(활성탄/고분자바인더)복합성형체의 압출온도에 따르는 응집구조 및 유량 상관성에 관한 연구 Study on the Relationship between Aggregation Structure and Flow Rate Depending on Extrusion Temperature at Complex Mold of (Activated Carbon/Polymer Binder)원문보기
정수처리 방식에 있어서 소형화의 필요성이 증대됨에 따라 복합적인 기능을 갖는 단일구조 여과재 개발이 절실히 요구되고 있다. 본 연구에서는 단일구조를 가지는 필터개발을 위하여 활성탄과 고분자 바인더로 구성된 성형체를 압출소결방식으로 제조하여, 제조된 성형체의 밀도, 공극률 및 유량을 평가하여, 최대유량을 가지는 성형체의 최적 압출온도를 결정하였다. 또한 성형체의 공극률 평가에 있어서 전체 공극률뿐만 아니라 관통형 기공의 공극률을 추가로 평가하여 유량과의 상관성을 평가하였다. 압출온도가 고분자 바인더의 Melting point인 $133^{\circ}C$ 이상인 $140{\sim}230^{\circ}C$에서 단일구조 복합 활성탄 성형체 구성이 가능하였으며, 압출온도 $170^{\circ}C$가 복합성형체의 밀도가 낮고, 관통기공의 공극률이 높아, 최대유량을 가지는 복합성형체의 제조가 가능한 최적 압출온도로 확인되었다. 또한 복합성형체를 통해 흐르는 물의 유량은 성형체의 전체 공극률 보다 관통형기공의 공극률에 크게 의존함을 알 수 있었다.
정수처리 방식에 있어서 소형화의 필요성이 증대됨에 따라 복합적인 기능을 갖는 단일구조 여과재 개발이 절실히 요구되고 있다. 본 연구에서는 단일구조를 가지는 필터개발을 위하여 활성탄과 고분자 바인더로 구성된 성형체를 압출소결방식으로 제조하여, 제조된 성형체의 밀도, 공극률 및 유량을 평가하여, 최대유량을 가지는 성형체의 최적 압출온도를 결정하였다. 또한 성형체의 공극률 평가에 있어서 전체 공극률뿐만 아니라 관통형 기공의 공극률을 추가로 평가하여 유량과의 상관성을 평가하였다. 압출온도가 고분자 바인더의 Melting point인 $133^{\circ}C$ 이상인 $140{\sim}230^{\circ}C$에서 단일구조 복합 활성탄 성형체 구성이 가능하였으며, 압출온도 $170^{\circ}C$가 복합성형체의 밀도가 낮고, 관통기공의 공극률이 높아, 최대유량을 가지는 복합성형체의 제조가 가능한 최적 압출온도로 확인되었다. 또한 복합성형체를 통해 흐르는 물의 유량은 성형체의 전체 공극률 보다 관통형기공의 공극률에 크게 의존함을 알 수 있었다.
As the need for miniaturization in water purification filter increases, the development of filter media for single filtration with multiple function was strongly required. In this study, the molded activated carbon composed of single unit was manufactured by extrusion-sintering process, and then the...
As the need for miniaturization in water purification filter increases, the development of filter media for single filtration with multiple function was strongly required. In this study, the molded activated carbon composed of single unit was manufactured by extrusion-sintering process, and then the flow rate, density and porosity were investigated using the molded activated carbon manufactured at various extrusion temperature. We confirmed that it was possible to manufacture the single unit-molded activated carbon when the extrusion temperature was $140{\sim}230^{\circ}C$ more than $133^{\circ}C$ being of polymer binder melting point, and the optimal extrusion temperature for the molded activated carbon with maximum flow rate was $170^{\circ}C$ since the molded activated carbon had low density and high through porosity. Also we confirmed that the flow rate through the molded activated carbon was strongly dependent upon through pore porosity compared to total porosity for the molded activated carbon.
