이성분 휘발성유기화합물(Toluene-MEK)의 활성탄 흡착 및 탈착 특성 Adsorption and Desorption Characteristics of Binary-component Volatile Organic compounds (Toluene-MEK) on Activated Carbon원문보기
본 연구는 상용활성탄을 사용하여 산업공정에서 많이 사용되는 휘발성 유기화합물 중 톨루엔, 메틸에틸케톤(MEK), 이성분계(톨루엔-MEK)를 대상으로 흡착 및 탈착특성을 고찰하였다. 최적탈착온도를 설정하기 위해 온도별 탈착특성을 고찰하였고, 활성탄의 특성을 파악하기 위해 BET분석을 하였다. 상온에서 흡착실험을 진행하였고, $120^{\circ}C$까지 승온하여 탈착실험을 진행하였다. 이 실험을 10회 반복해서 진행하였다. 이를 통해 단일성분에서는 반복횟수가 많아질수록 흡착 및 탈착능이 줄어들며 활성탄과 상대적으로 친화력이 적은 MEK의 경우 톨루엔보다 낮은 흡착 및 탈착능을 보였다. 이성분계의 흡착 및 탈착 반복시험에서 친화력이 낮은 MEK가 먼저 파과되고 결과적으로 주입 농도보다 높은 농도로 탈착되었다.
본 연구는 상용활성탄을 사용하여 산업공정에서 많이 사용되는 휘발성 유기화합물 중 톨루엔, 메틸에틸케톤(MEK), 이성분계(톨루엔-MEK)를 대상으로 흡착 및 탈착특성을 고찰하였다. 최적탈착온도를 설정하기 위해 온도별 탈착특성을 고찰하였고, 활성탄의 특성을 파악하기 위해 BET분석을 하였다. 상온에서 흡착실험을 진행하였고, $120^{\circ}C$까지 승온하여 탈착실험을 진행하였다. 이 실험을 10회 반복해서 진행하였다. 이를 통해 단일성분에서는 반복횟수가 많아질수록 흡착 및 탈착능이 줄어들며 활성탄과 상대적으로 친화력이 적은 MEK의 경우 톨루엔보다 낮은 흡착 및 탈착능을 보였다. 이성분계의 흡착 및 탈착 반복시험에서 친화력이 낮은 MEK가 먼저 파과되고 결과적으로 주입 농도보다 높은 농도로 탈착되었다.
In this study, we have investigated the characteristics of adsorption and desorption of toluene, methyl ethyl ketone (MEK) and their binary component using activated carbon. The BET analysis was performed to identify the characteristics of the activated carbon, and the desorption characteristics wit...
In this study, we have investigated the characteristics of adsorption and desorption of toluene, methyl ethyl ketone (MEK) and their binary component using activated carbon. The BET analysis was performed to identify the characteristics of the activated carbon, and the desorption characteristics with temperature were examined to find out an optimum desorption temperature. Ten cyclic experiments of adsorption-desorption were performed, where each adsorption temperature was maintained at room temperature and desorption temperature at upto $120^{\circ}C$. In case of single component cyclic test, the efficiencies of adsorption and desorption decreased as the cycle increased. MEK which has lower affinity with activated carbon than toluene showed lower efficiencies of adsorption and desorption. In case of binary component cyclic test, a typical roll-up phenomenon was observed during adsorption process, where MEK reaches at breakpoint first and then was swept out by toluene.
In this study, we have investigated the characteristics of adsorption and desorption of toluene, methyl ethyl ketone (MEK) and their binary component using activated carbon. The BET analysis was performed to identify the characteristics of the activated carbon, and the desorption characteristics with temperature were examined to find out an optimum desorption temperature. Ten cyclic experiments of adsorption-desorption were performed, where each adsorption temperature was maintained at room temperature and desorption temperature at upto $120^{\circ}C$. In case of single component cyclic test, the efficiencies of adsorption and desorption decreased as the cycle increased. MEK which has lower affinity with activated carbon than toluene showed lower efficiencies of adsorption and desorption. In case of binary component cyclic test, a typical roll-up phenomenon was observed during adsorption process, where MEK reaches at breakpoint first and then was swept out by toluene.
