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문제 정의
- 본 연구는 국내에서 유통되고 있는 야자각으로 만들어진 활성탄으로 작업장 공기 농도에 대한 흡착 능력을 평가하였다. 현재 작업환경측정 매체로 사용되고 있는 SKC활성탄과 국내에 유통되고 있는 있는 활성탄 3종의 흡착능력을 비교하였다.
- 본 연구에서는 국내에서 유통되고 있는 야자각으로 만들어진 활성탄으로 작업장 공기 농도에 대한 흡착 능력을 평가하여 국내 시료채취용 매체 개발 가능성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 실험장치의 한계로 인해 벤젠의 경우 노출기준보다 높은 농도에서 실험이 수행되었다. 실험이 실제로 사용되는 유기용제 농도 수준에서 이루어졌다면 좋았겠으나 본 연구의 목적은 시장에 유통된 활성탄의 흡착능력을 기존에 사용하고 있는 활성탄의 흡착능력과 비교하는 것이므로 노출기준보다 고농도로 실험이 수행되었다 하더라도 결과 활용에는 문제가 없을 것이다.
제안 방법
- 시중에 판매되는 여러 종류의 활성탄을 대상으로 흡착성능을 평가하기 위해 기존에 사용하는 활성탄들의 흡착성능을 비교하였다. 각 유기용제에 대한 10 % 파과시간과 50 % 파과시간을 실험적으로 구하여 등온흡착용량과 흡착속도계수를 결정하였다.
- 온·습도 조절시스템은 초음파 방식의 습도조절 장치를 이용하였고, 습도센서(Model 850, General Eastern)로 일정 습도를 유지하도록 피드백이 이루어졌다. 미량주사기 펌프(SageTM Pump model M365, Orion)로 유기용제를 일정한 유량으로 혼합 챔버 내부의 알루미늄 가열판 위로 공급하여 실험 대상 농도를 만들었다. 혼합 챔버에서 일정한 농도로 제조된 유기용제는 시험 챔버 I과 II에서 평형을 유지하게 된다.
- 본 연구에서는 실험장치의 한계로 인해 벤젠의 경우 노출기준보다 높은 농도에서 실험이 수행되었다. 실험이 실제로 사용되는 유기용제 농도 수준에서 이루어졌다면 좋았겠으나 본 연구의 목적은 시장에 유통된 활성탄의 흡착능력을 기존에 사용하고 있는 활성탄의 흡착능력과 비교하는 것이므로 노출기준보다 고농도로 실험이 수행되었다 하더라도 결과 활용에는 문제가 없을 것이다.
- 108, Germany)를 실시간으로 측정하였고, 온도 22 ～ 28 ℃, 상대습도는 50～ 65 %를 유지하도록 하였다. 시료채취는 시험 챔버 II에서 이루어졌으며, 실시간 농도 및 연구대상 활성탄의 파과농도는 다채널가스모니터(Multi-gas monitor : Innova, model 1312, Denmark)를 이용하여 측정하였다. 시험 챔버 II의 6개 시료채취포트 중 4개 포트에는 4종의 활성탄관을 설치하였고, 1개 포트에서는 다채널가스모니터가 설치되었다.
- 시중에 판매되는 여러 종류의 활성탄을 대상으로 흡착성능을 평가하기 위해 기존에 사용하는 활성탄들의 흡착성능을 비교하였다. 각 유기용제에 대한 10 % 파과시간과 50 % 파과시간을 실험적으로 구하여 등온흡착용량과 흡착속도계수를 결정하였다.
- 온·습도 조절시스템은 초음파 방식의 습도조절 장치를 이용하였고, 습도센서(Model 850, General Eastern)로 일정 습도를 유지하도록 피드백이 이루어졌다.
- 이때 혼합 챔버의 습·온도가 시험 챔버 I, II와 다를 수 있기 때문에 시험 챔버 I의 내부에서 온·습도(Grimm, Model 1.108, Germany)를 실시간으로 측정하였고, 온도 22 ～ 28 ℃, 상대습도는 50～ 65 %를 유지하도록 하였다.
- 실험 농도는 각 물질별로 동일하게 하려고 하였으나 물질별 오차가 있었다. 재현성을 확인하기 위해 각 물질에서 농도별로 3회씩 시험하였다.
- 5 Liter/min이었다. 파과농도를 실시간으로 측정하여 각 물질별로 파과곡선을 그렸다.
