본 연구에서는 활성탄 제조에 널리 이용되고 있는 KOH 활성화법으로 활성화된 활성탄의 표면적 증가를 위하여 세척시간, 교반속도, 세척횟수 등의 변수들에 대한 활성탄 세척공정 최적화 연구를 수행하였다. 연구결과, 활성탄의 표면적은 세척효율이 증가됨에 따라 뚜렷하게 증가되었는데, 90% 이상의 세척효율을 얻기 위해서는 활성탄의 복잡한 세공구조에 따른 세공 내 확산메커니즘이 제어인자로 작용함을 알 수 있었다. 또한, 세척액의 증발을 통하여 $K_2CO_3$를 얻을 수 있었고 이를 이용한 활성화실험이 이루어졌다. 그 결과, 비표면적 $2,219m^2/g$의 제조가 가능하였다. $K_2CO_3$가 KOH의 효과적인 대안이라는 것을 고려할 때, 활성탄 제조공정에서 폐수 재이용은 무배출 폐기물 공정에 적용 할 수 있음을 보여주었다.
본 연구에서는 활성탄 제조에 널리 이용되고 있는 KOH 활성화법으로 활성화된 활성탄의 표면적 증가를 위하여 세척시간, 교반속도, 세척횟수 등의 변수들에 대한 활성탄 세척공정 최적화 연구를 수행하였다. 연구결과, 활성탄의 표면적은 세척효율이 증가됨에 따라 뚜렷하게 증가되었는데, 90% 이상의 세척효율을 얻기 위해서는 활성탄의 복잡한 세공구조에 따른 세공 내 확산메커니즘이 제어인자로 작용함을 알 수 있었다. 또한, 세척액의 증발을 통하여 $K_2CO_3$를 얻을 수 있었고 이를 이용한 활성화실험이 이루어졌다. 그 결과, 비표면적 $2,219m^2/g$의 제조가 가능하였다. $K_2CO_3$가 KOH의 효과적인 대안이라는 것을 고려할 때, 활성탄 제조공정에서 폐수 재이용은 무배출 폐기물 공정에 적용 할 수 있음을 보여주었다.
In this study, washing parameters such as washing time, agitation velocity, and cycles were optimized for high surface area of the activated carbon (AC) by KOH activation. Even though AC with high surface area showed at higher washing efficiency, over 90% on washing efficiency was regulated by the i...
In this study, washing parameters such as washing time, agitation velocity, and cycles were optimized for high surface area of the activated carbon (AC) by KOH activation. Even though AC with high surface area showed at higher washing efficiency, over 90% on washing efficiency was regulated by the intra-particle diffusion due to high tortuosity of the pore structures on AC. In addition, we can obtain $K_2CO_3$ through the evaporation from the wastewater and use it for chemical activation of AC. The AC with $K_2CO_3$ activation has specific surface area values of $2,219m^2/g$ equally that of KOH activation. Considering that $K_2CO_3$ is an effective alternative as a KOH, our results demonstrated that the process by recycling wastewater on AC production could be applicable for near-zero wastes.
In this study, washing parameters such as washing time, agitation velocity, and cycles were optimized for high surface area of the activated carbon (AC) by KOH activation. Even though AC with high surface area showed at higher washing efficiency, over 90% on washing efficiency was regulated by the intra-particle diffusion due to high tortuosity of the pore structures on AC. In addition, we can obtain $K_2CO_3$ through the evaporation from the wastewater and use it for chemical activation of AC. The AC with $K_2CO_3$ activation has specific surface area values of $2,219m^2/g$ equally that of KOH activation. Considering that $K_2CO_3$ is an effective alternative as a KOH, our results demonstrated that the process by recycling wastewater on AC production could be applicable for near-zero wastes.
