RTO care

기체상수

상태와 변화2016.10.26 10:30

기체 상수

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R의 값

단위

8.314472

J·K-1·mol-1

0.08205784

L·atm·K-1·mol-1

8.20574587 × 10-5

m3·atm·K-1·mol-1

8.314472

cm3·MPa·K-1·mol-1

8.314472

L·kPa·K-1·mol-1

8.314472

m3·Pa·K-1·mol-1

62.3637

L·mmHg·K-1·mol-1

62.3637

L·Torr·K-1·mol-1

83.14472

L·mbar·K-1·mol-1

1.987

cal · K-1·mol-1

6.132440

lbf·ft·K-1·g·mol-1

10.7316

ft3·psi· °R-1·lb-mol-1

8.63 × 10-5

eV·K-1·atom-1

0.7302

ft3·atm·°R-1·lb-mol-1

기체상수(이상기체상수 또는 일반기체상수로도 알려져 있으며 일반적으로 기호 R을 사용)는 상태함수의 다양한 값들을 서로 연관시키기 위한 상태방정식에서 사용되는 물리 상수이다. 이것은 볼츠만상수로 나타낼 수 있지만, 이상 기체 법칙에서 쓰일 때 기체상수는 일반적으로 J/mole · K 의 단위를 사용하는 것이 훨씬 편리하다.

이상기체상수는 아래와 같은 이상기체 상태방정식에서 나타난다.

P이상기체의 압력

T는 온도

는 기체의 몰부피

이 식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

n은 기체의 몰수

V는 기체의 부피

R은 로렌츠-로렌츠 방정식, 네르스트 방정식에서도 볼 수 있다.

이 값은

R = 8.314472 J · K-1 · mol-1

목차

[숨기기]

[편집] 볼츠만 상수(Boltzmann constant)

볼츠만 상수 kB(간략히 k로도 사용됨)는 이상기체상수의 다른 형태로 사용된다. 이 볼츠만 상수는 기체의 몰수 대신 통계열역학에서 미시계가 가질 수 있는, 혹은 가능한 상태의 수를 나타낼 때 해준 에너지로 표현한다. 이는 아보가드로 수를 이용하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.

따라서 볼츠만 상수를 이용하여 이상기체법칙을 표현하면,

[편집] 특별 기체 상수

실제기체 또는 혼합기체의 특별 기체 상수(

)는 일반기체상수(

)를 기체의 몰 질량(

)으로 나눠준 것으로 나타낸다.

일반적으로 특별기체상수를 기호

로 나타낸다. 이런 경우 R의 전후관계나 단위는 어떤 기체상수가 언급되었는가를 명시해야한다. 예를 들어 음속 방정식은 일반적으로 특정 기체 상수로 표현된다.

공기의 특별 기체 상수는

[편집] U.S. 표준 대기(U.S. Standard Atmosphere)

U.S. Standard Atmosphere, 1976 (USSA1976)은 일반 기체 상수(

)를 다음과 같이 정의하였다.

그러나 USSA1976은 이 수치가 아보가드로수와 볼츠만 상수의 도시화된 값과 일치하지 않다고 인정하였다. 하지만 USSA1976은 표준대기의 모든 계산에 이

값을 사용한다. 이 차이는 정확도에 큰 영향을 주지 않는다. ISO

을 사용해서 압력을 계산할 경우 11,000미터에서 오직 0.62파스칼만이 증가할 뿐이다.

   

출처: <http://ko.wikipedia.org/wiki/%EA%B8%B0%EC%B2%B4_%EC%83%81%EC%88%98>

   

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CSTRHeatExchangeModel

From ControlsWiki

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Title: ODE & Excel CSTR Modeling with Heat Exchange

Authors: Jason Bourgeois, Michael Kravchenko, Nicholas Parsons, Andrew Wang

Date Presented: 10/3/06 Date Revised: 10/19/06

Introduction

   

CSTR with Heat Exchange

A CSTR (Continuous Stirred-Tank Reactor) is a chemical reaction vessel in which an impeller continuously stirs the contents ensuring proper mixing of the reagents to achieve a specific output. Useful in most all chemical processes, it is a cornerstone to the Chemical Engineering toolkit. Proper knowledge of how to manipulate the equations for control of the CSTR are tantamount to the successful operation and production of desired products.

   

The purpose of the wiki is to model dynamic conditions within a CSTR for different process conditions. Simplicity within the model is used as the focus is to understand the dynamic control process.

   

Assumptions

For the purposes of this Wiki, we have made the following assumptions to explain CSTR with heat exchange modeling.

Perfect mixing

  • The agitator within the CSTR will create an environment of perfect mixing within the vessel. Exit stream will have same concentration and temperature as reactor fluid.

Single, 1st order reaction

  • To avoid confusion, complex kinetics are not considered in the following modeling.

Parameters specified

  • We assume that the necessary parameters to solve the problem have been specified.

Volume specified

  • In a control environment, the size of the vessel is usually already specified.

Constant Properties

  • For this model, we have made the assumption that the properties of the species we are trying to model will remain constant over the temperature range at which we will be looking at. It is important to make this assumption, as otherwise we will be dealing with a much more complex problem that has a varying heat capacity, heat of reaction, etc.

ODE Modeling in Excel

To setup the model, the mass and energy balances need to be considered across the reactor. From these energy balances, we will be able to develop relationships for the temperature of the reactor and the concentration of the limiting reactant inside of it.

   

Variable Definitions

The following table gives a summary of all of the variables that we used in our mathematical formulas.

   

Symbol

Meaning

Symbol

Meaning

V

Volume of Reactor

ρ

Density of Stream

m

Mass Flow Rate

CA0

Original Concentration

CA

Current Concentration

T0

Original Temperature

T

Current Temperature

TC

Coolant Temperature

ΔHrxn

Heat of Reaction

ΔCp

Overall change in Heat Capacity

k0

Rate Law Constant

E

Activation Energy

R

Ideal Gas Constant

UA

Overall Heat Transfer Coefficient

Symbol Explanations

   

Mass Balance

From our energy and material balances coursework, we know that the general equation for a mass balance in any system is as follows:

   

   

   

   

In the case of a CSTR, we know that the rate of accumulation will be equal to

. This comes from the fact that the overall number of moles in the CSTR is

, so the accumulation of moles will just be the differential of this. Since

is a constant, this can be pulled out of the differential, and we are left with our earlier result. We also know that the flow of moles in versus the flow of moles out is equal to

, which is the mass flow rate, divided by the density of the flow, and then multiplied by the difference in the concentration of moles in the feed stream and the product stream. Finally, we can determine what the rate of generation of moles in the system is by using the Arrhenius Equation. This will give us the rate of generation equal to

. Combining all of these equations and then solving for

, we get that:

Energy Balance

From our thermodynamics coursework, we know that the general equation for an energy balance in any system is as follows:

   

   

   

   

   

In the case of a CSTR, we know that the rate of energy accumulation within the reactor will be equal to

. This equation is basically the total number of moles (mass actually) in the reactor multiplied by the heat capacity and the change in temperature. We also know that the heat generated by this reaction is

, which is the rate of mass generation ( Vra) times the specific heat of reaction (ΔHrxn). The overall rate of heat transfer into and out of the system is given by

. This equation is the flow rate multiplied by the heat capacity and the temperature difference, which gives us the total amount of heat flow for the system. Finally, the amount of heat transferred into the system is given by

. Combining all of these equations and solving the energy balance for

, we get that:

In a realistic situation in which many chemical processed deal with multiple reactions and heat effects slight changes to the modeled equation must be done. The diagram below evaluates the heat exchanger under heat effects in which there is an inlet and outlet temperature that is accounted for in the enthalpy term in the newly modeled equation.

To model a heat exchanger that accounts for multiple reactions simply take the deltaHrxn and deltaCp term and add the greek letter sigma for summation in front of the terms. When considering a case with multiple reactions and heat effects, the enthalpy and heat capacity of each reaction must be implemented in the energy balance, hence i and j represents the individual reaction species. The equation now looks something like this:

Euler's Method

In order to model an ODE in Excel, we will be using Euler's Method. The reason why we chose Euler's Method over other methods (such as Runge-Kutta) was due to the simplicity associated with Euler's. Trying to model with methods such as Runge-Kutta are much more difficult in Excel, while Euler's method is quite simple. We also checked the accuracy of our results using Euler's Method by comparing our answers with that of Polymath, a highly accurate ODE modeling program. We found that our answers were the same as that of Polymath, so we are quite comfortable using Euler's Method for our model. Here are the full details on Euler's Method. For this model, we will primarily be interested in the change in concentration of a reactant and the temperature of the reactor. These are the two differential equations that we were able to obtain from the mass and energy balances in the previous section. The following is an application of Euler's method for the CSTR on the change in concentration:

This same application can be made to the change in temperature with respect to time:

Assuming that all values in the ODE's remain constant except for

and

, the new value is then found by taking the pervious value and adding the differential change multiplied by the time step.

List of Equations

The following are a summary list of all of the equations to be used when modeling CSTR with a heat exchange.

   

   

   

   

   

Combining Using Excel

To model the CSTR using Excel you use Euler's Method, Energy Balance and Mass Balance together to solve for the concentration at time t.

Screenshot of Excel Model for CSTR with Heat Exchange

   

How to Use Our Model

In order to help facilitate understanding of this process, we have developed an Excel spreadsheet specifically for looking at the changes in concentration and temperature given some change in the input to the CSTR system. An example of a change to the system could be that the temperature of the feed stream has dropped by a given number of degrees, or that the rate at which the feed stream is being delivered has changed by some amount. By using our spreadsheet, you will be able to easily plug in your given parameters, and look at the trend of the concentration and temperature over a wide time interval.

The way in which this spreadsheet works is quite simple. Boxes are provided for you to input all of the given information for your CSTR problem. Various columns containing values for the temperature, concentration, etc., with respect to time have also been provided. There are then more columns that contain the values for the various differential equations from above. With the time derivative in hand, we are then able to predict the value of the temperature or concentration at the next given time interval.

Our easy-to-use Excel model is given here: CSTR Modeling Template. In our model, you will find a column of unknowns that must be specified in order to solve for the optimal conversion temperature and optimal concentration of A. There are then two cells that will display the optimal temperature and concentration. Graphs are also provided to look at the change in temperature and concentration over time. Most of the variables in the model are self-explanatory. One important feature of our model is the option to have a change in the temperature of the feed stream or the concentration of A after a given time t. You do not need to input a value for these cells if there is no change in the feed; it just provides a convenient way to look at the change of temperature and concentration of A. You are also provided with a cell for the time step,

. Depending on what size time step you choose, you may need to choose a larger value if your graphs do not reach steady state. If this is the case, the output cells will tell you to increase the time step.

Applications to Process Control

The model created can account for many different situations. However, in process control, it is very important for the following to be considered.

Exothermic reaction - In industry, the exothermic reaction is typically of more importance to controls as there is a safety factor involved. (i.e. explosive reactor conditions)

Volume constant - For CSTRs, liquids are mostly used.

The model developed can assist in controlling an actual process in many ways including the following, but not limited to:

  • Maintaining product concentration despite changes operating conditions
  • Predicting and preventing explosive reactor conditions
  • Flow rate optimization
  • Input concentration optimization
  • Operating temperature optimization
  • Coolant temperature optimization

This model is very useful for many simple reactor situations and will aid in the understanding of a process and how dynamic situations will affect operation.

In real-life applications, the reaction may not be first order or irreversible or involve multiple reactions. In all these cases, we modify the Energy and Mass Balance with additional rate law considerations.

Worked out Example 1

You are contracted by WOW Chemical to control the operation of their 3000 L jacketed CSTR. They desire to create chemical B from chemical A at an optimal conversion. What is the temperature at which the optimal conversion is achieved?

A B is a first order, irreversible reaction.

Some information about the process:

Feed stream temperature = 400 K

Coolant temperature = 350 K

Heat of reaction = -200 J/mol

Inlet concentration of A = 9 mol/L

Inlet flow rate = 4 kg/s

Density of A = 1000 g/L

UA of the heat exchanger = 7 kcal/s

Rate constant = 1.97x1020 s-1

Activation energy = 166 kJ/mol

Overall change in Heat capacity = 1 kcal/kg-K.

Answer to Example Problem #1

From using our handy-dandy worksheet, we see that the optimal conversion occurs at 368.4 K. This comes from inputting all of the given information from the problem statement into the Excel sheet, and then reading off the value for the optimal temperature. Also, make sure you are converting to proper units, such as from kJ to J, for use of our model (just to see if you were paying attention to units).

Example 1 Solution

   

Worked out Example 2

1. In the previous example, the plant was operating in the daytime. At night, there is a drop of 5 K in feed stream temperature. In order to maintain the same concentration do we need to...

A. Decrease the temperature of the cooling water in the heat exchanger.

B. Increase the temperature of the cooling water in the heat exchanger.

C. Maintain the same temperature of the cooling water in the heat exchanger.

   

2. At night, the inlet flow rate of the system also decreases due to the plant not operating at full capacity. What happens to the temperature of the reaction if concentration of A in the feed stream stays the same?

A. Decrease

B. Increase

C. Stay the same

   

3. Finally, if the rate constant doubled, what effect will this have on the overall concentration if temperature is held constant?

A. Increase

B. Decrease

C. Stay the same

   

Answers to Example Problem #2

1: B. Since the temperature of the feed stream has decreased, we will need to increase the temperature of the cooling stream in order to maintain the same temperature at which the CSTR was operating at before. Using the Excel spreadsheet from Example 1 and lowering the feed stream temperature by 5 K, we can first see that the temperature of the CSTR has fallen to 366.5 K.

We can then adjust the temperature of the feed stream and see that it must be raised by 3 K in order to return to the original operating temperature of 368.4 K.

   

2: A. Since there is less feed coming into the CSTR, the optimal temperature of the reactor will decrease as well. This can again be seen by using our Excel model from Example 1. We know that originally the temperature of the reactor was at 368.4 K. By decreasing the flow rate to 3 kg/s, we can see that the temperature of the reactor decreases by over 3 K down to 365.1 K.

   

3: B. We see in the equations for the differential equations that the rate constant has a negative effect on the conctration of A. By doubling its value, we will then be decreasing CA as well. This can also be seen in the Excel model from Example 1. We see that the original concentration of A is 6.3 mol/L. We can then double the value of the rate constant, and we see that the concentration of A drops down to 4.8 mol/L, which is what we had predicted would happen.

   

References

   

출처: <https://controls.engin.umich.edu/wiki/index.php/CSTRHeatExchangeModel>

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활성탄소

관련기술2016.10.26 09:47

기 술 자 료

   

活 性 炭 素

ACTIVATED CARBON

   

   

   

   

() 東 洋 炭 素

DONG YANG CARBON CO., LTD.

