[논문]인산 및 수증기 활성화에 의한 대나무 활성탄 제조 및 특성 연구

박정우; 리황부; 오창호; 김승수

doi:10.7464/ksct.2019.25.2.127

인산 및 수증기 활성화에 의한 대나무 활성탄 제조 및 특성 연구
Preparation and Characterization of Bamboo-based Activated Carbon by Phosphoric Acid and Steam Activation 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.25 no.2, 2019년, pp.129 - 139

박정우 (강원대학교 삼척캠퍼스 화학공학과) , 리황부 (강원대학교 삼척캠퍼스 화학공학과) , 오창호 (대경에스코) , 김승수 (강원대학교 삼척캠퍼스 화학공학과)

초록
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대나무는 지구상에 존재하는 식물 중 적절한 기후와 토양조건에서 생산성이 가장 높고, 성장속도가 가장 빠른 다년생 식물로 알려져 있다. 전통적으로 아시아에서 대나무는 음식, 건축 및 다양한 재료로 활용되고 있다. 바이오매스 자원으로 대나무는 열분해과정을 거쳐 활성탄으로 제조될 수 있다. 본 연구에서는 탄화온도, 활성화 온도, 시간, 수증기의 양, 그리고 인산의 양 등을 변화에 따른 최적의 대나무 활성탄 제조 연구를 수행하였다. 대나무 탄화 후 수증기 활성화를 위해 $700{\sim}900^{\circ}C$의 온도, $0.8{\sim}1.8mL-H_2O\;g-char^{-1}\;h^{-1}$ 수증기 유량 범위에서 1 ~ 3 h 동안 활성화를 진행하였다. 수증기 유량을 $1.4mL-H_2O\;g-char^{-1}\;h^{-1}$으로 2 h 동안 실험한 결과 활성탄 수율과 비표면적은 각각 2.04 ~ 20.59 wt%, $499.17{\sim}1074.04m^2\;g^{-1}$의 값이 나왔다. 대나무와 인산의 질량비를 1:1로 혼합한 후 $700^{\circ}C$에서 유량 $1.4mL-H_2O\;g-char^{-1}\;h^{-1}$ 속도로 2 h 동안 활성화를 진행한 결과 활성탄 수율과 비표면적은 각각 24.67 wt%, $1389.59m^2\;g^{-1}$의 값이 나타냈다. 제조된 대나무 활성탄을 대상으로 메틸렌블루 흡착 실험을 통해 유사 1차, 2차 속도식 모델을 적용하였으며, 화학적 흡착을 의미하는 유사 2차 속도식에 따랐다.

Abstract ▼ AI-Helper

Bamboo is an evergreen perennial plant, and it is known as one of the most productive and fastest-growing plants in the world. It grows quickly in moderate climates with only moderate water and fertilizer. Traditionally in Asia, bamboo is used for building materials, as a food source, and as versatile raw materials. Bamboo as a biomass feedstock can be transformed to prepare activated carbon using the thermal treatment of pyrolysis. The effect of process variables such as carbonization temperature, activation temperature, activation time, the amount of steam, and the mixing ratio of phosphoric acid and bamboo were systematically investigated to optimize the preparation conditions. Steam activation was proceeded after carbonization with a vapor flow rate of $0.8{\sim}1.8mL-H_2O\;g-char^{-1}\;h^{-1}$ and activation time of 1 ~ 3 h at $700{\sim}900^{\circ}C$. Carbon yield and surface area reached 2.04 ~ 20.59 wt% and $499.17{\sim}1074.04m^2\;g^{-1}$, respectively, with a steam flow rate of $1.4mL-H_2O\;g-char^{-1}\;h^{-1}$ for 2 h. Also, the carbon yield and surface area were 24.67 wt% and $1389.59m^2\;g^{-1}$, respectively, when the bamboo and phosphoric acid were mixed in a 1:1 weight ratio ($700^{\circ}C$, 2 h, $1.4mL-H_2O\;g-char^{-1}\;h^{-1}$). The adsorption of methylene blue into the bamboo activated carbon was studied based on pseudo first order and second order kinetics models. The adsorption kinetics were found to follow the pseudo second order model, which is governed by chemisorption.

