[논문]활성탄의 세공분포에 따른 Toluene Vapor의 흡착특성

이송우; 권준호; 강정화; 나영수; 안창덕; 윤영삼; 송승구

doi:10.5322/jes.2006.15.7.695

문제 정의

BET 비 표면적 값은 활성탄의 내부와 외부에 존재하는 다양한 크기를 가진 세공의 전체 표면적을 나타내는 값이므로, BET 비 표면적 값만으로 어느 크기의 세공이 잘 발달되어 있는지 정확히 알 수 없기 때문에 흡착량과 비례관계가 있는 세공 크기의 범위를 알기 어렵다. 그래서 표면적을 세공 크기 별로 좀 더 세분화하여 toluene vapor 평형 흡착량과 표면적과의 관계를 BJH법으로 측정한 누적표 면적으로 고찰해 보았다. Toluene 분자의 평균직경 이 7A인 것으로 볼 때 toluene vapor는 직경 7A 이상에서 흡착이 일어날 것으로 판단되므로, 세공 직경의 범위를 7A 이상, 10A 이상, 15A 이상, 20 A 이상, 그리고 30A 이상으로 나누어서 고찰했다.
그러므로 toluene의 활성탄 흡착에서 toluene 흡착에 적합한 세공의 크기가 어느 범위이며, 어떤 활성탄이 적합한 세공분포를 가지고 있는지를 고찰하는 것은 매우 중요하다. 본 연구에서는 연속식 활성탄 고정층 흡착장치에서 tol uene vapor를 흡착 질로 사용하여 활성탄의 세공크 기에 따른 누적 표면적 등의 세공분포와 파과시간 및 평형 흡착량 등의 흡착 특성을 고찰하였다.

가설 설정

9%를 사용하였다. Toluene 분자의 평균직경은 5.9A3), 6.52A4), 그리고 8.38摩) 으 로 보고되고 있으므로, 평균직경을 7A으로 가정하고 고찰하였다.

