금속 염 또는 알카리 금속 염은, 바람직하게는, 과립형 마이크로포어 탄소 상에 분산된다. 일 구체예에서, 탄소는 염의 용액 중에 함침되고, 선택적으로, 후속하여 소정 시간의 기간, 예컨대, 1 내지 24 시간 동안 혼합물의 진동이 뒤따른다. 함침과 진동후, 탄소는 여과로 제거되고 건조된다.
특정 구체예에서, 알카리 토 금속 염 용액은 Ca(NO3)2를 포함한다. 더 구체적으로, 2M의 Ca(NO3)2 용액이 과립형 마이크로포어 탄소에 첨가된다. 혼합물은 이후 최대 12 시간 동안 진동된다. 혼합물이 진동되는 정확한 기간은 사용되는 탄소에 좌우될 것이나, 이것은 일반적으로 2 내지 최대 12 시간 범위일 것이다. 혼합물은 이후 여과되고 증류수 사용 없이 건조된다.
본원 발명의 방법에 사용되는 알카리 토 금속 염 또는 알카리 금속 염은, 바람직하게는, 물에 용해될 수 있고, 용액으로써 과립형 탄소에 부가된다. Ca(NO3)2는 물에 용해될 수 있는데, 실온에서 121.2 g/100 ml의 용해도를 지니며, 이것은 본원 발명의 방법에 유익할 것으로 추정된다. 또한 이것은 안정하고, 비교적 저렴하고, 우수한 결과를 가져오는데, 이는 본원 발명의 방법에 사용하기에 이상적으로 만든다. CaCO3는 물에서의 용해도가 낮지만, 사용될 수 있다. 일반적으로, 히드록사이드, 카보네이트 및 니트레이트 음이온을 제공하는 알카리 토 금속 염 및 알카리 금속 염이 바람직하다. 칼슘은 좋은 양이온이다.
제 2 단계에서, 메조포어를 생성시키기 위한 활성화가 과립형 탄소를 수증기에 노출시킴으로써 실행된다. 대안적인 구체예에서, 이산화탄소가 활성화를 위해 사용될 수 있다. 바람직하게는, 아르곤이 캐리어 가스로 사용되어, 그로 인해 아르곤 가스가 물을 통과하여 수증기를 생성시킨다. 다른 캐리어 가스는, 예를 들어, 질소를 포함한다. 활성화는, 바람직하게는, 약 800 내지 약 900℃의 범위의 온도에서, 더 바람직하게는, 약 850℃에서 실행된다. 캐리어 가스의 이상적인 유속은 활성화되는 탄소의 양에 좌우될 것이다. 예를 들어, Ca(NO3)2로 함침된 500 mg의 탄소의 경우, 적어도 100 ml/min의 유속이 제안된다.
가스의 유속과 온도는 요망되는 메조포어 특성을 과립형 탄소에 제공하도록 선택된다. 탄소가 활성화되는 시간은 또한 결과적으로 얻어지는 탄소의 특성 및 이의 흡착제 특성에 영향을 미칠 것이다. 탄소가 활성화 단계를 겪는 시간의 효과는 하기 실시예 2에 예시되어 있다. 바람직한 구체예에서, 활성화는 1 내지 10시간, 더 바람직하게는, 3 내지 7시간 동안 실행된다. 활성화 기간이 더 길면 길수록, 더 많은 메조포어이 형성된다. 그러나, 10시간 이상의 활성화는 결과적으로 과립형 탄소가 이의 구조적 온전함을 잃게 만들어 분말이 되게 할 수 있다. 이것은 명백히 바람직하지 않을 수 있고, 그래서, 본원 발명의 일 구체예에서, 활성화 단계는 10시간 이하, 바람직하게는 9시간 이하 동안 실행된다.
