TGA를 이용한 폴리프로필렌 및 실리카겔 시료의 건조특성 연구

박동학, 박영성, 이동현*, 최경빈**, 박상일**

대전대학교 환경공학과, 과학기술원 화학공학과*, 한국에너지기술연구원**

Drying Characteristics Polypropylene and Silicagel Using TGA

D. H. Park, Y. S. Park, D. H. Lee*, K. B. Choi**, and S. I. Park**

Department of Environmental Engineering, Taejon University

KAIST*, Korea Institute of Energy Research**

1. 서론

건조공정은 역사적으로 매우 오랫동안 고체입자의 처리공정에 중요한 역할을 담당하여 왔다. 국내의 건조기 생산 자급도가 약 70%인 점에 비추어 볼 때 고부가가치형, 고효율 건조기의 개발은 아주 시급하다고 할 수 있겠다.

본 연구에서는 다단유동층 건조기술을 개발하는데 있어서 연구소와 기업체를 중심으로 수행될 공정개발연구를 지원하기 위한 건조기초실험과 건조이론해석을 골자로 하고 있다. 시료의 건조특성을 살펴보기 위해 열천칭(Thermogravimetric Analyzer : TGA)을 이용한 기초건조실험을 수행하고, 아울러 열전달 및 물질전달현상에 대한 여러 가지 관련이론을 조합하여 시료별 건조특성 해석기법을 체계적으로 연구하고자 한다. 금년도에는 열천칭를 이용해 유형이 다른 2가지 종류의 시료에 대해 비등온하에서 수분함량, 온도, 가열속도등의 파라메타를 변화시키면서 다양한 실험을 수행하였다.

TGA 건조실험을 통해 얻을 수 있는 자료는 건조공정의 설계 및 운전에 필수적인 자료인 건조시간, 건조속도, 한계함수율(Wc), 평형함수율(We), 그리고, 고체시료 입자내부층의 유효확산계수(Deff)등을 들 수 있다. 이와 같은 특성을 고찰하기 위해 수분함량 40%의 powder형 폴리프로필렌(PP) 원료물질과 수분함량 11%의 구형 입자상(particle)인 실리카겔 등 두 종류의 시료를 사용하였다.

2. 이론

시료에 포함된 수분은 수분함유특성에 따라 표면수분과 내부수분으로 구분될 수 있으며, 각각의 경우 건조특성은 판이하다. 즉, 표면수분의 경우는 일정한 증발속도를 나타내는 항율건조구간(constant rate period)만 존재하나 내부수분을 포함하고 있는 경우는 내부수분의 확산저항에 따라 건조속도가 점차 감소하는 특성을 나타내는 감율건조구간(falling rate period)을 갖게 된다.

내부수분 건조과정에 있어서 다공질 고체입자의 세공내에 존재하는 수분이 세공내부로부터 고체입자 표면으로의 확산이동이 건조의 율속단계가 될 경우, 직경인 [eqn: d_p]인 구형입자인 경우 Fick's law를 적용한 식은 다음과 같다.

[eqn: ∂C over ∂t ~=~ D~({∂^2 C} over ∂r^2 + 2 over r ∂C over ∂r )]	(1)

윗 식을 풀기 위하여 다음과 같은 매개변수를 도입한다.

[eqn: u=rC]	(2)

(2)식을 이용하여 식(1)을 변환하면 다음과 같다.

[eqn: ∂u over ∂t ~=~ D {∂^2 u} over ∂r^2]	(3)

Initial condition 과 boundary condition 은

[eqn: u=0,~ r=0,~ t>0]	(4)

[eqn: u ~=~ d_p over 2 C_0,~ r=0,~ t>0]	(5)

[eqn: u=rf(r),~ t=0,~ 0<r<{d_p over 2}]	(6)

여기서 [eqn: C_0]는 구의 표면에서 일정한 수분농도이다.