제안 방법

BJH 방법으로 측정한 누적 표면적을 세공직경 30 A으로 세분하여 Fig. 1에 비교하였다.
흡착관의 출구에서 유출농도(C)가 유입농도(Co)와 거의 같은 수준(C/Co=l)이 되었을 때를 흡착평형으로 간주하고 흡착실험을 종료하였다. Toluene vapor의 농도는 GC(HP 5890)를 사용해서 분석했으며, BET 비표면 측정기 (Micromeritics, ASAP-2010)를 이용하여 77K에서 질소(N₂)흡착에 의해 활성탄의 BET 비 표면적 (specific surface area, Sbet), 누적 표면적 (cumulative surface area, Sbjh), 그리고 총 세공부피(pore vol ume, Vt)를 측정하였다. 흡착량은 흡착 전후의 무게 차를 digital balance(Shimadzu, BL2200H)로 측정하여 계산하였다.
그래서 표면적을 세공 크기 별로 좀 더 세분화하여 toluene vapor 평형 흡착량과 표면적과의 관계를 BJH법으로 측정한 누적표 면적으로 고찰해 보았다. Toluene 분자의 평균직경 이 7A인 것으로 볼 때 toluene vapor는 직경 7A 이상에서 흡착이 일어날 것으로 판단되므로, 세공 직경의 범위를 7A 이상, 10A 이상, 15A 이상, 20 A 이상, 그리고 30A 이상으로 나누어서 고찰했다. Table 1에서 비교한 5종류 활성탄의 누적표면 적을 세공직경의 크기별로 나누어서 세공직경의 크기에 따른 누적 표면적과 각 활성탄의 toluene vapor 평형 흡착량과의 상관관계를 Fig.
본 실험에 사용한 장치는 전보에서 상세히 설명한 바와 같으며, toluene을 담은 병속으로 일정량의 공기를 보내 기포를 발생시킴으로써 가스상 태의 증기를 발생시켰으며, 이때 toluene을 담은 병으로 공급되는 공기량을 조절하여 일정농도의 tol uene 증기를 얻었다. 흡착관의 출구에서 유출농도(C)가 유입농도(Co)와 거의 같은 수준(C/Co=l)이 되었을 때를 흡착평형으로 간주하고 흡착실험을 종료하였다.
비교한 모든 활성탄은 10A 이하의 세공이 차지하는 표면적이 총 누적 표면적의 72~93%였으며, ACW 와 ACG 활성탄은 20A 이상의 세공을 상대적으로 많이 가지고 있었다. 비교한 활성탄은 직경 7A 이하의 세공이 전체 세공의 많은 부분을 차지하고 있었기 때문에 직경 7A 이상의 세공영역을 정확히 고찰하기 위해 7A 이상의 세 공영역을 Fig. 2에 비교했다. Fig.
3에 나타내었다. 파과 곡선에서 출구 농도가 유입농도의 20%가 될 때를 파과시간(breakthrough time)으로 정의하고 각 활성탄의 파과시간을 비교했다. 비교한 각 활성탄의 파과시간은 160〜230분 사이였고, 이 중 ACC 활성탄이 가장 긴 파과시간을 가지고 있었다.
본 실험에 사용한 장치는 전보에서 상세히 설명한 바와 같으며, toluene을 담은 병속으로 일정량의 공기를 보내 기포를 발생시킴으로써 가스상 태의 증기를 발생시켰으며, 이때 toluene을 담은 병으로 공급되는 공기량을 조절하여 일정농도의 tol uene 증기를 얻었다. 흡착관의 출구에서 유출농도(C)가 유입농도(Co)와 거의 같은 수준(C/Co=l)이 되었을 때를 흡착평형으로 간주하고 흡착실험을 종료하였다. Toluene vapor의 농도는 GC(HP 5890)를 사용해서 분석했으며, BET 비표면 측정기 (Micromeritics, ASAP-2010)를 이용하여 77K에서 질소(N₂)흡착에 의해 활성탄의 BET 비 표면적 (specific surface area, Sbet), 누적 표면적 (cumulative surface area, Sbjh), 그리고 총 세공부피(pore vol ume, Vt)를 측정하였다.

대상 데이터

흡착질은 VOCs 물질 중 대표적인 비극성 용매인 toluene을 사용하였다. Toluene은 Junsei 사의 순도 99.9%를 사용하였다. Toluene 분자의 평균직경은 5.
4에 toluene vapor 평형 흡착량과 파과시간과의 관계를 나타내었다. 사용한 각 활성탄의 평형 흡착량은 각각 ACA(354mg/g), ACW(355mg/g), ACG(369mg/g), ACN(375mg/g), 그리고 ACC(392mg/g)으로 350〜 390mg/g 사이의 비교적 좁은 범위에 있었다. 평형 흡착량과 파과시간과의 상관계수(『)는 0.
흡착제는 여러 가지' 원료로5종류의 상업용 활성탄, ACA, ACC, ACN, ACW, 그리고 ACG를 입수하여, 입자크기를 0.86〜 1.4mm로 일정하게 조절하고 사용 전에 충분히 건조하여 실험에 사용하였다. 흡착질은 VOCs 물질 중 대표적인 비극성 용매인 toluene을 사용하였다.
4mm로 일정하게 조절하고 사용 전에 충분히 건조하여 실험에 사용하였다. 흡착질은 VOCs 물질 중 대표적인 비극성 용매인 toluene을 사용하였다. Toluene은 Junsei 사의 순도 99.

