수산화칼륨을 함침시킨 활성탄에 대한 이산화탄소의 흡착특성

류동관,김성현

고려대학교 공과대학 화학공학과

The adsorption characteristics of CO2 on Activated Carbon

impregnated with Potassium Hydroxide

Dong kwan Ryu, Sung Hyun Kim

Department of Chemical Engineering, KOREA University

서    론

지구환경단체인 「그린피스」는 최근 지구 온난화로 극지방의 빙하가 녹아 해수면이 점차 상승한다는 내용의 보고서를 발표, 세인들의 환경에 대한 관심을 다시한번 고조시켰다. 지구의 온난화는 주로 석유, 가스, 석탄과 같은 화석연료를 사용하므로써 초래되며,  환경에 미치는 영향은 일반적으로 해수면 상승으로 인한 해변의 침식과 홍수피해, 기상난동, 사막화, 생태계의 파괴와 생물종의 변화, 수자원의 변화 등인 것으로 알려져 있다. 이는 이산화탄소를 비롯하여 염화불화탄소, 메탄, 이산화질소 등의 과다배출 때문이며 이중 이산화탄소가 차지하는 비중이 지대한 것으로 알려져 왔다.

따라서 이산화탄소를 원천적으로 연소배가스로부터 회수하는 것이 바람직한데 이러한 기술은 이미 수많은 사람들에 의해 연구되어 왔고, 일부는 이미 상용화되어 있다. 이산화탄소를 분리하는 방법에는 흡수법, 흡착법, 막분리법 등이 있는데 이 중 현재 상업적으로 이용되고 있는 공정은 아민흡수법(Amine Absorbtion)이다. 그러나 아민흡수법은 설비투자비, 부식성, 효율성 등을 고려해 볼 때 많은 문제점을 드러내고 있어 새로운 공정으로 흡착법과 막분리법이 개발되고 있는 실정이다.1),2)

그 중 흡착법은 연소배가스로부터 이산화탄소를 분리하는데 가장 이상적인 공정으로 평가되고 있는데 그 이유는 건식법으로 운전되므로 부식문제가 없으며, 설비의 가동시간이 짧고 조작이 간단하고 동정의 자동화가 가능하며 장치가 흡수법에 비하여 작고, 흡착제의 수명이 길며 손실이 없다는 장점이 있기 때문이다. 여기에 사용되는 흡착제에는 활성탄(Activated Carbon), 활성탄소섬유(Activated Carbon Fiber), 제올라이트(Zeolite) 등이 있다.

이러한 흡착제는 이산화탄소에 대한 흡착능력이 선택적으로 우수하여야 한다. 본 연구에서는 연소배가스 중의 한 성분인 이산화탄소를 혼합가스로부터 분리하는데 사용되는 흡착제인 활성탄(Activated Carbon)에 수산화칼륨(KOH)을 함침시킨 후 이산화탄소의 흡착실험을 통하여 흡착능의 증가에 미치는 영향을 알아보고 공업적으로 사용가능성을 살펴보았다.

실험장치 및 실험방법

수산화칼륨을 함침시킨 활성탄에 대한 이산화탄소의 흡착특성을 살펴보기위해 그림1과 같은 실험장치를 제작하였다. 흡착컬럼은 내경이 10mm 및 42mm, 길이200mm의 이중관으로 pyrex유리를 사용 제작하여 중심관에는 흡착제를 충전하고 흡착층의 온도가 일정하게 유지되도록 두 관 사이의 재킷으로 일정온도의 물을 순환시켰다. 또한 칼럼 출구에서의 온도를 측정하기 위해 출구로부터 1cm위인 지점에 열전대를 삽입하였으며 배출가스의 농도를 분석하기 위해 이산화탄소 분석기(Altmont사의 IR-702D, 측정범위 0-20.1vol%)를 설치하였다. 각 배관은 Teflon tube를, 반응기와 모든 Fitting류는 SS316L을 사용하였으며 시스템의 온도, 압력, 그리고 이산화탄소의 농도를 실시간으로 측정하기 위하여 각 Sensor에 A/D Converter를 연결하여 data를 저장하였다.

1. N2 cylinder                     10. pressure transducer

2. CO2 cylinder                   11. thermocouple

3. N2+CO2 cylinder                12. adsorption bed

4. on-off valve                   13. water circulator

5. metering valve                 14. computer(AD converter)

