넓은 분압 범위의 가스상 벤젠에 대한 다양한 흡착제의 흡착 성능에 관한 연구 Insights into the sorption performances of diverse adsorbents towards gaseous benzene over a wide range of partial pressure원문보기
일반적으로 흡착 기술의 핵심은 휘발성 유기화합물(Volatile organic compounds, VOCs)과 같은 유해성분들을 효율적으로 제거하기 위한 적절한 흡착제를 선택하는 데에 있다. 다양한 종류의 VOCs를 제거를 위한 흡착제들의 성능을 평가하기 위하여 많은 노력이 계속해서 이어져 오고 있다. 그러나 실제 환경에의 적용을 위해서, 실제 대기 조건과 유사한 수준에서의 VOCs 제거에 대한 문헌은 매우 드문 편이다. 대부분의 연구는 비현실적인 고압 영역에서 이루어져 실제와는 달리 흡착제의 흡착 성능이 종종 과대평가되곤 한다. 그러므로 흡착제의 실제적인 성능평가를 위하여, 다양한 분압 범위에서 흡착제의 흡착 거동이 어떻게 변하는지를 ...
일반적으로 흡착 기술의 핵심은 휘발성 유기화합물(Volatile organic compounds, VOCs)과 같은 유해성분들을 효율적으로 제거하기 위한 적절한 흡착제를 선택하는 데에 있다. 다양한 종류의 VOCs를 제거를 위한 흡착제들의 성능을 평가하기 위하여 많은 노력이 계속해서 이어져 오고 있다. 그러나 실제 환경에의 적용을 위해서, 실제 대기 조건과 유사한 수준에서의 VOCs 제거에 대한 문헌은 매우 드문 편이다. 대부분의 연구는 비현실적인 고압 영역에서 이루어져 실제와는 달리 흡착제의 흡착 성능이 종종 과대평가되곤 한다. 그러므로 흡착제의 실제적인 성능평가를 위하여, 다양한 분압 범위에서 흡착제의 흡착 거동이 어떻게 변하는지를 모니터링 하는 것이 필요하다. 본 연구에서는, 대표적인 휘발성 유기화합물로서 벤젠을 선택하여 다양한 분압 범위에서의 흡착 성능을 조사하고자 하였다. 이를 위하여 Chapter 2에서는, 넓은 범위(예를 들어 0.01-5 Pa)에서 흡착성능의 평가를 수행하기 위한 분석시스템을 고찰하였다. 저농도 분석이 가능한 thermal desorption-gas chromatography/mass spectrometry system과 고농도 분석이 가능한 large volume injector-gas chromatography/flame ionization detector system을 활용하여 다양한 농도 범위에서의 벤젠 흡착을 수행하였다. 그 결과, TD system에서 우수한 RFvalue (11522 ng-1), MDL (0.14 ng [0.43 ppb])이 발견되었다. 그러나 재현성의 경우, LVI (0.72 %, RSE)에서 더욱 우수했다. 우리는 5개의 소재를 사용하여 두 시스템에 대한 1 ppm 벤젠을 사용하여 흡착 거동을 파악하였다. 이들 시스템은 1) 샘플링 유속과 2) 연속/비연속 흡착 공정 간의 차이에 의해 서로 약간 다른 결과를 보였다. 전반적으로 LVI system에서 조금 더 낮은 결과를 보였다. 일반적으로 빠른 유속에서는 더욱더 빠른 breakthrough로 이어진다. 또한 흡착제 표면의 기체 분자들은 기공 내로 확산할 수 있으며, 정적인 흡착이 수행될 때 이들은 충분한 확산 시간을 갖게 된다. 따라서 비연속 흡착공정으로 이어지는 LVI system에서 이들이 빠른 유속으로 흡착제에 적재된다고 할지라도 서로 간의 상쇄에 의하여 유사한 흡착성능을 나타낸 것으로 보인다. 결과적으로 이 연구는 TD-GC/MS system과 LVI-GC/FID system을 사용하여 소재들의 흡착 성능을 평가하기 위한 기초 연구로서 수행되었다. 