제 3 단계에서, 활성화된 과립형 탄소는 금속, 예를 들어, Ca(NO3)2 또는 CaCO3가 알카리 토 금속 염으로 사용되었다면, 칼슘을 제거하기 위해 처리된다. 이것은 용매, 예를 들어, 산, 예컨대, HCl을 사용하여 수행될 수 있다. 일 구체예에서, 1M HCl 용액이 2시간 동안 과립형 탄소를 세척하는데 사용된다. 과립형 탄소는 이후 여과되고 건조된다.
결과적으로 얻어진 탄소 물질의 바람직한 특성은, 예를 들어, (마이크로포어, 메조포어 및 매크로포어의 IPAC 정의를 사용), 적어도 0.4 ㎤/g의 마이크로포어 부피, 적어도 0.1 ㎤/g, 바람직하게는, 적어도 0.3 ㎤/g의 메조포어 부피, 및 250 내지 1500 μm의 입자 크기 범위를 포함한다. 이러한 특성을 지니는 탄소 입자는 우수한 흡착 특성을 나타낸다.
본원 발명에 따른 방법에 사용되는 출발 물질은, 바람직하게는, 마이크로포어 식물계 탄소, 예컨대, 활성화된 마이크로포어 코코넛 탄소이다. 이 탄소는, 바람직하게는, 과립형이다. 활성화된 코코넛 탄소는 용이하게 활용할 수 있고, 널리 사용된다. 이것은 천연 탄소를 활성화시키기 위한 공지의 프로세스들로 제조될 수 있다. 예를 들어, 과립형 코코넛 탄소는 본원 발명의 방법을 위한 적합한 출발 물질을 제조하기 위해 진공에서 2시간 동안 383 K에서 처리될 수 있다. 대안적으로, 마이크로포어 활성화된 코코넛 탄소는, 예를 들어, Jacobi Carbons 사로부터 구입할 수 있다.
본원 발명에 따른 방법은 출발 물질로써 임의의 활성화된 탄소를 사용하여 실행될 것이다. 활성화된 탄소 출발 물질의 바람직한 특성은 하기한 것을 포함한다: 0.1 내지 0.8 ㎤/g의 총 포어 부피, 0 내지 0.4 ㎤/g의 메조포어 부피, 0.1 내지 0.5 ㎤/g의 마이크로포어 부피, 800 내지 1200 ㎡/g의 표면적(BET로 측정), 0.5 내지 0.8 nm의 포어 폭, 및 30 내지 60 메쉬의 입자 크기.
본원 발명의 제 2 양상에 따라, 본원 발명의 제 1 양상에 따른 방법을 사용하여 생산된 메조포어 탄소가 제공된다. 메조포어 탄소는, 바람직하게는, 식물계 탄소이다.
바람직하게는, 본원 발명에 따른 방법은 결과적으로 적어도 800 ㎡/g의 BET 표면적, 0.5 g/cc 이하의 밀도, 메조포어 및 마이크로포어을 포함하는 포어 구조, 적어도 0.9 ㎤/g의 포어 부피(질소 흡착으로 측정)를 지니는 포어 탄소 물질을 야기시킨다.
본원 발명의 방법에 따라 생산된 포어 탄소 물질은, 바람직하게는, 0.5 g/cc 미만의 벌크 밀도를 지닌다. 본원 발명의 탄소 물질의 밀도 범위에 관한 전형적인 상한 값은 0.45 g/cc, 0.40 g/cc, 및 0.35 g/cc이다. 바람직하게는, 본원 발명의 탄소 물질의 벌크 밀도는 0.5 내지 0.2 g/cc의 범위에 존재한다.
본원 발명의 탄소 물질은 또한 밀도 보다는 이들의 포어 구조에 의해 특징지워질 수 있다.
따라서, 본원 발명의 제 2 양상에 따른 메조포어 탄소는 적어도 800 ㎡/g의 BET 표면적, 메조포어 및 마이크로포어을 포함하는 포어 구조, 및 적어도 0.9 ㎤/g의 포어 부피(질소 흡착으로 측정)(이 부피중 15 내지 65%가 메조포어으로 존재함)를 지닐 수 있다.
