국내 석탄으로 제조된  활성탄의 특성 연구

이송우, 권태훈, 이상훈*, 류동춘*, 최동훈*, 송승구

부산대학교 화학공학과, 부산광역시 상수도사업본부*

A study of characteristics of  activated carbon prepared from Korean coals

Song Woo Lee, Tae Hoon Kwon, Sang Hoon Lee*, Dong Chun Ryu*,

Dong Hoon Choi*, Seung Koo Song

Dept. of Chem. Eng., Pusan National University

Water Works H.Q. Pusan Metropolitan City*

서론

활성탄은 제조원료에 따라 석탄계(무연탄, 유연탄등), 목질계(목재, 야자껍질등)등으로 나누어지고 사용목적에 따라 주로 기상용과 액상용으로 구분된다. 기상용 활성탄은 주로 목질계로 미세공이 잘 발달되어있고 액상용 활성탄은 석탄계로 중간과 거대세공이 잘 발달되어 있는 것이 특징이다. 또한 활성화 방법에 따라 가스 활성화법(수증기, 이산화탄소등)과 약품 활성화법(염화아연, 인산등)으로 구분되어진다.

산업의 발전과 인구증가에 따른 수자원 오염으로 인해 활성탄의 흡착기능을 이용한 고도 정수처리가 요구되고 있으나 국내의 활성탄 제조 기술은 선진국에 비해 역사가 짧고 연구개발이 미흡하여 국내에서 사용되고 있는 정수용 활성탄의 대부분은 외국에서 수입되므로 가격과 공급의 안정성을 위해서라도 국내 활성탄의 제조기술 향상과 제조판매가 시급히 요청된다.

본 연구에서는 국내에 분포된 석탄을 원료로 사용하여 활성탄을 제조하고 액상용으로 상업화 된 Calgon F400과의 특성을 비교하였다.

실험재료 및 방법

1) 재료

본 실험에 사용된 재료는 국내 8군데 석탄 광업소에서 입수한 원탄을 8×30Mesh 크기로 분쇄하여 전처리 없이 105℃ 건조기에서 일정시간 동안 건조한 것을 원료로 사용했으며 성분분석 결과를 Table1에 나타내었다.

2) 실험방법

본 실험에서는 탄화와 활성화를 하나의 반응기로 순차적으로 수행할 수 있는 고정층 반응기를 제작하여 Batch방법으로 실험을 수행하였다.

탄화는 일정 승온속도 (10℃/min)로 설정된 탄화온도(700℃)까지 온도를 상승시킨 후 일정시간 유지시키면서 이루어지게 하고 탄화과정 중 반응기 내 환원 분위기를 유지시키기 위하여 일정량의 질소(5ml/g min)를 주입하였다.

활성화는 일정한 승온속도로 활성화온도(900 - 950℃)에 도달할 때까지 질소를 주입하여 환원 분위기를 유지하고 활성화 온도에 도달함과 동시에 질소 주입을 막고 일정량의 수증기(1 - 5ml/min)를 주입시켰다..

Table 2에 영월탄의 각 제조 조건에 따른 제조된 활성탄의 특성치를 표시했다.

3) 특성 분석

한국산업규격 활성탄 시험방법(KSM 1802)에 근거하여 수분, 회분, 휘발분, 요오드가를 분석하였고 비표면 측정기(MICROMETRICS, ASAP-2010)를 이용하여 질소 흡착 실험에 의해 세공분포 및 비표면적을 측정하였다.

결과 및 고찰

1) 질소 흡착 실험

Fig.1은 본 연구에서 제조된 영월 활성탄과 Calgon F400의 77K에서 질소를 사용한 압력 변화에 따른 흡착량의 변화를 측정하여  등온곡선을 작성한 것으로 이 두 곡선은 모두 BET type로 나타나며 저압과 고압 영역에서 Calgon F400이 조금 높은 값을 나타내고 있지만 큰 차이점이 없슴을 알 수 있다.

2) 세공 특성

Fig.2는 영월 광업소의 원료탄과 제조된 활성탄의 세공분포를 비교한 것으로 활성탄은  탄화에 의해 원료내 함유되어있는 휘발분이 휘발하면서 자연스럽게 세공이 형성되고, 탄소와 수증기와의 반응으로 인한 활성화에 의해  점차적으로 세공이 발달되어 지는 것을 알 수 있었다.

Fig.3은 영월 활성탄과 Calgon F400과의 세공분포를 비교한 것으로 Calgon은 세공이 전 범위에 걸쳐 비교적 고르게 분포되어 있는 반면 본 실험의 제조 조건에서 제조된 영월 활성탄은 미세 세공이 특히 발달되어 있슴을 볼 수 있다.

Table 3은 본 실험에서 제조된 영월 활성탄과  Calgon F400과의 세공특성을  비교한 것으로 비표면적은 영월 활성탄이 조금 큰 반면 요오드가와 세공용적, 평균세공은 Calgon이 조금 큰 것으로 나타났다.

참고문헌

1) 송승구 외: 입상활성탄 국산화 타당성조사, 부산광역시 용역보고서(1998)

2) J.W. Hassler: Purified with Activated Carbon, Chemical Publishing, New York,       U.S.A.(1974)

3) Albert Yehaskel: Activated Carbon Manufacture and Regeneration, Noyes Data        Corporation, U.S.A.(1978)

4) 眞田雄三 외: 박영태 역, 活性炭 기초와 응용, 동화기술(1996)

5) 한국산업규격: 분말활성탄 시험방법, KSM 1802(1993)

Table 1. Proximate Analysis of Korean coals  (wt%)

광업소	수분	회분	휘발분	고정탄소
태맥	4.52	27.49	4.53	63.46
화순	8.41	30.57	11.76	49.26
마로	6.94	17.35	3.94	71.77
사북	4.66	18.04	9.22	68.08
태백	5.20	18.53	6.69	77.22
도계	5.73	31.08	9.29	53.90
상덕	6.24	14.21	3.09	76.46
영월	4.00	10.86	2.25	82.89

Table 2. 제조 조건별 특성치

시료no. ( Y )	탄화(시간) ℃(분)	활성화(시간) ℃(분)	수율 (%)	요오드가 mg/g	비표면적 m2/g
0616	700(70)	930(170)	41.80	865.23	905.11
0414	700(70)	930(210)	39.78	799.47	859.17
0623	700(70)	950(210)	31.61	808.96	1078.50
0626	700(70)	950(170)	27.35	897.20	848.81
0625	700(70)	950(210)	28.90	903.45	1008.18

Table 3. 세공특성 비교

활성탄	비표면적(BET) m2/g	흡착력(I2) mg/g	세공용적 cm3/g	평균세공크기 Å
Y0623	1078.56	785.18	0.50	21.85
Y0625	1008.18	903.45	0.51	21.06
Calgon	951.56	966.17	0.58	24.67

Fig.1 Adsorption isotherms of         nitrogen at 77K

Fig.2. Pore size distributions        of activated carbon         and raw material of

youngwall

Fig.3 Pore size distributions

of activated carbons

with different materials