[논문]활성탄소섬유 흡착bed에서의 톨루엔 흡착특성

김상국; 장예림

doi:10.5572/kosae.2008.24.2.220

문제 정의

탈착특성 및 기능성 첨착 ACF제조에 관한 연구를 수행한 바 있다. 본 연구에서는 VOC제거 공정개발을 위하여 ACF를 이용한 톨루엔의 흡착특성을 조사하였다. 흡착bed에 ACF를 다수 장입하되 갯수를변화하는 방법으로 흡착bed 길이를 조절하였고 흡착 시간, 농도, 유량, bed 길이에 따른 파과특성과 아울러 흡착 시간에 따라 각 위치에 따른 각각의 ACF 무게 변화를 측정하여 물질전달영역 (Mass Transfer Zone: MTZ)의 이동특성을 조사하였으며 MTZ가 흡착 층 외부로 배출되면서 VOC가 검출되는 시간을 파과곡선과 비교검토하였다.
, 2001). 이들은 ACF에 의한 VOC의 흡착/탈착 특성을 연구하였으며 주목적은 각종 운전조건에서 ACF가 VOC를 흡착하는 데 적합하다는 것을 실험적으로 입증하는데 있으며 아울러 VOC파과특성을 예측할 목적으로 수학 모델 식을 개발하였다. Yoon and Nelson (1984) 은가스흡착속도식 을 사용하여 간단하면서 도 dynamic 홉착실험에 적용가능한 반경험식 가스흡착모델을 제시하였다.