본원 발명의 바람직한 포어 탄소 물질은 또한 포어 구조에 의해 특징지워질 수 있는데, 여기서 상기 포어 부피(질소 흡착으로 측정)는 적어도 1.0 ㎤/g이나, 포어 부피의 20% 미만은 2 내지 10 nm의 포어으로 존재한다. 일반적으로, 15% 미만, 종종 10% 미만의 조합된 포어 부피는 2-10 nm의 포어으로 존재한다.
포어 탄소 물질의 밀도 및 포어 구조는 밀접하게 관련되어 있다. 일반적으로, 본원 발명에 따른 방법을 사용하여 제조된 탄소 물질의 샘플에서, 미세-, 메조- 및 매크로포어의 조합된 부피가 더 크면 클수록, 밀도는 더 낮아지는데, 그 이유는 포어이 물질의 중량을 증가시키지 않은체 주어진 질량의 물질의 부피를 증가시키기 때문이다. 더욱이, 밀도가 감소함에 따라, 그리하여, 마이크로포어에 대한 거대- 및 메조포어의 비율은 증가된다. 즉, 일반적으로, 본원 발명의 탄소 물질의 밀도가 낮으면 낮을 수록, 마이크로포어의 포어 부피와 비교하여 메조포어 및 매크로포어의 포어 부피의 비율을 더 높아진다. 그러나, 질소 흡착에 의해 측정된, 밀도와 포어 부피 사이의 상관관계는 정밀하지 않다. 그러므로, 앞의 두개 단락 중 어느 한 단락에서 정의된 포어 구조를 갖는 본원 발명의 일부 탄소 물질은 0.5 g/cc를 초과하는 밀도, 예를 들어, 0.52, 0,55, 0.60 또는 0.65 g/cc 까지의 밀도를 지닐 수 있다. 역으로, 본원 발명의 일부 탄소 물질은 0.5 g/cc 미만의 밀도와, 조합된 메조포어 및 마이크로포어 부피의 15% 미만(예를 들어, 12%, 10% 또는 5%)이 메조포어으로 존재하는 포어 구조를 지닐 수 있다.
밀도와 미세- 및 메조포어 구조 간의 완벽한 상관관계의 결여는 포어 크기 분포를 평가하기 위해 사용된 질소 흡착 기술이 일반적으로 약 50 nm를 초과하는 포어 크기를 측정하는데 사용되기 않기 때문에 야기된다. 그러므로 질소 흡착 기술로 측정된 물질의 총 포어 부피는 마이크로포어 및 메조포어의 조합된 포어 부피와 일치한다. 물질의 매크로포어 부피는 이 기술로 드러나지 않는다. 따라서, 본원 발명의 탄소 물질이 낮은 밀도 및, 질소 흡착으로 검출된, 비교적 낮은 메조포어 비율을 지니는 경우, 낮은 밀도는 메조포어 범위에 바로 이웃하는 매크로포어 범위, 즉, 50 nm 내지 500 nm 범위에서 비교적 높은 포어 부피에 기인할 수 있다. 매크로포어 범위에서 포어 부피가 수은 포어도측정에 의해 평가될 수 있지만, 이 기술을 사용하여 획득되는 결과는 질소 흡착을 사용하여 획득되는 결과와 일치하지 않는다. 그러므로, 2-500 nm의 포어 크기 전 범위에 걸쳐 물질의 포어 부피를 정밀하게 측정하는 것은 어렵다.
본원 발명의 바람직한 포어 탄소 물질의 BET 표면적은 적어도 800 ㎡/g, 바람직하게는, 적어도 900 ㎡/g, 바람직하게는, 적어도 1000 ㎡/g이다. 본원 발명의 탄소 물질의 BET 표면적에 관한 전형적인 값은 약 1000, 1100, 1150, 1200, 1250 및 1300 ㎡/g이다. 최대 1250 ㎡/g, 예를 들어, 1000-1250 ㎡/g의 BET 표면적을 지니는 포어 탄소 물질이 가장 바람직하다.