- 파과시간(tb)별 파과농도(Cx)에 대하여 Wheeler equation을 만족시키는 흡착용량(We)과 흡착율계수(Kv) 값을 구하기 위하여 SigmaPlot (SigmaPlot for Windows, versions 7.101) curve fitting 기능을 이용하여 10 % 파과시간 및 50 % 파과시간을 계산하였다. 두 값을 이용하여 Wheeler equation으로부터 각 활성탄의 흡착용량과 흡착율 계수를 구하였다.
- 파과실험은 온·습도 조절시스템이 갖추어진 표준 증기발생챔버에서 이루어졌다(Figure 1).
- 본 연구는 국내에서 유통되고 있는 야자각으로 만들어진 활성탄으로 작업장 공기 농도에 대한 흡착 능력을 평가하였다. 현재 작업환경측정 매체로 사용되고 있는 SKC활성탄과 국내에 유통되고 있는 있는 활성탄 3종의 흡착능력을 비교하였다. 활성탄 3종은 BET 비표면적이 서로 차이를 보였다.
- 활성탄관의 규격을 동일하게 하기 위해 직경 4 ㎜, 길이 7 ㎝의 유리관을 제작하여, 4종류의 활성탄 100±0.5 ㎎씩 유리관에 넣었다.
대상 데이터
- SKC활성탄과 S활성탄은 이미 20-40 mesh 크기여서 특별히 가공을 하지 않았으나, K활성탄 (10-20 mesh)과 J활성탄 (8-30 mesh)은 20-40 mesh 크기의 제품이 없어, 가정용 핸드블랜더(MR4050MCA, Braun) 로 활성탄을 파쇄시켜 시험용 체(Fisher, USA)로 분리한 후 20-35 mesh의 활성탄을 선별하여 사용하였다. 활성탄관의 규격을 동일하게 하기 위해 직경 4 ㎜, 길이 7 ㎝의 유리관을 제작하여, 4종류의 활성탄 100±0.
- 국내에 시판 중인 3 종류의 입자상 활성탄 ( J, K, S활성탄)과 현재 작업환경측정 활성탄관으로 사용 되고 있는 활성탄 (SKC Cat. No. 226-16-02 GWS, 20-40 mesh)을 사용하여 파과 실험을 하였다. 각 활성탄의 비표면적 (BET 측정기, ASAP 2420), 평균 기공 크기, 미세공 부피를 측정한 결과는 Table 1과 같았다.
- 벤젠은 흡착용량을 계산하는 흡착 모델 등에서 증기의 상대적 친화력 계수(β)를 계산할 때 기준 물질(β=1)로 사용되며 벤젠의 흡착곡선이 특징적인 곡선이 되기 때문에 선정하였고(Wood, 2001), 끓는점, 증기압, 물질의 구조를 고려하여 특성에서 차이가 나타나는 톨루엔, 아세톤, 노말헥산을 선정하였다.
- 시료채취는 시험 챔버 II에서 이루어졌으며, 실시간 농도 및 연구대상 활성탄의 파과농도는 다채널가스모니터(Multi-gas monitor : Innova, model 1312, Denmark)를 이용하여 측정하였다. 시험 챔버 II의 6개 시료채취포트 중 4개 포트에는 4종의 활성탄관을 설치하였고, 1개 포트에서는 다채널가스모니터가 설치되었다. 시료채취시 개인시료채취펌프 사용하였으며 통과 유량은 약 0.
- 실험 대상 물질은 노출기준, 분자량, 증기압, 비중 등을 고려하여 벤젠, 톨루엔, 아세톤, 노말헥산을 선정 하였다. 벤젠은 흡착용량을 계산하는 흡착 모델 등에서 증기의 상대적 친화력 계수(β)를 계산할 때 기준 물질(β=1)로 사용되며 벤젠의 흡착곡선이 특징적인 곡선이 되기 때문에 선정하였고(Wood, 2001), 끓는점, 증기압, 물질의 구조를 고려하여 특성에서 차이가 나타나는 톨루엔, 아세톤, 노말헥산을 선정하였다.
- 작업환경측정 과정의 파과용량을 확인하기 위해 0.2 Liter/min으로 K 활성탄은 톨루엔 2065 ㎎/㎥, 농도에서 L활성탄은 톨루엔 1771㎎/㎥에서 시료채취를 하였다.
이론/모형
- 101) curve fitting 기능을 이용하여 10 % 파과시간 및 50 % 파과시간을 계산하였다. 두 값을 이용하여 Wheeler equation으로부터 각 활성탄의 흡착용량과 흡착율 계수를 구하였다.
성능/효과
- 결론적으로 K활성탄과 J활성탄의 흡착용량은 SKC 활성탄의 흡착용량과 비교하였을 때 노출기준농도에서 흡착용량이 더 높거나 유사하게 나타났다. 실험 농도가 낮을수록 J활성탄의 흡착용량이 더 커졌고, 농도가 높을수록 K활성탄의 흡착용량이 더 좋았다.
