KR20190130363A - 공기 정화용 활성탄 복합제 - Google Patents

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KR20190130363A
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air purification
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오원춘
차제우
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주식회사 카본텍
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Abstract

본 발명은 활성탄에 첨가제를 첨가하여 흡착 효율을 높인 활성탄 복합제에 관한 것이다.

Description

공기 정화용 활성탄 복합제 {Activated carbon composite for air purification}
본 발명은 물리적 및 화학적 흡착 효율이 높은 활성탄 복합제에 관한 것이다.
최근 산업 활동의 증가와 에너지 소비의 증가에 따라 아황산 가스, 질소 산화물, 암모니아 등의 오염 물질이 대기 오염도를 심화시켜 환경 기준을 위협하는 상황에 이르렀다. 따라서 공기 중 배연 탈황, 탈질 기술을 위한 기술 및 공정 개발에 대한 필요성이 요구되고 있다.
흡착은 기체나 액체의 원자, 이온 또는 분자들이 고체 표면으로 확산하여 고체 표면과 결합하거나 약한 분자간 힘에 의하여 부착된 것을 말한다. 이때, 분자간 힘의 종류에 따라 물리흡착과 화학흡착으로 나뉜다. 흡착 공정은 공기나 물을 정화시키고, 용매를 회수 혹은 제거하거나 혼합물 중 목적 물질을 분리해내는 등 산업의 전반적인 분야에 널리 이용되고 있다. 상업용으로 사용되는 흡착제로는 활성탄, 제올라이트, 알루미나 등이 있다.
한편, 대기 환경 개선 및 환경 분야에서 활성탄이 폭넓게 사용되고 있다. 활성탄(active carbon)은 흡착성이 강하고, 대부분의 구성 물질이 탄소질로 된 물질이다. 미세 흑연구조의 친유성 흡착제로서 탄소소재 고유의 내열, 내화학성을 지니고 있다. 활성탄은 공기청정기, 에어컨 필터, 산업체의 유해물질 처리공정, 미세먼지 제거 등 실생활 전반에 걸쳐 매우 광범위하게 사용되고 있다.
한편, 분말상 흡착제의 결합제로 피치, 물유리, 폴리비닐알콜 등이 사용되고 있으나 이들은 흡착제의 기공을 막아 흡착력을 30% 이상 감소시키는 단점이 있다.
따라서, 분말상 흡착제의 기공감소를 최소화하고 흡착 효율을 높인 활성탄 복합제에 대한 연구가 필요하다.
대한민국 공개특허 제10-2017-0027636호(2017.03.10.) “내발화성이 향상된 제올라이트/활성탄의 성형 복합흡착제용 조성물을 펠렛화하는 펠렛제조장치”에는 활성탄, 제올라이트, 페놀수지, 전분 또는 당류에서 선택되는 결합제 및 용매를 포함하는 조성물로부터 제조되는 펠렛제조단계, 상기 펠렛을 소성하는 탄화단계, 기공활성화단계를 포함하는 제올라이트/활성탄의 성형 복합흡착제의 제조방법이 개시되어 있다. 대한민국 공개특허 제10-2002-0043387호(2002.06.10.) “제올라이트와 페놀수지계 결합제를 이용한 오폐수 처리용유리섬유 강화 제올라이트/활성탄소 복합흡착제 제조방법”에는 페놀수지 고분자 결합제와 제올라이트 분말을 액상 혼합하여 유리 섬유에 코팅시킨 다음, 각종 분위기하에서 활성화함으로써 제올라이트의 성형성을 획기적으로 개선한 유리섬유 강화 복합제 제조방법이 개시되어 있다.
본 발명에서는 흡착제의 기공감소를 줄이고 흡착 효율을 높인 활성탄 복합제를 제공하고자 한다.
본 발명은 활성탄, 첨가제, 결합제를 혼합한 후, 하소(calcination) 과정을 거쳐 제조하는 공기 정화용 활성탄 복합제에 있어서, 상기 첨가제는 Ca(OH)2, CaCO3, Fe(NO)3 및 H3PO4 중에 선택되는 어느 하나 이상이고, 상기 결합제는 전분인 것을 특징으로 하는 공기 정화용 활성탄 복합제를 제공한다.
