[논문]도장공정에서 수거한 폐활성탄에 흡착된 VOCs의 탈착특성 연구

김주연; 윤성민; 박근익; 윤수경; 길인섭; 박희재; 이영우

도장공정에서 수거한 폐활성탄에 흡착된 VOCs의 탈착특성 연구
Investigation on Desorption Characteristics of VOCs Adsorbed on used Activated Carbons Collected from Painting Process 원문보기

시화/반월 산단 내에서 활성탄 흡착탑을 사용하는 업종 중 도장 공정을 사용하는 대표적인 업체에서 수거한 폐활성탄의 탈착특성을 조사하였다. 탈착특성을 조사하기 위하여 열중량분석기(Thermogravimetric Analyzer)를 사용하였다. 탈착특성 자료를 바탕으로 탈착 특성비교에 중요한 요소인 반응차수와 활성화에너지를 구하기 위하여 Friedman법과 Freeman-carroll법을 사용하였다. 도장 공정에서 수거한 폐활성탄으로 Friedman법을 이용하여 활성화에너지를 계산한 결과 20.6~43.2 kJ/mol을 나타내었으며, Freeman-Carroll법을 이용하여 활성화에너지와 반응 차수를 계산한 결과 활성화에너지는 12.3~26.5 kJ/mol, 반응 차수는 0.1~1.7을 나타내었다.

Desorption reaction characteristics of the used activated carbons collected from painting process in Shiwha/Banwal industrial complex were investigated. Thermogravimetric analyzer was used to investigate the desorption characteristics. Activation energies and reaction orders for desorption reaction characteristics of used activated carbons were estimated by employing Friedman method and Freeman-Carroll method. In the used activated carbons collected from painting process, it was found that the activation energies were 20.6~43.2 kJ/mol in Friedman method and 12.3~26.5 kJ/mol in Freeman-carroll method, and reaction orders were 0.1~1.7.

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가설 설정

따라서 Friedman 법을 이용하여 최종온도 이전의 전환율에 대한 활성화에너지를 구하였다. n=1 로 가정하고 Fig. 3에 나타난 A사의 승온속도에 따른 탈착 특성 데이터를 바탕으로 Friedman 법을 사용하여 ln(dX/dt)와 1/T의 관계를 Fig. 4에 도시하였다.

제안 방법

도장 공정의 종류로는 용액을 공기와 혼합하여 뿌리는 방식으로도장하는 액체도장과 용액에 전류를 흐르게 하여 전기분해, 전기영동 등을 일으켜 도장하는 방식인 전착도장 등이 있는데 기타 기계 및 장비제조업종과 전동기, 발전기 및 전기변환 장치 제조업 전기공급 및 전기제어 장치 제조업종에서는 액체 도장만 사용하나 금속 열처리, 도금 및 기타 처리업종은 액체 도장과 전착도장을 모두 사용하므로 금속 열처리, 도금 및 기타 처리 업종은 도장 방식에 따라 업종을 둘로 나누어 실험을 실시하였다.
또한 각 업종에서 사용하는 활성탄의 구조와 특성을 파악하기 위하여 BET 분석을 시행하였다. Table 3은 12개 업체에서 수거한 폐활성탄의 형태와 BET 비 표면적 (m2/g), 세공부피 (cm³/g), 평균세공 크기 (A) 를 분석한 자료이다.
180분 동안 실험하였다. 또한, 승온속도의 변화에 따른 탈착 특성을 알아보기 위해 5, 20 oC/min의 승온속도에 대한 실험도 수행하였다.
본 연구에서는 18개 업종 중 도장 공정을 사용하는 금속 열처리, 도금 및 기타 처리업종, 기타 기계 및 장비제조업종, 전동기, 발전기 및 전기변환 장치 제조업 전기 공급 전기제어 장치장치 제조업종에서 각 업종별로 3개 업체씩 총 12개 업체에서 수거한 폐활성탄에 대해 실험을 실시하였다.
평균 70~80 mg의 폐활성탄을 이용하여 분당 50 ml의 질소를 흘려주면서 10 oC/min의 승온속도로 513 K까지 승온시킨 후, 513K의 등온상태에서 180분 동안 실험하였다. 또한, 승온속도의 변화에 따른 탈착 특성을 알아보기 위해 5, 20 oC/min의 승온속도에 대한 실험도 수행하였다.