주제어

표/그림 (16)

그림 Figure 1. Schematic diagram of tubular type pyrolysis reactor.
그림 Scheme 1. Experimental procedure of bamboo activated carbon and phosphoric acid mixed bamboo activated carbon, Formation of phosphate esters on cellulose side-chains (T 450 ℃) [21].
표 Table 1. Characteristics of bamboo: contents of volatile matter, fixed carbon, moisture, ash, elements and higher heating value (HHV)
그림 Figure 2. TG&DTG curves and peak separation of bamboo at heating rates of 10 ℃ min^-1.
표 Table 2. Inorganic compositions of bamboo
표 Table 3. Characteristics of bamboo activated carbon produced through different activation conditions
그림 Figure 3. SEM image of bamboo activated carbon at 750 ℃, 800 ℃, and 850 ℃; ×500.
그림 Figure 4. Micropore and mesopore distribution using BET analysis of bamboo activated carbon with different steam flow rate.
표 Table 4. Effect of the mixing ratio of bamboo and phosphoric acid on drying and carbonization yield
표 Table 5. Effect of mixing ratio of bamboo and phosphoric acid, activation temperature, and steam flow rate on product yield and characteristics
그림 Figure 5. Micropore and mesopore distribution using BET analysis of bamboo activated carbon with different mixing ratio phosphoric acid.
그림 Figure 6. SEM image of phosphoric acid mixed bamboo activated carbon at 600 ℃, 700 ℃, and 850 ℃; ×500.
그림 Figure 7. FT-IR spectra of carbonization carbon and activated carbon for AC3 (800 ℃, 1.4 mL-H₂O g-char^-1 h^-1, 2 h) and AC-P4 (bamboo : phosphoric acid = 1:1 wt ratio, 700 ℃, 1.4 mL-H₂O g-char^-1 h^-1, 2 h) conditions: 1. AC3 Carbonization carbon, 2. AC3 Activated carbon, 3. AC-P4 Carbonization carbon, 4. AC-P4 Activated carbon.
그림 Figure 8. Weight loss for bamboo activated carbon: (a) AC3 (800 ℃, 1.4 mL-H₂O g-char^-1 h^-1, 2 h) and (b) AC-P4 (bamboo : phosphoric acid = 1:1 wt ratio, 700 ℃, 1.4 mL-H₂O gchar^-1 h^-1, 2 h) at heating rate of 10 ℃min^-1.
그림 Figure 9. Kinetic parameters for methylene blue adsorption on activated carbon at different weight: AC3 (800 ℃, 1.4 mL-H₂O g-char^-1 h^-1, 2 h) and AC-P4 (bamboo : phosphoric acid = 1:1 wt ratio, 700 ℃, 1.4 mL-H₂O g-char^-1 h^-1, 2 h).
표 Table 6. Kinetic parameters for adsorption of methylene blue on activated carbon at different weight; (a) AC3 (800 ℃, 1.4 mL-H₂O g-char^-1 h^-1, 2 h) and (b) AC-P4 (bamboo : phosphoric acid = 1:1 wt ratio, 700 ℃, 1.4 mL-H₂O g-char^-1 h^-1, 2 h)