Homepage : http://www.dycarbon.co.kr

E-mail : DYcarbon@chollian.net

   

   

< 제 목 차 례 >

   

1. 서론20

2. 활성탄의 흡착특성22

2.1. 흡착제의 종류22

2.2. 흡착특성23

2.3. 흡착등온선(吸着等溫線)26

2.4. 흡착질분자의 크기에 따른 흡착특성28

2.5. 기상흡착과 액상흡착29

2.5.1. 기상흡착의 특성30

2.5.2. 액상흡착의 특성 30

2.6. 물리흡착과 화학흡착31

2.7. 흡착열32

3. 활성탄의 종류 및 제조34

3.1. 원료 및 제품 종류34

3.1.1. 제품의 종류34

3.1.2. 원료의 종류34

3.2. 활성탄의 제조공정35

3.2.1. 분말 활성탄35

3.2.2. 파쇄 활성탄36

3.2.3. 조립 활성탄(원주형 및 구형)36

3.2.4. 섬유상 활성탄37

3.2.5 제조 공정 설명37

3.3. 활성화 제조장치40

3.3.1. 분말 활성탄40

3.3.2. 입상 활성탄40

   

4. 활성탄의 응용44

4.1. 개요44

4.1.1. 정제 (PURIFICATION)45

4.1.2. 포집 또는 회수 (COLLECTION & RECOVERY)45

4.1.3. 분 별 (FRACTIONATION)45

4.2. 액상에서의 흡착46

4.3. 기상(氣相)에서의 흡착50

4.3.1. 제반용도50

4.3.2. 담배필터52

4.3.3. 자동차 케니스타 (CANISTER)53

4.4. 촉매 및 촉매담체54

4.5. 분석 및 의약55

4.5.1. 분석55

4.5.2. 의약56

4.6. 환경오염방지56

4.6.1. VOC 제거기술56

4.6.2. 악취 가스 제거59

4.6.3. 수처리 이용63

5. 흡착조작의 설계65

5.1. 개요65

5.1.1. FREUNDLICH식66

5.1.2. 흡착속도식66

5.2. 흡착장치66

5.2.1. 고정층 흡착장치67

5.2.1.1. 포화법67

5.2.1.2. 용출분리법(溶出分離法)68

5.2.1.3. 파과곡선(破過曲線, BREAK THROUGH CURVE)68

5.2.2. 이동층 흡착장치70

5.2.3. 접촉 여과장치71

5.2.4. 유동층 흡착장치71

5.3. 계산방법73

6. 재 생 ( )86

6.1. 필요성86

6.1.1. 경제성의 확립86

6.1.2. 2차오염의 방지87

6.1.3. 생산공정의 연속화87

6.1.4. CLOSED SYSTEM88

6.2. 재생 효과89

6.3. 재생 방법91

6.3.1. 가열 재생법91

6.3.2. 약품처리(추출)법94

6.3.3. 각종 산화 분해법94

6.3.4. 미생물 분해법95

6.3.5. 기 타95

7. 활성탄 품질규격 및 분석방법96

7.1. 공업 규격96

7.1.1. KS 규격96

7.1.2. 수처리 규격98

7.1.3. 식품첨가물 규격98

7.2. 물리적 특성 시험방법 (KSM 1802-1993)99

7.2.1. 입도 및 입도분포 (PARTICLE SIZE & PARTICLE SIZE DISTRIBUTION)99

7.2.2. 충전 밀도 (BULK DENSITY)99

7.2.3. 건조감량 (MOISTURE CONTENT)100

7.2.4. 휘발분 (VOLATILE MATTER)100

7.2.5. 강열찌끼 - 회분 (ASH CONTENT)100

7.2.6. 고정탄소 (FIXED CARBON)100

7.2.7. 경도 (HARDNESS NUMBER)101

7.2.8. pH101

7.3. 흡착 특성 시험방법 (KSM 1802-1985)101

7.3.1. 요오드 흡착력 (IODINE NUMBER)101

7.3.2. 메틸렌 블루 탈색력 (METHYLENE BLUE DECOLORIZATION)102

7.3.3. 1/n 용매 증기 평형흡착성능103

7.4. 세공 구조 특성 시험방법103

7.4.1. 비표면적 (SPECIFIC SURFACE AREA)103

7.4.2. 세공용적 및 분포 (PORE VOLUME & PORE SIZE DISTRIBUTION)104

7.4.3. 전자 현미경 관찰 (SCANNING ELECTRON MICROGRAPHS)104

7.4.4. X-RAY 회절분석 (X-RAY DIFFRACTION PATTERNS)104

8. 결론 및 장래성105

8.1. 결 론105

8.2. 장래성106

8.2.1. 흡착이론106

8.2.2. 제조기술107

8.2.3. 새로운 응용107

8.2.4. 흡착과정108

8.2.5. 재생108

9. 회사소개109

9.1. 회사연혁109

9.2. 최근 5년간 연구 논문 발표 실적110

   

   

부 록(각종 유기화합물의 흡착특성)112

각종 인허가

< 표 차 례 >

   

표 1. 각종 흡착제의 선택성22

표 2. 각종 공업용 흡착제의 물성22

표 3. 물리적 흡착과 화학적 흡착의 비교 33

표 4. 주요 원료탄의 공업분석35

표 5. 다단로와 회전로 비교41

표 6. 한국과 일본의 활성탄 수요대비(추정)45

표 7. 식품공업에서 액상의 정제47

표 8. 화학공업, 기타공업에서 액상의 정제48

표 9. 액상에 있어서의 포집 및 회수48

표 10. 입상활성탄과 분말활성탄의 선택시 고려할 점49

표 11. 기상에 있어서의 정제50

표 12. 기상에 있어서의 포집 또는 회수51

표 13. 국산담배 종류별 흡연시험 결과52

표 14. 활성탄 필터에 의한 유해 담배연기 성분 제거율53

표 15. 촉매 반응 응용54

표 16. 활성탄에 흡착되는 가스55

표 17. 업종별 유기용매 회수 현황58

표 18. 각종 첨착 활성탄에 의한 악취성분의 성상 변화60

표 19. 업종별 발생가스와 적용대상61

표 20. 첨착활성탄에 의한 악취가스 흡착62

표 21. 수처리에서의 활성탄 이용64

표 22. 활성탄 재생의 범위91

표 23. 재생 후 활성탄 물성 (가열재생법)95

표 24. 입상 활성탄 공업규격 (KSM 1421-1993)96

표 25. 분말 활성탄 공업규격 (KSM 1413-1993)97

표 26. 분말 활성탄과 입상 활성탄 수처리 규격 (먹는물 관리법)98

표 27. 식품첨가물 활성탄 규격98

   

< 그 림 차 례 >

   

그림 1. 세공구조23

그림 2. 세공분포23

그림 3. 흑연의 정형구조와 활성탄의 무정형구조25

그림 4. 활성탄의 세공26

그림 5. 흡착등온선의 6가지 TYPE27

그림 6. 기상용과 액상용 활성탄의 세공분포29

그림 7-1. 활성탄의 제조공정 ( 분말 활성탄)35

그림 7-2. 활성탄의 제조공정 ( 파쇄 활성탄)36

그림 7-3. 활성탄의 제조공정 ( 조립 활성탄)36

그림 7-4. 활성탄의 제조공정 ( 섬유상 활성탄)37

그림 8. 활성화 온도와 수율비표면적 관계39

그림 9. 수율과 요오드값 관계40

그림 10. 다단로의 내부42

그림 11. 회전로43

그림 12. 흡착탑 개략도67

그림 13. 파과곡선69

그림 14. 흡착 등온선73

그림 15. 유기 용매의 흡탈착 장치88

그림 16. 활성탄의 열화와 파과곡선90

그림 17. 재생횟수에 따른 열화상황90

그림 18. 내열식 다단로 재생장치의 기본 FLOW SHEET92

   

1. 서론

활성탄소(活性炭素, ACTIVATED CARBON: 활성탄소라고 명명함이 원칙이지만 편의상 활성탄이라 칭함, 미국에서는 ACTIVE CARBON 또는 CHAR COAL 이라고도 칭함)는 어떻게, 누가 발견해서 인류의 생활에 필수 불가결하게 되었는가에 대한 답은 오로지 자연 발생적 이었다고 밖에 말할 수 없다.

우리나라에서는 선조들이 장을 담글 때 메주에서 풍기는 나쁜 냄새와 나쁜 맛을 없애기 위해 몇 조각의 숯을 띄어 놓았으며 토속적이지만 실내공기 정화 측면에서 출산시에 산모와 유아의 세균감염을 방지하기 위하여 방안에 숯을 걸어 놓았다.(물론 근대에는 시골 일부에서 상징적으로 방문이나 대문에 걸어 놓고 있음) 그리고 의약적인 측면에서 배탈, 설사, 구토시 식물성인 종이 또는 낙엽을 태워 만든 가루나 시골에서 취사용 솥 밑에 붙어있는 검은 그으름을 복용하는 등 (현재도 야외에서 응급처치 구급약으로 사용중임) 우리 생활과 밀접한 관계를 이루며 발전해 온 것이다.

이와 같이 숯(木炭, CHAR)도 소량의 흡착능력은 있지만 탄화(炭火)만 되었을 뿐 활성화가 되지 않은 상태이므로 분명히 활성탄과 구분하여야 함에도 외관상 흡사하기 때문에 현재까지 일부 현장에서 활성탄 원료인 CHAR(야자껍질 숯, 갈탄 숯 등)를 활성탄으로 혼용하는 사례가 있는데 흡착능력이나 사용수명 등에 큰 차이가 있으므로 미리 엄격한 품질시험을 통해 구입할 도리 밖에 없다. 외국에서는 기원전(BC 1550년) 히포크라테스 시대에 의약용으로 사용된 적이 있으나 과학적 이용은 18세기말 쉴레(SCHEELE)가 목탄이 흡착력을 가진다는 흡착현상을 발견하면서부터 였다.

이것을 공업적으로 생활필수품인 정당(精糖), 조미료 등에 사용되기 시작한 것은 19세기 초 이었으며 제 1차, 제 2차 세계대전을 계기로해서 가스마스크용 활성탄의 중요성이 인정되어 여러 방면으로 활발히 응용되었다.

"흡착 및 흡착제"의 저자 MANTELL은 활성탄을 BLACK ART(검은 예술)라고 했으며 "활성탄"의 저자 HASSLER는 활성탄을 BLACK MAGIC(검은마술)이라고 하는 등 아직도 학문적으로 흡착현상이 뚜렷이 규명되어 있지는 않으나 현재 각 대학에서 주로 읽혀지고 있는 교재 UNITOPERATION OF CHEMICAL ENGINEERING (McCABE, SMITH : 4판)에 "흡착(吸着, ADSORPTION)" PART가 새로 삽입되는 등 독자적인 학문으로 정립되어 가는 과정이다.

국내도 근년에 하천, 호소(湖沼)등의 부영양화가 여러 가지로 문제가 되고 있으며 그것들을 수원(水源)으로 하고 있는 정수장의 활성탄 사용량은 해마다 증가 추세에 있고 특히 생물활성탄(BAC, BIOLOGICAL ACTIVATED CARBON)에 의한 고도정수처리 기술이 도입되면서 17개 정수장의 활성탄 사용량은 급격히 증가 되고 있다.

또한 배출시설 규제 강화와 더불어 종래의 응집침전 방법이나 생물학적 방법으로 처리하던 공장 폐수에 대해서도 BOD, COD를 제거하는 고도처리 방법으로 활성탄이 널리 이용되고 있다.

뿐만아니라 VOC와 같은 유기물과 질소 산화물의 결합에 의해 대기중 오존 농도가 허용치 이상으로 증가함에 따라 점차 활성탄에 의한 VOC제거 장치도 널리 사용되고 있다.

2. 활성탄의 흡착 특성

2.1. 흡착제의 종류

활성탄의 흡착특성을 알기 위해서 여러 종류의 흡착제를 비교하여 표 1과 표 2에 각각 나타내었다.

   

구 분

비극성 (포화결합) : 유기질

극성 (불포화결합) : 무기질

탄소질 흡착제

(활성탄, 골탄 등)

실리카. 알루미나계 흡착제

(실리카겔, 알루미나겔)

  

  

분자의 크기

  

  

  

분자체 탄소

MOLECULAR SIEVING CARBON

합성 제오라이트

MOLECULAR SIEVIE ZEOLITE

  

  

  

  

   

구 분

활 성 탄

  

실리카겔

알루미나겔

합 성

제오라이트

분자체

탄 소

  

입 상

분 말

  

  

  

  

진밀도 (g/㎤)

2.0~2.2

0.9~2.2

2.2~2.3

0.3~3.3

2.0~2.5

1.9~2.0

겉보기밀도(g/㎤)

0.6~1.0

-

0.8~1.3

0.9~1.9

0.9~1.3

0.9~1.1

충전밀도(g/㎤)

0.35~0.6

0.15~0.6

0.5~0.85

0.5~1.0

0.6~0.75

0.55~0.65

공 간 율

0.33~0.45

0.45~0.75

0.4~0.45

0.4~0.45

0.32~0.4

0.35~0.42

세공용적(㎤/g)

0.5~1.0

0.4~0.5

0.3~0.8

0.3~0.8

0.4~0.6

0.5~0.6

비표면적(㎡/g)

700~1500

700~1500

200~600

150~350

400~750

450~550

평균세공직경 ()

12~30

15~30

20~120

40~150

-

10~15

열전도도(㎉/m.hr.)

0.1~0.2

-

0.1~0.15

0.1~0.15

-

-

비 열(㎈/g,)

0.2~0.25

-

0.2~0.25

0.2~0.3

-

-

   

2.2. 흡착특성

흡착현상을 잘 이해하기 위해서는 세공구조(細孔構造, PORE STRUCTURE)와 세공분포(細孔分布, PORE DISTRIBUTION)를 알아 둘 필요가 있는데 이는 그림 1과 그림 2와 같다.

   

   

   

   

   

   

   

   

먼저 세공직경(PORE DIAMETER) 분류를 살펴보면 DUBININ은 20이하를 MICRO PORE, 20~200은 TRANSITIONAL PORE(또는 MESO PORE), 200이상을 MACRO PORE라고 제안했지만 IUPAC(INTERNATIONAL UNION OF PURE AND APPLIED CHEMISTRY)에서는 세공직경 20이하를 MICRO PO- RE, 20~500을 MESO PORE, 500이상을 MACRO PORE로 분류하므로 학술적으로도 이에 따름이 타당 할 것으로 본다.

그리고 흡착 현상에 있어 용어 해석을 예를들어 설명하면 합성세제로 오염된 물을 활성탄으로 정수시킬 때 활성탄을 흡착제(吸着劑, ADSORBENT), 합성세제가 녹아있는 물을 혼합용매(混合溶媒, ADSORPTIVE), 합성세제를 흡착질(吸着質, ADSORBATE)이라 한다.

이때 흡착 공정은 다음과 같이 3단계로 구분할 수 있다.

1) 흡착질이 액경막(液境幕) 즉 흡착제 외부 표면으로 이동.

2) 흡착질이 흡착제의 대세공 (大細孔), 중간세공(中間細孔)을 통해 확산

3) 확산된 흡착질이 미세공 내부 표면과의 화학적결합 또는 미세공에 물 리적으로 채워짐

1단계와 2단계는 일반적으로 속도가 늦은 반면 3단계는 매우 빠르다고 간주된다.

다음으로 그림 3과 같이 활성탄의 결정구조를 살펴보면 망평면(網平面)이 평행한 등간격(等間隔)으로 되어있어 흑연 결정과 구조상 유사하나 그 층평면(層平面)은 이간격(異間隔)으로 되어있다.

즉 층이 불규칙적으로 쌓여있는 불완전한 상태에 있는데 이러한 배열을 난층구조(TURBOSTRATIC STRUCTURE) 또는 무정형 구조라고 하며 이렇게 기본 결정구조가 불규칙적으로 배열되는 것에 의하여 생긴 세공과 비결정(非結晶)부분이 흡착에 관여한다고 생각된다.

   

   

   

   

a) 흑연의 定形構造 b) 활성탄의 無定形構造

   

   

   

그림 3. 흑연의 정형구조와 활성탄의 무정형구조

   

   

또 세공을 좀더 상세히 관찰할 수 있도록 활성탄섬유를 주사식 전자현미경인 SEM(SCANNING ELECTRON MICROSCOPE) 보다도 더 발달된 투과식 전자현미경 TEM(TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPE)으로 촬영하여 보면 그림 4와 같이 벌집 같은 망상(網狀)으로 이루어져 있음을 알 수 있다.

   

   

2.3. 흡착등온선(吸着等溫線)

기체나 액체가 고체에 흡착될 때 흡착량은 시간이 지남에 따라 증가하다가 평형에 도달하는데, 이때의 흡착량을 평형 흡착량이라하고 이때의 압력을 평형압이라고 한다.

이러한 관계는 흡착제의 종류에 따라 각각 특이한 현상을 보이는데 이를 GRAPH로 나타낸 것이 바로 흡착 등온선이며, BRUNAUER, EMMIT, TELLER가 5개의 형식으로 분류하였으며 계단식 등온선을 추가하여 그림 5와 같이 6개의 TYPE으로 분류된다.

   

   

   

   

   

   

   

   

그림 5. 흡착등온선의 6가지 TYPE

   

   

   

여기서 Ⅰ형은 MICRO PORE를 가진 고체에서 나타나는 등온선으로 LANGMUIR모델이라고도 불려지며 Ⅱ형과 Ⅲ형은 무세공(無細孔, NON PORE)또는 대세공(大細孔, MACRO PORE)에서 나타나는데 Ⅱ형은 고체의 단층 용량(MONOLAYER CAPACITY)의 값을 유도 할 수 있기 때문에 비표면적을 계산 할 때 이용된다. Ⅳ형과 Ⅴ형은 중간세공이나 미세공 고체에서 나타나며 호리병 모양의 세공 때문에 이력현상(HYSTERISIS LOOP)이 생긴다. Ⅵ형은 이론적으로만 존재할 뿐 실제로는 거의 나타나지 않는다.

