초임계 톨루엔으로 추출된 탄화 알라스카 갈탄의 표면구조

박창준, 류은석, 김부웅,

부산대학교 공과대학 화학공학과

Surface Structure of Carbonized Alaska Lignites Extracted with Supercritical Toluene

Chang-Jun Park, Eun-Suk Ryu, Bu-Ung Kim,

Dept. of Chem. Eng, Pusan Nat'I Univ., Pusan 609-735, Korea

서론

활성탄은 탄소계 흡착제의 대표적인 물질로서 공업촉매, 담체 및 활성탄의 고유 흡착기능을 이용한 분리공정 등 많은 분야에서 이용되며 그 역할이 날로 증가되고 있다. 특히 최근들어 대기 및 수질오염 등의 환경오염 문제가 심각해짐에 따라 폐수 및 정수 처리, 배기가스 흡착 등에의 수요가 증대되고 있다.

이러한 활성탄의 구조는 탄화공정이나, 활성화 방법에 따라 매우 다르나, 일반적으로 비표면적은 500∼1700m2/g에 달하며, 다른 흡착제에 비해 직경 20Å이하의 미소공극이 잘 발달된 것이 특징이다.

활성탄은 일반적으로 탄화(Carbonization) 및 활성화(Activation)을 통해 제조된다. 활성탄의 원료로는 식물질(목재, 야자껍질, 곡물류등), 동물질(생선뼈, 동물뼈), 광물질(석탄, 석유), 산업 폐기물 등이 있는데, 주로 석탄이 많이 사용되고 있으며[1], 최근에는 산업 폐기물로 인한 환경오염 방지 및 폐자원의 재활용을 위한 노력으로 산업 폐기물로부터 활성탄을 제조하려는 연구가 일본을 중심으로 행해지고 있다[2]. 탄화는 탄소질 물질을 200∼800℃ 온도범위에서 원료물질 내부의 고정탄소 성분과 비탄소 성분과의 결합을 끊어서 기본적인 세공 구조의 기본 골격을 형성하는 과정이며, 이 탄화과정 동안 수분과 휘발성 성분들은 대부분 제거된다. 탄화과정에서 탄화온도와 탄화시간이 중요한 결정요인이 되며, 탄화온도는 활성탄의 기계적인 강도를 지배하게 된다. 승온속도의 경우 탄화과정시 열을 서서히 공급하는 분위기가 세공발달에 큰 영향을 미친다고 보고된 바가 있다[3]. 활성화는 800∼1100℃ 범위의 온도에서 탄화과정시 세공내에 남아있는 끊어진 비탄소 성분들을 부분 산화시켜 미세세공 구조를 발달시키는 과정이지만 제어가 쉽지 않다[3].

초임계 상태란 임계온도 및 임계압력 이상에 있는 유체의 상태를 말하며, 이러한 상태에 있는 유체는 기체와 유사한 침투력과 액체와 비슷한 밀도를 가지고 있어 다수 혼합물중 특정성분만을 선택적으로 분리해 낼 수 있는 특징이 있으며, 다양한 분야에서 응용가능성을 가지고 있다[4].

본 연구는 활성탄이 제조공정중 활성화 공정을 초임계 유체 추출로서 대체시키려는 연구로서 탄화물을 초임계 유체로 추출하는 경우에 탄화 및 추출조건이 피추출물의 표면적과 세공분포에 미치는 영향에 관하여 조사하였다.

실험장치 및 방법

탄화 실험에 사용한 장치는 최대 1200℃까지 승온이 가능한 소형 원통형 전기로로 내경 9□, 길이 300□인 석영관을 사용하여 탄화시켰다. 그 장치도는 Fig. l과 같다. 추출장치는 Autoclave Engineers 사의 Supercritical Extraction Screening System(Model # 08U 06 60 FS)이며, 최소눈금 5psi의 정밀도를 가지는 Heise 압력계, 최고온도 600℃까지 제어가 가능한 Eurotherm model 847 Digital 온도조절기, EG & G 사의 Flow Computer, Haskel 사의 Back Pressure 조절기, Thermo Serperation Products 사의 mini펌프 및 용량 100□의 추출관으로 구성되어 있다. 그 장치도는 Fig. 2와 같다. 표면적 및 세공 분포는 micromeritics Accusorb 2100E를 사용하여 측정하였다.

