마이크로파를 이용한 흡착분리에 관한 기초적 연구

김윤갑, 장원철*, 이태진*, 小林 悟**, 櫛山 曉**, 水野 光一**

계명전문대학 환경공업과, *영남대학교 화학공학과,

**일본 통상성 자원환경기술종합연구소

A Study of Gas Separation by Microwave Irradiation

Yoon-Kab Kim, Won-Chul Chang*, Tae-Jin Lee*,

Satoru Kobayashi**, Satoshi Kushiyama**, and Koichi Mizuno**

Dept. of Environmental Industry, Keimyung College,

*Dept. of Chemical Engineering, Yeungnam University,

**National Research Institute Resources Environment in Japan

서론

가스의 흡착조작은 크게 나누면 흡착제에 용제함유가스를 접촉시켜 포화흡착시킨 후 탈리회수를 행하는 TSA 방식이 있고, 고압에서 흡착시켜 저압에서 탈리하는 PSA 방식이 있다. 이러한 방법은 열역학적으로 흡착탈착이 온도와 압력의 인자에 의해 이루어 진다고 볼 수 있다. 지금까지의 흡착연구에서 온도와 압력 이외의 인자에 의해 흡착조작이 행해진 연구는 거의 없다. 그러나 만약 전기장이나 초음파 등에 의해 흡착제어가 가능하다면 지금까지와 다른 새로운 흡착 평형 및 흡착기술이 이루어지리라 생각된다.

마이크로파는 주파수대가 300MHz-300GHz(파장 1m-1mm)범위의 전자기파이다. 일반적인 전기 및 전자분야 이외에는 식품이나 재료분야의 건조 및 열처리공정에 사용되어 왔다. 최근에는 마이크로파를 이용한 유기합성이나 유해가스처리에 관하여서도 연구되고 있다. 또한  활성탄이 마이크로파에 의해 발열하는 특성을 이용하여 재생탈리공정에 이용된 적이 있다.1,2) 마이크로파에 의한 흡탈착제어는 본질적으로는 온도에 의한 제어의 일종이라 할수 있지만, 빠른 온도의 상승과 특정분자의 여기를 기대할 수 있다면 새로운 흡착기술로서 가능성이 있다.

CFCs는 오존층 파괴물질로 지구환경문제에 심각한 문제를 일으키고 있다.3,4) 이러한 CFCs의 흡착회수 공정에서도 온도와 압력으로 행해지는 것이 일반적이지만, 이외의 방법으로 흡착조작을 제어할 수 있다면 조작성 향상 등이 기대된다. 본 연구에서는 저농도 CFCs의 흡착회수공정에서 기존의 온도와 압력 외의 새로운 제어방법의 하나로 마이크로파를 이용한 흡착제어의 기초적인 연구를 행하였다.

실험장치 및 방법

흡착제로서는 마이크로파에 의한 가열효과가 적은 NaY제올라이트(Na56Al56 Si136O384 : 이하 제올라이트라 함)를 사용하였다. 사용한 제올라이트의 비표면적은 768 m2/g이고 함수율은 24%이었다. 흡착질 가스로는 제 1성분은 CFC-113 (1,1,2-trichloro,2,21-trifluoroethane) 1000ppm에 나머지 헬륨가스로 충전한 가스로 하였고, 제 2성분은 물 7895 ppm로 하였다.

본 연구에 사용된 실험 장치는 그림 1에 나타내었다. 실험장치는 일반적인 유통식 흡착장치에 마이크로파 조사장치를 부착한 형태이다. 유로부는 mass flow meter로 가스의 유량을 조절하였으며 물의 농도는 일정한 온도를 유지하는 saturator를 통하여 수증기압에 해당하는 양만큼 유입되도록 하였다. 각각의 CFC -113와 물은 잘 혼합되어 흡착부에 유입되도록 하였다.

흡착관은 유전손실이 작은 석영제로써 내경 8mm, 길이 15cm 튜브형을 사용하였다. 내부에는  흡착제를 약 0.6g 충전하였다, 이때 충전높이는 약 2cm 정도 되었다. 이 흡착관 외부에는 내경 2cm의 석영관을 붙여서 그 사이를 유전손실이 아주 작은 프레온 액체를 냉매로 순환시켜서 흡착층의 온도를 조절하였다. 흡착층 중앙부의 온도는 광화이버 온도계를 이용하여 온도를 자동기록하였다. 마이크로파 발진관은 2.45GHz, 최대출력 1.2kW의 마그네트론관을 사용하였고, 발진관으로부터 도파관으로 마이크로파가 도입되고, 도파관 중간에 흡착관을 설치하였다. 흡착관에서 마이크로파가 흡수되는 부분은 중앙부의 약 6mm정도이다. 본 연구에서는 마이크로파 출력을 0.2-1.0kW로 사용하였으나 입사효율은 출력의 약 5%이었다. 실험으로부터 유출되는 가스는 GCMS의 질량분석부에 연속적으로 도입하여 농도를 측정하였다.

