활성탄 흡착기술

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활성탄 흡착기술

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활성탄 흡착기술

활성탄 개요

활성탄소(Activated Carbon)란?

활성탄소는 야자각(Coconut shell), 석탄(Coal), 목재(Wood), 합성수지 등의 원료를 이용하여 500~600℃, 불활성가스 분위기에서 숯(char)이 되는 탄화(Carbonization)단계를 거쳐 900~1000℃의 고온에서 수중기, 탄산가스, 공기 등의 산화가스와 접촉 반응시키는 활성화(Activation)공정을 통해 제조된다.
따라서 일반적인 숯에 비해 비표면적이 훨씬 크고 미세공이 더욱 발달된 무정형의 집합체인 우수한 흡착제로 분자 크기 정도의 미세세공은 1g당 1,000㎡이상의 큰 내부 표면적과 전자현미경으로 관찰되는 대세공(Macropores : 직경 500Å이상)을 비롯한 보다 작은 중세공(Mesopores : 직경 20~500Å), 미세공(Micropores : 직경 20Å이하)등 수많은 세공을 갖는데 이들 구조적 특성과 표면에 존재하는 탄소원자와 결합된 관능기가 관여하는 물리적 및 화학적 작용에 의해 주위의 액체 또는 기체를 흡착하는 성질이 있어 제 산업분야에서 수질 및 대기환경 중 COD, BOD증대물질, 중금속, 휘발성 유기물질(VOC), 악취가스 및 유해가스 등을 제거하는 데 효과적으로 이용되고 있다.

분류

물리적 형상에 의한 분류 : 입상, 조립상, 분말상, 섬유상 등
원료에 의한 분류
- 식물질 : 야자각, 목재, 톱밥, 대나무 등
- 석탄질 : 역청탄, 갈탄, 이탄, 무연탄 등
- 석유질 : 석유 Cokes, Oil Carbon 등
- 기타 : 합성수지, 폐기물질(펄프, 유기질), 동물질 등
활성화방법에 의한 분류 :가스활성화법(수증기, CO2, Air), 약품활성화법(염화아연, 인산, 황산, 수산화칼륨 등)

활성탄 유형별 특징

분말 활성탄
야자각Char, 석탄 등을 원료로 활성화한 파쇄상 활성탄을 미분쇄하거나 톱밥 등을 일정시간 동안 탄화하여 소회로 만든 다음, 분쇄기에서 미분화시켜 선회유동층로에서 짧은 시간 동안 수증기와 함께 활성화시킨다. 분말활성탄은 원료의 종류에 따라 미세공, 중세공 등이 잘 발달되어 있으며, 주로 액체 정제용, 소각로 배기가스 정화용 등으로 사용된다.
불순물이 흡착되고 나면, 여과와 침전작용을 통해 용액으로부터 분리 폐기된다.

입상 활성탄
야자각이나 갈탄, 유연탄, 무연탄을 탄화시킨 후 4mesh에서 30mesh 크기로 파쇄하여 활성화 과정을 거친다. 이후 용도별로 적절한 크기로 분쇄, 선별하여 제품화하며 원료의 종류, 활성화조건 등에 따라 미세공, 중세공이 잘 발달되어 있으며, 액체정제용이나 가스흡착용으로 사용된다. 또한 재활성화를 통해 재생이 가능하다.

첨착활성탄소
일반 활성탄은 표면은 비극성이며 흡착력이 주로 반델발스인력에 의한 물리적 흡착에 의존하며, 황화수소, 암모니아 등 비점이 낮고 극성 성분에 대한 흡착성이 부족하다. 첨착활성탄소는 활성탄 표면을 화학적으로 개질하거나 화학약품을 첨착하여 특정성분에 대한 향상된 흡착력을 갖도록 한다. 따라서 활성탄의 큰 표면적과 많은 미세공 특성에 따른 물리적 흡착에 더하여 오염물과 다양한 화학적 반응에 의해 탈취 및 오염 제거효과가 훨씬 증가되고 사용가능한 수명이 연장되어 경제적이다.

흡착활동

흡착이란 기체분자, 혹은 액체 중의 용질분자가 고체-기체, 고체-액체의 경계면에 농축되는 현상을 말한다. 활성탄과 관련해서 이러한 흡착은 활성탄 충진층 사이를 처리 대상 기체나 액체가 통과할 때, 표면장력의 일종인 약한 "Van der Waals"인력에 의한 물리적 힘과 강한 이온결합 또는 공유결합 등의 화학적 결합력, 이 두 힘에 의해 활성탄의 표면과 기체분자 또는 액체의 용질분자 사이에서 일어난다.

물리적 흡착과 화학적 흡착
구 분 물리적 흡착 화학적 흡착
온도 온도가 높을수록 흡착력 감소 온도 상승에 따라 흡착력 증가
피흡착질 비선택성 선택성
흡착열 적다(10㎉/mol 이하) 크다(10~30㎉/mol)
흡.탈착 가역적(약 150℃에서도 탈착용이) 가역 또는 비가역적(800℃이상에서 탈착용이)
흡착속도 빠르다(활성화 없음) 느리다(활성화 에너지 필요)

활성탄의 흡착이론

기공구조와 표면적
활성탄의 기공은 활성화공정 과정에서 탄소계 성분이 제거됨에 따라 기본결정격자간에 생기는 공간이다. 활성탄은 수많은 미세한 기공들을 지니고 있기 때문에 그 내부 표면적은 매우 크다.

