벤젠과 톨루엔에 대한 온도에 따른 흡착 특성 연구

강성원, 민병훈*, 서성섭

홍익대학교 공과대학 화학공학과

수원대학교 공과대학 화학공학과*

A Study of Dynamic Adsorption Characteristics According to Temperature for Benzene and Toluene

Sung-Won Kang, Byong-Hoon Min*, Sung-Sup Suh

Department of Chemical Engineering, Hongik University

Department of Chemical Engineering, Suwon University*

서론

산업의 발달과 함께 항상 부차적으로 생기는 문제는 환경의 오염을 들 수 있다. 현재 지구는 산성비, 지구의 온난화, 오존층 파괴 등 인류 생활에 직접적인 문제를 일으키는 환경 문제에 직면하고 있고 이를 해결하기 위해 지역적인 문제가 아닌 광역적인 문제로 이러한 환경문제를 해결하려 하고 있다[1]. 이 중 지표면 근처에서 문제를 일으켜 인간에게 호흡기 질환 및 광화학 스모그를 일으키는 물질로 현재 VOC(Volatile Organic Compound)를 예로 들수 있다. VOC는 휘발도가 높은 유기화합물을 의미하는데 휘발도가 높으므로 대기중에 쉽게 확산되는 특성을 나타낸다. 이러한 VOC가 주는 악영향을 해결하기 위해 각국에서는 각종 규제를 강화하여 자율적으로 양을 줄이고자 하고 있다. 우리나라도 단계적인 법령의 강화를 통하여 규제를 강화하고 있으며 이는 21세기에 새로운 기술적 발전 없이는 규제 강화에 대응하기가 더욱 어려워 질것임을 의미한다[2]. 이러한 VOC를 절감 또는 저감하는 방법에는 세정법, 흡착법, 소각법, 촉매에 의한 산화법 등 각종 방법이 동원되고 있다. 그러나 이러한 방법들은 경제적인 문제로 인해 어느 방법이 우수하다고는 할 수가 없다. 이 중 흡착법은 VOC를 회수할 수 있다는 측면과 초기 비용외 부수적인 비용은 적다라는 측면에서 우수한 방법이라고 할 수 있다[3]. 흡착법에 관한 연구는 최근 활발히 진행되고 있다[4].

본 연구에서는 흡착 장치 설계시 필요한 온도에 관련된 흡착탑 내부에서의 흡착 특성을 실험을 통하여 밝혀내었고 이러한 자료의 결과는 흡착공정의 설계를 위한 기초데이터가 될 것이다.

실험

본 연구에서 사용한 VOC 제거를 위한 흡착실험 장치를 Fig. 1에 나타내었다.

실험에 사용된 흡착제는 VOC의 분자크기를 고려하여 Norit Co.에서 제조한 Activated Carbon 12-20 mesh를 사용하였고 비표면적 측정장치인 ASAP-2000으로 측정한 비표면적은 1000∼1100m2/g이고 particle density는 약 700kg/m3이다. VOC는 흡착력이 크고 분자의 응축현상으로 인해 매 실험시 완벽한 흡착탑 재생을 위하여 온도를 573K로 유지하면서 24시간이상 10-3Torr이하로 진공건조 후 실험에 사용하였다. 실험방법으로는 액상의 VOC를 기상으로 흡착탑으로 공급하기 위해 불활성 gas인 N2를 유량을 조절할 수 있는 MFC(Mass Flow Controller)를 이용하여 일정한 유량으로 만든 뒤 VOC가 들어 있는 bottle에 통과시키면서 VOC를 bubbling 시킨다. 이 때 농도조절을 위하여 inline static mixer를 설치하였다. VOC가 일정농도가 되었을 때 GC(Gas-Chromatography)를 이용하여 농도를 측정하고 이를 흡착탑으로 불어 넣어 흡착을 시킨다. 출구에서 빠져나오는 시간에 따른 농도 변화로 파과곡선을 얻었고 온도는 흡착탑의 상부, 중부, 하부에 설치된 TC(Thermocouple)로 측정하였다. 탈착일 경우는 조업조건에 따라 흡착탑에 질소를 이용해 purge 시키거나 또는 진공으로 유지하면서 출구에서의 농도 및 온도변화를 측정하였다.

Fig. 1. Schematic diagram of experimental apparatus

Fig. 2. Breakthrough curve for

benzene adsorption in fixed bed

결과 및 토론

Fig. 2에서는 benzene의 유량이 1.0NL/min 일 때 흡착탑 주위의 온도가 30, 45, 60℃인 경우의 파과곡선의 변화를 나타내었다. 온도가 증가함에 따라 흡착탑 내부의 흡착량이 감소하므로 파과시간이 짧아짐을 알 수 있다. 또한 온도가 상승함에 따라 포화에 도달할 때의 기울기 또한 가파르게 상승하는 것을 알 수 있었다. 이는 분자운동의 상승에 따라 흡착탑내부의 channeling 현상이 줄어듬을 알 수 있었다. 이러한 경향은 toluene에서도 같은 경향을 나타내었지만 흡착량의 차이 및 분자크기의 차이로 인해 파과시간은 toluene이 길고 포화에 도달할 때의 기울기가 낮아짐도 측정되었다.

