활성탄소섬유(ACF)에 의한 휘발성유기용제(VOC)의 흡착특성

성창우, 박함용, 이창하, 김우식

연세대학교 공과대학 화학공학과

Adsorption of Volatile Organic Compounds onto Activated Carbon Fibers

Seong Chang Woo, Park Ham Yong, Lee Chang Ha, Kim Woo Sik

Department of Chemical Engineering, Yonsei University

서론

휘발성  유기물질(Volatile Organic Compounds:VOCs)은 대기중에서 태양빛을 받아 광화학반응을 일으켜 ground level ozone을 만들고 스모그를 형성하는 물질로 정의되며 대기오염의 주요인 중에 하나이다.

휘발성 유기물질은 화학, 제약, 기계, 전자 공업에서 제품의 생산, 세정 등에서 광범위하게 이용되고 있으며, 대표적인 배출공정으로는 인쇄, magnetic tape 제조, film coating 등을 들 수 있다. 이러한 유기용매들은 대부분이 휘발성을 강하게 지니고 있어 증기형태로 배출되어 대기오염은 물론이고 작업자의 건강에도 큰 영향을 미친다. 여러가지 휘발성 유기물질들이 새로이 환경규제대상에 포함되고  지금까지 규제가 되어 왔던 물질들은 그 규제가 더욱 강화될 전망이다. 따라서 보다 효과적이고 경제적인 휘발성 유기물질 처리기술개발이 시급한 상태이다.

휘발성 유기용제의 제거는 크게 소각에 의한 폐기와 재생으로 나눌 수 있는데, 재생공정으로는 증류, 여과, 흡착, 흡수법 등을 들 수 있다.  그 중 소각은 증가되는 연료소비에 따른 경제적 부담의 문제점이 있으며, 재생공정 중에서는 회수율 및 에너지 절약의 관점에서 흡착법이 가장 유리하다. 휘발성 유기용제회수를 위한 흡착공정에서 지금까지는 주로 활성탄이 흡착제로 사용되어 왔지만 여러가지 우수한 특성을 지닌 활성탄소섬유가 각광을 받기 시작하고 있다.

활성탄소섬유는 입상활성탄에 비해 더 넓은 비표면적을 가지며 미세공 용적도 더 커서 큰 흡착용량을 가지며 확산거리도 짧아 보다 빠른 흡착속도를 보인다. 또한 탈착성능도 우수하여 용제회수율이 좋다. 충전층에서 흡착시킬 경우, 물질전달영역이 좁아 비사용층의 길이가 짧아 흡착제의 이용이 효율적이다.

흡착량이나 흡착속도가 기존의 입상 활성탄에 비해 크게 개선되어 보다 나은 성능을 보이는 활성탄소섬유가 새로운 흡착제로서 각광을 받으며 그 사용이 증가되고 있는 반면에 활성탄소섬유를 재생하고 용매를 회수하는 방법에 관해서는 아직 명확하게 밝혀지지 않았다.  흡착공정의 우수성과 함께 경제적 측면을 고려할 때 흡착제의 재생에 의한 재사용은 흡착공정의 장점을 더욱 크게 할 수 있으며, 휘발성 유기용제가 포화된 흡착제의 폐기는 또다른 공해문제를 유발시킨다는 점에서도 매우 중요한 점이 아닐 수 없다. 따라서 효율적인 흡착제의 재생공정의 개발은 환경이나 경제적 측면에서 그 필요성이 날로 증대되어 가는 실정이다.

본 연구에서는 실험에 사용된 활성탄소섬유(KF-1500, Japan)의 특성을 규명하고 활성탄소섬유 충전층에서 휘발성 유기물질들에 대한 파과(breakthrough)실험을 행하여 흡착동특성을 밝히고자 한다.

이론

흡착제로 충전된 column에 유기용제가 함유된 공기가 도입되면 용제가 흡착제에 흡착되고 공기가 column에서 대기로 배출된다. 어느 정도 시간이 경과하면 배출가스 중에 유기용제도 따라나오기 시작하는데, 이 때를 파과점(breakthrough point)이라 하고 파과점에 도달할 때까지 흡착된 양을 파과 흡착량이라 한다. 파과점은 이론적으로는 배기가스 중의 용제농도가 거의 0일 때를 의미하나 실측이 불가능하므로 보통 입구 용제 증기 농도의 5∼10%일 때로 규정하고 있다.

파과곡선은 고정상 내의 흡착속도에 관한 유용한 정보를 제공한다. 고정상의 흡착제가 포화되는 동안, 활성적 흡착영역(AZ: adsorption zone) 또는 물질전달영역(MTZ: mass transfer zone)은 흡착column을 따라 이동한다. 일반적으로 C/Co〓0.05∼0.95의 구간을 AZ 또는 MTZ으로 정의한다.