AI 본문요약
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제안 방법

AC-P6 ~ 9은 대나무와 인산을 1:1 질량비로 혼합 후 600 ℃에서 탄화를 진행하고, 이 과정에서 생성된 탄소를 각각의 활성화 온도를 변경하여 실험을 진행하였다. 활성화 온도가 600 ~ 850 ℃로 증가할수록 활성탄 수율이 감소한 것으로 나타났다.
FT-IR 분석으로 활성탄의 열분해 및 활성화 영향으로 인한 작용기 생성 및 변화에 대하여 확인하였다. 인산으로 전 처리하기 전 후 생성된 탄화제(600 ℃, 2 h)와 수율, 요오드 흡창량 및 비표면적 모두 가장 효율적으로 생성된 활성탄 AC₃ (800 ℃, 1.
반응기 외부는 3 kW 전기로가 설치되어 온도가 조절되었으며, 대나무가 담기는 바스켓은 32 mesh 스테인레스 망을 사용하여 지름 40 mm, 길이 150 mm 실린더 형으로 제작하였다. 관형 반응기 내부에 질소를 일정한 유량으로 흘려주어 불활성 분위기에서 실험을 진행하였다.
대나무를 열중량 분석기를 이용하여 10 ℃ min^-1의 승온속도로 20 ℃에서부터 700 ℃까지 분석 하였다. 열중량 변화 곡선에서 각각의 기울기가 변하는 지점을 대나무 구성성분의 주된 물질이 분해되는 구간이라 결정하여 DTG 곡선의 피크 분리(peak separation)를 하였다.
본 연구에 사용된 바이오매스(biomass) 중 대나무(bamboo)는 다년생 볏과 식물이며, 친환경적인 소재로서 하루 최대 60 cm의 성장속도를 가지고 있으며[13], 강인한 생명 력을 지니고 있고 3~5년이 지나면 다양한 용도로 사용될 수 있다. 대나무를 이용한 활성탄 제조를 위해 600 ℃ 탄화(carbonization) 과정을 거치고, 비표면적, 기공크기 변화 및 흡착성능 향상을 위해 600 ~ 850 ℃에서 수증기를 이용하여 활성화과정을 진행하였다. 인산(phosphoric acid)를 이용한 전 처리를 위해 인산과 대나무를 혼합하여 600 ℃에서 탄화 후 열분해를 진행하고, 7000 ℃에서 수증기를 이용한 물리적 활성 화를 진행하였다.
대나무와 인산을 1:0.5, 1:0.65, 1:0.85, 1:1, 1:2의 질량비로 혼합하여 120 ℃에서 2 h 동안 건조하고, 600 ℃에서 2 h 동안 탄화를 진행하였다(Table 4).
무기물 함량분석은 유도결합플라즈마 질량분광계 (Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometer, Ultramass– 700, Varian)를 사용하여 Si, Ca, Fe, Mn, Zn, Mg, Na, K 및 P의 함량을 분석 하였다.
의 승온속도로 20 ℃에서부터 700 ℃까지 분석 하였다. 열중량 변화 곡선에서 각각의 기울기가 변하는 지점을 대나무 구성성분의 주된 물질이 분해되는 구간이라 결정하여 DTG 곡선의 피크 분리(peak separation)를 하였다. DTG 곡선에서 헤미셀룰로스 (hemicellulose), 셀룰로스(cellulose), 리그닌(lignin)을 각각 분리하여 Figure 2에 나타내었다.
무기물 함량분석은 유도결합플라즈마 질량분광계 (Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometer, Ultramass– 700, Varian)를 사용하여 Si, Ca, Fe, Mn, Zn, Mg, Na, K 및 P의 함량을 분석 하였다. 열중량 분석기(Thermogravimetric Analyzer; TGA-N1000, Sinco)를 사용하여 온도변화에 따른 열중량 특성을 확인하였으며, 질소유량을 20 mL min^-1로 흘려주면서 승온속도 10 ℃ min^-1으로 20 ℃에서 700 ℃까지 의 무게변화를 측정하였다. 온도 변화에 따른 DTG 그래프 (differential thermogravimetric graph: DTG)로 표현하였다.
대나무를 이용한 활성탄 제조를 위해 600 ℃ 탄화(carbonization) 과정을 거치고, 비표면적, 기공크기 변화 및 흡착성능 향상을 위해 600 ~ 850 ℃에서 수증기를 이용하여 활성화과정을 진행하였다. 인산(phosphoric acid)를 이용한 전 처리를 위해 인산과 대나무를 혼합하여 600 ℃에서 탄화 후 열분해를 진행하고, 7000 ℃에서 수증기를 이용한 물리적 활성 화를 진행하였다. 제조된 활성탄의 물리적 특성을 살펴보았으며, 흡착 특성과 거동을 알아보기 위해 요오드 흡착시험(iodine adsorption)과 메틸렌블루 흡착(methylene blue adsorption)시험을 진행하였다.
