활성탄의 CO2기체 흡착속도

김성은·유홍진

순천향대학교 신소재화학공학부

Adsorption Rate of CO2 on Activated Carbon

Sung Eun Kim·Hong Jin Yoo

Division of Materials and Chemical Engineering, College of Engineering

Soonchunhyang University, Asan 336-745, Korea

1. 서론

이산화탄소는 대기로 배출되면서 지구온난화의 주원인 물질중의 하나가되고. 회수시켜 순수 정제된 경우에는 화학공장과 관련된 산업체에서 널리 사용된다. 최근에 지구온난화 방지대책 기술의 하나로 화석연료를 사용하는 화력발전소 연소배가스로부터 배출되는 이산화탄소를 분리 회수하는 여러 종류의 기술에 대한 연구가 국내 및 국외에서 활발히 진행되고 있으며(1~4), 여러 공정 중 PSA (Pressure Swing Adsorption)에 의한 기체분리가 CO2농도가 낮고 N2, O2등이 balance를 이루고 있는 화력발전소 배가스 처리에 적합한 저에너지형 기술이다.    PSA공정을 새로운 적용 대상 가스에 응용하기 위해서는 흡착속도에 대한 이해가 필수 적이며, 흡착제 내에서의 흡착속도에 관한 자료는 흡착탑의 모형화 및 공정실험에 기초가 된다. 화력발전소 연소배가스 처리에 사용 가능한 흡착제의 종류에는 활성탄, carbon molecular sieve, zeolite 등을 들 수 있으나, 연소배가스와 유사한 조건(조성, 온도 및 압력)에서의 국내 제조 활성탄에 대한 흡착속도에 관한 자료는 드물다.

따라서, 본 연구의 목적은 국내에서 제조된 활성탄에 대한 이산화탄소의 흡착속도를 측정하고 흡착제의 흡착성능을 비교하여, 사용된 활성탄들에 대한 지구 온난화 방지용 PSA공정에의 적용 가능성을 알아보는데 있다.

2. 실험방법

본 실험에 사용된 흡착제는 (주)삼천리의 기상용 활성탄(SGP-100, SGA-100, SGT)이며, 흡착질로는 초고순도 이산화탄소를 사용하였다. 활성탄의 물리적 특성은 Table 1에 나타내었다.  TA Instruments사의 TGA 2050이 흡착속도 측정 실험에 사용되었으며, 초고순도 He이 purge gas로 사용되었다.

TGA에 의한 흡착속도 실험은 다음과 같이 수행되었다. Furnace내의 sample pan에 SGP-100활성탄을 올려놓고 불순물 및 수분을 제거하기 위해서 He가스를 계속 흘려보내며 250℃에서 120분 동안 등온을 유지하며 소성 하였다. 그 다음 각각 75, 50, 25℃의 흡착실험 온도까지 냉각시킨 후, 등온 상태에서 CO2기체를 공급하여 20∼30분간 흡착시킨다. 다른 종류의 활성탄에 대한 CO2흡착실험도 위와 같은 절차로 반복한다.

Table 1. 활성탄의 물성

	SGP-100	SGA-100	SGT
원료 물질 (Raw Material)	Coal	Coconut shell	Coconut shell
형상(Type)	Pellet	Granular	Granular
비표면적(m2/g)	900	1100	1400
총세공면적(□/g)	0.6∼0.9	0.5∼0.6	0.71

3. 결과 및 고찰

25℃, 50℃, 75℃의 온도에서 활성탄에 흡착된 CO2의 양을 TGA에 의해 측정하였고, 이를 기준으로 계산된 단위 질량당 흡착량은 Table 2에 나타내었다.

Table 2. 단위 질량당 흡착량

활성탄	소성온도(℃)	흡착온도(℃)	단위 질량당 흡착량 (mgCO2/mg활성탄)
SGP-100	250℃	25℃	9.4808*10-2
		50℃	6.1943*10-2
		75℃	4.2229*10-2
SGA-100	250℃	25℃	9.5992*10-2
		50℃	6.1943*10-2
		75℃	4.2229*10-2
SGT	250℃	25℃	1.0641*10-1
		50℃	6.7095*10-2
		75℃	4.6391*10-2

SGP-100의 단위 질량당 흡착량으로 부터 작성된 Uptake curve는 Fig 1에 나타내었다. 이결과 높은 온도보다 낮은 온도에서 흡착속도가 더 빠르며, 더 많은 양의CO2가 흡착됨을 알 수 있었다.

SGA-100 및 SGT에 대한 흡착량은 Table 2에 나타내었으며 이들에 대한 Uptake curves는 Fig. 2와 Fig. 3에 각각 나타내었다. SGA-100 및 SGT에 대한 흡착속도 및 흡착량은 SGP-100과 유사한 경향을 나타내었다.

또한 일정온도에서 세 종류의 활성탄에 대한 흡착속도를 비교하여보면 SGT가 가장 흡착속도가 빠름을 알 수 있었다.

Fig. 1 CO2 Uptake Curves(SGP-100)

Fig. 2 CO2 Uptake Curves(SGA-100)

Fig. 3 CO2 Uptake Curves(SGT)

4. 참고 문헌

1. 조순행, 김종남, 주국택, 박교식, □연소배가스에서 탄산가스의 분리 회수 기술,□ 화학공업과 기술, Vol. 13, No. 4, 1995.

2. Kikkinides, E. s. and Yang, R. T., "Concentration and Recovery of CO2 from Flue Gas by Pressure Swing Adsorption," Ind. Eng.Chem. Res., 32, 2714, 1993.

3. Chue, K. T., Kim, J. N., Yoo, Y. J., and Cho, S. H., "Comparision of Activated Carbon and Zeolite 13X for CO2 Recovery from flue Gas by PSA," Ind. Eng. Chem. Res., 34, 591, 1995.

4. 김유창, 여영구, 이화웅, 송형근, 정연수, 나병기, □연소가스로부터 CO2회수를 위한 PSA공정의 모사□ : KIChE,. Vol.36, No.4, pp562-570, 1998.