보고서 정보
주관연구기관 |
(주)세라컴 |
연구책임자 |
이강홍
|
참여연구자 |
이승현
,
이성우
,
김신한
,
서필원
,
김용명
|
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2012-09 |
주관부처 |
환경부 Ministry of Environment |
등록번호 |
TRKO201800000675 |
DB 구축일자 |
2019-04-20
|
초록
▼
□ 최종목표
디젤엔진의 PM/NOx 동시저감울 위한 다층 구조의 세라믹 담체 시스템 개발
- PM/NOx 동시 가스 정화용 나노 기공 구조체 필터 개발
- 나노 기공구조체 기공형상 및 표면 조절 기술개발
- 나노구조체 제조와 나노 구조체 기반 담체 설계 기술개발
□ 개발내용 및 결과
- PM/NOx 정화용 필터 개발
필터 압출시 사용하는 조공제 및 출발 원료를 변경하고 열처리시 열처리 조건을 변경하여 기공율 58%, 압축강도 72kg/cm²의 담체를 개발하였다. 또한
□ 최종목표
디젤엔진의 PM/NOx 동시저감울 위한 다층 구조의 세라믹 담체 시스템 개발
- PM/NOx 동시 가스 정화용 나노 기공 구조체 필터 개발
- 나노 기공구조체 기공형상 및 표면 조절 기술개발
- 나노구조체 제조와 나노 구조체 기반 담체 설계 기술개발
□ 개발내용 및 결과
- PM/NOx 정화용 필터 개발
필터 압출시 사용하는 조공제 및 출발 원료를 변경하고 열처리시 열처리 조건을 변경하여 기공율 58%, 압축강도 72kg/cm²의 담체를 개발하였다. 또한 소성시 소성로 내부 산소농도 및 분위기를 조절하여 세계 최고 수준의 담체와 거의 유사한 물성을 보이는 담체를 개발하였다. 담체에 대한 배압 및 열적 특성을 측정한 결과 배압 특성의 경우 세계 수준의 상용 제품과 비교하여 30%이상 개선된 제품을 개발하였고 열적특성의 경우 세계수준과 거의 유사한 특성을 나타내는 제품을 개발하였다.
- 나노구조체 제조
나노 복합체 합성을 위한 원료의 최적비를 확정하였으며 주형제로 사용하는 구연산의 함량 변화를 통하여 나노 구조체의 기공 크기를 3~5nm까지 변경시킬 수 있음을 확인하였고 제조된 나노 구조체의 물성이 목표상의 기공크기 및 비표면적으로 크게 초과하는 나노 구조체 합성법을 확립하였다.
- 나노 기공구조체 기공형상 및 구조체 표면조절
합성된 나노 복합체를 개발된 필터 표면에 코팅하여 코팅 전후의 배압 특성을 비교하였다. 배압 특성은 나노 복합체 로딩량에 따라 변화하는 특성을 나타냈으며 로딩량을 10g/L이하로 할 경우 기준으로 제시한 40% 이내로 조절할 수 있음을 확인하였다. 하지만 나노 복합체의 출발 물질이 실리카이기 때문에 고온에서 내열성 부족으로 인하여 형성된 나노 구조체가 깨지는 문제가 발생하였다.
- LNT 촉매 합성 공정 최적화 및 코팅 기술 개발
전남대로부터 인수한 LNT 촉매 합성 조건을 최적화하기 위한 합성 조건별 시험을 진행하였다. Ba 합성이 건조 온도 및 Ba 소스 변경에 따른 BET 변화를 통하여 대량 합성을 위한 초기 조건을 선정할 수 있었다. 촉매 물질 코팅량별 시험을 통하여 최적 촉매 코팅량을 선정할 수 있었다.
□ 개발기술의 특징·장점
- 현재까지 개발된 PM, NOX 동시저감 촉매들은 개별부품으로 분리 형성되어 강화된 법적규제 및 장착성 향상을 위하여는 각각의 부품 을 ASSY화 된 팩키지로 동시 장착하는것이 유리하다. 본 연구개발을 통하여 PM 필터 구조체에 LNT촉매를 코팅 PM/NOx동시저감 필터를 제조할 수 있는 기술을 개발하였다.
□ 기대효과 (기술적 및 경제적 효과)
- 현재 시판되고 있는 경유 차량의 경우 PM 필터를 100% 장착하여 출시되고 있으며 가솔린의 경우 GDI 엔진이 본격적으로 출시됨에 따라 추후 PM 필터에 대한 필요성이 높아지고 있다. 본 연구를 통하여 디젤 엔진 뿐만아니라 가솔린 차량에도 사용가능한 PM 필터를 개발함으로써 현재까지 100% 해외 수입에 의존하고 있는 PM 필터의 국산화가 가능할 것으로 판단된다.
