왕겨를 이용한 활성탄 제조방법

이 종규, 김 제영, 이 용국

포항산업과학연구원(RIST), 환경에너지연구부문

A Preparation of Activated Carbon by Korean Rice Hull

J.G. Lee, J.Y. Kim, Y.K. Lee

Research institute of Industrial Science&Technology(RIST)

Environment&Energy Res.Div.

1. 서   론

국내의 활성탄 생산량은 1997년 현재 입상 활성탄이 약 19,000톤이고, 분말상은 약 8,000톤으로 집계되고 있다. 1996년에 외국으로부터 수입량은 입상이  10,000톤, 분말상이 약 9,000톤이었다. 국내에서 생산하는 활성탄의 주 원료는 야자각 Char로서 전량을 수입하여 활성화 공정을 거쳐 판매하고 있다.  따라서 요즘 같은 고 환율시대에 국내의 활성탄 산업은 수입제품을 대체할 수 있는 원료 물질의 다양화와 수급에 달려있다고 판단되며, 국내에 부존량이 풍부한 원료를 이용한 활성탄의 제조기술을 확립하는 것이 요구된다.(1)

벼 중에서 왕겨는 약 20 % 정도를 차지하는데, 전세계적으로 매년 약 5000만 톤, 국내에서는 약 120만 톤이 생산된다. 이러한 벼농사 부산물들은 적절히 처리하지 않았을 경우, 환경에 부정적인 영향을 끼칠 수 있다. 현재 왕겨의 활용도는 매우 미비한 형편이어서 단순히 연소시켜 연소열을 얻는 정도로 그 활용분야가 극히 제한되어 있어, 그 효과적 활용기술의 개발이 절실히 요구된다.

활성화 공정은 800∼1000 ℃의 온도 범위에서 일어나는 탄소의 산화반응으로 탄화물의 표면을 침식시켜 미세공의 구조를 발달시키는 공정으로 가스활성화법과 약품활성화법으로 구분된다.  활성탄의 제조방법은 탄화된 원료를 수증기, 이산화탄소, 공기 등과 같은 산화성 기체의 존재 하에서 활성화시키는 가스활성화와 ZnCl2, H3PO4, KOH, NaOH 등과 같은 산이나 알카리를 사용하는 약품활성화가 있다.(2)

본 연구에서는 왕겨를 탄화시켜 탄화왕겨를 거치지 않고 원료인 왕겨에 KOH를 활성화제로 채택하여, 다양한 조건에서 왕겨를 원료로 활성탄을 제조하고 미세공의 발달에 미치는 영향을 조사하였다.  BET를 이용하여 활성탄의 비표면적 및 미세공의 분포를 분석하고, 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 기공들의 구조를 비교·관찰하였다.

2. 실험방법

(1) 활성화 실험장치

5∼10 g건조된 왕겨를 수용성폴리머(Polyvinylalcohol)을 가지고 적당한 크기로 성형한 후 KOH를 활성화제로 하여 Tube Furnace 내에서 승온속도와 탄화온도에 따라 활성화하였다.

(2) 왕겨의 활성화

KOH를 활성화제로 사용하여 왕겨와 일정 중량비(KOH;왕겨=3:1)로 혼합하여 세라믹 Boat에 담아 Tube Furnace 안에 넣고 질소 분위기에서 활성화온도(600∼900 ℃)와 승온속도 5℃/min으로 하여 활성화하였다. 활성화 되어진 시료는 초음파세척기를 사용하여 50℃에서 KOH를 제거하였다.

이때 활성화된 시료에 잔존하는 KOH를 유무여부를 확인하기 위하여 pH전극을

사용하여 pH가 7일 때를 KOH가 100%제거된 것으로 보아 활성화 수율을 측정하였다.

(3) 비표면적의 측정

시료의 비표면적 및 Pore Structure는 Micromeritics사의 ASAP 2010을 사용하여 77 K에서 N2 가스를 흡착하여 얻어졌다.

3. 결과 및 토론

그림 1.Steam Activation, 700℃

그림2.KOH침적후 활성화, 700℃

그림 4. KOH Activation, 700℃

그림 3. KOH Activation, 600℃

그림 5. KOH Activation, 800℃

그림 6. KOH Activation, 900℃

참고문헌

1. 김우근, □우리 나라 활성탄소 산업의 역사와 수요□, 탄소재료연구회 제 1 회 WORKSHOP p. 33 (1995).

2. A. Ahmadpour, □The Preparation of Active Carbons from Coal by Chemical and Physical Activation□, Carbon, Vol 34, No 4 pp 471∼479, 1996.

3. 김제영외 3인, □KOH를 이용한 활성탄소 섬유의 제조□, 화학공학회, Vol 34, No 5, p 668 ∼ 670, 1996