왕겨로부터 제조된 활성탄의 액상 및 기상 흡착성능

최용호, 손범석, 홍종철, 김명수

명지대학교 화학공학과

Adsorption Capacity of Activatied Carbon Prepared from Rice Hull

in Both Liquid and Gas Phases

Yong Ho Choi, Bum Suk Son, Jong Chul Hong, Myung Soo Kim

Department of Chemical Engineering, Myong Ji University

연구 배경

활성탄은 다공성탄소질 흡착제이다. 일반적으로 그것은 커다란 세공뿐만 아니라 흡착질 분자와 같은 크기의 매우 작은 세공까지 다양한 세공구조를 가진다. 우수한 흡착특성 때문에 다양한 흡착제로 사용되어 왔고 폭넓은 분야에 걸쳐 주목을 받아오고 있다(1∼2). 따라서 최근 관심이 고조되고 있는 환경공학의  수처리 분야의 액상흡착과 에너지 가스의 저장에 이용되는 기상흡착에 대한 연구의 필요성이 증대되고 있다.

활성탄에 의한 액상흡착중 대표적인 예로 공업 발전에 따라 날로 증가하는 산업폐수에 의한 수질오염이 큰 문제로 대두되고 있다. 이런 환경오염 물질의 제거방법은 강이나 하천으로 유입되기 이전에 분해, 제거할 수 있는 일련의 처리시설을 갖추는 것으로 현재 가장 널리 알려진 방법은, 침전법, 흡착법, 이온교환법, 활성탄에 의한 흡착법등이 대표적이다. 활성탄에 의한 흡착법은 1930년대부터 상수처리에 사용되며 현재도 가장 많이 쓰는 방법으로 알려져 있다.

또한, 활성탄을 이용한 에너지 가스의 저장에서 메탄의 저장이 관심의 촛점이 되고 있다. 현재 기체연료로서 널리 사용되고 있는 천연가스(Natural Gas)는 환경적인 면이나 자원 매장양 면에서 다른 에너지 자원에 비해 유용하나 다른 연료와 비교하면 단위 부피당 연소열이 작다. 따라서 천연가스가 자동차 연료로 사용되기 위해서 체적 에너지 밀도를 높여야 하고 현재 압축천연가스(Compressed Natural Gas)가 사용되기는 하지만 높은 압력(25 MPa)으로 제조해야하고 이를 저장하기 위해서는 높은 압력을 견딜 수 있는 무거운 철제용기가 필요하다. 이에 비하여 흡착천연가스(Adsorbed Natural Gas)는 비교적 낮은 압력(4 MPa)으로 동일한 에너지 밀도를 이루는 것이 가능하다. 그러나, 흡착제의 무게와 부피 때문에 운반이나 크기에 문제를 가지고 있다. 따라서, 가능하다면 저장용기 부피당 메탄의 저장을 최대로하는 흡착제를 개발하는 것이 필요하다(3).

따라서, 본 연구에서는 국내에서 구입이 용이하고 경제적인 왕겨를 원료로 범용 활성화제인 수증기및 CO2와 가장 효과적인 것으로 알려진 약품활성화제인 KOH를 이용하여 활성탄을 제조하여 보았다. 각각의 활성화제로부터 제조된 활성탄과 상용 활성탄을 흡착제로 선정하여 환경 오염 원인인 phenol을 액상흡착질로 선정하였고, 기체연료로 사용되는 메탄가스를 기상흡착질로 선정하여 흡착실험을 해보았다. 그리고 이들 흡착질에 대한 흡착성능을 활성탄의 세공구조분석을 통하여 비교·분석하고자 하였다.

실험 방법

활성탄은 경기도 용인지방의 정미소에서 수령한 왕겨를 원료로 제조하였다. 매 실험마다 왕겨 5 g을 세라믹 Boat에 담아 Tube Furnace 내에서 탄화시켰고 이렇게 얻어진 탄화한 왕겨는 활성화제로 steam, CO2및 KOH를 사용하여 활성화 시켰다. 수증기로 활성화한 경우 활성화 온도 800∼900 ℃로 활성화 시간 3시간에서 5시간으로 변화시켰고, CO2로 활성화한 경우 활성화 온도 800∼900 ℃로 활성화 시간을 3 시간에서 40 % CO2를 질소에 희석시켜 흘려 보냈다. KOH로 활성화제를 사용시 활성화 온도 700∼900 ℃, KOH:탄화왕겨의 혼합비는 1:1에서 10:1로 변화시키며 질소분위기에서 활성화 하였다.

활성탄에 대한 phenol의 흡착은 25 ℃에서 이루어 졌으며, 100 ppm phenol 수용액을 300 ml 플라스크에 250 ml씩 취한 후 phenol 수용액에 여러 가지 활성화제로 제조되어진 활성탄 0.1 g씩을 넣고 회분식 교반조에서 일정속도로 4∼6 시간동안 교반하면서 매 시간마다 3 ml의 phenol용액을 취하여 시험관에 담아두었다. 이렇게 얻어진 phenol수용액은 UV-VIS spectrophotometer를 사용하여 흡수파장 270 nm에서 분석하여 흡광도를 구하였다. 얻어진 흡광도로부터 페놀의 농도와 반응 시간을 plot하여 평형시간을 알아보고 활성화제에 따라 제조된 활성탄의 흡착량을 구하여 비교·분석하였다.

