KR20020013801A

KR20020013801A - 마이크로파를 이용한 활성탄의 제조 및 폐활성탄의 재생방법

Info

Publication number: KR20020013801A
Application number: KR1020010048693A
Authority: KR
Inventors: 이길환; 장중열
Original assignee: 이길환; (주)유림
Priority date: 2000-08-12
Filing date: 2001-08-13
Publication date: 2002-02-21
Also published as: KR20000063960A

Abstract

본 발명은 마이크로파를 이용한 활성탄의 제조 및 폐활성탄의 재생 방법에 관한 것으로서, 마이크로파를 조사하여 분자진동에 의한 마찰열을 이용함으로써 탄화물의 미세공을 활성화하여 활성탄을 제조하는 방법 및 폐활성탄의 표면 및 내부에 흡착된 이물질을 제거하여 폐활성탄을 재생하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 의한 마이크로파를 이용한 활성탄의 제조 방법은 야자각(coconut shell) 또는 석탄계 원료를 탄화시킨 탄화물에 마이크로파를 조사하는 것으로 이루어진다. 또한, 본 발명에 의한 마이크로파를 이용한 폐활성탄의 재생 방법은 폐활성탄에 마이크로파를 조사하는 것으로 이루어진다.

본 발명에 따르면 마이크로파를 이용하여 매우 빠른 시간내에 보다 경제적이며 환경친화적인 방법으로 흡착능이 우수한 활성탄을 제조 또는 폐활성탄을 재생할 수 있다.

Description

마이크로파를 이용한 활성탄의 제조 및 폐활성탄의 재생 방법{Manufacturing method of activated carbon and regenerating method of spent activated carbon using microwave}

본 발명은 마이크로파를 이용한 활성탄(activated carbon)의 제조 및폐활성탄(spent activated carbon)의 재생 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마이크로파를 조사하여 분자진동에 의한 마찰열을 이용함으로써 활성탄의 미세공을 활성화하여 활성탄을 제조하는 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 상기 마이크로파에 의한 마찰열을 이용하여 폐활성탄의 미세공에 흡착된 불순물을 탈착시켜 폐활성탄을 재생하는 방법에 관한 것이다.

활성탄은 주로 탄소로 구성된 무정형의 물질로 비표면적과 흡착 능력이 크고, 다양한 목적을 위한 흡착제로서 이용되는 다공성 탄질 물질로, 정제, 유해물질 제거, 탈색, 추출, 분리 등 화학 공업 분야에서 이용될 뿐 아니라 대기오염, 폐기물 처리, 수질 오염 등의 환경공해 방지용인 상수처리, 폐수처리, 배기가스 흡착 및 용제회수등에 이용되고 있어 그 수요가 지속적으로 증가되고 있는 추세이다.

활성탄은 그 원료로 볼 때 유연탄을 원료로 하는 석탄계 활성탄과 식물의 열매껍질을 원료로 하는 야자계 활성탄이 광범위하게 이용되고 있다.

종래의 활성탄의 제조 방법은 갈탄, 역청탄, 목탄 등의 석탄계 또는 야자각(coconut shell)과 같은 원료를 탄화시킨 탄화물을 회전로 또는 다단상로에 의한 고온의 수증기 분위기하에서 활성화(activating)하는 것으로, 이러한 방법은 흡착력을 향상시키기 위하여 900∼1,200℃의 고온에서 장시간 가열하는 공정을 포함하고 있어 회수율이 낮을 뿐만 아니라 막대한 에너지를 소모하는 문제점을 안고 있다.

한편, 이미 사용된 폐활성탄은 유해한 물질을 흡착하고 있으므로 환경적 위해성이 높아 별도의 처리시설을 갖추어야 하며 이로 인해 처리 비용이 높게 된다. 따라서,경제성을 높이고 또한 환경친화적인 방법으로 폐활성탄을 재이용하는 방법에 관심이 모아지고 있는 실정이다.

