[논문]제올라이트와 활성탄을 이용한 대기 중 CO2 흡착 및 재생 특성

박일건; 홍민선; 김범석; 강호근

doi:10.4491/ksee.2013.35.5.307

제올라이트와 활성탄을 이용한 대기 중 CO2 흡착 및 재생 특성
Ambient CO2 Adsorption and Regeneration Performance of Zeolite and Activated Carbon 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.35 no.5, 2013년, pp.307 - 311

박일건 (아주대학교 환경공학과) , 홍민선 (아주대학교 환경공학과) , 김범석 (아주대학교 환경공학과) , 강호근 (평화엔지니어링 기술연구원)

초록
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대기 중 $CO_2$ 포집 기술은 비점오염원 배출 $CO_2$를 포집할 수 있는 유일한 기술 중 하나이다. 본 논문에서는 저농도 $CO_2$를 이용한 흡착 실험을 수행하였다. 세 종류의 흡착제를 이용한 흡착과 열재생을 반복하는 실험을 수행한 결과 제올라이트 5A, 13X 그리고 활성탄의 $CO_2$ 흡착량은 21 mg/g, 12 mg/g 그리고 6 mg/g으로 나타났으며, 열재생 반복실험 결과에서 제올라이트 5A가 가장 우수한 흡착 성능을 보여주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Direct Air Capture (DAC) technology using reusable energy is a plausible process to capture $CO_2$ from non-point sources. In this paper, adsorption and desorption were repeatedly tested using low concentration $CO_2$. Three types of adsorbents were examined in cyclic $CO_2$ adsorption and thermal regeneration. Adsorption capacities of zeolite 5A, zeolite 13X and activated carbon were 21 mg/g, 12 mg/g and 6 mg/g, respectively. Zeolite 5A shows the highest adsorption capacities after cyclic thermal regeneration.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 흡착성능이 우수한 제올라이트 5A, 13X와 활성탄을 이용하여 실험실 규모에서 저농도의 CO₂ 흡착 및 재생 특성을 조사함으로써 대기 중 저농도의 CO₂ 저감을 위한 적용 가능성을 고찰하였으며, 다음 결과를 도출하였다.
이에 본 연구에서는 흡착성능이 우수한 제올라이트 5A, 13X⁸⁾와 활성탄을 이용하여 대기 중 저농도의 이산화탄소 저감을 위한 적용 가능성을 도출하고자 실험실 규모에서 저농도의 이산화탄소 흡착 및 재생 성능을 평가하였다.

제안 방법

9%)를 3 L/min의 유량으로 반응기 내로 일정하게 흘려주면서 200℃ 온도에서 3시간 동안 탈착공정을 진행하였다. CO₂가 완전 탈착된 재생 흡착제를 흡착반응기에 충진하고, 3 L/min의 유량으로 CO₂ 표준가스를 주입하면서 흡착실험을 수행하였다. 이후 동일한 반복으로 흡착 후 재 탈착하는 과정을 반복 수행하면서 흡착제의 재생 성능을 도출하였다.
또한, 대기 중 조건을 고려하여 상온(25℃), 상압(1 atm)에서 흡착실험을 수행하였고, CO₂ 가스는 가스분석기(KIMOAQ200)를 반응기 출구에 설치하여 by-pass를 통해 입구농도와 출구농도를 실시간으로 측정하였다.
CO₂가 완전 탈착된 재생 흡착제를 흡착반응기에 충진하고, 3 L/min의 유량으로 CO₂ 표준가스를 주입하면서 흡착실험을 수행하였다. 이후 동일한 반복으로 흡착 후 재 탈착하는 과정을 반복 수행하면서 흡착제의 재생 성능을 도출하였다.
2와 같이 탈착반응기는 고온에서도 안정한 SUS 재질로 제작하였고, 반응기 내부의 온도를 조절하기 위하여 전기히터를 설치하였다. 흡착제의 재생 성능은 흡착공정에서 CO₂가 포화 흡착된 흡착제를 탈착반응기에 충진하고, CO₂를 포함하지 않는 고순도 질소가스(99.9%)를 3 L/min의 유량으로 반응기 내로 일정하게 흘려주면서 200℃ 온도에서 3시간 동안 탈착공정을 진행하였다. CO₂가 완전 탈착된 재생 흡착제를 흡착반응기에 충진하고, 3 L/min의 유량으로 CO₂ 표준가스를 주입하면서 흡착실험을 수행하였다.
흡착제의 재생 성능평가는 CO₂가 포화 흡착된 흡착제를 질소 분위기 하에서 200℃ 온도에서 3시간동안 탈착한 후 흡착하는 공정을 3회 반복 실험을 통하여 흡착제의 재생 성능을 도출하였다. Fig.
흡착제의 재생 성능평가를 위해 Fig. 2와 같이 탈착반응기는 고온에서도 안정한 SUS 재질로 제작하였고, 반응기 내부의 온도를 조절하기 위하여 전기히터를 설치하였다. 흡착제의 재생 성능은 흡착공정에서 CO₂가 포화 흡착된 흡착제를 탈착반응기에 충진하고, CO₂를 포함하지 않는 고순도 질소가스(99.