활성탄 기공의 크기에 따른 분류
macro pore(대기공) : 직경 500Å 이상(중기공과 미세기공속으로의 확산률에 영향)
meso pore(중기공) : 직경 20~500Å(세제나 개미산, 착색제 등과 같이 분자량이 큰 물질)
micro pore(미세기공) : 직경 20Å 이하(맛, 냄새성분 등 미세한 오염물질을 흡착)

기타 흡착과정에 영향을 미치는 요소
활성탄의 입자의 크기, 온도, 액체의 pH

흡착활동

제품명 업 종 용 도 제품명 업 종 용 도
기상용 전매업 담배 Filter 액상용 식품 탈색, 탈취, 결정성 향상, 제품의 안정성 향상
반도체 전자산업 독가스 제거, VOC제거 주류, 음료 탈색, 탈취, 현탁물질 제거, 향미조정
음 료 탄산가스 정제 의약제조 탈색, 탈취, 현탁물질 제거, 수율 및 순도 향상
석유화학 용매회수, 가스 정제, 분리, 탈황 석유화학 탈색, 탈취, 탈유황, 용매회수, 현탁물질 제거
의약제조 배기가스 중의 독가스 제거 금속공업 도금액의 지방제거, 부선제의 제거, 금 회수
각 산업체 공기정화, 압축기의 유분 제거 각 산업체 정.폐수 처리, 세탁액 정제

제조공정

탄화공정
탄소질 원료를 약 500℃정도로 가열하면 탈수, 탈산 등의 분해가 일어나서 산소결합이 끊어지며 산소가 물, 일산화탄소 등의 형태로 방출되고 휘발분은 거의 제거되는 공정으로 고정탄소가 많이 남게 된다.

활성화공정
활성화 공정은 800~1,000℃의 온도범위에서 일어나는 탄소의 산화반응으로 탄화물의 표면을 침식시켜 탄화물의 미세공 구조를 발달시키는 공정이다.

제조공정도
  • 원료
  • 탄화
  • 파쇄.입도분리
  • 활성화
  • 냉각
  • 파쇄
  • 입도분리
  • 포장

파괴곡선(Break Through Curve)

활성탄 흡착탑 설계를 위해서는 수 많은 흡착가능한 물질을 포함하고 있는 원수를 흡착탑에 통과한 수 유출수의 오염 물질 농도가 어느 시점에서 설계기준 또는 허용기준치를 초과할 것이냐에 대한 정보가 필요하다. 이러한 정보는 통상 Pilot-Scale의 실험조사에 의해 얻어지고 있다.

특히 활성탄 흡착시설의 설치 및 유지관리비가 상당히 고가인 관계로 효율적인 설계, 운전이 필수적이며 따라서 Full Scale의 Plant를 건설하기 전에 계절에 따른 원수수질의 정확한 파악을 위해서라도 2~3년간에 걸친 Pilot study는 당연시 되고 있는 실정이다.
이러한 Pilot Study의 시간, 노력 및 비용을 최소화하기 위해 매우 유익한 것은 수락적 예측 모델을 이용하며 Column Test를 여러가지 경우에 대하여 컴퓨터로 Simulation하는 것이다. Break Through Curve 는 각 시스템의 물리화학적 특성 즉, 평형관계와 물질이동속도에 의해 영향을 받는다.
다음 그림에서의 파괴곡선은 흡착탑의 출구에서의 유출농도를 시간에 따라 표시한 것이다.
일반적으로 출구농도가 입구농도의 약 10%가 되는 점 A를 파괴점이라 하며 파괴점 이후 출구 농도는 급격히 증가하여 종말점 B에 도달하게 된다. 결국 활성탄의 수명은 유량, 피흡착질의 종류 및 농도, 충진된 활성탄의 양과 종류 등에 따라 달라지며 같은 운전조건일 경우 초기활성탄의 흡착력에 크게 좌우됨을 알 수 있다.

업종별 발생가스의 적용대상

업 종 발생가스
쓰레기 처리장 단백질 분해물, 유지 분해물, 플라스틱 분해물
하수 분뇨처리장, 도축장, 육피혁 제조, 동물사육장 단백질 분해물, 유지 분해물
식품공장 단백질 분해물, 유지 분해물, 향료
유지공장 유지 분해물, 용매, 가소제
석유화학공장 석유성분, 탄화수소, 할로겐, 아황산가스, 황화수소
메르갑탄, 염화수소, 염소
고무공장 황화수소, 유기황산염, 용매
도료공장, 도장공장 도료용매, 가소제
인쇄공장 인쇄잉크 용매
화학섬유공장 화학섬유 용매
종이.펄프공장 황화수소, 아황산가스, 이황화탄소, 메르갑탄
병원 소독제, 부패악취, 체취

활성탄의 응용

활성탄의 기능은 일반적으로 다음과 같은 몇 가지 분야로 나눌 수 있다.
1)정제기능 : 정제 대상 액체나 기체 속에 포함되어 있는 소량의 불필요한 성분 혹은 성분군을 흡착제거한다.
2)포집 또는 회수 : 몇 가지 성분이 혼합되어 있는 대상 액체로부터 가치가 있는 성분 혹은 성분군을 흡착 농축한 후, 이를 분리하여 이용
3)분류 : 활성탄의 흡착력을 이용하여 혼합물을 몇 가지 성분군으로 분류함으로써 각 부분의 이용가치를 높이는 것
4)촉매 및 촉매담체 : 활성탄의 높은 표면적 위에 촉매제를 담지 분산시킴으로써 촉매 반응을 장시간 동안 유효케 하고 유기분자의 흡착을 돕는다.
5)수처리 분야 : 용해성 유기물에서 발생하는 불유쾌한 맛과 냄새를 유발하는 화합물의 제거, 미세한 유기 오염물질의 제거 6)식품공업에서 약상 정제 및 탈색
7)화학 및 기타 공업에서의 약상의 정제