KR101119525B1 - 활성탄 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 활성탄 제조방법에 관한 것으로서,

NaOH 용액과 KOH 용액의 혼합용액에 CDQ 더스트를 담지하는 단계; CDQ 더스트를 담지한 상기 용액을 초음파분산기를 이용하여 분산시켜, Na와 K를 더스트 표면에 균일하게 도포하는 단계; Na와 K가 도포된 CDQ 더스트를 강산성 용액에 담지하는 단계; 강산성 용액에 담지 처리된 CDQ 더스트를 증류수로 세척하는 단계;를 포함하여 구성되며,

코크스 공장의 폐기물인 CDQ 더스트를 효과적으로 재활용하므로, 폐기물에 의한 환경 오염 문제를 저감시키는 장점이 있다.

활성탄, 제조, CDQ 더스트

Description

활성탄 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF ACTIVE CARBON}

본 발명은 활성탄 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 코크스공장에서 부산물로 회수되고 있는 CDQ 더스트에 화학적 또는 물리적 처리를 하여 다공성 흡착제인 활성탄을 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 고로에서는 미분의 철광석을 소결한 소결광을 사용하여 용선을 제조하며, 이러한 소결광은 분코크스와 무연탄 등을 소결연료로 사용하는 소결광 제조공정을 통해 제조된다.

즉, 광석 및 부원료(석회석, 규사, 사문암 등)를 포함한 소결원료와 분코크스 및 무연탄을 포함한 소결연료를 호퍼로부터 1차혼합기로 인입하여 수분을 첨가하면서 혼합 및 조립하고, 다시 2차 혼합기에서 혼합 및 조립하여 조립입자를 얻고 이를 소결기에 장입하여 소결연료의 연소에 의해 괴상의 소결광으로 제조한다.

한편, 코크스 공장에서는 석탄을 이용하여 코크스를 제조하게 되는데, 코크스를 생산하는 건식 냉각과정중에 미분의 코크스 및 탄소분말로 구성된 CDQ 더스트(Cold Dry Quenching dust)가 다량 발생하게 된다.

일반적인 CDQ 더스트의 성분을 보면, 탄소(C)가 60~65%이고 나머지는 Si, Fe, Al, 황화합물 등과 같은 애쉬(Ash) 성분으로 이루어져 있는바, CDQ 더스트는 애쉬 성분으로 인하여 더스트의 유효 이용에 매우 제한적이다.

이로 인해, CDQ 더스트는 현재 에너지 회수의 목적으로 공기 분위기하에서 연소시켜, 이때 발생하는 열을 소결조업에서 활용하는 단계에 머무르고 있다.

그러나, 이는 단지 폐자원을 활용한다는 차원에서 사용되고 있는 것으로서, 입도가 너무 미세하여 소결조업에서도 그 사용이 기피되고 있는 것이 현실이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 코크스공장에서 부산물로 회수되고 있는 CDQ 더스트에 화학적 또는 물리적 처리를 하여 다공성 흡착제인 활성탄을 제조하는 활성탄 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, NaOH 용액과 KOH 용액의 혼합용액에 CDQ 더스트를 담지하는 단계; CDQ 더스트를 담지한 상기 용액을 초음파분산기를 이용하여 분산시켜, Na와 K를 더스트 표면에 균일하게 도포하는 단계; Na와 K가 도포된 CDQ 더스트를 강산성 용액에 담지하는 단계; 강산성 용액에 담지 처리된 CDQ 더스트를 증류수로 세척하는 단계;를 포함하여 구성된다.

보다 바람직하게, 상기 NaOH 용액과 KOH 용액의 혼합용액은 10±0.5% NaOH 용액과 10±0.5% KOH 용액을 1:1로 혼합한 용액이다.

보다 바람직하게, 상기 강산성 용액은 10±0.5% 염산 용액 또는 10±0.5% 황산 용액이다.

이하 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

CDQ 더스트는 코크스 공장에서 석탄이 건류되면서 코크스화되는 과정에서 발생하는 미분의 코크스 및 건류중 발생하는 탄화수소의 열분해로 인하여 생성되는 것으로서, 60~65% 정도의 탄소(C) 및 Si, Al, Fe, Ca, Mg 등과 같은 애쉬(Ash) 성분과 황화합물을 함유하고 있다. 일반적인 CDQ 더스트의 성분의 일예는 하기 표와 같다.

원소	C	O	Al	Si
함량(wt%)	62	13	10	15

CDQ 더스트는 금속화합물과 황화합물인 불순물이 더스트내의 탄소와 결합되어 있는 형태이므로, 다공성 물질인 활성탄으로 만들기 위해서는 불순물을 효과적으로 용출하여야 한다.

이를 위하여 본 발명에서는 다음과 같은 방법을 사용한다.

10% NaOH와 10% KOH용액을 1:1로 혼합한 용액에 CDQ 더스트를 담지한다.