대상 데이터

실험에 사용된 흡착제는 각각 2 mm의 구형 제올라이트 5A, 13X (Cosmo Fine Chemicals, Korea)와 펠렛 형태의 활성탄(가야활성탄)으로 실험 전에 원료 흡착제의 불순물을 제거하기 위해 200℃의 진공 건조오븐에서 6시간 건조하여 사용하였다.
흡착물질로 사용된 CO₂ 표준가스(Deokyang Co.)는 저농도에서 흡착제의 흡착 특성을 도출하기 위하여 대기 중 저농도의 CO₂ 조건을 고려하여 질소를 balance로 한 저농도의 표준가스를 사용하였고, 반응기에 유입되기 전에 유량계를 통해 일정하게 공급하였다. Table 1은 흡착물질로 사용된 표준가스의 조성을 나타낸다.

이론/모형

4 K에서 흡착제의 질소등온흡착곡선을 측정하여 비표면적(S_BET)은 BET 식으로, 외부비표면적(SEXT)은 t-method를 사용하여 계산하였고, BET 비표면적으로부터 외부비표면적을 뺀 값으로 미세기공표면적(S_micro)을 구하였다. 총세공부피(V_total)와 미세공부피(V_micro)는 상대압력(p/p_O) 0.99에서의 액체질소부피와 t-plot 직선의 절편 값으로부터 각각 계산하였고, BJH(Barrett-Joyner-Halenda) method¹⁰⁾를 이용하여 평균세공지름(D_pore)을 구하였다.
흡착제의 특성은 BET (Brunauer-Emmett-Teller)⁹⁾ 비표면적 측정장치(Micro-metritics, ASAP-2010)를 사용하여 77.4 K에서 흡착제의 질소등온흡착곡선을 측정하여 비표면적(S_BET)은 BET 식으로, 외부비표면적(SEXT)은 t-method를 사용하여 계산하였고, BET 비표면적으로부터 외부비표면적을 뺀 값으로 미세기공표면적(S_micro)을 구하였다. 총세공부피(V_total)와 미세공부피(V_micro)는 상대압력(p/p_O) 0.