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문제 정의
본 연구에서는 톨루엔, MEK, 이성분계(톨루엔-MEK)의 흡착 및 탈착특성을 파악하고 활성탄의 성능을 평가하기 위해서 활성탄에 톨루엔과 MEK의 흡착 및 탈착실험을 반복적으로 수행하였다. 활성탄 재생방법으로 가열탈착법을 사용하였다.
제안 방법
MEK의 경우, 1기압에서 끓는점은 79.6 ℃이므로, 60, 80, 100 ℃에서 탈착실험을 진행하였고, 톨루엔의 경우, 1기압에서 끓는점은 110.8 ℃이므로, 100, 120, 140 ℃에서 탈착실험을 진행하였다. Table 2에 성분별 온도에 따른 흡착량과 탈착량, 탈착률을 나타내었다.
활성탄 재생방법으로 가열탈착법을 사용하였다. 단일 성분의 흡착 및 탈착실험을 통하여 우수한 성능을 보이는 방향족탄화수소인 톨루엔과 비교를 통해 MEK의 흡착 및 탈착 특성을 파악하였다. 이성분계(톨루엔-MEK)의 흡착 및 탈착 실험을 통해 두 성분간 경쟁흡착에 대해 고찰하였다.
15 ℃ min-1의 속도로 온도를 올리면서 진행하였다. 단일성분의 흡착 및 탈착실험은 10회 반복하였으며, 이성분계 흡착 및 탈착 실험은 5회 반복하여 진행하였다.
주입 가스는 반응기 안에서 활성탄과 반응하고 이후 반응기 상단으로 배출된다. 배출가스는 Dong-il Shimadzu의 GC-2010 가스크로마토그래피(gas chromatography, GC)로 분석하였다. Table 1에 휘발성 유기화합물을 측정하기 위한 GC의 분석조건을 나타내었다.
단일 성분의 흡착 및 탈착실험을 통하여 우수한 성능을 보이는 방향족탄화수소인 톨루엔과 비교를 통해 MEK의 흡착 및 탈착 특성을 파악하였다. 이성분계(톨루엔-MEK)의 흡착 및 탈착 실험을 통해 두 성분간 경쟁흡착에 대해 고찰하였다.
5g이다. 탈착 시, 활성탄온도를 높이기 위하여 반응기 외부에는 가열로를 설치하였고,활성탄온도를 측정하기 위해 활성탄이 쌓인 중간지점에 온도 센서를 설치하였다. 가열로와 온도센서는 온도조절장치에 연결되어 반응기 내부의 온도조절을 할 수 있게 설치하였다.
톨루엔과 MEK의 최적 탈착 온도를 파악하기 위해 각 끓는점 근처의 온도에서 탈착실험을 진행하였다. 사용된 활성탄의 단위 질량당 흡착된 가스의 질량(qa), 사용된 활성탄의 단위 질량당 탈착된 가스의 질량(qd)을 측정하여 흡착량과 탈착량의 비율을 Equation (1)과 같이 탈착률(dr)로 나타냈다.
활성탄의 물리적 특성을 파악하기 위해 75 µm 이하로 파쇄하여 Micromeritics사의 ASAP2020을 사용하여 Brunauer Emmett Teller (BET)분석을 하였다.
대상 데이터
본 실험에서 사용한 활성탄은 입상활성탄인 Calgon Carbon Corporation의 상용 활성탄을 사용하였다. 활성탄은 파쇄하여 20 ~ 50 mesh의 입자를 사용하였다.
본 실험에서 사용한 활성탄은 입상활성탄인 Calgon Carbon Corporation의 상용 활성탄을 사용하였다. 활성탄은 파쇄하여 20 ~ 50 mesh의 입자를 사용하였다. 활성탄의 기공 안에 남아있는 수분 및 기타 물질을 제거하기 위해 건조기에 넣어 100℃에서 24 h 동안 건조하였다.
이론/모형
본 연구에서는 톨루엔, MEK, 이성분계(톨루엔-MEK)의 흡착 및 탈착특성을 파악하고 활성탄의 성능을 평가하기 위해서 활성탄에 톨루엔과 MEK의 흡착 및 탈착실험을 반복적으로 수행하였다. 활성탄 재생방법으로 가열탈착법을 사용하였다. 단일 성분의 흡착 및 탈착실험을 통하여 우수한 성능을 보이는 방향족탄화수소인 톨루엔과 비교를 통해 MEK의 흡착 및 탈착 특성을 파악하였다.