본 연구에서는 화학활성화 후처리공정(세척 및 칼륨 회수/재이용)을 위하여, 활성탄 세척효율을 각 영향인자(세척수 사용량, 세척방법, 교반속도, 교반시간 등)별로 확인하였으며, 아래와 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
회수된 활성탄에 대하여 각 조건별(방법, 시간, 횟수 등) 세척실험을 통하여 최적 세척조건을 도출하였다. 또한 회수된 세척폐액에 대하여서는 증발/농축하여 칼륨화합물을 회수하였고, 이를 활성화제(chemical agent)로 활용하여 화학활성화를 진행, 기존 KOH활성화와 그 성능을 비교함으로써 재이용 가능성을 평가하였다. 본 연구결과는 고비표면적 활성탄 제조 상용공정을 위한 무배출 공정설계의 기초자료로 활용이 가능할 것으로 기대된다.
본 연구에서는 화학활성화 된 활성탄의 세척공정을 최적화하고 발생폐액으로부터 칼륨화합물을 효과적으로 회수하고자 1 kg/batch급의 화학활성화 제조설비로부터 KOH 활성화실험을 수행하였다. 회수된 활성탄에 대하여 각 조건별(방법, 시간, 횟수 등) 세척실험을 통하여 최적 세척조건을 도출하였다.
본 연구에서는 화학활성화 된 활성탄의 세척공정을 최적화하고 발생폐액으로부터 칼륨화합물을 효과적으로 회수하고자 1 kg/batch급의 화학활성화 제조설비로부터 KOH 활성화실험을 수행하였다. 회수된 활성탄에 대하여 각 조건별(방법, 시간, 횟수 등) 세척실험을 통하여 최적 세척조건을 도출하였다. 또한 회수된 세척폐액에 대하여서는 증발/농축하여 칼륨화합물을 회수하였고, 이를 활성화제(chemical agent)로 활용하여 화학활성화를 진행, 기존 KOH활성화와 그 성능을 비교함으로써 재이용 가능성을 평가하였다.
대상 데이터
KOH활성화를 위한 원료물질은 1차 탄화된 국내 상용 활성탄 2종이 이용되었다. 원료물질에 따라 목질계와 야자계활성탄으로 구분된다.
데이터처리
세척 과정에서 발생된 폐액은 고농도 알칼리 폐액으로 증발농축을 통해 칼륨화합물을 회수하였다. 회수된 칼륨화합물에 대하여서는 성상파악을 위해 XRD 분석이 이루어졌다. 또한, 회수 고형물의 재이용 가능성을 평가하기 위하여, 회수물을 활성화제로 하여 화학활성화를 수행하였다.
성능/효과
2. 세척효율 영향인자로는 교반 및 반복횟수가 중요한 인자로 확인되었으며, 교반속도 100 rpm 이상의 조건에서 3회 이상의 반복세척을 통하여 80% 이상의 세척효율을 달성할 수 있었다.
3. 활성탄의 복잡한 세공구조는 세공 내 확산이 용이하지 못해 90% 이상의 높은 세척효율 달성에 제한요인으로 작용하나, 세척효율 80% 이상의 조건에서 비표면적 증가율은 95% 이상으로 활성화된 활성탄이 효과적으로 세척되었다.
4. 증발농축을 통하여 세척폐액으로부터 칼륨화합물(K2CO3)을 회수하였으며, 회수된 K2CO3를 적용한 화학활성화 결과, 비표면적 증가율이 KOH 활성화의 95.8%으로 기존 활성화제(KOH) 대체 가능성이 확인되었다.
후속연구
본 연구결과는 화학활성화과정에서 폐액으로 발생되는 세척수를 활성화제로 재이용함으로써 경제성 있는 공정설계의 기초자료로 활용 가능할 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
활성탄이란?
일례로 미국, 유럽 등 선진국에서는 자동차 배출오염물질제어를 위해 최근 LEV-III 및 Euro-5 등을 통하여 그 규제치를 더욱 강화하였으며2), 규제대상물질은 미세먼지, SOx, NOx 뿐만 아니라 VOCs(Volatile Organic Compounds)도 포함하고 있다. 이중 VOCs 제어와 관련하여서는 흡착기술이 가장 일반적으로 사용되며, 활성탄은 가장 일반적인 흡착제이다. 하지만, 국내 상용활성탄의 비표면적은 1,000 m2/g 내외 수준으로 흡착탑 설계시 규모가 비대해지는 문제점이 있다.
