고정층 반응기에서 비산재로부터 합성한 제올라이트와 4종류의 활성탄을 사용하여 질소 기류에서 아세톤, 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠 증기의 파과곡선을 측정하였다. 흡착실험은 101.3 kPa, $40^{\circ}C$에서 혼합 가스의 유량 $70cm^3/min$, 흡착제의 공급량 5 g, 그리고 VOCs 증기의 농도는 포화조의 온도를 $30^{\circ}C$로 하여 행하였다. 실험으로부터 얻은 파과곡선의 비선형해석으로부터 VOCs의 흡착과 흡착제의 비활성화를 동시에 고려한 비활성모델의 흡착속도상수와 비활성속도상수를 구하여 문헌의 다른 흡착등온모델과 비교하였다. 검토한 모델 중 비활성모델이 실험결과와 가장 일치하였고 다음으로 Freundlich, DRK 모델 순으로 높은 상관관계를 나타내었다. 또한 파과곡선으로부터 구한 흡착제의 흡착용량은 VOC의 끓는점이 증가할수록 감소하였으며, 증기압이 증가할수록 증가하였다.
고정층 반응기에서 비산재로부터 합성한 제올라이트와 4종류의 활성탄을 사용하여 질소 기류에서 아세톤, 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠 증기의 파과곡선을 측정하였다. 흡착실험은 101.3 kPa, $40^{\circ}C$에서 혼합 가스의 유량 $70cm^3/min$, 흡착제의 공급량 5 g, 그리고 VOCs 증기의 농도는 포화조의 온도를 $30^{\circ}C$로 하여 행하였다. 실험으로부터 얻은 파과곡선의 비선형해석으로부터 VOCs의 흡착과 흡착제의 비활성화를 동시에 고려한 비활성모델의 흡착속도상수와 비활성속도상수를 구하여 문헌의 다른 흡착등온모델과 비교하였다. 검토한 모델 중 비활성모델이 실험결과와 가장 일치하였고 다음으로 Freundlich, DRK 모델 순으로 높은 상관관계를 나타내었다. 또한 파과곡선으로부터 구한 흡착제의 흡착용량은 VOC의 끓는점이 증가할수록 감소하였으며, 증기압이 증가할수록 증가하였다.
VOCs such as acetone, benzene, toluene, ethylbenzene were adsorbed in a fixed-bed adsorber using zeolite synthesized from coal fly ash and 4 kinds of activated carbon at 101.3 kPa. The adsorber was operated batchwise with the charge of 5 g adsorbent to obtain the breakthrough curve of VOCs. Experime...
VOCs such as acetone, benzene, toluene, ethylbenzene were adsorbed in a fixed-bed adsorber using zeolite synthesized from coal fly ash and 4 kinds of activated carbon at 101.3 kPa. The adsorber was operated batchwise with the charge of 5 g adsorbent to obtain the breakthrough curve of VOCs. Experiments were carried out at $40^{\circ}C$, nitrogen flow rate of $70cm^3/min$ and sparger temperature of $30^{\circ}C$. The deactivation model was tested for these curves by combining the adsorption of VOCs and the deactivation of adsorbent particles. The observed values of the adsorption rate constant and the deactivation rate constant were evaluated through analysis of the experimental breakthrough data using a nonlinear least square technique. The experimental breakthrough data were fitted very well to the deactivation model than the adsorption isotherm models in the literature. Also, adsorption capacities of adsorbents were obtained from the breakthrough curve to observe the correlation between adsorption capacity and the physical properties of VOCs.
VOCs such as acetone, benzene, toluene, ethylbenzene were adsorbed in a fixed-bed adsorber using zeolite synthesized from coal fly ash and 4 kinds of activated carbon at 101.3 kPa. The adsorber was operated batchwise with the charge of 5 g adsorbent to obtain the breakthrough curve of VOCs. Experiments were carried out at $40^{\circ}C$, nitrogen flow rate of $70cm^3/min$ and sparger temperature of $30^{\circ}C$. The deactivation model was tested for these curves by combining the adsorption of VOCs and the deactivation of adsorbent particles. The observed values of the adsorption rate constant and the deactivation rate constant were evaluated through analysis of the experimental breakthrough data using a nonlinear least square technique. The experimental breakthrough data were fitted very well to the deactivation model than the adsorption isotherm models in the literature. Also, adsorption capacities of adsorbents were obtained from the breakthrough curve to observe the correlation between adsorption capacity and the physical properties of VOCs.
