본 연구에서는 하수슬러지에서 만든 활성탄을 이용하여 벤젠에 대한 정지(static)흡착실험을 수행하였다. 7.999 kPa에 이르는 압력 범위 내에서 온도 조건을 변화시켜 가며 303.15, 318.15, 333.15 K에서 흡착실험을 진행하였다. 등온흡착곡선은 Langmuir isotherm, Freundlich isotherm, Toth isotherm을 적용하여 비교하였다. 벤젠의 흡착량(q)을 fitting한 결과 Langmuir isotherm과 Toth isotherm으로 fitting한 등온흡착 곡선의 정확도가 높은 것으로 나타났다. 그리고 Langmuir isotherm의 $q_{max}$ 값을 이용하여 흡착제의 흡착량을 비교하였다. 또한, 하수슬러지 활성탄과 상용활성탄의 세공 발달 여부를 비교하기 위해 SEM image를 관찰하였다. SEM image 관찰 결과, 국내외 상용활성탄(DARCO A.C., SPG-100 A.C.)이 하수슬러지 활성탄에 비해 세공발달 정도가 우수하며, 세공발달 정도가 우수한 국내외 상용활성탄(DARCO A.C., SPG-100 A.C.)이 하수슬러지 활성탄에 비해 벤젠흡착량(q)이 높은 것을 확인할 수 있었다. 그러나 실온조건인 303.15K에서 하수슬러지의 최대 벤젠흡착량($q_{max}$)은 국내 상용활성탄(SPG-100 A.C.)의 최대 벤젠흡착량($q_{max}$)과 대등한 수치로 나타났으므로 하수슬러지 활성탄의 상용화 가능성을 검증할 수 있었다.
본 연구에서는 하수슬러지에서 만든 활성탄을 이용하여 벤젠에 대한 정지(static)흡착실험을 수행하였다. 7.999 kPa에 이르는 압력 범위 내에서 온도 조건을 변화시켜 가며 303.15, 318.15, 333.15 K에서 흡착실험을 진행하였다. 등온흡착곡선은 Langmuir isotherm, Freundlich isotherm, Toth isotherm을 적용하여 비교하였다. 벤젠의 흡착량(q)을 fitting한 결과 Langmuir isotherm과 Toth isotherm으로 fitting한 등온흡착 곡선의 정확도가 높은 것으로 나타났다. 그리고 Langmuir isotherm의 $q_{max}$ 값을 이용하여 흡착제의 흡착량을 비교하였다. 또한, 하수슬러지 활성탄과 상용활성탄의 세공 발달 여부를 비교하기 위해 SEM image를 관찰하였다. SEM image 관찰 결과, 국내외 상용활성탄(DARCO A.C., SPG-100 A.C.)이 하수슬러지 활성탄에 비해 세공발달 정도가 우수하며, 세공발달 정도가 우수한 국내외 상용활성탄(DARCO A.C., SPG-100 A.C.)이 하수슬러지 활성탄에 비해 벤젠흡착량(q)이 높은 것을 확인할 수 있었다. 그러나 실온조건인 303.15K에서 하수슬러지의 최대 벤젠흡착량($q_{max}$)은 국내 상용활성탄(SPG-100 A.C.)의 최대 벤젠흡착량($q_{max}$)과 대등한 수치로 나타났으므로 하수슬러지 활성탄의 상용화 가능성을 검증할 수 있었다.
In this study the experiments on the static adsorption of benzene were carried out using activated carbon made from sewage sludge. The experiment was performed at 303.15 K, 318.15 K and 333.15 K under the pressure up to 7.999kPa. Isothermal adsorption curves were obtained using Langmuir isotherm, Fr...
In this study the experiments on the static adsorption of benzene were carried out using activated carbon made from sewage sludge. The experiment was performed at 303.15 K, 318.15 K and 333.15 K under the pressure up to 7.999kPa. Isothermal adsorption curves were obtained using Langmuir isotherm, Freundlich isotherm and Toth isotherm for comparison. Based on fitting the adsorption quantity of Benzene (q), the isothermal adsorption curves obtained from Langmuir isotherm and Toth isotherm showed the higher accuracy. Although there was little difference in accuracy between result from Langmuir isotherm and that from Toth isotherm, the adsorption quantity of Benzene (q) was expressed in terms of Langmuir isotherm because less parameters were required for Langmuir isotherm than for Toth isotherm. Moreover SEM images of the activated carbon from sewage sludge and the commercial activated carbon were taken to observe the pore size development. The results showed that the perforation development of the commercial activated carbon (DARCO A.C., SPG-100 A.C.) was better than that of activated carbon from sewage sludge. Adsorption quantity of benzene on commercial activated carbon was confirmed to be higher than that on activated carbon from sewage sludge. However the maximum adsorption quantity of benzene on activated carbon from sewage sludge was close to that on SGP-100 A.C. at 303.15K. Therefore, we may conclude that it is feasible to commercialize the process to manufacturing activated carbon from sewage sludge.
