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문제 정의
- 본 연구에서는 터널 내에서 분진을 효율적으로 제거하기 위한 활성탄 전극을 개발하기위하여 기초실험으로 알루미늄판에 활성탄을 부착하기 위한 적정 결합재 선정, 결합제와 활성탄을 혼합 시 활성탄 세공의 개공 그리고 활성탄 전극의 분진부착능력 등을 알아보았다.
제안 방법
- 분진발생장치는 지름 약 20 cm, 높이 30 cm 크기의 아크릴통 하부에 카오린을 충전하고, 분진을 조성하기 위해 부러쉬가 달린 브레이드를 교반속도 약 200 rpm로 회전시킴으로서 회전력에 의한 바람으로 분진이 발생되도록 하였다. 발생된 분진은 양극으로 대전된 활성탄 극판을 통과하면서 제거되도록 하였다. 사용한 전극은 알루미늄판 전극은 대조 전극판으로 사용하고 실험전극은 알루미늄판에 활성탄 및 PVA, black carbon을 1 : 0.
- 우선 세정활성탄을 200℃의 건조기에 두어서 세공의 기체 및 휘발성물질을 날려버린 후 분말활성탄을 밀폐된 용기에 넣고 접착제에 사용된 것과 같은 용매제를 주입한 후 상부에서 약 1기압의 압력을 가하여 강제로 세공에 용매제를 주입하였다. 본 방법에서는 약 1 L의 아크릴용기에 분말활성탄 및 PVA 접착제의 용매제로 사용한 메탄올을 넣고 상부에서 질소가스가 충전된 봄베의 압력으로 상부에서 가하였다. 약 1일간 메탄올을 충진 후 여과시킨 활성탄은 접착제와 혼합 후 메탄올 휘발점보다 훨씬 높은 약 100℃에서 건조시키면 활성탄 기공에 갖혀 있던 메탄올은 휘발되어 기공은 그대로 살아 있고 외부의 접착제는 굳어짐을 이용하는 방법으로 활성탄 박판을 제작하였다.
- 분말활성탄과 결합제와의 적정 배합비율 및 적정 결합제를 알아보기 위하여 결합제로는 불소계인 PTFE (polytetraflouoroethylene), PVdF (polyvinyllidene fluoride), NMP (nmethyl-2-pyrrolidinone) 등을 이용하고 각각의 배합비는 기존연구자들의 연구결과를 기초로 수행하였다.8,9) 본 연구에서는 비닐계인 PVA (polyvinylacetate)를 사용하여 기존 연구 결과와 비교하였다.
- 그리고 양전극 하부에는 부도체로 종이판(③)을 두고 그 위에 1-8 um 크기의 카오린(kaorine)분말을 분진으로 사용하였다. 실험은 종이판위에 카오린을 약 1 mm 두께로 도포하고 전압을 1.5 kV-8 kV 범위에서 순차적으로 변화시켜서 대조 전극판으로는 활성탄을 코팅하지않은 알루미늄판을 이용하고 실험용으로는 알루미늄판에 PVA, 활성탄, 카본블랙을 혼합하여 박판으로 제조하여 비교실험을 수행하였다.
- 본 방법에서는 약 1 L의 아크릴용기에 분말활성탄 및 PVA 접착제의 용매제로 사용한 메탄올을 넣고 상부에서 질소가스가 충전된 봄베의 압력으로 상부에서 가하였다. 약 1일간 메탄올을 충진 후 여과시킨 활성탄은 접착제와 혼합 후 메탄올 휘발점보다 훨씬 높은 약 100℃에서 건조시키면 활성탄 기공에 갖혀 있던 메탄올은 휘발되어 기공은 그대로 살아 있고 외부의 접착제는 굳어짐을 이용하는 방법으로 활성탄 박판을 제작하였다. 활성탄 전극의 제작은 두께 약 0.
- 우선 세정활성탄을 200℃의 건조기에 두어서 세공의 기체 및 휘발성물질을 날려버린 후 분말활성탄을 밀폐된 용기에 넣고 접착제에 사용된 것과 같은 용매제를 주입한 후 상부에서 약 1기압의 압력을 가하여 강제로 세공에 용매제를 주입하였다. 본 방법에서는 약 1 L의 아크릴용기에 분말활성탄 및 PVA 접착제의 용매제로 사용한 메탄올을 넣고 상부에서 질소가스가 충전된 봄베의 압력으로 상부에서 가하였다.
