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문제 정의
- 본 연구는 VOCs 회수용 장치에서 흡착탑에 흡착된 acetone과 toluene의 효과적인 탈착을 위한 탈착특성을 고찰한 것이다. 내부의 기공구조가 다른 6종류의 활성탄을 acetone과 toluene 증기로 흡착시킨 후 탈착시키며 활성탄의 기공구조, 탈착온도, 탈착공기의 유량 변화에 따른 탈착특성을 비교 고찰하였다.
제안 방법
- 7에 비교하여 나타내었다. 87℃보다 80℃의 결과가 150℃의 toluene 탈착결과와 더 비슷한 조건으로 판단되어 온도 80℃, 0.1 L/min의 조건으로 각 활성탄의 acetone 탈착결과를 비교하였다.
- 탈착량은 digital balance를 이용하여 탈착 전후 시료의 무게를 측정하여 계산하였다. Acetone 및 toluene으로 포화된 활성탄의 초기 무게를 측정하고, 탈착실험 시작 후 일정 시간이 경과 할 때마다 무게를 측정하여 그 무게 감소로 탈착량을 계산했다.
- BET 측정기를 사용하여 측정한 6종류 활성탄의 비표면적(SBET), 누적기공부피(VBJH), 총기공부피(VT), 그리고 평균기공크기(Dp)의 기공구조를 활성탄 종류별로 Table 1에 나타내었다.
- BJH 방법으로 측정한 누적세공부피(VBJH)를 세공직경 10 Å 이하, 11∼20 Å, 21∼30 Å, 31∼500 Å, 그리고 500 Å 이상으로 세공부피를 세분하여 Fig. 2에 나타내었고, 활성탄의 전체표면적 중 external surface와 micro surface가 차지하는 비율은 Fig. 3에 각각 비교하여 나타내었다.
- 따라서 toluene 탈착온도는 150℃를 적합한 온도로 고려할 경우, 이 온도에서 toluene의 증기압은 2,100 mmHg이고 이 증기압은 87℃에서의 acetone의 증기압과 같은 값이다. 그리하여 acetone의 증기압이 2,100 mmHg인 87℃ 및 80℃에서 CNO 활성탄으로 acetone의 탈착 실험을 행하여 동일한 증기압을 갖는 150℃에서 행한 toluene 탈착실험 결과를 Fig. 7에 비교하여 나타내었다. 87℃보다 80℃의 결과가 150℃의 toluene 탈착결과와 더 비슷한 조건으로 판단되어 온도 80℃, 0.
- 기공구조가 다른 6종류의 활성탄에 대해 흡착방법에 따른 acetone 증기와 toluene 증기의 포화흡착량 차이를 고찰하기 위해 연속식과 회분식 흡착방법으로 흡착시켜 측정한 포화흡착량을 비교하였다. 연속식은 흡착온도 25℃에서 증기의 유입농도를 5,000 ppmv로 조절하고 증기의 유속을 0.
- 본 연구는 VOCs 회수용 장치에서 흡착탑에 흡착된 acetone과 toluene의 효과적인 탈착을 위한 탈착특성을 고찰한 것이다. 내부의 기공구조가 다른 6종류의 활성탄을 acetone과 toluene 증기로 흡착시킨 후 탈착시키며 활성탄의 기공구조, 탈착온도, 탈착공기의 유량 변화에 따른 탈착특성을 비교 고찰하였다.
- 기공구조가 다른 6종류의 활성탄에 대해 흡착방법에 따른 acetone 증기와 toluene 증기의 포화흡착량 차이를 고찰하기 위해 연속식과 회분식 흡착방법으로 흡착시켜 측정한 포화흡착량을 비교하였다. 연속식은 흡착온도 25℃에서 증기의 유입농도를 5,000 ppmv로 조절하고 증기의 유속을 0.5 L/min로 설정하여 파과 실험을 수행하여 포화흡착량을 계산하였다.
