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문제 정의
- 본 연구에서는 기존에 주로 사용되었던 활성탄을 대신할 수 있는 활성탄소섬유를 이용하여 대표적 휘발성유기화합물질인 톨루엔과 MEK (Methyl Ethyl Ketone)의 흡·탈착 특성, 그리고 다양한 공정조건에 대한 영향도 조사하였다.
제안 방법
- 각각 중국 및 일본에서 제조된 ACFC1, ACFC2, ACFJ 흡착제를 사용하여 흡착층에 각각 0.03g을 충전한 후 톨루엔에 대한 흡착특성을 조사하였다. 이때 실험조건은 흡착층 온도 25℃, 유속 500cc/min, 수분함량 0%이었으며 주입된 톨루엔의 농도는 100ppm 이었다.
- 기존에 주로 사용되었던 활성탄을 대신할 수 있는 활성탄소섬유를 이용하여 대표적 휘발성유기화합물질인 톨루엔과 MEK의 흡·탈착 특성을 연구하였다.
- 유리재질의 흡착실험용 반응기는 직경 10mm, 길이 450mm이며, 반응기 중간에 glass fritz를 두어 충전된 흡착제를 고정할 수 있게 하였다. 반응기 주위로 흡착 실험시 흡착층의 온도 유지와 탈착 실험시 흡착층 가열을 위해 IR 히터를 장착하였으며, 흡착층 하부에 K형 열전대을 장착하여 IR 히터를 조절하였다.
- 본 실험에서는 흡착층 조업온도에 따른 흡착량의 변화를 조사하기 위해 ACFC1 흡착제를 이용하여 흡착층의 온도를 각각 25℃, 35℃, 45℃로 변화시키면서 톨루엔과 MEK에 대한 흡착특성을 그림 5에 나타내었다.
- 분석부에서는 4방 밸브를 사용하여 휘발성 유기화합물의 흡착전과 후의 농도를 on-line으로 측정할 수 있도록 구성하였으며 분석은 GC(gas chromatography), FID(Flame Ionization Detector)을 사용하여 분석하였다.
- 실험 장치는 크게 유량조절부, 증기발생부, 흡착제 충진층, 분석부로 구성되어 있다. 실험장치 시스템은 전체적으로 1/4 inch 테프론 재질의 튜브를 이용하여 주요 장치들을 연결하였다. 유량조절부에서는 휘발성 유기화합물 제조에 사용된 공기를 일정한 유량으로 주입할 수 있도록 MFC(Mass Flow Controller)를 사용하였다.
- 유량조절부에서는 휘발성 유기화합물 제조에 사용된 공기를 일정한 유량으로 주입할 수 있도록 MFC(Mass Flow Controller)를 사용하였다. 증기발생부에서는 MFC로 조절된 공기를 톨루엔 또는 MEK가 담긴 용기에 주입하여 다양한 농도의 휘발성 유기화합물이 제조되도록 하였으며 또한 농도의 교란을 최소화하기 위해 mixing chamber를 두었다. 유리재질의 흡착실험용 반응기는 직경 10mm, 길이 450mm이며, 반응기 중간에 glass fritz를 두어 충전된 흡착제를 고정할 수 있게 하였다.
- 탈착실험은 흡착제가 휘발성 유기화합물에 의해 충분히 포화된 이후에 실시되었으며, IR히터를 이용하여 탈착실험에 있어 중요한 운전조건인 신속한 온도상승이 이루어지도록 하였다.
- 휘발성 유기화합물의 농도측정 곡선으로부터 흡착된 양을 Simpson rule을 이용하여 계산하였으며, 흡착이 완료된 후 AFC의 무게를 측정하여 계산 값과 실제 측정값을 비교하였다.
- 흡착온도에 도달하면 3방 밸브를 사용하여 일정농도의 휘발성 유기화합물이 흡착반응기에 유입되도록 하였다. 흡착반응기에서 배출되는 휘발성 유기화합물의 농도는 연속적으로 실시간 측정하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용한 실험장치의 개략도는 그림 1과 같다. 실험 장치는 크게 유량조절부, 증기발생부, 흡착제 충진층, 분석부로 구성되어 있다. 실험장치 시스템은 전체적으로 1/4 inch 테프론 재질의 튜브를 이용하여 주요 장치들을 연결하였다.
성능/효과
- 그림 3은 활성탄소섬유와 활성탄의 흡착특성을 상호비교한 그림이다. 그 결과 breakthrough curve가 ACFC1 보다 활성탄이 빠른 배출 특성을 보였으며, 안정화가 되기까지 많은 시간이 소요되는 것을 볼 수 있다. 이러한 이유는 활성탄은 mesopore나 macropore가 micropore와 같이 공존하고 있기 때문이며 이들이 차지하는 pore volume의 분율이 커지고 이로 인하여 흡착물의 모세관응축현상이나 확산이동이 흡착시간을 증가시키기 때문이다[8].
- 그 결과 활성탄소섬유의 경우 표면적이 높을수록 파과시간이 증가하였으며, ACFJ의 경우 활성탄에 비하여 약 1.15배 높은 흡착량을 보였다. VOC종류별 흡착특성의 경우에는 흡착물질의 분자량이 높을수록 파과시간이 증가하여 보다 높은 흡착량을 나타내었다.
- 또한 흡착층의 온도가 증가함에 따라 파과시간 및 흡착량은 감소하였다. 그리고 활성탄과 활성탄소섬유의 탈착성능은 약 99% 탈착되기까지 활성탄은 20분 활성탄소섬유는 5분으로 활성탄소섬유가 약 4배 빠르게 탈착됨을 알 수 있었다.
- VOC종류별 흡착특성의 경우에는 흡착물질의 분자량이 높을수록 파과시간이 증가하여 보다 높은 흡착량을 나타내었다. 또한 흡착층의 온도가 증가함에 따라 파과시간 및 흡착량은 감소하였다. 그리고 활성탄과 활성탄소섬유의 탈착성능은 약 99% 탈착되기까지 활성탄은 20분 활성탄소섬유는 5분으로 활성탄소섬유가 약 4배 빠르게 탈착됨을 알 수 있었다.
- 이러한 현상은 비표면적이 증가하면서 흡착이 이루어지는 MTZ의 길이가 증가하기 때문이며 이러한 MTZ의 길이의 증가는 ACFJ 의 기공 입구에서부터 시작된 높은 흡착비율 때문이다. 톨루엔이 화학적으로 안정한 점을 고려하면 비표면적이 가장 큰 ACFJ가 가장 느린 파과시간을 보여주고 있고, 비표면적이 가장 적은 ACFC2가 가장 빠른 파과시간을 나타냈다. 이러한 결과는 이승재 등의 연구에서도 본 연구와 유사한 결과를 보이고 있다[5].
- 그림 2는 활성탄소섬유의 종류에 따른 흡착진행과정을 나타낸 그림이다. 표 1에서 제시된 각 활성탄소섬유의 비표면적을 고려하면 흡착제의 표면적 증가에 따라 파과시간이 길어지는 것을 확인할 수 있다. 이러한 현상은 비표면적이 증가하면서 흡착이 이루어지는 MTZ의 길이가 증가하기 때문이며 이러한 MTZ의 길이의 증가는 ACFJ 의 기공 입구에서부터 시작된 높은 흡착비율 때문이다.
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