2.4. 흡착질 분자의 크기에 따른 흡착특성

활성탄은 각종 흡착제 중에서 최대의 비표면적을 갖고 거의 MICRO PORE로 되어 있으며 분자량이 작은 흡착질을 흡착했다가도 더 큰 분자량의 흡착질과 접촉하면 먼저 흡착하였던 흡착질을 탈착하고 더 큰 분자량의 흡착질을 흡착하는 선택성을 가진다.

분자량이 클수록 인체에 나쁜 영향을 끼치기 때문에 살신성인(殺身成仁)의 역할을 하고 있으며 이로부터 각종 응용이 시작된 것이다.

TRAUBE의 규칙이 성립할 때는 당연히 분자량의 증가와 더불어 흡착량도 증가하지만 분자량이 커질수록 활성탄 입자내의 확산속도가 느려져서 흡착력이 감소하게 된다. 물론 분자의 형상에 따라 다르지만 분자량이 500까지는 분자량이 클수록 흡착이 잘되나 그 이상이 되면 흡착속도가 크게 저하되고 흡착량도 적어진다.

흡착에 유효한 미세공의 크기는 흡착질 분자의 3~6배이다. 왜냐하면 이 차가 줄어들면 분자체작용에 의해 확산 저항이 증가하기 때문이다.

따라서 고분자 물질은 생물분해 혹은 오존산화 등 전처리 단계에서 어느정도 저분자화 한 후 흡착시키면 흡착탑의 활성탄 부하도 적어지고 장치를 소형화 할 수 있는 잇점이 있다.

단, 이때 전처리에 의해서 난흡착성(難吸着性) 물질로 변화할 경우에는 전처리를 그만두고 직접 활성탄 흡착 방법을 검토 해야한다.

2.5. 기상흡착과 액상흡착

기상흡착과 액상흡착은 흡착질의 종류, 크기 및 구조 등이 본질적으로 다르므로 사용되는 흡착제의 종류도 다르다.

액상흡착의 경우 흡착질의 확산속도가 기상흡착의 경우에 비교하여 매우 느리기 때문에 흡착을 촉진할 목적으로 적합한 흡착장치를 선정하는 것 외에도 입도가 작은 입상활성탄 또는 분말활성탄을 사용하게 된다.

또 흡착질 분자가 비교적 크고 복잡하여 극성인 경우가 많고 응용대상 오염물의 종류도 다양하기 때문에 그림 6과 같이 액상용 활성탄의 세공구조는 기상용 활성탄과는 달리 넓게 분포되어 있다.

   

   

   

그림 6. 기상용과 액상용 활성탄의 세공분포

2.5.1. 기상흡착의 특성

(1) 온도가 상승할수록 흡착량은 감소하는데 이는 고온에서 분자의 확산 속도가 크게되고 충돌의 횟수는 감소하기 때문이다.

(2) 흡착질의 농도 및 상대증기압이 높을수록 흡착량은 증가한다.

(3) 비점 또는 임계온도가 높을수록 물질이 흡착되기 쉽다.

(4) 두 성분의 혼합가스 경쟁 흡착에 있어서는 단독 흡착시 강하게 흡착되는 성분쪽이 더욱 강하게 흡착된다.

그러나 이때 각 기체의 흡착량은 혼합가스 내와 같은 분압에서 단독으로 흡착시켰을 때보다도 적다.

(5) 저압(1㎜Hg이하)에서는 동족열(同族列)화합물의 분자 크기에 따라 흡착량이 증가한다.

2.5.2. 액상흡착의 특성

활성탄은 본질적으로 소수성(疏水性)물질이므로 흡착질이 소수성일수록 흡착이 용이하다는 원리는 유유상종(類類相從) 즉 끼리끼리 어울리는 것과같다.

그리고 일반적으로 물에 대한 용해도가 작은 물질이 잘 흡착되는 경향이 있으며 용해도가 큰 물질은 물과 강하게 소수결합을 하여 물에 대한 친화력이 강하므로 그만큼 흡착이 어려워진다.

또한 약전해질의 유기물은 이온화하고 있을 때보다도 작은 해리(解離)의 분자 상태에 있을 때 일반적으로 흡착량은 크다.

폐수의 pH를 2~3까지 내리고 흡착시키면 유기물 제거율이 증가하는 경우가 많은데 이는 폐수 중의 유기산(有機酸)이 pH가 낮은 영역에서 이온화하는 비율이 낮기 때문이다.

그리고 일반적으로 방향족 화합물은 지방족 화합물에 비교하여 잘 흡착되는 성질이 있으며 액체에 용해할 때 용액의 표면장력을 현저하게 감소시키는 물질(예: 합성세제)이 GIBBS의 흡착이론에 의하면 잘 흡착된다.

ABS와 같이 액 농도를 바꾸어도 흡착량이 거의 일정한 값을 나타내는 물질도 있지만 많은 유기물은 농도가 증가하면 흡착량도 지수함수(指數函數)적으로 증가하는 것이 보통이다.

액상에서의 흡착은 온도를 상승시켜 확산 속도를 크게하는 쪽이 흡착 속도가 크다.

특히 상온에서 고점도 때문에 통수저항(通水抵抗)이 큰 액체는 가능한 범위내에서 승온시켜 흡착시키면 운전이 용이하게 된다.

이밖에도 액상흡착에 영향을 주는 요인은

(1) 흡착질과 혼합용매에 대한 흡착제의 인력(引力)

(2) 회합(會合)

(3) 각종 흡착질간의 상호경쟁 흡착작용

(4) 공흡착(共吸着) 등이다.

2.6. 물리흡착과 화학흡착

흡착은 표3과 같이 흡착력에 따라 물리흡착(PHYSICAL ADSORPTION, PHYSORPTION)과 화학흡착(CHEMICAL ADSORPTION, CHEMISORPTION)으로 분류되는데 물리흡착을 지배하는 힘은 비교적 약한 VAN DER WAALS힘이고 화학흡착을 지배하는 것은 강한 이온결합 또는 공유 결합 등의 화학결합이다.

물리흡착일 경우는 흡착제 표면과 흡착질간에 전자(電子)의 공유(共有)를 갖지 않기 때문에 흡착질은 소위 분자간 인력 즉 LONDON의 분산력(分散力)에 의해 흡착제의 표면 가까이에 일시적으로 붙잡힌 상태에 놓여져 있다.

이렇게 약하게 흡착된 분자는 농도와 압력 변화(PSA; PRESSURE SWING ADSORPTION)나 그다지 높지 않은 온도(약 150)에서 수증기(2~3㎏/㎠) 등으로 쉽게 짧은 시간에 탈착, 재생될 수 있기 때문에 가역적이라고 보며 대부분의 기상흡착이 이에 해당된다.

반면에 화학흡착은 흡착제와 흡착질간에 전자(電子)의 이동이 일어나며 그 결과 화학적 화합물이 형성되기 때문에 비 가역적이라고 보는데 탈착시키기 위해서는 고온(약 850)에서 장시간 수성가스 등과 접촉(TSA; TEMPERATU- RE SWING ADSORPTION)시켜야 하며 대부분의 액상흡착이 이에 해당된다.

그러나 유기물 흡착은 물리흡착과 화학흡착이 동시에 일어나는 일이 많고 첨착활성탄에 의한 흡착은 여기에 해당 되기 때문에 유기용매 회수나 악취가스 제거용으로 사용되며 흡착용량도 일반 활성탄보다 7~20배 만큼 크며, 흡착된 물질의 탈착이 난이하다.

2.7. 흡착열

활성탄이 어떤 액체나 기체와 접촉할 때 뜨거워지는 성질을 이용해 분말활성탄과 산화철을 혼합하여 만든 휴대용 난로가 시판되고 있다.

이와 같이 흡착열은 발열반응이며 이때 발생한 열량은 흡착질과 흡착제 표면흡착율 즉 상호작용에 따라 증가하며 또한 흡착제 세공표면의 불균일성에 따라 변한다.

흡착될 때 열역학적 관계식 G = H - TS로서 GIBBS FREE ENERGY G는 부(-)이다.

흡착과정은 흡착질이 세공내에서 더 질서있게 안정된 배열을 갖추려고 하기 때문에 계의 ENTROPY변화 S와 ENTHALPY변화 H는 부(-)이다.

   

   

구 분

물 리 적 흡 착

화 학 적 흡 착

결 합

Vander walls 인력에 의한

약한 결합

자유전자의 재배열에 의한 강한 이온결합 또는 공유결합

흡 착 열

적음(2~10㎉/gmol)

응축열과 같은 정도

큼(10~30㎉/gmol)

반응열과 같은 정도

흡 착 속 도

Activation이 존재하지

않으므로 빠름

활성화에너지가 필요하며 느림

흡 착 질

임계온도 이하의 모든 기체를

흡착하는 비 선택성(다중흡착)

화학 반응성이 있는 피흡착질만 선택성(단일흡착)

가 역 성

항상 가역적

(약 150에서도 탈착 용이)

가역 또는 비가역적

(800 이상에서 탈착 용이)

온 도 의 존 성

온도가 높을수록 흡착량 감소

온도상승에 따라 흡착량이

증가하다가 감소

   

3. 활성탄의 종류 및 제조

3.1. 원료 및 제품 종류

3.1.1. 제품의 종류

활성탄을 분류하면 물리적 형상에 따라 분말 활성탄(수처리 규격: -200mesh, 90% 이상), 입상 활성탄, 섬유상 활성탄, 허니컴상 활성탄으로 구분될 수 있는데, 입상 활성탄은 다시 모양이 각각 다른 파쇄 활성탄과 일정한 모양을 가진 원주형 조립(造粒) 활성탄, 구형(球形) 조립 활성탄으로 나누어진다.

그리고 출발 원료에 따라 식물질(목재, 톱밥, 야자각), 석탄질(갈탄, 유연탄, 무연탄), 석유질(석유 COKES, OIL CARBON), 폐기물질(합성수지, PULP, 유기질), 동물질(骨炭, 血炭)로 나누어지고, 활성화 방법에 따라 가스 활성화탄(수증기, 이산화탄소, AIR), 약품 활성화탄(염화아연, 인산, 황산)등으로 나누어진다. 또 용도에 따라 기상 흡착용(특별히 MICRO 세공이 잘 발달됨), 액상 흡착용, 촉매용 등으로 구분되고, 흡착 방법에 따라 첨착탄(添着炭, IMPREGNATED ACTIVATED CARBON)과 미첨착탄으로 구분될 수 있다.

3.1.2. 원료의 종류

유기물은 탄소(C)가 포함되어 있기 때문에 연소 될 수 있고, 연소 될 수 있는 물질이라면 무엇이나 활성탄의 원료가 될 수 있다. 출발 원료에 따라 제품의 물성이 크게 달라지는데 주로 많이 이용되는 원료로는 야자각 및 석탄 계열로 원료의 공업분석 예는 표 4와 같다.

   

   

   

   

단위 : Wt %

원 료

휘 발 분

(VOLATILE MATTER)

회 분

(ASH)

고 정 탄 소

(FIXED CARBON)

야자각 숯

(COCONUT SHELL CHAR)

13.0

2.0

85.0

종려각 숯

(PALM SHELL CHAR)

15.0

4.0

81.0

갈탄 숯

(BROWN COAL CHAR)

9.0

3.0

88.0

유연탄 숯

(BITUMINOUS COAL CHAR)

2.0

10.0

88.0

목탄 또는 소회

(WOOD CHAR)

20.0

2.0

78.0

무연탄 숯

(ANTHRACITE COAL)

3.0

12.0

85.0

석유

(OIL COKE)

3.0

2.0

95.0

   

   

주) DRY BASE

  

3.2. 활성탄의 제조공정

활성탄의 물리적 형상에 따라 그 제조 공정도 그림 7과 같이 각각 다르나 가장 중요한 점은 어떻게 하면 구입이 용이하고 품질 좋은 원료를 사용하여 흡착력이 높고 재생효과가 좋으며 저렴한 가격의 활성탄을 제조할 수 있는가 이다.

3.2.1. 분말 활성탄

   

   

   

   

   

   

   

   

酸洗

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

수증기

건조

   

   

   

   

   

   

원료

탄화

분쇄 및 입도분리

활성화

분쇄

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

입도분리

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

포장

   

3.2.2. 파쇄 활성탄

   

   

   

   

   

   

   

   

첨착

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

수증기

건조

   

   

   

   

   

   

   

   

원료

탄화

분쇄 및 입도분리

활성화

분쇄

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

입도분리

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

포장

   

   

   

3.2.3. 조립 활성탄(원주형 및 구형)

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

첨착

   

   

   

   

   

   

   

   

   

원료

-

   

   

   

   

   

   

수증기

건조

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

혼합

성형

탄화

활성화

입도분리

   

   

   

   

   

   

   

   

   

점결제

-

   

   

   

   

   

   

   

포장

   

   

   

3.2.4. 섬유상 활성탄

그림 7-4. 활성탄의 제조공정 (섬유상 활성탄)

   

3.2.5. 제조 공정 설명

활성탄의 제조 공정은 원료의 전처리, 탄화, 활성화 및 제품의 후처리로 구분할 수 있는데, 가장 중요한 공정은 탄화 공정과 활성화 공정이라고 볼 수 있다.

탄화 공정은 유기질 원료를 약 500 정도로 가열하면 탈수, 탈산 등의 분해가 일어나서 표면 산소결합이 끊어지며 표면 산소가 물, 일산화탄소, 이산화탄소 등의 형태로 방출되고 휘발분은 거의 제거되는 공정으로 고정탄소가 많이 남게된다.

활성화 공정은 800~1,000의 온도 범위에서 일어나는 탄소의 산화반응으로 탄화물의 표면을 침식시켜 탄화물의 미세공 구조를 발달시키는 공정이며 GAS(수증기, 이산화탄소, 공기 등 산화성 GAS) 활성화법과 약품(염화아연, 인산, 황산 등 각종 탈수성 무기 약품) 활성화법으로 구분되는데 주로 가스 활성화법이 널리 사용되고 있다.

그 이유는 장치부식, 2차 환경오염 및 제조공정의 복잡성 등의 약품 활성화법이 지닌 단점 때문이다.

일반적으로 가스활성화법에서 사용되는 수증기와 탄소의 반응 기구는 다음과 같다.

   

   

활성탄의 흡착력에 영향을 주는 제조 요인은

1) 활성화기체의 화학적 성질과 농도

2) 반응 온도

3) 활성화 시간

4) 원료에 함유된 무기성분의 량과 종류

5) 로내부 압력과 교반방법 등이다.

활성화 기체로는 수증기가 이산화탄소나 공기보다 낫다고 알려져 있으며 염소가스, 아황산 가스, 암모니아도 활성화 효과는 있지만 거의 사용되지 않는다.

그림 8과 같이 활성화 온도 800, 900일 때 활성화 시간이 길어질수록 수율은 거의 직선적으로 감소하고 비표면적은 급속히 증가한다.

   

   

   

   

   

그림 . 활성화 온도와 수율비표면적 관계

(야자각 CHAR, STEAM)

   

   

또한 그림 9에 야자각 활성탄의 수율과 요오드 값의 관계를 나타냈는데 수율이 60%이상일 때는 요오드 값의 영향이 크나 수율이 40%이하로 감소하면 요오드 값의 영향이 작아진다.

이는 수율이 50%이상일 때는 MICRO PORE가 주체이고 수율이 25~50%에서는 MICRO PORE와 MACRO PORE로 된다는 DUBININ의 이론에 일치됨을 알 수 있다.

   

그림 . 수율과 요오드값 관계

   

3.3. 활성화 제조장치

3.3.1. 분말 활성탄

먼저 톱밥 등을 일정한 콘크리트 저조에서 일정시간 탄화시켜 소회(素灰)로 만든 다음 분쇄기에서 미분화시켜 선회 유동층 로에서 짧은 시간 동안 수증기와 함께 선회 유통시켜 활성화 시킨다.