앞에서 설명한바 와 같이 가스화 반응으로 수증기와 탄소가 반응하여 표면에 활성점이 생기게 되며, 생성된 수소는 활성화된 표면과 반응 하여 생성된 것으로 판단된다[8-10]. 인산으로 전처리된 탄화 제(600 ℃, 2 h)와 활성탄 AC-P4 (1:1, 700 ℃, 1.4 mL-H₂O g-char^-1 h^-1, 2 h)을 비교하였다. 인산으로 전처리된 탄화제를 분석한 결과 2852-2950, 3030-3077 및 3300-3530 cm-1 범위에 서 각각 지방족(Aliphatic) CH, CH₂, CH₃ 구조와 방향족 (Aromatic) C-H 구조 및 Hydrogen-bonded O-H groups을 나타내고 있다.
AC-P 제조를 위한 전처리 과정으로 인산이 혼합된 대나무를 오븐 온도 120 ℃에서 2 h 동안 건조하였으며, 이후에 AC와 동일한 조건에 서 탄화하였다. 인산의 혼합비를 1:0.5 ~ 2까지 증가시키면서 전처리 및 탄화 수율을 분석하였다. 탄화 후 생성된 촤(Char) 를 활성화 온도 700 ℃에서 수증기 유량 1.
작용기가 많이 있을수록 불안정한 결합 상태를 유지하게 되며, 인산으로 전처리 하기 전과 전처리 한 후에 생성된 대나무 활성탄을 비교하기 위하여 TGA로 제조된 활성탄의 열 안정성을 분석하여 Figure 8에 나타내었다. 제조된 활성탄 중 수율, 요오드 흡착량 및 비표면적 모두 가장 효율적으로 생성된 활성탄 AC3 (800 ℃, 1.4 mL-H₂O g-char^-1 h^-1, 2 h), AC-P4 (1:1, 700 ℃, 1.4 mL-H₂O g-char^-1 h^-1, 2 h)로 결정하였다. Figure 8에서 (a)는 AC3 (800 ℃, 1.
인산(phosphoric acid)를 이용한 전 처리를 위해 인산과 대나무를 혼합하여 600 ℃에서 탄화 후 열분해를 진행하고, 7000 ℃에서 수증기를 이용한 물리적 활성 화를 진행하였다. 제조된 활성탄의 물리적 특성을 살펴보았으며, 흡착 특성과 거동을 알아보기 위해 요오드 흡착시험(iodine adsorption)과 메틸렌블루 흡착(methylene blue adsorption)시험을 진행하였다.
탄화를 위해 질소 유량 750 mL min^-1에 탄화 온도 600 ℃에서 2 h 동안 진행하였다. 탄화된 대나무는 질소 유량 200 mL min^-1, 활성화 온도 800 ℃에서 수증기의 유량을 0.2 mL-H₂O g-char^-1 h^-1 간격으로 0.8 ~ 1.8 mL-H₂O g-char^-1 h^-1까지 증가시키면서 2 h 동안 활성화를 진행하였다. 활성화 온도, 수증기량, 활성화 시간 변화에 따라 활성탄의 수율, 요오드 흡착량 및 비표면적을 분석하였다.
4 mL-H₂O g-char^-1 h^-1을 흘려주며 2 h 동안 활성화를 진행하였다. 혼합 비율, 활 성화 온도 변화에 따라 활성탄의 수율, 요오드 흡착량 및 비표면적 분석하였다
활성탄 AC3과 AC-P4를 각각 0.1, 0.15, 0.2, 0.25 및 0.3g으로 무게를 다르게 하여 메틸렌블루 흡착실험을 진행하였으며, 얻어진 결과를 유사 1차 속도식과 유사 2차 속도식에 적용하여 Figure 9과 Table 6에 나타내었다. Table 6에 유사 1차 속도식에 대한 일치도를 나타내는 R² 값은 0.
8 mL-H₂O g-char^-1 h^-1까지 증가시키면서 2 h 동안 활성화를 진행하였다. 활성화 온도, 수증기량, 활성화 시간 변화에 따라 활성탄의 수율, 요오드 흡착량 및 비표면적을 분석하였다. AC-P는 Scheme 1에서 전처리 순서도와 같은 조건으로 실험하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용한 대나무의 휘발분(volatile matter), 고정탄소 (fixed carbon), 수분(moisture), 회분(ash), 원소분석(elemental analysis) 결과 및 고위발열량(higher heating value: HHV)을 Table 1에 나타내었다. 대나무의 수분과 회분함량은 각각 11.
수증기를 사용하여 활성화한 대나무 활성탄(activated carbon: AC)과 인산을 혼합 후 제조된 대나무 활성탄(Activated Carbon - Phosphoric acid mixed: AC-P)을 각각 제조하였다. AC는 Scheme 1에서 순서도(Flowchart)와 같은 조건으로 실험하였다.
메틸렌블루의 흡착속도를 분석하기 위해 대표적으로 Lagergren에 의해 경험적으로 제시된 유사 1차 속도식(Pseudo first order kinetics model) [28]과 Ho와 Mckay에 의해 제시된 유사 2차 속도식(Pseudo second order kinetics model) [29]을 적용하였다. 제조된 활성탄 중 수율, 요오드 흡착량 및 비표면적 모두 가장 효율적으로 생성된 활성탄 AC3 (800 ℃, 1.4 mL-H₂O g-char^-1 h-1, 2 h)와 AC-P4 (1:1, 700 ℃, 1.4 mL-H₂O g-char^-1 h^-1, 2 h)을 이용하였다. 액상계면에서의 확산으로 물 리적 흡착 나타내는 유사 1차 속도식을 Equation (5)에 나타냈고, 빠른 흡착 속도로 화학적 흡착을 나타내는 유사 2차 속도식은 Equation (6)에 나타냈다.