In this study the experiments on the static adsorption of benzene were carried out using activated carbon made from sewage sludge. The experiment was performed at 303.15 K, 318.15 K and 333.15 K under the pressure up to 7.999kPa. Isothermal adsorption curves were obtained using Langmuir isotherm, Freundlich isotherm and Toth isotherm for comparison. Based on fitting the adsorption quantity of Benzene (q), the isothermal adsorption curves obtained from Langmuir isotherm and Toth isotherm showed the higher accuracy. Although there was little difference in accuracy between result from Langmuir isotherm and that from Toth isotherm, the adsorption quantity of Benzene (q) was expressed in terms of Langmuir isotherm because less parameters were required for Langmuir isotherm than for Toth isotherm. Moreover SEM images of the activated carbon from sewage sludge and the commercial activated carbon were taken to observe the pore size development. The results showed that the perforation development of the commercial activated carbon (DARCO A.C., SPG-100 A.C.) was better than that of activated carbon from sewage sludge. Adsorption quantity of benzene on commercial activated carbon was confirmed to be higher than that on activated carbon from sewage sludge. However the maximum adsorption quantity of benzene on activated carbon from sewage sludge was close to that on SGP-100 A.C. at 303.15K. Therefore, we may conclude that it is feasible to commercialize the process to manufacturing activated carbon from sewage sludge.
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문제 정의
본 연구를 통해 하수슬러지 활성탄을 이용하여 VOCs 흡착제로 활용할 수 있는 방안을 마련할 수 있을 것이라 예상되며, 하수슬러지의 영향인자를 파악하기 위하여 하수슬러지 탄화온도 변화를 고려하여 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 제조된 하수슬러지 활성탄에 대한 VOCs 흡착제로의 사용 가능성을 평가하기 위해, 수입 상용활성탄 (DARCO Co., 12—20 mesh, granular)과 국내 상용활성탄 (SGP-100, 삼천리 활성탄소, pellet)을 준비하여 VOCs 물질 중 벤젠에 대한 정지흡착 비교실험을 수행하였다. 또한 흡착 특성을 확인하기 위하여 Langmuir isotherm, Freundlich isotherm과 Toth isotherm을 이용하여 흡착등온식을 비교하였으몌12, 13], SEM images를 통해 각각 활성탄의 세공 발달 여부를 확인하였다.
이것을 압력을 조축으로, 단위질량당 흡착량 q를 y축으로 정하여 도시하면 흡착등온선을 구할 수 있다- 이 그래프를 Langmuir isotherm으로 fitting을 하면 qmax를 구할 수 있다. 여기서 구한 파라미터를 이용하여 extended Langmuir isotherm 에 대입하면 흡착등온선을 완성할 수 있으며, Freundlich isotherm 과 Toth isotherm 역시 동일한 방법으로 fitting하여 가장 적합한 흡착등온선을 구하고자 하였다.
하수처리장 단위 공정에서 배출되는 하수슬러지를 저감시키고 하수처리장에서 배출되는 하수슬러지의 2차적인 오염 발생을 해결하기 위하여 본 연구에서는 하수슬러지의 탄화물의 활성화를 이용한 VOCs 흡착에 관한 연구를 진행하였다. VOCs 는 자동차, 각종 유기용제, 건축 등의 도장분야에서 많이 발생되고 있으며, VOCs를 제거하는 기술은 소각 및 분해에 의한 제거 기술과 VOCs를 회수하여 재사용하는 회수 기술로 나눌 수 있는데, VOCs가 고가일 경우에는 회수기술의 사용이 생산비용 면에서 유리하다- 회수기술에는 흡착, 막분리- 응축 등의 다양한 방법이 있으나 이 중에서 흡착은 실제 공정에서 처리 방법이 간단하며, 다양한 VOCs의 처리가 가능하고 운영비가 상대적으로 적게 드는 장점으로 인해 많은 연구가 진행되어왔다.
