활성탄 고정층 반응기에서 BTX의 기상 흡착특성

김명숙, 송덕만, 조항대*, 최원길*, 이형근*

울산대학교 화학공학과, 한국에너지기술연구소 에너지 환경연구부*

Characterization of Gas Phase Adsorption of BTX on Acivated Carbon using Fixed bed reactor

M. S. Kim, D. M. Song, H. D. Cho*, W. K. Choi*, H. K. Lee*

Chemical Engineering Department, Ulsan University

Energy and Environmental Research Department, Korea Institute of Energy Research*

서   론

일반적으로 소각로 등에서 발생한 유해가스 및 분진을 처리할 경우에 SO2를 제거하기 위해서는 건식 및 반건식 탈황공정을 설치하게 되며, 전기 집진기나 여과포를 이용하여 분진을 제거한 후에 SCR 또는 SNCR공정을 이용하여 NOx를 제거하게 된다. 최근에는 한 공정에서 SO2, NOx를 동시에 제거하기 위해 알카리계의 흡수제에 Activated Carbon을 첨가하여 제거하는 실험이 진행되고 있다.

최근에 정부에서는 대기중의 광화학옥시던트(oxidant)를 억제하기 위해 휘발성유기화합물(volatile organic compound, 이하 VOC)의 배출을 규제하기 위한 대기환경보전법을 제정하여 1999년 부터 시행하기로 계획하고 있기 때문에 국내에서도 이와 관련된 연구가 매우 다양한 방법을 이용하여 진행되고 있으며, 활성탄(activated carbon, 이하 AC)의 흡착성능을 이용하여 VOC를 제거하는 연구는 다른 방법에 비해 장치가 간단하고 저농도의 VOC를 효과적으로 제거할 수 있다는 장점으로 인해 많은 관심을 갖고 있다.

활성탄은 그 내부에 큰 표면적을 가진 미세한 구멍이 있는 탄소로서 미세기공의 총 유효표면적은 약 1200(□/g 활성탄) 정도에 달하며, 이 기공표면에 VOC성분이 흡착된다. 흡착이 일어나면 가스속에 기체로 존재하고 있던 용제나 VOC 성분은 액체로 되어 기공으로 들어가며 기공율만큼 VOC 성분을 흡착할 수 있다. 활성탄 흡착은 농도나 분압이 증가할수록 흡착능이 증가하고, 온도가 증가할수록 감소한다. 또한 분자량이나 비점이 큰 물질이 흡착이 많이되며 다성분계인 경우는 각 성분들이 경쟁적으로 흡착하려고 하기 때문에 단일성분에 비해 흡착성능을 감소시킬 수 있다.[1] 특히 저농도, 저분자량의 물질인 경우 상대습도가 50%이상이면 흡착성능을 감소시킬 수 있다.[1,2]

Chang등[3]은 AC을 이용하여 여러 VOC의 흡착실험을 수행하였으며, 분자량과 비점이 높은 것은 낮은 물질에 비해 높은 흡착성능이 있음을 보여주었다. 그러나 Hu등[4]에 의하면 KOH로 AC를 화학적처리를 하여 화학흡착 성능을 향상시켰을 경우에는 이와 반대되는 경향을 보여주었다. AC의 흡착성능에 영향을 주는 변수중의 하나는 습도(humidity)로서 Noll 등[1,2]에 의하면 톨루엔(toluene)과 Trichloroethylene을  기상 흡착시켰을 경우에 상대습도가 50% 이상이면 흡착성능이 저하됨을 보였다.

본 연구에서는 소각로나 산업체에서 발생되는 SOx등의 산성가스 뿐만 아니라 VOC의 동시제거를 위한 복합흡수제개발의 기초연구로서, VOC의 대표적인 화합물인 BTX(Benzene, Toluene, m-Xylene) 혼합물을 기상에서 활성탄에 의한  흡착실험을 수행하였다.  본 실험에 사용한 활성탄은 삼천리산업에서 제조한 것으로서 코코낱껍질을 환원분위기에서 650℃로 탄화하여 850℃에서 활성화한 것이다.  활성탄의 흡착성능은 동일한 조건에서 온도가 낮을수록 증가하였으며, 분자량이 큰 m-Xylene>Toluene>Benzene 순으로 나타났다.