As the need for miniaturization in water purification filter increases, the development of filter media for single filtration with multiple function was strongly required. In this study, the molded activated carbon composed of single unit was manufactured by extrusion-sintering process, and then the flow rate, density and porosity were investigated using the molded activated carbon manufactured at various extrusion temperature. We confirmed that it was possible to manufacture the single unit-molded activated carbon when the extrusion temperature was $140{\sim}230^{\circ}C$ more than $133^{\circ}C$ being of polymer binder melting point, and the optimal extrusion temperature for the molded activated carbon with maximum flow rate was $170^{\circ}C$ since the molded activated carbon had low density and high through porosity. Also we confirmed that the flow rate through the molded activated carbon was strongly dependent upon through pore porosity compared to total porosity for the molded activated carbon.
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제안 방법
본 연구에서는 단일구조를 가지는 정수 필터개발을 위하여 활성탄과 고분자 바인더로 구성된 성형체를 압출소결방식으로 제조하여, 제조된 성형체의 밀도, 공극률 및 유량을 평가하여, 최대유량을 가지는 성형체의 최적 압출온도를 결정하였다. 또한 성형체의 전체기공의 공극률과 관통형 기공의 공극률을 구분하여 측정하여, 유량과의 상관성을 평가하였다[4,5].
압출온도에 따른 복합성형체의 기공 분포와 표면특성을 분석하기 위하여 각각 BET 평가 및 SEM 관찰을 수행하였다. 바인더로 쓰인 고분자의 유동성으로 인하여 활성탄의 기공과 관통기공-이 막히는 현상을 확인하기 위해 BET 측정을 통해 비표면적을 확인하였다.
본 연구에서는 단일구조를 가지는 정수 필터개발을 위하여 활성탄과 고분자 바인더로 구성된 성형체를 압출소결방식으로 제조하여, 제조된 성형체의 밀도, 공극률 및 유량을 평가하여, 최대유량을 가지는 성형체의 최적 압출온도를 결정하였다. 또한 성형체의 전체기공의 공극률과 관통형 기공의 공극률을 구분하여 측정하여, 유량과의 상관성을 평가하였다[4,5].
공극률 분포를 측정하기 위하여 수은압입법(Mercury intrusion porosimetry)을 이용하였으며, 측정기기는 AutoPoreⅣ(Micromeritics, USA)를 사용하였다. 수은압입법의 경우 여과제의 개방형기공(Open pore)과 관통기공(Through pore) 모두를 측정할 수 있기 때문에 유체가 통과할 수 있는 관통기공만 구분하여 관찰하기 위하여 기포점(Bubble point) 측정기를 통해 공극률을 비교하여 측정하였다. 기포점 측정기는 Porometer 3G zh(Quantachrome, USA)를 사용하였다.
압출기 다이헤드(Die head)에 해당되는 금형부위는 토출구 Φ 7 mm 금형으로 제작하여 결합하였다.
압출소결 장치로 복합 활성탄 성형체를 구성하였다. 고분자 바인더의 Melting point인 133 ℃ 이상의 온도에서 복합 활성탄 성형체를 구성할 수 있었으며, 압출온도에 따른 성형체의 점도, 밀도 및 유량을 측정하여 Table 4에 나타내었다.
복합성형체를 제작하기 위해 사용한 압출기는 CFT-100D(SHIMADZU, Japan)를 개조하여 사용하였다. 압출온도를 균일하게 유지하기 위하여 설정온도에서 600초 동안 안정화시켰으며, 압출 피스톤의 압력은 26 kgf/cm2로 고정하였다. 압출기 다이헤드(Die head)에 해당되는 금형부위는 토출구 Φ 7 mm 금형으로 제작하여 결합하였다.
압출온도에 따른 복합성형체의 기공 분포와 표면특성을 분석하기 위하여 각각 BET 평가 및 SEM 관찰을 수행하였다. 바인더로 쓰인 고분자의 유동성으로 인하여 활성탄의 기공과 관통기공-이 막히는 현상을 확인하기 위해 BET 측정을 통해 비표면적을 확인하였다.
복합성형체의 길이는 실증규모의 여과재로 사용되는 것의 평균두께인 20 mm로 적용하여 Φ 7×20 mm의 원통형 여과재를 제작하였다. 유량측정 시 여과재를 우회(By pass)하는 현상을 방지하기 위하여 Fig. 2와 같이 유량측정 설비를 구성하였고, 길이방향으로 초순수를 통과시키며 압력별 유량을 측정하였다.
