본 연구에서는 Cu 촉매가 도입된 활성탄소섬유를 제조하여 고효율 $SO_2$ 흡착재를 제조하였다. 라이오셀 섬유를 내염화 및 탄화공정을 통해 탄소섬유를 얻었으며, $SO_2$ 흡착능을 향상시키기 위해 KOH 활성화를 사용하여 높은 비표면적 및 균일한 미세기공구조를 부여하였다. 활성탄소섬유에 Cu 촉매를 도입하기 위하여 $Cu(NO_3)_2{\cdot}3H_2O$ 수용액을 사용하였으며, 공정 시 i) 탄소섬유 내 산소 관능기의 분해반응을 촉진하고, ii) 산화구리 및 질산염의 분해로 oxygen radical이 생성되어 탄소섬유의 활성화 반응을 촉진시켰다. 이로 인해 활성탄소섬유의 미세공과 중기공 형성효과 및 탄소섬유 표면에 고르게 분산된 Cu 촉매를 확인하였다. Cu 촉매 도입 후, 활성탄소섬유에 비해 비표면적 및 미세공의 비율이 약 10% 이상 증가되었고, $SO_2$ 흡착능이 149% 이상 향상된 결과를 얻을 수 있었다. Cu 촉매도입공정 시, 전이금속 촉매효과에 의하여 발달된 미세공, 중기공 및 비표면적에 의한 물리적 흡착과 도입된 Cu 촉매에 의한 $SO_2$ 가스의 화학적 흡착반응의 시너지 효과에 기인하여 $SO_2$ 흡착능이 향상된 것으로 사료된다.
본 연구에서는 Cu 촉매가 도입된 활성탄소섬유를 제조하여 고효율 $SO_2$ 흡착재를 제조하였다. 라이오셀 섬유를 내염화 및 탄화공정을 통해 탄소섬유를 얻었으며, $SO_2$ 흡착능을 향상시키기 위해 KOH 활성화를 사용하여 높은 비표면적 및 균일한 미세기공구조를 부여하였다. 활성탄소섬유에 Cu 촉매를 도입하기 위하여 $Cu(NO_3)_2{\cdot}3H_2O$ 수용액을 사용하였으며, 공정 시 i) 탄소섬유 내 산소 관능기의 분해반응을 촉진하고, ii) 산화구리 및 질산염의 분해로 oxygen radical이 생성되어 탄소섬유의 활성화 반응을 촉진시켰다. 이로 인해 활성탄소섬유의 미세공과 중기공 형성효과 및 탄소섬유 표면에 고르게 분산된 Cu 촉매를 확인하였다. Cu 촉매 도입 후, 활성탄소섬유에 비해 비표면적 및 미세공의 비율이 약 10% 이상 증가되었고, $SO_2$ 흡착능이 149% 이상 향상된 결과를 얻을 수 있었다. Cu 촉매도입공정 시, 전이금속 촉매효과에 의하여 발달된 미세공, 중기공 및 비표면적에 의한 물리적 흡착과 도입된 Cu 촉매에 의한 $SO_2$ 가스의 화학적 흡착반응의 시너지 효과에 기인하여 $SO_2$ 흡착능이 향상된 것으로 사료된다.
In this study, the Cu catalyst decorated with activated carbon fibers were prepared for improving $SO_2$ adsorption properties. Flame retardant and heat treatments of Lyocell fibers were carried out to obtain carbon fibers with high yield. The prepared carbon fibers were activated by KOH ...
In this study, the Cu catalyst decorated with activated carbon fibers were prepared for improving $SO_2$ adsorption properties. Flame retardant and heat treatments of Lyocell fibers were carried out to obtain carbon fibers with high yield. The prepared carbon fibers were activated by KOH solution for the high specific surface area and controlled pore size to improve $SO_2$ adsorption properties. Copper nitrate was also used to introduce the Cu catalyst on the activated carbon fibers (ACFs), which can induce various reactions in the process; i) copper nitrate promotes the decomposition reaction of oxygen group on the carbon fiber and ii) oxygen radical is generated by the decomposition of copper oxide and nitrates to promote the activation reaction of carbon fibers. As a result, the micro and meso pores were formed and Cu catalysts evenly distributed on ACFs. By Cu-impregnation process, both the specific surface area and micropore volume of carbon fibers increased over 10% compared to those of ACFs only. Also, this resulted in an increase in $SO_2$ adsorption capacity over 149% than that of using the raw ACF. The improvement in $SO_2$ adsorption properties may be originated from the synergy effect of two properties; (i) the physical adsorption from micro, meso and specific surface area due to the transition metal catalyst effect appeared during Cu-impregnation process and ii) the chemical adsorption of $SO_2$ gas promoted by the Cu catalyst on ACFs.
