활성 탄의 특성과 VOC흡착과의 관계

정상원, 김명수, 이중기*, 박달근*

한국과학기술연구원 화공연구부*

명지대학교 화학공학과

THE RELATIONSHIP BETWEEN CHARACTERISTIC

ACTIVATED CARBONS AND VOCs ADSORPTION

Sang Won Jung, Myong Su Kim, Joong Kee Lee* and Dalkeun Park*

Division of Chem. Eng., KIST*

Dept. of Chem. Eng., Myong Ji University

서 론

VOC(Volatile Organic Compound)는 대기 중에서 태양광선에 의해 질소산화물(NOx)과 광화학적 산화반응을 일으켜 지표면의 오존 농도를 증가시켜 스모그(SMOG) 현상을 야기시킨다.  최근 국내에서는 오존오염도가 매년 증가하고 도시지역에서는 환경기준치를 초과하는 사례가 빈번히 발생함에 따라 VOC에 대한 규제관리가 실시될 예정 이여서 VOC배출원에 대한 정화 시스템 개발이 요청되고 있다.[1]

한편 활성탄은 매우 큰 표면적, 발달된 미세기공구조, 높은 표면 반응성, 광범위한 흡착효과 그리고 높은 흡착능을 지니는 특성이 있어 희박농도의 VOC를 농축 제거하는데 효과적으로 사용될 수 있다.

활성탄의 성능평가는 일반적으로 비표면적, 세공분포, 세공용적, 목적 물질의 등온흡착선 등으로 이루어지고 있는데 이 중에서는 세공분포가 가장 중요하다.  따라서, 흡착해야할 목적분자의 크기와 활성탄의 미세기공구조의 관계가 밝혀지면 활성탄의 제어기술(원료와 제조법을 선택함으로써 광범위한 분포를 control할 수 있는)을 적용하여 흡착에 필요한 세공만을 가지는 최적 활성탄을 제공할 수 있게된다.

Dubinin과 Zaverina[2]에 따르면, 미세기공 활성탄은 연소율이 50%이하에서 얻어지며, 거대기공 활성탄은 75%이상에서 얻어진다.  따라서 50∼70%의 연소율로 활성화된 활성탄은 거대기공과 미세기공이 혼재하는 기공구조를 갖게 된다.  가장자리의 탄소원자들은 비공유전자를 가지고 있어 산소, 수소, 질소, 황 등의 이종원소와 상호 작용하여 다양한 표면 관능기 그룹 (surface functional group)을 형성한다. 이 관능기 그룹들을 활성탄의 물리화학적 특성에 영향을 미치며 흡착에도 중요한 영향을 미친다. 흡착능력은 활성탄의 종류별로 다르게 나타나는데 그 이유는 각기 일반적인 특성 (표면적, 기공구조 등) 및 활성탄 표면의 화학적 물리적 성질이 다르기 때문이다.[3]

본 연구에서는 여러 종류의 상용 활성탄을 사용하여 그들의 표면적, 그리고 표면산소 기능그룹 등의 특성과 VOC흡착과의 관계를 살펴보았다.

실험방법

활성탄의 기공구조와 VOC흡착능과의 관계를 평가하기 위하여 사용된 시료는  Table 1에서 보는바와같이 상용활성탄, activated char, activated coke를 사용하였다.

활성탄의 표면에 존재하는 산소성분의 특성을 조사하기 위해 승온탈착(TPD ; Temperature Programmed Description)실험을 수행하였는데 그 절차는 먼저 활성탄 시료 0.1g을 반응기에 장입한 후 헬륨가스 흐름 하에서 10□/min의 일정한 속도로 가열하여 373Ｏ에서 1시간 유지하였다. 다시 1373Ｏ까지 10℃/min의 속도로 승온가열 하면서 탄소표면에 존재하는 산소 그룹이 분해되어 일산화탄소와 이산화탄소로 분출하는 것을 가스크로마토그래피로 분석하였다. porapak Q를 분리매체로 사용하였고 칼럼온도를 323Ｏ로 유지하였으며 열전도도 검출기(TCD)를 이용하였다.

활성탄의 비표면적은 77Ｏ에서 질소흡착에 의한 BET (Brunauer-Emmett-

Teller)식에 의한 방식을 이용하여 측정하였다.

여러 종류 활성탄에 대한 VOC흡착능은 Cahn balance 장치를 통해 측정하였는데 반응온도는 상온에서 측정하였고 주입되는 VOC의 농도는 2500ppm으로 하였으며 총유량은 1□/min으로 하였다. 본 실험에서는 VOC로 방향족 탄화수소인 Benzene, Toluene, m-xylene 이 사용되었다.