MTZ 뒷부분에서는 흡착제가 유기용제로 포화된 반면, MTZ 앞부분에서는 실제로  유기용제가 전혀 존재하지 않는다. 물질전달영역의 길이는 가스에서 흡착제까지, 흡착질의 전달속도 함수로 표시된다. MTZ가 좁거나 얇을 경우, 가파른(기울기가 큰) 파과곡선으로 표현되며 흡착제의 이용상태가 양호함을 나타낸다. 반면, MTZ가 넓거나 두꺼운 경우, 완만한 기울기의 파과곡선으로 표현되고 흡착제의 이용상태가 좋지 않아 바람직하지 않다. MTZ의 길이는 흡착column의 최소 길이를 결정해 준다.

Fig.1 Movement of adsorption front(mass transfer zone) and breakthrough curve

활성탄소섬유가 충전된 column에서의 흡착에서 속도를 결정하는 가장 중요한 단계는 흡착질 입자간의 확산(intraparticle diffusion)이 아니라 축방향분산(axial dispersion)이므로 dispersion model이 적용된다.

[eqn: E_z {{d^2 C} OVER dz^2} -u{dC over dz} = rho_b{dq over dt}~]

여기서, [eqn: E_z~]는 axial dispersion coefficient이며 [eqn: q]는 adsorption isotherm에서 얻을 수 있다.

실험

일본 Toyobo사에서 제조한 셀룰로오즈계 활성탄소섬유인 KF-1500을 흡착제로 사용하였으며, oven에서 150℃, 3시간 이상 처리한 후, 먼저 BET, XRD 및 SEM을 이용하여 특성분석을 행하였다.

흡착실험은 다음 그림에 나타난 장치에서 행하였다.

Fig. 2 Schematic diagram of experimental apparatus

3개의 VOC generator(7)에 각각 MEK, toluene, hexane을 각각 채워넣고 tube를 액체속까지 넣어주고 질소를 흘려 bubbling을 시켜서 VOC증기를 만들어 낸다. 단일성분에서 3성분까지 실험할 수 있다. 만들어진 VOC는 mixing tank(8)에서 혼합이 일어나고 필요에 따라 질소로 희석되기도 한다.  또 이 mixing tank는 농도 교란을 줄여주는 완충작용도 하게된다.

7번 sampling port에서 sample을 취해 불꽃이온화 검출기(F.I.D.)가 장착된 G.C.로 농도를 확인하여 일정한 농도에 도달할 때 까지 vent시킨다. vent시키는 쪽에도 collumn(I.D. 1/2inch)을 설치하여 5번 column에서 실제 실험을 진행시킬 때와 동일한 조건을 만들어 주고 농도를 확인한다. 질소유량과 VOC generator 속의 VOC 농도와 온도를 바꾸면서 도입농도를 조절한다.

일정한 농도에 도달하면 column(5) 쪽으로 흘려준다. temperature controller(4)로 column을 일정한 온도로 유지시키면서 흡착을 시킨다. 6번 sampling port에서 도입농도를 확인하고 3번 sampling port에서 출구농도를 확인한다.

결과 및 토론

본 연구에 사용된 활성탄소섬유의 외표면적은 0.3∼0.7m2/g이나 미세공이 발달하였기 때문에 비표면적은 1400∼1450m2/g로 상당히 커서 흡착에 유리함을 알 수 있었다.

BET 분석결과 약 20Å에서 peak를 보여 반경이 약 20Å인 미세공이 발달했음을 알 수 있었으며, X선 회절분석(XRD) 결과 전범위에 걸쳐서 peak가 나타나지 않는 것을 보아 결정을 가지지 않은 무정형(amorphous)의 활성탄소섬유 구조를 확인할 수 있었으며 SEM 사진을 찍어 활성탄소섬유의 섬유가닥을 확인하였다.

본 연구에서 제작한 파과실험장치를 이용하여, 유속 140□/min., MEK의 평균 도입농도 0.436 mol/m3의 조건에서 활성탄소섬유의 충전량은 0.616g로 하여 파과실험을 행한 결과 도입농도가 약간의 교란을 보이긴 하였지만 전형적인 파과곡선의 개형을 나타내었으며 본 실험 조건에서는 약 35분에서 40분 사이에 파과가 일어난 것으로 보인다.

Fig. 3 Breakthrough curve of MEK

참고문헌

1. Suzuki, M.: "Adsorption Engineering", Elsevier, Amsterdam(1990)

2. Yang, T.R.: "Gas Seperation by Adsorption Processes", Butterworths, Boston(1987)

3. Moretti, E.C. and Makhopadhyay, N.: Chem. Eng. Progress, 89, 20(1993)

4. Suzuki, M.: Carbon, 32, 577(1994)

5. Jedrzejak, A. and Paderewski, M.: Int. Chem. Eng. 28, 707(1988)

6. Park, J.T., Kim, J.S., Chung, K.H., Moon, H. and Seo, G.: HWAHAK KONGHAK,

32, 476(1994)