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문제 정의
- 특성을 관찰하였다. 또한, 제조된 활성탄을 사용하여 대표적인 VOCs 물질 중의 하나인 벤젠 가스에 대한 기상흡착실험을 수행하여 제조된 활성탄이 기상 물질의 제거에 활용이 가능한지를 검토하였다.
제안 방법
- 폐 감귤 박 활성탄은 전처리한 폐 감귤 박 시료의 일정량을 뚜껑이 있는 stainless 용기에 담은 다음 N2 가스를 주입하여 환원 분위기하에서 탄화시킨 다음 NaOH로 활성화를 시켜 폐 감귤 박 활성탄을 제조하였다. NaOH의 침적 비율은 100~300%로 변화시키고 활성화 온도를 400~900℃로 달리하여 수행하였다.
- 기화된 벤젠 가스는 혼합기에서 공기와 충분히 혼합되게 한 후 흡착 반응기의 하부로 유입 시켜 상부로 배출되게 하였다. 벤젠 가스의 농도는 DB-624 capillary cloumn (30 m 乂 0.32 mm ID x 1.8 ㎛ film thickness)과 불꽃이온화검출기(FID) 가 장착된 gas chromatogrphy (Donam, DS-6200) 로 분석하였으며, oven 온도는 50℃, injector 온도는 250℃, 그리고 detector 온도는 200℃로 하였다.
- 기화된 벤젠 가스는 혼합기에서 공기와 충분히 혼합되게 한 후 흡착 반응기의 하부로 유입 시켜 상부로 배출되게 하였다. 벤젠 가스의 농도는 DB-624 capillary cloumn (30 m 乂 0.32 mm ID x 1.8 ㎛ film thickness)과 불꽃이온화검출기(FID) 가 장착된 gas chromatogrphy (Donam, DS-6200) 로 분석하였으며, oven 온도는 50℃, injector 온도는 250℃, 그리고 detector 온도는 200℃로 하였다.
- 폐 감귤 박 및 제조된 활성탄의 C, H 및 N 함량과 무기물 조성은 각각 CHN 분석기(Leuco CHN-900) 와 X-선 형광분석기 (X-ray fluorescence spectrometer, Shimadzu XRF-2100)를 이용하여 측정하였다. 요오드 흡착능은 KS 활성탄 시험방법에 따라 측정하였고, 시료의 표면 특성과 형태를 파악하기 위해 주사 현미경(SEM; scanning electron microscope, Hitache S-246如N)을 이용하여 20 KV, 1000 배의 배율에서 관찰하였다.
- 따라서 본 연구에서는 선행연구와는 달리 NaOH 를 활성화제로 사용하여 폐감귤박으로부터 활성탄을 제조하고, 제조된 활성탄의 요오드 흡착능, 비 표면적, 세공분포 등을 조사하고, SEM 분석을 통하여 표면 특성을 관찰하였다. 또한, 제조된 활성탄을 사용하여 대표적인 VOCs 물질 중의 하나인 벤젠 가스에 대한 기상흡착실험을 수행하여 제조된 활성탄이 기상 물질의 제거에 활용이 가능한지를 검토하였다.
- 제조된 폐 감귤 박 활성탄을 사용하여 기상 벤젠에 대한 흡착실험을 수행하고, 일반적으로 기상 오염물질 제거에 우수한 제거 능을 보이는 것으로 알려져 널리 사용되고 있는 Calgon사 제품의 활성탄과 기상 벤젠에 대한 흡착능을 비교하였다. 각 활성탄은 40 -60 mesh의 일정한 크기로 선별한 후 105℃ 건조기에서 24 hr 건조한 다음 사용하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 폐 감귤 박 원료는 감귤 복합처리 가공공장에서 부산물로 발생되는 것을 사용하였다. 먼저 폐 감귤 박을 -20℃의 냉동고에서 24 hr 동안 냉동시킨 다음, 진공 동결건조기(PVTFD200A, 일신랩에서 72 hr 처리하여 수분을 완전히 제거한
이론/모형
- 요오드 흡착능은 KS 활성탄 시험방법에 따라 측정하였고, 시료의 표면 특성과 형태를 파악하기 위해 주사 현미경(SEM; scanning electron microscope, Hitache S-246如N)을 이용하여 20 KV, 1000 배의 배율에서 관찰하였다. 비 표면적 및 세공특성은 BET 비표면측정기(Micromeritics, ASAP-2010) 및 Mercury porosimeter(Micromeritics, poresizer 9320) 를 이용하여 측정하였다.
- 요오드 흡착능은 KS 활성탄 시험방법에 따라 측정하였고, 시료의 표면 특성과 형태를 파악하기 위해 주사 현미경(SEM; scanning electron microscope, Hitache S-246如N)을 이용하여 20 KV, 1000 배의 배율에서 관찰하였다. 비 표면적 및 세공특성은 BET 비표면측정기(Micromeritics, ASAP-2010) 및 Mercury porosimeter(Micromeritics, poresizer 9320) 를 이용하여 측정하였다.
성능/효과
- 5 hr로 고정시킨 후, 활성화제인 NaOH의 침적 비율을 각각 100, 200 및 300%로 변화 시켜 제조한 활성탄의 요오드 흡착능, 비 표면적 및 수율의 변화를 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이 활성화제의 침적 비율이 증가할수록 요오드 흡착능과 비표면적이 증가하였으나, 활성화 수율은 침적 비율이 증가할수록 각각 53, 50 및 47%로 낮아지는 경향을 보였다. ZnCh 활성화제를 사용한 선행 연구m에서도 ZnC12의 침적 비율이 증가할수록 비 표면적과 요오드 흡착능은 증가하고, 수율은 감소하는 결과를 나타냈다.
