핏치 점결재를 이용한 조립상 활성탄의 제조 및 흡착 특성

김 준호, 박 영태*, 이 영석

순천대학교 화학공학과, 동양탄소(주)*

Preparation and adsorption characteristics of pellet-shaped activated carbon

with pitch binder

Jun-ho Kim, Young Tae Park*, Young-Seak Lee

Department of Chemical Engineering, Sunchon National University, Sunchon

DONG YANG CARBON CO., LTD.*

서 론

활성탄은 화학공업의 급속한 발전과 더불어 Process, 정제, 촉매 또는 용매회수로의 이용, 나아가서 지구환경오염 문제와 관련한 폐수처리, 공해대책용 흡착제 또는 의료용 흡착제로서 폭넓은 분야에 걸쳐 주목을 받아오고 있다.

활성탄 그 물리적 형상에 따라 분말 활성탄과 입상활성탄으로 크게 분류된다. 분말 활성탄의 경우 최소한의 설비를 부가하는 것만으로 비교적 용이하게 이용할 수 있다는 잇점이 있으나 일회용 사용법으로 재생이 어려워 매우 많은 양의 활성탄을 필요로 하며 따라서 경제성이 문제가 된다. 반면, 입상활성탄에는 파쇄상, 구형 조립상, 원주형 조립상 등이 있으며 분말활성탄과는 달리 재생성이 용이한 장점이 있어 현재 상수처리에 있어서 활성탄 이용방법은 입상활성탄으로 바꿔져 가고 있다. 따라서 처리 공정에 적합한 모양과 처리대상에 적합한 세공분포를 갖는 조립 활성탄의 개발이 요구되어지고 있다.

일반적으로 활성탄의 제조는 (1)휘발성 물질을 제거하여 탄소함량을 증가시키기 위한 열분해와 (2)세공구조, 표면적, 그리고 활성표면 관능기를 개발하기 위한 활성화의 기본적인 두 단계로 이루어진다. 활성화 공정은 크게 약품활성화법과 가스활성화법으로 나뉘는데 주로 수증기에 의한 가스활성화 방법이 가장 널리 사용되고 있다. 탄소와 수증기의 반응은 흡열반응으로 750℃ 이상의 활성화 온도가 요구되며 대체로 세공분포가 넓고 균일한 미세기공을 얻기가 쉽지 않다. 그러나, 활성탄의 흡착능력과 응용형태는 세공구조, 표면적, 밀도 그리고 표면화학과 같은 그것의 물리적 특성1)에 의해 좌우되며, 같은 재료를 가지고도 온도, 침적시간, 활성화제 그리고 산화제 유량비율(oxidant flow rate)과 같은 다양한 제조변수2)에 따라 서로 다른 흡착특성을 가진 활성탄이 제조된다.

따라서, 본 연구에서는 미세공의 발달이 쉬운 야자각으로부터 핏치 점결재를 이용하여 큰 경도를 가진 조립상 활성탄을 제조하고자 하였다. 큰 비표면적과 좁은 세공분포를 유도하고 큰 흡착용량과 흡착의 선택성을 이끌어 내기 위하여 활성화 온도와 시간을 변화시켜가며 실험을 수행하였다.

실 험

1. 원료물질

본 연구에서는 조립상 활성탄 제조를 위해 중국산 야자각을 주원료로, (주)거평에서 생산되는 coal tar pitch를 점결재로 사용하였으며, 이들을 150□(100mesh) 이하로 충분히 미분세하여 원료물질간의 응집을 용이하게 하고 조립탄의 기계적 강도 및 활성탄의 강도를 증가시키고자 하였다. 기타 부재료로는 산화제 역할을 하는 K2CO3 및 Bunker-C Oil과 Lignin SO4-Ca 그리고 조립수가 사용되었다.

2.2. 펠릿 제조

예비 실험을 통하여 야자각 분말 및 점결제인 coal tar pitch, 그리고 부재료의 양을 일정하게 유지하고 2kg의 시료를 혼합하였다. 이때 혼합기의 온도는 80℃로 유지하였으며, 일정한 교반속도로 20분 동안 교반함으로써 원료물질의 균일한 혼합을 꽤 하였다. 그 후 실린더형 펠릿제조기(cylinder pelletizer)를 이용하여 직경 4mm, 길이 16mm의 펠릿을 제조하였다. 제조된 펠릿은 110℃에서 수분이 완전히 제거될 때까지 건조시켰다.