본원 발명의 포어 탄소 물질은, 바람직하게는, 적어도 0.95 g/cc, 바람직하게는, 1 g/cc의 포어 부피(질소 흡착으로 측정)를 지닌다. 적어도 1.1 cc/g의 포어 부피를 지니는 탄소 물질은 담배 연기를 위한 흡착제로서 특히 유용하다. 본원 발명의 탄소 물질의 포어 부피에 관한 전형적인 값은 1.15 cc/g, 1.2 cc/g, 1.25 cc/g 및 1.3 cc/g이다. 일반적으로, 조합된 포어 부피는 1.1 내지 2.0 cc/g 범위일 것이다. 2.1 cc/g를 상당히 초과하는, 예를 들어 2.2 내지 2.3 cc/g의 포어 부피를 지니는 본원 발명에 따른 탄소 물질은 밀도가 낮고, 그러므로 담배 생산 장비에서 다루는 것이 더 어렵다. 그러한 탄소 물질은 이러한 이유 때문에 담배 또는 연기 필터에 사용하기가 덜 선호될 수 있다.
본원 발명의 바람직한 탄소 물질에서, 적어도 30%, 바람직하게는, 65% 이하의 포어 부피(질소 흡착으로 측정)가 메조포어으로 존재한다. 본원 발명의 탄소물질의 조합된 마이크로포어 및 메조포어 부피의 비율로써 메조포어의 부피에 관한 전형적인 최소 값은 35%, 40% 또는 45%이다. 그러한 부피에 관한 전형적인 최대 값은 65%, 60% 및 55%이다. 바람직하게는, 본원 발명의 탄소 물질의 메조포어 부피는 조합된 메조포어 및 마이크로포어 부피의 35-55% 범위이다.
본원 발명의 제 3 양상에 따라서, 본원 발명의 제 1 양상에 따른 방법을 사용하여 생산된 흡연 물질 및 메조포어 탄소 물질을 포함하는 흡연 물품이 제공된다.
본원 발명의 제 4 양상에 따라서, 본원 발명의 제 1 양상에 따른 방법을 사용하여 생산된 메조포어 탄소 물질을 포함하는 연기 필터가 제공된다.
실시예 1
과립형 활성화된 코코넛 탄소(0.5 ml/g 마이크로포어 부피, 0 메조포어 부피)를 10 mPa 및 383 K에서 2 시간 동안 사전-평가후, 1일 동안 실온에서 2 molL-1의 100 ml Ca(NO3)2 용액에 함침시켰다. 이후 함침된 탄소를 1일 동안 383 K에서 건조시킴으로써 획득하였다. 함침된(impregnated) 탄소를 400 mlmin-1의 아르곤 유속하에서 1시간 동안 1123 K에서 스팀-활성화시켰다. 활성화된 샘플을 1 molL-1 염산 용액에 적시키고, 4시간 동안 교반하고 난 다음 탈이온수로 세척하여 잔여 화학 작용제를 제거하였다.
77K에서 결과적으로 얻어진 탄소의 질소 흡착 등온선은 메조포어의 존재를 나타내는 이력현상(hysteresis)을 보여준다. 부가된 메조포어의 포어 부피는 0.20 ml/g인데, 이는 트리아세틴에 대한 흡착 특성들에 영향을 미치기에 충분하다. 탄소에 부가된 메조포어의 크기는 대략 15 nm이었다.