종래의 폐활성탄을 재생하는 방법으로 가열, 감압, 화학, 용매 또는 산화 재생 등이 있으나 활성탄 제조과정과 유사하게 회전로(rotary kiln) 또는 다단상로(多段床爐)에 의하여 800 ~ 1000℃의 고온 상태에서의 스팀 활성화 방법이 현재 일반적으로 활용되고 있다.

그러나 현장에 이러한 재생시설을 설치할 경우에는 넓은 공간이 필요하고 막대한 시설비가 소요된다. 또한 로를 가동하기 위해서는 6 ~ 8시간의 예열이 필요하게 되고 작업 후에는 많은 잔열이 남게 됨으로써 에너지의 소비가 많고 이에 따라 간헐적인 운전이 어렵다.

상술한 종래의 활성탄의 제조 방법 및 폐활성탄의 재생 방법은 모두 고온 가열 방식으로 열이 카본 물질의 외부에서 내부로 전달되므로 내ㆍ외부의 온도 편차에 의한 크랙(crack)이 발생하여 활성탄 제조 공정 또는 폐활성탄 재생 공정 과정에서 재료 물질이 파쇄됨으로써 수율이 떨어지게 된다. 또한 수증기의 사용으로 인하여 카본(carbon) 손실이 많이 생기고 활성탄 자체에 함유되어 있는 수분과 결합하여 로의 내벽에 활성탄이 부착되어 크랭카를 형성하는 등 로의 기능적 문제를 발생시킨다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 마이크로파에 의한 직접 가열 방식으로 미세공을 활성화하여 효율적으로 활성탄을제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 마이크로파에 의한 직접 가열 방식으로 폐활성탄의 미세공에 흡착된 불순물을 탈착시켜 우수한 흡착력을 갖도록 폐활성탄을 재생하는 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 활성탄의 제조 공정도이다.

도 2는 본 발명에 따른 폐활성탄의 재생 공정도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에서 전력 변화에 따른 폐활성탄의 비표면적 변화 그래프이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에서 활성화제량 변화에 따른 폐활성탄의 비표면적 변화 그래프이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에서 마이크로파 반응온도 변화에 따른 폐활성탄의 비표면적 변화 그래프이다.

도 6a는 재생 전 폐활성탄의 전자현미경(scanning electron microscope: SEM) 사진

도 6b는 재생 후 활성탄의 전자현미경 사진이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 마이크로파를 이용한 활성탄의 제조방법은 야자각 또는 석탄계 원료를 탄화시킨 탄화물에 마이크로파를 조사하여 미세공을 활성화하는 것으로 이루어진다.

상기 마이크로파의 조사는 이산화탄소, 공기 및 수증기로 이루어진 활성화제에서 선택된 적어도 하나를 가하는 것과 동시에 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 마이크로파의 조사에 의한 반응온도는 700 ~ 1,000℃가 바람직하며, 이때 마이크로파의 주파수대는 2.4 ~ 2.5GHz의 주파수가 바람직하다.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 마이크로파를 이용한 폐활성탄의 재생 방법은 폐활성탄에 마이크로파를 조사하여 미세공에 흡착되어 있는 불순물을 탈착시키는 것으로 이루어진다.

상기 마이크로파의 조사는 이산화탄소, 공기 및 수증기로 이루어진 활성화제에서 선택된 적어도 하나를 가하는과 동시에 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 마이크로파의 조사에 의한 반응온도는 700 ~ 900℃가 바람직하며, 이때 마이크로파의 주파수대는 2.4 ~ 2.5GHz의 주파수가 바람직하다.

이하에서 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명은 야자각 또는 석탄계 탄화물에 마이크로파를 조사함으로써 탄화물의 미세공(微細孔, pore)을 활성화시켜 활성탄을 제조하는 방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 폐활성탄에 마이크로파를 조사하여 폐활성탄 표면 및 내부에 물리적으로 흡착되어 있는 이물질 또는 수분을 제거함으로써 미세공을 활성화시켜 폐활성탄을 재생하는 방법에 관한 것이다.