이를 위하여 1 ppm 수준의 가스상 벤젠 흡착의 거동을 파악하고 평가하였으며, 이로써 넓은 범위에서의 흡착 데이터들을 수집하고 결합하기 위한 link point를 확보하였다. Chapter 3에서는 metal-organic frameworks (MOFs)의 성능에 대한 분압의 영향을 평가하기 위하여 두 가지 MOFs (MOF-199 [M199], UiO-66 [U6])에 의한 벤젠의 흡착 거동을 0.01-5 Pa의 넓은 분압 범위에서 파악하고자 하였다. 또한 이들 자료를 AC212와 비교‧평가를 함께 수행하였다. 흥미롭게도, 가장 높은 압력 (5 Pa) 수준에서 M199는 가장 우수한 최대 흡착용량을 갖는 것으로 나타났다: M199 (94.8)> AC (93.5)> U6 (27.1) mg g-1. 그러나, 10% breakthrough volume (BTV) 를 기준으로 하였을 때 흡착용량은 벤젠의 분압이 감소함에 따라 체계적으로 감소하여 0.01 Pa에서는 AC212보다 낮은 흡착 성능을 갖는 역전 현상을 보여주었다. 따라서, 0.01 Pa에서의 10% BTV (L atm g-1)은 M199(1,067)가 AC(14,410) 보다 훨씬 낮은 값을 갖는 것으로 나타났다. 마찬가지로 0.1 ppm 벤젠에 의한 흡착실험에서, 분배 계수 (Partitioncoefficient, PC) (mol kg-1 Pa-1)는 AC가 MOF보다 더 우수한 것으로 나타났다 (AC (56.5)> M199 (4.12)> U6 (1.22)). 따라서, 편향된 성능 측정 인자 (예를 들어, 과도하게 높은 압력 조건에서 얻어진 흡착 용량)의 사용을 피해야 한다. 즉, MOFs와 같은 흡착제의 성능이 크게 과장될 수 있는 너무 높은 분압 과 같은 비현실적인 조건보다는 실제 대기 중에 존재하는 분압 수준을 고려한 실제적 조건에 비교가 이루어져야 할 것이다. 궁극적으로, 이 연구는 넓은 범위의 벤젠 분압 조건에서 MOFs와 같은 첨단 기능성 물질을 포함한 여러 가지 흡착제의 흡착 거동에 대한 데이터베이스를 구축하기 위한 기초연구로서 수행하였다.
일반적으로 흡착 기술의 핵심은 휘발성 유기화합물(Volatile organic compounds, VOCs)과 같은 유해성분들을 효율적으로 제거하기 위한 적절한 흡착제를 선택하는 데에 있다. 다양한 종류의 VOCs를 제거를 위한 흡착제들의 성능을 평가하기 위하여 많은 노력이 계속해서 이어져 오고 있다. 그러나 실제 환경에의 적용을 위해서, 실제 대기 조건과 유사한 수준에서의 VOCs 제거에 대한 문헌은 매우 드문 편이다. 대부분의 연구는 비현실적인 고압 영역에서 이루어져 실제와는 달리 흡착제의 흡착 성능이 종종 과대평가되곤 한다. 그러므로 흡착제의 실제적인 성능평가를 위하여, 다양한 분압 범위에서 흡착제의 흡착 거동이 어떻게 변하는지를 모니터링 하는 것이 필요하다. 본 연구에서는, 대표적인 휘발성 유기화합물로서 벤젠을 선택하여 다양한 분압 범위에서의 흡착 성능을 조사하고자 하였다. 이를 위하여 Chapter 2에서는, 넓은 범위(예를 들어 0.01-5 Pa)에서 흡착성능의 평가를 수행하기 위한 분석시스템을 고찰하였다. 저농도 분석이 가능한 thermal desorption-gas chromatography/mass spectrometry system과 고농도 분석이 가능한 large volume injector-gas chromatography/flame ionization detector system을 활용하여 다양한 농도 범위에서의 벤젠 흡착을 수행하였다. 그 결과, TD system에서 우수한 RF value (11522 ng-1), MDL (0.14 ng [0.43 ppb])이 발견되었다. 