연구에 사용된 원료로는 이전의 연구에서 사용한 원료와 동일한 Alaska Lignite를 사용하였으며, 물성분석은 다음과 같다.

Table. 1 Proximate analysis of Alaska lignite.(wt%)

Ash Content	Volatile matter	Fixed Carbon
9.59	48.81	41.60

Alaska 산 lignite를 공기 유입을 막은 상태에서 10□/min으로 질소를 통과시키면서 650℃, 700℃, 750℃에서 탄화시켰다. 승온 속도는 60∼80℃/min이었다.

탄화는 원료를 내경 9mm 석영관에 넣어 설정 온도까지 올라간 후 2시간까지 30분 간격으로 수행하였으며, 설정 시간이 되면 탄화는 끝난다. 탄화후 무게감량과 비표면적을 측정하였으며 초임계 톨루엔을 이용하여 350℃, 900psi에서 추출실험을 수행하였다. 이 온도와 압력은 전보[5]에서의 최적 추출조건이다. 추출용매인 톨루엔은 임계온도가 318.6℃이고, 임계압력이 596.8psi이다. 실험은 350℃, 900psi에서 150min까지 30분 간격으로 수행하였으며, 추출이 끝난 후 추출물을 기·액분리기를 통해 분리한 후 피추물을 상온까지 냉각한 후 무게감량 및 BET 측정기를 이용하여 비표면적 및 세공분포를 측정하였다.

결과 및 고찰

Fig. 3과 Fig. 4는 650℃,700℃,750℃의 온도에서 120min동안의 탄화 후 무게감량 및 비표면적을 나타내고 있다. 그림에서 볼 때, 650℃와 700℃의 경우, 온도가 증가함에 따라 무게 감량 및 표면적이 증가함을 볼 수있으며, 700℃, 30min에서 최대 표면적이 얻어졌다. 하지만, 750℃의 경우 앞의 두 온도에 비해 높은 온도이며 무게감량 또한 크지만, 상대적으로 낮은 표면적을 나타내고 있다. 이것은 탄화온도가 높아서 세공 벽이 파괴되는 결과라고 추정된다. 따라서 700℃, 30min을 최적 탄화조건으로 판단하였다.

350℃, 900psi에서 150min동안 추출한 결과는 Fig.5와 같다. 이 그림에서는 120min까지 무게감량 변화가 뚜렷이 나타나다가 150min에서는 미세한 증가가 나타난다. 이것은 150min에서 추출가능한 탄화물이 거의 대부분이 추출된 것으로 판단된다. 가장 높은 표면적은 275m2/g이었다. Fig. 6은 350℃, 900psi에서 시  간에 따른 추출속도를 나타낸 것으로 90min과 120min사이에서 추출속도가 가장 높다. 350℃, 900psi, 150min에서의 세공분포를 나타내는 Fig.7에서 직경 2□이하인 micropore가 40%, 직경 8□이하의 mesopore가 34%이다. Fig. 8은 흡-탈착 등온선을 나타낸 것이다. De Boer[6]의 세공형태의 기준에 의하면 Slit-shape 모세관이나 잉크병 모양의 변형이라고 생각된다.

참고문헌

1. Roop, C. B., Jean-B. D., Fritz S., "Active Carbon.", Marcel Dekker,            Inc., New York and Basel (1988)

2. 한국 화학 연구소, "A Study on Manufacture of Activated Carbon."             (1983)

3. 윤호성, 성준식, 박종학., □중국석탄의 성질이 제조된 활성탄 특성에 미치         는 영향.□, 화학공학, Vol. 34, No. 3, pp 263∼269 (1996)

4. Mcugh, M. and Krukonis, V., "Supercritical Fluid Extraction Principles         and Practice.", Butterworths, London (1986)

5. Kim, B.U., Ryu, E.S. and Park, C.J., "Supercritical Toluene Extraction of       Carbonized coal obtained from Alaska liginite"

6. De Boer, J.H., The Structure and Properties of Porous Materials, Proc. X       Symp. Colston Research Soc. Univ. Bristol, Butterworths Sci. Publ.,           London, 68 (1958)