국내 상용활성탄은 제한적인 공간에서의 문제점으로 인해 어떠한 활성탄의 수요가 증가하고 있는가?
특히, 자동차와 같이 제한적인 공간에 적용함에 있어서는 제한요인으로 작용하게 된다. 이에 따라 고비표면적 활성탄 개발에 대한 수요가 증가하고 있는 실정이다.
규제대상물질에는 어떠한 것들이 포함되는가?
특히 대기질에 직접적으로 관련되는 자동차, 석유/화학 관련산업에서 오염물질 배출기준은 점차 강화되는 실정이다. 일례로 미국, 유럽 등 선진국에서는 자동차 배출오염물질제어를 위해 최근 LEV-III 및 Euro-5 등을 통하여 그 규제치를 더욱 강화하였으며2), 규제대상물질은 미세먼지, SOx, NOx 뿐만 아니라 VOCs(Volatile Organic Compounds)도 포함하고 있다. 이중 VOCs 제어와 관련하여서는 흡착기술이 가장 일반적으로 사용되며, 활성탄은 가장 일반적인 흡착제이다.
참고문헌 (11)
Park, Y. Y., Im, C. G., Kim, Y. T., and Rhee, B., "A determination method of optimum combination ratio of two kind activated carbon with different adsorbability", Korean Chemistry Engineering Research, 49, pp. 454-459. (2011).
MECA (Manufacturers of Emission Controls Association) "Evaporative emission control technologies for gasoline powered vehicles". Arlington, VA. (2010).
Romanos, J., Beckner, M., Rash, T., Firlej, L., Kuchta, B., Yu, P., Suppes, G., Wexler, C. and Pfeifer, P. "Nanospace engineering of KOH activated carbon", Nanotechnology, 23, pp. 1-7. (2012).
Mopoung, S., Moonsri, P., Wanwimon, W. and Khumpai, S. "Characterization and Properties of activated carbon prepared from Tamarind seeds by KOH activation for Fe(III) adsorption from aqueous solution", The Scientific World Journal, pp. 1-9. (2015).
Yahya, M.A., Al-Qodah, Z. and Ngah, C.W.Z. "Agricultural bio-waste materials as potential sustainable procursors used for activated carbon production: a review", Renewable and Sustainable Energy Reviews, 46, pp. 218-235. (2015).
Moussa, M., Bader, N., Querejeta, N., Duran, I. and Pevida, C. "Toward sustainable hydrogen storage and carbon dioxide capture in post-combustion conditions", Journal of Environmental Chemical Engineering, 5, pp. 1628-1637. (2017).
Leyva-Ramos, R. and Geankoplis, C.J. "Diffusion in liquid-filled pores of activated carbon. I. pore volume diffusion", The Canadian Jouranal of Chemical Engineering, 72, pp. 262-271. (1994).
Moon, S.Y., Lee, B.H. and Lim, Y.S. "Characterization and fabrication of chemically activated carbon fibers with various drying temperatures using OXI-PAN fibers", Carbon Science, 8, pp. 30-36. (2007).
Hwang, S.H., Park, S.H., Kim, D.W. and Jo, Y.M. "Preparation of activated carbon fiber adsorbent for enhancement of $CO_2$ capture capacity", Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, 31, pp. 538-547. (2015).
Illingworth, J., Westwood, A., Rand, B. and Williams, P. "Chemical activation of biomass fibres using alkali metal salts", University of Leeds (School of process, Engivernmental and Materials Engineering), pp. 602. (2005).
Hayashi, J., Kazehaya, A., Muroyama, K. and Watkinson, A.P. "Preparation of activated carbon from lignin by chemical activation", Carbon, 38, pp. 1873-1878. (2000).
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.