메탄의 흡착량의 측정은 정용부피흡착법으로 수행하였다. 활성탄 시료에서의 흡착이 이루어지는 흡착용기와 흡착용기로 기체를 아는 양만큼 공급해 주기 위한 기체 공급용기로 실험장치가 이루어져 있다(Fig. 1참조). 각 용기의 부피는 헬륨을 이용해서 직접 측정하고 각 용기 내의 압력은 압력계로 측정하였다. 모든 실험은 흡착단계로 들어가기 이전에 활성탄이 들어있는 흡착용기를 473 K 온도로 가열하면서 진공펌프로 탈착을 시키면서 5시간 정도 전처리하였다. 전처리가 끝난 후 진공상태에 있는 흡착용기 내부의 온도를 상온로 유지시키며 기체공급용기에는 메탄가스를 충진시켰다. 흡착용기와 기체공급용기의 초기 압력과 온도를 각각 기록하고 순간적으로 밸브를 개폐하여 기체공급용기로부터 흡착용기로 메탄가스를 공급하였다. 항온조 내에서 흡착용기의 압력과 온도가 평형 상태에 도달하면 그 때의 압력과 온도를 기록하였다. 다시 기체공급용기의 밸브를 개폐

하여 흡착용기에 기체를 일정량 공급한다. 원하는 압력(4 MPa)에 도달할 때까지 단계적으로 압력을 높여가며 반복하여 실시한다. 이 과정에서 발생하는 압력변화로부터 활성탄의 메탄 흡착량을 구하여 비교·분석한다.

Fig. 1. 기상 정용 흡착장치

결 과

Phenol흡착에 사용한 활성탄은 비표면적이 1000 m2/g인 상용 활성탄, 825 ℃, 300 min에서 수증기로 활성화한 비표면적이 467 m2/g인 활성탄, 탄화왕겨를 1N NaOH로 처리한 다음 850 ℃, 300 min에서 수증기로 활성화한 비표면적이 1168 m2/g인 활성탄및 활성화제로 KOH를 사용 질량비 4:1, 800 ℃, 180 min로 활성화한 비표면적 2600 m2/g인 활성탄을 가지고 흡착실험을 수행하였다. Fig. 2는 각 활성탄으로부터 얻어진 phenol흡착능력을 보여주는 그래프로써 흡착능력은 KOH로 처리한 활성탄, NaOH로 처리한 후 스팀으로 활성화한 활성탄, 스팀으로 활성화한 활성탄 순으로 나타나 대체적으로 비표면적에 비례하였다. Fig. 3은 시간에 따른 phenol 흡착능력을 나타낸 그래프로써 비슷한 비표면적을 나타내는 상용 활성탄과 NaOH로 처리한 후 스팀으로 활성화한 활성탄의 경우를 비교해 보면 큰 차이는 나지 않지만 KOH로 처리한 활성탄의 경우가 우세하게 나타났고, 상용 활성탄보다 왕겨로 제조한 활성탄이 흡착에 있어 평형에 도달하는 시간이 짧음을 알 수 있었다.

메탄 저장에는 비표면적이 1000 m2/g인 상용 활성탄, 탄화왕겨를 1N NaOH로 처리한 다음 825 ℃, 300 min에서 수증기로 활성화한 비표면적이 1012 m2/g인 활성탄및 활성화제로 KOH를 사용하고 질량비 4:1, 750 ℃, 180 min로 활성화한 비표면적 2715m2/g인 활성탄등이 사용되었다. Fig. 3은 세가지 활성탄에서 메탄저장능력을 나타낸 그래프이다. 상용 활성탄을 사용할 경우 저장능력은 3.5 mmol/g으로 그리 높지 않은 값을 나타내었고, NaOH처리후 스팀으로 활성화한 경우 7.3 mmol/g으로 같은 비표면적을 나타내는 상용활성탄과 비교할 경우 2배 정도의 차이로 높게 나타남을 알 수 있었다. KOH로 활성화한 활성탄의 경우 저장능력이 10.7 mmol/g으로 상당히 높은 수치를 나타내었다. 이것은 Alcaniz-Monge등(3)에 의해서 얻어진 측정치보다 우수한 결과를 나타내었다. 그들은 비표면적이 2400 m2/g인 활성탄소섬유(ACF)를 사용하여 메탄 저장능력을 측정하였으며 저장능력은 9-10mmol/g의 사이로 얻어졌다. Table 1에 ACF와 KOH로 활성화한 할성탄의 물성치를 비교하였는데, 비표면적은 300m2/g정도, pore volume은 0.25cc/g정도의 차이가 나타나는 것으로 보아 비표면적과 pore volume에 따른 영향인 것으로 생각되어졌다. 결과적으로 메탄 저장에 있어 본 연구에서 개발된 할성탄이 값비싼 ACF에 비해 결코 뒤지지 않는 저장능력이 있음을 알 수 있었다.

Table 1. Effect of Various Samples on Pore Size Distribution

Sample	S BET (m2/g)	Micropore Volume	Mesopore Volume	Macropore Volume
KOH(4:1)	2715	1.009	0.484	0.353
ACF(3)	2400	0.75	0.04	-
NaOH-Steam	1012	0.42	0.27	0.83

참고 문헌

1. Ahmadpour, A.: Carbon 34(4), 471(1996).

2. 박영태, □활성탄□ pp113 ∼ 115, 동화기술 (1996)

3. Alcaniz-Monge, J., Cazorla-Amoros, D. and Linares-Solano, A.: Carbon

35(2), 291(1997)

4. 전학제, □촉매 개론□, pp31 ∼ 32, 한림원 (1992)

5. 문기호, 나병기, 송현근, 서성섭: 한국화학공학, 33(5), 621(1995)

Fig. 2. Phenol Adsorption Isotherms  Fig. 3. Phenol Adsorption Characteristics         of Various Activated Carbons        of Activated Carbons as

a Function of Time

Fig. 4. Methane Adsorption Isotherms of

Various Activated Carbons