3.3.2. 입상 활성탄

미리 탄화된 원료를 수증기로 활성화 시키는데 주로 다단로(MULTI HEARTH FURNACE)와 회전로(ROTARY KILN)를 이용하며 어느 한가지 종류를 조건 변화없이 생산할 경우에는 유동층로(FLUIDIZED BED FURNACE)를 이용하기도 한다.

한편 (주)동양탄소는 고품질의 입상활성탄 생산에 적합한 다단로와 회전로 설비의 국산화에 성공하였을 뿐만아니라 온도, 체류시간, 수증기공급량 등 운전조건을 개발하였다.

그림 10에 동종의 다단로 내부를, 그림 11에 회전로를 나타냈으며, 표5에 다단로와 회전로를 비교하였다.

   

   

구 분

MULTI HEARTH FURNACE(다단로)

ROTARY KILN(회전로)

온도유지

여러개의 BURNER로써 구분된 반응영역에서 온도분포 조절 가능

단 1개의 BURNER로 열을 공급 하므로 영역별 온도유지 곤란

체류시간

여러개의 STAGE로 형성되어 있으므로 충분히 체류시킬 수 있어 (3~6hr)흡착능이 큰 제품생산

단일 원통형이므로 체류 시간이 짧음

( 1 ~ 2hr )

수증기 공급

반응 영역에서 일정하게 분산됨

입구에서만 공급하므로 일정치 못함

입도분포

입도분포에 관계없이 체류시간을 동일하게 유지 가능

입도에 비례하여 큰 입자가 빨리 배출

균 일 성

온도 제어 및 충분한 체류 시간으로 균일 품질 생산 가능

온도제어가 난이하여 균일품질 생산곤란

품 질

고품질 입상 제품 생산 설비로 적합

중품질 입상 제품 생산 및 재생 설비로 적합

제조원가

초기투자비가 높아 제조원가가 비교적 높음

초기 투자비가 낮아 제조원가가 낮음

생 산 성

대량생산 규모에 적합

소량생산 규모에 적합

   

   

   

   

   

   

그림 . 다단로의 내부

   

그림 . 회전로

4. 활성탄의 응용

4.1. 개요

활성탄은 죽어있는 무생물의 탄소가 아니라 활성화되어진 즉 살아서 활동하는 탄소라고 말할 수 있다. 간단한 예를 들면 GAS 보유용량이 크기 때문에 온도에 따라 수축과 팽창하는 폭이 굉장히 커서 비닐봉지에 담아 냉장고에 보관하면 오징어포와 같이 쭈굴쭈굴 해지고 꺼내어 햇볕에 쪼이면 풍선처럼 부풀어 오른다. 이와 같이 살아서 숨을 쉬는 것과 같은 원리를 이용하여 냉장고나 보일러의 온도조절기 센서로 응용되며 유기물을 선택적으로 흡착하는 성질을 이용하여 음식료품의 정제 및 음식맛의 개선, 의약, 방독마스크, 물의 정제 등 우리의 위생 및 보건분야에 응용되고 있다.

UN에서 보고한 세계무역 통계년보에 따르면 '90년도 99개국의 총 수입 물량은 약 80만톤에 이르며 최대 생산국가는 미국, 일본, 네델란드, 영국, 서독, 프랑스, 벨기에 순이었다.

또한 C.E.H(CHEMICAL ECONOMIC HANDBOOK)에 따르면 표 6과 같이 일본의 년도별 입상활성탄 수요량은 '80년까지는 년 평균 약 40%씩 증가하다가 그 이후에는 년평균 4.5%로 낮게 증가되고 있으며 분말활성탄은 점차 감소하다가 '90년대부터 다시 증가하는 추세다.

한국의 입상활성탄 수요량은 '80년대 후반부터 년평균 20%씩 꾸준히 증가하고 있으며 '99년 현재 총 수요량은 35,500톤으로 일본 총수요량 85,000톤의 40%까지 신장 되었다.

고도정수처리용과 VOC 흡착용으로 입상활성탄의 국내 수요는 더욱 증가될 것으로 기대되는 반면에 분말활성탄의 수요는 거의 일정한 추세이다.

   

년도

구분

  

'70

'80

'90

'95

'99

2002

입상

200

1,000

8,500

15,400

29,000

45,000

  

분말

2,000

4,000

4,500

5,500

6,500

5,500

  

2,200

5,000

13,000

20,900

35,500

50,500

입상

6,000

33,000

49,000

60,000

60,000

70,000

  

분말

20,000

18,000

19,000

20,000

25,000

28,000

  

26,000

51,000

68,000

80,000

85,000

98,000

활성탄 흡착력을 이용하는 목적으로 다음과 같은 조작방법이 있다.

4.1.1. 정제 (PURIFICATION)

불필요한 성분을 활성탄에 의해 흡착 제거하고 필요한 성분 물질의 순도와 가치를 높이는 조작이다.

4.1.2. 포집 또는 회수 (COLLECTION & RECOVERY)

몇 개의 성분이 혼합되어 있는 다성분계(多成分係)에서 가치있는 성분만 활성탄에 의해 분리하고 흡착된 활성탄을 다시 탈착 시킴으로서 가치있는 성분을 농축, 회수하는 조작이다.

4.1.3. 분 별 (FRACTIONATION)

활성탄의 흡착성을 이용하여 혼합물을 몇 개의 성분으로 따로따로 분별해서 각 성분의 이용가치를 높이는 조작이다.

정제는 흡착대상이 저농도일 경우에 많이 이용되며 포화된 활성탄을 재생 사용하고 포집 또는 분별은 정제와 달리 포집한 성분 중 부가 가치가 높은 성분을 회수하기 위한 장치가 필수적이다.

실제 산업에 응용되는 몇가지 예를 들어본다.

4.2. 액상에서의 흡착

액상에서 활성탄 이용은 제당(製糖)공업의 탈색용으로부터 시작되었다.

현재 많은 분야에서 탈색을 주목적으로 사용하고 있으나 탈색 이외의 효과를 동시에 얻는 경우가 많다. 우선 활성탄 처리 효과를 열거하면,

1) 탈색(가시파장의 흡광성 물질 제거)

2) 가시파장 이외의 흡광성을 갖는 물질제거

3) 냄새물질 제거 및 조정

4) 향미조정(香味調整)

5) 물속(水中)의 유기용매 성분 및 유기물 제거

6) 세제(ABS), 유기인제, 유기염소계 농약, 다핵방향족 탄화수소계 제거

7) 기포성(氣泡性)물질 제거

8) 결정(結晶) 석출 저해물질 제거

9) 현탁 물질 및 COLLOID물질 제거

10) 제품의 변질을 촉진하는 물질 제거

11) 무기오염물질의 제거

12) 수처리 분야의 잔류염소, 페놀류, 트리할로메탄(THM)의 제거 등이다.

액상으로 이용 할 때는 옛부터 분말탄을 많이 사용해 왔는데 그 이유는 액상이 기상과 달리 확산속도가 대단히 느리기 때문이며 여과시의 불편을 감수하면서 단시간에 흡착반응을 얻을 수 있도록 분말활성탄을 사용하였다. 점차 사용영역이 확대되면서 상하수도, 용수, 폐수에 새로운 흡착성능을 가진 입상활성탄이 활용되었다.

각 산업 분야에서 액상 응용대상은 표 7, 표 8, 표 9와 같고 입상과 분말활성탄을 선택할 때 우선 고려 할 점은 표 10과 같다.

   

업 종

응 용 대 상

정 제 효 과

제 당

사탕수수당, 사탕무우당, 당밀

탈색

탈취

COLLOID 제거

결정성 향상

제품 안전성 향상

향미조정

백토냄새 제거

전분당

포도당, 물엿

  

유제품

젖당

  

양 조

청주, 맥주, 와인, 위스키, 브랜디, 보드카, 과실주 등

  

식용유

식용유, 마가린, 카카오유

  

식품첨가물

글루타민산 나트륨, 조미액, 젖산, 구연산, 주석산, 아스코빈산, 제라틴

  

기 타

과즙, 음료

  

일 반

각종처리액, 용폐수정화

  

   

   

업 종

응 용 대 상

정 제 효 과

의 약 품

항균성물질, 설파제, 알카로이드, 비타민, 호르몬, 주사용 약품 및 물

순도 및 수율,

안전성 향상

공업용유제

광유, 유제품, 계면활성제, 가소제, 경화유,

피마자유, 글리세린

기포성 물질의

제거

고 무 제 품

재생고무

약제 침투방지

석 유 화 학

액체 석유 유분, 폐유, 흡수액 산류,

흡수액 염류

탈황, 기포성

물질의 제거

고분자화학

합성수지, 합성섬유 원료, 중간체, 특수가공용 용액 , 용매

부반응 방지

무 기 약 품

인산, 염산, 알칼리염, 탈산염, 과산화수소

유기 불순물

제거

드라이크리닝

드라이크리닝액

불순물 제거

광 업

부유선광액

부유선광제의

제조 및 조정

기 타

위장약, 해독제, 사료 등

순도 향상

   

   

업 종

회 수 품 명

의 약 품

항균성물질, 비타민, 호르몬, 효소, 기타 생화학 약품

식 품

핵산계 조미료, 식물성분

가 스

페놀

요 오 드

요오드

광 업

금, 은, 수은, 동, 아연, 납, 우라늄

일 반

수중의 유기용매 성분, 수중 유기물의 포집

   

   

구분

항 목

입 상 활 성 탄

분 말 활 성 탄

   

주 입 방 법

취급 용이 (비산없음)

취급곤란 (비산분진발생)

  

안 전 성

원수의 농도가 급변하여도

즉시 유출수 영향 없음

원수농도에 따라 즉시

영향 받음

  

처리공정의

연속일련화

연속적 향류 조업가능

불연속 조업

  

운 전 비 용

작다

(교체기간이 길고 자동화)

크다 (매일 노동력에 의존)

  

경 제 성

재생 가능하므로 경제적이다

비 경제적

  

환 경 오 염

흡착질을 연소 또는

회수하여 무해화

침전탄의 진흑화로 2차오염

  

黑水 누출 TROUBLE

염려 없음

계절영향 받음

  

조 업 중 단 우 려

입자 응결성 없으므로

문제 없음

입자응결 또는 투입 장치

고장 등 문제

   

고 순 도 처 리

흡착속도가 느리므로 여과조 TYPE으로는 고순도 처리 곤란

흡착속도가 빠르므로 BATCH

식으로 고순도 처리 가능

  

처 리 시 설

여과조를 제작해야됨

(초기 건설비가 크다)

간이식 저수조 이용가능

(건설비가 작다)

  

간 헐 적

조 업 시

장기간 방치시 미생물 발생, 흡착능력의 저하 우려

사용시마다 신탄을 사용하므로 문제없음

   

4.3. 기상(氣相)에서의 흡착

4.3.1. 제반 용도

각 산업 분야에서 발생되는 고농도, 저농도 유해가스를 제거하기 위한 용도로 이용되며 실내에서 발생한 유해가스 및 냄새를 제거하여 쾌적한 환경을 유지할 수 있을 뿐만 아니라 실내 공기를 재순환시켜 사용하므로 냉난방 부하를 경감시킬 수 있다. 화학공업에서 용매회수, 가스의 정제, 분리등에 이용되며 원자력 시설에서 핵분열로 생성되는 방사성물질(放射性物質)의 제거, 배연탈황 등 응용분야가 확대되고 있다.

   

종 류

정제를 요하는 가스

원료 가스 또는 공정 가스의 정제

수소, 헬륨, 염소, 염화수소, 탄산가스, 아세틸렌, 에틸렌, 수성가스, 연소가스, 원료용 가스

산업용 가스의

정 제

계기실 배출가스(PURGE GAS), 식품용 공기(무기유기화합물 냄새, 부식성물질), 원자력용

배출가스의 정제

중유연소 폐가스, 용매사용 공정가스, 원자력시설 폐가스, 화학공장 폐가스, 식품공장 폐가스, 하수분뇨처리장 폐가스, 쓰레기처리장 폐가스, 주방에서 발생하는 폐가스, 병원에서 발생하는 소독제, 시체냄새 가스 등

가스 마스크

유기물, 할로겐 취급 공장

공 기 정 화

화재시 매연성분, 외기 흡입가스(SO2, NO2, O3, 옥시던트), 실내공기 중 담배, 음식조리, 화장실, 지하저장품 냄새

   

탈취방법으로는 통풍 및 희석법, 수세법, 오존, 과산화수소, 과망간산칼륨에 의한 산화분해법, 촉매산화법, 악취물질에 의한 마스킹법, 연소법, 활성탄흡착법 등의 방법이 있는데 근본적으로 악취(惡臭)물질을 가장 효과적으로 안전하게 제거하는 방법으로 활성탄흡착법이 주로 이용된다. 기상용으로 정제 및 포집 또는 회수 할 수 있는 가스류는 표 11, 표 12와 같다.

   

   

   

   

가 스 류

포집 하고자 하는 가스

석탄건류가스

벤졸, 가솔린 등 C5 이상의 탄화수소

천연가스

L.P.G 등

분해가스 등

CH4, C2H6, C3H8, C4H10, C5H12

발효가스

알콜, 아세톤 등

연소가스

SO2

자동차 증발가스

가솔린

원자로 폐가스

방사성 요드, 크립톤, 제논 등

기타화학공업의 공정가스 또는 폐가스

벤젠, 톨루엔, 크실렌, 펜탄, 핵산, 이황화탄소, 염화메틸렌, 사이클로헥산, 메틸사이클로헥산, 메탄올, 아세톤,메틸에틸케톤, 초산에스테르, 메틸렌옥사이드, 프로필렌옥사이드, 향료성분, 사염화티탄, 이염화티탄, 산화질소

4.3.2. 담배 필터

담배 중의 유해물질을 감소시키기 위해 미국에서는 1954년부터 활성탄필터를 사용하기 시작했으며 일본에서는 1964년부터, 국내에서는 1980년부터 은하수에 사용하기 시작하다가 88담배에는 1987년부터 적용되었다.

그리고 최근에는 합성제오라이트(ZEOLITE)와 분말 활성탄이 혼합된 구형조립활성탄이 적용되고 있으며 산알칼리로 세정된 입상활성탄도 적용되고 있다.

담배연기 중 특수한 성분의 흡착능은 야자각 활성탄이 양호하다는 연구결과가 발표되었는데 그 조건은 1) 충전밀도가 클 것, 2) 무기성분이 적을 것, 3) 아세톤 흡착량이 30%이하일 것(아세톤 흡착력이 너무 높으면 TOTAL ORGANIC VOLATILE의 흡착율도 높아져 끽연 맛이 없음)등 이다.

현재 시판중인 활성탄 필터 담배 88과 일반 필터 담배 솔의 흡연시험 결과가 표 13에 나타나 있는데, 88은 각종 유해성분을 많이 감소시켜 준다는 것과 표 14와 같이 활성탄 필터에 각종 유해성분이 제거됨을 알 수 있다.

   

   

   

   

구분

NICOTINE 함량

(㎎/EA)

TAR 함량

(㎎/EA)

CO 함량

(㎎/EA)

흡 인 저 항

(㎜H2O)

1.05

12.1

13.9

102

88

0.65

7.7

11.9

87

   

성 분

여과효율

(%)

성 분

여과효율

(%)

METHANE

0

METHYL ALCOHOL

85

ETHYLENE

9

FORMIC ACID METHYL

67

ETHANE

0

FORM ALDEHYDE

10

ACETHYLENE

13

ACET ALDEHYDE

41

PROPENE

8

ACROLEIN

64

PROPANE

12

ACETONE

68

BUTANE

42

DI ACETHYL

74

ISOPRENE

62

2 METHYL FURAN

73

BENZENE

68

2.5 DI METHYL FURAN

79

TOLUENE

68

ACET NITRIL

66

과산화질소

0

METHYL CHLORIDE

0

* TRIPLE FILTER 방식, 활성탄량 약 40㎎/EA

  

  

  

4.3.3. 자동차 케니스타(CANISTER)

자동차의 캬브레타와 휘발유 탱크에서 증발되는 휘발유는 바로 대기오염원인인 탄화수소이기 때문에 이에 대한 규제가 미국에서는 1970년부터 시작되어 국내에서도 수출용 승용차에는 케니스타를 부착해 왔으나 내수용으로 부착하기 시작한 것은 1987년 7월부터 였다.

