[논문]활성탄의 물리적 특성에 따른 이산화탄소 흡착 특성

박정민; 최신앙; 이상섭

doi:10.7464/ksct.2018.24.4.287

활성탄의 물리적 특성에 따른 이산화탄소 흡착 특성
Characteristics of Carbon Dioxide Adsorption with the Physical Property of Activated Carbon 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.24 no.4, 2018년, pp.287 - 292

(충북대학교 환경공학과) , 박정민 (충북대학교 환경공학과) , 최신앙 (충북대학교 환경공학과) , 이상섭 (충북대학교 환경공학과)

초록
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효율적으로 이산화탄소를 처리할 수 있는 활성탄을 제조하기 위하여 활성탄의 물리적 특성이 이산화탄소 흡착에 미치는 영향을 조사하였다. 소나무 톱밥과 석탄이 활성탄의 원료로 사용되었고, 제조된 활성탄의 비표면적, 미세기공 부피, 중기공 부피를 분석하였다. 제조된 활성탄은 열중량 분석기를 이용하여 이산화탄소 흡착량을 결정하였다. 그리고 이산화탄소 흡착량 결과를 활성탄의 비표면적, 미세기공 부피, 중기공 부피에 따라 분석하였다. 실험 결과, 소나무 톱밥 활성탄과 석탄 활성탄의 비표면적과 미세기공 부피는 이산화탄소 흡착량과 높은 연관성을 보인 반면에 중기공 부피는 이산화탄소 흡착에 거의 영향을 미치지 않았다. 따라서 활성탄의 비표면적과 미세기공 부피를 극대화하는 것이 효율적인 이산화탄소 처리를 위해 매우 중요한 요소로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Effect of physical property of activated carbon on its carbon dioxide adsorption was investigated for the effective control of carbon dioxide. Pinewood sawdust and coal were used as raw materials of activated carbon. Specific surface area, micropore volume and mesopore volume of the prepared activated carbons were determined, respectively. The prepared activated carbons were analyzed for their adsorption capacity of carbon dioxide. The adsorption capacity was then presented with respect to the surface area, micropore volume and mesopore volume, respectively. As a result, the specific surface area and micropore volume of both pinewood and coal activated carbon were highly related to its carbon dioxide capacity. Its mesopore volume hardly affected its carbon dioxide capacity. Preparation of activated carbon with high specific surface area and micropore volume was found to be critical to the effective control of carbon dioxide.

주제어

표/그림 (12)

표 Table 1. Physical properties of the prepared activated carbons [19]
그림 Figure 1. CO₂ adsorption test results for pinewood activated carbons.
그림 Figure 2. CO₂ adsorption test results for coal activated carbons.
그림 Figure 3. CO₂ adsorption capacity with the BET surface area of pinewood activated carbon.
그림 Figure 4. CO₂ adsorption capacity with the micropore volume of pinewood activated carbon.
그림 Figure 5. CO₂ adsorption capacity with the mesopore volume of pinewood activated carbon.
그림 Figure 6. CO₂ adsorption capacity with the BET surface area of coal activated carbon.
그림 Figure 7. CO₂ adsorption capacity with the micropore volume of coal activated carbon.
그림 Figure 8. CO₂ adsorption capacity with the mesopore volume of coal activated carbon.
그림 Figure 9. CO₂ adsorption capacity with the BET surface area of pinewood and coal activated carbon.
그림 Figure 10. CO₂ adsorption capacity with the micropore volume of pinewood and coal activated carbon.
그림 Figure 11. CO₂ adsorption capacity with the mesopore volume of pinewood and coal activated carbon.

AI 본문요약
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문제 정의

활성탄은 서로 다른 탄화 조건 및 활성화 조건을 적용하여 제조함으로써 다양한 물리적 특성을 가지도록 하였다. 각 활성탄의 비표면적, 미세기공 부피, 중기공 부피에 따른 이산화탄소 흡착량을 조사하여, 각 물리적 인자가 이산화탄소 흡착량에 미치는 영향을 이해하고자 하였다. 또한, 활성탄의 수은 흡착 특성과 이산화탄소 흡착특성 결과를 서로 비교함으로써, 활성탄의 물리적 특성에 따른 가스 선택성을 이해하고, 향후 다중 오염물질 제거를 위한 기초자료로 활용하고자 하였다.
각 활성탄의 비표면적, 미세기공 부피, 중기공 부피에 따른 이산화탄소 흡착량을 조사하여, 각 물리적 인자가 이산화탄소 흡착량에 미치는 영향을 이해하고자 하였다. 또한, 활성탄의 수은 흡착 특성과 이산화탄소 흡착특성 결과를 서로 비교함으로써, 활성탄의 물리적 특성에 따른 가스 선택성을 이해하고, 향후 다중 오염물질 제거를 위한 기초자료로 활용하고자 하였다.
본 연구에서는 수은 흡착용으로 제조된 활성탄의 이산화탄소 흡착 특성을 조사하였다. 활성탄은 서로 다른 탄화 조건 및 활성화 조건을 적용하여 제조함으로써 다양한 물리적 특성을 가지도록 하였다.