활성탄의 흡착력은 크게 세공과 흡착물질간의 물리적 힘인 반 데르 바알스 힘(Van der Waals force) 및 흡착물질과 흡착제간의 상호작용적인 힘인 정전기력(Electrostatic force)으로 나누어질 수 있다. 즉, 반 데르 바알스 힘은 활성탄의 세공의 크기에 의하여, 정전기력은 표면 관능기의 특성에 의하여 지배를 받는다.

따라서, 활성탄의 흡착력을 향상시키기 위하여 활성탄의 세공을 발달시키고 표면 관능기를 활성화하는 것이 중요하며 이를 위한 방법으로 탄화물을 활성화(activating)시킨다. 이때 활성탄의 표면에서 일어나는 대표적인 반응을 식으로 나타내면 아래와 같다.

활성탄-C ＋ 2H₂O → 활성탄=C=O ＋ 2H₂＋ CO ＋ CO₂등

본 발명에서는 상기 활성화 처리를 위한 에너지로 마이크로파를 조사하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 마이크로파를 조사함으로써 전기장의 극성변화를 통한 분자진동에 의한 마찰열을 이용하여 미세공을 활성화시키는 것으로, 활성탄 제조시에는 원료 물질의 탄화물에 형성된 미세공을 활성화하는 역할을 하며, 폐활성탄을 재생하는 경우에는 폐쇄된 미세공에 흡착된 이물질을 탈착하는 역할을 하는 것으로, 양자 모두 마이크로파의 조사로 인한 분자진동에 의한 마찰열을 이용하는 것이다.

다만, 야자각 또는 석탄계 원료를 이용하여 활성탄을 제조하는 경우에는 원료물질을 충분히 탄화시킨 후에 마이크로파를 처리하며, 이때 탄화는 통상의 건류방식에 따라 처리될 수 있다.

또한, 폐활성탄의 재생시에는 수집된 폐활성탄을 건조기를 이용하여 건조시키거나 자연건조시켜 수분함량이 20% 미만이 되게 한 후 체질을 통하여 알맞은 입자의 크기로 선별한 후 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 사용되는 마이크로파에 의한 직접 가열 방식은 1㎾ 미만의 작은 용량 단위의 마그네트론 다수개를 병렬 연결하여 사용함으로써 효율적으로 구현될 수 있다. 이때 마이크로파의 주파수대는 통상 0.3 ~ 30GHz이나 이 중 2.4 ~ 2.5GHz의 주파수가 바람직하며 2.45GHz가 더욱 바람직하다.

마이크로파의 조사에 의한 반응온도는 활성탄의 제조 경우에는 700 ~ 1,000℃로 하고 반응시간은 1 ∼ 10분정도로 하는 것이 바람직하며, 반응온도가 700℃보다 낮은 경우에는 탄화물의 미세공이 활성화가 제대로 되지 않으며, 1,000℃를 초과하는 경우에는 세공경(pore diameter)의 거대화에 따라 비표면적이 오히려 축소되며 경도(hardness)가 낮아지는 등의 과부활(excess activation)에 따른 문제점이 발생하므로 바람직하지 않다. 또한, 폐활성탄을 재생하는 경우에는 700 ~ 900℃의 반응온도에서 1 ~ 5분정도로 반응하는 것이 좋다. 반응온도가 700℃ 미만인 경우에는폐활성탄의 불순물이 완전히 탈착되지 않아 흡착능의 효과적인 회복을 기대할 수 없으며, 1,000℃를 넘는 경우에는 활성탄의 제조 경우와 마찬가지로 과부활에 따른 문제점이 발생하여 바람직하지 않다.

본 발명에 있어서, 마이크로파의 조사시에 이산화탄소, 공기 및 물로 이루어진 활성화제를 적어도 하나 이상을 첨가하여 활성탄의 미세공을 생성하거나 폐활성탄을 재생하는데 보다 나은 결과를 얻을 수 있다. 이는 이산화탄소나 물이 일산화탄소나 수소 가스로 환원되면서 발생되는 산소유지가 활성탄 미세공 내의 탄소와 반응하여 다시 CO 결합을 형성함에 따라 활성탄의 미세공은 그 표면적이 증가되기 때문이다.