성능/효과

활성탄 내부에 있는 세공의 직경이 클 경우 비교적 큰 세공부피를 가지며, 세공의 직경이 작을 경우 비교적 큰 비 표면적을 가지는 것을 알 수 있었다. ACW와 ACG 활성탄은 비교한 다른 활성탄의 평균 세공직경(Dp) 19.6A에 비해 평균직경이 1.26〜 1.55배 정도 큰 값을 나타내었다.
비슷한 세공구조로 구성된 활성탄의 BET 비 표면적과 평형 흡착량은 상관관계가 크지만, 세공구조가 다른 다양한 활성탄의 BET 비표면 적 값만으로 특정 흡착 질의 흡착능을 평가하는 것은 어렵다고 판단되었다. BET 비 표면적과 평형흡착량이 비례관계에 있는 ACA, ACN, 그리고 ACC 활성탄은 총 누적 표면적에서 직경 10A 이하의 세공이 차지하는 표면적이 90〜93%를 차지할 정도로 직경 10A 이하의 미세세공이 많은 부분을 차지하는 거의 비슷한 세공구조를 가진 활성탄인 것을 알 수 있었으며, 비례관계에서 벗어나 있는 ACW, ACG 활성탄은 전체의 표면적에서 10A 이하의 세공이 차지하는 표면적이 72.0-85.5% 정도로 비교한 다른 활성탄에 비해 직경 10A 이상의 세공이 비교적 많은 세공구조를 가진 활성탄인 것을 알 수 있었다.
2에 비교했다. Fig. 2에 비교한 세공직경 7A 이상의 표면적에서 직경 7〜 10A 사이의 표면적이 10A 이상의 표면적에 비해 상대적으로 많이 발달해 있음을 확인 할 수 있었으며, ACA, ACC, 그리고 ACN 활성탄은 10A 이상의 세공이 차지하는 표면적의 비중이 ACW와 ACG 활성탄에 비해 상대적으로 적 었다.
이것은 비교한 활성탄들이 세공직경 7-10A 범위에서 상대적으로 많은 표면적을 가지고 있기 때문에 tol uene vapor가 주로 이 범위(7〜 10A)에서 많이 흡착된다고 판단되었다. 그리고 비교한 5종류의 활성탄들은 총 누적 표면적에서 10A 이상이 차지하는 표면적의 비율이 7-28% 정도로 작고, 그 비율이 서로 비슷하지 않았으며, 또한 직경 10A 이상에서의 흡착량이 평형 흡착량에서 차지하는 비중이 상대적으로 매우 적기 때문에, 직경 10A 이상의 영역에서는 평형 흡착량과 비례관계를 보여주지 않는 것으로 사료되었다.
파과 곡선에서 출구 농도가 유입농도의 20%가 될 때를 파과시간(breakthrough time)으로 정의하고 각 활성탄의 파과시간을 비교했다. 비교한 각 활성탄의 파과시간은 160〜230분 사이였고, 이 중 ACC 활성탄이 가장 긴 파과시간을 가지고 있었다. 파과 시간을 기준으로 실험한 각 활성탄을 구분하면 파 과 시간이 가장 짧은 것이 ACAQ60분), 그다음이 ACN(190분), ACW(200분), ACG(200분)였으며, 가장 긴 것이 ACC(230분) 활성탄이었다.
1에 비교하였다. 비교한 모든 활성탄은 10A 이하의 세공이 차지하는 표면적이 총 누적 표면적의 72~93%였으며, ACW 와 ACG 활성탄은 20A 이상의 세공을 상대적으로 많이 가지고 있었다. 비교한 활성탄은 직경 7A 이하의 세공이 전체 세공의 많은 부분을 차지하고 있었기 때문에 직경 7A 이상의 세공영역을 정확히 고찰하기 위해 7A 이상의 세 공영역을 Fig.
BET 측정기로 측정한 활성탄의 특성치는 전보 後 에 보고한 바와 같으며, Table 1에 다시 실었다. 사용한 5종류의 활성탄은 1, 000〜l, 340m2/g 범위의 비 표면적을 가지고 있었으며 ACG 활성탄이 비교적 큰 BET 비 표면적 (l, 342m2/g)을 나타내었고, BJH 방법 章)으로 측정한 누적 표면적은 ACC 활성탄이 제일 큰 누적 표면적(4, 101m2/g)을 가지고 있었다. 총 세공부피(Vt)는 ACW와 ACG 활성탄이 비교적 큰 값을 나타내었고, ACW 활성탄은 ACA 활성탄에 비해 약 2배의 세공부피를 가지고 있었다.