본 발명의 공기 정화용 활성탄 복합제에 있어서 상기 Ca(OH)2, CaCO3, Fe(NO)3는, 바람직하게 공기 정화용 활성탄 복합제 총 중량에 15~30%(w/w) 첨가하는 것이 좋다.
본 발명의 공기 정화용 활성탄 복합제에 있어서 상기 전분은, 바람직하게 전분현탁액인 것이 좋다.
본 발명의 공기 정화용 활성탄 복합제에 있어서 상기 H3PO4는, 바람직하게 수용액 상의 H3PO4에 활성탄을 첨가한 후 건조시킴으로써, H3PO4과 활성탄을 혼합시켜 사용하는 것이 좋다.
본 발명의 공기 정화용 활성탄 복합제에 있어서 상기 H3PO4 수용액은, 바람직하게 1~2M인 것이 좋다.
본 발명의 공기 정화용 활성탄 복합제에 있어서 상기 전분은, 바람직하게 공기 정화용 활성탄 복합제 총 중량에 1~3%(w/w) 첨가되는 것이 좋다.
본 발명에서는 기공 감소가 최소화되어 흡착 면적이 넓어지고, 물리흡착 및 화학흡착으로 흡착 효율이 높아진 활성탄 복합제를 제공한다.
도 1는 활성탄 복합제의 흡착법에 의한 암모니아 흡착 제거 효율 측정 방법의 모식도이다.
도 2은 20% AC-CO의 TCD signal을 나타낸 그래프이다.
도 3는 저온 흡착법에 의한 CO2 제거 효율 측정 방법에 대한 모식도이다.
도 4는 활성탄 복합제의 압력 손실률 측정방법에 대한 모식도이다.
일반적으로 펠렛형 활성탄은 활성탄, 전분 및 변성전분(알파전분-변성전분, 일반 전분보다 점성이 강해 결합력이 우수함, 결합제), 첨가제(통상적으로 흡착능 증대를 위해 첨가되는 성분), 물을 원료로 하여 이들을 혼합한 후, 하소(calcination) 과정을 거쳐 제조한다.
이때, 사용되는 결합제는 펠렛을 제조하기 위해서 필수적으로 사용되어야 하는 소재이나, 결합제가 첨가됨으로써 실질적 기공의 증대가 이루어지지 않고, 경우에 따라 기공을 막기도 하여, 결합체 첨가량에 따라 흡착률이 증대하지 않고 경우에 따라 감소하기도 한다. 즉, 통상적으로 피치, 물유리, 폴리비닐알콜 등을 결합제로 사용하고 있으나, 이들은 흡착제의 기공을 막아 흡착력을 30% 이상 감소시키는 치명적인 문제점을 불러 일으키는 것이다.
그런데, 본 발명에서 펠렛 제조시 첨가제로 Ca(OH)2, CaCO3, Fe(NO)3 및 H3PO4를 사용한 결과, 오히려 흡착능이 증대함을 확인할 수 있었고 이를 통해 본 발명을 완성한 것이다.
특히, Ca(OH)2, CaCO3, Fe(NO)3를 15~30%(w/w)를 첨가할 경우, 10%->20%로 첨가량이 늘어남에 따라 흡착률이 특이적으로 높아짐을 확인할 수 있었고, 20%->30%로 첨가량이 늘어나는 경우는 오히려 흡착률이 10% 수준으로 낮아짐을 확인할 수 있었다 (H3PO4의 경우 1.0~2.0M 구간)
한편, 본 발명의 펠렛형 공기 정화용 활성탄 복합제의 제조과정을 설명하자면, 하기와 같다. 먼저, 활성탄과 첨가제를 혼합하고, 여기에 전분현탁액을 첨가하여 걸쭉한 반죽형태의 혼합물을 제조한다. 이후, 이 혼합물을 펠렛화 기계에 투입하여 펠렛 형태로 찍어낸 후, 건조 (바람직하게 100℃에서 6시간 정도)시켜 수분을 날려 보낸다. 그 후, 유기물 상태의 전분을 무기물로 변화시키는 하소 과정(전분을 탄화시키는 과정, 400℃에서 30분 정도)을 수행한다. 이를 통해 본 발명의 펠렛형 공기 정화용 활성탄 복합제가 제조된다.
이때, 활성탄은 분말상, 조립상, 섬유상 등의 다양한 형태로 제조된 것을 사용할 수 있고, 필요한 특성에 따라 다양하게 선택되어 사용될 수 있다. 또한, 펠렛화 및 하소과정은 당업계에 널리 알려져 있는 방법을 사용할 수 있으므로, 이에 대한 구체적 기재는 생략하기로 한다.
