활성탄 표면 특성과 염소가스 흡착의 관계

윤세훈, 이재의, 김  철, 이후근*, 오원진*

아주대학교 화학생물공학부

한국원자력연구소*

Surface Characteristics and Adsorption of Chlorine Gas

on Activated Carbon

S. H. Yun, J. E. Yie, C. Kim, H. K. Lee*, W. J. Oh*

School of Chemical Engineering and Biotechnology, Ajou University

Korea Atomic Energy Research Institute*

서 론

기체 흡착에 대한 연구는 이론적 및 실험적으로 많이 다루어져 왔으나 염소가스 흡착연구에 대한 보고는 흡착실험의 어려움 때문에 보고가 거의 없는 상황이다.  본 연구에서 다루는 저농도 염소가스의 활성탄 흡착 성능은 특히 염소가스의 부식성 때문에 흡착된 염소 양을 정량적으로 측정하는 분석장치의 선택부터 많은 제약이 따른다.  또, 흡착제의 선택에 있어서는 특정 성분과의 화학 친화도에 따라 강흡착제(strong adsorbent), 약흡착제로 구별될 수 있으며, 같은 규격의 흡착제라도 여러 물리적인 조작을 통해 흡착성능을 변화시키는 결과를 얻을 수 있다.  이러한 흡착현상에 관한 연구를 분야별로 나누어 보면, 흡착제의 물성 및 특성, 흡착 평형이론, 흡착과정에서 흡착물질의 이동현상, 그리고 흡착공정의 물질수지식(또는 모델식) 등으로 구별된다.  그러나 이러한 분야들은 편의상 구분한 것일뿐, 각 분야에 대한 정보를 상호관련시켜야만 흡착현상 전반의 해석이 가능하게 된다[1,2].

본 연구와 유사한 가스 흡착의 경우, 활성탄은 다양한 가스의 흡착제로 사용되고 있다[3,4].  반면, 염소가스를 흡착시키기 위한 흡착제로는 활성탄은 그다지 유효하지 못하고 silica gel이나 silicalite 등을 이용하고 있다[5].

본 연구에서는 Cl2 가스의 활성탄 흡착에 대한 연구로 몇 가지 종류의 활성탄을 선택하고, 이로부터 흡착제의 특성, 흡착특성, 흡착속도, 다공성 매질을 통한 확산 등에 대한 실험을 수행하였다.  계속해서 shallow bed의 실험결과로부터 고정층 흡착의 모델링, 해석기법 등을 검토하고자 하였다.

실 험

활성탄에 흡착되는 Cl2의 흡착성능은 다음과 같이 두 단계의 흡착실험을 통하여 측정하였다.  활성탄에 대한 염소가스의 흡착평형은 순수 질소와 헬륨, 염소가스를 이용하여 측정하였다.  흡착속도에 사용한 염소가스는 helium 중 500 ppm의 농도를 가지는 저농도 시료를 선택하여 flow system의 실험을 행하였다.

우선, 염소가스의 활성탄에 대한 흡착 평형을 얻기 위해 Figure 1과 같은 평형장치를 이용하였다.  활성탄의 특성을 알기 위해 질소가스를 이용하여 BET 측정을 통해 surface area, pore size 등을 분석하였고, 이와 비교하기 위해 염소가스의 흡착평형을 비교하였다.

Figure 1. Apparatus for adsorption isotherm

Flow system에서 활성탄의 염소가스에 대한 흡착능은 shellow bed를 조성한 Figure 2와 같은 방법으로 실험하였고 흡착제의 흡착능은 on-line GC를 이용하여 분석하였다.  이를 통해 저농도 염소가스에 대한 흡착제의 흡착능, 확산계수, 격막물질전달 계수 및 파괴곡선 등을 구할 수 있게 하였다.

Figure 2. Flow diagram of flow system for gas-phase adsorption

결과 및 토의

활성탄에서의 흡착은 보통 두 개의 확산 공정으로 조절된다.  확산공정의 하나는 구공의 빈공간을 통한 물질(기체)의 확산을 의미하고 다른 하나는 흡착된 분자의 표면이동에 의한 것이다[4].  Figure 3는 활성탄을 흡착제로 하고 질소가스의 adsorption isotherm을 낮은 압력범위에서 실험한 결과이다. 활성탄의 형태에 관계없이 질소가스에 대한 흡착평형에는 별 차이가 없다.  Figure 4는 흡착제의 변화에 대한 염소가스의 adsorption isotherm을 나타낸다[5].  이것은 흡착제의 물리적 특성에 따라 흡착능에 차이가 남을 보여준다.

참고 문헌

1. Masel, R. I., Principles of adsorption and reaction on solid surfaces, John     Wiley & Sons, 1996.

2. Weber, W. J., Jr., Adsorption Technology: A step-by-step approach to         process evaluation and application, ed. Slejko, F. L., Marcel Dekker, 1985.

3. Tokunaga, N. et al.: Adsorption isotherms of methane, hydrogen sulfide,       and mixed gas of methane and carbon dioxide on activated carbon fiber, J.     Chem. Eng. Japan, 21, 4, 431-433, 1988.

4.  Hu, X. et al.: Experimental concentration dependence of surface diffusivity     of hydrocabons in activated carbon, Chem. Eng. Sci., 49, 13, 2145-2152,        1994.

5. Zarchy, A. S. et al.: Pressure swing adsorption process for chlorine plant      adsorption, USP 5500035

Figure 3. Adsorption isotherms of nitrogen gas on activated carbon.

Figure 4. Adsorption siotherms of chlorine gas on silica gel (+silicatlite)