- 통상의 활성탄에는 금속이온이 다량 함유되어 있어7) 전극판 제조 후 전류가 흐를 때 저항이 발생되지 않게 하기 위해서 전처리를 한 후 사용하였다. 우선 활성탄에 묻어 있는 타르성분을 제거하기 위하여 100℃ 물에 여러 차례 세척하고 약 1 N의 염산용액에 넣고 끓인 후 증류수로 세척하여 건조시킨 후 사용하였다.
- 활성탄 전극의 전압 별 분진부착무게를 알아보기 위하여 실험 장치는 전극거치대, 전극, 그리고 전류공급 세 가지 부분으로 구성하고 전극 거치대는 부도체인 스타이렌 폼에 Fig. 1과 같이 양전극(②) 및 음전극(①) 전극판이 설치할 수 있도록 홈을 내고 양전극 및 음전극의 간격은 약 2 cm를 두고 수평으로 설치하였다. 그리고 양전극 하부에는 부도체로 종이판(③)을 두고 그 위에 1-8 um 크기의 카오린(kaorine)분말을 분진으로 사용하였다.
- 활성탄 전극의 제작은 두께 약 0.5 mm, 그리고 약 지름 φ 5 cm의 알루미늄 판위에 PVA, PVA와 활성탄, PVA와 활성탄 그리고 전도체인 카본 블랙(black carbon)을 각각 주입하고 각각에 대한 전기 저항값을 알아보았다.
대상 데이터
- 각 결합제에 사용된 용매제는 각 결합제에 적당한 용매제인 에탄올, 아세톤, 메탄올 등을 이용하였으며 Table 1은 본 실험에서 수행한 배합비율을 나타내었다.
- 1과 같이 양전극(②) 및 음전극(①) 전극판이 설치할 수 있도록 홈을 내고 양전극 및 음전극의 간격은 약 2 cm를 두고 수평으로 설치하였다. 그리고 양전극 하부에는 부도체로 종이판(③)을 두고 그 위에 1-8 um 크기의 카오린(kaorine)분말을 분진으로 사용하였다. 실험은 종이판위에 카오린을 약 1 mm 두께로 도포하고 전압을 1.
- 발생된 분진은 양극으로 대전된 활성탄 극판을 통과하면서 제거되도록 하였다. 사용한 전극은 알루미늄판 전극은 대조 전극판으로 사용하고 실험전극은 알루미늄판에 활성탄 및 PVA, black carbon을 1 : 0.3 : 0.2로 혼합하여 제작한 전극을 사용하고 전기부하량은 5 kV로 고정시키고 수행하였다. Fig.
- 2는 활성탄 박판에 분진의 부착량을 알아보기 위한 연속실험장치이다. 실험 장치는 분진발생기, 전극판 거치대, 전류공급장치 세부분으로 구성되어 있다. 분진발생장치는 지름 약 20 cm, 높이 30 cm 크기의 아크릴통 하부에 카오린을 충전하고, 분진을 조성하기 위해 부러쉬가 달린 브레이드를 교반속도 약 200 rpm로 회전시킴으로서 회전력에 의한 바람으로 분진이 발생되도록 하였다.
데이터처리
- 8,9) 본 연구에서는 비닐계인 PVA (polyvinylacetate)를 사용하여 기존 연구 결과와 비교하였다.
성능/효과
- 1) 알루미늄 판에 활성탄을 부착시키기 위하여 바인더제로서 불소계 및 비닐계를 사용한 결과 불소계 결합제는 활성탄과의 여러가지 배합비에서 건조시 강도 및 부착성이 급격히 감소되었으나 비닐계인 PVA의 경우는 활성탄과의 배합비(무게비)가 1 : 0.2 이상이면 부착성이나 강도 등이 매우 우수하고 박피되는 현상이 나타나지 않았다.
- 2) 활성탄 결합제인 PVA에 의해 활성탄 기공이 막히는 것을 방지하기 위하여 휘발성이 매우 높은 메탄올을 압력으로 활성탄에 주입 후 결합제와 배합하고 약 100℃로의 건조과정에서 열을 가하면 원래의 비표면적으로 회복되었다.