활성탄 케니스타는 승용차가 정지해 있을 때 태양광선이나 대기온도에 의해 캬브레타와 휘발유탱크에서 증발된 휘발유를 흡착하였다가 주행시에는 에어클리너로부터 유입된 공기에 의해 휘발유가 탈착되어 연소된다.

이와같이 활성탄은 흡착과 탈착을 반복하므로 장착된 케니스타의 수명은 100,000km이나 거의 폐차가 될 때까지 사용된다.

또한 휘발유 주유시 탱크내부에 증발되어 있는 가스는 휘발유 유입으로 인하여 강제배출되기 때문에 대기오염방지를 위하여 미국은 '88년부터 승용차 주유구용 케니스타를 부착하도록 고시하였고 주유소용 흡착탑도 설치토록 규제하고 있다.

4.4. 촉매 및 촉매담체

활성탄의 촉매작용은 표면, 표면화합물, 회분에 의존되는데 촉매용 활성탄은 특별한 처리, 예를들면 중금속염에 침전시키거나 표면에 분사시켜 제조되며 이 경우 활성탄의 다공성을 이용한다. 실용적으로 사용되는 활성탄의 원료 및 제조 조건 표면화합물의 종류와 양에 따라 여러종류가 있으며 매우 다양한 촉매성의 차이를 나타낸다.

활성탄의 촉매반응의 응용은 표 15와 같다.

   

   

항 목

응 용 분 야

할로겐을

포함한 반응

포스겐 제조, 염화시아놀의 제조, 피크린 등의 제조, 요드화, 알콜의 염소화 등

산 화,

탈 수 소

아황산가스의 산화, 황화수소의 산화, 질소산화물의 산화, 알콜의 산화, 지방족탄화수소, 나프텐의 탈수소, 공기전지, 연료전지

환 원

카르보닐의 환원 및 제조, 방향족 카르보닐산의 환원, 유지의 수소화, 과산물의 분해, 염소의 분해

단 량 체 의

합 성

염화비닐 모노마의 합성, 초산비닐 모노마의 합성

이 성 화

부타디엔의 이성화, 크레졸의 이성화, 로진유지 등의 이성화

중 합

에틸렌, 프로필렌, 부타디엔, 스티렌의 중합

4.5. 분석 및 의약

4.5.1. 분석

성분분석기기인 크로마토그래프가 급속히 발전하여 시료의 정제, 분리, 농축, 분별에 공업적 생산수단으로 응용되고 있다. 활성탄과 다른 혼합체와 혼합 사용하면 활성탄만으로 분리할 수 없는 혼합물을 분리할 수 있다.

예를 들면 활성탄과 MSC(MOLECULAR SIEVE CARBON 5A)의 혼합 컬럼을 이용하면 산소, 질소, 메탄, 크립톤을 분리할 수 있다.

활성탄에 흡착되는 가스는 표 16과 같다

   

   

항 목

응 용

  

가스크로마토

그래프

천연가스 : H2, N2, CH4, C6H6, C3H8, C4H10

도시가스 : H2, N2, CO, CO2, CH4

합성가스 : H2, N2, CO, CH4

항내가스 : CH4

희박가스 : He ,Ne, Ar

기타 수성가스, 원자력 관련가스

  

액상크로마토

그래프

핵산계물질, 아미노산, 지방산, 알카로이드, 비타민, 당액

  

박층크로마토

그래프

항균성물질

  

기타 분석방해 성분 제거

공기중 미량성분의 제거

해수중 귀금속분석

생물 시료의 불순물 제거

수중 유기물 분석

약품의 불순물 제거

혈중 단백질

요당

   

4.5.2. 의약

활성탄에 의한 장내 가스의 흡착에 관한 연구로 배의 팽창, 소화불량, 만성장염에 대하여 탄소 이용을 권장하고 있다. 또 병원균, 효소, 독소 및 각종 독물에 대한 흡착작용에 널리 사용되고 있다. 활성탄 자체는 전혀 독성이 없고 물질을 흡착하는 이외에는 아무런 변화가 일어나지 않고 소화기를 통과하지만 장기적으로 사용할 경우 흡착력 때문에 소화기 계통의 비타민 및 효소가 없어질 수 있으며 변비가 생길 가능성도 있기 때문에 장기복용은 피해야 한다.

4.6. 환경오염방지

4.6.1. VOC 제거기술

대기오염의 주원인이 되는 VOC는 자동차, 건축 등 도장분야에서 '96년 기준으로 343,258톤/년이 발생되고 있으며 '94년 기준으로 국내 5개 정유회사의 정제 및 저장시설에서 년간 7,687톤, 출하시설에서 21,889톤이 배축되고 있으며 그 밖에 350개사의 페인트 제조업회사와 비디오 테이프 등의 세정공장에서도 상당량이 발생하는 등 매년 증가 일로에 있다.

따라서 정부에서는 '99년 말까지 석유화학 제조업과 저유소는 방지시설을 완료하게 되었고 2000년 말까지는 페인트제조업, 자동자 제조업 등에서 방지시설을 완료하고 2004년말까지는 주유소 및 출하시설까지 방지시설을 완료하도록 규정하였다.

VOC 제거기술은 설비의 개선(밀폐 등), 습식 세정, 축열식 직접 소각 방법 등이 있으나 저농도의 경우 활성탄 흡착방법에 의해 효과적으로 제거할 수 있다.

유기용매 회수용은 표 17에 나타나 있으며 흡착탑 화재방지법은 다음과 같다.

1. 발화온도는 산화물인 K함량이 높은 야자각 활성탄이 약 300, 석탄계 활성탄이 약 350이므로 석탄계 활성탄이 유리하며 축열에 의한 발열을 피할 수 있도록 형상이 균일한 조립상 활성탄을 사용한다.

2. Dead Zone이 있으면 축열이 일어나므로 활성탄층의 구조를 수직 또는 경사지게 하거나 활성탄 층의 두께(높이)를 0.5m 이하로 설치한다.

3. 접촉 시간을 2 sec이하로 한다. 즉 선속도를 0.2m~0.4m/sec로 한다. 선속도가 0.2m/sec미만이면 유속이 낮아 축열가능성이 있음.

4. 흡착탑 전단에 Wet Scrubber나 Heat Exchanger를 설치 또는 공기와 희석하여 온도를 70이하로 한다. 물론 질소와 같은 불활성 기체를 주입하는 방법이 가장 안전하나 대 용량에서는 현실적으로 불합리함.

5. 운전 초기에 흡착열이 발생하여 15~30분 후에는 점차 낮아지므로 물을 충분히 뿌려 주어 30분 정도 공기를 공회전 시킨 다음 정상 가동한다. 활성탄은 소수성(疎水性)이고 유기용매의 분자량은 물분자량 보다 크기 때문에 초기에 첨가된 물은 가동 중 자연히 탈착되며 활성탄의 흡착능력을 전혀 감소시키지 않음.

6. 흡착탑에 열전대 및 온도 감지 경보시스템(상한선 100 또는 귀사의 환경에 따라 조정)을 설치하여 온도 상승시 Water Spray되도록 안전 장치를 설치해야 한다.

7. 가스 배출구에 CO 또는 CO2 검지 Meter를 설치하여 발화 초기에 Water Spray되도록 안전 장치를 설치할 수도 있다.

8. 운전 정지시 유입가스를 온도가 낮은 공기로 전환시키고 송풍기를 30분 정도 공회전 시켜 흡착탑 내부 온도를 50이하로 낮춘 다음 운전을 종료한다.

   

업 종 명

용 매 회 수 명

비 스 코 스

이황화탄소

아 세 테 이 트

세 로 판

아세톤, 초산에스테르, MEK, MIBK 등

필 름

벤젠, 톨루엔, 크로로벤젠 등

고 무

벤젠, 솔벤트납사, MEK 등

도 장

톨루엔, 크실렌, 아세톤, 메탄올, 에탄올,

초산에스테르 등

유 지, 화 학

벤진, 핵산, 벤젠, 에테르, 에탄올 등

약 품

벤진, 벤젠, 아세톤, 메탄올, 에탄올 등

인 쇄

벤진, 톨루엔, 크실렌, 벤젠, 핵산 기타의 탄화수소,

탄화수소의 염소치환제, 에탄올, 각종 에스테르, MEK 등

드 라 이 크 리 닝

벤젠, 사염화탄소, 피크린 등

발 효

에탄올, 부탄올, 아세톤

기 타 유 기 용 매

제 조 공 업

각종 유기용매

4.6.2. 악취가스 제거

일반활성탄의 표면은 비극성이며 흡착력이 본질적으로 단순히 반델발스 힘에 의한 물리흡착이기 때문에 황화수소나 NH3 등 비점이 낮은 성분에 대해서는 충분한 흡착성을 갖지 못한다.

따라서 활성탄 표면을 화학적으로 개질하거나 화학약품을 첨착시켜 특정 성분에 대해 선택적 흡착을 가진 악취가스제거용 활성탄이 많이 이용되고 있으며, 표 18에 악취성분의 성상 변화를, 표 19에 업종별 발생가스와 적용대상이 나타나 있다.

일반 활성탄에 비휘발성 무기물인 가성소다(NaOH)나 탄산나트륨(NaCO3)을 첨착시킨 알칼리 첨착활성탄은 산성가스용 활성탄으로 불리며 황화수소(H2S)나 메틸 메캅탄(CH3SH)과 같은 산성가스와 접촉 산화하여 원소상 유황 또는 황산으로 흡착 보지한다.

   

또 메틸메캅탄과 접촉산화하여 이황화 메틸로 변화 시킨다.

그런데 염기성 가스(주로 NH3) 공존 하에서 H2S나 메틸메캅탄을 제거시킬 때는 할로겐 화합물(주로 F)을 첨착시켜 촉매로 작용함으로서 산화흡착시킨다.

비휘발성 무기산인 황산(H2SO4)이나 약산인 인산(H3PO4)을 첨착시켜 제조한 산첨착 활성탄은 염기성 가스용 활성탄으로 불리며 암모니아 가스(NH3)나 트리메틸아민[(CH3)3N]과 같은 악취성분을 암모늄염, 아민염으로 흡착 보지한다.

   

할로겐화합물(주로F)로 표면 처리한 중성가스용 활성탄은 황화메틸

[(CH3)2S]이나 이황화 메틸[(CH3)2S2] 또는 탄화수소류(CH4)를 산화 흡착하여 슬포키트나 슬폰산으로 변환시킨다.

   

   

첨 착

활성탄

악취성분의 성상

  

  

첨착활성탄에 의해 변환된 악취성분의 성상

  

  

  

제거성분

비점

()

감지 농도

(ppm)

잔류성분

비점

()

성 상

산 성

가스용

H2S

-61

0.002

S

445

담황색 고체

  

CH3SH

6

0.003

(CH3)2S2

110

부추냄새 액체

염기성

가스용

NH3

-33

0.3

NH4A

500

무색 결정

  

(CH3)3N

3

0.004

(CH3)3NHA

500

무색 결정

중 성

가스용

(CH3)2S

38

0.005

(CH3)2SO

189

무색무취의

염기성 액체

  

(CH3)2S2

110

0.0009

CH3SO3H

167

무색의

산성 액체

각 첨착 활성탄에 의한 악취가스 흡착특성은 표 20에 나타나 있는데 산성가스용 활성탄은 황화수소, 메틸 메캅탄을 선택적으로 흡착을 하며 염기성 가스용은 트리메틸아민, 모노메틸아민, 암모니아를 선택 흡착하는 반면에 중성가스용 활성탄은 주로 이황화메틸과 황화메틸을 흡착하는 화학특성을 가진다.

   

업 종

발 생 가 스

쓰레기 처리장

단백질 분해물, 유지 분해물, 플라스틱 분해물

하수분뇨처리장

단백질 분해물, 유지 분해물

도축장

단백질 분해물, 유지 분해물

피혁제조,

동물사육장

단백질 분해물, 유지 분해물

식품공장

단백질 분해물, 유지 분해물, 향료

유지공장

유지 분해물, 용매, 가소제

석유화학공장

석유성분, 탄화수소, 할로겐,

아황산가스, 황화수소, 메캅탄, 염산, 염소

고무공장

황화수소, 유기황산염, 용매

도료공장, 도장공장

도료용매, 가소제

인쇄공장

인쇄 잉크용매

화학섬유공장

화학섬유 용매

프라스틱공장

플라스틱 원료, 용매, 가소제

종이, 펄프공장

황화수소, 아황산가스, 아황산탄소, 메캅탄

약품공장

용매, 단백질 분해물, 유지 분해물

금속공장

불화수소, 염산, 초산, 피크린

크리닝공장

피크린

병원

소독제, 부패악취, 체취

   

적 용 가 스

산성 가스용

활 성 탄 소

염기성 가스용

활 성 탄 소

중성 가스용

활 성 탄 소

벤 젠

톨 루 엔

크 실 렌

스 칠 렌

이 황 화 탄 소

치 오 펜

아 세 톤

에 탄 올

초 산

황 화 수 소

메 틸 메 캅 탄

황 화 메 틸

이 황 화 메 틸

트 리 메 틸 아 민

모 노 메 틸 아 민

암 모 니 아

-

-

-

-

-

-

-

   

  

: 물리흡착

: 화학흡착

   

4.6.3. 수처리 이용

수처리는 물리적, 화학적 처리, 생물학적 처리로 크게 구분할 수 있는데, 갈수록 강화 되어 가는 배출 허용 기준에 따라 방류수의 최종 처리를 위한 고도처리기술의 필요성이 대두되고 있다.

고도처리방법에는 무방류 즉 재이용을 위한 역삼투(REVERSE OSMOSIS)처리기술 등이 있을 수 있으나 과다한 설비비 때문에 최소의 초기 투자비로 각종 유기물(V.O.C)과 독성물질을 효과적으로 제거할 수 있는 활성탄 흡착방법이 점차 주목을 끌기 시작하였다.

이러한 점에서 분해가 어렵거나 독성물질이 있는 폐수의 최종처리를 위해 사용할 경우, 활성탄의 가격이 고가이므로 고농도의 폐수처리시에는 사용기간이 1개월 이내로 짧아서 비경제적이지만 방류하기 전의 저농도 폐수처리에는 사용 기간이 설계치 대로 약 1년까지 길어져서 경제적이다.

뿐만 아니라 국내 제조업체에 신()탄 가격의 1/2 가격으로 위탁 재생하여 재사용 할 수 있기 때문에 유리하다.

수처리에서의 활성탄 이용 분야는 표 21에 나타나 있다.

   

구 분

이 용 목 적

상수도 저수지,

정수장

조류발생의 제어,

미생물 발생에 의한 이물질 냄새제거,

산업폐수 유입으로 인한 이물질 냄새제거,

기름의 제거, ABS, 농약의 제거, 아민질의 제거

하 수 도

BOD, COD, TOC, 색소 제거,

생물처리 방해물질 제거(농약, ABS등),

난분해성 물질제거(ABS, 농약, 프라스틱),

공업용수로 재이용, 골프장 용수,

잡용수, 지하수로의 이용, 상수도로 재사용

산업용수 처리,

양조공업, 제빙업,

청량음료공업, 발전소,

화학공업, 의약품공업,

전자기기공업, 수족관,

해운업, 기타

지하수의 유기물(색, 냄새, COLLOID, 세제, 농약)제거,

상수중의 유리염소, 냄새제거, BOILER원수정화,

BOILER환류수의 탈유, 원수중 발열성물질 제거,

초순수의 제조, 수돗물중의 염소제거, 음료수처리,

이온교환수지 보호, 공업용수의 제조,

공장내 순환수의 제조

산업폐수 처리

BOD, COD, TOC, 색소, 냄새, 기름, 석탄산 제거.

