활성탄에 의한 사염화탄소 흡착 시 수분과 습도의 영향

이대로, 김태영, 김승재, 서성규*, 이우범*, 조성용

전남대학교 환경공학과, * 여수대학교 환경공학과

The Effect of Moisture and Relative Humidity on the Adsorption of Carbon Tetrachloride by Activated Carbon Pellet

Dae Lo Lee, Tea Young Kim,  Seung Jai Kim, Seong Gyu Seo*,

Woo Bum Lee*, Sung Yong Cho

Department of Environmental Engineering, Chonnam National University

*Department of Environmental Engineering, Yosu National University

서론

활성탄에 의한 흡착공정은 대기중의 휘발성 유기화합물질들을 제거하는데 널리 이용되는 방법들 중 하나인데 이는 흡착제의 재생이 가능하며 흡착 대상물질의 회수가 가능하기 때문이다. 이런 유형의 흡착공정은 대부분 수분을 함유한 공기에 노출이 되어있기 때문에 흡착 공정 시 수분의 영향은 반드시 고려해야 한다.

본 연구에서는 활성탄을 이용한 carbon tetrachloride의 흡착 시 carrier gas로 사용되는 공기 중 습도가 흡착에 미치는 영향과 활성탄 제조 시 또는 steam desorption에 의한 재생 공정 후 활성탄 잔존 수분 함량이 흡착에 미치는 영향을 각각 고찰하였다.

이론

다공성 물질로 충전된 등온 고정층에서 carbon tetrachloride 흡착에 관한 모델식을 세우기 위하여 흡착제는 다공성이고, 유체의 흐름은 axial dispersion을 가지며 plug flow로 흐른다는 가정 하에, 물질전달에서 외부 및 내부의 확산을 포함하는 모델식은 다음과 같이 묘사될 수 있다.

컬럼 내에서의 물질 수지식

[eqn: -{ D}_{L } { { PARTIAL }^{2 } { C}_{i } } over { PARTIAL { z}^{2 } }+ { PARTIAL upsilon { C}_{i } } over { PARTIAL z }+ { PARTIAL { C}_{i } } over { PARTIAL t }+ { 1- { epsilon }_{b } } over { { epsilon }_{b } } { PARTIAL { q}_{i } } over { PARTIAL t }=0]

입자표면에서의 물질 수지식

[eqn: { k}_{f }(C- { C}_{S })= { D}_{S } { rho }_{p } { PARTIAL q} over { PARTIAL r }]

입자내부에서의 물질 수지식

[eqn: { epsilon }_{ p} { PARTIAL { C}_{p } } over { PARTIAL t }+ { rho }_{p } { PARTIAL q} over { PARTIAL t }= { { epsilon }_{p } } over { { r}^{2 } } { PARTIAL } over { PARTIAL r }( { r}^{2 } { D}_{p } { PARTIAL { C}_{p } } over { PARTIAL r } )]

LDFA(Linear driving force approximation)

입자내부의 흡착농도의 분포가 parabolic 및 quadratic형으로 가정하면 확산방정식은 다음과 같이 표현할 수 있다.

[eqn: PARTIALq over partialt ~=~ 15D_s over R^2 (` q_s ~-~ q ``)]

[eqn: PARTIALq over partialt = 3k_f over {R rho_b} (C ~-~ C_s ) = k_s ( q ~-~ q_s )]

[eqn: k_s ~=~ 15D_s over R^2]

여기서 [eqn: k_f]는 경막 물질 전달계수이며, Wakao and Funazkri식을 이용하여 구하였다. 축 방향 분산계수는 Edwards and Richardson의 관계식을 이용하여 계산하였다.

실험

- 흡착 평형 실험

흡착평형 실험은 Cahn electronic balance가 설치된 중량식 흡착 실험 장치로 실험을 행하였다. 본 실험장치는 항온을 유지하기 위해 항온 room을 구성하였으며 실제 실험 온도를 매우 만족하게 유지 시켜 주었다. Cahn electronic balance외의 모든 장치는 Pyrex로 제작되었으며 밸브 또한 부식을 막기 위하여 초자류를 사용하였다.