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문제 정의
해석하였다. 본 연구에서는 VOCs 증기의 흡착에 의한 흡착제의 흡착능 감소를 활성저하로 해석한 비활성 모델의 이론식으로 VOCs 증기의 파과곡선을 해석하였다.
본 연구에서는 석탄계 비산재로부터 합성한 제올라이트와 시판되는 4종류의 활성탄을 흡착제로 사용하여 고정층 흡착반응기에서 아세톤, 벤제, 톨루엔, 에틸벤제 증기의 흡착실험을 행하여 얻은 파과곡선을 비활성 모델 (deactivation model)로 해석하고 문헌의 흡착 등 온 식과 비교하였으며, 흡착제의 흡착용량에 영향을 미치는 인자에 대하여 고찰하고자 한다.
가설 설정
흡착제가 VOCs 증기를 흡착함에 따라 VOC 증기가 흡착제 표면에 접근하는데 확산 저항을 증가시켜 흡착제의 흡착속도가 감소한다고 가정하면 흡착이 진행함에 따라 흡착제인 고체의 기공 구조, 활성표면적, 활성도에 큰 변화를 초래한다. 이와 같은 모든 변화는 흡착제의 활성도를 감소시킨다.
제안 방법
비산재를 소성하여 전처리한 후 시약급 爲2。3를 첨가하여 Si/Al의 몰비를 1:1.5 로 조절하고, 이 시료와 Na2CO3을 1:1.2로 혼합하여 800 oC에서 1시간 동안 용융시킨 후 수용액 상태에서 교반 하면서 숙성 및 결정화 과정을 거쳐 제조하였다. 합성된 제올라이트는 바인더를 첨가하지 않고 압축하여 pellet로 제작하여 실험에 사용하였다.
[17]. 그러나 이들 등온식을 작성하는데 필요한 평형실험은 많은 시간이 요구되므로 본 연구에서 사용한 비활성 모델과 기존에 사 용하고 있는 흡착 등온모델을 다음과 같이 비교하여 파과곡선의 해석으로부터 흡착 등온식을 구하는 방법을 나타내었다.
내경 2 cm, 높이 30 cm의 파이 렉스로 제작한 충전층을 사용하여 반응기 온도 40 oC, 포화조 온도 30 oC, 혼합가스 유량 70 cm3/min, 흡착제 주입량 5g의 실험조건에서 석탄비산재로부터 합성한 제올라이트와 4종류의 활성탄에 대한 아세톤, 벤젠, 톨루엔 그리고 에틸벤젠 증기의 흡착실험을 행하여 파과곡선을 구하였다. 파과데이타를 비선형 최소자승법을 사용하여 비활성모델로 해석하고 흡착 속도상수와 비활성 속도상수를 구하고, 평형에서 고체상과 기체상에 존재하는 VOCs 의 농도를 구하여 흡착등온모델로서 해석하였으며, 검토한 모델 중 비활성모델에 가장 잘 일치하였고, 다음으로 Feundlich, DRK 모델 순으로 높은 상관관계를 나타내었다.
합성된 제올라이트는 바인더를 첨가하지 않고 압축하여 pellet로 제작하여 실험에 사용하였다. 제올라이트의 성분은 X선 형광분석장치(XRF : PHILIPS PW2400)를 이용하여 SiO2와 Al2O3을 포함한 성분비를 분석하였다. 합성과정을 도시화하여 Fig.
흡착장치는 온도조절기가 부착된 길이 30 cm, 내경 2 cm의 관형로 (tubular furnace) 내에 설치하였으며, 흡착층의 길이는 5~7 cm 범위이었다. 흡착 실험은 40 oC에서 행하여졌고, 반응기 외벽에 부착한 열선(heating coil) 과 흡착장치 내의 흡착제의 중간 부분에 각각 설치한 열전대를 사용하여 흡착온도를 조절하였으며, 흡착장치 내의 온도분포는 측정하지 않았다. 흡착탑의 유입가스는 비활성 기체, N2를 사용하여 포화 조에서 VOC 액체를 증발시켜 공급하였으며 혼합가스의 유량이 70 cm3/min(25 oC)이 되도록 N2 유량을 질량조절기 (mass flow controller)로 조절하였다.