성능/효과
톨루엔의 탈착능은 반복횟수가 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. MEK의 탈착능은 반복횟수가 증가할수록 톨루엔보다 높은 감소 경향을 보였다.
상온에서 흡착된 휘발성 유기화합물은 각 성분의 끓는점 이상에서 모두 탈착되었다. 단일성분의 흡착 및 탈착반복실험에서 활성탄과 친화력이 우수한 톨루엔이 MEK보다 높은 흡착 및 탈착성능을 보였다. 톨루엔과 MEK 이성분계의 흡착 및 탈착반복시험에서 활성탄과의 친화력차이로 인한 경쟁흡착이 관찰되었으며, 이로 인해 활성탄과의 친화력이 상대적으로 낮은 MEK의 흡착 및 탈착능이 초기보다 낮아졌다.
이러한 현상은 활성탄의 수명을 단축시키기도 한다[15-18]. 따라서 MEK 흡착 및 탈착능은 톨루엔보다 낮았으며, 실험반복횟수가 늘어날수록 감소변화도 크게 나타났다.
이성분계의 흡착 및 탈착반복시험을 통해 활성탄과 두 성분의 친화력차이로 인한 경쟁흡착이 관찰되었으며, 친화력이 상대적으로 낮은 MEK의 흡착 및 탈착능은 초기보다 낮아졌다. 또한, 반복횟수가 증가할수록 흡착 및 탈착능, 탈착률, 회수율 모두 감소하는 경향을 나타내었다.
톨루엔의 흡착능은 반복횟수가 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. 반면 MEK의 흡착능은 반복횟수가 증가할수록 톨루엔보다 높은 감소변화를 보였다. 반복실험에서 횟수가 1에서 5회까지 진행하였을 때, MEK의 흡착능이 톨루엔의 흡착능보다 좋았으나 반복 사용으로 인해 MEK의 흡착능이 톨루엔보다 낮아지게 되어 6회 이상부터는 톨루엔보다 낮았다.
200~300 min에서의 배출되지 않다가 이후 배출되었다. 반면 이성분계의 MEK 흡착곡선은 단일성분과 다른 경향을 보이며, 단일흡착일 경우보다 MEK가 배출되는 시간이 짧았다. 시간이 증가할수록 배출농도가 증가하였으며, 주입농도보다 높은 배출농도를 나타냈다.
반면 MEK의 흡착능은 반복횟수가 증가할수록 톨루엔보다 높은 감소변화를 보였다. 반복실험에서 횟수가 1에서 5회까지 진행하였을 때, MEK의 흡착능이 톨루엔의 흡착능보다 좋았으나 반복 사용으로 인해 MEK의 흡착능이 톨루엔보다 낮아지게 되어 6회 이상부터는 톨루엔보다 낮았다. Figure 4(b)에 톨루엔과 MEK의 단일흡착의 각 반복실험별 탈착능을 나타내었다.
반면 이성분계의 MEK 흡착곡선은 단일성분과 다른 경향을 보이며, 단일흡착일 경우보다 MEK가 배출되는 시간이 짧았다. 시간이 증가할수록 배출농도가 증가하였으며, 주입농도보다 높은 배출농도를 나타냈다. 이후 배출농도는 주입농도로 감소하면서 안정화되는 경쟁흡착의 전형적인 모습을 보였다.
단일성분과 같이 톨루엔의 경우 약 90% 이상의 높은 회수율을 보이나 MEK의 회수율은 10회 반복실험 후 60%로 급격히 감소하였다. 이성분계의 흡착 및 탈착반복시험을 통해 활성탄과 두 성분의 친화력차이로 인한 경쟁흡착이 관찰되었으며, 친화력이 상대적으로 낮은 MEK의 흡착 및 탈착능은 초기보다 낮아졌다. 또한, 반복횟수가 증가할수록 흡착 및 탈착능, 탈착률, 회수율 모두 감소하는 경향을 나타내었다.