제안 방법

1시간 동안 이산화탄소를 주입하였을 때, 활성탄 1 g당 이산화탄소 흡착량(mg CO₂ g^-1 activated carbon)을 시간에 따라 측정하였다. Figure 1은 소나무 톱밥 활성탄의 결과이고, Figure2는 석탄 활성탄의 이산화탄소 흡착 결과이다.
활성탄은 소나무 톱밥과 석탄을 원료로 하여 로타리 킬른식 반응기를 이용하여 제조하였다. 다양한 물리적 특성을 가진 활성탄을 제조하기 위하여, 탄화조건과 활성화 조건을 변화시키며 제조하였다. 제조된 활성탄은 비표면적/기공분포 분석기(ASAP 2420, Micrometrics, Norcross, GA, U.
소나무 톱밥과 석탄을 원료로 제조한 활성탄의 비표면적, 미세기공 부피, 중기공 부피에 따른 이산화탄소 흡착 특성을 조사하였다. 소나무 톱밥 활성탄은 석탄 활성탄보다 대체로 높은 이산화탄소 흡착량을 나타내었다.
앞서 살펴본 바와 같이 소나무 톱밥 활성탄과 석탄 활성탄의 이산화탄소 흡착량 차이가 크게 나타났으며, 동일한 원료의 활성탄 간에도 이산화탄소 흡착량의 차이를 보였다. 이는 각 활성탄의 물리적 특성의 영향으로 예상되므로, 활성탄의비표면적, 미세기공 부피, 중기공 부피에 따른 이산화탄소 흡착량을 조사하였다. Figure 3 ~ 5는 소나무 톱밥 활성탄의 비표면적, 미세기공 부피, 중기공 부피에 대한 이산화탄소 흡착량을 각각 나타낸 것이다.
각 활성탄 시료 10 mg 을 열중량 분석기에 넣고, 활성탄 시료의 수분을 제거하기 위하여 120℃로 가열한 다음, 100 mL min^-1 질소 분위기에서 1시간 동안 유지하였다. 이후 분석기 내 온도를 30 ℃로 냉각하고, 시료의 질량이 일정하게 유지됨을 확인한 다음 100 mL min^-1 이산화탄소를 온도 30 ℃에서 1시간 동안 주입하여, 각 활성탄의 이산화탄소 흡착량을 결정하였다.
다양한 물리적 특성을 가진 활성탄을 제조하기 위하여, 탄화조건과 활성화 조건을 변화시키며 제조하였다. 제조된 활성탄은 비표면적/기공분포 분석기(ASAP 2420, Micrometrics, Norcross, GA, U.S.A.)를 이용하여 분석하였다. 77 K 질소가스로 미세기공 부피는 t-plot법으로 계산하였고, 중기공 부피는 BJH (Barret-Joyner-Halenda)법으로 계산하였다.
본 연구에서는 수은 흡착용으로 제조된 활성탄의 이산화탄소 흡착 특성을 조사하였다. 활성탄은 서로 다른 탄화 조건 및 활성화 조건을 적용하여 제조함으로써 다양한 물리적 특성을 가지도록 하였다. 각 활성탄의 비표면적, 미세기공 부피, 중기공 부피에 따른 이산화탄소 흡착량을 조사하여, 각 물리적 인자가 이산화탄소 흡착량에 미치는 영향을 이해하고자 하였다.

대상 데이터

활성탄은 소나무 톱밥과 석탄을 원료로 하여 로타리 킬른식 반응기를 이용하여 제조하였다. 다양한 물리적 특성을 가진 활성탄을 제조하기 위하여, 탄화조건과 활성화 조건을 변화시키며 제조하였다.

이론/모형

)를 이용하여 분석하였다. 77 K 질소가스로 미세기공 부피는 t-plot법으로 계산하였고, 중기공 부피는 BJH (Barret-Joyner-Halenda)법으로 계산하였다. 활성탄 제조 장치, 제조 조건 및 방법에 대한 자세한 내용은 저자의 이전 논문[19]에서 찾을 수 있다.