도 1은 본 발명에 따른 활성탄의 제조에 있어서 활성화제를 첨가하는 경우의 공정도를 도시한 것으로, 먼저 활성탄의 원료 물질 즉 야자각 또는 석탄계 원료를 1차 탄화시킨 후, 이를 일정한 입도분포로 분쇄선별하여 반응기로 이송하고 활성화제를 적당히 흘리면서 마이크로파 발생기(microwave generator)를 가동시켜 일정한 온도(700 ~ 1,000℃)가 될 때까지 유지시킨다. 이 때 발생되는 수증기는 포집조에서 수집하여 냉각, 응축시켜 외부로 배출시키고 가스는 수집하여 다시 반응기로 순환시킨다.

도2는 본 발명에 따른 폐활성탄의 재생에 있어서 활성화제를 첨가하는 경우의 공정도를 도시한 것으로, 재생하고자하는 폐활성탄을 건조기를 이용하여 건조시키거나 자연건조시켜 수분함량이 20% 미만이 되게 한 후 상품화 치수에 맞는 크기로 선별한다.

선별된 폐활성탄을 반응기로 이송하고 활성화제를 적당히 흘리면서 마이크로파를가하여 일정한 온도(700 ~ 900℃)가 될 때까지 유지시키는 것으로 상기 활성탄의 제조시와 동일한 공정으로 진행할 수 있다.

상기 얻어진 활성탄은 이송과정에서 발생된 분진을 분리하고 바로 제품으로 포장 또는 저장조로 보냄으로써 제조 및 재생공정이 완료된다.

이하에서 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명할 것이다. 그러나, 이하의 실시예는 단지 예시를 위한 것이므로, 본 발명의 범위를 국한시키는 것으로 이해되어져서는 안 될 것이다.

[실시예 1]

반응기에 야자각 탄화물 2kg을 충전(充塡)하고 활성화제로 수증기, 이산화탄소와 수증기의 혼합물 또는 공기를 사용하며, 이때의 활성화제량은 2ℓ/min로 주입하고 반응온도는 950℃로 하고 전력을 1 ∼ 3㎾로 가변조정하면서 2.45GHz의 마이크로파를 조사하여 반응시켰다.

각 경우에 있어서 얻어진 활성탄의 비표면적을 측정하여 표1에 나타내었다.

표 1에서 보는 바와 같이 탄화물의 비표면적이 120㎡/g이었으나 활성화 후에 900㎡/g까지 증가하는 것을 볼 수 있다. 전력이 2.75㎾일 때 가장 좋은 결과를 얻었다.

[실시예 2]

폐활성탄을 수집하여 ASAP2010(장치명; 미국 마이크로메리틱스사(Micromeritics co.) 제품)으로 비표면적을 측정한 결과 약 300㎡/g이었다. 이 때 수분함량은 40% 이상이었다. 이를 자연건조시켜 수분함량을 약 20%로 낮추고 체질(sieving)을 통하여 신탄과 같은 입경인 8 ~ 30메쉬(mesh)의 입자를 선별하였다.

반응기에 2kg의 폐활성탄을 충전(充塡)하고 활성화제로 이산화탄소, 이산화탄소와수증기의 혼합물, 또는 공기를 사용하였다. 활성화제량은 1.5ℓ/min, 반응온도는 800℃로 하고 전력을 1 ∼ 3㎾로 가변조정하면서 2.45GHz의 마이크로파를 조사하여 반응시켰다. 각 경우에 있어서 재생활성탄의 비표면적을 측정하였다.

그 측정결과가 표 2 및 도 3에 표시되어 있다.

표 2에서 보는 바와 같이 폐활성탄의 비표면적이 300㎡/g이었으나 재생공정 후에 1240㎡/g까지 증가하는 것을 볼 수 있다. 전력이 2.75kW일 때 가장 좋은 결과를 얻었다.

