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오늘날 환경 문제는 전 세계적으로 주요한 이슈로 경제, 문화, 사회 그리고 과학기술 분야에서도 핵심 키워드가 된지 오래다.
특히 기후변화 협약이 발효됨에 따라 에너지와 환경이 산업의 흐름을 좌지우지하고 있다 해도 과언이 아니다. 실제 에너지가 많이 소요되는 설비나 시스템에서 사용되는 소재와 부품을 획기적으로 개선하는 에너지 절약 및 청정환경기술 개발이 매우 중요해지고 있다.
대기오염의 경우 오염의 매체인 공기가 경계가 없고, 취사 선택이 가능한 식품과 달리 호흡을 위한 일상 활동에서 선별하는 것도 불가능하므로 양호한 대기환경의 달성 및 유지는 모든 선진국의 중요한 정책과제로 설정되어 있다.
다공성 세라믹스는 필터 또는 담체에 의한 기계적 화학적 대응이 유효해 대기오염과 관련하여 많이 연구되고 있다.
다공성 세라믹스는 오염의 발생원 및 오염 물질에 따라 여러 종류의 습식 및 건식 분리기술이 실용화 되어 있지만 현재 대부분의 경우 유기질 소재 기반의 필터 및 담체가 주로 상용화 되어 있다.
세라믹스는 고유의 소재 특성에 의해 유기질 소재가 성능을 발휘할 수 없는 고온·고압 또는 부식성의 환경에서 사용 가능한 유일한 소재다. 또 재생에 의한 2차 오염이 없고 재활용성도 우수하다.
다공성 세라믹스의 소재특성과 응용분야, 제조 방법에 따른 기공특성과 응용분야는 표로 정리하였다.
 다공성 세라믹 필터와 막 및 담체
다공성 세라믹 소재 자체가 최종 제품인 필터 및 막 등이 있고, 중간재 역 할로서는 촉매 코팅을 위한 담체로 사용되기도 한다.
- 세라믹 필터 및 막
대기 정화를 위한 세라믹 필터나 막은 주로 고온가스의 여과 분리 및 정제를 위해 사용되는 데 이는 세라믹스의 우수한 내열성, 내식성 및 내열충격성 등을 이용한 것이다.
이러한 용도의 세라믹 필터나 막은 주로 경유 차량의 매연이나 발전용 석탄 연소시의 입자상물질과 같은 고온가스 중의 고체를 제거하기 위하여 개발돼 왔다.
특히 국내는 대기오염 중 자동차에 의한 오염이 가장 심각한 요인이며 상당부분이 경유 차량에 의한 것이다. 경유 차량의 경우 휘발유 차량에 비해 CO와 HC 등의 배출은 적지만 NOx와 PM의 배출량은 우려할 수준으로 높기 때문에 이를 개선하기 위한 다각도의 노력이 경주되고 있다.
즉 연료의 개선, 엔진의개선 그리고 후처리 장치의 부착 등이 그것이다. 이중 후처리 장치는 입자상 물질을 포함한 배기가스가 다공성 필터를 통과시 여과되어 입자상 물질을 제거하는 장치로 이에 사용되는 필터를 통상 DPF(diesel particulate filter)라 한다.
막(membrane)은 일반적으로 필터에 비해 보다 미세한 기공을 갖는 물질로 통상 그 기공 크기에 따라 정밀여과막, 한외여과막 그리고 역삼투막으로 구분되어 진다. 막의 소재로는 다양한 재료가 사용되나 세라믹 소재로는 주로 알루미나, 지르코니아, 카본, 제올라이트 그리고 유리 등이 사용된다.
