Na2CO3 및 KIO3 첨착 왕겨활성탄의 H2S 흡착특성

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

김준석, 김명수

명지대학교 화학공학과

H2S Adsorption Capacity of Na2CO3 and KIO3

Impregnated Activated Carbon

Jun Suk Kim, Myung-Soo Kim

Dept. of Chem. Eng., Myongji University

서론

황화수소, 메르캅탄류, 아민류, 기타 자극성 있는 기체성 물질이 사람의 후각을 자극하여 불쾌감과 혐오감을 주는 냄새로 정의(대기 환경 보전법)되고 있는 악취물질은 산업화와 더불어 날로 심각해지고 있는 환경오염의 원인중 하나이다.

이러한 악취물질은 석유정제공장, 의약품 제조공장 등의 제조공정의 부산물이나 분뇨처리장, 하수처리장, 동식물의 부패 등 그 발생원이 다양하며, 또한 악취물질 서로간의 복합작용이나 개인적 감각의 차이에 의한 피해정도를 일률적으로 취급하기 어려워 대기오염 중에서도 가장 해결하기 어려운 공해문제중의 하나로 취급하고 있으며, 환경보전법에서는 산업시설과 공정, 생활주변 등 광범위하게 발생되는 악취물질을 규제하기 위하여 배출허용기준을 정하여 엄격하게 관리·규제하고 있다.

이러한 악취물질을 제거하기 위하여 다양한 방법의 탈취기술이 사용되고 있으며, 그 중 흡착제를 이용한 흡착법이 널리 이용되고 있다. 흡착제로 가장 많이 사용된 활성탄은 오래 전부터 대표적인 흡착제로 사용되어 왔으며, 그 수요는 최근 급속히 증가하고 있는 실정이다. 하지만 국내 활성탄의 대부분은 수입에 의존하고 있는 실정이며, 원료 또한 수입에 의존하고 있으며, 최근에는 저가의 중국산 수입품이 급증하면서 국내 활성탄 생간 가동률이 저하되고 있는 실정이다.

이러한 이유로 국내 자원이 풍부한 원료를 이용하여 고기능성 활성탄의 제조 기술의 확립이 시급하며, 또한 악취물질 중 황화수소, 암모니아 같은 비점이 낮은 물질은 활성탄의 표면적 특성 즉, 비극성이며 반데르발스 힘에 의한 물리흡착이기 때문에 충분한 흡착성을 가지지 못한다. 따라서 활성탄 표면을 화학적으로 개질하거나 금속 및 특정한 금속염을 첨착시켜 촉매적 기능, 즉 화학적 활성을 증가시키고, 특정한 성분에 대한 선택적 흡착성을 가지는 첨착활성탄을 사용함으로써 탈취효과도 증대시키고 탈취조작 운전시간을 연장시켜 경제적인 탈취조작이 가능하게 하여야 한다[1,2].

따라서, 본 연구에서는 국내 자원이 풍부한 왕겨를 이용하여 높은 비표면적을 가지는 활성탄을 제조하고, 활성탄의 악취물질 흡착제거 성능을 향상시키기 위하여 다양한 첨착물질을 선정하여 첨착활성탄을 제조하고 악취물질 중 황화수소의 흡착제거 특성을 비교·분석하였다.

실험방법

경기도 용인지방의 정미소에서 회수한 왕겨를 증류수로 여러 번 세척한 후 110℃ dry oven에 넣어 24시간 동안 건조하고, 건조된 왕겨를 세라믹 boat에 담아 Furnace 안에서 질소를 100ml/min으로 흘려주면서 10℃/min으로 700℃까지 올리고, 700℃에서 2시간 탄화시켰다. 탄화된 왕겨를 일정한 중량비(4:1=KOH:Char)에 해당하는 KOH를 증류수에 녹인 용액을 탄화된 왕겨에 충분히 담지되도록 혼합하여 침적시키고, 공기 중에서 충분히 건조시켜 얻어진 반고상의 탄화왕겨를 세라믹 boat에 담아 Furnace 안에 넣고 100ml/min의 질소 분위기 하에서 10℃/min의 승온속도로 850℃까지 온도를 올리고 850℃에서 3시간동안 활성화시킨다. 이렇게 얻어진 활성탄을 잔류하는 KOH를 씻어내기 위하여 100℃ 증류수로 충분히 세척하여 dry oven에 넣어 24시간 건조시켜 왕겨활성탄을 제조하였다[3].

또한 다양한 문헌을 통하여 H2S 제거를 위한 첨착물질(Na2CO3, KIO3)을 선정하고, 일반적으로 이용되는 함침법 중 incipient wetness법으로 왕겨활성탄 7g에 다양한 농도(2.4, 5, 7.3, 10 wt%)의 첨착활성탄을 제조하였다[4].

활성탄의 물성은 Surface area and Pore size analyzer(Autosorb-1, Quantachrome)를 이용하여 77K에서 N2를 흡착시킨 후 구해졌으며, 다중점 BET법에 의하여 비표면적을 측정하고, 미세공 분포는 Dubinin-Astakhow(DA)식과 Horvath-Kawazoe(HK)식을 이용하여 알 수 있었다[5]. 또한 H2S 흡착특성을 비교·분석하기 위하여 내경 15mm, 외경 17mm, 길이 60mm의 반응기에 충진물(활성탄)을 0.5g∼0.7g을 충진하고 유량계를 이용하여 1,000ppm H2S를 44.7ml/min의 유량으로 반응기에 일정하게 주입하였다. 충진물을 통과하여 나온 H2S의 농도는 (주) Donam Instrument의 GC(Gas Chromatography)의 TCD (Thermal Conductivity Detector)를 이용하여 측정하였다.