데이터처리

시료의 원소분석은 원소분석기(Elemental analyzer; FlashEA 1112, Thermo Fisher Scientific) 를 사용하여 C, H, N 및 O의 함량을 분석하였고, 이 결과를 이용하여 Demirbas가 제안한 식으로 열량을 계산하였다. 계산된 열량 값은 비교 위해 봄베열량계(Bomb calorimeter, SDC313 Calorimeter, YeonJin)를 이용하여 측정한 값과 비교 하였다. 무기물 함량분석은 유도결합플라즈마 질량분광계 (Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometer, Ultramass– 700, Varian)를 사용하여 Si, Ca, Fe, Mn, Zn, Mg, Na, K 및 P의 함량을 분석 하였다.

이론/모형

메틸렌블루의 흡착속도를 분석하기 위해 대표적으로 Lagergren에 의해 경험적으로 제시된 유사 1차 속도식(Pseudo first order kinetics model) [28]과 Ho와 Mckay에 의해 제시된 유사 2차 속도식(Pseudo second order kinetics model) [29]을 적용하였다. 제조된 활성탄 중 수율, 요오드 흡착량 및 비표면적 모두 가장 효율적으로 생성된 활성탄 AC3 (800 ℃, 1.
준비된 대나무 시료의 수분과 회분함량을 결정하기 위하여 ASTM E1756-01 [14], ASTM E1755-01 [15]를 이용하였다. 시료의 원소분석은 원소분석기(Elemental analyzer; FlashEA 1112, Thermo Fisher Scientific) 를 사용하여 C, H, N 및 O의 함량을 분석하였고, 이 결과를 이용하여 Demirbas가 제안한 식으로 열량을 계산하였다. 계산된 열량 값은 비교 위해 봄베열량계(Bomb calorimeter, SDC313 Calorimeter, YeonJin)를 이용하여 측정한 값과 비교 하였다.
대나무는 분쇄기(YF3-1 Pulverizer, Sinopham)를 사용하여 2 mm 이하 크기로 분쇄한 후 체(sieve)를 이용하여 425 ~ 1190 µm의 크기를 준비하였다. 준비된 대나무 시료의 수분과 회분함량을 결정하기 위하여 ASTM E1756-01 [14], ASTM E1755-01 [15]를 이용하였다. 시료의 원소분석은 원소분석기(Elemental analyzer; FlashEA 1112, Thermo Fisher Scientific) 를 사용하여 C, H, N 및 O의 함량을 분석하였고, 이 결과를 이용하여 Demirbas가 제안한 식으로 열량을 계산하였다.