메조포어 탄소의 포어 구조 파라미터들은 다음과 같다:
BET 표면적 (㎡/g): 1200
마이크로포어 부피 (ml/g): 0.41
메조포어 부피 (ml/g): 0.20
평균 마이크로포어 폭 (nm): 0.72
번 오프(Burn off) (%): 27.5
표 1은 실시예 1에 설정된 것과 같이 제조한, 본원 발명에 따른 메조포어 탄소와 대조군, 즉, 활성화된 (마이크로포어) 코코넛 탄소와 비교한 연기 결과를 보여준다. 60 mg의 탄소를 참조 궐련의 캐비티 필터 디자인 내로 포함시켰다. 대조군으로써, 60 mg의 시중에서 구입가능한 마이크로포어 코코넛 탄소 및 텅 빈 캐비티를 사용하였다. 비율 감소치는 텅 빈 캐비티(즉, 탄소를 비함유)를 지니는 궐련과 대비된다.
흡연을 ISO 조건하에서 실행하였는데, 즉, 2회의 제 2 지속의 35 ㎤ 부피 퍼프(puff)를 1분 마다 흡입하였다. 모든 실험을 22℃, 60% RH에서 실행하였고, 궐련을 흡연하기 전에 3주 동안 22℃, 60% RH에서 유지시켰다.
Figure 112011076649503-pct00001
Figure 112011076649503-pct00002
표 1에 제시된 데이터로부터, 본원 발명에 따른 방법에 의해 생산된 메조포어 탄소는 대조 탄소(마이크로포어 코코넛 탄소) 보다 연기 구성성분들에서 더 큰 감소를 제공할 수 있다는 것이 명백하다. 그러므로, 메조포어 탄소는 공지의 활성화된 탄소 보다 흡연 물품에 포함될 경우, 흡착제로서 더 효과적이다.
실시예 2
10 g의 과립형 코코넛 탄소를 진공에서 2시간 동안 383K에서 사전처리하였다. 이후, 1 g의 사전처리된 탄소를 10 ml의 2M Ca(NO3)2 용액 중에 함침시켰다. 혼합물을 12 시간 동안 진동시킨 후, 이것을 여과시키고 건조시켰다.
이후 500 mg 탄소 샘플을 100 mlmin-1의 아르곤 유속하에서 1123K에서 아르곤 및 수증기 하에서 활성화시켰다. 샘플을 1, 3, 5, 7 및 10시간 동안 활성화시켰다. 활성화된 샘플을 이후 2시간 동안 50 ml의 1M 염산 용액에 적셨다. 마지막으로, 샘플을 탈이온수로 세척하고, 여과시키고, 건조시켰다.
도 1에 도시된 그 결과 얻은 탄소의 질소 흡착 등온선은 결과적으로 얻어진 탄소 중의 메조포어의 존재가 활성화 단계가 실행된 시간의 길이에 따라 증가되었다는 것을 제시한다. 본 발명자들은 10시간 동안 사전처리된 탄소의 활성화 후 얻어진 탄소가 분말로 용이하게 변형되었음에 주목하였는데, 이는 상기 탄소가 불안정하다는 것을 제시한다.
상기한 시간 동안 활성화 후 탄소의 마이크로포어 및 메조포어에서의 변화가 도 2에 도시되어 있다. 그래프에 도시된 포어 부피는 α5-플롯으로 결정되었다. 이 분석은 비-포어성의, 화학적으로 유사한 대조 물질을 필요로 하고, 무질서 카본블랙(404B)를 사용하였다.
활성화된 탄소의 구조적 특성은 표 2에 제시되어 있다.
Figure 112011076649503-pct00003
표 2에 데이터는 함침된 탄소가 더 긴 시간 동안 활성화되면 될수록, 메조포어 부피가 더 커진다는 것을 제시한다. 본원 발명에 따른 방법은 마이크로포어 부피에서의 증가를 가져온다. 출발 물질은 거의 메조포어를 지니지 않는다.
표 3 및 4는 실시예 2에서 생산된 메조포어 코코넛 탄소의 평가 결과를 보여주는데, 60 mg의 메조포어 탄소를 궐련의 캐비티내에 포함시켰다. 실시예 1에 사용되었던 것과 동일한 방법학을 사용하여 이러한 연기 결과를 얻었다.
표 4에 제시된 데이터는 또한 도 3과 4에 도시되어 있다.