결과 및 고찰

그림 2는 마이크로파를 0.8kW의 출력으로 조사하였을 때의 흡착탈리패턴이다. CFC-113 1000 ppm과 물 7895ppm의 혼합가스가 파과에 도달한 후 S시점에서 마이크로파의 조사를 시작한다. 마이크로파가 조사되면 물의 출구농도는 급격하게 증가하게 되는데, 이는 마이크로파에 의해 제올라이트에 흡착된 물이 여기(excited state)되어 탈리되고 있음을 나타내고 있다. CFC-113는 S시점까부터 농도가 감소하기 시작한다. 물의 탈리에 의해 제올라이트내의 흡착자리(adsorption site)가 비게 되고, 여기에 CFC-113가 흡착되는 것으로 생각된다(제1흡착). 이후 CFC-113농도의 감소 경향이 적어지면서 마이크로파 조사상태 하에서의 흡착은 종료하게 된다. 물과 CFC-113가 입구농도에 가까워지는 E시점에서 마이크로파의 조사를 정지하면, 물의 농도는 입구농도보다 작아지게 된다. 마이크로파에 의한 여기가 없어지기 때문에 제올라이트에 대한 통상적인 흡착이 시작되는 것으로 생각된다. 같은 E시점에서의 CFC-113는 흡착이 종료한 CFC-113가 다시 흡착하는 것이다(제2흡착). 이대로 마이크로파를 조사하지 않는 상태에서 혼합가스를 유입시키면 흡착력이 강한 물이 계속 흡착하기 때문에 B시점 이후 물의 치환흡착에 의해 CFC-113는 탈리하게 된다. 이상과 같이 마이크로파의 조사에 의해 흡습성이 강한 제올라이트에서 물의 흡착을 억제하고 CFC-113의 흡착을 촉진시키는 효과를 가지고 있다는 것을 알 수 있다. 또 마이크로파의 조사를 정지하면 물이 우선적으로 흡착하고 CFC-113의 탈리를 일으키는 것 등의 기존과 다른 효과가 일으키는 것을 알 수 있었다.

마이크로파 조사시간이 변화함으로써 흡착탈리의 패턴도 크게 변한다. 그래서 그림 2의 실험조건과 같은 조건으로 하고 마이크로파의 조사사간을 각각 변화하였을때 흡착량과 탈착량의 변화를 그림 3에 나타내었다. CFC-113의 전흡착량(Qfa)를 보면 조사시간이 길어 질수록 증가해서 10-15분 정도부터 일정하게 되고,  마이크로파 조사 하에서 생겨나는 제1흡착은 흡착하는데는 시간이 걸린다. 또 물의 단위 탈리량 당 CFC-113의 전흡착량(Qfa/Qwd)은 일정하다. 이는 물의 탈리에 의해 생긴 빈자리와 CFC-113의 흡착량이 비례하는 것을 나타낸다. 물의 탈리에 의해 흡착거리가 빈 자리에 CFC-113가 흡착하는 것으로 판단된다. 제 2흡착은 마이크로파가 조사되면 물의 탈리가 일어난 빈자리에 CFC-113가 흡착하지만 계전체가 마이크로파에 의해 여기가 계속되기 때문에 빈자리 전체에 CFC-113이 흡착하는 것이 아니고, 마이크로파 조사를 정지한 시점부터 남아 있는 빈자리에 CFC-113가 흡착하게 된다. 이것이 제 2흡착이 일어나는 원인이다.

결 론

이상과 같이 마이크로파를 의한 물과 CFC-113의 2성분계 흡착제어에 관하여 검토하였다. 이 결과 마이크로파의 조사는 CFC-113의 흡착을 증진시키는 것을 알 수 있다. 이 원리에 대해서는 다음의 두가지 점을 생각할 수 있다. 첫 번째는 마이크로파가 흡착평형에 직접 관여하는 것이고, 두 번째는 온도 상승에 따라 평형관계의 변화가 일어나기 때문으로 생각할 수 있다. 본 연구에서는 어느 쪽이 흡착에 영향을 끼치는지는 확실하게 결론을 내릴 수 없다. 제올라이트는 흡착성이 강하기 때문에 수분을 함유한 CFC-113 등의 흡착에는 적절하지 못하다.  그렇지만 마이크로파를 이용함으로써 물의 흡착을 어느 정도 억제하고, CFC-113의 흡착을 일으킬 수가 있으므로 제올라이트의 용도를 확대시킬 수 있다. 또 마이크로파에 의한 흡착제어가 가능하게 되면 새로운 기술의 발전을 기대할 수 있다.

참고문헌

1. E.J. Mazy and S.T. Dinovo. US Pat., 4,322,394(1982).

2. M.G. Varrando and D.H. White, US Pat., 4,312,641(1982).

3. R. Aizawa, S. Kushiyama, S. Kdbayashi, Y. Koinuma, K. Mizuno,

and H. Ohuchi,  Taikiosengakkaishi, 26, 78(1991).

4. S. Kobayashi, K. Mizuno, S. Kushiyama, R. Aizawa, Y. Koinuma,

and H. Ohuchi,  Ind. Eng. Chem. Res., 30, 2340(1991).

본 연구는 1996년 한국학술진흥재단의 공모과제 연구비에 의해 연구되었음.

Fig. 1. Adsorption apparatus.

Fig. 2. A typical adsorption-desorption curve under     Fig. 3. Relationship between adsorption amount

microwave irradistion time.                        of CFC-113 and microwave irradistion.