2.3. 활성탄 제조장치

탄화와 활성화를 위하여 본 연구에 사용된 실험장치는 Fig. 1과 같으며, 실험장치는 크게 불활성가스 유입장치, 탄화 및 활성화 반응로, 발생가스 응축장치 등의 3개 부분으로 구성되었다. 또한, 활성화 과정 동안 수증기의 주입을 위해 물탱크와 정량펌프(SMP-21, EYELA)로 구성된 수증기 주입장치를 부착하였다.

Fig. 1. Experimental apparatus for carbonization and activation.

1. Water tank              5. Quart reactor

2. Metering pump          6. Thermocouple

3. Steam generator          7. Temperature controller

4. N2 gas                  8. Condenser

2.4. 활성탄 제조

건조된 펠릿을 수평관상로의 중앙부분에 넣고 온도를 상승시켜 탄화 및 활성화 과정을 거쳤다. 모든 실험은 탄화와 활성화 과정 중에 반응기내 환원 분위기를 유지하기 위해 200ml/min 정도의 질소를 주입하면서 수행하였다. 300℃까지는 5℃/min으로, 열분해가 시작되는 300℃에서 활성화 온도까지는 3℃/min의 승온속도로 승온 하였다. 활성화는 750∼850℃ 범위에서 활성화 과정을 거쳤다. 활성화는 수증기활성화를 기본으로 하였으며, 0.5ml/min으로 공급되는 물을 250℃의 과열수증기로 전환하여 반응기에 주입하면서 활성화 온도 및 활성화 시간을 달리하면서 활성화하였다. 활성화 반응이 끝난 후 반응기를 실온까지 냉각시킨 후 시료를 꺼내어 분석하였다. 제조된 활성탄은 요오드 흡착량(iodine adsorptivity, mg/g), 메틸렌블루 흡착량(M.B. adsorptivity, mg/g)을 측정하여 그 특성을 평가하였다. 이는 한국산업규격에 제시된 활성탄 시험방법에 준하여 실험하였다.

결과 및 토론

본 연구의 최종목표는 미세공의 발달이 쉬운 야자각으로부터 핏치 점결재를 이용하여 큰 경도를 가진 조립상 활성탄을 제조하고, 큰 비표면적과 좁은 세공분포를 유도하고 큰 흡착용량과 흡착의 선택성을 이끌어 내는데 있다. 이를 위한 기초 연구의 일환으로서 활성화 온도 및 활성화 시간에 따른 요오드 흡착량(iodine adsorptivity, mg/g), 메틸렌블루 흡착량(M.B. adsorptivity, mg/g)을 측정하였다. Fig. 2에 활성화 온도와 시간에 따른 활성탄의 수율의 변화를 나타내었다. 활성화 온도와 시간의 증가할수록 활성탄의 수율은 크게 감소함을 볼 수 있다. 그러나 이는 탄화와 활성화 공정을 거친 Total 수율로서 아주 큰 수율을 얻을 수 있었다. 제조된 활성탄의 액상흡착성능을 고찰하기 위하여 Fig. 3과 Fig. 4에 요오드 흡착량(iodine adsorptivity, mg/g)과 메틸렌블루 흡착량(M.B. adsorptivity, mg/g)을 각각 나타내었다. 활성화 온도가 높을수록 요오드 흡착량과 메틸렌블루 흡착량은 증가함을 볼 수 있다. 그러나 800℃와 850℃에서 체류시간이 90분이 되었을 때 요오드 흡착량은 각각 970.4g/mg와 990.1g/mg으로 비슷함을 볼 수 있다. 또한 체류시간이 증가할수록 메틸렌블루 흡착량은 계속 증가함을 볼 수 있다. 이는 아마도 미세공이 확대되어 중세공이 되고, 더 많은 미세공이 개방되었기 때문으로 판단된다. 이러한 결과로부터 활성탄의 흡착성능은 활성화 과정에서의 여러 가지 조업변수에 따라 그 특성이 달라짐을 알 수 있었다.

참고문헌

[1] Robert Dipanfilo, Nosa o. Egiebor : Activated Carbon Production from         Synthetic Crude Coke, Fuel Processing Technology, 46, pp.157-169(1996).

[2] Zhonghua Hu and E.F. Vansant : A New Composite Adsorbent Produced      by Chemical Activation of Elutrilithe with Zinc Chloride, J. Colloid &          Interface Sci., 176, 2, pp.422-431(1995).

[3] 한국 에너지기술연구소, □중국석탄을 원료로 하는 고품위 활성탄 제조연구(2      차년도)□, (1996).

[4] 한국공업규격, KSM 1802(1994).

Fig. 2. Variation of AC yield with activation time

for various temperatures.

Fig. 3. Effect of activation temperature    Fig. 4. Effect of activation temperature

and time on iodine number.              and time on Methylene Blue value.