결과 및 고찰

Table 1은 비첨착활성탄과 농도별 첨착활성탄의 비표면적(m2/g), 세공크기, H2S 흡착량(mg/g)을 비교하였다. Table 1과 Fig. 1에서 알 수 있듯이 왕겨를 탄화·활성화하여 2000m2/g이상의 높은 표면적의 활성탄을 제조하였음을 볼 수 있으며, 세공크기를 살펴보면 macro pore보다 micro pore가 잘 발달되어 기상용 흡착제로의 사용이 유리하다는 것을 알 수 있다.

Table 1. 활성탄과 첨착활성탄의 비표면적·세공크기·H2S흡착량 비교.

Sample		BET Surface area (□/g)	H2S adsorption capacity (□/g)	Pore diameter (Å)	Pore volume (cc/g)
					∼20 (Å)	20∼2000 (Å)
Normal AC		2684	36.4	16.9	1.131	0.198
Na2CO3 Impregnated AC	2.4%	2413	45.8	16.8	1.016	0.202
	5.0%	2334	75.2	16.9	0.973	0.201
	7.3%	2258	56.2	17.1	0.965	0.198
	10.0%	2122	65.2	16.9	0.894	0.199
KIO3 Impregnated AC	2.4%	2513	97.0	16.9	1.065	0.200
	5.0%	2451	82.0	16.9	1.035	0.198
	7.3%	2346	90.0	16.8	1.010	0.198
	10.0%	2240	89.3	17.1	0.957	0.191

또한 활성탄에 첨착물질을 첨착함으로써 비표면적이 감소하고, 특히 micro pore가 감소하는 것으로 첨착물질이 macro pore보다는 micro pore에 첨착된다는 것을 알 수 있었다.

(a)                                     (b)

Fig. 1. Comparison of (a) surface area and (b) micro pore volume with variation

of impregnated concentration.

Fig. 2는 Na2CO3 첨착활성탄과 KIO3 첨착활성탄의 첨착농도별 H2S 흡착 파과곡선을 나타낸 그래프이다.

(a)                                       (b)

Fig. 3. Effect of (a) Na2CO3 impregnated concentration and (b) KIO3 impregnated

concentration on H2S breakthrough curve.

Table 1과 Fig. 2에서 알 수 있듯이 첨착활성탄의 흡착능이 비첨착활성탄의 흡착능보다 우수하다는 것을 알 수 있다. 이는 비첨착활성탄에서 일어나는 탄소-탄소간의 반데르 발스 힘에 의한 물리 흡착외에 첨착물질의 첨가에 따른 첨착활성탄의 H2S에 대한 다양한 반응 메카니즘이 존재한다는 것을 알 수 있다. 일반적인 H2S에서는 저온에서는 반응하지 않고 200℃이상의 고온에서 산소와 반응하기 시작하는데 활성탄의 존재하에서는 활성탄이 촉매로 작용하여 H2S와 O2와의 반응이 저온에서도 일어나 H2S를 산화시키게 된다. 또한 첨착물질을 활성탄에 첨착시키면 H2S gas는 첨착활성탄의 외부표면과 접촉하여 입자 내부 표면으로 빠르게 반응하게되어 H2S를 제거하게 된다. 그리고 가장 중요한 반응 메카니즘이라고 할 수 있는 첨착물질과 H2S와의 화학반응이다[6]. 이러한 반응 메카니즘으로 인하여 비첨착활성탄의 H2S 흡착성능을 향상시킬 수 있음을 살펴 볼 수 있었다.

또한 농도에 따른 H2S의 흡착성능은 Na2CO3를 첨착하였을 때는 5wt%, KIO3를 첨착하였을 때는 2.4%일 때가 가장 우수한 흡착량을 보였다. 첨착물질의 농도를 높일수록 더 많은 흡착량을 보여야 하지만 5wt%, 2.4wt%와 같이 첨착효과를 높일 수 있는 첨착물질의 적정 농도가 있음을 알 수 있었고, 고농도의 첨착물질의 첨착은 micro pore를 막아버리는 pore filling 현상이 나타나게 되어 H2S의 흡착능이 적정 농도에 비해 떨어지는 것을 알 수 있었다.

참고 문헌

1. 오승배, □인산(H3PO4) 첨착활성탄에 의한 암모니아 가스 흡착효과□, 충북대학교 석사학위논문 (1996).

2. Hiroshi Ikeda, Hideki Asaba and Yasushi Takeuchi, "Removal of H2S, CH3SH and (CH3)3N from Air by Use of Chemically Treated Activated Carbon", J. Chem. Eng. Japan, Vol. 21, No. 1 (1988).

3. Gergova, K. and Eser, S., "Effects of Activation Method on the Pore Structure of Activated Carbons from Apricot Stones". Carbon, 34  879 (1996).

4. 조기철, □Na2CO3 첨착활성탄을 이용한 H2S 제거에 관한 연구□, 부산대학교 석사학위논문 (1999).

5. Lowell, S. and Shields, J. E.:"Powder Surface Area and Porosity", 3rded Chapman & Hall (1991).

6. Jurgen Klein and Klaus-Dirk Henning, "Catalytic OXidation of Hydrogen Sulphides on Activated Carbons", Fuel, Vol. 63, No. 8 (1984).

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년