- 탈착관에 유입된 공기는 탈착관내의 시료를 통과하며 흡착질을 탈착하여 외부로 배출되었으며, 탈착관 내의 온도는 전기로로 일정하게 조절하였다. 탈착량은 digital balance를 이용하여 탈착 전후 시료의 무게를 측정하여 계산하였다. Acetone 및 toluene으로 포화된 활성탄의 초기 무게를 측정하고, 탈착실험 시작 후 일정 시간이 경과 할 때마다 무게를 측정하여 그 무게 감소로 탈착량을 계산했다.
- 탈착용 시료는 acetone 증기와 toluene 증기를 활성탄에 포화흡착시켜 사용하였으며, 회분식(batch method)과 연속식(dynamic method)으로 포화시킨 후 포화방법에 따른 포화흡착량의 차이를 비교하였다. 회분식 흡착은 활성탄 5 g을 스텐 그물망 속에 넣고 acetone 증기 및 toluene 증기로 각각 포화된 밀폐된 유리용기 속에서 활성탄의 무게 변화가 없을 때까지 방치하며 충분히 포화흡착시켰고, 연속식 흡착은 전보(Lee 등, 2005a)에서 사용한 연속식 흡착장치를 사용한 방법으로 포화 흡착시켜으며 이것을 탈착용 시료로 사용하였다.
대상 데이터
- 6종류의 활성탄은 미국의 Calgon, 미국의 Norit, 일본의 Takeda, 미국의 Westvaco, 그리고 독일 Donau Carbon에서 입수한 활성탄이며, 입자크기는 0.86∼1.4 mm로 일정하게 조절하여 사용 전에 충분히 건조시켜 활성탄 내부에 있을 수 있는 분술물을 제거하여 사용하였다.
- 흡착질은 VOCs 물질 중 대표적인 용매인 acetone과 toluene을 사용하였다. Acetone은 Fischer Scientific의 순도 99.9%를 사용하였고, toluene은 Junsei의 순도 99.9%를 사용하였다.
- 흡착제는 6종류의 상업화된 성형 활성탄을 사용하였다. 6종류의 활성탄은 미국의 Calgon, 미국의 Norit, 일본의 Takeda, 미국의 Westvaco, 그리고 독일 Donau Carbon에서 입수한 활성탄이며, 입자크기는 0.
- 이 6종류의 활성탄은 Table 1과 같이 각각 CCA, CCG, CNO, CTA, CWE, 그리고 CGE로 명명하였다. 흡착질은 VOCs 물질 중 대표적인 용매인 acetone과 toluene을 사용하였다. Acetone은 Fischer Scientific의 순도 99.
이론/모형
- 활성탄의 비표면적(SBET, specific surface area), 누적기공부피(VBJH, cumulative pore volume), 그리고 총기공부피(VT, total pore volume)는 BET 비표면측정기(Micromeritics, ASAP-2010)를 이용하여 측정하였다. BET 측정 전 시료는 온도 250℃에서 완전히 탈기시킨 후 사용하였으며, 총기공부피는 포화압력에서 흡착된 총 질소의 부피로부터 계산하였고, 누적세공부피는 BJH(Barrett, Joyner and Halendar) method로 계산하였으며, 전체표면적 중 external surface와 micro surface가 차지하는 비율은 t-Plot 방법으로 계산하였다(Micromeritics, 1997).
- 3. Comparison of external surface areas and micro areas of various activated carbons calculated by t-plot method.
- 활성탄의 비표면적(SBET, specific surface area), 누적기공부피(VBJH, cumulative pore volume), 그리고 총기공부피(VT, total pore volume)는 BET 비표면측정기(Micromeritics, ASAP-2010)를 이용하여 측정하였다. BET 측정 전 시료는 온도 250℃에서 완전히 탈기시킨 후 사용하였으며, 총기공부피는 포화압력에서 흡착된 총 질소의 부피로부터 계산하였고, 누적세공부피는 BJH(Barrett, Joyner and Halendar) method로 계산하였으며, 전체표면적 중 external surface와 micro surface가 차지하는 비율은 t-Plot 방법으로 계산하였다(Micromeritics, 1997).