그러나 재현성의 경우, LVI (0.72 %, RSE)에서 더욱 우수했다. 우리는 5개의 소재를 사용하여 두 시스템에 대한 1 ppm 벤젠을 사용하여 흡착 거동을 파악하였다. 이들 시스템은 1) 샘플링 유속과 2) 연속/비연속 흡착 공정 간의 차이에 의해 서로 약간 다른 결과를 보였다. 전반적으로 LVI system에서 조금 더 낮은 결과를 보였다. 일반적으로 빠른 유속에서는 더욱더 빠른 breakthrough로 이어진다. 또한 흡착제 표면의 기체 분자들은 기공 내로 확산할 수 있으며, 정적인 흡착이 수행될 때 이들은 충분한 확산 시간을 갖게 된다. 따라서 비연속 흡착공정으로 이어지는 LVI system에서 이들이 빠른 유속으로 흡착제에 적재된다고 할지라도 서로 간의 상쇄에 의하여 유사한 흡착성능을 나타낸 것으로 보인다. 결과적으로 이 연구는 TD-GC/MS system과 LVI-GC/FID system을 사용하여 소재들의 흡착 성능을 평가하기 위한 기초 연구로서 수행되었다. 이를 위하여 1 ppm 수준의 가스상 벤젠 흡착의 거동을 파악하고 평가하였으며, 이로써 넓은 범위에서의 흡착 데이터들을 수집하고 결합하기 위한 link point를 확보하였다. Chapter 3에서는 metal-organic frameworks (MOFs)의 성능에 대한 분압의 영향을 평가하기 위하여 두 가지 MOFs (MOF-199 [M199], UiO-66 [U6])에 의한 벤젠의 흡착 거동을 0.01-5 Pa의 넓은 분압 범위에서 파악하고자 하였다. 또한 이들 자료를 AC212와 비교‧평가를 함께 수행하였다. 흥미롭게도, 가장 높은 압력 (5 Pa) 수준에서 M199는 가장 우수한 최대 흡착용량을 갖는 것으로 나타났다: M199 (94.8)> AC (93.5)> U6 (27.1) mg g-1. 그러나, 10% breakthrough volume (BTV) 를 기준으로 하였을 때 흡착용량은 벤젠의 분압이 감소함에 따라 체계적으로 감소하여 0.01 Pa에서는 AC212보다 낮은 흡착 성능을 갖는 역전 현상을 보여주었다. 따라서, 0.01 Pa에서의 10% BTV (L atm g-1)은 M199(1,067)가 AC(14,410) 보다 훨씬 낮은 값을 갖는 것으로 나타났다. 마찬가지로 0.1 ppm 벤젠에 의한 흡착실험에서, 분배 계수 (Partition coefficient, PC) (mol kg-1 Pa-1)는 AC가 MOF보다 더 우수한 것으로 나타났다 (AC (56.5)> M199 (4.12)> U6 (1.22)). 따라서, 편향된 성능 측정 인자 (예를 들어, 과도하게 높은 압력 조건에서 얻어진 흡착 용량)의 사용을 피해야 한다. 즉, MOFs와 같은 흡착제의 성능이 크게 과장될 수 있는 너무 높은 분압 과 같은 비현실적인 조건보다는 실제 대기 중에 존재하는 분압 수준을 고려한 실제적 조건에 비교가 이루어져야 할 것이다. 궁극적으로, 이 연구는 넓은 범위의 벤젠 분압 조건에서 MOFs와 같은 첨단 기능성 물질을 포함한 여러 가지 흡착제의 흡착 거동에 대한 데이터베이스를 구축하기 위한 기초연구로서 수행하였다.
In general, the key point in adsorption technology is considered to be the selection of an appropriate adsorbent for efficient removal of VOCs. In many previous studies, extensive efforts have been put to evaluate the sorptive performance of various materials towards diverse target VOCs (e.g., aroma...