성능/효과

FT-IR 분석에서 확인한 결과 Hydrogen-bonded O-H groups로 인하여 수분이 더 많이 흡착된 것으로 판단된 다. (a) AC3와 (b) AC-P4를 100 ℃부터 800 ℃까지 무게가 감 소한 결과 각각 26.35 wt%, 13.11 wt%로 확인되었다. 특징적으 로 나타나는 변화로 (a) AC3의 무게 감소는 온도가 증가할수록 서서히 무게가 감소하는 것으로 나타났지만 (b) AC-P4의 결과를 보면 630 ℃에서부터 분해가 진행되는 것을 볼 수 있 다.
4 mL-H₂O g-char-1 h-1, 2 h)이다. 분석 결과 100 ℃ 이하에서는 흡착된 수분이 제거되는 온도로 (a) AC3와 (b) AC-P4에서 각각 2.64 wt%, 1.07 wt% 감소되었다. FT-IR 분석에서 확인한 결과 Hydrogen-bonded O-H groups로 인하여 수분이 더 많이 흡착된 것으로 판단된 다.
(b) AC-P4의 결과를 보면 630 ℃에서부터 분해가 진행되는 것을 볼 수 있 다.
4 개의 시료를 분석한 결과 공통적으로 2350 cm^-1에서 C-N 구조가 나타났으며, 강한 결합으로 인해 반응에 참여하지 않는 것으로 판단된다. 대나무를 탄화만 시킨 탄화제(600 ℃, 2 h) 와 수증기 활성화로 제조된 활성탄 AC3 (800 ℃, 1.
활성화 시간이 증가할수록 물리적 활성화에 의한 활성탄 생 성 수율이 감소하였으며, 비표면적과 요오드 흡착량이 증가 하는 것으로 나타났다. AC1에서 AC12까지 수율, 요오드 흡착량 및 비표면적 결과를 가지고 비교하였으며, 이중 11.30 wt%, 1238.98 mg g-1 및 898.11 m2 g-1의 결과를 나타낸 AC3 (800 ℃, 1.4 mL-H₂O g-char-1 h-1, 2 h) 조건에서 가장 좋은 효율을 나타내었다.
인산으로 전처리한 이후 수증기로 700 ℃에서 활성화를 진행한 활성탄(AC-P4) 은 앞에서 설명한 대부분의 작용기들이 제거된 것을 확인하 였다. Scheme 1에서 인산으로 전처리한 후 450 ℃ 이하에서 인산다이에스터 결합이 만들어지는 메커니즘을 나타냈고, FT-IR 분석에서도 인산 전처리 후 탄화만 한 경우에 이런 내용을 확인할 수 있었다. 결과적으로 인산 전처리 후 수증기로 700 ℃에서 수증기로 활성화할 경우, scheme 1에서 설명한바 와 같이 수증기 반응으로 인한 인산다이에스터 결합이 제거 된 것을 FT-IR 분석결과로 확인하였고, 이런 영향으로 활성 탄의 물리적 성질이 개선되는 것으로 판단된다.
Table 3에서 AC1 ~ AC5 조건으로 활성화를 진행한 결과 활성화 온도가 증가하면서 결합력이 약한 유기물이 분해되어 20.59%에서 2.04%로 수율이 감소하는 것으로 나타났다. SEM (Scanning Electron Microscop, JSM-6701F, JEOL)으로 500 배율로 분석한 Figure 3을 보면 동일한 형태의 구조를 가 지고 있는 활성탄의 경우 750 ℃에서는 기공의 평균 크기가 ≤ 30 µm이며, 800 ℃는 ≤ 20 µm, 850 ℃는 ≤ 15 µm로 온도가 증가하면서 작아지는 경향을 나타냈다.
04 cm3 g-1가 나왔다. 결과를 보면 수증기는 활성화를 진행하면서 기공 생성에 큰 영향을 주며, 수증기량이 증가할 수록 기공 확장으로 인한 비표면적 및 기공부피가 감소하는 것을 알 수 있다.
Scheme 1에서 인산으로 전처리한 후 450 ℃ 이하에서 인산다이에스터 결합이 만들어지는 메커니즘을 나타냈고, FT-IR 분석에서도 인산 전처리 후 탄화만 한 경우에 이런 내용을 확인할 수 있었다. 결과적으로 인산 전처리 후 수증기로 700 ℃에서 수증기로 활성화할 경우, scheme 1에서 설명한바 와 같이 수증기 반응으로 인한 인산다이에스터 결합이 제거 된 것을 FT-IR 분석결과로 확인하였고, 이런 영향으로 활성 탄의 물리적 성질이 개선되는 것으로 판단된다.