CDQ 더스트중에 함유되어 있는 불순물인 금속화합물과 혼합용액 중의 MOH(M=Na,K)는 하기 반응식에 따른 반응을 한다.

SiO₂ + 2MOH -> M₂SiO₃ + H₂O

Al₂O₃ + 2MOH -> 2MAlO₂ + H₂O

혼합용액(MOH 용액)에 의해 CDQ 더스트 중에 함유되어 있는 금속화합물은 탄소와의 결합이 깨지고 Na 및 K와 결합한 착화합물을 형성하게 되고, 이와 같은 화합물들이 서로 결합하여 하기 반응식과 같이 알카리 알루미오실리케이트겔과 같은 착화합물을 형성하게 된다.

M₂SiO₃ + MAlO₂ + MOH + H₂O -> {M_a(AlO₂ )_b(SiO₃)_c?MOH?H₂O}

여기서, {M_a(AlO₂)_b(SiO₃)_c?MOH?H₂O}은 겔의 형태를 이루며, 알카리 농도에 따라서 겔은 제올라이트나 솔다라이크, 나살라이트와 같은 펠파소이드를 형성하게 된다.

이와 같은 착화합물의 형성은 MOH(M=Na,K)의 농도에 크게 좌우된다.

즉, CDQ 더스트 내의 애쉬 제거효율이 증가함에 따라 최종 생성되는 활성탄의 비표면적이 증가하기 때문에, 혼합용액과 CDQ 더스트간의 최적 혼합비율은 비표면적이 크게 되도록 즉, 애쉬 제거효율이 증가하도록 유지시켜야 한다.

후술하는 실시예1에서 보여주는 바와 같이, 10% NaOH와 10% KOH용액을 1:1로 혼합한 용액(10%의 NaOH와 KOH의 혼합용액) 상태가 애쉬 제거효율면에서 바람직하며, 각 용액의 농도는 0.5% 정도의 범위에서 변동 가능하다.

한편, NaOH 용액 또는 KOH 용액이 단독으로 사용되는 것도 가능하다.

다만, NaOH 용액을 단독으로 사용하는 경우에는 애쉬 제거효율이 상대적으로 낮기 때문에 CDQ 더스트 내에 기공을 갖는 다공성 물질을 생성하기가 상대적으로 어렵다.

또한, KOH 용액을 단독으로 사용하는 경우에는 NaOH 용액보다는 애쉬 제거효율이 높기는 하지만, CDQ 더스트 중에 애쉬 상태로 포함된 C-Si, C-Al, C-Fe와 같은 화합물의 제거는 여전히 곤란하기 때문에 NaOH와 KOH 혼합용액을 사용하여 애쉬 화합물을 제거하는 것이 바람직하다.

한편, 담지란 NaOH와 KOH 용액의 혼합용액에 CDQ 더스트를 담가두는 것을 의미하며, 담지 온도 및 시간은 상온에서 24시간의 범위 내에서 설정될 수 있다.

다음으로, CDQ 더스트를 담지한 상기 혼합용액을 초음파분산기를 이용하여 분산시켜, Na와 K를 더스트 표면에 균일하게 도포한다. 이때 초음파분산기의 초음파는 20~30 Hz 정도의 값으로 조절된다.

CDQ 더스트내 불순물의 제거효율은 MOH와 불순물의 접촉면적과 상관성이 있으므로, 초음파분산기를 사용하여 불순물과의 반응을 최적의 상태로 유도한다.

다음으로, Na와 K가 도포된 CDQ 더스트를 강산성 용액에 담지한다. 강산성 용액으로는 10% 염산 용액 또는 10% 황산 용액 등이 사용된다.

혼합용액(MOH 용액)과 CDQ 더스트중의 불순물이 서로 결합하여 형성한 착화합물을 용출하기 위하여 염산 용액 또는 황산 용액과 같은 강산성 용액을 사용한다. 이렇게 강산성 용액을 사용하는 이유는 착화합물인 알루미오실리케이트겔의 용 해도를 증대시킴으로써 용출효과를 극대화하기 위함이다.

CDQ 더스트중 착화합물의 용출효과는 용출용매인 강산성 용액의 농도에 크게 좌우되는바, 후술하는 실시예2에서 보여주는 바와 같이, 강산성 용액의 농도가 10%인 경우가 최종 생성되는 활성탄의 비표면적 생성 측면에서 바람직하며, 이러한 용액의 농도는 0.5% 정도의 범위에서 변동 가능하다.

이와 같이 CDQ 더스트중에 형성된 착화합물이 용출되면 용출로 인하여 CDQ 더스트중에 빈자리가 형성되며, 이것이 기공의 역할을 하게 되어 더스트 내에 기공을 함유한 다공성 물질 형태의 활성탄을 제조할 수 있게 된다.

