성형에 의한 석탄계 활성탄의 세공특성변화

문장천, 이송우, 최동훈*, 류동춘*, 곽창섭*, 송승구

부산대학교 화학공학과, 부산광역시 상수도 사업본부*

Characteristics of pore distribution of coal based activated carbon with granulation

Jang Cheon Moon, Song Woo Lee, Dong Hoon Choi*, Dong Chun Ryu*, Gwak Chang Seob*, Seung Koo Song

Dept. of Chem. Eng. Pusan National University, Water Works H.Q. Pusan Metropolitan City*

서론

입자내 많은 세공들을 가진 활성탄은 유기물이나 금속성분을 흡착할 수 있는 특성을 가지고 있다. 특히 활성탄은 최근 들어 대기 및 수질오염 등의 환경공해 문제가 심각하게 대두됨에 따라 흡착제로 가장 많이 사용되고 있다. 활성탄의 세공의 크기 및 분포는 원료, 탄화, 및 활성화 조건에 영향을 많이 받으나 복합원료와 성형조건에 의해서도 세공의 형태가 바뀌는 것을 확인할 수 있다.

본 연구는 성형공정이 활성탄 세공특성에 미치는 영향을 고찰하기 위해 무연탄으로 제조한 파쇄형 활성탄과 성형활성탄의 세공특성을 비교, 고찰하였다.

실험

1) 원료

본 연구에서 사용한 원료는 국내 영월지역의 무연탄을 사용하였고 성형에 사용한 점결제는 coal tar를 사용하였다. 원료의 공업분석결과는 Table 1과 같다.

2) 실험장치

본 실험에 사용된 반응기는 탄화와 활성화를 하나의 반응기로 순차적으로 수행할 수 있는 실험실규모의 회분식의 rotary형 반응기이다. 이 반응기는 내경이 100□, 길이가 800□인 SUS400으로 제작된 실린더형이며, 장치도를 Fig.1에 나타내었다.

3) 실험방법

파쇄형 활성탄을 제조하기 위해서는 원탄을 8∼30mesh로 파쇄한 후 수분을 완전히 건조하여 시료로 사용하였다. 성형활성탄의 제조공정에서는 원료를 적정입도(75□, 200mesh이하)로 분쇄하여 coal tar와 점결수를 첨가하고 균일하게 배합한 후 성형기를 이용하여 직경 5□, 길이 10□인  pellet 형으로 성형체를 제조하고 건조하여 시료로 사용하였다. 반응기에 시료 50g을 넣고 700℃에서 70분간 탄화시켰다. 탄화과정 중 시료의 산화를 방지하기 위해서 일정량의 질소를 공급하였다. 탄화과정후 활성화온도 950℃까지 온도를 상승시킨 후 일정량의 수증기(0.03□/min·g coal)를 공급하며 210분간 활성화반응 시켰다. 활성화온도에 도달하기전 까지 일정량의 질소를 공급하여 산화를 방지하였고, 활성화 시킨 후 시료의 산화방지를 위해 질소를 공급하면서 200℃이하로 자연냉각 시켜 활성탄을 제조하였다.

Table 1. Proximate and ultimate analysis of raw material

anthracite	VM(%)	Ash(%)	FC(%)	C	H	N	S	O
	2.3	10.9	86.8	83.2	2.2	0.4	1.4	12.8

VM : volatile matter, Ash : ash content,  FC : fixed carbon

1. Furnace, 2. Adiabatic block,

3. Basket, 4. Reactor,

5. Steam generator, 6. Flow meter,

7. 3Way-valve, 8. Temp-Controller,

9. Water pump, 10. Water tank,

11. N2 Cylinder, 12. Geared motor,

13. Belt, 14. Motor controller,

15. Vent

Fig. 1. Schematic diagram of experimental apparatus.

4) 분석

제조된 활성탄은 한국산업규격의 활성탄 시험방법(KS M 1802)에 따라 요오드 흡착능력과 경도를 측정하였다[1]. BET 비표면적 측정기(Micromeritics, ASAP-2010)를 이용하여 비표면적 및 2∼3,000Å 영역의 세공구조를 측정하였고, Mercury porosimeter(Micromeritics, Poresizer 9320)를 이용한 수은침투법에 의해 85∼1,000,000Å 영역의 세공구조를 측정하였다.

결과 및 고찰

무연탄을 원탄으로 제조한 파쇄형활성탄(DA)과 무연탄을 압출성형한 활성탄(EA)의 제조조건 및 특성을 Table 2에 나타내었다. 압출성형한 활성탄이 파쇄형활성탄에 비해 요오드가, 비표면적, 총세공부피, 경도등 모든 특성이 향상되었음을 알 수 있었다. Fig. 2와 Fig. 3은 BET analyzer 와 Mercury porosimeter로 측정한 활성탄의 세공분포이다. Fig. 2와 같이 전체세공의 분포는 거의 유사하나 파쇄형활성탄에 비해 압출성형활성탄이 측정된 세공직경 2∼3000Å의 범위에서 세공이 더 발달했음을 확인할 수 있었고 Fig. 3에서는 압출성형활성탄이 파쇄형활성탄에 비해 특히 10000Å부근의 거대세공이 크게 발달하였음을 알 수 있었다. 성형활성탄에서 10000Å부근의 거대세공이 발달한 것은 성형공정시 첨가한 점결제성분이 탄화과정에서 제거되면서 생기는 세공을 통하여 활성화된 결과라 사료된다. 이 영역의 세공은 비표면적과 흡착력에는 큰 영향을 미치지 못하지만 흡착질의 통로역활을 하는 것으로 알려져있다[2]. Fig. 4와 Fig. 5는 파쇄형활성탄과 압출성형활성탄의 세공구조변화이며 압출성형활성탄이 파쇄형활성탄에 비해 약2배의 거대세공부피를 가지고 있음을 확인할 수 있었다. Fig. 6의 질소흡착등온곡선의 검토에서도 성형한 활성탄의 질소흡착량이 증가함을 알 수 있었다.

Table 2. Characteristics of directed and extruded acitvated carbons

Sample	Carbonization ℃(min)	Activation ℃(min)	yield %	I2 □/g	SBET □/g	VTP □/g	hardness %
Direct(DA)	700(70)	950(210)	33.9	825.7	1037	0.546	40
Extruded(EA)	700(70)	950(210)	31.7	909	1165	0.631	> 95

I2 : Iodine number, SBET : BET surface area, VTP : Total pore volume

결론

성형 하여 제조한 활성탄은 비표면적, 세공부피, 경도와 흡착성능이 향상됨을 확인할 수 있었다.  특히 성형후 macropore 영역의 세공이 크게 발달함을 알 수 있었고, 성형공정에  의해 활성탄의 세공구조가 변한다는 것도 확인할 수 있었다. 본 연구에서 경도 95%이상, 요오드 흡착력 900m3/g이상 , BET비표면적 1100m2/g이상인 성형활성탄을 제조할 수 있었다.

참고문헌

1. 한국산업규격: □입상활성탄 품질규격□, KSM-1802(1993).

2. Allen, T.: "Particle size measurement", 4th ed., Champman & Hall(1990).