페인트 슬러지를 이용한 활성탄의 제조

김승수, 한영선, 김성현

고려대학교 화학공학과 분리 및 환경공학연구실

The Preparation of Activated Carbon from Paint Sludge

Seung-Soo Kim, Yung Sun Han, Sung Hyun Kim

Dept. of Chem. Eng., Korea University. Seoul, Korea

서론

국내에서 1997년도 페인트 생산량은 728,417□였으며 폐페인트의 발생량에대한 통계는 보고된바 없지만 생산량에 비례하여 증가하는 것으로 추정할 수 있다.

최근에 폐자원을 이용하여 활성탄을 제조하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 페인트슬러지의 재생이용은 자원의 재활용 측면에서 바람직하지만 현재 국내에서 시행되고있는 처리방법은 용매를 회수하여 재사용하거나 소각 등이 있다. 그러나 소각으로 폐페인트를 처리할 경우 연소반응 후 배출가스(HCl, HCN, NOx, 다이옥신)에 의한 대기오염물질 때문에 후처리 설비가 반드시 필요하다. 열분해는 원료물질을 산소와 접촉이 없이 (혹은 산소가 희박한 상태에서) 고온 상태에서 원료물질을 분해하여 유용한 성분을 회수할 수 있는 방법이다. 페인트슬러지를 처리하기 위한 방법으로 열분해할 경우 용매의 회수는 물론 폐기물의 부피를 줄일 수 있고 열분해 후 고형물을 활성탄으로 이용할 수 있는 등 여러 가지 장점이있다. 현재까지 폐페인트를 처리를 위한 상용화공정은 전무하며 이에 대한 연구도 미미한 실정이다.  자동차의 도색과정에서 발생하는 페인트슬러지를 열분해한 후 활성탄을 제조하여 상용화된 활성탄과의 성능을 비교한 연구를 B. R. Kim등이 수행하였다.

본 연구는 페인트슬러지를 이용하여 활성탄을 제조하는 연구를 수행하였다. 폐페인트의 열분해온도 및 시간을 결정하기 위해 질소분위기에서 온도를 각각 400, 500, 600 및 700℃로 고정하고 열분해시간을 10분에서 150분까지 변화시키면서 활성탄을 제조하였다. 이렇게 제조된 활성탄은 CO2를 이용한 등온흡착평형실험 및 표면적분석등을 통해 특성을 고찰하였다.

실험방법

등온흡착평형실험장치는 Fig. 1과 같고 실험은 다음 방법으로 수행한다.  (1) 흡착용기의 내부를 세척하고 건조시킨 후 일정한 양의 활성탄(20∼30mesh)을 반응기에 넣는다.  (2) 흡착용기에 가열테이프를 감은 후 150℃에서 2시간 동안 가열하면서 진공펌프를 가동시켜 반응기내부를 진공상태로 유지하면서 수분 및 이물질을 제거한다.  (3) 항온조의 온도를 흡착온도로 유지하면서 진공펌프를 작동시킨 상태로 시료의 온도가 평형에 도달할 때까지 방치한다.  (4) 일정한 시간이 경과한 후 진공펌프가 연결된 밸브를 잠그고 두 용기의 중간에 위치한 밸브도 잠근다. 기체공급용기에 기체를 충진시킨 다음 공급된 기체가 평형에 도달하면 중간 밸브를 열어 기체가 흡착용기로 공급되도록 한다.  (5) 기체공급용기로부터 흡착용기로 흡착기체를 공급한 후 흡착이 진행되면서 흡착용기의 압력이 감소하고 일정한 시간이 지난후 평형상태에 도달한다.  (6) 기체공급용기와 흡착용기의 중간 밸브를 닫고 기체공급용기의 충진압력을 증가시면서 원하는 평형압력에 도달할 때까지 (4)∼(5)을 반복하여 실시한다.

결과 및 고찰

흡착제에 흡착된 기체의 흡착량은 식 (1)과 같은 기체 상태방정식을 이용한 물질수지식으로부터 계산한다. 기체에 대한 이상기체 상태방정식과의 차이를 보정해 주기 위해 압축인자(compressibility factor), z를 계산하여 사용한다.