□ 적용분야
- 가솔린 자동차용 PM 제거 필터
- 디젤 자동차용 PM, NOx 동시 제거 촉매
- 디젤 자동차용 PM 제거 필터
- 가솔린 자동차용 PM, NOx 동시 제거 촉매
(출처 : 보고서 초록 4p)
Abstract
▼
V. Result
This study was carried out to make PM filter with the LNT catalysts and nano-pore structure for gasoline vehicles. 1st year, to developing the PM Filter with the LNT catalysts and nano-pore structure, we have carried out studies on the effects in the properties of the PM filter changing
V. Result
This study was carried out to make PM filter with the LNT catalysts and nano-pore structure for gasoline vehicles. 1st year, to developing the PM Filter with the LNT catalysts and nano-pore structure, we have carried out studies on the effects in the properties of the PM filter changing starting material shape and size, studies on manufacturing methods of nano porous material, and studies on controlling methods of nano pore. 2nd year, for fabricating the PM filter that can equipe at car, we have carried out studies on methods to enlarging filter size, studies on methods to coat the LNT catalysts and nano porous material without Differential pressure upward.
1. Filter Development of PM/NOx removal
1) 1st Year
Currently, PM filter for diesel vehicles has used materials such as cordierite, SiC, aluminum titanate, mullite etc. Codierite material was determined as PM filter for gasoline vehicles because it has excellent thermal shock resistance due to very low coefficient of thermal expansion and low production price than other materials, starting materials for codierite filter are using material such as kaoline, talc, alumina, pore forming agent, silica etc. each starting material's size and morphology affect properties of 50*50* 152mm/200cpsi honeycomb, kaoline show that the smaller size makes lower coefficient of thermal expansion at same morphology, at same size laminated type is lower than isotropic type but pore size is independent of its size and shape. Alumina is similar to kaoline but talc show that the smaller size makes smaller pore size.
In order to optimize the properties of filter were tested by changing the heat treatment conditions, the results of comparisons at temperature 1370~1430°C, higher temperature shows lower coefficient of thermal expansion, the results of comparisons at oxygen content 5~20%, lower oxygen content shows lower coefficient of thermal expansion, section that occurs major changes in codierite filter during the heat treatment temperature is divided to 3 region and studies effect of heating rate on filter properties, as a result, high heating rate at 1200~ 1350°C makes that the micropores what exist inside the filter will disappear and pore size will be converged at approximately 10㎛. back pressure measurement results show that heating rate larger than 1 °C makes similar differential pressure.
2) 2nd Year
Main purpose of 2nd year studies is making 5.66''*6" filter, normal sintering condition confirms that it occur cracks inside PM filter, according to literature, this cracks is generated by temperature difference in PM filter during organics in filter is burned, in order to measure accurate temperature difference in PM filter,three thermocouples are inserted in furnace,filter skin and center. As a result, if PM filter size is 5.66"*6"/200cpsi, normal sintering condition induces temperature differences in PM filter about 120°C during organics in filter is burned, to minimize temperature differences in PM filter, condition such as heating rate, oxygen content was tested. As a result PM filter that have low pressure drop about 30% than commercial SiC filter can be made.
2. Synthesis of nano porous material
1) 1st Year
Meso porous silica is synthesized by using non-surfactant citric acid and colloidal silica. Size of 5 nm silica used as a raw material transparent colloidal silica sol (CS) is made by hydrolysis and condensation reactions under alkaline catalytic atmosphere, mole ratio of TEOS: NH₃: H₂O: EtOH is 1: 0.086: 53.6: 40.7. meso porous silica was prepared via process that non-surfactant citric acid (CA) to a colloidal silica sol (CS) is added at a constant rate, and stirred for 10 min, and dried at 70 °C for 24 hours and calcined at 500 °C for 2 hrs. meso porous structure is made by process that citric acid was added and stirred in the prepared silica sol and hydroxyl (-OH) group of the citric acid and then silanol groups(Si-OH) of the silica surface forms hydrogen bonds and citric acid and silica nano particles of amorphous nano composites is formed. If the citric acid is removed by the firing, what space occupied by citric acid in the amorphous nano composite make pore can be seen.
2) 2nd Year
In 2nd year, meso porous silica internal pore size changes according to the citric acid content is observed, pore size of meso porous silica depending on the ratio of CA / CS through nitrogen adsorption experiments were analyzed, manufactured all silica shows 650 m2 / g or more surface area silica, CA / CS ratio increases, the pore volume and average pore size increased, this result shows that the addition of citric acid (CA) increases the pore size, synthesized mesoporous silica have 3D connected pore structure, and narrow pore distribution, and high specific surface area and pore volume, pore size from 3nm to 10nm can be controlled by concentration of citric acid.
