염소계휘발성물질(CFC-113)의 흡착거동에 관한 연구

이대로,김태영,이규수,김숙진,조성용,김승재

전남대학교 환경공학과

A Study on Adsorption behavior of halocarbonanted

volatile organic compound (CFC-113)

Dae Ro Lee, Tae Young Kim, Gyu Su Lee,

Suk Jin Kim, Sung Yong Cho, Seung Jai Kim

Dept. of Env. Eng., Chonnam Nat'l. Unv., Kwangju 500-757, Korea

1. 서 론

CFC(chlorofluorocarbon)는 독성이 없는 무색무취의 물질로서, 열적 및 화학적으로 안정하고 부식성이 없기 때문에 냉매, 발포제, 세정제와 분사추진제 등에 많이 사용되어 왔다. 그러나, CFC가 성층권에 존재하는 오존층파괴의 원인인 몇 가지 화학물질중에서 가장 치명적이라는 Molinadhk와 Rowland의 발표가 있은 1974년 이후, CFC를 어떻게 처리할 것인가가 긴급히 해결되지 않으면 안될 문제로 부각되었다. 특히 1987년 9월에 체결된 □오존층을 파괴하는 물질에 대한 몬트리올 협약(□the Montreal Protocol on Substances that Deplete the Deplete the Ozone Layer")에 의하면, 분해 처리된 CFC의 양만큼만 CFC의 재생산 및 사용이 허용되며, 모든 CFC는 2000년 이전에 사용이 금지되도록 규정되었다. 이후 규제가 강화되어 선진국의 경우 1996년에 모든 CFC의 사용이 금지되며 개발도상국의 경우에도 추후 10년간 제한된 양의 CFC를 사용할 수 있을 뿐이다. 또한 CFC 2030년 이전에 사용이 전면 금지될 것으로 예상된다. CFC 소멸대책을 검토할 때, 6년 후에는 현재 CFC 사용량의 45%가 다른 대체물질로, 15%는 사용이 억제될 것으로 예측된다.

이러한 상황에 적절히 대응하기 위해서는 CFC에 대한 대체물질을 찾고, 사용된 CFC 및 HCFC의 회수 및 분해처리를 위한 실용적이고 안전하며 경제적인 방법을 개발하는 것이 중요하다. 1990년 세계적으로 약100만톤 정도의 CFC가 생산되었고 이후 사용규제에 따라 생산 및 사용량이 감소되고 있는 실정이나 CFC를 처리하는 기술의 확립은 오존대책뿐만 아니라 원료자원이 편중된 곳에서만 생산되고 있는 불소자원의 효율적 이용측면에서도 대단히 중요하다. 또한 우리나라와 같이 CFC의 생산과 소비가 많은 나라에서는 CFC의 회수분리기술, 대체물 및 분해기술의 개발은 필연적이다. 따라서 본 연구에서는 고정층 흡착탑 내에서 염소계휘발성물질의 흡착거동을 고찰하기 위하여 입상 활성탄을 사용하여 Cl2FCCClF2의 농도, 온도, 유속 그리고 충전제의 높이에 따른 Cl2FCCClF2의 흡착특성을 고찰하였다.

2. 이 론

다공성 물질로 충전된 등온 고정층에서 휘발성 염소계 흡착에 관한 모델식을 세우기 위하여 흡착제는 다공성이고, 유체의 흐름은 axial dispersion plug flow모델로 묘사하였고, 물질전달에서 외부 및 내부의 확산을 포함하는 모델식은 다음과 같이 묘사될 수 있다.

컬럼내에서의물질수지식

[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 물질수지식

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

입자내부에서의 물질수지식

[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 } )]

위 식들은 Orthogonal collocation 방법을 사용하여 편미분 방정식을 상미분방정식으로 전환하였고 이 상미분방정식을 풀기 위하여 International mathematics and science library의 LSODI를 사용하여 계산하였다.