제안 방법
NaOH)를 이용하여, 하수슬러지 활성탄 제조의 최적조건을 찾았으며[2], 본 연구에서는 BET 표면적이 가장 우수한 75 wt%의 KOH를 이용하여 하수슬러지 활성탄의 정지흡착실험을 진행하였다-
15 오이므로 온도를 이 온도 미만으로 하여 진행하였다. 각각 등온흡착곡선(Langmuir isotherm, Freundlich isotherm 그리고 Toth isotherm)을 통해 활성탄의 벤젠흡착실험에 부합하는 등은흡착곡선을 확인하였다-
또한 연구를 진행하면서 하수슬러지 활성탄과 수입 상용 활성탄(DARCO Co., 12—20 mesh, granular) 그리고 국내 상용 활성탄(SGP-100, 삼천리 활성탄소, pellet)의 벤젠의 흡착능력에 대한 비교평가를 진행하였다. Table 2에 수입 상용 활성탄과 국내 상용활성탄의 기본 물성치와 용도를 나타내었다.
, 12—20 mesh, granular)과 국내 상용활성탄 (SGP-100, 삼천리 활성탄소, pellet)을 준비하여 VOCs 물질 중 벤젠에 대한 정지흡착 비교실험을 수행하였다. 또한 흡착 특성을 확인하기 위하여 Langmuir isotherm, Freundlich isotherm과 Toth isotherm을 이용하여 흡착등온식을 비교하였으몌12, 13], SEM images를 통해 각각 활성탄의 세공 발달 여부를 확인하였다.
본 연구에서는 하수슬러지 활성탄의 VOCs 흡착 제로써 의사용 가능성을 평가하기 위해 벤젠의 증기압을 이용하여, 7.999 kPa에 이르는 압력범위와 303.15K, 318.15K, 333.15K 의 실험 온도에서 정지흡착실험을 수행하였다.
나타내었다. 상온에서 VOCs 중 벤젠의 vapor pressure가 9.999 kPa임을고려하여, 실험조건은 7.999 kPa에 이내의 압력범위 내에서정지홉착실험을 진행하였다. 온도 조건은 303.
수입 상용활성탄(DARCO Co., 12—20 mesh, granular)과 국내 상용활성탄(SGP-100, 삼천리 활성탄소, pellet)을 준비하여 화학적 활성화 연구 결과 가장 물성치가 우수했던 하수슬러지 활성탄과의 벤젠에 대한 흡착능력에 대한 비교 평가를 진행하였다.
또한 가장 중요한 부분인 측정부는 온도와 압력을 측정하는 부분으로 구성되는데, 온도는 강제대류 건조기 (forced convection oven)의 온도센서를 이용하여 측정할 수 있도록 하고 추가적으로 온도탐침 (temperatue probe)을 설치하여 온도편차를 최소화하였다. 압력은 흡착 질의 종류가 다양해짐에 따라 기체 특성에 영향을 받지 않는 격막식 압력계를 선택하였으며, 압력의 정밀도를 높이기 위하여 pressure transmitter (model : PAA-23S)를 설치하였다.
999 kPa에 이내의 압력범위 내에서정지홉착실험을 진행하였다. 온도 조건은 303.15 K, 318.15 K, 333.15 K로 각각 설정하였는데, 이는 벤젠의 boiling point가 353.15 오이므로 온도를 이 온도 미만으로 하여 진행하였다. 각각 등온흡착곡선(Langmuir isotherm, Freundlich isotherm 그리고 Toth isotherm)을 통해 활성탄의 벤젠흡착실험에 부합하는 등은흡착곡선을 확인하였다-
흡착압력은 상온에서 벤젠의 vapor pressure가 9.999 kPa (75 torr)이므로 실험조건은 7.999 kPa (60 torr)에 이내의 압력 범위 내에서 정지흡착 실험을 진행하였다.
흡착온도는 대기압에서 벤젠의 boiling point가 353.15 K 임을 고려하여 온도조건을 303.15K, 318.15K, 333.15K로 각각 설정하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 대표적인 휘발성 유기화합물(VOCs)인 벤젠(Cas No. 71-43-2)을 흡착질로서 사용하였다. 벤젠은 독특한 냄새를 띠며 증기압이 높다는 특징을 가지고 있다.