성능/효과
- 특히 CWE 활성탄은 세공직경 30∼500 Å 범위의 부피가 가장 많이 발달해 있었다. 그리고 CWE와 CGE 흡착제는 전체면적에서 external surface area가 비교적 많이 발달해 있었으며, 나머지 흡착제들은 micro area가 많이 차지하고 있었다. External surface area가 큰 것은 중간이상의 세공이 많이 발달한 결과이다.
- 사용한 활성탄의 BET 비표면적(SBET)은 약 1,000∼1,340 m2/g 범위의 비표면적 값을 가지고 있었으며, CGE와 CTA 활성탄이 비교적 높은 비표면적 값을 가지고 있었고 CCA 활성탄이 비교적 낮은 비표면적 값을 가지고 있었다. 그리고 누적기공부피(VBJH)와 총기 공부피(VT)는 CWE와 CGE 활성탄이 비교적 높은 기 공부피 값을 가지고 있었고, CCA 활성탄이 가장 낮은 기공부피 값을 가지고 있었으며, 비교한 활성탄은 최대 2배의 기공부피 값 차이를 가지고 있었다. 이것은 CGE와 CWE 활성탄의 평균기공크기(Dp)가 각각 24.
- 5에 각각 나타내었다. 비교 결과 연속식 보다 회분식의 흡착량이 많았으며, 특히 중간 크기이상의 기공이 많은 흡착제인 CWE와 CGE 흡착제에서 흡착방법에 따른 포화 흡착량의 차이가 많았다. 그리고 흡착 경과시간에 따른 차이도 있는 것으로 나타났다.
- 3에 각각 비교하여 나타내었다. 비교한 활성탄 중에서 직경이 10 Å 이하의 세공을 CCG와 CTA 활성탄이 가장 많이 가지고 있었고, 10 Å 이상의 세공은 CWE와 CGE 활성탄에서 비교적 많이 발달한 것을 볼 수 있었다. 특히 CWE 활성탄은 세공직경 30∼500 Å 범위의 부피가 가장 많이 발달해 있었다.
- 사용한 활성탄의 BET 비표면적(SBET)은 약 1,000∼1,340 m2/g 범위의 비표면적 값을 가지고 있었으며, CGE와 CTA 활성탄이 비교적 높은 비표면적 값을 가지고 있었고 CCA 활성탄이 비교적 낮은 비표면적 값을 가지고 있었다.
- 6에 나타내었다. 온도 120℃에서 CNO 활성탄의 경우는 흡착된 toluene의 양이 20 wt%이하로는 탈착 되지 않았기 때문에 온도를 150℃로 상승시킨 결과 13 wt%까지 탈착되었으며, CCA활성탄은 온도 120℃에서 13 wt%이하로는 탈착되지 않아, 온도를 150℃ 로 상승시킨 결과 9 wt%까지 탈착시킬 수 있었다. 이것은 CNO활성탄이 CCA 활성탄에 비해 10 Å이하의 미세세공이 많아 이 좁은 세공들이 탈착에 저항으로 작용하여 탈착이 잘 되지 않는 것으로 판단되었다.
- 탈착능이 가장 좋은 것은 CWE 였고, 그 다음이 CGE, CCG 이었으며, CNO, CTA, 그리고 CCG 활성탄의 탈착능이 제일 떨어졌다. 이 결과는 toluene의 결과와 거의 일치한 결과였으며 세공크기별로 부피를 비교한 Fig. 2의 결과와 거의 일치함을 알 수 있었다. 내부에 상대적으로 큰 세 공들 많고 10 Å이하의 세공이 적은 흡착제의 탈착능이 우수하였다.