In this study, the Cu catalyst decorated with activated carbon fibers were prepared for improving $SO_2$ adsorption properties. Flame retardant and heat treatments of Lyocell fibers were carried out to obtain carbon fibers with high yield. The prepared carbon fibers were activated by KOH solution for the high specific surface area and controlled pore size to improve $SO_2$ adsorption properties. Copper nitrate was also used to introduce the Cu catalyst on the activated carbon fibers (ACFs), which can induce various reactions in the process; i) copper nitrate promotes the decomposition reaction of oxygen group on the carbon fiber and ii) oxygen radical is generated by the decomposition of copper oxide and nitrates to promote the activation reaction of carbon fibers. As a result, the micro and meso pores were formed and Cu catalysts evenly distributed on ACFs. By Cu-impregnation process, both the specific surface area and micropore volume of carbon fibers increased over 10% compared to those of ACFs only. Also, this resulted in an increase in $SO_2$ adsorption capacity over 149% than that of using the raw ACF. The improvement in $SO_2$ adsorption properties may be originated from the synergy effect of two properties; (i) the physical adsorption from micro, meso and specific surface area due to the transition metal catalyst effect appeared during Cu-impregnation process and ii) the chemical adsorption of $SO_2$ gas promoted by the Cu catalyst on ACFs.
본 연구에서는 라이오셀 기반 SO2 흡착용 활성탄소섬유를 제조하였다. 라이오셀 섬유의 탄화수율 향상을 위하여 내염화 처리 후 탄화 공정을 실시하였고, 얻어진 탄소섬유를 이용하여 높은 비표면적과 균일한 미세기공 구조를 갖는 활성탄소섬유를 KOH 활성화를 통해 제조하였다.
제안 방법
라이오셀 섬유의 탄화수율 향상을 위하여 내염화 처리 후 탄화 공정을 실시하였고, 얻어진 탄소섬유를 이용하여 높은 비표면적과 균일한 미세기공 구조를 갖는 활성탄소섬유를 KOH 활성화를 통해 제조하였다. SO2 흡착능을 극대화하기 위하여 활성탄소섬유에 Cu 촉매 도입한 후, 표면 및 기공 등 물리화학적 특성을 고찰하고 SO2 흡착을 상온에서 실시하였다. SO2의 흡착 메커니즘을 규명하기 위해 i) 비표 면적, ii) 미세기공 그리고 iii) Cu 촉매가 SO2 흡착능에 미치는 영향을 고찰하였다.
SO2 흡착능을 극대화하기 위하여 활성탄소섬유에 Cu 촉매 도입한 후, 표면 및 기공 등 물리화학적 특성을 고찰하고 SO2 흡착을 상온에서 실시하였다. SO2의 흡착 메커니즘을 규명하기 위해 i) 비표 면적, ii) 미세기공 그리고 iii) Cu 촉매가 SO2 흡착능에 미치는 영향을 고찰하였다.
흡착용 활성탄소섬유를 제조하였다. 라이오셀 섬유의 탄화수율 향상을 위하여 내염화 처리 후 탄화 공정을 실시하였고, 얻어진 탄소섬유를 이용하여 높은 비표면적과 균일한 미세기공 구조를 갖는 활성탄소섬유를 KOH 활성화를 통해 제조하였다. SO2 흡착능을 극대화하기 위하여 활성탄소섬유에 Cu 촉매 도입한 후, 표면 및 기공 등 물리화학적 특성을 고찰하고 SO2 흡착을 상온에서 실시하였다.
대상 데이터
본 실험에서는 Cu 첨착 활성탄소섬유를 제조하기 (주)코오롱 인더스트리에서 제조된 라이오셀 섬유를 사용하였고, 라이오셀의 열 안정성 및 수율 향상을 위해 알칼리계 및 인계 표면처리 후 탄소섬유를 제조하여 이용하였다. 자세한 공정인자는 본 그룹의 선행연구에 기술되어있다[14].