3. Manufacturing of Filter having nano porous structure
1) 1st Year
Using manufactured nanostructure material, coating at filter, characteristics of nano-layer formation is studied, because having a similar particle size is advantageous to coating, manufactured nanostructure material is ball-milled during 1~6hr. ball-milled material is coated at filter and analyzed through BET and SEM. in order to see the characteristics of the nanostructure formation it is coated at PM filter alternating loading amount 5~15g/L. BET analysis results show that surface area of bare PM filter is similar to surface area of coated PM filter, this means that mechanical impact can destroy the pore structure of nano porous material, back pressure characteristics that are measured by the specimens show these phenomena, back pressure of coated PM filter is increased 100% comparing back pressure of bare PM filter.
2) 2nd Year
First year study results show that mechanical milling progress through common catalyst coating method can destruct the internal pore structure of mesoporous nanostructures, in order to solve these problems, a sample is taken during mesoporous silica manufacturing process and it is coated to filter alternating loading amount 5~15g/L. liquid state specimens before drying is greatly increased back pressure because mesoporous silica penetrate to cordierite substrate and react with cordierite substrate, but coated specimens by milling the dried product are identified as the possible formation of surface nano-coating layer.
(출처 : SUMMARY 16p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 제출문 ... 2
- 보고서 초록 ... 4
- 요약문 ... 8
- Summary ... 14
- 목차 ... 20
- 표목차 ... 22
- 그림목차 ... 23
- 제1장 서론 ... 25
- 제1절 연구개발의 중요성 및 필요성 ... 25
- 제2절 연구개발의 국내·외 현황 ... 28
- 1. 해외 기술개발 동향·시장 ... 28
- 2. 국내 기술개발 동향·시장 ... 31
- 제3절 연구개발대상 기술의 차별성 ... 32
- 1. 차별성 ... 32
- 제2장 연구개발의 목표 및 내용 ... 34
- 제1절 연구의 최종목표 ... 34
- 제2절 연도별 연구개발의 목표 및 평가방법 ... 34
- 제3절 연도별 추진체계 ... 35
- 제3장 연구개발 결과 및 활용계획 ... 37
- 제1절 연구개발 결과 및 토의 ... 37
- 1. PM 필터 물성 최적화 ... 37
- 가. 출발 원료 변경을 통한 미세구조 제어 ... 37
- (1) 조공제 형상에 따른 기공 구조 변화 ... 37
- (2) 카올린 변경에 따른 물성 변화 ... 45
- (3) 활성입도 변경에 따른 물성 변화 ... 49
- (4) 알루미나 입도 변경에 따른 물성 변화 ... 54
- 나. 소성 조건 변경에 따른 PM 필터 물성 최적화 ... 57
- (1) 최종 유지 온도 변화 시험 ... 57
- (2) 소성 분위기 변화 시험 ... 64
- (3) 승온속도 변화시험 1 ... 68
- (4) 승온속도 변화시험 2 ... 73
- (5) 승온속도 변화시험 3 ... 76
- (6) 승온속도 변화시험 4 ... 83
- 다. 실형상 제조를 위한 소성 시험 ... 86
- 라. 최종 물성 평가를 위한 담체 제조 ... 90
- 2. 나노 구조체 기공 제어 ... 92
- 가. 비계면활성제 주형법을 이용한 메조포러스 실리카의 제조 ... 92
- 나. 메조포러스 실리카의 기초 물성분석 ... 94
- 3. 나노 구조체 기공 제어 ... 98
- 가. 나노구조체 Layer 형성을 위한 코팅 시험 ... 98
- 나. 나노구조체 Layer 형성을 위한 코팅 시험 1 ... 100
- 다. 나노구조체 Layer 형성을 위한 코팅 시험 2 ... 101
- 라. LNT 촉매 제조 ... 104
- 제2절 연구개발 결과 요약 ... 108
- 제3절 연도별 연구개발목표의 달성도 ... 109
- 제4절 연도별 연구성과(논문·특허 등) ... 110
- 제5절 관련분야의 기술발전 기여도 ... 110
- 제6절 연구개발 결과의 활용계획 ... 110
- 제7절 국가과학기술종합정보시스템에 등록한 연구시설·장비 현황 ... 110
- 제4장 참고문헌 ... 111
- 부록 : 2. 국내외 학술회의(세미나) 게재 성과 ... 112
- 끝페이지 ... 112
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