- 노말헥산 69, 90, 175, 477 ppm에서 10 %파과와 50 %파과가 일어난 결과는 Table 9과 같고, 등온흡착용량 결과는 Table 10과 같다. 노말헥산에서 J활성탄의 흡착용량이 SKC활성탄와 K활성탄의 흡착용량보다 높게 나타났다. 노말헥산의 흡착용량은 유사한 농도의 톨루엔의 흡착용량보다는 낮았으며, 아세톤의 흡착용량보다 높게 나타났다.
- 노말헥산에서 J활성탄의 흡착용량이 SKC활성탄와 K활성탄의 흡착용량보다 높게 나타났다. 노말헥산의 흡착용량은 유사한 농도의 톨루엔의 흡착용량보다는 낮았으며, 아세톤의 흡착용량보다 높게 나타났다.
- 활성탄 3종은 BET 비표면적이 서로 차이를 보였다. 벤젠, 톨루엔, 노말헥산, 아세톤을 이용하여 실험한 결과 500 ppm 과 같은 고농도에서는 비표면적이 큰 K활성탄의 흡착용량이 컸으나, 낮은 농도로 갈수록 K활성탄의 비 표면적보다는 적고, SKC활성탄의 비표면적과 유사한 비표면적을 가진 J활성탄의 흡착용량이 더 커졌다.
- 활성탄의 특성을 보면 K 활성탄의 비표면적이 SKC활성탄, J활성탄에 비해 크다. 본 실험 결과, 벤젠 609ppm에서는 K활성탄의 흡착용량이 SKC활성탄, J활성탄의 흡착용량이 유사하였다. 그러나 벤젠의 낮은 농도인 101ppm에서는 K 활성탄의 흡착용량이 오히려 다른 활성탄의 흡착용량에 비해 적었다.
- 본 연구 결과 작업환경 측정에 사용하기 위한 용도로 비표면적이 큰 비싼 활성탄의 유용성이 떨어진 것으로 나타난다. 오히려 비표면적값이 SKC활성탄보다 약간 적은 J활성탄이 더 유용한 것으로 보인다.
- 본 연구 결과를 통해 K 활성탄과 J 활성탄의 시료채취용 공기 매채용으로 사용될 수 있음을 알 수 있었다. 또한 작업장 공기 중 농도는 다른 분야의 유해물질 농도보다 낮아 활성탄의 비표면적이나 미세공부피값으로 흡착용량을 예측하기는 어려웠다.
- 본 연구결과, 벤젠, 톨루엔, 아세톤, 노말 헥산 4가지 물질 모두 각 활성탄에서 농도가 높아짐에 따라 등온흡착용량이 증가하였다. 약 50 ppm 톨루엔의 등 온합착용량은 S활성탄을 제외하고 0.
- 흡착용량은 친화도 계수와 반비례 관계를 보이나 유기용제의 다른 특성도 흡착용량에 영향을 미치는 변수이므로 친화도 계 수만으로 흡착용량을 설명하기는 어려울 것이다. 본 연구결과에서도 톨루엔과 헥산은 친화도 계수가 유사하지만 톨루엔의 흡착용량이 헥산의 흡착용량보다 크게 나타났다.
- 결론적으로 K활성탄과 J활성탄의 흡착용량은 SKC 활성탄의 흡착용량과 비교하였을 때 노출기준농도에서 흡착용량이 더 높거나 유사하게 나타났다. 실험 농도가 낮을수록 J활성탄의 흡착용량이 더 커졌고, 농도가 높을수록 K활성탄의 흡착용량이 더 좋았다.
- 아세톤 57, 97, 160, 577 ppm에서 10 %파과와 50 %파과가 일어난 결과는 Table 7과 같고, 등온흡착용량 결과는 Table 8과 같다. 아세톤에서는 4농도 모두에서 J활성탄의 흡착용량이 SKC활성탄과 거의 유사 하게 나타났으며, K활성탄의 흡착용량은 약간 낮게 나타났다. 아세톤의 농도가 증가함에 따라 흡착용량이 증가하였으나 유사한 농도의 톨루엔의 흡착용량에 비해서는 흡착용량이 낮게 나타났다.
후속연구
- 활성탄은 공기 시료채취용 매체뿐 아니라 유기가스용 호흡보호구 카트리지로 광범위하게 사용되므로 향후 국내의 호흡보호구 개발 및 카트리지 사용시간을 예측하기 위해서도 활성탄에 대한 기초연구가 매우 필요하다.
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