따라서 정지흡착실험을 수행함에 있어서 이러한 물질의 흡착량(q)을 측정할 경우 기화시키는 부분이 필요하게 되며, 기화된 물질이 P-V-T 관계에서 일정한 상태를 유지하기 위한 저장 공간을 필요로 하게 된다. 본 연구에서는 정지흡착실험의 수행을 위해 Figure 1의 저압 정지흡착 실험장치를 이용하였다. 실험장치의 구성은 크게 네 부분으로 나뉜다.
이론/모형
Eq. 1인 van der Waals식을 이용하여 보정한다. 계수는 CRC-Handbook data 이용하여 구한다.
성능/효과
(2) Langmuir isotherm을 적용할 때 온도가 증가할수록 b, Qmax 값은 감소하고 있으며, 실험결과 수입 상용활성탄 (DARCOA.C.)의 최대흡착량(q_=)이 가장 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
(3) 실온조건에 가까운 303.15K에서 하수슬러지의 최대 벤젠흡착량(q max)은 국내 상용활성탄의 최대 벤젠흡착량(qmax) 과 비교하여 단지 약간 작은 값을 가졌다. 경제성 면을 고려 해 볼 때 하수슬러지 활성탄은 상용화될 수 있으므로 제조공정 개선과 제조기술 보완 등을 통해 향후 하수슬러지의 자원화 가능성을 예측해 볼 수 있다.
하여 측정하였다. 국내 상용활성탄 (a) SGP-100 A.C.은거 대세공(macropore)이 규칙적으로 발달되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 수입 상용활성탄 (b) DARCO A.
각각의 식으로 벤젠의 흡착량(q)을 fitting한 결과 Langmuir isotherm과 Toth isotherm으로 fitting한 등온흡착곡선이 큰 오차 없이 잘 맞는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 어느 식을시'용하여도 무방하나 Toth isotherm보다 parameter가 적고 간편한 형태의 식인 Langmuir isotherm이 더 적합할 것으로 생각된다.
의 벤젠흡착량(q)은 하수슬러지 활성탄보다 월등히 우수함을 보여준다. 그러나 하수슬러지 활성탄의 최대 벤젠흡착량(qmax)은 303.15 K에서 3.8174 gmol/kg으로 국산 상용활성탄(SGP-100)의 최대 벤젠흡착량 (qm=)인 3.9086 gmol/kg과 비교 시 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 폐기물인 하수슬러지로부터 만들 경우 원료비가 안 들므로 국산 상용활성탄에 비해 경제성 면에서 우위에 있다고 판단된다.
없이 잘 맞는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 어느 식을시'용하여도 무방하나 Toth isotherm보다 parameter가 적고 간편한 형태의 식인 Langmuir isotherm이 더 적합할 것으로 생각된다. Freundlich isotherme 저압영역에서 Henry 법칙을 만족하지 않고, 압력이 증가함에 따라 흡착량(q)이 무한대로 증가하기 때문에 미세세공을 가지는 흡착제의 흡착등온선에는 적합하지 않는 것으로 사료된다.
에 비해 클 것이라 예상된다. 반면, (c) 하수슬러지 활성탄의 경우에는 세공 발달이 상용활성탄(DARCO AC, SGP-100)에 비해 우수하지 않았으며, 세공 형태 또한 매우 불규칙함을 확인할 수 있었다.
반면 하수슬러지 활성탄의 경우 세공 발달이 불규칙하고, 국내.외 상용활성탄에 비해 세공 발달이 우수하지 못한 것을 확인할 수 있었다.
(1) SEM image 관찰 결과 국내.외 상용활성탄은 거대세공이 규칙적으로 발달하였음을 확인할 수 있고, 수입 상용 활성탄의 경우에는 거대세공 내부에 또 다른 세공들이 발달되어 있어 중간세공과 미세세공의 발달 가능성을 확인할 수 있었다. 반면 하수슬러지 활성탄의 경우 세공 발달이 불규칙하고, 국내.
후속연구
15K에서 하수슬러지의 최대 벤젠흡착량(q max)은 국내 상용활성탄의 최대 벤젠흡착량(qmax) 과 비교하여 단지 약간 작은 값을 가졌다. 경제성 면을 고려 해 볼 때 하수슬러지 활성탄은 상용화될 수 있으므로 제조공정 개선과 제조기술 보완 등을 통해 향후 하수슬러지의 자원화 가능성을 예측해 볼 수 있다.
참고문헌 (13)
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