비배기관 입자상 물질 포집을 위한 미세기공 제어 뮬라이트 휘스커를 갖는 다공성 세라믹 필터 개발

Abstract

수송 분야 미세먼지는 배기관 미세먼지와 비 배기관 미세먼지로 나뉘게 된다. 배기관 미세먼지는 친환경자동차, DPF, GPF 필터와 같은 장치로 점차 감소하고 있지만, 비 배기관 미세먼지 같은 경우에는 차량의 수요가 증가함에 따라 점차 증가하고 있다. 비 배기관 미세먼지는 브레이크 디스크의 마모 및 손상, 도로의 먼지의 재확산으로 인하여 발생한다. 이를 여과하기 위해서는 0.5 m/s의 유속에서 300 Pa의 차압 특성을 필요로 하고, 차량이 고속으로 주행할 때 디스크의 회전과 브레이크 마찰로 인하여 휠 온도가 최대 700°C까지 올라간다. 따라서 비 배기관 미세먼지 필터는 이러한 조건에서 작동하기 위하여 고온내구성을 필요로 한다.

세라믹 다공체 필터는 금속, 폴리머 필터에 비하여 높은 내화학성, 고온 내구성, 기계적 강도 등 다양한 장점이 있다. 세라믹 다공체 필터 소재는 Al2O3, mullite, cordierite, SiC 등이 있으며 수처리, 유해가스 여과 등 여러 분야에 사용되고 있다. 세라믹 다공체 제작방법 중 replica template method는 가장 높은 기공률과 원하는 크기의 기공을 가지는 다공체를 쉽게 제작할 수 있다는 장점이 있지만, 낮은 여과 성능과 기계적 강도를 가진다는 단점이 있다. 이러한 치명적인 단점을 보완하기 위하여 ceramic whiskers를 성장 시켜 다공체 세라믹 필터를 제작 하였다. 대표적인 ceramic whiskers의 종류는 Mullite, SiC 등이 있다. 그 중에서도 mullite whiskers는 고체반응법이 가능하고 다른 whiskers 재료들 보다 고온에서 안정적이라는 장점이 있다. 또한 mullite whiskers는 fly ash, kyanite, kaolin과 같이 저렴한 원료를 통하여 제작이 가능하다는 장점이 있다. mullite whiskers의 c-축으로의 성장을 가속화 하기 위한 촉매로 MoO3, AlF3, V2O5, WO3, TiO2등이 있다. AlF3는 mullite whiskers 성장에 일반적으로 많이 사용하는 촉매재료이지만, 소결도중 HF가 발생한다는 단점이 있다. 다른 촉매 재료들 중에서 가장 낮은 온도에서 합성이 가능하고 치밀화가 가장 적은 촉매재료는 MoO3이다.

본 연구에서는 replica template method와 MoO3 촉매를 이용하여 Mullite whiskers를 갖는 다공성 세라믹 필터를 제작하였다. 그 이후 PM2.5에 대한 여과효율과 차압 및 기계적 특성을 향상시키기 위해 폴리우레탄폼의 PPI에 따라 기공크기,종횡비,기계적 특성 변화를 관찰하였다. 또한 코팅상태에 따라서 공극과 크랙이 발생하기때문에 이를 개선하기 위해 슬러리의 점도를 최적화하였으며 여과효율 및 차압 측정을 통하여 각 시편들이 filtering performance와 filter로서의 역할을 할 수 있는지에 대한 연구를 진행하였다. 그 결과 고형분 함량과 PPI의 증가로 인해 고형분함량이 60wt%이며 110PPI일 때 가장 높은 압축강도인 1.55Mpa 값을 나타내었으며 dual micropore mullite whisker foam filter의 초미세먼지 여과 효율을 측정하였을때 74.5%로 우수한 여과효율과 차압값 또한 80Pa의 값을 나타내었다. |Fine dust in the transport sector is divided into exhaust pipe fine dust and non-exhaust pipe fine dust. Exhaust pipe fine dust is gradually reduced by devices such as eco-friendly vehicles, DPF, and GPF filters, but in the case of non-exhaust pipe fine dust, it is gradually increasing as the demand for vehicles increases. Non-exhaust pipe fine dust is caused by wear and tear of brake discs and re-diffusion of dust on the road. Operating non-exhaust system, a differential pressure characteristic of 300 Pa is required at a flow rate of 0.5 m/s, and the wheel temperature rises up to 700 °C due to the rotation of the disc and brake friction when the vehicle runs at high speed. Therefore, an filter for fine dust collection from the non-exhaust pipe requires very low pressure drop and high temperature durability in order to operate under these conditions.

Ceramic porous filters have various advantages, such as high chemical resistance, high temperature durability, and mechanical strength, compared to metal and polymer filters. Ceramic porous filters include Al2O3, mullite, cordierite, and SiC, and are used in various fields such as water treatment and harmful gas filtration. Among the manufacturing methods of porous ceramic, the replica template method has the advantage of being able to easily manufacture a porous body having the highest porosity and the desired size, but has the disadvantage of poor filtering performance and mechanical strength. In order to compensate for this fatal disadvantage, ceramic whiskers were grown to produce a porous ceramic filter. Representative types of ceramic whiskers include Mullite and SiC. Among them, mullite whiskers have the advantage that bulk fabrication is possible and that they are more stable at high temperatures than other whiskers materials. In addition, mullite whiskers have the advantage that they can be manufactured through inexpensive raw materials such as flyash, kyanite, and kaolin. MoO3, AlF3, V2O5, WO3, and TiO2 are catalysts for accelerating the growth of mullite whiskers in the c-axis. AlF3 is a catalyst material commonly used for growing mullite whiskers, but has the disadvantage of generating HF during sintering. Among other catalyst, MoO3 can be grown at the lowest sintering temperature of mullite whisker, and has the advantage of low shrinkage.

In this study, a porous ceramic filter with mullite whiskers was fabricated using the replica template method and MoO3 catalyst. After that, changes in pore size, aspect ratio, and mechanical properties were observed according to the PPI of polyurethane foam to improve the filtration efficiency, differential pressure, and mechanical properties for PM2.5. In addition, since voids and cracks occur depending on the coating state, the viscosity of the slurry was optimized to improve this, and a study was conducted on whether each specimen could play a role as a filter and filtering performance through measurement of filtration efficiency and differential pressure. As a result, due to the increase in solid content and PPI, the solid content was 60wt% and the highest compressive strength of 1.55Mpa was shown at 110PPI. the filtration efficiency was excellent at 74.5% and the pressure drop also showed a value of 80Pa.