실   험

반응기에 유입되는 가스는 질소, 기화된 Benzene, Toluene, m-Xylene(Aldrich), H2O로 구성된 모사가스이며 질소가스는 MFC(Mass Flow Controller, Sierra Ins.)를 이용하여 1.0L/min으로 공급하였다. BTX 용액과 물은 각각  Syringe pump(Kd Scientific model no. 100)를 이용하여 일정유량으로 공급하였으며 250℃로 유지되는 증발기(evaporator)를 통과하면서 증기상태로 공급되었으며, 같은 방법을 이용하여 일정량의 물을 주입하여 반응기 내의 습도를 일정하게 유지하였다.

반응기는 내경 25□, 높이 250□인 스텐레스 스틸관으로서, 반응기내에는 하부로부터 150□지점에 소결금속제의 필터를 설치하였다. 반응기의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 Air bath를 제작하여 이 내부에 반응기를 설치하였으며, 온도조절기와 heater를 이용하여 Air bath내부의 온도를 0∼300℃까지 ±1℃범위로 조절하였다.

반응기에 유입되는 모사가스인 BTX 및 반응후 생성된 가스를 연속적으로 측정하기 위하여 GC/FID(Hewlett-Packard 6890 Series)를 이용하였으며, 가스의 응축을 방지하기 위하여 반응기 출구에서 GC의 Valve까지의 연결관 및 밸브를 가열하였다. 분석조건은 Injector 220℃, Detector 300℃, Oven 50℃이며, 사용된 칼럼은 SGE(0.25mm, 25m)를 이용하였다.

[Figure 1] Experimental apparatus for BTX adsorption on the AC

반응기에 활성탄을 충진할 경우에 모사가스의 흐름을 균일하게 하고 시료가 압축되는 현상을 방지하기 위하여 활성탄 1g 과 Quartz sand(Aldrich사, 50∼70 mesh) 20g을 혼합하여 소결금속제 필터 위에 충진하였다.

실험은 반응기에 활성탄을 충진하고 Air bath oven과 증발기의 온도를 일정하게 유지한 후 By-pass line으로 전환된 상태에서 모사가스 농도와 습도를 일정하게 조정한다. 모사가스의 농도가 일정하게 되면 밸브를 반응기로 전환하고 실험을 시작한다.

실험결과 및 고찰

[그림2]는 반응온도 120℃에서 시간에 따른 BTX 각 성분의 파괴곡선(Breakthrough curve)을 나타내는 것이다. m-Xylene의 흡착량이 가장 많고 Toluen, Benzene 순으로 흡착량이 떨어짐을 보여 준다. 이것은 Chiang등의 결과와 같은 경향을 보여주고 있으며, Benzene은 반응초기에 흡착되었다가 탈착되는 경향을 볼 수 있다.

[그림 3]은 반응온도에 따른 각 화합물의 흡착량을 보여 주는 것으로서 반응온도가 낮을수록 흡착량이 증가하며, 이는 반응이 주로 물리흡착에 의해 일어남을 알 수 있다.

참고문헌

1. SenGupta, U. "Granular activated carbon - thermal regeneration process        for control of VOC emissions from surface coating operations", Proc.          -APCA Annu. Meet. 1988, paper 88/84.4. 20pp.

2. Noll, K.E., Dahui Wang, et al. □The effect of moisture on the vapor           phase adsorption of Toluene and Trichloroethylene", Proc. - APCA            Annu. Meet. 1988, paper 88/84.9. 20pp.

3. Chiang, P.C., You, J. H. , et al. "Evaluation of adsorbents for volatile          organic chemicals", Stud. Surf. Sci. Catal. 80, 1993, pp89-96

4. Hu,Zhong-Hua, et al. "Vapor-phase Adsorption of Benzene, Toluene and        Xylene by a new adsorbent:Modified elutrilithe