최종적으로, 강산성 용액에 담지 처리된 CDQ 더스트는 증류수로 세척하게 된다.

상술한 본 발명을 실제 실험 결과인 실시예를 토대로 보다 상세하게 설명한다.

[실시예 1]

CDQ 더스트를 알칼리 용액인 NaOH, KOH 및 NaOH+KOH 용액에 각각 담지 처리하였으며, 이때 형성된 착화합물의 용출용매로는 10% 염산을 사용하였다.

알칼리 농도 변화에 따른 애쉬(Ash) 성분 제거효율은 하기 표와 같다.

처리조건	농도변화(%)	애쉬(Ash) 제거효율(%)
NaOH	2	10
	4	9.1
	8	8.2
	10	7.3
	12	4.2
KOH	2	10
	4	12.7
	8	14.5
	10	19.1
	12	19.5
NaOH+KOH	2	12.7
	4	15.4
	8	18.2
	10	23.6
	12	20.5

상기 표에서 보는 바와 같이, NaOH 농도를 증가시킴에 따라 애쉬 제거효율은 감소하는 추세를 보이고 있으나, KOH 농도의 증가에 따라서는 애쉬 제거효율이 증가하는 경향을 보여주고 있다.

그러나, KOH+NaOH의 혼합 알칼리 용액에서는 용액의 농도 증가에 따라 애쉬 제거효율이 증가하며 농도 10%에서 최대값을 보여주고 있는바, 이는 KOH 또는 NaOH 용액만의 단일 용액 제거효율의 단순 산술계산과는 일치하지 않는 것이다. 즉, 알칼리 혼합 용액에서는 KOH와 NaOH가 복합적으로 CDQ 더스트중의 애쉬와 반응하여 애쉬가 제거됨을 알 수 있다.

[실시예 2]

CDQ 더스트를 10%의 NaOH+KOH용액에 담지 처리한 후, 염산의 농도를 변화시켰을 때의 애쉬 제거효율 및 다공성 물질의 비표면적 측정결과는 하기 표와 같다.

염산의 농도(%)	애쉬(Ash) 제거효율(%)	비표면적(cm2/g)
2	12.2	41
4	15.4	56
8	19.1	83
10	23.6	102
12	25.8	95

상기 표에서 보는 바와 같이, 알칼리 혼합 용액에 의해 형성된 착화합물을 용출하기 위하여 염산의 농도를 변경시키면서 실험한 결과, 염산의 농도가 증가함에 따라 애쉬 제거효율이 증가하였음을 알 수 있다.

즉, CDQ 더스트중에 함유되어 있는 애쉬를 100% 제거하기 위해서는 가급적 고농도의 염산을 사용하는 것이 효과적이라고 볼 수 있다.

그러나, 염산은 더스트중 탄소와 서로 반응하여 용출된 부위에 기공이 형성되는 것을 억제하는 역할도 하며, 상기 표에서도 다공성 물질의 비표면적이 염산의 농도 증가에 따라 증가하다가 10% 이상의 농도에서는 오히려 다시 감소함을 알 수 있다.

본 발명에서는 가급적 비표면적이 큰 값을 갖는 다공성 물질(활성탄)을 제조하는 것이 우선적인 기준이 되므로, 10% 정도의 농도값을 갖는 염산을 사용하는 것이 바람직함을 알 수 있다.

이상 설명한 본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 상기 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안된다.

이와 같은 본 발명은, 코크스 공장의 폐기물인 CDQ 더스트를 효과적으로 재활용하므로, 폐기물에 의한 환경 오염 문제를 저감시키는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 기체 및 액체 분리, 흡착 등의 유용한 산업적 용도를 갖는 활성탄을 폐기물인 CDQ 더스트를 재활용하여 제조하되, 특히 이러한 활성탄 제조 공정을 비교적 간단한 형태로 구현하므로, 경제성 면에서도 양호하다는 장점이 있다.

Claims (3)

1. NaOH 용액과 KOH 용액의 혼합용액에 CDQ 더스트를 담지하는 단계;

   CDQ 더스트를 담지한 상기 용액을 초음파분산기를 이용하여 분산시켜, Na와 K를 더스트 표면에 균일하게 도포하는 단계;

   Na와 K가 도포된 CDQ 더스트를 염산 용액 또는 황산 용액의 강산성 용액에 담지하는 단계;

   상기 강산성 용액에 담지 처리된 CDQ 더스트를 증류수로 세척하는 단계;를 포함하며,

   상기 NaOH 용액과 KOH 용액의 혼합용액은 10±0.5% NaOH 용액과 10±0.5% KOH 용액을 1:1로 혼합한 용액인 것을 특징으로 하는 활성탄 제조방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 강산성 용액은 10±0.5% 염산 용액 또는 10±0.5% 황산 용액인 것을 특징으로 하는 활성탄 제조방법.