- 1 L/min, 활성탄 5 g의 실험조건으로 탈착시켜 비교한 결과이다. 탈착능이 가장 좋은 것은 CWE 였고, 그 다음이 CGE, CCG 이었으며, CNO, CTA, 그리고 CCG 활성탄의 탈착능이 제일 떨어졌다. 이 결과는 toluene의 결과와 거의 일치한 결과였으며 세공크기별로 부피를 비교한 Fig.
- 9와 같다. 탈착능이 가장 좋은 것이 CWE였고, 그 다음이 CGE, CCA 이었으며, CNO, CTA, 그리고 CCG 활성탄의 탈착능이 제일 떨어졌다. 탈착능이 좋은 흡착제는 흡착제 내부에 상대적으로 큰 세공들 많은 흡착제였고, 상대적으로 포화흡착량이 적은 흡착제의 탈착능이 컸다.
- 탈착능이 가장 좋은 것이 CWE였고, 그 다음이 CGE, CCA 이었으며, CNO, CTA, 그리고 CCG 활성탄의 탈착능이 제일 떨어졌다. 탈착능이 좋은 흡착제는 흡착제 내부에 상대적으로 큰 세공들 많은 흡착제였고, 상대적으로 포화흡착량이 적은 흡착제의 탈착능이 컸다. 특히 10Å 이하의 세공부피가 많이 발달한 활성탄의 탈착능이 상대적으로 작다는 것을 알 수 있었다.
- 특히 10Å 이하의 세공부피가 많이 발달한 활성탄의 탈착능이 상대적으로 작다는 것을 알 수 있었다. 탈착실험한 각 흡착제의 세공크기별 부피를 탈착능에 따라 비교한 Fig. 2의 결과에서도 10 Å 이상의 세공부피가 많이 발달한 흡착제의 탈착능이 큰 것을 확인 할 수있었다.
- 탈착능이 좋은 흡착제는 흡착제 내부에 상대적으로 큰 세공들 많은 흡착제였고, 상대적으로 포화흡착량이 적은 흡착제의 탈착능이 컸다. 특히 10Å 이하의 세공부피가 많이 발달한 활성탄의 탈착능이 상대적으로 작다는 것을 알 수 있었다. 탈착실험한 각 흡착제의 세공크기별 부피를 탈착능에 따라 비교한 Fig.
- 탈착능이 좋은 흡착제는 흡착제 내부에 상대적으로 큰 세공들 많은 흡착제였고, 상대적으로 포화흡착량이 적은 흡착제의 탈착능이 컸다. 특히 10Å 이하의 세공부피가 많이 발달한 활성탄의 탈착능이 상대적으로 작다는 것을 알 수 있었다. 탈착실험한 각 흡착제의 세공크기별 부피를 탈착능에 따라 비교한 Fig.
- 경과시간에 따른 acetone의 흡착량 차이는 매우 많았다. 특히 미세세공이 많이 발달하여 표면적이 큰 흡착제에서 흡착시간의 경과에 따른 흡착량 차이가 큰 것을 알 수 있었다. Acetone은 흡착방법에 따른 포화흡착량의 차이가 비교한 활성탄 전체에서 비교적 크게 나타났지만 toluene은 흡착방법에 따른 포화흡착량의 차이가 기공부피가 큰 CWE, CGE 활성탄을 제외하고는 크지 않았다.
- 흡착방법에 따른 비교에서 연속식 보다 회분식의 흡착량이 많았으며, 특히 중간 크기이상의 기공이 많은 흡착제인 CWE와 CGE 흡착제에서 흡착방법에 따른 포화흡착량의 차이가 많았다. 회분식에서는 중간 세공 이상의 큰 기공에 흡착질이 서서히 응축되며 나타난 결과로 사료되었다.
- 흡착제를 포화시키는데 걸리는 시간은 연속식이 5∼7시간, 회분식은 3일 이상으로 연속식 보다 회분식이 훨씬 길었으며, 회분식에서는 중간기공 이상의 큰 기공에 흡착질이 서서히 응축되며 나타난 결과로 사료되었다.
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