Fig. . Temperature changes for

benzene adsorption in fixed bed.

Fig. 3에서는 Fig. 2와 같이 흡착이 일어날 때 흡착탑의 각 위치에서의 온도변화를 나타내었다. Fig. 3에서는 파과곡선의 경향에서처럼 온도가 높아짐에 따라 흡착열이 빨리 이동하므로 탑의 하부로 갈수록 최고 온도에 도달함을 알 수 있고 또한 흡착열의 변화과정이 훨씬 더 펄스형태에 가까와짐을 알 수 있다. 이러한 경향은 흡착에 따른 파과곡선의 경향 파악에 있어 탑의 내부 영향을 유추하는데 도움이 되는 해답을 주는 결과이다. 또한 toluene에 있어서도 거의 같은 경향을 나타내지만 차이는 흡착열에 기인하는 상승 및 하강 현상의 변화폭이 benzene보다 완만하다는 것을 알 수 있었다.

Fig. 4에서는 일정유량의 N2 gas를 탑 출구쪽으로부터 도입함에 따라 탈착되어지는 benzene의 흡착탑 입구에서의 농도변화를 나타내었다. 온도가 증가함에 따라 입구를 빠져나오는 benzene의 농도가 빨리 감소함을 알 수 있었다. 이는 온도에 따라 탈착속도가 커짐을 알 수 있었고 이 때 나타내어지는 탈착 시간은 흡착 공정 설계시에 조업 변수로서 중요한 작용을 하게 된다.

Fig. 5에서는 탈착시의 내부 변화과정을 살펴보기 위하여 흡착탑내의 온도 변화를 나타내었다.

Fig. 5. Temperature changes for

benzene desorption in fixed bed.

본 실험에서 사용한 탈착시 실험조건은 N2 gas를 countercurrent로 주입하므로 흡착탑 출구쪽의 온도가 급격히 떨어짐을 알 수 있었다. 또한 온도가 상승함에 따라 흡착시와 마찬가지로 열이동 속도가 증가하므로 온도 변화가 peak의 형태로 급격히 변화함을 알 수 있었다. 이러한 경향은 toluene에서도 같은 형태를 띠지만 탈착시 toluene의 농도 감소는 benzene에 비해 느려짐을 알 수 있었고 온도변화 또한 같은 형태를 띠었다.

Fig. 4. Breakthrough curve for

benzene desorption in fixed bed

Fig. 6. Breakthrough curve for

benzene desorption in fixed bed

(Isothermal vs. nonisothermal)

Fig. 7. Temperature changes for

benzene desorption in fixed bed.

(Isothermal vs. nonisothermal)

Fig. 6.에서는 탑 주위의 30℃로 일정하게 유지될 때와 공기에 노출시켜 탑 주위가 일정하게 유지되지 않을 때의 농도 변화를 비교하였다. 파과가 빨리 일어나는 조업은 비등온인 경우지만 benzene에 대해서는 큰 차이가 나지 않았다. 하지만 toluene의 경우는 등온인 경우와 비등온인 경우의 차이가 좀더 명확히 나타남을 알 수 있었다. 이 때의 내부 온도 변화과정을 Fig. 7에 나타내었다. Fig. 7에 보는 바와 같이 비등온일 경우에 주위로 열이 빨리 배출되므로 흡착탑내의 온도가 급격히 변화됨을 알 수 있다. 또한 열파과에 따른 순간적인 흡착량 감소로 인해 출구에서 포화에 근접하면서 생기는 늘어짐 경향이 심함을 알 수 있었다. 이는 탑 내 온도변화 과정으로부터 유추할 수 있었다.

본 실험에서는 benzene의 흡착량이 toluene의 흡착량 보다 작으므로 파과가 빨리 일어나고 흡착탑 주위의 온도에 따라 흡착 및 탈착의 특성이 급격히 변화함을 알 수 있었다. 이와 같은 결과는 흡착탑 및 흡착조업 조건 설계시 수반되는 run time의 변화를 가져오며 장치의 대형화에 따른 흡착탑 내의 반경방향의 단열효과에 대한 경향을 유추하는 판단자료가 됨을 알 수 있었다.

참고문헌

[1] 한화진, 선진국의 VOC 규제 및 관리동향, 첨단환경기술, 7, 2-9(1997)

[2] 한화진, 국내 VOC현황 및 배출원별 관리방향, 첨단환경기술, 6, 1-7(1996)

[3] S.W.Kang, B.H.Min and S.S.Suh, "Breakthrough Behavior of Benzene and Toluene in Adsorption Bed ", J. of Korean oil Chemists' Soc., 17, 2(2000)

[4] J.H.Yun and D.K.Choi, □Equilibria and Dynamics for Mixed Vapors of BTX in an Activated Carbon Bed□, AIChE J., 45, 751(1999)