첨착흡착제를 이용한 메틸메르캅탄과 황화수소의 제거시 흡착제의 영향

김기환, 유승협, 신창섭

충북대학교 안전공학과

Effect of an Adsorbent in Removal of Hydrogen Sulfide and

Methyl Mercaptan by using Impregnation Adsorbent

K. H. Kim, S. H. Yu, C. S. Shin,

Department of Safety Eng., Chungbuk National University.

서  론

활성탄(AC)은 그 광범한 표면의 물리적 힘이나 기공으로의 내부확산, 모세관 응축 등의 작용에 의하여 많은 물질을 상당히 대량으로 흡착 보전할 수 있다. 또한, 활성탄은 소수성의 중성물질에 대하여 특히 효과적인 흡착성을 발휘하기 때문에 탈취용 흡착제로 많이 사용되어 왔지만 중성성분 이외의 산성 성분이나 염기성 성분에 대하여 더욱 효과적인 흡착작용을 일으키는 흡착제의 출현이 요구되고 있다. 이에따라, 활성탄의 성질을 거듭 개량, 개선함으로써 산성성분이나 알칼리성분을 함유한 가스의 제거를 위한 개발이 활발히 이루어지고 있을 뿐만 아니라 새로운 흡착제로서 활성탄소섬유(ACF)를 이용한 연구가 진행되고 있다.

본 연구에서는 흡착제로 AC와 ACF를 사용하고 이에 화학물질을 첨착시켜 산성성분인 황화수소와 메틸메르캅탄에 대한 흡착능력을 증가시키고자 하였으며, 화학물질을 첨착하였을 때의 AC와 ACF의 제거효율을 비교하여 효율적인 첨착 흡착제를 제시하고자 하였다.

실  험

본 연구에서의 흡착제거 대상물질인 황화수소, 메틸메르캅탄을 0.3∼0.5vol%의 저장용기 가스를 공기와 혼합하여 사용하였고, 흡착실험시 시료 농도는 흡착특성을 파악하기 위하여 각각 300ppm을 기준으로 하였다. 흡착제는 화학물질로 첨착한 AC를 건조시킨 후 사용하였으며, 이때의 시료량은 0.15g을 충진하였고 파과된 황화수소와 메틸메르캅탄의 농도는 GC(FPD)로 측정하였다.

결과 및 고찰

첨착시약의 첨착율, 첨착상태 등에 따라 흡착성능에 큰 영향을 미치게 되므로 첨착 전·후의 흡착제의 비표면적 그리고 기공크기 분포에 대하여 분석하였다.

Table 1은 ASAP 2400을 사용하여 77K에서 질소흡착 등온선으로부터 BJH법에 의해 KI첨착 전·후 AC의 세공부피의 변화를 나타내었다. 첨착에 의하여 AC 의 BET 표면적 변화를 보면 순수한 AC에 비하여 19.1% 감소함을 알 수 있었으며, 순수 AC에 KI를 첨착하였을 경우 순수 AC에 비하여 미세기공 부피와 전체 기공 부피가 각각 19.4%, 21.2%씩 감소하였다.

Table 1. Pore characteristics of impregnated AC.

	average pore radius (Å)	micropore volume (cc/g)	total pore volume (cc/g)	BET surface area (sq. m/g)
AC	17.1	0.433	0.477	1117.1
AC+KI	16.6	0.349	0.376	903.8

황화수소의 흡착용량을 극대화시키기 위하여 KNO3, KMnO4, KI 등의 첨착물질을 AC에 첨착시켜 각 악취물질별로 흡착특성을 실험하여 첨착물질의 선정하고자 하였다.

