[논문]활성탄소섬유의 비표면적에 따른 유해가스 흡착 및 전기화학적 감응 특성

강진균; 정용식; 배병철; 류지현

doi:10.17702/jai.2020.21.2.51

활성탄소섬유의 비표면적에 따른 유해가스 흡착 및 전기화학적 감응 특성
Effect of Specific Surface Area of Activated Carbon Fiber on Harmful Gas Adsorption and Electrochemical Responses 원문보기

접착 및 계면 = Journal of adhesion and interface, v.21 no.2, 2020년, pp.51 - 57

강진균 (ECO융합섬유연구원) , 정용식 (전북대학교 유기소재섬유공학과) , 배병철 (ECO융합섬유연구원) , 류지현 (원광대학교 탄소융합공학과)

초록
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최근 산업활동을 통해 배출되는 유해 오염물질 제거에 대한 관심이 증가하고 있다. 본 연구에서는 수증기 활성화 법을 이용하여 활성탄소섬유를 제조하고, 이의 유해가스 흡착 및 전기화학적 감응 특성을 분석하였다. 활성탄소섬유의 균일한 기공 구조, 활성 반응 면적 및 반응 위치를 조절하기 위하여, 활성화 온도(750-850 ℃) 및 활성화 시간(30-240 min)을 조절하였고, 다양한 활성화 조건을 통해 제조된 활성탄소섬유의 SO₂와 NO 가스 흡착 및 가스 센서를 통한 감응 특성을 분석하였다. 특히, 850 ℃에서 45 min동안 수증기 활성화 반응을 통해 제조된 활성탄소섬유가 가장 높은 비표면적(1,041.9 ㎡/g)과 기공 특성(0.42 ㎤/g)을 보였으며, 우수한 SO₂ (1.061 mg/g) 및 NO (1.210 mg/g) 가스 흡착 특성을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, there has been growing interest in the study of removal of harmful and hazardous pollutants emitted by industrial activities. In this study, we have developed porous activated carbon fibers prepared by a water vapor activation method and analyzed the adsorptions of the harmful gases with electrochemical responses of activated carbon fibers. To control the uniformity of pore structures, active reaction areas, and active sites, the reaction conditions of activation temperatures were varied from 750 to 850 ℃ with the predetermined reaction time intervals (30 to 240 min). The SO2 and NO gas adsorptions of activated carbon fibers prepared by various reaction conditions were analyzed and monitored by electrochemical sensor responses. In particular, the activated carbon fibers prepared at the reaction temperature of 850 ℃ and time of 45 min showed the highest specific surface area (1,041.9 ㎡/g) and pore characteristics (0.42 ㎤/g), and excellent adsorption capabilities of SO2 (1.061 mg/g) and NO (1.210 mg/g) gases, respectively.

주제어

표/그림 (8)

표 Table 1. 다양한 수증기 활성화 조건에 따라 제조된 활성탄소섬유의 비표면적 및 미세기공도
그림 Figure 1. 다양한 수증기 활성화 조건에 따라 제조된 활성탄소섬유의 N₂ 흡착등온선.
표 Table 2. 활성화 조건 별 최대 비표면적을 갖는 활성탄소섬유의 SO₂ 가스 흡착 특성 분석
그림 Figure 2. 다양한 수증기 활성화 조건에 따라 제조된 활성탄소섬유의 Tensile strength-Tensile modulus 그래프.
그림 Figure 3. 다양한 활성화 조건으로 제조된 활성탄소섬유의 전기화학적 SO₂ 가스 감응 특성 분석.
그림 Figure 4. (a) 활성탄소섬유의 SO₂가스 파과곡선 및 (b) 850°C, 45 min조건에서 제조된 활성탄소섬유의 흡⋅탈착 회복성 분석.
그림 Figure 5. (a) 활성탄소섬유의 NO가스 파과곡선 및 (b) 850°C, 45 min조건에서 제조된 활성탄소섬유의 흡ㆍ탈착 회복성 분석.
표 Table 3. 활성화 조건별 최대 비표면적을 갖는 활성탄소섬유의 NO가스 흡착 특성 분석

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 다양한 활성화 조건에서 제조된 활성탄소섬유의 유해가스 흡착특성 및 전기화학적 감응특성을 분석하기 위하여 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN)계탄소섬유를 이용하여 다공성 흡착소재 및 가스센서용 전극을 제조하였다. 수증기 활성화법을 사용하여 다양한 비표면적 및 균일한 기공특성을 확보하고, 활성 반응 면적을 증대시킴으로써 단위 중량당 활성점(active site)을 극대화시킨 후 유해가스 흡착 특성 및 감응특성을 파악하였다.