3. 실험방법

단일성분의 고정층 흡착실험에서 파과곡선을 측정하기 위한 실험장치는 Fig. 1과 같다. 외경이 1/2＆인 스테인레스강  흡착관에 활성탄을 충전시킨 후 질소 gas를 휘발성 염소계(CFC-113)가 들어있는 pressure bottle에 보내서 질소가스와 혼합시켰다. 휘발성 염소계와 섞인 질소기류를 일정온도, 일정한 유속으로 활성탄이 충전되어 있는 흡착탑으로 보낸 다음 흡착탑을 통과한 CFC-113은 gas sampler로 polymer DC-200이 충전된 불꽃이온화 검출기(FID)가 갖추어진 가스크로마토그래피(SHIMADZU, GC-14B)로 농도를 측정하였다. CFC-113의 농도는 질소의 유량과 증발기의 온도의 변화로 조절하였다. 사용된 활성탄은 갈탄을 원료로 하여 제조한 미국 Calgon사의 Filtrasorb-400으로 Table 1에 물성치를 나타내었으며, 이용하기 전에 증류수로 여러 차례 세척한 후 105℃에서 충분히 건조시킨 후 데시게이터에 보관하여 사용하였다. Table 2에 고정층 흡착실험 조건을 나타내었다.

Table 1. Physical properties of the activated carbon.

BET area (m2/g)	Paticle diameter (cm)	Porosity	Particle density (kg/m3)
1050∼1200	0.11	0.54	693.49

Table 2. Experimental conditions for fixed bed adsorptions.

Variables	Range	Unit
Bed length	0.15 - 0.25	m
Flow rate	0.369E-2 - 0.890E-2	m/s
Bed porosity	0.12
Packing density	693.5	kg/m3
Bath temperature	298.15 - 308.15	K

4. 결과 및 고찰

Fig. 2는 공급류의 유속과 온도가 일정할 때 흡착탑의 높이에 따른 Cl2FCCClF2의 단일성분에 대한 실험치를 나타낸 그림이다. 흡착층의 충전 길이가 길어짐에 따라 파과시간은 달라지나 파과곡선의 모양은 변하지 않고 일정한 형태를 보여주고 있다. Fig. 3은 고정층 탑의 높이와 온도가 일정할 때 공급류의 유속의 변화에 대한 흡착제와 피흡착제 사이의 파과곡선을 나타낸 그림으로 그림에서 보여주고 있는바와 같이 흡착물질의 유입속도가 증가하면서 파과가 빨리 형성되고 있음을 알 수 있는데 이는 유속이 빠를수록 물질전달속도가 증가하기 때문으로 당연한 결과라고 생각한다. Fig. 4는 Cl2FCCClF2의 농도의 영향을 고찰하기 위해 흡착탑의 높이와 입구의 유속을 일정하게 하고 입구의 농도를 달리하면서 실험하였다. 그림에서 보듯이 흡착탑 입구의 농도가 증가하면서 파과가 빨리 진행되고 있음을 알 수 있었으며, 염소계휘발성물질 중 Cl2FCCClF2은 입상 활성탄을 사용하여 제거할 수 있음을 알 수 있었다.

5. 참고문헌

1) M.J.Molina and F.S.Rowland, "Stratospheric sink for Chlorofluoromethanes :

Chlorine Atom-catalyzed Destruction of Ozene. Nature." 249(5460), 810-812

(1974)

2) R.J. Cicerone, R.S.Stolarski and S. Walters, "Stratospheric Ozene Destru-

ction. by Man Made Chlorofluoromethanes." Science, 185 (4157), 1165-1167

(1974)

3) G.O.Wood, "Activated Carbon Adsorption Capacities for Vapor." Carbon,

30(4), 593-599 (1992)

4) S.Y.Cho and Y.Y.Lee, "Equilibria of  1,1,2-Trichloro-2,2,1-Trifluoroethane

on Activated Carbons." I & EC Research 34, 2468-2472 (1995)

① Flow meter ② Pressure Bottle

③ Water Bath ④ Column

⑤ Thermo Couple ⑥ Heating Band

⑦ 3Way Valve ⑧ G.C ⑨ P.C ⑩ N2

Figure. 1. Flow diagram of adsorption system