활성탄소섬유(ACF)충전층에서 휘발성유기용제(VOC)의 흡착 및 탈착

김종화, 박함용, 이창하, 김우식

연세대학교 공과대학 화학공학과

Adsorption and Desorption of Volatile Organic Compounds

in Fixed Bed Packed with Activated Carbon Fibers

Jong-Hwa Kim, Ham-Yong Park, Chang-Ha Lee, Woo-Sik Kim

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, 전자 공업 뿐 아니라 용매 및 세정제를 사용하는 일반 산업쳬에서 모두 배출되고 있으며 대표적인 예로는 인쇄, 플라스틱 관련 공정, film coating 그리고 유기화합물 제조공정 등을 들 수 있다. 이런 분야에서 쓰이는 유기용매들은 대부분이 휘발성이 강해 증기형태로 배출되어 대기오염은 물론이고 작업자의 건강에도 큰 영향을 미친다. 미국의 경우 1990년 개정된 CAAA(Clean Air Act Amendments)에서 여러 가지 휘발성 유기물질들을 새로이 환경규제대상에 포함시키고 지금까지 규제가 되어 왔던 물질들은 그 규제를 더욱 강화하였다. 영국을 비롯한 유럽국가들도 VOC를 향후 가장 심각한 대기오염 물질로 연구를 집중 권장하고 있다. 국내에서도 지난 1995년 개정된 환경법에서 VOC 규제화 관련된 새로운 조항들을 도입하고 1999년 1월 1일부터 시행하기로 경과기간을 부여하였다. 따라서 보다 효과적이고 경제적인 휘발성 유기물질 처리기술개발이 시급한 실정이다.

휘발성 유기용제 처리는 크게 소각에 의한 폐기와 증류, 여과, 흡착, 흡수법 등의 재생으로 나눌 수 있다. 여러 방법 중에서 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 비표면적과 보다 큰 미세공 용적을 지녀 흡착용량이 크며 확산거리도 짧아 보다 빠른 흡착속도를 보인다. 탈착성능 또한 우수하여 용제회수율이 좋다. 충전층에서 흡착시킬 경우, 물질전달영역이 좁아 비사용층의 길이가 짧아 흡착제의 이용이 효율적이다.

기존의 입상 활성탄에 비해 흡착량이나 흡착속도가 우수하여 보다 나은 성능을 보이는 활성탄소섬유가 새로운 흡착제로 각광을 받으며 그 사용이 증가되고 있다. 하지만 활성탄소섬유를 재생하고 용매를 회수하는 방법에 관해서는 아직 명확하게 밝혀지지 않았다. 경제적 측면을 고려할 때 흡착제의 재생에 의한 재사용과 용매회수는 흡착공정의 장점을 더욱 부각 시킬 수 있으며, 환경적인 측면에서도 휘발성 유기용제가 포화된 흡착제의 폐기는 또다른 공해문제를 유발시키므로 활성탄소섬유의 재생은 필수적이라 하겠다.

탈착을 위한 방법들로는 불활성 가스나 진공을 이용한 탈착 등 여러 방법이 활용되고 있으나 활성탄 충전층의 경우 스팀 재생법이 가장 널리 사용되고 있다. 산업적으로는 널리 사용되고 있지만 그 연구는 미미한 상황이다.

본 연구에서는 활성탄소섬유와 입상활성탄의 충전층에서 스팀재생에 의해 각각 3번의 재생에 따른 파과(breakthrough)실험을 행하여 흡착 및 탈착 동특성을 밝히고자 한다.

이론

고체표면은 불연속적인 구조를 가지고 있으므로 표면에 작용하는 힘은 완전히 포화상태라고 할 수 없으며 따라서 기체에 노출되면 기체분자는 고체표면과 결합을 형성하게 되는데 이러한 현상을 흡착이라 한다. 흡착탑 내에서의 평형상태 관계식은 Freundlich 식으로 종종 표현되며 그 식은 다음과 같다.