사용한 각 활성탄의 toluene vapor 평형 흡착량은 각각 ACA(354mg/g), ACW(355mg/g), ACG(369mg/g), ACN(375mg/g), 그리고 ACC(392mg/g)으로 350〜 390mg/g 사이에 있었고 평형 흡착량이 큰 활성탄은 비교한 다른 활성탄에 비해 직경 7A 이상의 영역이 상대적으로 많이 발달해 있었다
실험에 사용한 5종류의 활성탄은 10A 이하의 세공이 차지하는 표면적이 총 누적 표면적의 72- 93%였으며, 특히 ACW와 ACG 활성탄은 20A 이상의 세공을 상대적으로 많이 가지고 있었다.
사용한 5종류의 활성탄은 1, 000〜l, 340m2/g 범위의 비 표면적을 가지고 있었으며 ACG 활성탄이 비교적 큰 BET 비 표면적 (l, 342m2/g)을 나타내었고, BJH 방법 章)으로 측정한 누적 표면적은 ACC 활성탄이 제일 큰 누적 표면적(4, 101m2/g)을 가지고 있었다. 총 세공부피(Vt)는 ACW와 ACG 활성탄이 비교적 큰 값을 나타내었고, ACW 활성탄은 ACA 활성탄에 비해 약 2배의 세공부피를 가지고 있었다. 활성탄 내부에 있는 세공의 직경이 클 경우 비교적 큰 세공부피를 가지며, 세공의 직경이 작을 경우 비교적 큰 비 표면적을 가지는 것을 알 수 있었다.
비교한 각 활성탄의 파과시간은 160〜230분 사이였고, 이 중 ACC 활성탄이 가장 긴 파과시간을 가지고 있었다. 파과 시간을 기준으로 실험한 각 활성탄을 구분하면 파 과 시간이 가장 짧은 것이 ACAQ60분), 그다음이 ACN(190분), ACW(200분), ACG(200분)였으며, 가장 긴 것이 ACC(230분) 활성탄이었다. 파과시간이 긴 활성탄은 비교한 다른 활성탄에 비해 세공직경 7A 이상의 표면적이 상대적으로 많이 발달한 것을 알 수 있었다.
파과 시간을 기준으로 실험한 각 활성탄을 구분하면 파 과 시간이 가장 짧은 것이 ACAQ60분), 그다음이 ACN(190분), ACW(200분), ACG(200분)였으며, 가장 긴 것이 ACC(230분) 활성탄이었다. 파과시간이 긴 활성탄은 비교한 다른 활성탄에 비해 세공직경 7A 이상의 표면적이 상대적으로 많이 발달한 것을 알 수 있었다.
평형 흡착량과 세공 크기에 따른 누적 표면적의 직선적인 정비례 관계는 직경 7A 이상의 누적표면 적에서 나타남을 알 수 있었으며, toluene vapor는 7A 이상에서 흡착이 주로 일어나는 것으로 사료 되었다.
사용한 각 활성탄의 평형 흡착량은 각각 ACA(354mg/g), ACW(355mg/g), ACG(369mg/g), ACN(375mg/g), 그리고 ACC(392mg/g)으로 350〜 390mg/g 사이의 비교적 좁은 범위에 있었다. 평형 흡착량과 파과시간과의 상관계수(『)는 0.608이었으나 파과시간이 길어질수록 평형 흡착량이 증가하는 경향을 나타내었다.
총 세공부피(Vt)는 ACW와 ACG 활성탄이 비교적 큰 값을 나타내었고, ACW 활성탄은 ACA 활성탄에 비해 약 2배의 세공부피를 가지고 있었다. 활성탄 내부에 있는 세공의 직경이 클 경우 비교적 큰 세공부피를 가지며, 세공의 직경이 작을 경우 비교적 큰 비 표면적을 가지는 것을 알 수 있었다. ACW와 ACG 활성탄은 비교한 다른 활성탄의 평균 세공직경(Dp) 19.

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