제안 방법

반응기에서 외부로 배출되는 vent line에 가스분석을 위하여 1/8인치 관을 분기하여 GC로 연결하였으며 GC에 설치된 6 port val.,e를 이용하여 배출되는 톨루엔 농도를 일정한 시간 간격으로 자동으로 측정하였다.
그림 1 에서 보는 바와 같이 공기는 반응기 상부에서 들어와서 하부로 배출된다. ACF를 직경이 2.3cm가 되도록 원형으로 오려서 3장 내지 5장을 그물망 위에 장입하였다. 이때 다수의 ACF를 반응기에 장입시 ACF와 반응기벽 사이에 틈이 생기는 경우 bed층을 통과시 압력손실이 발생하는 것에 비하여 틈새로 공기가 흐르는 것이 쉽기 때문에 발생하는 channeling현상을 방지하기 위하여 ACF와 벽사이에 공간이 형성되지 않도록 특별히 유의하였다.
반응기를 나온 공기는 로타미터를 통과하며 로타미터와 MFC 유량을 비교하여 라인에서 공기가 새는 여부를 쉽게 알 수 있도록 하였다. 공기내 톨루엔 농도는 HP 6890 가스크로마토그라프 (GC)와 설치된 FID검출기를 이용하여 분석하였다. 칼럼은 capillary column으로 Agilent DB-WAX 30 m, 0.
흡착bed에서 흡착시간에 따라 물질전달영역 이동에 의하여 활성적영역이 변화하며 이를 계량적으로 나타내는 방법중 하나는 흡착위치에 따른 흡착제의무게 변화를 측정하는 방법 이다. 그림 6은 흡착에 의하여 각각의 ACF 무게변화 즉 무게증가 (Am)를 원래의 ACF무게 (m)로 나눈값을 각각의 흡착제 위치에 따라 나타내었으며 흡착시간을 10분에서 120분으로 증가시키면서 활성적영역의 변화를 조사하였다. 홉착조건은 톨루엔농도 400 ppm, ACF 3장, 500 cc/min이다 ACF 위치는 3이 흡착bed 최상단 지점을 나타내며 톨루엔가스가 상부로부터 들어오는 입구에 위치하고 1은 흡착bed 하단으로 톨루엔가스가 하부로 배출되는 지점에 위치한다.
3cm인 스테인리스 스틸로 제작된 원통형튜브이다. 반응기 상부는 개폐할 수 있도록 하여 활성탄소섬유(ACF)를 장입 또는 제거할 수 있으며 공기가 새지 않은 구조로 제작하였다. 반응기 하부에서 10cm되는 지점에 ACF를 지지할 수 있는 그물망을 설치하였다.
반응기 하부는 구경이 3/8인치인 2개의 관으로 분기되며 하나는 공기가 흘러가는 관이며 다른 하나는 열전대를 설치하는 관이다. 반응기 온도를 제어하기 위하여 전기히터 내부 공간부와 반응기 내부에 열전대를 설치하였고 히터에 전기를 공급하는 power supply의 제어기와 연계되어 반응기내 온도를 제어하였다. 반응기를 나온 공기는 로타미터를 통과하며 로타미터와 MFC 유량을 비교하여 라인에서 공기가 새는 여부를 쉽게 알 수 있도록 하였다.
반응기 온도를 제어하기 위하여 전기히터 내부 공간부와 반응기 내부에 열전대를 설치하였고 히터에 전기를 공급하는 power supply의 제어기와 연계되어 반응기내 온도를 제어하였다. 반응기를 나온 공기는 로타미터를 통과하며 로타미터와 MFC 유량을 비교하여 라인에서 공기가 새는 여부를 쉽게 알 수 있도록 하였다. 공기내 톨루엔 농도는 HP 6890 가스크로마토그라프 (GC)와 설치된 FID검출기를 이용하여 분석하였다.
5 cm인 2중관으로 제작되었으며 외부는 자켓으로 항온조에서 일정한 온도로 조절된 순환수가 자켓을 순환하게 하여 용기내 톨루엔용액 온도를 일정하게 유지하였다. 원통용기내 bub비er는 1/4인치 스테인리스스틸로 제작하였으며 밑에서 5 cm까지 직경 이 0.4mm인 구멍을 2mm 간격으로 20 줄 천공하였고 한줄에서 4개의 구멍을 천공하였다. 물론 구멍이 천공된 부분은 톨루엔 용액에 잠기게 된다.
5 [kgf/cm²] 압력으로 공급된다 분기점에서 bubbler를 통과하는 공기와 by-pass 공기가 나누어지며 각각의 비율에 따라 공기중 톨루엔 농도가 조절되며 혼합기에서 혼합된다. 정밀한 공기 유량제어를 위하여 MFC (Mass Flow Controller) 를 설치하였으며 MFC 바로 뒤에 역류흐름을 방지하는 check val.,e를 설치하였다.
톨루엔이 포함된 공기를 ACF가 장입된 흡착bed 를 통과시키면서 농도, 유량, 흡착bed 길이, 흡착 시간에 따라 파과특성을 조사하였다. 흡착bed 길이는 장입한 ACF 개수로 조절하였으며 흡착bed 내경은 2.
톨루엔이 포함된 공기를 흡착bed층을 통과시키면서 농도, 유량, 흡착bed 길이에 따라 반응기 출구에서 톨루엔 농도를 측정하여 파과특성을 조사하였다. 특히 고정상 흡착제 (ACF)가 흡착질에 의해 포화되는 과정에서 흡착bed 내에서의 물질전달영역 (MTZ: Mass Transfer Zone) 이동특성을 조사하기 위하여 흡착실험에서 흡착시간과 bed 길이를 조절하여 홉착 전후 각각의 ACF무게를 측정하였다.
특히 고정상 흡착제 (ACF)가 흡착질에 의해 포화되는 과정에서 흡착bed 내에서의 물질전달영역 (MTZ: Mass Transfer Zone) 이동특성을 조사하기 위하여 흡착실험에서 흡착시간과 bed 길이를 조절하여 홉착 전후 각각의 ACF무게를 측정하였다. 각각의 ACF무게 증가분을 원래의 ACF무게로 나눈값은 톨루엔 흡착량을 나타내며 흡착조건에 따라 위치에 따른 할 성적영역의 변화를 나타낸다.
항온조 온도와 공기유량비를 조절하여 농도 400 ppm의 톨루엔이 포함된 공기를 반응기로 흘려보내면서 ACF가 3장 또는 5장 반응기에 장입된 상태에서 흡착실험을 하였다. 이때 유량은 500 [cc/min]와 800 [cc/mi미 이 었으며 반응기 내 온도는 29℃를 유지하였다.
흡착 bed에서 물질전달영역의 이동에 따른 활성 적 영역의 변화를 계량적으로 측정하기 위하여 흡착제인 ACF 위치에 따라 각각의 흡착제 무게변화를 측정하였다. 톨루엔이 포함된 공기가 흡착 bed와 접촉함에 따라 초기에는 입구측 흡착제의 무게만 증가하였다.
본 연구에서는 VOC제거 공정개발을 위하여 ACF를 이용한 톨루엔의 흡착특성을 조사하였다. 흡착bed에 ACF를 다수 장입하되 갯수를변화하는 방법으로 흡착bed 길이를 조절하였고 흡착 시간, 농도, 유량, bed 길이에 따른 파과특성과 아울러 흡착 시간에 따라 각 위치에 따른 각각의 ACF 무게 변화를 측정하여 물질전달영역 (Mass Transfer Zone: MTZ)의 이동특성을 조사하였으며 MTZ가 흡착 층 외부로 배출되면서 VOC가 검출되는 시간을 파과곡선과 비교검토하였다.