생물처리 방해물질 제거, 생물분해 곤란한 물질 제거,

수은 기타 금속의 제거, 기름 냄새 제거,

재순환 용수의 처리,

방사성 핵종의 제거(원자력발전소, X-Ray실)

5. 흡착조작의 설계

5.1. 개요

활성탄 흡착 장치를 설계할 경우에 생각하여야 할 것은 1) 어떤 활성탄을 선택할 것인가 2) 처리하고자 하는 물질에 적합한 흡착방법 3) 전처리와 후처리 등 전체적인 처리공정 4) 경제성(건설비, 운전COST, 구입가격, 재생여부) 등이다.

일반적으로 흡착질이 저분자인 경우에는 MICRO PORE가 잘 발달된 야자껍질 활성탄이 적합하고 고분자물질이 혼합되어 있는 수처리 등에는 석탄계 활성탄이 적합하다고 볼 수 있으나 원료별로 제조 공정에 따라 다르다.

활성탄 제조업체에서 제시한 METHYLENE BLUE 탈색력 이라든가 IODINE 흡착력, ABS 또는 PORE SIZE 분포나 비표면적(比表面積, SPECIFIC SURFACE AREA)등 일반적인 성능만으로는 처리하고자하는 물질에 어떤 활성탄이 적합하다고 판정하기 어렵다.

이와 같은 경우에는 몇 종의 활성탄을 선정한 다음, 대상흡착질에 대한 기본 DATA를 가지고 소규모 흡착 COLUMN을 설치하여 실제 처리 대상물질로 시험한 결과로부터 최적 흡착설비를 설계함이 가장 확실한 방법이다.

그러나 이 방법은 결과를 얻는데 장시간이 필요하다는 점과 다량의 시험용액이 필요하다는 결점이 있어서 다음과 같은 실험실적 시험법이 이용된다.

5.1.1. FREUNDLICH식

분쇄한 활성탄(200mesh이하)을 가지고 시험용수에 대하여 항온 진탕기에서 등온흡착실험을 행한 다음 FREUNDLICH식을 써서 1/n을 0.1~0.5에 두고 K값이 비교적 큰 값을 선정하는 방법이다.

이때 1/n이 2이상일 경우는 난 흡착성(難吸着性)이며 이 방법의 장점은 여러 종류 활성탄의 흡착성능을 비교할 수 있다는 장점은 있으나 활성탄의 입도와 형상에 의한 영향이 무시되어 있으므로 실제 적용과는 차이가 있는 단점이 있다.

5.1.2. 흡착속도식

구입한 활성탄을 그 상태로 시험용수에 대하여 교반 시켜가며 흡착속도시험을 행하고

식을 써서 종축에 잔류농도의 대수(對數), 횡축에 시간을 놓고 경사 K(흡착속도계수)값을 비교하는 방법이다.

이 방법의 장점은 활성탄의 입도나 형상에 의한 영향이 시험 결과에 직접 나타나므로 실제 적용에 유리하나 교반시 분쇄된다거나 흡착량이 초과되는 수가 있어 시험에 상당한 주의가 필요하다.

5.2. 흡착장치

공업적으로 사용되고 있는 흡착 장치를 연속성과 조작 방법에 따라 분류하면 연속 접촉 조작법으로는 고정층 흡착장치, 이동층 흡착장치가 있고, 단계 접촉 조작법으로는 접촉 여과장치와 유동층 흡착장치가 있다.

5.2.1. 고정층 흡착장치

연속적으로 고체입자를 이동하는 방법은 비교적 비용이 많이 들고 불편하기 때문에 처리하려는 혼합용매를 흡착제의 고정층에 통과시키는 것이 훨씬 경제적인 경우가 많다.

일정 시간이 지남에 따라 고체는 흡착질을 점점 흡착하며 비정상 상태로 된다. 흡착방법으로 포화법과 용출분리법이 있으며 파과곡선(BREAK THROUGH CURVE)이 생긴다.

5.2.1.1. 포화법

액체 혹은 기체상에 포함된 용질은 활성탄에 의해 연속적으로 제거된다. 흡착량이 평형에 도달해서 유출되는 유체중에 흡착질이 섞여 나올 때까지 계속 행해지다가 흡착이 포화에 도달하면 유체의 유입을 멈추고 과열 수증기 등을 통과시켜 활성탄을 재생하거나 새로운 활성탄으로 교체한다.

이 방법은 용매회수, 수처리 등에서 이용되며 기체인 경우 선속도를 0.3~1.5m/sec, 액체인 경우 급속여과장치에는 1.0m/sec, 완속여과시는12m/hr(0.33cm/sec) 근방에서 운전한다. 그 대표적인 흡착탑 개략도가 그림 12에 나타나 있다.

   

   

   

5.2.1.2. 용출분리법(溶出分離法)

분리하고자하는 흡착질이 함유된 혼합용매를 흡착 COLUMN에 통과 시키면 활성탄에 의한 흡착력의 차에 의해 다른 속도로 이동하게 되는데 이 COLUMN이 충분히 길어지면 각 흡착질은 완전히 분리되어 흘러 나온다.

이 방식은 다성분이 혼합된 물질에서 각각의 유용한 물질을 회수할 때 공업적으로 이용되며 특히 가스 성분 분석기기인 가스크로마토그래프에 이용된다.

5.2.1.3. 파과곡선(破過曲線, BREAK THROUGH CURVE)

흡착질이 함유된 유체를 고정흡착장치 상부에 유입시키면 초기에는 흡착이 층상부의 비교적 좁은 부분에서 일어나다가 시간이 지남에 따라 상부의 흡착량이 급속히 떨어져 흡착은 점차 하부쪽에서 일어나게 된다.

이와 같이 흡착이 일어나는 윗쪽 좁은 부분을 흡착대(吸着帶, ADSORPTION ZONE)라 하며 흡착대의 윗쪽은 흡착량이 초기농도(Co)와 거의 평형이나 흡착대의 아랫쪽에서는 전혀 흡착이 이루어지지 않는다.

유체를 계속 공급하면 흡착대는 유체의 통과량에 비례해서 아랫쪽으로 이동하는데 흡착대의 하단이 흡착층 하부에 닿게되면 유출액층에 흡착질이 나타나기 시작하다가 급속히 흡착질 농도(C)가 상승하여 초기농도(C0)와 같게 된다.

유출시간(또는 유출 액체량)을 가로축으로 하고 유체의 흡착질 농도(C)를 세로축으로 하여 시간별로 농도가 변화된 상태를 그림으로 나타낸 곡선을 파과곡선 이라하며 유출액 농도가 초기 농도의 10%에 달하는 점을 파과점(波過点, BREAK THROUGH POINT)이라한다.

파과곡선은 일반적으로 그림 13과 같이 S자형으로 보이며 그 경사는 흡착제의 품질과 조업 조건에 따라 변화하게 된다.

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

5.2.2. 이동층 흡착장치

이동층 흡착장치에서 유체는 흡착탑의 하부에서 상부쪽으로, 흡착제는 상부에서 하부쪽으로 이동하는 향류(向流, COUNTERCURRENT FLOW)방식이 채택되고 있는데 연속 액상흡착과 건식 배연 탈황공정에 이용되고있다.

예를들어 당액공장에서 사용되고 있는 연속공정을 살펴보면 당액은 흡착탑 하부에서 상부로 유입되고 흡착이 완료된 활성탄은 하부로 배출되어 탈수과정을 거친 다음 다단식 재생로에서 재생된다.

이 재생탄은 물로 냉각된 다음 SLURRY 상태에서 PUMP로 다시 흡착탑으로 유입되는데 이때 재생 LOSS량 만큼의 활성탄만 보충된다.

장점으로는 농도가 높은 원액을 대량 처리가능하고 층고(層高)를 높게하여 1탑으로 처리할 수 있으므로 설치 면적이 작고 유출액의 농도가 항상 일정하여 안정되어 있다는 점과 유출구쪽 활성탄은 원액과 접촉해서 최대 흡착량을 가지므로 활성탄의 흡착능력을 유효하게 이용할 수 있다는 장점이 있는 반면에 단점으로는 자동으로 일정량의 활성탄을 보충배출할 때 층의 뒤섞임없이 이동시켜야 하므로 장치가 복잡하다는 점, 원액의 량과 농도의 변동에 따라 활성탄 이동량을 조절해야 되는 등 운전조업의 번잡성, 활성탄 이동 속도에 따라 재생량도 증가되므로 재생 손실과 흡착재생의 반복에 의한 활성탄의 회분 증가와 물리화학적 성능저하가 있다.

   

5.2.3. 접촉 여과장치

이 방법은 오로지 유체의 탈색탈취에 이용되는데 분말활성탄( 또는 입도가 작은 입상활성탄)을 용액과 혼합하여 교반시키므로써 흡착한다.

이 때 활성탄 첨가량은 0.1~2.0Wt%이고 접촉시간은 대개 5~10분인데 점도가 클 경우에는 30분까지 처리하며 교반기가 부착된 혼합조를 가열하는 경우가 많다.

평형에 도달하면 흡착제를 FILTER PRESS나 원심 분리기를 이용하여 여과 시키는 방식을 접촉여과방법이라 한다.

이 방식은 액을 흡착제와 1회만 접촉시키는 단흡착, 몇회씩 새로운 흡착제와 접촉시키는 병류다회흡착, 액과 흡착제를 몇회씩 향류로 접촉시키는 향류다회흡착이 있다.

5.2.4. 유동층 흡착장치

기상흡착의 경우를 예로 들자면 기체가 흡착탑 하부에서 유입되며 그때 압력 손실은 단위 면적당 활성탄 중량과 관벽과의 마찰을 합한 것과 같다.

그리고 기체유속을 증가시키면 활성탄층은 팽창해서 고체입자가 움직이는데 그 상태를 정지 유동층(靜止 流動層, QUIESCENT FLUIDIZED BED)상태라 하며 유속을 더 증가 시키면 자유롭게 움직이며 마치 비등액 같이되나 압력 손실은 정지 유동층 때와 같다.

이 때 압력 손실을 줄이기 위해 비교적 작은 입도 (약 20~80Mesh정도)의 활성탄이나 30~40Mesh의 구형(球形)활성탄이 이용되며 기체의 선속도는 통상 0.6m/sec이하 이다.

장점으로는 활성탄 이용 효율을 높일 수 있는 반면에 단점으로는 활성탄 이동시 고도의 기술을 필요로하며 장치가 복잡하다는 점이다.

액상에 적용시에는 수온이 저하되면 층고(層高)가 상승하는 등 수온에 크게 영향을 받는다는 점과 유속을 증가시켰을 때도 처리액에 활성탄과 함께 유출되지 않도록 안전장치가 있어야 한다는 점에 주의 해야 한다.

간이 실험장치에서 활성탄과 처리 물질을 접촉시켜 평형상태에 도달 할 때의 농도와 그때 활성탄에 흡착된 량의 관계를 나타낸 것이 흡착 등온선이다.

수처리에 활성탄 흡착을 이용할때는 경험적으로 구하여진 FREUNDLI- CH 식을 이용하는데 최근에 불균일 표면에 있어서 흡착 이론으로부터 얻어진 흡착량과 흡착열과의 관계에 이 식이 잘 일치 된다고 발표된 바 있다.

- K와 1/n : 경험상수 또는 흡착지수,- V : 검수량()

- Co : 액의 초기농도(㎎/)- Q : 흡착량(㎎/㎎)

- C : 평형시의 농도(㎎/)- exp : exponent(지수)

- W : 활성탄 첨가량(㎎)

이 식의 양변에 대수를 취하면

가 된다.

FREUNDLICH형의 평형이 알맞을 경우에 양 대수 그래프에 농도와 평형흡착량 관계를 나타내면 직선이 얻어진다. 이것이 흡착등온선이다.

그림 14. 흡착 등온선

   

C=1의 점에서는 Q값과 K값이 같아지므로 K값을 구할 수 있으며 직선의 기울기로 부터 정수 1/n이 구해진다.

그림 14 (a)와 같이 직선의 기울기가 작을 때는 저농도로부터 고농도에 걸쳐 흡착된다.

(c)는 고농도에서 흡착량이 많아지는 반면에 저농도 범위에서 흡착량이 현저하게 적어지고 또 (b)와 같이 특수한 활성탄에 의해서는 중도에 꺾여질 수 있다.

5.3. 계산방법

예제 1)

생물학적 처리수의 COD가 배출허용기준을 초과하여 활성탄 흡착법으로 이를 낮추고자 한다. COD가 56㎎/인 폐수(原水) 1에 활성탄을 20㎎ 첨가 하였더니 COD가 16㎎/로 되었고, 동일한 원폐수 1에 활성탄을 52㎎ 첨가 하였더니 COD가 4㎎/로 되었다.

처리된 물의 COD를 6㎎/으로 하기 위해서 첨가해야 할 활성탄의 량은?

해) FREUNDLICH식을 이용하면

- K와 1/n : 경험상수 또는 흡착지수- V : 검수량()

- Co : 액의 초기농도(㎎/)- C : 평형시의 농도(㎎/)

- Q : 활성탄의 흡착량(㎎/㎎)- W : 활성탄 첨가량(㎎)

   

먼저 K와 1/n을 구한다.

   

즉,

----(1) ,

----(2)

(1)식을 (2)식으로 나누면

   

,

,

,

--(3)

(3)식을 (1)식에 대입하면 K = 1/2

,

즉, 원폐수 1에 활성탄 40.82㎎을 투입 해야한다.

예제 2)

어느 화학공장에서 COD 30㎎/인 폐수를 매시 50㎥ 방류하고 있다. 이 폐수를 활성탄 처리하여 COD를 3㎎/까지 감소시켜서 공업용수로 재이용하려고 한다.

이 폐수를 1씩 비이커에 넣은것을 6개 준비하고 흡착실험한 결과 평형시의 액 농도와 활성탄 첨가량과 사이에 다음 표와 같은 관계를 얻었을 때 아래 질문에 답하라.

   

활성탄 첨가량 (㎎)

50

100

150

200

250

500

잔류농도COD농도 (㎎/)

18

11

7.5

5.0

3.5

1.0

문 1) 흡착 등온식을 작성하고 액 농도와 흡착량과의 관계를 구하라.

해)

- Co : 원수 COD의 농도(㎎/) - C : 처리수 COD의 농도(㎎/)

- W : 활성탄 첨가량(㎎)- V : 검수량 ()

   

잔류 COD 농도 (㎎/)

평형 흡착량(㎎/㎎)

18

0.24

11

0.19

7.5

0.15

5.0

0.125

3.5

0.106

1.0

0.058

이것을 양대수 그래프에 나타내면 그림과 같은 직선이 얻어진다.

   

   

흡착 등온선

예제 1과 같이 계산하여

과 K를 구하면

--------------(1)

--------------(2)

식(1)을 식(2)로 나누면

,

,

, 이를 (1)식에 대입하면

,

K = 0.058 이므로

다음의 FREUNLICH식으로 나타낼 수 있다.

Q = 0.058 C exp 0.49 -------- (3)

   

문 2) 1단의 교반탑 흡착장치에서 분말 활성탄으로 처리하여 COD 3.0㎎/로 방류하고자 할 때 활성탄 첨가량을 구하라.

해) 방류수 COD 3.0㎎/일때 흡착등온선을 양대수 그래프로 나타내면 평형흡착량(Q)은 0.1㎎-COD/㎎-활성탄이 되므로 활성탄농도 W/V (㎎/)는

   

   

활성탄 첨가량 270 (㎎/)

   

문 3) 고정층 흡착장치로 처리할 경우에는 처리수 COD가 3.0㎎/를 넘는 시점에서 통수를 정지하고, 폐 입상활성탄을 전량 배출하여 신활성탄과 교환한다.

1사이클의 통과 시간을 1,000시간으로 하면 활성탄 충전량은 몇톤이 필요한가?

COLUMN의 선속도를 12.5m/hr로 설정할 때 흡착탑의 크기를 구하여라.