DTG 곡선에서 헤미셀룰로스 (hemicellulose), 셀룰로스(cellulose), 리그닌(lignin)을 각각 분리하여 Figure 2에 나타내었다. 대나무는 주로 200 ~ 600 ℃ 사이에서 열분해반응이 진행되었으며, 헤미셀룰로스, 셀룰로스와 리그닌이 분해되는 최대 온도는 각각 312 ℃, 360 ℃ 및 424 ℃였으며, 피크 분리로부터 각각의 성분은 42.89 wt%, 37.13 wt% 및 19.98 wt%를 포함하고 있는 것을 확인하였다. 다른 초질계 바이오매스인 햄프와 비교한 결과 헤미셀룰로오스, 셀룰로오스, 리그닌이 각각 20 ~ 40 wt%, 40 ~ 60 wt%와 10 ~ 25 wt%로 비슷한 함량으로 포함하고 있다[18].
대나무를 TGA 분석 결과 주된 열분해 온도 범위는 300 ~ 450 ℃로 이중 헤미셀룰로오즈가 42.89%로 가장 높았다. 활성화 온도 800 ℃에서 수증기 유량 1.
99이상 나와 1차속도식과 비교하였을 때 비해 매우 높은 값을 나타났다. 또한 AC3에 비해 AC-P4가 높은 흡착속도가 보였고, 제조된 활성탄을 가지고 비교하였을 때 유사 2차 속도식에 더 적합하다는 것으로 판단할 수 있다. 대나무로 제 조한 활성탄이 유사 1차 속도식 특징인 메틸렌블루와의 흡착을 할 때 매우 느리고 미량의 흡착이 이루어지는 물리적인 흡착으로 진행하는 것이 아닌 유사 2차 속도식의 특징인 강한 화학적 흡착을 바탕으로 빠른 흡착을 하는 것으로 판단된다[28-31].
대나무와 인산을 혼합한 경우 활성탄 생산량이 증가하였 으며, 낮은 에너지로 큰 비표면적을 갖고 열에도 안정한 활성탄을 제조하였다. 메틸렌블루 흡착량 실험 결과 유사 2차 속도식에 따라 흡착반응은 물리적 흡착이 아닌 화학적 흡착이 주도적인 것으로 확인되었다.
이와 같은 이유로는 Equation (1), (2)과 같은 탄소가 수증기와 반응하는 수성가스화반응(water gas shift reaction)에 의해 탄소가 제거되었기 때문이다. 수증기 유량이 증가하면서 AC3 (800 ℃, 1.4 mL-H2O g-char-1 h-1, 2 h)에서 가장 높은 비표면적과 요오드 흡착량이 나타났으며, 1.4 mL-H2O g-char-1 h-1 이상으로 수증기 유량이 증가하면 비표면 적과 요오드 흡착량이 감소하는 것으로 나타났다. BET를 이용하여 제조된 활성탄의 기공크기를 분석하여 Figure 4에 나타냈 다.
Table 3에는 활성화 온도, 수증기량, 활성화 시간 변화에 따라 대나무 활성탄의 수율, 요오드 흡착량 및 비표면적 분석 결과를 나타냈다. 수증기 활성화 전 대나무의 탄화를 위해 질소가 750 mL min-1의 속도로 흐르는 불활성 조건에서 탄화온 도 600 ℃에서 2 h 동안 열분해하여 탄화 수율을 계산한 결과 24.69 wt%가 나왔다.
69 MJ kg-1)보다 높은 열량 값을 나타내 었다[18]. 실제 고위발열량을 측정하기 위하여 봄베열량계를 가지고 분석한 결과 17.97 MJ kg-1의 열량이 나왔으며, 원소 분석 결과로부터 Equation (4)를 이용하여 계산한 값과 거의 일치하는 것을 확인하였다.
SEM (Scanning Electron Microscop, JSM-6701F, JEOL)으로 500 배율로 분석한 Figure 3을 보면 동일한 형태의 구조를 가 지고 있는 활성탄의 경우 750 ℃에서는 기공의 평균 크기가 ≤ 30 µm이며, 800 ℃는 ≤ 20 µm, 850 ℃는 ≤ 15 µm로 온도가 증가하면서 작아지는 경향을 나타냈다. 이런 결과로 활성화 온도가 증가하면서 활성탄의 단위 무게당 차지하는 비표 면적이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
