활성탄소섬유를 이용한 휘발성유기용제(VOC) 흡착 및 탈착

김 빈, 김종화, 박함용, 이창하, 김우식

연세대학교 공과대학 화학공학과

Adsorption and Desorption of Volatile Organic Compounds

onto Activated Carbon Fibers

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

Department of Chemical Engineering, Yonsei University

서론

우리 나라를 비롯한 대부분 국가에서 기존의 대기 오염방지정책은 SOx, NOx 등으로 일컬어지는 전통적인 오염물질에 대한 대응이 중심이었다. 전통적인 오염물질 대책이 몇 가지 유해대기오염물질의 배출을 동시에 저감시켜 왔지만 건강위해의 최대저감을 위해 다수의 오염물질을 체계적으로 관리할 필요성이 높아지고 있다. 즉 현재는 미량 존재하여 단기간에는 영향이 나타나지 않아도 저농도로 장기적 영향을 초래할 수 있는 유해대기오염물질에 대한 새로운 대응이 요구되는 것이다. 유해대기오염물질(Hazardous Air Pollutants)중에 상당 종류가 포함된 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds:VOCs)은 탄화수소화합물의 총칭으로 오존 등 광화학 스모그 원인 물질일 뿐만 아니라 발암성 등의 유해 물질, 지구 온난화와 성층권 파괴의 원인물질, 대기 중 악취 물질로서 환경 및 건강에 영향을 초래하는 물질을 말한다.

휘발성 유기물질의 배출오염원은 보통 인위적인(Anthropogenic) 배출원과 자연적인(Biogenic) 배출원으로 분류할 수 있다. 자연적인 배출원으로부터 배출되는   VOCs도 환경오염에 상당한 영향을 끼치고 있으나, 주로 우리는 인위적인 배출원으로부터의 오염에 관심을 가지고 있다. 휘발성 유기물질의 주요 인위적인 배출원으로는 자동차 배출 가스와 페인트, 인쇄, 유류저장 및 출하시설, 화학·제약·전자공업, 용매 및 세정제를 사용하는 산업체 등을 들 수 있다.

이런 분야에서 쓰이는 휘발성 유기 물질들은 휘발성이 강해 증기형태로 배출되어 대기 오염은 물론이고 작업자의 건강에 직접적인 영향을 미친다. 미국과 유럽을 중심으로 한 OECD(경제협력개발기구)국가에서는 1980년 후반부터 대기오염 방지 시책의 일환으로 유해대기오염물질에 기인한 장기적인 위험저감대책을 실시해 오고 있다. 국내에서도 지난 1995년 개정된 환경법에서 VOCs 규제와 관련된 새로운 조항들을 도입하고 1999년 1월 1일부터 시행키로 경과시간을 부여하고 있다. 따라서 보다 효과적이고 경제적인 휘발성 유기물질 처리기술개발이 요구되고 있는 실정이다.

휘발성 유기화합물의 처리방법으로는 여러 가지가 거론되고 있지만 산업 유기용제의 회수(recovery), 에너지 절약 및 순환시스템으로서의 활용의 관점에서는 흡착법을 주로 사용하고 있다.

흡착법을 사용하는 있어서 흡착제로는 주로 활성탄소섬유를 쓰는데, 그 이유는 물질전달영역이 다른 것과 상대적으로 좁기 때문에 비사용층의 길이가 짧아져 흡착제의 양을 줄일 수 있으며, 에너지 절약의 차원에서 본다면 스팀 재생법에 의해 휘발성 유기화합물을 처리·회수할 경우 휘발성 유기화합물의 회수율이 좋다. 또한 확산거리도 짧아 보다 빠른 흡착속도와 탈착속도를 보인다.

본 실험에서는 흡착제로 활성탄소섬유를 이용하여 2성분, 3성분 흡착 및 탈착실험을 행하였다.

이론

기체 또는 유체 혼합물이 한 개 이상 흡착질종을 포함하면(다성분혼합물) 여러 종들의 농도는 유체가 이동함에 따라서 서로간에 상대적으로 변화한다. 이 변화는 그러나 곧 농도전면을 형성하도록 안정화되며, 안정화된 전면을 밀착전면(coherent front)들 이라고 부른다. 등온의 n성분 혼합물에 있어서 일반적으로 n개의 플래토층(정상상태층)들로 분리된 n-1개 농도전면들이 존재한다. 다성분계 흡착에 있어서 농도가 공급류조건을 능가하는 둥근 언덕(hump)을 이루는데, 이것은 약한 흡착질을 더 강한 흡착질이 치환함으로서 일어나는 밀어올림(roll-up), 또는 굴림(roll-over) 현상이다. Fig. 1은 고정층에서 3성분계의 충전상에서의 농도 분포를 보여준다.

다성분계에서 파과곡선의 모양에 영향을 주는 인자에는 흡착제(adsorbate), 충전된 bed의 길이(column length), 유속(velocity), molar ratio(MR), 농도(concentration) 등이 있다.