흡착 실험은 40 oC에서 행하여졌고, 반응기 외벽에 부착한 열선(heating coil) 과 흡착장치 내의 흡착제의 중간 부분에 각각 설치한 열전대를 사용하여 흡착온도를 조절하였으며, 흡착장치 내의 온도분포는 측정하지 않았다. 흡착탑의 유입가스는 비활성 기체, N2를 사용하여 포화 조에서 VOC 액체를 증발시켜 공급하였으며 혼합가스의 유량이 70 cm3/min(25 oC)이 되도록 N2 유량을 질량조절기 (mass flow controller)로 조절하였다. 기체유량은 비누막유량계를 사용하여 측정하고, 혼합가스에서 VOC 증기 농도는 기체 크로마토그라프법 (gas chromatography: GC)을 사용하여 측정하고 6-way val.
포화조와 흡착장치, 흡착장치와 GC 사이의 연결관에 가열테이프를 부착하여 기화된 VOC 증기의 응축을 방지하였다. 본 실험에 사용한 GC는 일본 Shimadzu 회사제품 (GC 8A) 이며 검줄기 (detector)는 열전도도 (thermal conductivity) 검 줄기이며, 컬럼 (column)은 직경 1/8 inch, 길이 10 ft의 Haysep D를 사용하고, 분석조건은 주입온도와 검출기 온도, 190 oC, He 기체의 유량은 25.7 cm3/min이었다.
합성 제올라이트 (FAZ)는 석탄용 보일러 (H사)의 전기집진기에서 발생하는 비산재 를 사용하여 합성하였다. 비산재로부터 제올라이트합성은 비산재를 소성하여 전처리한 후 시약급 爲2。3를 첨가하여 Si/Al의 몰비를 1:1.
2로 혼합하여 800 oC에서 1시간 동안 용융시킨 후 수용액 상태에서 교반 하면서 숙성 및 결정화 과정을 거쳐 제조하였다. 합성된 제올라이트는 바인더를 첨가하지 않고 압축하여 pellet로 제작하여 실험에 사용하였다. 제올라이트의 성분은 X선 형광분석장치(XRF : PHILIPS PW2400)를 이용하여 SiO2와 Al2O3을 포함한 성분비를 분석하였다.
데이터처리
흐름 시간(stream time)이 경과함에 따라 흡착장치 출구에서 VOC 증기 농도와 유량을 측정하여 VOC 증기의 파과곡선 실험값을 구하는데 사용한다. 매 실험조건마다 3회 반복하여 실험하였으며, 각 모델에서 구한 흡착속도론 값은 반복실험으로 얻어진 값을 평균하였다. 측정방법은 Park 등 [15] 과 동일하다.
이론/모형
흡착탑의 유입가스는 비활성 기체, N2를 사용하여 포화 조에서 VOC 액체를 증발시켜 공급하였으며 혼합가스의 유량이 70 cm3/min(25 oC)이 되도록 N2 유량을 질량조절기 (mass flow controller)로 조절하였다. 기체유량은 비누막유량계를 사용하여 측정하고, 혼합가스에서 VOC 증기 농도는 기체 크로마토그라프법 (gas chromatography: GC)을 사용하여 측정하고 6-way val.,e를 사용하여 온라인으로 조작하였다.
FAZ와 4종류의 시판 활성탄의 물성을 Table 2에 나타내었다. 입자의 크기(弓)는 체 분석법 (sieve analysis), 총괄밀도 (pB)는 ethanol 액체를 이용한 비중병, 고정층에서 입자간 기공률(与遍)은 매스 실린더를 사용하여 측정하였으며, 비표면적, 기공부피, 평균기 공직경 등은 BET법 (Micromeritics; ASAP 2000)으로 측정하였다.