활성탄과 고분자 바인더 혼합물을 이용하여 고분자 바인더의 Melting point인 133 ℃ 이상의 온도에서 압출소결방식으로 단일구조의 복합 활성탄 성형체 제조가 가능하였다.
대상 데이터
복합성형체를 제작하기 위해 사용한 압출기는 CFT-100D(SHIMADZU, Japan)를 개조하여 사용하였다. 압출온도를 균일하게 유지하기 위하여 설정온도에서 600초 동안 안정화시켰으며, 압출 피스톤의 압력은 26 kgf/cm2로 고정하였다.
복합성형체의 길이는 실증규모의 여과재로 사용되는 것의 평균두께인 20 mm로 적용하여 Φ 7×20 mm의 원통형 여과재를 제작하였다.
본 연구에서 사용한 활성탄은 Table 1의 특성을 갖는 Philippines PJAC社의 80×200 mesh를 사용하였고, 고분자 바인더는 Table 2의 특성을 갖는 LG chemical의 LUTENE-H ME9180 HDPE를 사용하였다.
데이터처리
고분자 바인더의 Melting point인 133 ℃ 이상의 온도에서 복합 활성탄 성형체를 구성할 수 있었으며, 압출온도에 따른 성형체의 점도, 밀도 및 유량을 측정하여 Table 4에 나타내었다. 실험은 압출 온도별 반복실험을 5회 진행하여 평균값을 취하였다. Table 4로부터 압출온도 증가에 따라 성형체의 점도는 낮아지고 용융지수(MFR)는 증가되었으며 밀도 역시 증가됨을 알 수 있었다.
이론/모형
공극률 분포를 측정하기 위하여 수은압입법(Mercury intrusion porosimetry)을 이용하였으며, 측정기기는 AutoPoreⅣ(Micromeritics, USA)를 사용하였다. 수은압입법의 경우 여과제의 개방형기공(Open pore)과 관통기공(Through pore) 모두를 측정할 수 있기 때문에 유체가 통과할 수 있는 관통기공만 구분하여 관찰하기 위하여 기포점(Bubble point) 측정기를 통해 공극률을 비교하여 측정하였다.
활성탄과 고분자바인더의 입도분포는 PIDS(Polarization Intensity Differential Scattering)방식의 입도분석기 LS 13320(Beckman Coulter, USA)를 사용하여 평가하였다. Table 3의 입도분포를 보면 활성탄의 평균입도는 164.
성능/효과
Fig. 3으로부터 압출 온도가 증가함에 따라 활성탄과 고분자 혼합물의 점도는 낮아지고 압출속도는 증가함을 알 수 있었다. 따라서, 혼합물의 점도가 낮아지면 압출속도가 높아지고 압출압력이 낮아져 성형체의 밀도가 감소할 것으로 예측된다.
Fig. 4와 5를 동시에 검토한 결과 압출온도 170 ℃에서 성형체의 밀도가 낮고, 공극율이 높은 성형체를 구성할 수 있는 것이 확인되었다.
이 결과는 활성탄 압출 성형체에서 물은 관통기공을 통해서만 나갈 수 있기 때문에 개방 형기공과 관통형 기공을 모두 포함하는 전체 공극률이 유량과 약한 양의 상관관계를 나타내는 것을 의미한다. 따라서, 성형체의 공극률과 유량사이의 정확한 상관성을 평가하기 위해서는 유량과 직접적으로 관계되어질 것으로 판단되는 관통형 기공의 공극률과 유량의 상관성을 확인하는 것이 합리적이라고 판단된다.
또한 복합 활성탄 성형체를 통해 흐르는 물의 유량은 성형체의 전체 공극률 보다 관통형기공의 공극률에 크게 의존함을 알 수 있었다.
본 연구를 통하여 복합성형체의 압출온도가 170 ℃일 때 밀도가 낮고, 관통기공의 공극률이 큰 성형체가 제조 가능한 것을 확인하였다. 이를 통해 최대유량을 가지는 성형체를 제작 가능한 최적 압출 온도로서 170 ℃가 확인되었다.