[실시예 3]

전력을 2.75kW, 반응온도를 800℃로 하고 활성화제량을 0.5 ~ 2ℓ/min로 가변조정하는 외에는 실시예 1과 동일조건으로 반응시켰다. 각 경우의 재생활성탄의 비표면적 측정결과가 표 2 및 도 4에 표시되어 있다. 활성화제량이 1.5ℓ/min일 때 가장 좋은 결과를 얻었다.

[실시예 4]

전력을 2.75kW, 활성화제량을 1.5ℓ/min로 하고 반응온도를 700 ~ 900℃로 가변조정하는 외에는 실시예 2과 동일조건으로 반응시켰다. 각 경우의 재생활성탄의 비표면적 측정결과가 표 2 및 도 5에 표시되어 있다.

각 활성화제마다 800℃까지는 재생효과가 점차 좋아지다가 800℃이상이 되면 재생효과가 약간 떨어지는 결과가 나타났다. 이는 활성화가 지나쳐서 마이크로포어(micro pore)보다 매크로포어(macro pore)의 분포가 더 많아지기 때문으로 파악된다.

제조된 활성탄의 비표면적(㎡/g)

	야자각탄화물의 비표면적(㎡/g)	활성화제	제조된 활성탄의 비표면적(㎡/g)
			전력(KW)
			1	2	2.5	2.75	3
실시예1	120	수증기	580	755	780	870	810
		이산화탄소 +수증기	600	750	830	900	840
		공기	500	580	740	850	760

표 1에 나타낸 바와 같이, 마이크로파를 조사함으로써 얻어진 활성탄의 비표면적이 500∼900㎡/g로 양호한 활성탄을 용이하게 제조할 수 있슴을 알 수 있다.

재생된 폐활성탄의 비표면적(㎡/g)

구분	신탄	폐활성탄	활성화제	재생활성탄
				전력(㎾)	활성화제량(ℓ/min)	온도(℃)
				1	2	2.5	2.75	3	0.5	1	1.5	2	700	750	800	850	900
실시예 2	1050	300	이산화탄소	600	893	930	1204	970
			이산화탄소+수증기	610	890	1000	1240	1050
			공기	580	785	876	1124	986
실시예 3	1050	300	이산화탄소						800	980	1204	930
			이산화탄소+수증기						890	900	1240	1100
			공기						680	876	1124	900
실시예 4	1050	300	이산화탄소										854	950	1204	860	960
			이산화탄소+수증기										850	950	1240	950	900
			공기										832	890	1124	785	791

마이크로파를 이용하여 폐활성탄을 재생한 실시예들의 결과를 표 2 및 도 3 ~ 5를 참조하여 활성화제의 종류에 따른 재생효과를 살펴보면, 활성화제로서 이산화탄소와 수증기의 혼합물을 사용하는 경우에는 활성탄의 복원율은 높게 나왔으나, 가스 공급시 수분이 포화되어 공급되고 반응기에서 스팀(steam)이 발생되어 폐활성탄의 자동이송에 어려운 점이 있었다.

활성화제로서 이산화탄소만을 단독 사용하는 경우에는 이산화탄소와 수증기의 혼합사용의 경우보다 활성탄의 비표면적이 약 40㎡/g만큼 떨어지는 현상이 나타났으나 이산화탄소와 수증기의 혼합 사용의 경우보다 자동화 공정에 더 적합한 방법으로 사료된다.

활성화제로서 공기를 사용하는 경우에 있어서도 흡착능은 현저하게 복원되지만 온도에 따른 공기량을 조절하는데 어려움이 있었으며, 공기의 양이 많을 경우에는 활성탄이 과잉 연소되어 재생수율이 떨어지고, 적을 경우에는 흡착능이 떨어지는 등의 문제점을 보여주었다.

상기 실시예 2 ~ 4의 결과를 종합하면, 어떤 활성화제를 이용해도 흡착능의 회복이 좋게 나타났으나, 반응시 스팀 발생에 의한 자동이송 및 연소에 의한 수율 측면에서 볼 때 활성화제로서 이산화탄소가 바람직하다고 할 수 있다.