BET를 이용하여 제조된 활성탄의 기공크기를 분석하여 Figure 5에 나타냈다. 인산 전처리 후 활성화를 진행한 결과 미세기공이 많이 발달 되는 것으로 나타났으며, 미세 기공이 발달됨에 따라 비표면적도 크게 증가하였다. 그리고, 인산의 양이 증가하면서 미세기공 생성에 도움을 주지만 인산이 1:1 이상 혼합되면 기공의 생성이 감소하는 것을 볼 수 있다.
85, 1:1, 1:2의 질량비로 혼합하여 120 ℃에서 2 h 동안 건조하고, 600 ℃에서 2 h 동안 탄화를 진행하였다(Table 4). 인산 혼합 비율이 증가할수록 건조 후 수율 및 탄화 후 수율이 각각 79.85 ~ 90.25 wt%와 40.59 ~ 45.33 wt%로 증가하였다. 흰 참나무(white oak tree) [21]와 백합나무(tulip tree) [22]를 인산으로 혼합 후 75 ℃의 낮은 온도에서 전처리한 바이오매스를 원소 분석한 결과 산 소와 수소 원자가 감소된 것으로 보고되었다.
89 ppm [18]으로 나왔다. 초질계 바이오매스 대나무와 햄프는 특징적으로 칼륨(K)을 함량이 높게 나왔으며, 굴참나무는 대나무와 다르게 칼슘(Ca) 함량이 높게 나왔다.
4 mL-H₂O g-char-1 h-1에서 활성화 시간을 1 ~ 3 h 증가하여 실험하였다. 활성화 시간이 증가할수록 물리적 활성화에 의한 활성탄 생 성 수율이 감소하였으며, 비표면적과 요오드 흡착량이 증가 하는 것으로 나타났다. AC1에서 AC12까지 수율, 요오드 흡착량 및 비표면적 결과를 가지고 비교하였으며, 이중 11.
89%로 가장 높았다. 활성화 온도 800 ℃에서 수증기 유량 1.4 mL-H₂O g-char^-1 h^-1의 속도로 2 h 동안 수증기 활성화를 진행하여 얻어진 활성탄의 수율, 요오드 흡착량 및 비표면적은 각각 11.30 wt%, 1238.98 mg g^-1과 898.00 m2 g^-1으로 가장 효율적인 활성탄이 제조되었다. 대나무와 인산을 혼합한 경우 활성탄 생산량이 증가하였 으며, 낮은 에너지로 큰 비표면적을 갖고 열에도 안정한 활성탄을 제조하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	활성탄 제조를 위한 화학적 활성화 방법은?	활성탄 제조를 위한 화학적 활성화 방법으로 황산[11], 수 산화칼륨[12], 인산[8], 탄산칼륨[9]과 같은 여러 가지 화학물질을 이용하며, 열분해 전에 전처리 후 활성화가 진행된다. 화학적 활성화는 비교적 낮은 온도에서 진행되며, 침식 및 산 화반응에 의한 비표면적 증가에 도움을 준다.
	대나무는 무엇인가?	대나무는 지구상에 존재하는 식물 중 적절한 기후와 토양조건에서 생산성이 가장 높고, 성장속도가 가장 빠른 다년생 식물로 알려져 있다. 전통적으로 아시아에서 대나무는 음식, 건축 및 다양한 재료로 활용되고 있다.
	흡착에 가장 널리 사용되는 활성탄의 수요는 어떠한가?	흡착은 대기 및 수질 오염 제어를 위한 가장 유용한 기술 중 하나이며, 활성탄은 가장 널리 사 용되는 흡착제이다[1]. 활성탄에 대한 수요는 오염가스의 처리, 수질환경 개선, 자동차 소유율의 증가, 농업 및 제조 산업에 대한 환경 규제 증가로 인하여 증가하고 있다. 활성탄의 응용분야로는 연소 후 이산화탄소를 포집하고 배출량을 줄이기 위하여 흡착제로 사용한다[2].

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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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