세라믹 막은 이미 폐수 처리, 미세분진의 제거, 산기관(aerator) 등에 사용되고 있는데 특히 지구온난화의 주범으로 간주되고 있는 이산화탄소의 분리 및 회수에도 세라믹 막을 이용하려는 연구가 활발하다. 즉 이산화탄소의 경우 상온에서는 불활성이지만 고온에서는 반응성이 높은 성질을 가지고 있기 때문에 내열성이 우수한 세라믹 막을 사용하여 고온에서 분리시 이러한 활성을 효과적으로 이용하여 분리효율을 높일 수 있다.
- 세라믹 촉매 담체
세라믹 소재를 활용한 대기오염 정화 분야 중 가스상 유해물질을 포집하는 대표적인 것으로 휘발유 자동차에 장착되는 배기가스 정화용 촉매 담체가 있다. 국내에서는 1987년부터 모든 휘발유 차량에 촉매 전환기의 부착을 의 무화했는데 이를 통해 배기 가스 중의 CO, HC, NOx 등 유해 가스가 정화 되어 배출되게 된다. 이러한 촉매 전환기에 쓰이는 촉매 담체를 그 모양으로 구분하면 구슬형(pellet type), 하이컴형(honeycomb type) 그리고 와이어메 쉬형(mesh type)으로 구분할 수 있다. 현재 특수한 경우를 제외하고는 세라믹 하니컴 촉매 담체가 가장 광범위하게 채택되고 있다.
이 외에도 세라믹 촉매 담체는 각종 공장 발전소 소각로 등의 유해가스를 제거하는 데도 널리 활용되고 있다.
화학공장, 도장공장, 인쇄공장 등에서 배출되는 휘발성 유기화합물(VOCs)을 제거하기 위한 촉매 담체로도 분체 및 각종 형상의 다공성 세라믹스가 사용되고 있다.
대량생산·대량소비의 생활 형태와 산업의 고도화가 전 지구적으로 확대됨에 따라 각종 유해성 물질의 발생량은 급격히 증가하고 있다. 또 발생원은 고온·고압 등 극한환경인 경우가 증가하고 있어 이들의 배출을 억제하기 위한 세라믹 필터의 수요는 증가일로에 있다.
세라믹 하니컴
새로운 형상의 세라믹 재료가 생겨나고 새로운 용도가 개척되고 있는데 그 중 하나가 바로 세라믹 하니컴 구조체이다. 이는 20세기 중반부터 열교환 기 축열체 혹은 촉매 담체로 개발되어 왔지만 1970년대에 들어서 자동차 배 기 가스 규제에 따른 배출 가스 정화용 촉매 담체로 주목받아 양산 기술이 개발되었고 현재 광범위하게 실용화됐다.
세라믹 하니컴은 벌집 형상의 무수히 많은 구멍(이하 셀)이 뚫려있는 다공성 세라믹 구조체를 통칭하는 것이다.
특징으로 비표면적이 크다는 것과 통기성이 우수하여 압력손실이 작다는 점이다. 또한 단열효과가 높고 내구성 및 내식성도 우수하다.
세라믹 하니컴의 재질은 사용 환경에 따라 요구되는 특성에 의해 선택된다. 세라믹 하니컴의 외관은 원주형과 각주형, 타원주형 및 블록형 등이 있다.
자동차 배기 가스용으로는 원주형과 타원주형이 쓰이며, 질소 산화물 제거용 촉매 담체로는 각주형, 탈취 촉매 담체용 및 주물 필터 등은 블록형 등이사용된다.
세라믹 하니컴을 제조하는 방법은 압출법과 패널적층법, 시트침적법이 있으며 압출법이 가장 대표적인 방법이다.
원료를 반죽한 후 셀 형상에 해당하는 망목상 슬리트를 갖는 정밀한 금형을 사용해서 연속해서 압출하는 것으로 셀 형상이 균일한 일체식 구조로 제조하기 쉬워 양산 방법으로 가장 적합한 공정이다.
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출처 : 박영조, 송인혁, 윤희숙
‘대기환경 청정화 다공성 세라믹스’ [기계와재료] 제22권4호 |
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