- 3) 알루미늄판에 최적의 활성탄 박판제조방법 및 절차는 활성탄의 산 세척, 개공제인 메탄올 압력주입, PVA 및 활성탄, black carbon과의 무게비는 1 : 0.2 : 0.2 무게비로의 배합 그리고 약 100℃에서의 건조 순이었다. 활성탄 전극의 저항을 감소시키기 위해서는 black carbon 주입 시 활성탄 박판의 전기저항은 급격히 감속시킬 수 있었다.
- 4) 분진제거를 전극판을 음극과 양극을 교대로 병열로 배열하고 전압을 약 3kV 이상으로 유지하여 수행한 결과 전극단위면적당 부착가능한 분지량은 14 mg/cm2이었다.
- 활성탄 제조 원료는 야자각, 톱밥 등과 같은 식물계 활성탄과 역청탄, 갈탄 등과 같은 석탄계 활성탄 그리고 부직포와 같은 섬유로 제작하는 섬유계 활성탄이 있다.4) 활성탄을 전극으로 사용하기 위해서는 순수한 탄소성분만 함유하여야 하며 불순물인 철, 망간, 마그네슘 등의 금속염이 있을 경우 전극의 저항값이 커지는 문제가 있어서 통상 섬유계 활성탄을 사용한다. 하지만 섬유계 활성탄은 kg당 약 십만원으로 매우 고가라서 값이 매우 싼 자연계 또는 석탄계 활성탄에서 금속이온을 제거한 후 사용하는 방안이 필요하다.
- 2만 하여도 건조 후에는 부스러지거나, 묻어나거나 긁힘도 없이 알루미늄 전극판과의 부착력이 매우 우수하였으며 이후의 모든 활성탄 전극판의 접착제로는 PVA를 사용하였다. 결과적으로 대기 중에 노출시켜서 건식 전극판 제조 시 적정한 부착제는 비닐계 접착제가 적당함을 알 수 있었다.
- 다시 분말활성탄에 카본블랙을 전도체로 추가한 경우는 15-25 Ω으로 낮아져10) 알루미늄판에 활성탄 박판 전극제조시 블랙카본의 주입이 반드시 필요하며 각각의 배합비는 1 : 0.3 : 0.2의 무게비율이 적당함을 알 수 있었다.
- 5에서 보는 바와 같이 표면은 결합제에 의하여 거칠고 두터워 졌으나 여전히 세공은 개공되어 있음을 알 수 있다. 이는 결합제 주입 전 휘발성이 큰 메탄올을 기공에 넣은 후 결합제를 주입하여 열을 가하는 방법이 활성탄의 기공을 유지하는데 매우 효과적인 방법임을 알 수 있었다.
- 통상 수처리 공법에서 탈염을 위해 활성탄 또는 실리케이트 전극을 제작할 경우 대부분 접착제로는 PTFE 및 PVDF를 사용하여 왔으며 수중에서 사용 시 발생가능한 문제점은 지적된 바가 없으나7~9) 본 연구 결과에서는 대기오염제어를 위해 건조 상태로 사용 시 전술한 바와 같은 문제점 때문에 사용이 불가능함을 알 수 있었다.
- 하지만 PVA에 활성탄을 배합하여 박판으로 만든 경우 저항값은 400-500 Ω의 범위로 낮아져 본 연구에서 활성탄을 염산으로 세척하여 사용한 분말활성탄소는 탄소전극으로 사용하여도 가능함을 확인할 수 있었다.
- 2 무게비로의 배합 그리고 약 100℃에서의 건조 순이었다. 활성탄 전극의 저항을 감소시키기 위해서는 black carbon 주입 시 활성탄 박판의 전기저항은 급격히 감속시킬 수 있었다.
후속연구
- 하지만 섬유계 활성탄은 kg당 약 십만원으로 매우 고가라서 값이 매우 싼 자연계 또는 석탄계 활성탄에서 금속이온을 제거한 후 사용하는 방안이 필요하다.5) 그리고 도체표면에 활성탄을 박판으로 코팅(coating)하기 위해서는 활성탄 입자와 도체표면과의 부착을 위한 결합제(binder)가 필요하며 활성탄에 결합제 혼합 시 활성탄의 세공이 막히면 오염물질 제거능력이 상실됨으로 결합제와 혼합 후에도 세공을 개공하는 방안이 필요하다.6)
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