[eqn: q = kP^1/n]

이 식은 농도 또는 압력이 증가함에 따라 흡착량이 무한히 증가하는 양상을 보여 실제로 흡착량이 상한을 갖는 포화흡착조건에서 잘 맞지 않으며, 낮은 농도에서는 Henry 식에 따라 흡착량이 선형으로 나타나야 하나 그렇지 못해 열역학적으로는 불완전하지만 한정된 농도의 범위에서 실험 데이터와 잘 일치하는 실험적인 식이다.

흡착 기체분리 공정은 주로 기공성 흡착제가 충전된 고정층 흡착탑 중에서 이루어 진다. 흡착탑의 동력학을 이해함으로써 분리결과를 제어하고 추정하기 위해서는 수학적 모형이 필요하다. 모형은 흐름속도, 농도 및 온도를 시간과 탑내의 위치의 함수로 나타낸다. 충전상 중의 임의의 한 점에서 흐름 중의 흡착질의 농도는 충전상 중의 물질전달영역의 이동 때문에 시간의 함수이다. 파과곡선의 모양 또는 폭은 흡착탑과 주기적인 분리공정의 설계에서 결정적인 중요성을 갖는다. 효과적인 분리를 위하여는 예리한 물질전달영역이 바람직하다.

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 흡착 column을 따라 이동한다. 일반적으로 C/Co〓0.05∼0.95의 구간을 AZ 또는 MTZ으로 정의한다.

입상활성탄의 경우 충전층에서의 흡착속도를 결정하는 단계가 흡착질 입자간의 확산(intraparticle diffusion)이지만 활성탄소섬유 충전층의 경우 축방향분산(axial dispersion)이므로 dispersion model이 적용된다.

실험

실험에 사용된 흡착제는 일본 Toyobo사에서 제조한 셀룰로오즈계 활성탄소섬유인 KF-1500으로 비표면적은 1,400∼1,450m2/g이고 세공용적은 0.3∼0.7m3/g이다.  활성탄소섬유를 drying oven에서 150℃, 3시간 이상 처리한 후 실험에 사용하였다.

흡착실험은 <Fig. 1>에 나타난 장치에서 행하였다.

3개의 VOC generator(10)에 각각 MEK, toluene, hexane을 각각 채워넣고 tube를 액체속까지 넣어주고 질소를 흘려 bubbling을 시켜서 VOC증기를 만들어 낸다.   7번 sampling port에서 sample을 취해 불꽃이온화 검출기(F.I.D.)가 장착된 G.C.로 농도를 확인하여 일정한 농도에 도달할 때까지 vent시킨다. 질소유량과 VOC generator 속의 VOC 농도와 온도를 바꾸면서 도입농도를 조절한다.

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

Fig. 1  Schematic diagram of experimental apparatus

결과 및 토론

1.MEK에 대한 활성탄소섬유(ACF)와 입상활성탄(GAC)의 재생 비교 실험

스팀 탈착법에 의해 충분한 탈착이 이루어지도록 150℃의 수증기 1시간과 150℃ dry oven에 1시간을 두어 탈착을 시켰다. Fig.1에서 보는 바와 같이 활성탄소의 경우, 3회 재생한 후에도 성능의 저하가 별로 없었다. 파과 곡선을 수치적분한 결과 초기 흡착량을 100%로 했을 때 첫 번째 재생후의 흡착량은 97.4% 두 번째 흡착량은 92.9% 세 번째 흡착량은 91.7%을 보였다. 하지만 입상활성탄을 사용한 경우 Fig.2에서와 같이 재생후 첫 번째 흡착량은 88.9% 두 번째 흡착량은 85.9% 세 번째 흡착량은 79.2%를 보였다. 이 결과로 활성탄소섬유가 활성탄 보다 훨씬 재생 능력이 우수하다는 것을 볼 수 있었다.

2.Desorption curve of MEK

온도 110℃의 수증기를 유량 0.9852g/min 의 유속으로 흘려보낸 결과 Fig.3에서 보는 바와 같이 5분 이내에 90% 이상이 탈착되는 빠른 탈착 곡선을 보였다.

참고문헌

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