한편, 본 발명에서 사용한 ‘펠렛(pellet)’이란 용어는 활성탄을 사용이 용이하도록 적당한 입괴로 조립한 것을 지칭하는 것으로 한다. 또한, 본 발명에서 Ca(OH)2가 첨가된 활성탄 복합제는 AC-CO, CaCO3가 첨가된 활성탄 복합제는 AC-CC, Fe(NO)3 가 첨가된 활성탄 복합제는 AC-FN 및 H3PO4가 첨가된 활성탄 복합제는 AC-HP로 나타내었다. ‘AC’는 Activated Carbon의 약자로 사용하였다.
이하, 본 발명의 내용에 대해 하기 실시예 및 실험예에서 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다만, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예 및 실험예에만 한정되는 것은 아니고, 이와 등가의 기술적 사상의 변형까지를 포함한다.
[실시예 1 : Ca(OH) 2 , CaCO 3 및 Fe(NO) 3 가 첨가된 활성탄 복합제의 제조]
본 실시예에서는 활성탄에 첨가제로 Ca(OH)2, CaCO3 및 Fe(NO)3를 첨가하여 활성탄 복합제를 제조하고자 하였다.
우선, 전분 현탁액과 활성탄 및 첨가제를 혼합 (하기 표 1의 배합비 참조) 하여 걸죽한 반죽 형태의 혼합물을 제조한 후, 500~800 kg/cm2의 압력으로 펠렛화(pelletizing)하여 펠렛 형태로 가공하였다. 이후, 100℃에서 6시간 건조시켜 수분을 제거하였고, 이를 400℃에서 30분 동안 하소시켜 본 발명의 펠렛형 활성탄 복합제를 최종 제조하였다.
한편, 본 발명에서 실질적으로 사용한 전분의 양을 계산하면, 30%×6%를 곱해 나온 수치로 약 1.8% 첨가되는 것이다. 따라서, 바람직하게는 1~3% 정도 첨가될 수 있는 것이다.
아래 표 1에는 첨가제의 첨가중량에 따른 활성탄 복합제의 함량을 예시로 나타내었다.
Ca(OH)2, CaCO3, Fe(NO)3의 첨가에 따른 활성탄 복합제의 성분함량
15%(w/w) AC-CO 15%(w/w) AC-CC 15%(w/w) AC-FN
활성탄 79% 79% 79%
Ca(OH)2 15% - -
CaCO3 - 15% -
Fe(NO)3 - - 15%
전분현탁액
(30% 농도)		 6% 6% 6%
합계 100% 100% 100%
20%(w/w) AC-CO 20%(w/w) AC-CC 20%(w/w) AC-FN
활성탄 74% 74% 74%
Ca(OH)2 20% - -
CaCO3 - 20% -
Fe(NO)3 - - 20%
전분 6% 6% 6%
합계 100% 100% 100%
30%(w/w) AC-CO 30%(w/w) AC-CC 30%(w/w) AC-FN
활성탄 64% 64% 64%
Ca(OH)2 30% - -
CaCO3 - 30% -
Fe(NO)3 - - 30%
전분 6% 6% 6%
합계 100% 100% 100%
50%(w/w) AC-CO 50%(w/w) AC-CC
활성탄 44% 44%
Ca(OH)2 50% -
CaCO3 - 50%
Fe(NO)3 - -
전분 6% 6%
합계 100% 100%
[실시예 2 : H 3 PO 4 가 첨가된 활성탄 복합제의 제조]
본 실시예에서는 활성탄에 첨가제로 H3PO4를 첨가하여 활성탄 복합제를 제조하였다.
농도가 각각 1.0M, 1.5M, 2.0M인 H3PO4 수용액 각각의 1L에 활성탄을 500g 첨가한 후, 수분을 증발시켜 인산이 각각 고르게 혼합된 활성탄을 수득하였다. 이후, 인산이 혼합된 활성탄에 전분현탁액을 혼합하여 걸죽한 반죽 형태의 혼합물을 제조한 후, 500~800 kg/cm2의 압력으로 펠렛화(pelletizing)하여 펠렛 형태로 가공하였다. 이후, 100℃에서 6시간 건조시켜 수분을 제거하였고, 이를 400℃에서 30분 동안 하소시켜 본 발명의 펠렛형 활성탄 복합제를 최종 제조하였다. 아래 표 2에 H3PO4를 첨가한 활성탄 복합제의 함량을 나타내었다.