Fig.1 Schematic diagram of distribution of amount adsorbed in a fixed bed for the ternary system

실험

실험에 사용된 흡착제는 일본 Toyobo사에서 제조한 셀룰로오즈계 활성탄소섬유인 KF-1500으로 지름은 17∼18□m, 비표면적은 1,440∼1,450m2/g, 세공용적은 0.3∼0.7ml/g, pH는 7.9이다.  활성탄소섬유를 drying oven에서 150℃, 24시간 이상 처리한 후 실험에 사용하였다.

흡착실험

흡착시키고자 하는 물질이 담긴 VOCs generator와 mixing tank에 질소를 흘려 원하는 조성과 유량을 만들고 sampling port에서 시료를 채취하여 G.C.로 확인하면서 일정한 값을 가질 때까지 vent시켰다. 그리고, 흡착제를 흡착탑에 균일하게 충전시키고 온도 조절기를 이용하여 흡착탑의 온도를 원하는 온도로 일정하게 맞춘 다음, 만들어진 VOCs 증기를 흡착탑으로 흘려주었다. 흡착탑 출구부의 sampling port에서 시료를 채취하여 G.C.로 분석하며 도입농도와 배출농도가 같아질 때 흡착을 중단했다. 이러한 결과를 가지고 시간에 배출농도로 파과곡선을 작성하고 이를 수치 적분하여 흡착량을 구했다.

탈착실험

증류수를 preheater에 넣고 원하는 온도조절기를 이용하여 원하는 온도와 유량을 가질 때까지 vent 시켰다. 흡착과정이 끝난 흡착질로 포화된 흡착탑을 스팀발생장치에 연결하였다. 스팀을 흘려보내 주어 탈착된 흡착질과 스팀이 냉각기를 거쳐 응축된 시료를 CS2가 들어있는 바이알병에 채취하였다. 채취한 시료를 G.C.로 분석하고 탈착된 흡착질의 양을 구하였다.

결과 및 토론

2성분계의 흡착 및 탈착

MEK/toluene 2성분계에서는 MEK의 파과가 먼저 일어나 배출농도가 도입농도 이상으로 상승하였다가 toluene의 파과가 일어남에 따라 다시 내려가 도입농도 수준을 유지하였다.

이와 같이 한 성분이 다른 성분에 비해 선택적으로 흡착이 되는 경우는 크게 두 가지로 설명될 수 있다. 첫 번째는 평형흡착의 차이로 설명할 수 있으며 두 번째로는 속도론 적인 차이로 설명할 수 있다. 평형흡착의 차이로 선택적 흡착이 일어나는 경우, 강하게 흡착되는 흡착 질이 먼저 흡착되어 있던 약하게 흡착되는 흡착 질을 치환(displacement)하여 파과곡선에서 도입 농도 이상의 배출농도 상승이 일어난다. 속도론적 차이로 설명할 경우 각 성분들의 흡착제 입자 내에서의 확산속도의 차이로 선택적 흡착이 일어난다.

2성분계에 있어서 탈착곡선은 약흡착질이 먼저 탈착되고 강흡착질이 후에 탈착되었다. 탈착된 양(desorbed amounts)은 MEK/toluene 2성분계에서 toluene은 0.1106g, 0.1156g인 반면에 MEK는 0.0375g, 0.0351g이었다.

3성분계의 흡착 및 탈착

MEK/toluene/n-hexane에 대해 3성분 파과실험 및 탈착실험을 행하였다. Fig.4에서 보는 바와 같이 파과는 n-hexane, MEK, toluene 순서로 일어났고, 2군데의 roll-up현상이 일어났다. 세성분의 농도를 비슷하게 만들어 실험한 결과  n-hexane와 MEK의 roll-up의 크기가 비슷하게 일어났다.

3성분계의 탈착곡선도 n-hexane, MEK, toluene 순서로 먼저 탈착이 되었다. 세 성분의 농도를 비슷하게 하여 흡착하여 탈착시킨 결과, Fig.5에서 보는 바와 같이 탈착된 양은 toluene: 0.1042g, MEK: 0.0135g이었고 n-hexane은 거의 없었다. 즉 가장 강흡착질인 toluene이 나머지 두 흡착질을 모두 치환시켰다는 것을 알 수 있었다.

참고문헌

1. 이시훈, 손응권: HWAHAK KONGHAK, 12, 128(1994)

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. LeVan, D. M. and Schweiger, T. A. G.: "Fundamentals of Adsorptions",       487, New York(1991)

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6. Thibaud-Erkey, C., Guo, Y., Erkey, C. and Arkerman, A.: Environ. Sci.       Technol. 30, 2127(1996)

7. Takeuchi, Y. and Shigeta, A.: J. Chem. Eng. Japan, 24, 411

8. 김종화: □활성탄소섬유 충전층에서 휘발성 유기물질의 흡착 및 탈착 특         성□, 연세대학교 화학공학과 석사학위논문(1998)