6. rota meter                     15. gas analyzer

7. water bath                      16. three-way valve

8. vaporization cell                 17. vacuum pump

9. six port valve                  18. Gas Chromatography

Fig.1. The schematic diagram of the experimental apparatus

for fixed bed adsorption

활성탄에 수산화칼륨을 함침시키는 과정은 그림2와 같다. 국내에서 일반적으로 사용되는 상업용 granular 형태의 활성탄(삼천리(주) 1996)구입하여 미국 표준체로 16/20mesh의 크기를 선별한 후 질소 분위기하에서 처음에는 383K에서 한 시간동안, 그 후에는 423K에서 4시간동안 가열한다. 여기에 사용된 장치는 관형로(tubular furnace)로 온도 프로그램이 가능한 장치이다. 이렇게 하여 만들어진 활성탄을 Go라고 명명하였다. 그 다음은 수산화칼륨(SHOWA chemicals Inc. Japan, 순도 93..0%)을 함침시키는 단계인데 먼저 수산화칼륨을 증류수에 녹여 각각 0.5, 1.0, 2.0, 3.0, 4.5M의 수용액 250ml를 만들었다. 앞에서 전처리된 활성탄(Go) 50 gram을 정량하여 수용액과 혼합한 후 회전식 진공 증발기(Rotary vacuum evaporator)에 넣고 3시간동안 진공상태에서 가열한다. 이렇게 해서 만들어진 혼합물을 여과하여 건조기(drying oven)에 넣고 만 하루동안을 건조시킨다. 하루가 지나 건조된 활성탄을 다시 관형로(tubular furnace)에 넣고 전술한 방법대로 가열한다. 최종적으로 만들어진 시료(sample)는 GK-1.0으로 표시했는데 여기서 K는 칼륨을, 1.0은 몰농도(Molarity)를 뜻하며 시료 각각의 함침량은 표1과 같다.

Table 1. The amount of impregnation on Activated Carbon

구 분	GK-0.5	GK-1.0	GK-2.0	GK-3.0	GK-4.5
함침량(wt%)	2.32	5.92	12.13	18.79	23.19

결과 및 고찰

먼저 순수활성탄(virgin Activated Carbon)을 활성화시키기 위해 열처리를 했을 때 이산화탄소의 흡착에 미치는 영향을 알아보기위해 120 - 400 oC에서 20시간동안 가열한 다음 정적부피흡착법(static volumetric adsorption method)을 이용하여 평형실험한 후 흡착량을 계산한  결과가 그림3에 나타나 있다. 그림3에서 볼 수 있듯이 열처리한 활성탄의 흡착량은 온도가 달라도 변함이 없음을 알 수 있다. 다만 열처리하지 않은 활성탄은 열처리한 활성탄과 약간의 차이가 있는데 이것은 활성탄 제조 및 보관시 흡착되었던 불순물과 수분의 영향으로 판단된다. 이것으로 활성탄에 대한 전처리로 열처리할 경우 120oC이상에서 열처리한다면 충분히 활성화가 됨을 알 수 있다.

위에서 열처리한 활성탄의 이산화탄소 흡착에 대한 영향을 살펴본 결과에 따라 수산화칼륨을 순수활성탄(virgin Activated Carbon)에 함침시킬 때에는 150oC의 온도로 고정하여 활성화시켰다. 그림4는 전술한 방법대로 만든 다섯가지의 활성탄에 대한 흡착능 비교 실험을 고정층 파과실험으로 실시한 결과이다. 이때 유체의 속도는 220ml/min(선속도 4.2cm/sec), 이산화탄소의 농도는 12.9vol%, 상대습도는 90%, 각 시료의 무게를 8g으로 고정한 상태에서 실시한 결과이다. 실험 결과 수산화칼륨을 함침시킴에 따라 흡착량이 늘어나다가 2M 농도의 수용액에 함침시켰을 때 흡착량이 가장 많은 것으로 나타났으나 그 이상의 함침 농도에서는 오히려 감소하는 결과를 나타냈음을 볼 수 있다. 이것은 수산화칼륨이 함침됨에 따라 이산화탄소를 흡착하는 능력이 증대되다가 함침량이 많아질수록 함침된 수산화칼륨이 활성탄 본래의 미세기공을 막는 결과로 추정된다.3) 또한 순수활성탄(virgin Activated Carbon)과 열처리한 활성탄(Go)의 흡착량의 차이도 흥미로운데 이것은 열처리했을 때의 영향을 살펴본 그림3의 결과와 일치하는 것이다. 본 실험에 대한 물질수지식으로부터 계산한 흡착량은 표2와 같고 함침량과 흡착량과의 관계는 그림5에 나타나있다. 결과적으로 살펴볼 때 광범위하게 사용되고 있는 활성탄에 수산화칼륨을 함침시키므로써 흡착량이 증가함을 알 수 있었고 공업적으로 사용가치가 있음을 확인시켜주었다. 그러나 흡착량의 증가에 대한 수산화칼륨의 역할이 분명하게 밝혀지지는 않았는데 이것은 단지 수증기와 이산화탄소 그리고 수산화칼륨이 화학반응을 일으킬 것으로 예측할 따름이며 여기에 관계되는 mechanism과 물질전달 과정은 계속해서 연구되어야 할 것으로 판단된다.

Table 2. The adsorbed amount of CO2 on impregnated Activated Carbon

	virgin AC	AC heated	GK-0.5	GK-1.0	GK-2.0	GK-3.0	GK-4.5
q(mmole/g)	1.5372	1.6182	1.7797	1.8187	1.9495	1.7315	1.2949

참고 문헌

1. R.T. Yang,"Gas separation by Adsorption processs",Butterworth Publishers, Boston(1987).

2. Douglas M. Ruthven,"Principles of adsorption and adssorption processes", John Wiley & Sons(1984).

3. H. Ikeda, H. Asaba and Y. Takeuchi,J. Chem. Eng. Japan, 21,91(1988).

감사의 글

이 연구는 한국과학재단의 연구비 지원에 의해 이루어졌으며 지원해 주신데  대하여 진심으로 감사드립니다.