H3PO4 첨가에 따른 활성탄 복합제의 성분함량
1.0M AC-HP 1.5M AC-HP 2.0M AC-HP
H3PO4·활성탄
혼합물		 94% 94% 94%
전분현탁액
(30% 농도)		 6% 6% 6%
합계 100%(w/w) 100(w/w) 100(w/w)
[실험예 1 : 활성탄 복합제의 압축강도 측정]
본 실험에서는 상기 실시예 1 및 2에서 제조한 활성탄 복합제의 압축강도를 측정하였다. 즉, 펠렛 제조시 결합제인 전분의 첨가에 따른 결합력 정도를 확인하고자 제조한 활성탄 복합제의 압축강도를 측정한 것이다.
본 실험은 KSL 1601 : 2006에 의거하여 만능 시험기를 사용하여 압축강도를 측정하였다.
압축강도 측정 결과(MPa)
15% (HP는 1.0M) 20% (HP는 1.5M) 30% (HP는 2.0M)
AC-CO 9±2 9±2 9.25±2
AC-CC 7±2 8±2 4±2
AC-FN 8±2 7±2 6±2
AC-HP 7±2 5±2 8±2
상기 표 3에 AC-CO, AC-CC, AC0-FN 및 AC-HP의 압축강도 측정 결과를 나타내었다. 특이하게도, 최적의 첨가제 첨가량이 다르게 나타났다. AC-CO 및 AC-HP는 30%, AC-CC는 20%, AC-FN은 15%에서 압축강도가 우수하였다.
[실험예 2 : 활성탄 복합제의 비표면적 측정]
비표면적이라 함은 단위 중량 당 형성되어 있는 표면적의 크기를 의미하는 것으로, 기공이 많이 형성되어 있으면, 비표면적 값이 크게 나타나고, 기공이 작게 형성되어 있으면, 비표면적이 작게 나타난다.
본 실험예에서는 상기 실시예 1 및 2에서 제조한 활성탄 복합제의 비표면적을 측정하였다. 저온 질소 흡착법으로, BELSORP사의 Mini II (JAPAN)에 의거하여 측정하였다.
비표면적 비교(m2/g)
15% (HP는 1.0M) 20% (HP는 1.5M) 30% (HP는 2.0M)
AC-CO 1426 1306 1257
AC-CC 1321 1257 1165
AC-FN 1354 1312 1278
AC-HP 1420 1387 1295
상기 표 4에 AC-CO, AC-CC, AC0-FN 및 AC-HP의 비표면적 측정 결과를 나타내었다. 첨가제 15%(HP는 1.0M)인 활성탄 복합제의 비표면적이 20%(HP는 1.5M) 및 30%(HP는 2.0M)의 활성탄 복합제보다 비표면적이 넓게 측정되었다. 제조한 펠렛의 비표면적은 활성탄에 의해 결정되는데, 기공이 없는 전분이나 첨가제가 첨가되면 펠렛의 비표면적은 상대적으로 감소할 수밖에 없다. 본 발명의 실험에 있어서도, 첨가제의 첨가량 증가에 따라 비표면적은 감소하는 것으로 나타났다. 다만, 첨가제의 종류에 있어 AC-CO 및 AC-HP가 AC-CC 및 AC-FN에 비해 비표면적이 넓은 것으로 확인되었다.
한편, 비표면적 감소율을 비교했을 때, 초기 비표면적이 높았던 AC-CO는 12%의 감소율을 보였고, AC-HP는 8%의 감소율을 보였다.
이상의 결과로부터 AC-CO의 첨가제인 Ca(OH)2가 기공감소에 덜 영향을 주면서도 절대적으로 높은 기공을 확보할 수 있는 소재로 판단할 수 있었다.