4로부터 성형체의 밀도가 압출온도 160 ℃까지 감소하였으나 이후 다시 증가하는 것을 알 수 있었다. 여기서, 압출온도 140 ℃에서 160 ℃ 사이의 성형체의 밀도 감소는 Fig. 3의 결과에 근거하여 압출온도가 높아짐에 따라 용융지수가 증가함으로서 압출압력이 감소하게 되어 성형체의 입자간 자유부피(Free volume)가 증가되어, 최종 결과물로서 얻어지는 고체상의 성형체의 밀도가 감소되었다고 판단된다. 반면 압출온도 190 ℃ 이상에서 공극률의 감소와 밀도의 증가를 확인하였다.
본 연구를 통하여 복합성형체의 압출온도가 170 ℃일 때 밀도가 낮고, 관통기공의 공극률이 큰 성형체가 제조 가능한 것을 확인하였다. 이를 통해 최대유량을 가지는 성형체를 제작 가능한 최적 압출 온도로서 170 ℃가 확인되었다.
9868로 높은 상관관계를 갖는것을 확인할 수 있었다. 즉, 이 결과는 활성탄과 고분자 바인더로 구성된 복합성형체에 있어서 통과 유량이 전체공극률보다는 관통형기공의 공극률에 크게 의존함을 나타낸다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
압출-소결방식의 문제점은 무엇인가?
활성탄 성형체를 제작하는 방식으로는 여러 가지가 있지만, 경제성이 우수한 방식으로는 금형압축소결방식(Hot pressing process)과 압출소결방식(Extrusion sintering process)이있다. 특히, 압출-소결방식은연속생산이가능하기때문에 생산성과균일성이 우수하나 초기 운전조건 설정의 어려움을 가지고 있다[3].
활성탄 성형체를 제작하는 방식 중 경제성이 우수한 방식은 무엇인가?
활성탄 성형체를 제작하는 방식으로는 여러 가지가 있지만, 경제성이 우수한 방식으로는 금형압축소결방식(Hot pressing process)과 압출소결방식(Extrusion sintering process)이있다. 특히, 압출-소결방식은연속생산이가능하기때문에 생산성과균일성이 우수하나 초기 운전조건 설정의 어려움을 가지고 있다[3].
기존의 소형 정수처리 방식에서 사용하는 여과재는 무엇인가?
기존의 소형 정수처리 방식은 일반적으로 서로 다른 4~5가지 여과재를 사용한다. 즉, 침전필터, 활성탄필터, 멤브레인, 세라믹필터 등과 같이 복수개의 여과재를 사용하고 있다. 최근, 정수처리 여과재의 소형화의 필요성이 증대됨에 따라 단일 여과재를 선호하게 되어 복합적인 기능을 갖는 단일 여과재의 개발이 필요하게 되었다.
참고문헌 (6)
Moon, D.-C. and Lee, K.-H., "Micropore Analysis and Adsorption Characteristics of Activated Carbon Fibers," Anal. Sci. Technol, 13(1), 89-95(2000).
Baek, Y.-M., Park, J.-C. and Kim, H.-J., "Adsorption Characteristics of Granular Activated Carbon Filter Used for Drinking Water Purifier," J. Environ. Sci., 17(8), 899-905(2008).
Han, I.-S., Seo, D.-W., Hong, K.-S. and Woo, S.-K., "Effect of Forming Process and Particle Size on Properties of Porous Silicon Carbide Ceramic Candle Filters," J. Resources Recycling, 19(5) 31-43(2010).
Lee, K.-H., Kim, S. Y. and Yoo, K.-P., "Evaluation of the Pore Size Distribution in Mercury Porosimetry Using Computer Simulations of Porous Media," Korean J. Chem. Eng., 11(2), 131-135(1994).
Asadullah, M. and Kabir, M. S., "Role of Microporosity and Surface Functionality of Activated Carbon in Methylene Blue Dye Removal from Water," Korean J. Chem. Eng., 30(12), 2228-2234(2013).
Asadullah, M. and Jahan, I., "Preparation of Microporous Activated Carbon and Its Modification for Arsenic Removal from water," J. Chem. Eng., Available online 1 (2013).
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