활성탄 표면 특성과 염소가스 흡착의 관계

김동현↕, 윤세훈, 이후근*, 오원진*, 이재의

아주대학교 화학생물공학부

한국원자력연구소*

Surface Characteristic and Adsorption of Chlorine Gas

on Activated Carbon

D. H. Kim↕,  S. H. Yoon,  H. K. Lee*,  W. J. Oh*,  J. E. Yie

School of Chemical Engineering and Biotechnology, Ajou University

Korea Atomic Energy Research Institute*

서론

핵연료  사용후의 건식개질 공정에서 발생되는 염소가스는 다음 공정에 부식 등의 심각한 영향을 미치기 때문에 사전에 제거시켜야 할 필요가 있다.  건식개질 공정에서는 Cl2 가스 이외에  Ar, COx 가스가 함께 발생하며 이들 혼합가스 중에서 산화력이 강하고 부식성이 심한 염소가스는 우선적으로 제거되어야 하는 것이다.  Cl2를 저농도까지 효과적으로 제거할수 있는  흡착탑의 설계를 비롯하여 이들의 운전조건을 확립하기 위해서는 기본적인 평형실험, 그리고 평형이론을 기초로 한 고정층 계산모델을 개발하여야 하며, 이에 앞서 고정층 계산모델에 필요한 실험자료를 확보하고 이를 근거로 저농도에서 장기간 실험결과를 근거로 흡착탑의 성능을 예측할수 있는 모델(해석기법)의 개발이 요구된다.

하지만, 다른 기체 흡착의 경우와는 달라 염소가스흡착 연구는 흡착실험의 어려움 때문에 보고된 바가 거의 없는 실정이다.  그래서 흡착된 염소 양을 정량적으로 측정하는 분석장치의 선택 또한 많은 제약이 따른다.  이에 본 연구에서는 Cl2 가스의 활성탄 흡착에 대한 연구로 몇가지 종류의 활성탄을 선택하고, 이로부터 흡착제의 특성, 흡착특성, 흡착속도 등에 대한 실험을 수행하였다.  앞으로의 더 많은 실험결과로써 더 나아가 고정층 흡착의 모델링, 해석기법 등을 검토하고자 한다.

실 험

기본적으로 염소가스에 대한 활성탄의 흡착성능을 측정하기 위한 실험으로는 순수 질소와 헬륨, 염소가스(99.99%)를 이용하여 Isotherm을 측정하는 흡착평형 실험과, 헬륨 balance인 500ppm Cl2를 이용하여, 저농도의 flow system에서의 GC분석을 하는 흡착속도 실험으로 나눌수 있다.

흡착평형 실험

활성탄의 물성을 알아보기 위하여 세종류의 활성탄을 BET측정하였다.  여기서 비교한 활성탄은 입자상으로 KAERI(원자력연구소 제공), KW(구라레사 제공)이며, 섬유상으로 FIBER(carbon fiber)으로 실험하였다.

또 염소가스의 활성탄에 대한 흡착 평형을 얻기 위해 Fig.1과 같은 평형장치를 이용하여 FIBER와 KAERI를 측정하였다.

Fig.2 Flow diagram for gas phase

adsorption

Fig.1 Apparatus for adsorption isotherm

흡착속도 실험

염소가스의 활성탄층에 대한 흡착성능은 Fig.2와 같은 flow system으로 실험하였으며 활성탄층(6)은 10□ 초자 반응기(shallow bed)를 사용하였다.  분석방법은 on-line G.C.을 이용하였고, 가스의 흐름은 MFC(mass flow controller)를 이용하였고, rotameter를 사용하여 일정한 흐름을 확인하였다.  흡착 실험은 상온 하에 시도하였으며, 염소 흡착이 이루어진 활성탄의 재생은 250℃ helium flow에서 4시간 이상 flushing시켜주는 방법으로 activation시켰다.

On-line G.C.에서는 3□ sample loop(6-port valve)를 이용하였고, TC Detector로 분석하였으며, column은 30% Flurolube grease(type LG-160) on Chromosorb WAW-DMCS 45/60을 사용하였다. Flow system에서 oven temperature와 detector temperature는 각 45℃, carrier gas flow가 15□/min인 조건으로 GC를 작동 시켰다.

활성탄 흡착에 사용한 염소가스는 model gas로 500 ppm (v/v% in helium) 농도를 사용하였는데, 희석된 염소가스의 농도 조작으로 순수 helium(99.99%) gas를 500 ppm 염소가스와 MFC로 혼합시켜 필요에 따라 희석시켜 사용하였다.

결과 및 토의

본 연구의 의의는 Cl2 gas 흡착의 정량화 가능성을 타진해 볼수있는것이라고 할 수 있는데, 우선적으로 BET 측정으로 알아본 활성탄의 물성은 Table 1에 나타나 있다.

Table 1에서 보는 바와 같이 FIBER의 경우 surface area가 다른것들에 비해 50% 더 많은 면적을 가지고 있고, total pore volume 또한 50%정도 더 가지고 있는 것을 알 수 있었다.

Table 1 Physical property of activated carbon

Fig.3은 활성탄의 isotherm 실험 결과를 보여주고 있다. 실험의 오차는 염소가스(99.99%)의 부식성에 의해 재현 실험과정에서 pressure probe(mercury manometer)의 일관성이 조금 떨어지는 것으로 나타났다. 그림에서 FIBER와 KAERI활성탄의 염소가스 흡착량을 압력에 도시한 것으로 FIBER가 KAERI보다 대략 80∼100%정도 흡착능이 큰 것으로 나타났다.

Fig. 3. Isotherm curve of Activated carbon

흡착속도 실험인 GC 분석에서는 염소에 의한 부식 방지를 위하여 flow system의 모든 line을 glass와 teflon tube를 사용하였고, 분석용 column도 chromosorb이나 SE-30등으로 chlorine gas를 분석할 수 있는 것으로 최근들어서 연구되어지고 있지만, 본 실험에서는 실험결과 이러한 column이 chlorine gas의 아무런 peak도 detecte할 수가 없었다.  그래서 30% Flurolube grease(type LG-160) on Chromosorb WAW-DMCS 45/60를 주문제작하여 본 실험에 이용하였다.  이에대한 break-through curve는 Fig.5에 나타내었다.  G.C.의 조건은 위와 같고, 활성탄은 0.1521g을 사용하였으며, Cl2 gas는 500ppm, 75□/min이다.

앞으로 본 연구의 목표는 실제 활용 농도인 100ppm이하의 저농도 chlorine gas의 정량적인 분석과, 더 나아가서는 이에 따르는 흡착탑의 설계를 하는것이다.

Fig.4 Pore size distribution curves

Fig.5 Break-through curve of KAERI

참고문헌

1. H. Itoh et al., "Method of Concentrating Chlorine Gas", PCT WO

91/08824(1991).

2. Zarchy, A. S. et al., "Pressure Swing Adsorption Process for Chlorine

Plant Offgas", USP 5376164 (1994), USP 5500035 (1996).

3. ECT, 3rd ed., G. Oplinger, chapter, Chlorine.

4. Neely, E. E., Analytical Chemistry, 32, 11, 1382-1383, 1960.

5. 淸水 博 編著, 吸着技術 Handbook, NTS, 1993.