[실험예 3 : 활성탄 복합제의 요오드가 측정]
본 실험예에서는 상기 실시예 1 및 2에서 제조한 활성탄 복합제의 요오드가를 측정하였다. -325 mesh 건조시료 약 0.5g을 마개달린 삼각 플라스크 100ml에 넣고 N/10 요오드 용액 50 ml를 정확히 가하여 상온에서 15분간 진탕기로 진탕시킨 후 50 ml 침전관에 넣어 원심분리기를 이용하여 시료를 침전시킨다. 상층액 10 ml를 분취하여 N/10 티오황산나트륨 용액으로 적정하여 요오드의 황색이 엷어지면 지시약으로 1w/v% 전분용액을 1 ml 가해 적정을 계속하고 요오드 전분의 청색이 소멸될 때를 종점으로 하여 1g 당 흡착된 요오드 mg수를 구한다. 계산식은 다음과 같다. A = ((10-B * f) * 12.69 * 5)/5
요오드가 측정 결과(mg/g)
15% (HP는 1.0M) 20% (HP는 1.5M) 30% (HP는 2.0M)
AC-CO 1215 1226 1214
AC-CC 1201 1198 1189
AC-FN 1212 1210 1205
AC-HP 1211 1204 1206
상기 표 5에 AC-CO, AC-CC, AC0-FN 및 AC-HP의 요오드 흡착 결과를 나타내었다. AC-CO의 경우 20% 활성탄 복합제가 요오드 흡착 효율이 높게 측정되었고, AC-CC, AC-FN 및 AC-HP의 경우 첨가제 15%(HP는 1.0M)인 활성탄 복합제의 요오드 흡착효율이 20%(HP는 1.5M) 및 30%(HP는 2.0M)의 활성탄 복합제보다 높게 측정되었다.
따라서, 상기 실험예 2의 비표면적 측정 결과와 같이, 면적 당 기공의 수가 감소하여 요오드 흡착량 또한 첨가제의 첨가량에 따라 감소하는 결과를 보임을 확인하였다.
[실험예 4 : 활성탄 복합제의 H 2 S 가스 제거 효율 측정]
본 실험예에서는 상기 실시예 1 및 2에서 제조한 활성탄 복합제의 H2S 가스 제거 효율을 측정하였다. 고정층 흡착력 측정 실험에서 흡착제가 충진된 Column에 일정한 농도의 표준유해가스를 통과하여 흡착제에 흡착시키고 주기적으로 가스배출구에서 GASTEC사(일본) 등에서 제조, 판매하고 있는 가스종류별 측정범위의 표준가스검지관(예: 4L은 황화수소 1-240ppm, 3M은 암모니아 10-1000ppm 측정가능)으로 농도를 측정하여 파과점을 구하였다. (검지관 구성과 관련하여 JIS 시험법에 규정)
H2S 가스 제거 효율 측정 결과(%)
15% (HP는 1.0M) 20% (HP는 1.5M) 30% (HP는 2.0M)
AC-CO 20.234 21.673 21.234
AC-CC 19.648 19.456 18.475
AC-FN 24.657 25.235 24.057
AC-HP 18.256 22.759 20.681
상기 표 6에 AC-CO, AC-CC, AC0-FN 및 AC-HP의 H2S 가스 제거 결과를 나타내었다.
통상적으로 활성탄에 결합제(전분) 또는 첨가제가 첨가되면 기공을 막기 때문에 흡착력이 떨어져야 한다. 그런데, 본 발명의 상기 실험에서는 AC-CO, AC-FN, AC-HP의 경우 첨가제를 20% 첨가하는 경우, 10% 첨가 샘플에 비해 흡착력이 오히려 증가하는 것으로 나타났다. 다만, 30%를 첨가했을 경우, 흡착력이 감소하면서 10% 첨가 샘플과 비슷한 정도의 흡착력을 보이는 것으로 확인되었다.
이상의 결과로부터 AC-CO, AC-FN, AC-HP를 10~30% 첨가하는 경우, 흡착력이 감소할 것이라는 예상과 달리 흡착력이 오히려 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
[실험예 5 : 활성탄 복합제의 암모니아 가스 제거 효율 측정]
본 실험예에서는 상기 실시예 1 및 2에서 제조한 활성탄 복합제의 암모니아 가스 제거 효율을 측정하였다.
