[논문]저농도 이산화탄소 포집용 활성탄소섬유 흡착제의 질소작용기 함침연구

황수현; 김동우; 정동원; 조영민

doi:10.5572/kosae.2016.32.2.176

저농도 이산화탄소 포집용 활성탄소섬유 흡착제의 질소작용기 함침연구
Impregnation of Nitrogen Functionalities on Activated Carbon Fiber Adsorbents for Low-level CO2 Capture 원문보기

한국대기환경학회지 = Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, v.32 no.2, 2016년, pp.176 - 183

황수현 (경희대학교 환경공학과) , 김동우 (경희대학교 환경공학과) , 정동원 (경희대학교 환경공학과) , 조영민 (경희대학교 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Activated carbon fibers (ACFs) for $CO_2$ adsorption were prepared from polyacrylonitrile (PAN) fiber through the systematic processes such as oxidation, activation and amination with the focus on the formation of nitration functional groups. Textural analysis of test samples revealed the decrease of specific surface area and pore volume by chemical activation including amination. The ratio of micropores to the total volume was 0.85 to 0.91, which was high enough with the pore size of 1.57 to 1.77 nm. Nitrogen compounds such as imine, pyridine and pyrrole presenting favorable interforces to $CO_2$ molecules were formed throughout the whole preparation steps. The aminated ACF adsorbent showed the enhanced adsorption capacity, 0.40 mmol/g for low-level $CO_2$ flow (3000 ppm) at room temperature. Selectivity of $CO_2$ against dry air ($O_2$ & $N_2$) also increased from 1.00 to 4.66 by amination.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 PAN 섬유에 존재하는 염기성질소작용기를 최대한 유지시킴으로서 흡착제의 표면에 형성되는 활성점을 증가시켰던 이전 연구결과를 토대로 시험제조한 활성탄소섬유에 고온에서 암모니아가스를 흘려줌으로써 아민기를 비롯한 질소관능기를 표면에 추가적으로 함침하였다. 이러한 질소관능기가약산성의 이산화탄소 분자 포집에 미치는 효용성을 상대적으로 저농도 분위기에서의 흡착실험을 통하여 규명하고자 하였다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 PAN 섬유에 존재하는 염기성질소작용기를 최대한 유지시킴으로서 흡착제의 표면에 형성되는 활성점을 증가시켰던 이전 연구결과를 토대로 시험제조한 활성탄소섬유에 고온에서 암모니아가스를 흘려줌으로써 아민기를 비롯한 질소관능기를 표면에 추가적으로 함침하였다. 이러한 질소관능기가약산성의 이산화탄소 분자 포집에 미치는 효용성을 상대적으로 저농도 분위기에서의 흡착실험을 통하여 규명하고자 하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 질소함량이 높은 PAN 소재를 이용하여 활성탄소섬유를 시험제조하고, 칼륨과 암모니아를 적용하여 물리화학적으로 섬유의 표면을 개질하였다. 이러한 과정을 거친 ACF 시료 표면에는 질소관능기의 양이 크게 증가하였으며, 구조적인 개선을 이루어 이산화탄소 포집능이 향상된 것을 관찰할 수 있었다.

데이터처리

본 연구에서 준비한 흡착제 시료들의 표면에 형성된 화학 관능기들은 X선 광전자 분광분석기(XPS, X-ray photoelectron spectroscopy, K-Alpha, Thermo scientific. INC, USA)를 이용하여 관찰하였다. 비표면적 및 세공의 특성은 비표면적 측정기(BET, Belsorb-mini, BEL, Japan)로 측정하였다.

성능/효과

573 cm³/g로 증가시키는 것으로 나타났다. 특히 아민화 처리는 일반 상업용 ACF의 흡착량을 이산화탄소 흡착량을 0.05 mmol/g에서 0.40 mmol/g까지 증가시켰으며, 선택도 또한 0.56에서 4.66까지 크게 향상되었다.
섬유흡착제의 표면에 염기성 활성점을 확보하기 위하여 암모니아를 이용한 건식 아민화처리를 적용함으로써 이산화탄소에 대한 선택적 흡착능을 향상시키고자 하였다. PAN 섬유는 높은 질소함량을 가지고 있기 때문에 활성화 과정을 거치면서 Pyridine과 Pyrrole이 생성되고, 아민화 과정에 의해 Imine도 형성되는 것으로 XPS 분석결과 밝혀졌다. 이러한 질소 작용기들은 이산화탄소와의 산-알카리 인력을 적극적으로 유도함으로써 선택도 높은 흡착능을 확보할 수 있었다.
아민화가 진행되는 동안 암모니아의 분해에 의한 라디칼이 생성되고, 다시 섬유의 탄소골격이 가스화되면서 결함구조로 변화되고, 비표면적은 836 m²/g에서1,293 m²/g, 세공부피는 0.347 cm³/g에서 0.573 cm³/g로 증가시키는 것으로 나타났다. 특히 아민화 처리는 일반 상업용 ACF의 흡착량을 이산화탄소 흡착량을 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	시험용 활성탄소섬유의 산화(안정화)단계에서의 특징은?	활성탄소섬유의 전구물질은 PAN 섬유를 사용하였으며, 시험용 활성탄소섬유는 그림 1과 같이 산화(안정화), 활성화, 세척단계를 거쳐 최종적으로 활성탄소섬유를 제조하였다. 안정화는 일반적으로 공기 중에서 200~300℃의 온도로 PAN 섬유를 표면 열처리시켜주는 단계이며, 이때, 고리화(cyclization), 산화(oxidation), 탈수소화(dehydrogenation)가 일어나기 때문에 PAN 섬유의 사슬형 구조가 사다리 구조로 바뀌게 되며, 섬유의 열적 안정성과 융점이 증가하게 된다(Shin et al., 2014).
	이산화탄소를 제어하는 방법으로 무엇이 있는가?	이산화탄소를 제어하는 방법에는 흡수법, 막분리법, 흡착법 등이 있지만, 실내환경을 고려할 경우에는 흡착법이 가장 적합한 방법이다. 흡착공정에서 사용되는 흡착제는 제올라이트, 건식 아민, 활성탄, 활성탄소섬유 등이 있으나, 흡착제 중에서도 세공이 잘 발달되어 매우 유용한 흡착제로써 활성탄이 활용되고 있다.
	흡착공정에서 사용되는 흡착제에는 무엇이 있는가?	이산화탄소를 제어하는 방법에는 흡수법, 막분리법, 흡착법 등이 있지만, 실내환경을 고려할 경우에는 흡착법이 가장 적합한 방법이다. 흡착공정에서 사용되는 흡착제는 제올라이트, 건식 아민, 활성탄, 활성탄소섬유 등이 있으나, 흡착제 중에서도 세공이 잘 발달되어 매우 유용한 흡착제로써 활성탄이 활용되고 있다. 그러나 활성탄소섬유의 기계적 및 열적 안정성, 균일한 세공분포, 존재하는 세공의 크기, 높은 비표면적과 세공부피, 가공하기 쉬운 장점 때문에 활성탄소섬유가 활성탄에 비해 이산화탄소 흡착에 적합할 것으로 판단된다(Li et al.

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