In general, the key point in adsorption technology is considered to be the selection of an appropriate adsorbent for efficient removal of VOCs. In many previous studies, extensive efforts have been put to evaluate the sorptive performance of various materials towards diverse target VOCs (e.g., aromatic hydrocarbons). However, there is a lack of data in the current literature towards their application for the removal of VOCs such as benzene under the real-world conditions, especially in terms of its prevailing concentration levels. Most studies have been conducted at unrealistically high-pressure conditions to overestimate their performance. To demonstrate the effect of selected partial pressure on the removal performance evaluation of materials, it is important to describe how the sorption behavior of sorbent varies across varying range of partial pressure. In this thesis, benzene was chosen as the representative VOCs. In chapter 2, analytical systems for carrying out the adsorption evaluation in a wide range (e.g., 0.01–5 Pa) was examined. To this end, the combination of thermal desorption-gas chromatography/mass spectrometry system capable of low-concentration levels analysis and gas chromatography/flame ionization detector equipped with a large volume injection system capable of high-level analysis was suggested for benzene adsorption. The excellent response factor (RF) values (11,522 ng-1) and method detection limit (MDL; 0.14 ng [0.43 ppb]) were found in the TD system. However, reproducibility (i.e., relative standard error (RES)) was better in LVI (0.72%). We identified adsorption behavior using 1 ppm benzene for both systems using five materials. These systems showed slightly different results due to 1) the sampling flow rate (100 at TD and 300 mL min-1 at LVI system) and 2) the difference between the continuous (at TD system)/discontinuous adsorption (at LVI system) process. The adsorption capacity (mg g-1) of the AC212, CE, CD, U6, and M199 obtained in TD (LVI) system at 10% BT was 12.2 (10.1), 6.49 (5.40), 5.02 (0.63) and 1.83 (1.73) mg g-1, respectively. Overall, the results were slightly lower in the LVI system. Generally, faster flow rates lead to faster breakthroughs. The gas molecules on the surface of the adsorbent can also diffuse into the pores and they can have enough diffusion time under static adsorption. Therefore, even though they are loaded on the adsorbent at a high flow rate in the LVI system leading to the discontinuous adsorption process, the adsorption performance exhibits just a slight difference due to the mutual offset. In particular, they showed similar BT curves for all materials except AC212 when they reached nearly 100% breakthrough. The difference in initial adsorption behavior observed in this study, such as 10% BT, may not be significant at wide partial pressures of 0.01-50 Pa (0.1-50 ppm). Therefore, it is required to evaluate the adsorption performance at a wide partial pressure by applying these systems. Therefore, we have identified and evaluated the behavior of 1 ppm gaseous benzene adsorption as a basic study to evaluate adsorption performance using TD-GC/MS system and LVI-GC/FID system. This gives a link point for collecting and combining a broad range of adsorption data. There has been a rapid rise in the application of metal-organic frameworks (MOFs) towards air quality management. Nonetheless, relatively little is known about their application under the real-world conditions to reflect their capacity to treat VOCs (e.g., benzene) at ambient partial pressure (e.g., in ppb levels). This is because most studies have been conducted at unrealistically high-pressure conditions to yield biased performance data. In chapter 3, to assess the effect of selected partial pressure on the performance of MOFs, the sorption behavior of benzene by two MOFs (MOF-199 [M199] and UiO-66 [U6]) was analyzed in reference to activated carbon [AC] over a wide pressure range of 0.01 – 5 Pa. Interestingly, at the highest pressure (5 Pa), M199 was observed as the best performer in terms of the maximum adsorption capacity (mg g-1): M199 (94.8) > AC (93.5) > U6 (27.1). Nonetheless, its capacity (mg g-1), when determined at 10% breakthrough volume (BTV10), dropped systematically with decreases in the benzene pressures to observe a full reversal in their order at 0.01 Pa: 0.32 (M199) vs. 4.57 (AC). As such, its BTV10 value (atm g-1) at 0.01 Pa was far smaller in M199 (1,067) than in AC (14,410). Likewise, if the partition coefficient (PC) values (mol kg-1 Pa-1) are derived for 0.1 ppm benzene at BTV10 , AC outperformed MOFs: AC (56.5) > M199 (4.12) > U6 (1.22). It is thus recommended that the use of biased performance metrics (e.g., adsorption capacity derived at excessive pressure conditions) should be avoided. Instead, the experiments should be conducted practically to reflect the ambient conditions rather than unrealistically high partial pressure conditions that can significantly exaggerate the performance of MOFs. On a whole, this study was conducted to construct data sets for the sorptive behavior of various sorbents (including advanced functional materials such as metal-organic frameworks (MOFs)) under a broad range of benzene loading conditions.