(1) 검지관법에 따른 가스 제거 효율 측정
고정층 흡착력 측정 실험에서 흡착제가 충진된 Column에 일정한 농도의 표준유해가스를 통과하여 흡착제에 흡착시키고 주기적으로 가스배출구에서 GASTEC사(일본) 등에서 제조, 판매하고 있는 가스종류별 측정범위의 표준가스검지관(예: 4L은 황화수소 1-240ppm, 3M은 암모니아 10-1000ppm 측정가능)으로 농도를 측정하여 파과점을 구하였다. (검지관 구성 관련하여 JIS 시험법에 규정)
검지관법에 따른 암모니아 가스 제거 효율(%)
15% (HP는 1.0M) 20% (HP는 1.5M) 30% (HP는 2.0M)
AC-CO 6.580 6.890 6.540
AC-CC 12.547 19.24 18.354
AC-FN 4.421 4.585 4.862
AC-HP 15.878 16.57 15.12
상기 표 7에 AC-CO, AC-CC, AC-FN 및 AC-HP의 검지관법에 따른 암모니아 가스 제거 효율을 나타내었다. AC-CO 및 AC-CC의 경우 첨가제가 20%까지 첨가된 활성탄 복합제는 성능의 증가를 보였으나, 첨가제가 30%인 경우에 활성탄 복합제의 성능이 저하되는 것을 확인하였다.
(2) 흡착법에 따른 가스 제거 효율 측정
본 실험에서는 흡착법에 따른 가스 제거 효율을 측정하였다. 상기 검지관법에 따른 암모니아 가스 제거 효율 실험에서 그 결과가 우수하게 나온, AC-CO, AC-CC를 선정하여 15%, 20% 실험군에 대해 하기와 같은 방법을 통해 실험을 수행하였다.
흡착법에 따른 가스 제거 효율 측정방법의 모식도를 도 1에 나타내었다. 활성탄 복합제 5g을 암모니아 용액 20ml에 용해하고 6시간 교반한 뒤 95℃에서 건조시켜 무게를 측정(w)하고, 105℃에서 건조한 뒤 무게를 측정(d)하여, 암모니아 흡착 효율(WC)을 계산하였다. 계산식은 다음과 같다. WC=((w-d)/w)*100
본 실험예에서 사용된 대조군은 상기 실시예 1에 준해 제조한 것으로, 첨가제를 사용하지 않고, 6% 또는 7%의 전분만을 결합제로 사용하여 제조한 것이다.
흡착법에 따른 암모니아 가스 제거 효율(%)
Samples Ammonium capacity(%)
AC-15%Ca(OH)2 28.92
AC-20%Ca(OH)2 31.21
AC-15%Ca(CO)3 31.73
AC-20%Ca(CO)3 32.85
AC-6%starch 29.32
AC-7%starch 30.51
상기 표 8에 15% 및 20% AC-CO와 15% 및 20% AC-CC의 흡착법에 따른 암모니아 가스 제거 효율을 나타내었다. 대조군으로 사용된 6% 및 7% 전분을 첨가한 활성탄에 비해 20% AC-CO, 15% 및 20% AC-CC의 암모니아 가스 제거 효율이 높게 측정되었다.
[실험예 6 : 활성탄 복합제의 CO 2 흡착 효율 측정]
(1) TPD에 의한 제거 효율 측정
시료가 담긴 컬럼을 CO2로 포화시키고 He으로 표면에 있는 모든 물리흡착 가스를 제거 한 후, 800도까지 승온 시켜 탈착된 가스의 양을 TCD(Thermal Conductivity Detector) signal로 환산하여 측정하였다.
도 2는 20% AC-CO의 TCD signal이며, 이에 따른 결과값을 아래 표 9에 나타내었다.
Peak No. Temperature at Maximum Quantity(mmol/g) Peak Concentration(%)
1 334.2544 0.98547 1.42456
2 366.4523 1.13321 1.84250
3 421.4523 6.55156 3.22451
4 653.5786 3.91023 2.55057
상기 표 9에 나타난 결과에 따라 흡착량을 계산하면 물리흡착 및 화학흡착의 총 양은 553.54mg CO2/g 이다.
(2) 저온 흡착법에 의한 제거 효율 측정
저온(-5~7 ℃)에서 이산화탄소(CO2)를 흡착(3~4 시간 flow)하고 과포화된 이산화탄소를 제거하기 위하여 상온에서(2~5 ℃)에서 측량(m1)하였다. 측량 후 물리 흡착 및 화학흡착된 이산화탄소의 양을 측정하기 위하여 700 ℃에서 측량(m2)한 뒤, 이산화탄소 흡착량 = m1- m2을 계산하였다.