Fig. 1의 (a)는 황화수소의 첨착물질에 따른 제거효율을 나타낸 것으로 KNO3를 첨착하였을 경우 순수한 AC를 사용한 경우보다 효율이 떨어짐을 알 수 있다. 그러나 KMnO4와 KI를 첨착한 경우 순수 AC보다 제거효율이 증가함을 알 수 있었으며, 특히 KI 첨착시 제거효율이 가장 우수하게 나타남을 알 수 있었다. 이때의 흡착량은 순수 AC에 보다 KI를 첨착한 AC가 약 7.8배, KMnO4를 첨착한 AC가 2.8배의 흡착제거량을 보이고 있다. 메틸메르캅탄의 경우에 있어서 첨착물질에 따른 제거효율은 Fig. 1의 (b)에 나타내었다. KNO3를 첨착하였을 경우 순수한 AC와 비슷한 제거효율은 나타내었으나, KMnO4와 KI를 첨착한 경우는 황화수소와 마찬가지로 순수 AC보다 제거효율이 증가하였고, 흡착량은 KMnO4와 KI를 첨착한 경우는 순수 AC보다 각각 약 3.9배, 2.5배의 제거량이 증가하였다. 이로써, 황화수소와 메틸메르캅탄의 제거를 위한 첨착제로는 KI를 사용하는 것이 가장 효율적임을 알 수 있었다.

첨착물질 중 KMnO4와 KI를 첨착하였을 경우 순수 AC에 비하여 제거효율이 상승함을 알 수 있었다. 이 두 가지 첨착물질들을 이용하여 한가지 첨착물질을 promoter로 이용하였을 경우 황화수소와 메틸메르캅탄의 제거효율에 미치는 영향을 각각 Fig. 2의 (a)와 (b)에 나타내었다. KMnO4와 KI를 promoter로 사용할 경우 KI만을 첨착한 경우보다 제거효율이 낮아 비효율적임을 알 수 있었는데, 특히 황화수소의 경우에 있어서는 제거효율이 현격히 낮아졌다. 이에따라 이들 promoter에 의한 상승작용은 기대할 수 없음을 확인할 수 있었다.

좋은 제거효율을 보인 첨착제 KI의 농도를 1.2∼17wt.%사이에서 변화시키며 첨착 AC를 제조하여 황화수소와 메틸메르캅탄의 제거효율을 Fig. 3의 (a), (b)에 나타내었다. 황화수소의 경우 5.4wt.%가, 메틸메르캅탄의 경우는 2.3wt.%가 가장 우수한 제거효율을 나타내었으며, 흡착량은 각각 285mg/g AC, 242mg/g AC로 나타났다.

Fig. 4의 (a)와 (b)는 KI를 AC와 ACF에 첨착하였을 경우의 제거효율을 비교하여 나타낸 것으로 첨착 AC에 비하여 첨착 ACF가 우수한 제거효율을 보였는데 이는 표면적이 활성탄 보다 넓고 평균세공직경이 10∼20Å으로 아주 균일하며 미세공이 모두 표면에 분포하고 있어 입자내의 확산저항이 없기 때문으로 판단된다. 그러나, ACF는 AC에 비하여 월등히 가격이 높으며, 또한 AC를 흡착제로 사용하여 높은 제거효율을 얻을 수 있으므로 악취제거 대상공장의 여건에 따라 AC 혹은 ACF를 흡착제로 선정하여야 될 것으로 판단되며, 일반적인 공장악취제거로는 AC로도 충분할 것으로 판단된다.

참고문헌

1. T. Suetaka, J. Odor Research and Eng., 25, 168(1994.)

2. J. F. Alder, P. R. Fielden, S. J .Smith, Carbon, 26(5), 701(1998)

3. D. M. Ruthven. "Principles of Adsorption and Adsorption Process", John

Wiley ＊ Sons, Inc.,(1984)

(a)                                   (b)

Fig. 1. Effect of chemical treatment on the adsorption characteristics of

(a)hydrogen sulfide and (b)methyl mercaptan..

(a)                                   (b)

Fig. 2. Effect of promoter on the adsorption characteristic of (a)hydrogen

sulfide and (b)methyl mercaptan..

(a)                                    (b)

Fig. 3. Effect of KI impregnation concentration on the (a)hydrogen

sulfide and (b)methyl mercaptan removal efficiency.

(a)                             (b)

Fig. 4. Adsorption characteristics of (a)hydrogen sulfide and (b)methyl

mercaptan on the impregnated AC and ACF with KI.