- 고정층 흡착실험

단일성분의 고정층 흡착실험에서 파과 곡선을 측정하기 위한 실험장치의 모든 line은 직경이 1/4 inch stainless steel tubes로 구성되어 있으며, 흡착 column의 직경은  1/2 inch 이다. Valve 와 fitting들은 Swagelock Co.의 제품을 사용하였다. Pressure bottle의 일정한 온도를 유지하기 위하여 항온 순환조를 이용하였으며 pressure bottle은 실험 중 장치에 압력이 걸릴 것을 대비하여 50bar를 견딜 수 있는 특수 재질로 코팅이 된 용기이다. 실험 전 후 mass balance를 통하여 구하였다. 용매의 포화효율을 증가시키기 위하여 증발기 내에 6mm의 유리구슬을 충전시켜 사용하였다. Steel tube내에 기체의 응축을 막기 위해 항온수조의 온도보다 system의 온도를 충분히 높게 해주었는데 이를 위해 heating band로 공정 전체의 line을 감싸주었다. 흡착공정 중 흡착 column의 온도 변화를 측정하기 위해 흡착 column 내부에 thermo couple을 설치하였으며 이를 recorder에 연결하여 온도 변화를 측정하였다. 흡착column을 통과한 carbon tetrachloride는 gas sampler로 Silica  DC-120이 충진된 분리 컬럼과 불꽃이온화 검출기(FID)가 갖추어진 가스크로마토그래피(GC-14B, Shimadzu, Japan)로 농도를 측정하였으며 carbon tetrachloride의 농도는 증발기의 온도 변화로 조절하였다.

실험에 사용한 활성탄은 수증기가 발생하고 있는 bath에 원하는 수분 함량이 되도록 올려놓은 후 사용하였다. 실험에 사용한 활성탄의 물리적인 성질을 Table. 1.에 나타내었다.

Table. 1. Physical properties of activated carbon

Physical properties	Activated carbon pellet
Supplier	Norit (B4)
Pellet diameter(cm)	0.438
Pellet length (cm)	0.67
BET surface area (m2/g)*	826
Micropore distribution(< 1nm)**	45.16%
Porosity	0.42

결과 및 토론

온도의 변화에 따른 흡착량을 조사하기 위해 298.15K, 308.15K, 318.15K에서 흡착 평형 실험을 수행하였으며 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 활성탄에 의한 carbon tetrachloride의 흡착평형 실험 data는 Langmuir isotherm으로 잘 모사 되었으며 온도가 증가함에 따라 흡착량이 감소함을 알 수 있었다. Fig. 2는 완전한 건조공기와 공기중의 습도를 함유한 공기를 carrier gas로 이용하여 carbon tetrachloride의 흡착특성을 나타낸 그림으로 파과 시간 및 파과 곡선의 형태가 크게 변화하지 않음을 알 수 있었다. Fig. 3은 활성탄 재생 시 발생할 수 있는 활성탄 잔류 수분의 영향을 고려하여 실험을 수행한 결과 잔류 수분의 양이 증가하면 할수록 파과가 빨라진다는 사실을 알 수 있었으며 특히 실험농도(5000ppm∼6000ppm)사이에서는 잔류 수분이 5%∼10%까지는 별 영향을 미치지 않았으나 잔류수분이 15% 이상에서는 파과가 빨라진다는 것을 알 수 있었다.

Fig. 1. Adsorption equilibrium isotherms and experimental data of CCl4

at different temperatures calculated by Langmuir equation

Fig. 2.  Experimental breakthrough        Fig. 3. Experimental breakthrough

curves at different air streams           curves at different residual

(291.15K)                             . water weight percentages

참고문헌

1. Martin D. Werner., “The Effects of Relative Humidity on the Vapor Phase Adsorption of Trichloroethylene by Activated Carbon”, Am. Ind. Hyg. Assoc. J., 46(10):585 (1985)

2. Frederic Delage., Pascaline Pre., and Pierre Le Cloirec., “Effects of Moisture on Warming of Activated Carbon Bed During VOC Adsorption”, Journal of Environmental Engineering 12 (1999)

3. Leonard A. Jonas., Eric B. Sansone., and Thomas S. Farris., “The Effect of Moisture on the Adsorption of Chloroform by Activated Carbon”,

Ind. Hyg. Assoc. J., 46(1):20 (1985)

4. Wakao, N. and Funazkri, “Effect of Fluid Dispersion Coefficient on Particle to Fluid Mass Transfer Coefficient in Packed Bed”, Chem. Eng. Sci., 33, 1375 (1978)