도 6a는 미세공이 유기물질 등의 이물질에 의해 흡착되어 있는 재생 전의 폐활성탄의 상태를 보여주고 있고, 도 6b는 마이크로파에 의한 분해 반응이 일어나 활성탄의 미세공이 회복된 상태를 보여주고 있다.

상술한 바와 같이 마이크로파를 이용하여 활성탄을 제조하는 방법 및 폐활성탄을 재생하는 방법은 모두 마이크로파의 조사로 인한 분자진동에 의한 마찰열을 이용하는 것으로, 활성탄의 제조시 야자각 또는 석탄계 원료 물질을 탄화시키는 단계를 거치는 것과 폐활성탄의 재생시 수집된 폐활성탄을 건조하는 단계를 거치는 것을 제외하고는 모두 동일한 공정을 통하여 효율적으로 활성탄을 제조 및 재생할 수 있다.

본 발명에 따르면 마이크로파를 이용하여 활성탄을 제조 및 폐활성탄을 재생할 경우 마이크로파에 의한 직접 가열로 활성화 시간을 획기적으로 단축함으로써 에너지 소비를 줄일 수 있으며, 전기를 이용함으로써 연소에 의한 공해 가스 배출이 없어 환경친화적인 방법으로 활성탄을 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 활성탄의 제조 및 재생 방법은 마이크로파에 의해 반응물의내ㆍ외부가 동시에 가열되므로 크랙발생이 줄어 제조 및 재생 과정에서의 손실을 감소시키고 회수율을 높임으로써 경제적인 측면에서 매우 효과적이다.

상술한 바와 같이 본 발명의 방법으로 활성탄을 효율적으로 제조하고 폐활성탄을 재생할 경우, 외국으로부터 전량 수입되고 있는 원료의 양을 감축시킬 수입 대체의 효과가 있고 기존의 방법보다 에너지를 30%이상 절약할 수 있으므로 경제적인 효과와 더불어 영세한 활성탄 업계의 활성화를 기대할 수 있게 된다.

또한 본 발명의 방법은 화석연료의 사용을 억제하여 환경오염을 줄이는 효과도 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연하다.

Claims

야자각(coconut shell) 또는 석탄계 원료를 탄화시킨 탄화물에 마이크로파를 조사하여 미세공을 활성화하는 것으로 이루어지는 마이크로파를 이용한 활성탄의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 마이크로파의 조사는 이산화탄소, 공기 및 수증기로 이루어지는 활성화제에서 선택되는 적어도 하나를 가하면서 이루어지는 것을 특징으로 하는 상기 마이크로파를 이용한 활성탄의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 마이크로파의 조사에 의한 반응온도는 700 ~ 1,000℃인 것을 특징으로 하는 상기 마이크로파를 이용한 활성탄의 제조 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 마이크로파의 주파수는 2.4 ~ 2.5GHz인 것을 특징으로 하는 상기 마이크로파를 이용한 활성탄의 제조방법.
폐활성탄에 마이크로파를 조사하여 미세공에 흡착되어 있는 불순물을 탈착시키는것으로 이루어지는 마이크로파를 이용한 폐활성탄의 재생 방법.
제5항에 있어서,

상기 마이크로파의 조사는 이산화탄소, 공기 및 수증기로 이루어지는 활성화제에서 선택되는 적어도 하나를 가하면서 이루어지는 것을 특징으로 하는 상기 마이크로파를 이용한 폐활성탄의 재생 방법.
제5항에 있어서,

상기 마이크로파의 조사에 의한 반응온도는 700 ~ 900℃인 것을 특징으로 하는 상기 마이크로파를 이용한 폐활성탄의 재생 방법.
제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 마이크로파의 주파수는 2.4 ~ 2.5GHz인 것을 특징으로 하는 상기 마이크로파를 이용한 폐활성탄의 재생 방법.