저온 흡착법에 의한 CO2 제거 효율 측정 방법에 대한 모식도를 도 3에 나타내었다.
저온 흡착법에 따른 CO2 제거 효율
No. Sample (%) CO2
volume
(%)		 CO2
amount
(g)		 CO2
adsorption
capacity
(mg/g)		 CO2
adsorption
capacity
(mmol/g)
1 15% Ca(OH)2 H300 32.249 24.415 0.689 244.240 5.551
H400 38.199 30.365 0.857 303.793 6.904
H500 48.817 40.983 1.156 409.784 9.313
H600 59.993 52.159 1.471 521.446 11.851
H700 67.357 59.523 1.679 595.179 13.527
2 20% Ca(OH)2 H300 18.179 3.917 0.094 38.972 0.886
H400 27.975 13.713 0.331 137.231 3.119
H500 42.453 28.191 0.680 281.924 6.407
H600 56.350 42.088 1.015 420.813 9.564
H700 65.639 51.377 1.239 513.682 11.675
3 50% Ca(OH)2 H300 17.067 3.090 0.086 30.980 0.704
H400 22.661 8.684 0.241 86.816 1.973
H500 35.588 21.611 0.560 201.729 4.585
H600 51.296 37.319 1.036 373.199 8.482
H700 62.421 48.444 1.345 484.510 11.012
4 15% CaCO3 H300 12.655 3.063 0.095 30.784 0.670
H400 16.115 6.523 0.201 65.133 1.480
H500 21.248 11.656 0.360 116.656 2.651
H600 30.308 20.716 0.639 207.064 4.706
H700 40.538 30.946 0.955 309.462 7.033
5 20% CaCO3 H300 17.360 2.360 0.065 23.551 0.535
H400 20.101 5.101 0.141 51.087 1.161
H500 24.008 9.008 0.249 90.217 2.050
H600 35.066 20.066 0.554 200.725 4.561
H700 49.622 34.622 0.956 346.377 7.872
6 50% CaCO3 H300 10.807 0.748 0.023 7.536 0.171
H400 12.772 2.713 0.083 27.195 0.618
H500 15.659 5.600 0.171 56.029 1.273
H600 26.228 16.169 0.493 161.533 3.671
H700 38.940 28.881 0.881 288.663 6.583
상기 표 10에서 이산화탄소 흡착량이 가장 좋았던 15% 및 20% AC-CO의 결과를 아래 표 11에 평균값으로 나타내었다.
표 10의 15% 및 20% Ca(OH)2 활성탄의 평균값
No. Sample ℃ CO2 adsorption capacity
(mg/g)		 CO2 adsorption capacity
(mmol/g)
1 15% Ca(OH)2 300 246.517 5.603
600 514.322 11.689
700 584.979 13.295
2 20% Ca(OH)2 300 46.839 1.065
600 420.693 9.561
700 513.968 11.681
이상으로부터 Ca(OH)2가 15% 또는 20% 첨가되었을 때 활성탄 복합제의 이산화탄소 흡착효율이 가장 우수함을 확인하였다.
(3) 검지관법에 따른 CO 2 제거 효율
고정층 흡착력 측정 실험에서 흡착제가 충진된 Column에 일정한 농도의 표준유해가스를 통과하여 흡착제에 흡착시키고 주기적으로 가스배출구에서 GASTEC사(일본) 등에서 제조, 판매하고 있는 가스종류별 측정범위의 표준가스검지관(예: 4L은 황화수소 1-240ppm, 3M은 암모니아 10-1000ppm 측정가능)으로 농도를 측정하여 파과점을 구하였다. (검지관 구성 관련하여 JIS 시험법에 규정)
검지관법에 따른 CO2 제거 효율(%)
15% 20% 30%
AC-CO 389.460 362.105 342.102
AC-CC 475.320 391.360 322.564
AC-FN 235.010 211.200 235.130
상기 표 12에 AC-CO, AC-CC 및 AC-FN의 CO2 제거 효율을 나타내었다. 검지관법에 따른 경우에는 첨가제 15%의 활성탄 복합제가 우수한 흡착을 보였으나, 첨가제의 첨가량이 증가할수록 감소하는 추세를 보였다. AC-CO는 약 12% 감소하였고, AC-CC는 약 32% 감소를 보였다.