( 단, 활성탄의 충전밀도는 0.4g/cc로 한다. )

   

해)

조건 : 흡착대 높이를 1.0m으로 가정하면

- Z : 활성탄 높이(m)

- Za : 흡착대의 높이 (m)= 1m

- U: 선속도(m/hr)= 12.5m/hr

- Co: 원수의 농도(㎎/)= 30㎎/

- ρ: 활성탄의 충전밀도 (g/cc)= 0.4g/cc

- Q: 활성탄 흡착량(㎎/㎎) : Q = 0.058(30)exp 0.49 = 0.307

- T: 사용시간(hr)

   

Z

=

1m

+

12.5m

30㎎

cc

   

1,000hr

1

1g

=

3.55m

  

  

2

  

hr

0.4g

0.307

   

1,000cc

1,000㎎

  

  

   

흡착탑 단면적 =

처리량

50 ㎥

hr

= 4㎡

  

선속도

hr

12.5 m

  

활성탄 충전용적 = 단면적 × 높이 = 4㎡ × 3.55m = 14.2 ㎥

활성탄 충전중량 = 충전용적 × 충전밀도

= 14.2㎥ × 0.4 Ton/㎥ = 5.7Ton

   

탑 단면적이 4 ㎡이고

이므로 탑직경 D는 2.26m이다.

역세척시의 활성탄층 팽창을 고려하여 여유고(FREE BOARD)를 흡착탑 높이의 40%로 하면 흡착탑 용적은

이 되어야 한다.따라서

이므로 충전탑 크기는 Φ2.26m × H 5.0m가 된다.

문 4) 분말활성탄의 단가를 1,200원/㎏ (수분 10%이하 기준), 입상활성탄의 단가를 1,500원/㎏, 재생탄가격을 800원/㎏으로 하고, 분말활성탄은 1회용이나 입상활성탄의 재생수율을 90%라고 할 때 활성탄의 경비만 고려하여 년간 경제성을 비교하라.

(단, 재생탄 혼합 사용시 사용시간은 900hr으로 간주함)

해) 문2로 부터 분말활성탄 1회 첨가량이 270㎎/(0.270㎏/㎥)이고 문3으로 부터 입상활성탄의 사용시간 1,000hr, 사용량 5.7Ton이므로

(1) 분말활성탄 가격

   

0.270㎏

1,200원

= 324원/㎥-폐수

㎥-폐수

  

(2) 입상활성탄 가격

   

1회 재생 입상 활성탄 단가

   

=

{ (5.7ton×0.9(수율)×600원/㎏)+(5.7ton×0.1(수율)×1,500원/㎏) }×1,000㎏/ton

  

50㎥/hr×900hr

   

따라서 분말 활성탄의 폐기물 처리비를 고려하지 않고 입상활성탄 만 사용시에도 324-171이므로 153원/㎥ 이익이고 1회 재생하여 사용할 경우에는 324-87= 237원/㎥이익이 있으므로 크게 경제적이다. 결국 재생활성탄 혼합 사용시에는 분말활성탄만 사용할 때 보다 년간 절감액은

예제 3)

어떤 공장에서 악취성 배출가스인 황화수소가 아래 조건과 같이 발생되는데 이를 산성가스 제거용 첨착활성탄으로 제거하고자 할 때 필요한 활성탄량을 산출하라.

【 조 건 】

1) 풍량 : 2 ㎥/min ( 25 )

2) 오염물질 ( 산성가스 )

황화수소(H2S) 농도 : 1,000 ppm (1.5 x 10-3㎏/㎥)

3) 오염물질 분자량(H2S) : 34.08

4) 활성탄 교체주기 : 100 day

   

5) 사용활성탄

산성가스 제거용 첨착활성탄(H2S, CH3SH) [4X8Mesh, 파쇄상, 동양 IGA]

6) 제거율

H2S : 0.3 gH2S/gAC ( 1,000pppm기준, 동양 IGA 사용기준 )

해) 활성탄 사용량 산출

1) 활성탄 교체주기(t)

에서

( 단 t : 활성탄 교체주기W : 흡착제 질량

S : 활성탄의 흡착량E : 활성탄 사용효율

Q : 처리가스량C : 오염물질농도 )

이므로

이다.

2) 활성탄 사용효율(E) : 0.9 ( 90% )

3) 오염물질농도(C)

1 mol의 부피는 0에서 22.4이므로, 기체 25의 에서는

이고

C = 1.394 g/㎥

4) 활성탄 교체주기(t) : 100day ( 144,000 min )

5) 활성탄 사용량

   

( B.D 0.48 g/cc 일 경우 2.5 ㎥)

예제 4)

어떤 공장에서 염기성가스와 산성가스가 아래와 같은 조건으로 발생할 때 1년 동안 필요한 첨착활성탄량을 각각 산출하라.

【 조 건 】

1) 풍량 : 150 ㎥/min ( 25 )

2) 오염물질

염기성 가스

암모니아(NH3)농도 : 1.06 x 10-6㎏/㎥

Trimethylamine【(CH3)3N】농도: 5.27 x 10-7㎏/㎥

산성가스

황화수소(H2S) 농도 : 4.69 x 10-6㎏/㎥

Methylmercaptane(CH3SH) 농도 : 1.5 x 10-7㎏/㎥

3) 오염물질 분자량

염기성 가스

암모니아(NH3): 17.03

Trimethylamine【(CH3)3N】: 59.11

산성가스

황화수소(H2S) : 34.08

Methylmercaptane(CH3SH): 48.10

4) 활성탄 교체주기 : 365 day 【 525,600min 】

   

5) 사용활성탄

염기성가스 제거용 첨착활성탄 [ 4X8 Mesh, 파쇄상, 동양 IGB ]

산성가스 제거용 첨착활성탄 [ 4X8 Mesh, 파쇄상, 동양 IGA ]

6) 제거율

H2S : 0.3g H2S/gAC ( 1,000pppm기준, 동양 IGA 사용기준 )

NH3 : 0.04g NH3/gAC ( 1 ppm기준, 동양 IGB 사용기준 )

CH3SH: 0.03g CH3SH/gAC ( 1 ppm기준, 동양 IGA 사용기준 )

(CH3)3N : 0.08g (CH3)3N/gAC ( 1pppm기준, 동양 IGB 사용기준 )

해) 활성탄 사용량 산출

1) 활성탄 사용효율(E) : 0.9 (90%)

2) 활성탄 교체주기(t) : 525,600 min ( 365 day )

3) 활성탄의 흡착량

염기성가스

(0.04gNH3/gAC + 0.08 g(CH3)3N/gAC) ÷ 2 = 0.06g/gAC

산성가스

(0.3gH2S/gAC + Methylmercaptane 0.03 gCH3SH/gAC ) ÷ 2 = 0.165g/gAC

4) 활성탄 사용량

염기성가스

   

   

   

산성가스

   

   

총 활성탄 사용량 : 염기성가스 제거용1,316 ㎏ [ 2.742 ㎥ ]

산성가스 제거용 2,082 ㎏ [ 4.338 ㎥ ]

계3,316 ㎏ [ 7.080 ㎥ ]

   

예제 5)

가스상 황화합물을 발생하고 있는 어떤 어떤 공장에서 황화물의 발생량이 0.1㎏/hr 인데 그 중 95%는 배기에 의해 제거되고 나머지 5%가 실내를 오염시키고 있다. 실내 황화물 농도를 0.2ppm 이하로 하려고 한다. 활성탄의 사용량은 풍량 1,000㎥/hr에 대해 13㎏, 활성탄 흡착성능 12%, 황화물 평균분자량 34일때 활성탄의 교체주기를 구하라.

(단, 건물의 배기되는 공기량 1,500㎥/hr, 공기정화장치 운전성능 : 90%)

해)

-------------------------------- (1)

--------------------------- (2)

왜냐하면

   

(1), (2) 식에서

----------------------------(3)

------(4)

Qd : 희석된 총 공기량 (㎥/hr)

Qi : 배기되는 공기량 (㎥/hr)

Qr : 정화해야 할 공기량 (㎥/hr)

G : 오염가스의 발생량 (㎏/hr)

Cv : 오염물질농도 (용량기준, ㎥/㎥)

Cw : 오염물질농도 (중량기준, ㎏/㎥)

η : 장치의 운전효율 (%)

S : 활성탄의 흡착성능 (%)

W : 정화에 필요한 활성탄 중량 (㎏)

Tb : 교체주기 (LIFE TIME)

문제에서

G : 0.1 × 0.05 = 0.005 (㎏/hr)Qi : 1,500 (㎥/hr)

Cv : 0.2 × 10-6 (㎥/㎥)M : 34 이므로

희석된 총 공기량

정화해야 할 공기량

정화에 필요한 활성탄 중량

교체주기

6. 재 생 ( 再 生 )

6.1. 필요성

최근 각 산업체에서 활성탄의 응용이 활발해짐에 따라 각종 폐활성탄에 대한 폐기물 처리 문제가 야기되면서부터 재생공정의 중요성을 인식하기 시작하였으며 특히 년간 사용량이 100여톤에 이르는 공장은 재생로를 설치함이 더 경제적이다는 주장도 대두되고 있다.

종래부터 기상 흡착에서는 탄화수소의 분리등의 분야에서, 액상 흡착에서는 제당공업, 포도당공업 등의 분야에서 골탄 또는 입상활성탄의 재생이 행해졌던 반면 분말 활성탄에 대해서는 특별한 경우를 제외하고는 액상 접촉 여과제로 1회만 사용하고 버리는 것이 보통이었다.

그러나 최근에는 용매회수, 정수, 폐수처리에 사용된 입상 활성탄의 연속 재생방법이 상용화되고 있으며 분말활성탄 재생방법까지도 개발 되었다.

한번 사용하여 흡착성능이 저하된 활성탄을 효과적으로 재생해서 반복 사용할 수 있다면 국내 부존 자원인 원료 구입 문제가 경감되고 활성탄 가격이 실질적으로 저렴하게 되어 일석이조의 효과를 기대 할 수 있게 된다.

6.1.1. 경제성의 확립

지금까지 경제적 이유로 실시하지 않았던 폐수의 고도처리에 대량의 활성탄을 사용하기 시작하고 악취성 용매가스와 같은 활성탄 수명이 짧은 용도에 대해서도 활성탄을 사용하기 시작한 이유는 환경오염의 법적 규제의 강화에도 있지만 재생기술에 의해 흡착공정의 경제성이 높아졌기 때문이다.

폐활성탄의 재생이 흡착공정에 경제적 기여를 한 것은 탄소자원의 고도이용, 유용한 흡착질의 회수, 생산성의 향상 등이다.

용매회수 장치에서 입상활성탄의 수증기 가열탈착법의 재생비는 주로 용매 ㎏당 소요 수증기량에 의해 평가할 수 있는데 소요 수증기량은 활성탄의 종류, 흡착방법에 의해서 변하며 재생 효과는 용매종류, 농도, 탈착온도, 압력 등에 따라 다르다.

폐활성탄의 재생로로써 다단로가 가장 많이 사용되고 있는데 입상활성탄 가격의 1/2 정도의 비용으로 재생 할 수가 있고 반복하여 20회 이상 사용할 수 있기 때문이다.

6.1.2. 2차오염의 방지

폐활성탄을 그대로 야외에 방치하거나 하천에 투기한다면 오히려 2차 오염을 유발시킬 수 있으므로 2차 오염 방지기술이 확립되지 않은 PROCESS는 실용 가치가 부족하다고 본다.

6.1.3. 생산공정의 연속화

기상 흡착의 경우 그림 15와 같이 흡착, 탈착을 반복시킴으로써 조업을 연속 CYCLE로 행할 수 있는데 예를 들어 수증기 가열 처리를 행하면 활성탄 표면에 농축되어 있는 유기 용매를 분해하지 않고 수증기와 함께 탈착 할 수 있다.

6.1.4. CLOSED SYSTEM

액상흡착의 경우 공장에서 배출되는 폐수를 활성탄으로 정수시켜 다시 공업용수로 재사용하고 폐활성탄도 재생로에서 재생하여 재사용 한다면 각종 유기물이 밖으로 분산됨이 없이 무해화 될 수 있으므로 가장 합리적인 CLOSED SYSTEM이 완성된다.

또한 기상흡착의 경우에도 중유의 건식 배연탈황 PROCESS에 있어서 입상활성탄 표면상에 농축 포착된 황화합물을 재분산되지 않도록 재생 기술에 의해 탈착하고 황산 또는 황산염으로 회수하여 재이용하면 CLOSED SYSTEM이 완성되는 것이다.

   

6.2. 재생효과

재생은 일반적으로 말해서 폐활성탄에, 물리적화학적 및 생물학적 처리를 가하여 활성탄 표면이나 세공에 흡착되어 있는 흡착질을 제거하여 원래의 흡착능력을 회복하는 것을 말하는데 영문으로 표시하면 REGENERATION, REACTIVATION으로 구분할 수 있다.

   

REGENERATION 이란 가역적으로 물리흡착하고 있는 물질을 흡착에너지보다 큰 에너지를 사용하여 제거하는 가열탈착 또는 페놀이 흡착된 활성탄에 알칼리용액을 통과시켜 페놀을 소다염으로 탈착시키는 약품탈착과 미생물 발효같이 비교적 완만한 처리방법을 말하며, REACTIVATION 이란 주로 비가역적 흡착이 많은 액상흡착의 경우나 기상흡착 CYCLE을 수회 반복하여 흡착성능이 급격히 열화되어 REGENERATION방법으로 재생이 안되는 경우에 다단로나 로타리킬른으로 고온 활성화하는 재생방법을 말한다.

   

또 활성탄의 열화(熱火)에는 비가역적인 진()열화와 가역적인 겉보기 외()열화가 있는데 이러한 열화와 파과곡선의 관계는 그림16에 나타난 바와 같이 곡선1)과 2)는 겉보기 열화이므로 REGENERATION방법으로 재생될 수 있으나 곡선 3)은 REACTIVATION 즉 고온 활성화하지 않으면 안된다.

그림17은 재생횟수와 열화 경향을 MODEL로 나타냈는데 재생횟수가 증가함에 따라 흡착능력과 탈착능력이 감소됨을 알 수 있으며 또한 활성탄의 회분증가와 물리화학적 성능이 저하됨을 알 수 있다.

   

   

   

그림 16. 활성탄의 열화와 파과곡선

   

   

   

   

그림 17. 재생횟수에 따른 열화상황

6.3. 재생방법

재생이란 폐활성탄에 물리적, 화학적 및 생물학적 처리를 가하여 활성탄 표면에 있는 흡착질을 제거하여 원래의 흡착 성능으로 복원하는 것인데 표 22와 같이 크게 5가지 재생방법이 있다.

흡착 공정은 흡착 에너지 만큼의 발열 반응 이지만 탈착 공정은 흡착과 달리 흡착 에너지 보다 큰 에너지의 흡열 반응을 수반하므로 비교적 고온에서 실시하는 것이 유리하다.

   

종 류

  

처 리 온 도

처 리 매 체

가열 재생

고온 활성화법

100~200

700~950

수증기, 불활성가스, 연소가스

탄산가스, 수증기

약품 재생

무기약품

유기약품(추출)

상온~80

상온~80

염산, 황산, 가성소다,

산화제, 유기용매

미생물 분해

습식산화 분해

전해산소 산화

  

상온

180~220

상온

호기성균, 미생물FILTER

산화제, 산소, 공기

전해액

6.3.1. 가열 재생법

활성탄의 재생방법으로 가장 확실한 방법은 가열하여 흡착질을 탈착시키는 것인데 흡착질의 종류 및 흡착의 정도에 의해 가열방식 및 온도에 차이가 있다.

열원의 종류로써 전원, 가열된가스, 수증기가 있고 가열법은 직접가열 (生水蒸氣)과 간접가열(加熱管)방식이 있으며 이외에 가열된 모래, CORONA방전, ARC방전 등의 전극가열도 있으며 내열식, 외열식 및 내외 병렬식으로 나눌 수도 있다.

1회의 재생에 의한 활성탄 손실은 5~15%정도이지만 흡착성능의 회복율이 신탄과 대비하여 90% 이상이 되므로 하수처리와 같이 다성분을 흡착한 활성탄의 재생에 적용된다.

그림 18과 같이 내열식 다단로 재생장치는 내부에 4~8개의 단이 있으며 각 단마다 2~4개의 회전 ARM이 있어 상부에서 투입된 폐활성탄이 점차 하부로 이동하면서 건조, 활성화 과정을 거치게 되며 이 장치의 특징은 다음과 같다.

   

   

1) 수처리용 활성탄의 재생장치로는 현재까지 세계에서 가장 많이 사용되고 있다.

2) 비교적 좁은 면적을 차지하므로 흡착탑 근처에 설치 가능하고 수증기나 열 공급이 용이하다.