만약 구의 초기농도가 [eqn: C_1]이고 표면의 수분농도가 [eqn: C_0]라고 하면

[eqn: C-C_1 over {C_0 -C_1} ~=~ 1+{d_p over □r} sum from n=1 to ∞ (-1)^n over n sin{2n□r over d_p} exp({-4D_eff n^2 □^2 t} over {d_p}^2 )]	(7)

구형입자의 중심(center)에서의 수분농도는

[eqn: C-C_1 over {C_0 - C_1} ~=~ 1+2 sum from n=1 to ∞ (-1)^n exp({-4D_eff n^2 □^2 t} over {d_p}^2 )]	(8)

구형입자를 떠나는 수분의 총량을 표시하면

[eqn: M_t over M_0 ~=~ 1-{6 over □^2} sum from n=1 to ∞ 1 over n^2 exp({-4D_eff n^2 □^2 t} over {d_p}^2 )]	(9)

그러므로 TGA를 사용하여 일정온도에서 시간에 따른 무게감량을 측정한 후 식(9)를 이용하여 effective diffusivity(Deff)를 계산할 수 있다.

3. 실험 장치 및 방법

Vertical type의 TGA(Du pont사 2050)를 사용하여 대상시료를 일정량 sample pan에 놓은 후, 질소가스 분위기 하에서 가열속도를 달리하면서 건조실험을 수행하였다. 건조실험은 등온과 비등온조건으로 구분하여 실시되었으며, 기타 적용된 실험조건은  Table 1과 같다.

Table 1.  Experimental conditions of TGA drying test

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Equipment                        Du-pont TGA 2050

Sample                               PP, Silica gel

Bulk(mg)                                  35∼45

Heating rate(℃/min)                5, 7.5, 10, 12.5, 15

Carrier gas (ml/min)             100(purge/balance(90/10))

Initial temp.                               20℃

Final temp.(non-isotherm)                 100℃

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3. 실험 결과 및 검토

Fig. 1은 powder형 시료 PP에 대한 무게감량특성을 나타낸 것이다. 수분함량은 40%이며, 비등온상태에서 가열속도를 달리하면서 건조에 다른 무게변화를 나타낸 것이다.  그림을 통해 가열속도가 클수록 건조가 빠른 속도로 진행되며, 시간에 따라 거의 일정한 건조속도를 나타내는 항율건조특성을 보이는 것으로 나타났다. 이처럼 일정한 건조속도를 보이는 것은 powder에 포함되는 수분이 주로 표면수분에 해당됨을 나타내는 것으로 볼 수 있다.

Fig.1 Weight pt vs time for pp(40wt%) Fig.2 Weight pt vs time for silica gel

Fig. 2는 건조시료로 실리카겔을 사용한 경우의 가열속도별 사간에 따른 무게변화곡선을 나타낸 것이다. 이들 시료의 건조특성은 앞에서 언급한 pp와 비교해 크게 다른 것으로 나타났다. 즉, 실리카겔의 경우는 어느 단계까지는 거의 일정한 속도로 건조가 이뤄지다가 그 이후부터는 서서히 건조속도가 줄어드는 감율건조구간이 존재하는 것으로 나타났다. 이는 수분이 표면에만 부착되어 있는 것이 아니라 일정량은 입자내부에 포함되어 있음을 말해주는 것으로 이 경우에는 앞의 표면건조시료에 비해 입자내부수분의 확산이동에 대한 저항이 크게 미치기 때문이다. 따라서 이처럼 내부수분을 가지고 있는 시료의 건조시에는 표면수분의 건조에 소요되는 시간보다는 훨씬 많은 시간이 소요될 것으로 판단된다.

Fig.3 DTG data of PP sample(40wt%)  Fig.4 DTG data of Silica gel sample

Fig. 3은 pp시료에 대해 비등온조건에서 가열속도를 달리할 경우 시료에 대한 건조속도를 DTG(differential thermogram)으로 나타낸 것이다. 각 곡선의 최대점이 최대 건조속도를 나타낸다. 수분함량이 다른 두조건 모두 가열속도가 높을수록 최대건조속도가 증가하며 최대치에 빨리 도달함으로써 그만큼 건조가 촉진되는 것으로 나타났다.

Fig. 4는 실리카겔시료에 대한 비등온조건에서의 DTG(differential thermo- gram)결과를 나타낸 것이다. 앞의 시료와 달리 이들 시료는 건조속도가 최대점이후에 서서히 감소하는 경향을 보여주고 있다. 이러한 현상은 감량건조구간을 갖는 시료의 전형적인 건조특성에 해당하는 것으로 볼 수 있다.

5. 참고문헌

1. A.H./Zahed, J.X. Zhu and J.R.Grace, "Modelling and Simulation of Batch       and Continuous Fluidized Bed Dryers”, Drying Technology. Vol 13. 1995.

2. 백남기,“고체입자의 박층 건조측성에 관한연구”, 부산대학교 석사학위논문,     1999.