이상의 결과로부터 AC-CO의 첨가제인 Ca(OH)2가 기공감소에 덜 영향을 주면서도 높은 흡착효율을 보일 수 있는 소재로 판단할 수 있었고, 이는 상기 저온흡착법에 의한 CO2 제거실험의 결과와 상등함을 확인하였다.
[실험예 7 : 활성탄 복합제의 압력 손실률 측정]
본 실험예에서는 상기 실시예 1에서 제조한 활성탄 복합제의 압력 손실량을 측정하였다. P1 : 초기 작용압력, P2 : 펠렛을 채운 후 U tube 관 한 개를 통과한 후 압력, P3 : 펠렛을 채운 후 U tube 관 두 개를 통과한 후 압력, 압력 손실 (1) : P1 - P2, 압력 손실 (2) : P1 - P3, 압력게이지 (디지탈형) : LUTRON ELECTRONIC ENTERPRISE CO., LTD (Model: PS-9302), Pressure sensor (Model: PS-100-2BAR). 한편, 본 실험예의 모식도를 도 4에 나타내었다.
압력 손실률 측정 결과(CO2 사용)
Sr.
No.		 Single U Tube Dable U Tube
CO2 사용
15%		 Input Pressure (mmH2O) Output Pressure (mmH2O) Difference
(mmH2O)		 Input Pressure (mmH2O) Output Pressure (mmH2O) Difference
(mmH2O)
AC-CO 885.87 877 8.87 1033.51 1016.34 15.17
AC-CC 611.23 605 6.23 513.24 500 13.24
AC-FN 1617 1609 8 899.92 889 10.92
상기 표 13는 CO2를 사용하여 압력손실을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 활성탄 복합제의 압력 손실률은 Single U Tube인 경우 AC-CC가 가장 낮았고, Dable U Tube인 경우 AC-FN이 가장 낮은 결과를 보였다.
압력 손실률 측정 결과(N2 사용)
Sr.
No.		 Single U Tube Dable U Tube
N2 사용

15%		 Input Pressure (mmH2O) Output Pressure (mmH2O) Difference
(mmH2O)		 Input Pressure (mmH2O) Output Pressure (mmH2O) Difference

(mmH2O)
AC-CO 1200 1194 6 1200 1188.67 11.33
AC-CC 1800 1791 9 1800 1788.78 12.22
AC-FN 2400 2394.78 5.22 2400 2385 15
상기 표 14는 N2를 사용하여 압력손실을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 활성탄 복합제의 압력 손실률은 Single U Tube인 경우 AC-FN가 가장 낮았고, Dable U Tube인 경우 AC-CO가 가장 낮은 결과를 보였다.

Claims (6)

  1. 활성탄, 첨가제, 결합제를 혼합한 후, 하소(calcination) 과정을 거쳐 제조하는 공기 정화용 활성탄 복합제에 있어서,
    상기 첨가제는 Ca(OH)2, CaCO3, Fe(NO)3 및 H3PO4 중에 선택되는 어느 하나 이상이고,
    상기 결합제는 전분인 것을 특징으로 하는 공기 정화용 활성탄 복합제.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 Ca(OH)2, CaCO3, Fe(NO)3는,
    공기 정화용 활성탄 복합제 총 중량에 15~30%(w/w) 첨가하는 것을 특징으로 하는 공기 정화용 활성탄 복합제.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전분은,
    전분현탁액인 것을 특징으로 하는 공기 정화용 활성탄 복합제.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 H3PO4는,
    수용액 상의 H3PO4에 활성탄을 첨가한 후 건조시킴으로써, H3PO4과 활성탄을 혼합시켜 사용하는 것을 특징으로 하는 공기 정화용 활성탄 복합제.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 H3PO4 수용액은,
    1~2M인 것을 특징으로 하는 공기 정화용 활성탄 복합제.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전분은,
    공기 정화용 활성탄 복합제 총 중량에 1~3%(w/w) 첨가되는 것을 특징으로 하는 공기 정화용 활성탄 복합제.

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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20020043387A (ko) 2000-12-04 2002-06-10 손재익 제올라이트와 페놀수지계 결합제를 이용한 오폐수 처리용유리섬유 강화 제올라이트/활성탄소 복합흡착제 제조방법
KR20170027636A (ko) 2015-09-02 2017-03-10 고영신 내발화성이 향상된 제올라이트/활성탄의 성형 복합흡착제용 조성물을 펠렛화하는 펠렛제조장치

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