제안 방법

수증기 활성화법을 사용하여 다양한 비표면적 및 균일한 기공특성을 확보하고, 활성 반응 면적을 증대시킴으로써 단위 중량당 활성점(active site)을 극대화시킨 후 유해가스 흡착 특성 및 감응특성을 파악하였다. 다양한 수증기 활성화 조건으로 제조된 활성탄소섬유의 유해가스 흡착 및 감응 특성은 SO₂와 NO가스를 이용하여 측정하였으며, 각각의 가스에 대한 흡착 및 전기화학적 특성에 대하여 고찰하였다.
본 연구에서는 다양한 활성화 조건에서 제조된 활성탄소섬유의 유해가스 흡착특성 및 전기화학적 감응특성을 분석하기 위하여 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN)계탄소섬유를 이용하여 다공성 흡착소재 및 가스센서용 전극을 제조하였다. 수증기 활성화법을 사용하여 다양한 비표면적 및 균일한 기공특성을 확보하고, 활성 반응 면적을 증대시킴으로써 단위 중량당 활성점(active site)을 극대화시킨 후 유해가스 흡착 특성 및 감응특성을 파악하였다. 다양한 수증기 활성화 조건으로 제조된 활성탄소섬유의 유해가스 흡착 및 감응 특성은 SO₂와 NO가스를 이용하여 측정하였으며, 각각의 가스에 대한 흡착 및 전기화학적 특성에 대하여 고찰하였다.

데이터처리

수증기 활성화 처리한 활성탄소섬유의 유해가스 흡착 특성을 파악하기 위해 Multi-gas detector (Teledyne Technologies, Model 7600) 장비를 이용하여 분석에 사용된 활성탄소섬유 1 g당 SO₂ 및 NO 가스의 흡착 정도를 확인하였다. SO₂와 NO 가스 투입시간에 따른 활성탄소섬유의 흡착 정도를 다음과 같은 공식을 사용하여 계산하였고 이를 Table 2와 Table 3에 나타내었다.
활성탄소섬유의 내구성과 관련된 기계적 강도를 측정하기 위해 섬유 인장시험기(SIMADZU, AG-X)를 이용하여 다양한 수증기 활성화 조건으로 제조된 활성탄소섬유의 인장강도를 측정하였다. 인장시편으로 사용한 활성탄소섬유의 길이는 25 mm로 결정하였으며, 활성탄소섬유 한 가닥을 채취한 후, 이를 시편 틀 위에 올려놓고 에폭시로 접착시킨 뒤, 가능한 섬유의 상태를 팽팽하게 고정하였다.
) 계 탄소섬유를 제조한 후 다양한 수증기 활성화 조건(750∼850℃)을 바탕으로 안정적이고 일정한 비표면적과 수율을 갖는 활성탄소섬유 제조 조건 확립에 중점을 두고 연구를 진행하였다. 활성탄소섬유의 미세기공 구조를 파악하기 위해 BET (Brunauer-Emmett-Teller) 비표면적 분석 장비(Micromeritics instrument Co., ASAP2020)를 이용하여 미세기공 분석을 실시하였으며, N₂흡착등온선은 Fig. 1, 비표면적 및 미세기공률은 Table 1에 나타내었다. 수증기 활성화 공정은 불활성 기체(N₂) 분위기 하에서, 승온속도 5℃/min을 유지하면서 목표 활성화 온도 조건(750∼850℃)에 도달하면, 그 시점부터 물을 주입(10 mL/min)하였으며, 이 때 수증기가 생성되면서 탄소섬유 표면과 반응하게 된다.