성능/효과

Figure 3에서 보는 바와 같이 활성탄의 비 표면적이 증가함에 따라 이산화탄소 흡착량은 대체적으로 증가하였다. 가장 높은 이산화탄소 흡착량을 보인 P5 시료는 비표면적이 가장 높았고, 가장 낮은 이산화탄소 흡착량을 보인 P1 시료는 비표면적이 가장 낮은 정도의 수준이었다. Figure 3과 Figure 4에서 보는 바와 같이 소나무 톱밥 활성탄의 비표면적과 미세기공 부피는 이산화탄소 흡착량과 상대적으로 높은 연관성을 보인 반면에, Figure 5의 중기공 부피는 이산화탄소 흡착량과의 연관성이 매우 낮은 것으로 나타났다.
Figure 3과 Figure 4에서 보는 바와 같이 소나무 톱밥 활성탄의 비표면적과 미세기공 부피는 이산화탄소 흡착량과 상대적으로 높은 연관성을 보인 반면에, Figure 5의 중기공 부피는 이산화탄소 흡착량과의 연관성이 매우 낮은 것으로 나타났다. 그러나 P10, P11, P12 시료는 P4, P13 시료보다 낮은 비표면적과 미세기공 부피를 가지고 있음에도 보다 높은 이산화탄소 흡착량을 보여서, 본 연구에서 조사한 활성탄의 물리적 특성 이외에 다른 인자의 영향이 있음을 보여주고 있다.
1 mg CO₂g^-1을 나타내었다. 그리고 Figures 1, 2에서 소나무 톱밥 활성탄과 석탄 활성탄 모두 이산화탄소 흡착량이 높은 시료가 시간에 따른 이산화탄소 흡착량의 증가가 상대적으로 큰 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서 제조한 활성탄에 대해서는 이산화탄소 흡착량이 높은 활성탄이 이산화탄소흡착 속도도 높을 것으로 예상된다.
그리고 Figures 1, 2에서 소나무 톱밥 활성탄과 석탄 활성탄 모두 이산화탄소 흡착량이 높은 시료가 시간에 따른 이산화탄소 흡착량의 증가가 상대적으로 큰 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서 제조한 활성탄에 대해서는 이산화탄소 흡착량이 높은 활성탄이 이산화탄소흡착 속도도 높을 것으로 예상된다.
그 외의 여러 연구들[13-18]에서는 활성탄의 기공분포 영향을 조사하였는데, 대부분의 연구에서 활성탄의 미세기공이 이산화탄소 흡착에 미치는 영향이 큰 것으로 조사되었다. 따라서 탄소 흡착제의 이산화탄소 흡착에 대한기존의 연구들에서는 탄소 흡착제의 비표면적과 미세기공 부피가 증가함에 따라 이산화탄소 흡착량이 증가하는 것으로 나타났으며, 각 인자에 대한 상관계수는 연구자 마다 큰 차이를 보였다.
6847로 매우 밀접한 상관관계를 보이고 있다. 또한Figure 9와 10에서 소나무 톱밥, 석탄의 활성탄 원료 간의 그래프 기울기나 경향도 매우 유사한 것으로 나타났다. 이는 이산화탄소 흡착량을 높이기 위해서는 원료에 상관없이 비표면적과 미세기공 부피를 높여야 함을 보여주는 결과이기도 하다.
Figure 1은 소나무 톱밥 활성탄의 결과이고, Figure2는 석탄 활성탄의 이산화탄소 흡착 결과이다. 모든 시료에 대하여 실험 시간 40분 정도 이후에는 흡착량이 일정해지는 포화상태에 도달하는 것으로 나타났다. Figure 1에 나타난 소나무 톱밥 활성탄은 대체적으로 Figure 2의 석탄 활성탄보다 높은 이산화탄소 흡착량을 보였다.
소나무 톱밥 활성탄과 마찬가지로 석탄 활성탄에 대해서도 비표면적, 미세기공 부피, 중기공 부피에 따른 이산화탄소 흡착량을 Figure 6 ~ 8에 각각 나타내었다. 석탄 활성탄도 비표면적과 미세기공 부피가 이산화탄소 흡착량과 연관성이 높은 반면에, 중기공 부피와는 연관성이 낮은 점에서는 소나무 톱밥 활성탄과 공통된 특성을 보였다. 그러나 석탄 활성탄의 비표면적과 미세기공 부피가 나타내는 상관계수는 각각 0.
소나무 톱밥 활성탄은 석탄 활성탄보다 대체로 높은 이산화탄소 흡착량을 나타내었다. 소나무 톱밥 활성탄과 석탄 활성탄 모두에 대해서 비표면적과 미세기공 부피는 이산화탄소 흡착량과 상대적으로 높은 연관성을 보인 반면에, 중기공 부피는 낮은 연관성을 보였다. 그러나 소나무 톱밥 활성탄의 비표면적과 미세기공 부피가 나타내는 상관계수가 0.
소나무 톱밥과 석탄을 원료로 제조한 활성탄의 비표면적, 미세기공 부피, 중기공 부피에 따른 이산화탄소 흡착 특성을 조사하였다. 소나무 톱밥 활성탄은 석탄 활성탄보다 대체로 높은 이산화탄소 흡착량을 나타내었다. 소나무 톱밥 활성탄과 석탄 활성탄 모두에 대해서 비표면적과 미세기공 부피는 이산화탄소 흡착량과 상대적으로 높은 연관성을 보인 반면에, 중기공 부피는 낮은 연관성을 보였다.
앞서 살펴본 바와 같이 소나무 톱밥 활성탄과 석탄 활성탄의 이산화탄소 흡착량 차이가 크게 나타났으며, 동일한 원료의 활성탄 간에도 이산화탄소 흡착량의 차이를 보였다. 이는 각 활성탄의 물리적 특성의 영향으로 예상되므로, 활성탄의비표면적, 미세기공 부피, 중기공 부피에 따른 이산화탄소 흡착량을 조사하였다.
이는 본 연구에서 조사한 활성탄의 물리적 특성 이외에 다른 인자의 영향이 있음을 보여주는 것으로, 이에 대해서는 추가 연구가 요구된다. 활성탄의 비표면적과 미세기공 부피증가에 따른 이산화탄소 증가 경향은 소나무 톱밥 활성탄과 석탄 활성탄 모두 유사하여, 석탄 활성탄보다 대체적으로 높은 비표면적과 미세기공 부피를 나타내는 소나무 톱밥 활성탄이 대부분 더 높은 이산화탄소 흡착량을 나타내었다.