흡착제의 성능을 평가하는 방법은 흡착제의 흡착 평형 실험 결과로부터 Langmuir, Freundlich, Dubinin-Radushkevich, BET 모델 등에 의한 흡착 등온식 [11] 을 제시하여 흡착제의 흡착용량과 파과시간을예측하는데 사용한다. 그러나 흡착제의 특징 (표면적, 기공크기)과 피 흡착 질의 종류, 흡착제와 피흡착질의 상호작용 등이 복잡하여 피 흡착 질의 농도에 대한 흡착량의 관계를 예측하기 위하여 많은 수학적 모형으로 흡착등온선을 묘사하였으나 흡착등온선의 평형 실험에 많은 시간이 소요되고 적절한 수학적 모형을 선정하기가 쉽지 않아 보다 간단하고 편리하게 흡착공정의 파과곡선을 예측할 수 있는 등온식의 개발이 요구된다.
성능/효과
이는 석탄비산재로부터 합성한 제올라이트가 제올라이트 4A형으로서 아세톤을 비롯한 실험에 사용한 VOC 에 특별한 친화력을 나타내는 것으로 생각된다. VOC가 흡착제 표면에 흡착됨에 따라 흡착제의 기공구조, 활성 표면적, 활성도에 큰 변화를 초래하며 이와 같은 모든 변화는 흡착제의활성도를 감소시키므로 흡착제의 활성도 감소속도상수인 kd 값은 동일한 VOC 에 대하여 흡착제 종류에 따라 ko만큼 큰 편차를 보이지 않았으며, 아세톤의 kd 값은 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠에 비하여 10 배 정도 높은 값을 나타내었다. 아세톤과 벤젠에서 흡착제 종류에 따른 ko, kd 값의 상대적인 크기를 비교하여 각각 Fig.
파과데이타를 비선형 최소자승법을 사용하여 비활성모델로 해석하고 흡착 속도상수와 비활성 속도상수를 구하고, 평형에서 고체상과 기체상에 존재하는 VOCs 의 농도를 구하여 흡착등온모델로서 해석하였으며, 검토한 모델 중 비활성모델에 가장 잘 일치하였고, 다음으로 Feundlich, DRK 모델 순으로 높은 상관관계를 나타내었다. 파과곡선으로부터구한 흡착제의 흡착용량은 VOC 의 끓는점이 증가할수록 감소하였으며, 증기압이 증가할수록 증가하였다.
파과데이타를 비선형 최소자승법을 사용하여 비활성모델로 해석하고 흡착 속도상수와 비활성 속도상수를 구하고, 평형에서 고체상과 기체상에 존재하는 VOCs 의 농도를 구하여 흡착등온모델로서 해석하였으며, 검토한 모델 중 비활성모델에 가장 잘 일치하였고, 다음으로 Feundlich, DRK 모델 순으로 높은 상관관계를 나타내었다. 파과곡선으로부터구한 흡착제의 흡착용량은 VOC 의 끓는점이 증가할수록 감소하였으며, 증기압이 증가할수록 증가하였다.
,e를 사용하여 온라인으로 조작하였다. 포화조와 흡착장치, 흡착장치와 GC 사이의 연결관에 가열테이프를 부착하여 기화된 VOC 증기의 응축을 방지하였다. 본 실험에 사용한 GC는 일본 Shimadzu 회사제품 (GC 8A) 이며 검줄기 (detector)는 열전도도 (thermal conductivity) 검 줄기이며, 컬럼 (column)은 직경 1/8 inch, 길이 10 ft의 Haysep D를 사용하고, 분석조건은 주입온도와 검출기 온도, 190 oC, He 기체의 유량은 25.
998로서 잘 일치하였다. 흡착등온 모델에서 비활성모델 다음으로 Freundlich, DRK 순으로 높은 상관관계를 나타내었다. 이와 같은 결과는 본 연구에서 사용한 흡착제에 VOCs가 흡착하는 현상은 흡착제 표면의 단층보다는 다층으로 흡착하는 것으로 판단되며, 동일한 실험조건에서 활성탄에 흡착한 톨루엔 증기의 흡착결과 [13] 와 동일하였다.
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