성능/효과

또한, 수증기 활성화 반응 조건을 조절하여활성 반응 면적을 증대시키고 이와 동시에 활성점을 극대화시켜, 유해가스 흡착 및 감응 특성을 분석하였다. 850℃ 조건하에서 제조한 활성탄소섬유는 활성화 시간이 길어질수록 비표면적이 증가하다가 45 min 이후에 급격한 비표면적 감소가 나타나는 것을 확인하였다. 이는 수증기 활성화에 의해 새로 생성되는 기공의 영향보다 기공의 확장 및 붕괴로 인한 영향이 더 크기 때문에 나타나는 결과로 보여진다.
이는 수증기 활성화에 의해 새로 생성되는 기공의 영향보다 기공의 확장 및 붕괴로 인한 영향이 더 크기 때문에 나타나는 결과로 보여진다. 또한, 수증기 활성화 반응으로 탄소 구조가 CO, CO₂, H₂O 등으로 분해되고 그 자리가 기공이 생성됨에 따라 활성탄소섬유의 기계적 강도가 떨어지는 것으로 나타났다. 활성탄소섬유의 유해가스 감응 특성을 분석해본 결과, 수증기 활성화 시간과 저항 변화율은 비례하는 것을 확인할 수 있었으며 이는 활성탄소섬유의 비표면적이 높아지고, 미세 기공 구조가 발달할수록 감응 특성이 우수한 결과를 얻을 수 있었다.
활성탄소섬유의 유해가스 감응 특성을 분석해본 결과, 수증기 활성화 시간과 저항 변화율은 비례하는 것을 확인할 수 있었으며 이는 활성탄소섬유의 비표면적이 높아지고, 미세 기공 구조가 발달할수록 감응 특성이 우수한 결과를 얻을 수 있었다. 유해가스 흡착 특성 평가를 통해, 850℃, 45 min 활성화 조건에서 제조한 활성탄소섬유가 가장 많은 유해가스 흡착 특성을 보이는 것을 확인할 수 있었으나, 높은 비표면적과 미세기공으로 인해 회복 특성은 감소하는 결과를 얻을 수 있었다. 유해가스 제거용 소재 개발에 있어, 활성탄소섬유의 재생률은 중요한 평가 요소 중 하나이며 이에 대한 연구를 지속적으로 진행하여 높은 회복성을 갖는 활성탄소섬유 제조 관련 연구를 지속적인 연구가 필요하다.
또한, 수증기 활성화 반응으로 탄소 구조가 CO, CO₂, H₂O 등으로 분해되고 그 자리가 기공이 생성됨에 따라 활성탄소섬유의 기계적 강도가 떨어지는 것으로 나타났다. 활성탄소섬유의 유해가스 감응 특성을 분석해본 결과, 수증기 활성화 시간과 저항 변화율은 비례하는 것을 확인할 수 있었으며 이는 활성탄소섬유의 비표면적이 높아지고, 미세 기공 구조가 발달할수록 감응 특성이 우수한 결과를 얻을 수 있었다. 유해가스 흡착 특성 평가를 통해, 850℃, 45 min 활성화 조건에서 제조한 활성탄소섬유가 가장 많은 유해가스 흡착 특성을 보이는 것을 확인할 수 있었으나, 높은 비표면적과 미세기공으로 인해 회복 특성은 감소하는 결과를 얻을 수 있었다.

후속연구

유해가스 흡착 특성 평가를 통해, 850℃, 45 min 활성화 조건에서 제조한 활성탄소섬유가 가장 많은 유해가스 흡착 특성을 보이는 것을 확인할 수 있었으나, 높은 비표면적과 미세기공으로 인해 회복 특성은 감소하는 결과를 얻을 수 있었다. 유해가스 제거용 소재 개발에 있어, 활성탄소섬유의 재생률은 중요한 평가 요소 중 하나이며 이에 대한 연구를 지속적으로 진행하여 높은 회복성을 갖는 활성탄소섬유 제조 관련 연구를 지속적인 연구가 필요하다.

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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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