단일성분의 흡착 및 탈착반복실험에서 활성탄과 친화력이 우수한 톨루엔이 MEK보다 높은 흡착 및 탈착성능을 보였다. 톨루엔과 MEK 이성분계의 흡착 및 탈착반복시험에서 활성탄과의 친화력차이로 인한 경쟁흡착이 관찰되었으며, 이로 인해 활성탄과의 친화력이 상대적으로 낮은 MEK의 흡착 및 탈착능이 초기보다 낮아졌다.
톨루엔과 MEK의 회수율은 반복횟수가 증가할수록 감소하였다. 톨루엔의 경우 약 90% 이상의 높은 회수율을 보이나 MEK의 회수율은 10회 반복실험 후 60%로 급격히 줄어들었다.
Figure 7(b)은 톨루엔과 MEK의 이성분계의 각 반복실험별 탈착능을 나타내었다. 평균적으로 톨루엔의 경우 16%, MEK의 경우 1%의 탈착능을 보이며, 초기보다 감소하는 경향을 보였다. 이성분계의 흡착 및 탈착능은 반복횟수가 증가할수록 낮아졌다.
Figure 7(a)에 이성분계의 흡착능을 나타내었다. 평균적으로 톨루엔의 경우 17%, MEK의 경우 1%의 흡착능을 보이며, 초기보다 감소하는 경향을 보였다. Figure 7(b)은 톨루엔과 MEK의 이성분계의 각 반복실험별 탈착능을 나타내었다.
따라서 각각의 이성분계 흡착에서 친화력이 낮은 물질이 먼저 파과되고 결과적으로 주입 농도보다 높은 농도로 탈착되는 것을 알 수 있다[1,19-22]. 활성탄과 친화력이 상대적으로 낮은 MEK가 톨루엔에 의해 치환 탈착되어, 초기농도보다 약 2배 정도 농축되어 배출되는 현상을 나타냈으며, 평형에 도달 시 흡착량을 비교하면 톨루엔 대비 MEK는 9%에 미치는 소량이었다.
흡착능과 탈착능 모두 활성탄과 친화력이 우수한 톨루엔이 MEK보다 우세하였으며, 반복실험을 통한 흡착 및 탈착능의 감소변화도 톨루엔이 MEK보다 낮았다. 톨루엔의 경우, 다른 연구결과[1,14]에서도 볼 수 있듯이 활성탄과 친화력이 높은 방향족 화합물로 높은 흡착 및 탈착능을 나타내었다.
후속연구
대기환경보전법에 기반을 두어 VOCs을 관리 및 규제를 하고 있다. 하지만 비용과 환경적인 측면에서 열악한 현장의 배출 상황을 고려하면 더 효과적이고 경제적인 휘발성 유기물질 처리를 위한 기술개발이 필요하다. 국내외에서 사용되고 있는 휘발성 유기화합물은 주로 방향족과 케톤류이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
입상 활성탄의 장점은 무엇인가?
흡착방식에서 가장 많이 활용되는 흡착제인 활성탄은 독특한 물리적 특성과 표면에 다양한 화학적 특징으로 많은 흡착질의 흡착제로 활용되고 있다. 특히 입상 활성탄의 세공은 미세기공부터 큰 기공까지 다양하게 존재하기 때문에 기상 흡착에 있어서 더 유리하며, 자연발화 온도가 높고 경도가 우수하여 산업현장에서 널리 사용되고 있다. 그러나 활성탄은 다른 흡착제보다 단위 무게당 비용이 저렴하지만 많은 양을 사용해야하므로 적지 않은 비용이 소모된다.
휘발성 유기화합물의 배출처는 어디인가?
휘발성 유기화합물(volatile organic compounds, VOCs)은 대부분의 화학공장 및 제약공장 그리고 용매 및 세정제를 사용하는 일반 사업체에서 광범위하게 배출되고 있다. 대기환경보전법에 기반을 두어 VOCs을 관리 및 규제를 하고 있다.
재생활성탄을 제조하는 기술에는 무엇이 있는가?
활성탄을 재생하는 기술은 압력을 낮춰 흡착질을 탈착시키는 감압재생법, 외부에서 열을 가해 온도를 높이는 가열탈착법, 흡착질의 화학적 성질을 바꾸는 화학재생법, 흡착질에 대해 친화력이 좋은 용매를 사용해서 재생하는 용매재생법, 흡착된 흡착질보다 친화력이 좋은 물질로 치환시키는 치환재생법이 있다[9-11].
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