[eqn: {P_L0 V_L0} over {z_L0 R T_L0} ~=~ {P_L1 V_L1} over {z_L1 R T_L1} ~+~ {P_A V_A} over {z_A R T_A} ~+~ n]             (1)

하첨자 L과 A는 각각 기체공급용기와 흡착용기를 나타내고 0과 1은 기체공급용기에 흡착기체를 공급하기 전후의 상태를 나타낸다. 이식에서 z는 다음과 같다.

[eqn: z ~=~ 1 ~+~ {BP} over {RT} ~=~ 1 ~+~ left[{BP_c} over {RT_c} right] P_r over T_r]                  (2)

여기서 BPC/RTC는 무차원함수이다. 한편, 기체에 대해서 B는 온도만의 함수이므로 환산온도에만 관계되고 환산압력에는 무관하다. 또한 다음의 관계식에서

[eqn: {BP_c} over {RT_c} ~=~ B^0 ~+~ omega B^1]                                   (3)

[eqn: B^0]와 [eqn: B^1]은 역시 환산온도만의 함수이고 다음의 관계식으로 표시된다.

[eqn: B^0 ~=~ 0.083 ~-~ 0.422 over {{T}`_{1.6} ^{r}}]                                 (4)                 [eqn: B^1 ~=~ 0.139 ~-~ 0.172 over {{T}`_{4.2} ^{r}}]                                 (5)

Table 1.은 CO2에 대한 열역학적 특성치들을 정리한 것이다.

활성탄 제조 원료인 페인트슬러지의 열중량 분석결과를 Fig. 1에 나타내었다. 페인트슬러지의 열분해는 두 단계로 나눌 수 있다. 1단계는 약 190℃까지이며 원료내의 유기용매가 증발하는 것으로 생각되며, 2단계는 약 520℃까지였으며 원료내에 존재하는 휘발성 물질이 제거되는 단계로 사료된다. Fig. 3은 400∼700℃의 온도구간에서 2시간 동안 페인트슬러지를 열분해하여 생성된 활성탄을 20∼30mesh로 sieving해서 CO2기체를 사용하여 등온흡착평형 실험을 수행한 결과이다. 실험결과 600℃에서 흡착량이 가장 많았다. 따라서 열분해 온도를 600℃로 고정한 상태에서 체류시간을 10∼150분까지 변화시켜 최적 시간을 찾고자하였다. Fig. 4에서 체류시간이 30분일 때 흡착량이 가장 많았으며 시간이 증가할수록 흡착량이 감소하는 경향을 나타냈다. 체류시간이 10분인 경우에 흡착량이 가장 작은 이유는 휘발성 물질이 제거될 수 있는 시간이 부족하여 활성탄의 미세기공이 충분히 발달되지 못했기 때문으로 사료된다.

참고문헌

1. 페인트·잉크 협동조합 통계자료

2. B. R. Kim, E. M. Kalis, and I. T. Salmeen, " Converting Automotive Paint Sludge to Acitvated Carbon", 249-260.

3. G. Q, Lu, J. C. F. Low, C. Y. Liu and A. C. Lus, "Surface area development of sewage sludge during pyrolysis", Fuel, 74, 3, 344-348, 1995.

4. P. C. Chiang and J. J. You, " Use of Sewage Sludge for Manufacturing Adsorbents", 65, 922-927, December 1987.

5. K. Gergova and S. Eser, "Effects of Activation Method on the Pore Structure of Activated Carbons from Apricot Stones", Carbon, 34, 7, 879-888, 1996.

Table 1. Critical properties of CO2 gas

	Tc(K)	Pc(atm)	Vc(□/g mol)	zc	□
CO2	304.2	72.5	94.0	0.274	0.225

	1. CO2 bomb		8. Pressure gauge
	2. Regulator		9. Adsorption bed
	3. Needle valve		10. Thermocuple
	4. Metering valve		11. Temperature controller
	5. Ball valve		12. Water bath
	6. Loading cylinder		13. Vacuum pump
	7. Pressure transducer
Figure 1. Shematic diagram of adsorption apparatus

Figure 2. Thermogravimetric analysis of paint sludge under nitrogen atmosphere

Figure 3. Adsorption isotherm of CO2 at 35℃ effect of temperature on activated paint sludge char

Figure 4. Adsorption of CO2 at 35℃ effect of hold time on activated paint sludge char