성능/효과

1) 흡착제의 특성 분석 결과 비표면적은 제올라이트 5A가 1,099 m²/g으로 제올라이트 13X(603 m²/g)와 활성탄(632 m²/g)에 비해 넓게 나타났고, 모든 흡착제는 20 Å 이하의 미세공(micopore)으로 CO₂의 kinetic diameter가 3.3 Å인 점으로 미루어 볼 때 미세공 채움이 일어날 수 있는 조건에 부합하는 것으로 나타났다.
2) 흡착제의 CO₂ 흡착 성능 결과 제올라이트 5A의 경우 유량이 1 L/min일 때 파과시간이 413분, 2 L/min일 때 137분, 3 L/min일 때 122분으로 다른 흡착제에 비해 흡착 지속시간이 길게 나타나 CO₂에 대한 흡착성능이 가장 우수한 것으로 나타났다.
3) CO₂ 흡착량은 제올라이트 5A가 21 mg/g으로 13X에 비해 1.8배, 활성탄에 비해 3.5배 CO₂를 더 흡착하는 것으로 나타났다.
4) 흡착제의 재생 성능은 모든 흡착제에서 반복 재생 시 흡착성능이 조금씩이 감소하는 것으로 나타났다. 제올라이트 5A의 경우 수분에 대한 저항력이 약하여 수분 증가 시 흡착능력이 감소하는데 3회 재생 시 흡착능이 감소하는 것은 재생을 반복하는 과정에서 수분의 일부가 흡착이 된 것으로 판단된다.
4 Å으로 IUPA (International Union of Pure and Applied Chemistry)에서 규정한 20 Å 이하의 미세공(micopore)임을 알 수 있다. CO₂의 kinetic diameter가 3.3 Å^13,14)인 점으로 미루어 볼 때 본 연구에서 사용하는 흡착제는 흡착하고자 하는 CO₂ 기체보다 큰 기공을 보유하고 있어 미세공 채움이 일어날 수 있는 조건에 부합하는 것으로 분석되었다.
Table 2는 흡착제의 비표면적, 세공부피 그리고 평균세공 크기를 나타낸 것으로 제올라이트 5A의 비표면적이 1,099 m²/g으로 가장 넓은 것으로 나타나 제올라이트 13X(603 m²/g), 활성탄(632 m²/g)에 비해 흡착성능이 우수할 것으로 판단된다. 평균세공지름은 제올라이트 5A가 16.
6~8은 각각의 흡착제의 재생 성능을 나타낸 것이다. 모든 흡착제는 반복 재생 시 흡착성능이 조금씩이 감소하는 것으로 나타났다. 제올라이트 5A의 경우 제올라이트 13X나 활성탄에 비해 흡착성능이 가장 우수하나 수분에 대한 저항력이 약하여 수분 증가 시 흡착능력이 감소하는데 Fig.
모든 흡착제는 유량이 증가할수록 흡착성능이 감소하는 것으로 나타났는데 이는 일반적으로 유량이 클수록 반응기내에서의 체류시간 즉, 반응시간이 감소하기 때문인 것으로 유량이 증가할수록 흡착제에 접촉되는 CO₂ 양이 증가하여 빨리 포화되는 것으로 판단된다. 반대로 유량이 감소하면 흡착시간이 증가하게 되는데 이는 흡착 반응에 필요한 시간이 증가하게 되어 흡착제의 미세한 기공에도 흡착이 일어나기 때문이다.
3~5의 파과곡선으로부터 식 (1)을 적용하여 계산한 각각의 흡착제의 CO₂ 흡착량을 나타낸 것이다. 제올라이트 5A는 21 mg/g으로 13X나 활성탄에 비해 CO₂ 흡착량이 가장 많은 것으로 나타났다. 5A의 경우 13X에 비해 1.
또한, 활성탄의 경우 1 L/min일 때 파과시간이 75분, 2 L/min일 때 29분, 3 L/min일 때 10분으로 나타났고, 파과점 이후에는 CO₂ 농도가 급격히 증가하는 것을 알 수 있다. 파과곡선에서도 나타났듯이 제올라이트 5A와 13X, 활성탄의 CO₂ 흡착에 있어서 제올라이트 5A는 다른 흡착제에 비해 흡착 지속시간이 길게 나타나 CO₂에 대한 흡착성능이 가장 우수한 것으로 나타났다.
/g)에 비해 흡착성능이 우수할 것으로 판단된다. 평균세공지름은 제올라이트 5A가 16.3 Å, 제올라이트 13X가 18.9 Å, 활성탄이 17.4 Å으로 IUPA (International Union of Pure and Applied Chemistry)에서 규정한 20 Å 이하의 미세공(micopore)임을 알 수 있다. CO₂의 kinetic diameter가 3.
제올라이트 5A의 경우 수분에 대한 저항력이 약하여 수분 증가 시 흡착능력이 감소하는데 3회 재생 시 흡착능이 감소하는 것은 재생을 반복하는 과정에서 수분의 일부가 흡착이 된 것으로 판단된다. 활성탄의 경우 재생 횟수가 증가할수록 CO₂ 흡착성능이 급격히 저하되는 것으로 나타났다.
6에서 보는 바와 같이 3회 재생 시 흡착능이 감소하는 것은 재생을 반복하는 과정에서 수분의 일부가 흡착이 된 것으로 판단된다. 활성탄의 경우 재생 횟수가 증가할수록 CO₂ 흡착성능이 급격히 저하되는 것을 알 수 있으며 특히, 3회 이상 재생 시에는 흡착성능이 현격히 낮아지는 것으로 나타났다. 이는 활성탄의 경우 흡착열과 결합세기가 낮아 제올라이트 보나 낮은 온도에서 탈착이 잘 이루어지나 고온의 열에 의한 활성탄의 구조적 균열에 의해 표면에 미세공과 더불어 다수의 중기공(mesopore) 및 대기공(macropore)이 나타나 재생 시 흡착 성능이 감소하는 것으로 판단된다.

후속연구

향후 본 연구를 통해 도출된 결과는 대기 중 저농도 CO₂ 저감 공정에 활용이 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화석 연료의 사용 증가로 어떤 결과를 초래했는가?	화석 연료의 사용 증가로 인한 이산화탄소 배출의 증가로 급속한 지구의 온난화가 초래되었으며, 전 세계적으로 기후변화에 따른 폐해는 앞으로 더욱 심각해질 것으로 전망하고 있다. 이와 같이 지구온난화로 인한 기후변화는 범 지구적인 환경문제로 이에 대한 대처가 시급한 실정이다.
	지구상 평균 CO2 농도는?	1) 이처럼 지구온난화와 기후변화는 인류의 미래에 지대한 영향을 미칠 것이며 이에 대한 대비책으로 대기 중 이산화탄소 농도를 혁신적으로 저감할 수 있는 기술 개발이 시급히 요구되고 있다. 현재 지구상 평균 CO2 농도는 390 ppm2)이며, 질량으로는 3조톤에 이르고, 매년 150억톤의 CO2가 대기 중으로 배출되 평균 2 ppm씩 증가하고 있다. 온실가스에 의한 복사강제력은 2.
	온실가스가 심해진다면 2040년 농도와 환경에 어떤 영향을 주는가?	현재의 추세대로 라면 Fig. 1과 같이 2040년에는 450 ppm3)을 상회하여 생태계 및 수자원 등의 회복이 어려운 상태로 진행될 것으로 예상된다. 점오염원에서 배출되는 고농도 CO2 포집기술은 많은 연구자들에 의해 연구가 진행되어 왔으나 수송 및 주택 등에서 배출되는 50%에 육박하는 비점오염원4) 배출 CO2를 제거하는 기술은 미비한 실정으로 대기 중 CO2를 효율적으로 제거하는 기술(Direct Air Capture technology; DAC)이 미국, 캐나다5,6)에서 제안되었으며 이에 대한 경제성 및 타당성을 미국 물리학회에서 2년간 수행하였다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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