대상 데이터

53 mm, 을 사용하였다. 검량선 작성을 위하여 농도가 각각 50 ppm, 300 ppm, 1,000 ppm인 표준가스를 사용하였다. 반응기에서 외부로 배출되는 vent line에 가스분석을 위하여 1/8인치 관을 분기하여 GC로 연결하였으며 GC에 설치된 6 port val.
실험장치는 크게 VOC발생장치, 흡착장치인 흡착 bed, 분석장치로 구성 된다.
결정된다. 장치와 장치사이를 연결하는 관은테프론 재질의 1/4인치 관을 사용하였다. 반응기는 길이가 30cm이며 내경이 5.

성능/효과

그림 8과 비교하면 입구측 톨루엔 농도가 증가함에 따라 흡착 시간이 60분 이내일 때 특히 입구에 근접하게 위치한 ACF의 무게증가비가 급증하였으며 입구측 ACF가 포화상태에 이르러 흡착능을 상실함에 따라 MTZ가 빠르게 출구측으로 이동하면서 출구측 ACF 무게증가비가 증가하였다. 흡착시간이 60분일 때 지점 1의 ACF 무게증가비는 14%이었고 흡착시간이 90분일 때 42%로 급증하였으며 이 기간중인 65분에서 톨루엔이 검출되었다.
적절한 반응상수 f을 반경험식 가스흡착모델에 대입 시 실제 파과곡선에 근접한 파과곡선을 얻을 수 있었다. 그림 5는 k, 값이 0.
09 g 이었다. 파과곡선은 톨루엔이 검출되기 시작한 시점에서 농도가 급격히 증가하여 포화상태에 도달하는 경향을 나타내었다. 톨루엔농도가 400ppm일 때 흡착bed 길이가 짧고(ACF=3장) 유량이 많은(800 cc/min) 조건에서 파 과점이 38.
흡착시간이 10분일 때 지점 3, 2, 1에서의 ACF 무게 증가비는 15%, 2.5%, 1%이었으며 톨루엔농도가 400ppm이었을 때 지점 2, 1에서의 무게증가가 각각 0%이었음과 비교하면 MTZ 이동속도가 증가하였음을 알 수 있다. 흡착시간이 30분일 때 출구측에 위치한 지점 1에서의 ACF 무게증가비는 11%이었으며 그림 3에서 보는 바와 같이 이때에는 톨루엔이 검출되지 않았지만 35분에서 톨루엔이 검출되기 시작하였으며 그림 7에서 보는 바와 같이 흡착시간이 30-60 분 사이에 지점 1에서의 ACF 무게증가비가 급증하였다.
이때 MTZ가 흡착층 외부로 배출되면서 톨루엔이 검출되기 시작하였으며 이는 그림 2에서 55분 위치에서 톨루엔이 검출되기 시작한 것으로부터 확인할 수 있다. 흡착시간이 90분일 때 지점 3, 2, 1에서 무게 증가비는 각각 41%, 39%, 35%로 흡착bed 내 모든 지점에서 포화상태에 근접하는 것을 알 수 있으며 흡착시간이 120분인 경우 지점 3, 2, 1에서 무게증가비는 43%, 41%, 40%로 포화상태에 도달하였으며 이는 그림 2 의 파과곡선에서 C/Co가 1에 도달하여 톨루엔은 더이상 홉착되지 않고 배출되는 것을 알 .수 있다.

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