대상 데이터

이들 업체 중 활성탄 흡착탑 사용이 많은 업종을 분류하여 총 18 개 업종에서 각각 3개 업체를 임의로 선정하여 54개 업체에서 폐활성탄을 수거하였다.

이론/모형

그러나, Friedman법은 비등온상태에서 활성화 에너지를 구하는 방법이기 때문에 실험에서 온도가 최종온도 513 K에 도달한 후 발생하는 반응에 대해서는 활성화 에너지를 구하기 어렵다. 따라서 Friedman 법을 이용하여 최종온도 이전의 전환율에 대한 활성화에너지를 구하였다. n=1 로 가정하고 Fig.
본 연구에서는 효율적인 VOCs 처리 및 흡착 방법 수립을 위한 기초 연구의 일환으로 2008년도에 실시된 시화/반월산단의 전수조사를 바탕으로 국내 VOCs 배출량이 가장 많은 도장 공정을 사용흐} 는 업체에서 수거한 폐활성탄에 흡착된 VOCs의 탈착특성을 분석하였으며 이를 바탕으로 전환율에 따른 활성화에너지를 알아보기 위해 Friedman법을, 전체 반응의 활성화 에너지와 반응차수를 알아보기 위해 Freeman-Carroll 법을 사용하여 탈착 특성을 분석하였다[2-6].
활성탄의 탈착 특성을 알아보기 위해 TA instruments사의 TGA- 2050을 사용하였다.

성능/효과

Friedman 법을 이용하여 탈착 반응의 활성화 에너지를 계산한 결과 20.6~43.2 kJ/m 이을 나타내었으며, Freeman-Carroll법을 이용하여 활성화 에너지와 반응차수를 계산한 결과 활성화에 너지는 12.3~26.5 kJ/mol, 반응차수는 0.1~1.7을 나타내었다.
5에서 보는 바와 같이 △ln(dX/dt)/A(1/T)과 △ln(1-X)/A(1/T)의 관계에서 직선성을 찾을 수 있었다. 따라서 본 연구에 적용한 Freeman- Carroll법의 적용 타당성을 확인할 수 있었다.
Table 4에서 보는 바와 같이 같은 업종이라도 도장공정의 종류에 따라 평균 탈착량이 8~12%로 차이를 보인다는 것을 알 수 있었으며, 같은 액체 공정이라고 하더라도 업체별 탈착량이 7~20%로 많은 차이를 보인다는 것을 알 수 있었다. 또한 동일업종이라고 할지라도 업체별로 폐활성탄에 흡착된 VOCs의 탈착량이 적게는 6% 에서 많게는 13%로 다르게 나타났다. Table과 4를 비교해보면 동일 업종에서 야자 각 (Coconut shell)보다 조립성형탄(pellet)을 썼을 때 탈착이 더 많이 일어났으며, 같은 활성탄을 사용했을 경우에는 활성탄 표면적이 높은 업체의 활성탄에서 더 많은 탈착이 일어나는 것으로 보아 동일 업종에서 보이는 탈착량의 차이는 활성탄의 성능에 의존한다고 판단된다.
나타낸 것이다. 배출원별 VOCs 배출 비율은 도장 산업 52.5%, 자동차 운행 29.1%, 도료 제조 5.0%, 주유소 4.3%, 도로포장 3.4%, 인쇄 3.1%, 세탁시설 2.9%로 나타났다 [1].
폐활성탄의 탈착 특성은 동일 업종이라고 하더라도 업체별로 차이를 보였으며 평균 탈착량은 8~12% 정도였다. 또한 같은 업종이라도 도장공정의 종류에 따라 평균 탈착량이 12%와 8%로 차이를 보였으며, 도장 공정이 같더라도 업체별 탈착량이 7~20%로 많은 차이를 나타냈다.
Table 3은 12개 업체에서 수거한 폐활성탄의 형태와 BET 비 표면적 (m2/g), 세공부피 (cm³/g), 평균세공 크기 (A) 를 분석한 자료이다. 활성탄은 야자각으로 만들어진 조립 성형탄과 갈탄 두 종류가 사용되었으며 업체별로 비표면적 4.1~953 m2/g, 세공부피 0.01~0.50 cm³/g, 세공 크기 0.2~0.4 A로 나타났다.

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