In general, the key point in adsorption technology is considered to be the selection of an appropriate adsorbent for efficient removal of VOCs. In many previous studies, extensive efforts have been put to evaluate the sorptive performance of various materials towards diverse target VOCs (e.g., aromatic hydrocarbons). However, there is a lack of data in the current literature towards their application for the removal of VOCs such as benzene under the real-world conditions, especially in terms of its prevailing concentration levels. Most studies have been conducted at unrealistically high-pressure conditions to overestimate their performance. To demonstrate the effect of selected partial pressure on the removal performance evaluation of materials, it is important to describe how the sorption behavior of sorbent varies across varying range of partial pressure. In this thesis, benzene was chosen as the representative VOCs. In chapter 2, analytical systems for carrying out the adsorption evaluation in a wide range (e.g., 0.01–5 Pa) was examined. To this end, the combination of thermal desorption-gas chromatography/mass spectrometry system capable of low-concentration levels analysis and gas chromatography/flame ionization detector equipped with a large volume injection system capable of high-level analysis was suggested for benzene adsorption. The excellent response factor (RF) values (11,522 ng-1) and method detection limit (MDL; 0.14 ng [0.43 ppb]) were found in the TD system. However, reproducibility (i.e., relative standard error (RES)) was better in LVI (0.72%). We identified adsorption behavior using 1 ppm benzene for both systems using five materials. These systems showed slightly different results due to 1) the sampling flow rate (100 at TD and 300 mL min-1 at LVI system) and 2) the difference between the continuous (at TD system)/discontinuous adsorption (at LVI system) process. The adsorption capacity (mg g-1) of the AC212, CE, CD, U6, and M199 obtained in TD (LVI) system at 10% BT was 12.2 (10.1), 6.49 (5.40), 5.02 (0.63) and 1.83 (1.73) mg g-1, respectively. Overall, the results were slightly lower in the LVI system. Generally, faster flow rates lead to faster breakthroughs. The gas molecules on the surface of the adsorbent can also diffuse into the pores and they can have enough diffusion time under static adsorption. Therefore, even though they are loaded on the adsorbent at a high flow rate in the LVI system leading to the discontinuous adsorption process, the adsorption performance exhibits just a slight difference due to the mutual offset. In particular, they showed similar BT curves for all materials except AC212 when they reached nearly 100% breakthrough. The difference in initial adsorption behavior observed in this study, such as 10% BT, may not be significant at wide partial pressures of 0.01-50 Pa (0.1-50 ppm). Therefore, it is required to evaluate the adsorption performance at a wide partial pressure by applying these systems. Therefore, we have identified and evaluated the behavior of 1 ppm gaseous benzene adsorption as a basic study to evaluate adsorption performance using TD-GC/MS system and LVI-GC/FID system. This gives a link point for collecting and combining a broad range of adsorption data. There has been a rapid rise in the application of metal-organic frameworks (MOFs) towards air quality management. Nonetheless, relatively little is known about their application under the real-world conditions to reflect their capacity to treat VOCs (e.g., benzene) at ambient partial pressure (e.g., in ppb levels). This is because most studies have been conducted at unrealistically high-pressure conditions to yield biased performance data. In chapter 3, to assess the effect of selected partial pressure on the performance of MOFs, the sorption behavior of benzene by two MOFs (MOF-199 [M199] and UiO-66 [U6]) was analyzed in reference to activated carbon [AC] over a wide pressure range of 0.01 – 5 Pa. Interestingly, at the highest pressure (5 Pa), M199 was observed as the best performer in terms of the maximum adsorption capacity (mg g-1): M199 (94.8) > AC (93.5) > U6 (27.1). Nonetheless, its capacity (mg g-1), when determined at 10% breakthrough volume (BTV10), dropped systematically with decreases in the benzene pressures to observe a full reversal in their order at 0.01 Pa: 0.32 (M199) vs. 4.57 (AC). As such, its BTV10 value (atm g-1) at 0.01 Pa was far smaller in M199 (1,067) than in AC (14,410). Likewise, if the partition coefficient (PC) values (mol kg-1 Pa-1) are derived for 0.1 ppm benzene at BTV10 , AC outperformed MOFs: AC (56.5) > M199 (4.12) > U6 (1.22). It is thus recommended that the use of biased performance metrics (e.g., adsorption capacity derived at excessive pressure conditions) should be avoided. Instead, the experiments should be conducted practically to reflect the ambient conditions rather than unrealistically high partial pressure conditions that can significantly exaggerate the performance of MOFs. On a whole, this study was conducted to construct data sets for the sorptive behavior of various sorbents (including advanced functional materials such as metal-organic frameworks (MOFs)) under a broad range of benzene loading conditions.
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