- ZnCh 활성화제를 사용한 선행 연구m에서도 ZnC12의 침적 비율이 증가할수록 비 표면적과 요오드 흡착능은 증가하고, 수율은 감소하는 결과를 나타냈다. 활성화제인 NaOH의 침적 비율이 300%, 활성화 온도 700℃, 활성화 시간 1.5 hr인 경우에 제조된 활성탄의 요오드 흡착능은 1, 006 mg/g, 비 표면적은 1, 356 m%로써, ZnC12를 활성화제로 한 선행연구m에서의 요오드 흡착능 856 mg/g와 비 표면적 756 nf/g과 비교하면 NaOH를 활성화제로 사용한 경우에 요오드 흡착능 및 비 표면적이 더 높은 것으로 나타났다. 따라서 활성탄 원료인 폐 감귤 박의 경우에 활성화제로는 ZnC12보다 NaOH를 사용하는 것이 요오드 흡착능이나 비표면적의 증가에 보다 유리한 것으로 사료된다.
- 나타낸 것이다. NaOH의 침적비율이 증가할수록 비표면적과 세공부피는 증가하였으나, 세공 크기는 침적비율이 증가할수록 감소하였다. 제조된 활성탄의 평균세공크기는 20~25A였다.
- 그러나 침적비율이 200 와 300%로 높아질수록 표면이 거칠어지고 기공을 둘러싸고 있는 세공벽이 발달하면서 기공의 형태가 뚜렷하게 나타나고 있다. 특히 기공 깊이가 깊고 미세한 크기의 기공들이 많이 발달하는 것을 관찰할 수 있었다.
- 파과곡선은 흡착 시간(t)에 따른 에유입농도(C。) 에 대한 유출농도(C)의 비 (C/C。)로 나타낸 것으로, 파과곡선에서 유출농도가 유입농도의 10% 되는 점을 파과시간(松)으로 정의하였다. 그림에서 보듯이 100, 200 및 300%로 제조된 활성탄의 파과시간은 각각 90, 110 및 160 min으로 나타나 침적 비율이 낮을수록 곡선의 기울기가 크고 파과시간이 짧게 나타났다. 또한 흡착량은 침적비율이 높을수록 증가하여 300%의 NaOH로 침적 시켜 제조한 활성탄이 200.
- 그림에서 보듯이 100, 200 및 300%로 제조된 활성탄의 파과시간은 각각 90, 110 및 160 min으로 나타나 침적 비율이 낮을수록 곡선의 기울기가 크고 파과시간이 짧게 나타났다. 또한 흡착량은 침적비율이 높을수록 증가하여 300%의 NaOH로 침적 시켜 제조한 활성탄이 200.5 mg/g으로 가장 높은 값을 보였다. 이는 Fig.
- 그림에서 보듯이 파과시간은 폐 감귤 박-활성탄 경우 160 min, Calgon사 활성탄의 경우는 110 min이었다. 또한, 흡착량은 폐감귤박-활성탄은 200.5 mg/g, Cal gon 사활 성탄의 경우는 152.5 mg/g으로써, 본 연구에서 제조한 폐감귤박-활성탄이 시판되고 있는 Cal gon 사활 성탄보다 우수한 성능을 보였다. 이는 Cal gon 사활 성탄의 비표면적은 1, 242 me/g인 반면에 본 연구에서 제조한 폐 감귤 박-활성탄의 경우 비표면적이 1, 356 nS/g으로서 더 크기 때문으로 사료된다.
- 5 h, NaOH 침적 비율이 300%일 때 였으며, 최적 활성화 조건에서 제조된 활성탄의 요오드흡착능 및 비 표면적은 각각 1, 006 mg/g 및 1, 356 n?/g이었다. 또한 평균세공크기는 20~25A였으며, NaOH의 침적비율이 증가할수록 세공부피와 비 표면적이 증가하고, 미세기공도 더욱 발달하는 것으로 나타났다. 제조된 폐 감귤 박 활성탄의 기상 벤젠 흡착실험에서 벤젠 흡착량은 200.
후속연구
- 한편, Kim 등(2)은 자당을 이용하여 활성탄을 제조한 경우에 ZnCE를 활성화제로 사용한 경우보다는 NaOH를 활성화제로 사용하는 경우에 제조된 활성탄의 비 표면적과 세공부피 등이 높게 나타났다고 하였으며, Leee)는 고추씨로부터 활성탄을 제조하는 경우에 ZnCh를 활성화제로 사용한 경우보다는 NaOH를 활성화제로 사용하는 경우에 제조된 활성탄의 비 표면적과 세공부피 등이 높게 나타났다고 하였다. 이들 결과를 보면 ZnCh를 활성화제로 사용하기 보다는 NaOH와 같이 OH기를 갖는 활성화제를 사용하면 높은 비표면적과 미세기공이 더욱 발달한 활성탄을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
- 5 mg/g에 비해 우수한 흡착능을 보였다. 따라서 제조된 폐 감귤 박 활성탄은 기상 오염물질 제거용 활성탄으로서의 활용이 가능할 것으로 보인다.
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