데이터처리
제조된 샘플의 표면 특성과 미세구조를 관찰하기 위하여 전계 방사 전자현미경(field emission scanning electron microscope : FE-SEM, Hitachi, S-5500)으로 분석하였고, 활성탄소섬유와 Cu 첨착 활성탄소섬유의 비표면적과 세공구조 및 기공부피 등의 특성을 ASAP 2020 (Micromeritics Ins. Corp) 장비로 BET (Brunauer-Emmett-Teller), DR (Dubinin-Radushkevich)-plot, BJH (Barrett-Joyer-Hanlenad) 계산식을 통하여 고찰하였다[16].
이론/모형
다공성 물질 담체에 금속을 첨착시키는 방법은 금속질산화물 수용액에 담체를 직접 넣은 후 금속을 함침시키는 함침법, 첨착 시약을 휘발시키는 승화법 중[15], 공정이 간단하고 금속의 분산이 비교적 고르게 되는 함침법을 이용하였다. Figure 1에 도시된 바와 같이, Cu(NO3)2⋅ 3H2O 시약을 증류수 100 mL에 넣어 각 농도별로 Cu(NO3)2⋅3H2O 수용액을 만든 다음 2 g의 활성탄소섬유를 첨가하고, 상온에서 쉐이커를 이용해 200 rpm으로 1 h 동안 교반한 후, 상온에서 24 h 동안 정치시킨다.
성능/효과
i) 비표면적 및 미세기공 발달에 의한 SO2 흡착량 증가
iii) 탄소섬유의 발달된 기공구조에서의 물리적 흡착 및 Cu 촉매에 의한 화학적 흡착을 통한 시너지 효과
37 mg/g이었다. 따라서 적당한 양의 Cu 촉매도입을 위한 공정변수 제어가 필요한 것을 확인할 수 있었다.
따라서, Cu 촉매도입 시 최적공정변수제어에 따라 선택적인 기공조절과 높은 비표면적, 그리고 SO2에 대한 흡착능이 우수한 라이오셀 기반 Cu 첨착 활성탄소섬유를 제조할 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
다공성 흡착재에 의한 흡착공정은 어떤 식으로 진행되는가?
건식공정에는 다공성 흡착재를 활용한 SO2 제 거, SO2 환원공정에 의한 화학적 처리방법(Claus 공정), SO3로 산화 후 H2SO4 합성법 등[2,3]이 있으며, 이 중 가장 간단하고 경제적인 공정은 다공성 흡착재에 의한 SO2 제거이다. 상기 흡착공정은 주로 상온에서 물리흡착에 의해 가스 분자로 흡착되고, 포화된 흡착재는 온도를 증가시키거나 압력을 낮춤으로써 SO2 탈착 및 Claus 공정을 통 해 재활용된다[2,4]. SO2 흡착공정에 이용되는 흡착재로는 넓은 비표 면적을 갖는 활성탄소, 활성탄소섬유, 실리카겔, 제올라이트 등이 주로 사용되고 있다[3].
주요 대기오염 물질은 어떤 것들을 함유하고 있는가?
수질, 토양, 대기 환경오염 중 대기오염은 발생원이 위치한 국가에만 한정된 국지적 문제가 아니라, 그 특성상 인접 국가를 비롯해 넓은 지역으로 확산되기 때문에 국제적인 규제대상의 이슈가 되고 있다[1]. 주요 대기오염 물질들은 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 휘발성 유기화합물(VOCs), 그리고 먼지 (dust) 등을 함유하고 있다. 특히 이산화황(SO2)이 대기 중으로 배출될 경우, 스모그나 산성비의 원인이 되어 인체나 동식물에 영향을 주고 있다[1,2].
SO2 흡착공정의 합착재로서 활성탄소섬유는 활성탄소의 어떤 문제점을 해결하기 위해 사용되는가?
이들 흡착재 중 탈색 및 탈취, 촉매의 담체, 회수 등 여러 분야에서 비표면적이 큰 활성탄소(activated carbon, AC)가 사용되고 있다. 그러나 활성탄소는 넓은 세공크기의 분포로 인해 미세 물질의 흡착능이 낮고 다양한 크기의 가스혼합물 중 목표 흡착물의 선택적 흡착에 한계가 있으며, 분말상으로 장치 운전 시의 편류현상 (channeling)과 압력손실로 인한 취급 및 재활용이 용이하지 않은 단점이 있다[4,5]. 이와 같은 문제점들을 해결하기 위해, 흡착장비에 활용이 용이할 뿐만 아니라 가스분자의 흡착성이 뛰어난 활성탄소섬유 (activated carbon fibers, ACF)가 응용되고 있다[5,6].
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