후속연구

9348으로 나타났다. 이는 본 연구에서 조사한 활성탄의 물리적 특성 이외에 다른 인자의 영향이 있음을 보여주는 것으로, 이에 대해서는 추가 연구가 요구된다. 활성탄의 비표면적과 미세기공 부피증가에 따른 이산화탄소 증가 경향은 소나무 톱밥 활성탄과 석탄 활성탄 모두 유사하여, 석탄 활성탄보다 대체적으로 높은 비표면적과 미세기공 부피를 나타내는 소나무 톱밥 활성탄이 대부분 더 높은 이산화탄소 흡착량을 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	아민 흡수제를 이용한 화학흡수법의 단점은 무엇인가?	배기가스로부터 이산화탄소를 처리하는 대표적인 기술은 아민 흡수제를 이용한 화학흡수법이다. 이 기술은 이미 상용화되어 현장에 적용되고 있으나, 에너지 요구량이 매우 높은 단점이 있다[3,4]. 그래서 이산화탄소 처리 비용을 줄이기 위한 기술을 개발하고자 지속적인 노력이 이루어지고 있는 것이다.
	이산화탄소란 무엇인가?	이산화탄소는 화석연료의 연소과정에서 대기 중으로 배출되는 온실가스로서 기후변화의 원인 물질로 잘 알려져 있다[1,2]. 배기가스로부터 이산화탄소를 처리하는 대표적인 기술은 아민 흡수제를 이용한 화학흡수법이다.
	본 연구에서 이산화탄소 흡착량을 조사하기 위해 분석한 활성탄의 물리적 인자에는 무엇이 있나?	활성탄은 서로 다른 탄화 조건 및 활성화 조건을 적용하여 제조함으로써 다양한 물리적 특성을 가지도록 하였다. 각 활성탄의 비표면적, 미세기공 부피, 중기공 부피에 따른 이산화탄소 흡착량을 조사하여, 각 물리적 인자가 이산화탄소 흡착량에 미치는 영향을 이해하고자 하였다. 또한, 활성탄의 수은 흡착 특성과 이산화탄소 흡착특성 결과를 서로 비교함으로써, 활성탄의 물리적 특성에 따른 가스 선택성을 이해하고, 향후 다중 오염물질 제거를 위한 기초자료로 활용하고자 하였다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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