표 3과 4의 데이터는 대조 탄소, EcoSorb® CX 및 실시예 2의 방법에 따라 제조되고 1, 3, 5 및 7시간 동안 활성화된 탄소에 의한 다양한 화학물질의 흡착을 제시한다. EcoSorb® CX는 기체상으로부터의 유기 화합물의 제거에 사용하기 위한 Jacobi Carbons 사에 의해 생산된 최고 등급의 코코넛 껍질 기반 활성화된 탄소이다.
Figure 112011076649503-pct00004
* 수율이 정량 한계 미만인 경우, 이러한 값들은 사용되었고, 이러한 이유로 도면들이 몇몇 분석대상물의 경우 평탄(plateau)하다.
Figure 112011076649503-pct00005
* 정량 한계 값에 기초한 감소율.
도 3과 4에 제시된 데이터로부터, 본원 발명에 따른 방법으로 생산된 메조포어 탄소가 대조 탄소(마이크로포어 코코넛 탄소) 보다 연기 구성성분들에서의 더 많은 감소를 제공할 수 있다는 것이 명백하다. 그러므로, 메조포어 탄소는 공지의 활성화된 탄소 보다 흡연 물품에 포함되는 경우 흡착제로서 더 효과적이다.
표 1, 3 및 4의 데이터는 본원 발명에 따른 방법으로 제조된 메조포어 탄소는 흡연 물품과 연기 필터에서 흡착제로 사용하기에 적합하고, 이들은 흔히 사용되는 마이크로포어 코코넛 탄소 보다 특정 연기 구성성분들을 제거시키는데 더 효과적임을 제시한다.

Claims (17)

  1. 알카리 토 금속 염 또는 알카리 금속 염으로 마이크로포어 탄소(microporous carbon)의 과립(granules)을 처리하는 단계를 포함하는, 마이크로포어 탄소 내로 메조포어(mesopores)를 포함시키는 방법으로서, 상기 마이크로포어 탄소가 활성화된 식물계 탄소이고, 상기 방법이 상기 염으로 처리된 상기 마이크로포어 탄소를 활성화시키는 단계를 포함하며, 상기 활성화가 1 내지 10시간의 기간 동안 실행되는, 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 마이크로포어 탄소가 활성화된 코코넛 탄소인, 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 알카리 토 금속 염이 칼슘 니트레이트인, 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 알카리 토 금속 염 또는 알카리 금속 염이 상기 염의 용액 중에서 상기 탄소의 함침(immersion)에 의해 상기 마이크로포어 탄소 상에 분산되는, 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 탄소와 상기 염의 용액의 혼합물이 진동(vibration)되는, 방법.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 탄소와 상기 염의 용액의 혼합물이 후속하여 여과되고, 상기 탄소가 건조되는, 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 활성화가 스팀(steam) 또는 수증기(water-vapour) 활성화인, 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 활성화가 아르곤 하에서 실행되는, 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 활성화된 탄소가 상기 금속을 제거시키기 위해 처리되는, 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 탄소가 상기 금속을 제거시키기 위해 산으로 세척되는, 방법.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 청구된 방법으로 생산된 메조포어 탄소(mesoporous carbon).
  12. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 청구된 방법으로 생산된 메조포어 탄소 및 흡연 물질(smoking material)을 포함하는 흡연 물품.
  13. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 청구된 방법으로 생산된 메조포어 탄소를 포함하는 연기 필터(smoke filter).
  14. 제 1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 메조포어 탄소가 적어도 0.4 ㎤/g의 마이크로포어 부피 및 적어도 0.3 ㎤/g의 메조포어 부피를 함유하는, 방법.
  15. 제 11항에 있어서, 메조포어 탄소가 적어도 0.4 ㎤/g의 마이크로포어 부피 및 적어도 0.3 ㎤/g의 메조포어 부피를 함유하는, 메조포어 탄소.
  16. 삭제
  17. 삭제
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