Table 1. 여러 가지 활성탄의 물리적 특성과 흡착에 관한 DATA

활성탄	G-1	G-2	G-3a	M-15	M-20	M-30b	SMc	CGd	KLe	DMf
BET표면적 [m2/gAC]	1268	1302	1218	936	2649	3291	1109	741	653	659
Benzene adsorption [mg/gAC]	212.9	248.9	289.5	244	451	540	255	266.7	51	80
Toluene adsorption [mg/gAC]	275	328.3	291.3	262.4	479.2	576.3	270.7	283.6	53.7	82.4
m-xylene adsorption [mg/gAC]	279.7	294.9	316.9	260	485.6	593.9	276	296	56.4	85.7

a : Kuraray Gas Co., Japan.    b : Osaka Gas CO., Japan.                    c : 한국 삼천리 주식회사.	. d : Calgon Co., U.S.A.

e : activated char from lignite by fluidized bed pyrolysis                         (preparation conditions : 600℃, O2 3.2%, N2 balance).                      f : activated coke, D.M.T. Co., Germeny.

결과 및 고찰

탄소표면에 여러 가지 기능기(carboxylic, phenolic, quinonic, carboylic)의 형태로 결합되어 있는 산소그룹들은 불활성기체 흐름 하에서 온도를 상승시키면 CO와 CO2가스로 방출된다.

Otake 등[4]에 따르면 저온에서 분출되는 CO2는 Carboxylic acid로 부터 나오는 것이며 600∼800℃에서 CO2로 분출되는 group은 Carboxylic anhydride로서 표면의 acidity의 원인이 되는 groups이다.

Fig.1은 각각 CO 및 CO2의 승온탈착 곡선을 나타내는데 G-3은 M-30, M-20에 비해 CO2로 분출되는 양이 CO로 분출되는 양에 비하여 압도적으로 많으며, 따라서 대부분의 oxides가 CO로 분출되는 groups인 phenolic(C-OH), carbonyl(C=O)및 ether(C-O-C) group에 비하여 CO2로 나오는 carboxyl group으로 존재하고 있음을 유추 할 수 있다. 이와 같은 결과를 보면 산소기능 그룹의 양이 증가할수록 BTX흡착능도 증가되는 것으로 사료되나 Fig. 2에서 보는바와 같이 VOC흡착이 표면적에 비례함을 알 수 있어 산소기능 그룹의 양이 미치는 효과는 minor 한 것으로 사료된다.

Fig. 1.	Profile of CO and CO2 evolved during the temperature programmed desorption for the G-30, M-30 and M-20 activated carbons

Fig. 2.	Relation between the benzene adsorption and the BET surface area of various activated carbon

Fig.3은 등온(77K)에서 N2의 압력분율에 따른 흡착부피를 나타낸 것이다. 그림에서 볼 수 있듯이 Kuraray社의 시료(G-1∼G-3)는 흡착부피 400□부근에서 압력을 높여도 더 이상 흡착을 하지 못하는 것을 볼 수 있으며 시료 M-30은 압력이 높아짐에 따라 높은 흡착능을 보여 흡착부피가 1200□에 다다르는 것을 볼 수 있다. 이것으로 보아 Osaka社의 시료(M-20, M-30)는 질소의 분자크기(5.7Å)보다 큰 mesopore가 발달되어 있고 Kuraray社의 시료는 이보다 작은 micropore가 발달되어 있음을 유추할 수 있다. 이는 mesopore가 많은 시료일수록 흡착 효과가 뛰어나고 mesopore가 micropore와   macropore보다 더 VOC흡착에 관여하고 있음을 알 수 있다.

Fig.4는 비표면적과 VOC흡착능과의 관계를 도시한 것이다. 비표면적은 VOC흡착 량에 비례하고 있음을 알 수 있다. 결론적으로 VOC흡착에 관여하는 인자로는 활성탄의 mesopore와 표면적을 들 수 있다. mesopore가 발달되어있는 활성탄 일수록 그리고 표면적이 넓을수록 VOC흡착능은 우수해짐을 알 수 있다.

Fig. 3.	Adsorption of N2 at 77K on five activated carbons		Fig. 4.	Relationship between the VOCs adsorption and the BET surface area of various activated carbon

참고문헌

1. 탁현기, □VOC의 문제점 및 처리기술[1],□ 첨단 환경 기술, 11, 124 (1995).

2. R. C. Bansal. J. B. Donnet and F. Stecki, "Active Carbon," Marcel             Dekker, New York, 8 (1988).

3. P. Davini, Carbon 28, 565 (1990).

4. Y. Otake and R. G. Jenkins, "Characterization of oxygen-containing            surface complexes created on a microporous carbon by air and nitric          acid treatment," Carbon, 31, 109 (1993).