3) 대규모량을 연속재생 할 수 있다.( 0.6~40 톤/일 )

4) 운전조건은 재생시간이 60분이내, 보조연료로 기름을 사용할 경우 1.5㎏수증기/㎏활성탄, 로 내압이 0~+5 ㎜Aq이고 자동화 운전이 가능하다.

재생장치로써 바람직한 요건은

(1) 열효율이 좋고 온도분포를 균일하게 하여 분위기 관리를 세밀하게 조절함으로서 과도한 BURN OFF를 방지한다.

(2) 흡착제 입자의 기계적 파손, 마모손실에 의한 분화를 방지함과 동시에 열피로(熱疲勞)를 적게 한다.

(3) 흡착제 입자를 연속적으로 교반시켜 재생용 기체와의 접촉을 잘하여 흡착질이 흡착제 입자 표면에서 확산되기 쉽게, 또 체류시간의 조절이 자유롭게 한다.

(4) 재생용 기체에 의한 2차 오염을 충분히 방지한다.

- 재생용 기체를 급격히 유통하면 오염물이 함유된 가스량이 증대되 고 2차 오염의 위험성이 늘어난다.

(5) 장치의 안전성을 확보하고, 생산성 향상을 위해 자동화, 양산화하여 능률을 높인다.

이렇게 약 5가지로 구분할 수 있으며 (주)동양탄소에서는 대규모량을 연속재생할 수 있으며 재생된 활성탄의 흡착능력은 신탄과 대비하여 90%이상이 회복된다.

6.3.2. 약품처리 (추출)법

일반적으로 수중(水中)의 유기물에 대한 활성탄의 흡착력은 유기물의 종류 및 농도, 온도, pH , 공존물질 그외 조건에 의해 크게 변화한다.

공장폐수와 같이 흡착성분이 비교적 한정되어 있는 경우에는 약품 처리에 의한 활성탄 재생이 적합하다고 볼 수 있다.

약품처리 재생비는 약품비와 탈착 재생액의 후처리비가 주체로 되어 있으나 일반적으로 가열로와 같은 특별한 장치를 요하지 않기에 초기 투자비 측면에서 유리할 수 있다.

활성탄의 흡착성능 회복율을 높일 수 있는 탈리법의 연구, 약품처리(추출) PROCESS에 대한 화학공학적 기초 연구도 중요하다.

6.3.3. 각종 산화 분해법

흡착된 유기오염물을 산화 분해하여 활성탄의 기능을 재생하는 방법인데 수증기 오염 유기물과 활성탄 표면상의 오염 유기물 제거에 있어서 기본적인 것은 비교적 싼 값으로, 파괴력이 있으며 비교적 분해속도가 빠른 산화법을 채용하여 그 목적을 달성할 수 있는가이다.

활성오니 처리에 실용화 되고 있는 ZIMMERMANN 법을 SLURRY상태의 폐분말 활성탄에 응용하여 활성탄 표면의 유기 오염물을 습식산화 분해시키는 방법과 입상활성탄분말활성탄을 전해액(Na, SO4 용액)중에 현탁시켜 전기분해시키는 산화분해 방법이 있다.

분말활성탄의 전기분해법은 수율이 좋고 균일한 재생이 된다는 장점은 있으나 전력효율, 흡착질의 종류에 따른 조건변화, 활성탄의 산화, SCALE UP에 있어서의 생산성과 경제성 등 아직도 향후 연구 과제가 많이 남아 있다.

6.3.4. 미생물 분해법

활성탄 충전층에 호기성(好氣性) 미생물을 보냄으로서 활성탄 표면의 흡착 유기물을 미생물에 의해 분해하는 방법인데 이는 어떤 공학적 방법에 의해 실시하는가가 중요한 문제가 된다.

적절한 관리조건하에서 미생물층을 번식 성장시킨 여과막(FILTER)에 폐하수를 적당한 체류시간동안 유통하면 유기오염물이 분해된다.

ROMAN등은 이와 같은 미생물의 작용을 이용하여 염색공장의 폐수를 처리하고 폐활성탄을 재생할 수 있는 PILOT PLANT를 개발하였다.

6.3.5. 기 타

* 기상용 활성탄 (4×8Mesh)의 재생효과

가열 재생법으로 재생을 하였을 때 재생 전후의 물성을 비교하여 보면 수율과 품질회복율이 약90%에 다다름을 알 수 있다.

   

시 험 항 목

  

신 탄

재생전(폐활성탄)

재 생 후

비고

입 도

(Mesh)

95 이상

77.0

95.0

   

건 조 감 량

(%)

5 이하

23.4

3.2

   

충 전 밀 도

(g/㎖)

0.48 이하

0.63

0.48

   

경 도

(%)

95 이상

95.7

96.5

   

I2 흡 착 력

(㎎/g)

1,100 이상

508

1,082

   

회 분

(%)

5 이하

12.4

3.8

   

벤젠평형흡착능

(%)

35이상

16.0

31.1

   

중 량

(㎏)

-

1.0

0.9

   

7. 활성탄 품질규격 및 분석방법

7.1. 공업규격

입상활성탄 시험방법은 KSM 1802(1985년)에, 분말 활성탄 시험방법은 KSM 1210(1986년)에 제정되었고 입상활성탄 규격은 KSM 1421(1987년)에, 분말활성탄 규격은 KSM 1413(1962년)에 각각 제정 되었으며, 표 24와, 표 25는 1993년에 개정된 규격을 표시하였다.

그리고 입상 활성탄과 분말 활성탄의 수처리 규격은 표 26에, 식품첨가물규격은 표 27에 각각 나타나있다.

일본 JIS규격에서는 분말활성탄 규격을 1967년에 폐지하였고 입상활성탄 규격 까지 1975년에 폐지하였는데 그 이유는 활성탄의 용도가 다양화되고 단일한 탈색력이나 물성 분석으로 활성탄 우열(優劣)을 총괄적으로 규정하는 일이 불합리하다고 판단되었기 때문이다.

그러나 국내에서는 오히려 1987년에 입상활성탄 규격을 제정 하였는 바 이는 활성탄에 대한 올바른 규정이 없어 활성화도 되지 않은 숯(CHAR)이 활성탄으로 유통되는 실정이어서 불가피하게 정상적인 국내 생산, 판매 업체를 보호하기 위한 차원이었다.

7.1.1. KS 규격

   

구 분

1 급

2 급

3 급

건 조 감 량(%)

5.0 이하

5.0 이하

5.0 이하

경 도(%)

90 이상

90 이상

90 이상

충 전 밀 도(g/㎖)

0.48 이하

0.52 이하

0.56 이하

요 오 드 흡 착 력(㎎/g)

1,100 이상

1,000 이상

900 이상

벤젠평형흡착성능 (%)

35 이상

33 이상

30 이상

입 도(%)

95 이상

90 이상

90 이상

주1) 적용범위: 이 규격은 공업용 또는 물처리용 입상활성탄에 대하여 규정한다.

  

  

  

   

구 분

1 종

  

  

  

  

  

  

1 급

  

2 급

  

3 급

  

탈 색 력

A형

B형

A형

B형

A형

B형

  

94%

이상

150㎖

이상

90%

이상

130㎖

이상

85%

이상

110㎖

이상

건조감량 (%)

5.0 이하

  

10.0 이하

  

10.0 이하

  

철분(Fe2O3)(%)

0.03 이하

  

0.15 이하

  

0.3 이하

  

염화물(Cl)(%)

0.05 이하

  

0.13 이하

  

0.25 이하

  

pH

5.0 ~ 8.0

  

5.0 ~ 8.0

  

5.0 ~ 8.0

  

   

   

구 분

2 종

  

  

  

  

  

  

1 급

  

2 급

  

3 급

  

탈 색 력

A형

B형

A형

B형

A형

B형

  

92%

이상

130㎖

이상

85%

이상

110㎖

이상

75%

이상

80㎖

이상

건조감량 (%)

10.0 이하

  

10.0 이하

  

15.0 이하

  

철분(Fe2O3)(%)

-

  

-

  

-

  

염화물(Cl)(%)

-

  

-

  

-

  

pH

5.0 ~ 8.0

  

5.0 ~ 8.0

  

5.0 ~ 8.0

  

주1) A형 ; 카라멜 탈색력, B형 ; 메틸렌블루 탈색력

주2) 적용범위: 이 규격은 공업용 분말 활성탄에 대하여 규정한다.

  

  

  

  

  

  

7.1.2. 수처리 규격

   

구 분

분 말

입 상

1. 성 상

흑색의 분말

흑색의 분말

2. 확 인 시 험

적합할 것

적합할 것

3. pH

4.0 ~ 11.0

4.0 ~ 11.0

4. 체 잔 류 물

200Mesh (74㎛)

체잔류물 10% 이하

8Mesh(2,380㎛)를 통과하고

35Mesh(500㎛)에 남아 있는 체잔류물 95% 이상

5. 건 조 감 량

30% 이하

5% 이하

6. 염 화 물

0.5% 이하

0.5% 이하

7. 비 소

2ppm 이하

2ppm 이하

8. 납

10ppm 이하

10ppm 이하

9. 카 드 뮴

1ppm 이하

1ppm 이하

10. 아 연

50ppm 이하

50ppm 이하

11. 페 놀

25 이하

25 이하

12 ABS .

50 이하

50 이하

13. 메틸렌블루 탈색력

150㎖/g 이상

150㎖/g 이상

14. 요오드 흡착력

950㎎/g 이상

950㎎/g 이상

7.1.3. 식품첨가물 규격

   

구 분.

  

내 용

1. 성 상

  

흑색의 분말 또는 입상으로 무미, 무취일 것

확인시험

연 소 시 험

활성탄 0.5g을 시험관에 넣고 가열했을 때 화염이 발생하지 않고, 연소하여 발생한 가스를 KOH 시약에 통과했을 때 백탁이 생길 것

  

탈 색 시 험

활성탄 0.1g을 묽은 메텔렌블루용액 10㎖와 묽은 염산 2 방울이 섞인 용액에 넣고 진탕시킨다음 5종C 여과지에 통과시켰을 때 무색일것

순도시험

염화물 (Cl)

0.5 % 이하

  

황산염 (SO4)

0.5 % 이하

  

비소 (As2O3)

2 ppm 이하

  

납 (Pb)

10 ppm 이하

  

아 연 (Zn)

0.1 % 이하

7.2. 물리적 특성 시험방법 (KSM 1802-1993)

7.2.1. 입도 및 입도분포 (PARTICLE SIZE & PARTICLE SIZE DISTRIBUTION)

진탕수가 130~165회/분이고 RPM이 240~295인 표준체 진탕기(SIEVE SHAKER)와 내경 200m/m인 표준체를 이용하여 체가름한 후 각 표준체상에 잔존하는 시료의 무게로부터 입도를 구한다.

조작은 먼저 시료 100g을 달아 시료 범위에 따라 7개의 표준체를 선택하여 정확히 10분간 체가름 한 다음 각 단의 잔존 시료를 0.1g까지 칭량한다.

시험표에 그 결과를 작성하고 대수 확률지에 입도 누계 곡선을 그리는데 이 때 유효경은 표준체에 90%가 통과되고 나머지 10%만 남았을 때의 입경이며, 균등계수는 표준체에 40%가 통과되고 나머지 60%가 남았을 때의 입경을 유효경으로 나눈 값이다. 이 때 균등계수가 낮을수록 입도가 균일함을 보인다.

   

   

7.2.2. 충전 밀도 (BULK DENSITY)

115±5에서 3시간 건조한 시료를 충전밀도 측정용기 부피의 약 1/5만큼 넣고 시료의 윗면이 일정한 높이가 될 때까지 고무판 위에서 두드리고, 다시 같은 양 정도의 시료를 넣고 앞 조작을 계속 반복하여 용기의 상단까지 시료를 충전하고 용기 상부의 통을 빼내고 시료의 윗면을 수평으로 한다.

시료를 측정용기에서 빼내어 무게를 0.1g까지 단다.

다음 식에 따라 충전밀도를 계산한다.

   

7.2.3. 건조감량 (MOISTURE CONTENT)

수분 함량은 시료 약 5g을 미리 무게를 아는 평형 칭량병에 넣어 마개를 닫은 후 10mg까지 정확히 달아 마개를 열고 칭량병과 마개를 115±5의 항온 건조기에서 3시간 건조시킨다.

데시케이타(DESICCATOR) 중에서 냉각 시킨 후 마개를 닫아 그 감량을 시료에 대해서 백분율로 표시한다.

7.2.4. 휘발분 (VOLATILE MATTER)

925±2의 휘발분 측정용 직립로에서 도가니 뚜껑을 닫고 7분간 가열하여 수분함량을 제외한 감량을 시료에 대해서 백분율로 표시한다.

7.2.5. 강열찌끼 - 회분 (ASH CONTENT)

건조 시료 약 1~2g을 무게를 아는 도가니(CRUCIBLE)에 넣어 1mg까지 정확히 달아 전기로에 넣어 처음은 약하게 가열하고 서서히 온도를 올려 완전히 재로 만든 후 800~900에서 1시간 강열한 다음, 데시케이타에서 냉각하여 잔류량을 시료에 대해서 백분율로 표시한다.

7.2.6. 고정탄소 (FIXED CARBON)

초기 시료에서 수분, 휘발분, 회분 함량을 제외한 값을 백분율로 표시한다.

7.2.7. 경도 (HARDNESS NUMBER)

시료 약 100g을 입도 범위의 상하한에 해당하는 2개의 표준체를 이용 해 10분간 체가름 한 후 걸러진 시료를 200㎖ 메스실린더에 100㎖표선까지 가볍게 두드리며 채운 다음 0.1g까지 무게를 단다.

지름 12.7㎜(1/2″), 9.5㎜(3/8″)로 연마한 강구 각각 15개를 시료와 함께 경도 시험용기(PAN)에 넣어 30분간 진탕한다.

입도 범위 하한에 해당하는 표준체보다 2단 아래의 표준체와 받는 그릇(BOTTOM PAN)을 사용 해 경도 시험용기에서 강구를 제거한 시료를 전부 넣어 3분간 체가름하여 표준체 상단 및 받는 그릇에 남아 있는 시료를 각각 0.1g까지 칭량하여 잔류량을 초기시료에 대해서 백분율로 표시한다.

7.2.8. pH

건조 시료 분말상 시료는 1.0g, 입자상 시료는 3.0g을 정확히 달아 200㎖ 삼각 플라스크에 넣고 물 100㎖를 넣어 서서히 가열하여 5분간 끓인 다음 실온까지 냉각한 후 물을 가하여 100㎖가 되게 하고 잘 흔들어 섞어 유리전극 pH METER로 측정한다.

7.3. 흡착 특성 시험방법 (KSM 1802-1985)

7.3.1. 요오드 흡착력 (IODINE NUMBER)

-325mesh 건조시료 약0.5g을 1mg까지 정확히 달아 마개 달린 삼각 플라스크 100㎖에 넣고 N/10 요오드 용액 50㎖ 정확히 가하여 상온에서 15분간 진탕기로 진탕시킨 후 50㎖침전관에 넣어 원심분리기를 이용하여 시료를 침전시킨다.

이 중에서 상층액 10㎖를 분취 해 N/10 티오 황산 나트륨 용액으로 적정하여 요오드의 황색이 엷어지면 지시약으로 1W/V% 전분 용액 1㎖를 가해 적정을 계속하여 요오드 전분의 청색이 소멸될 때를 종점으로하여 시료 1g당 흡착된 요오드mg수를 구한다.

단, 12.69는 N/10 티오 황산 나트륨 용액 1㎖에 대응하는 요오드량 (mg)이다.

A : 요오드 흡착 성능 (mg/g)

B : 적정에 사용한 0.1M티오황산나트륨 용액의 양(㎖)

f : 0.1M티오황산나트륨 용액의 농도계수

S : 시료의 무게(g)

7.3.2. 메틸렌 블루 탈색력 (METHYLENE BLUE DECOLORIZATION)

-325mesh 건조 시료 0.2g을 마개 달린 삼각 플라스크에 100㎖에 넣고 농도 1,200ppm 메틸렌 블루 용액 적당량을 가하여 수평 방향 진폭4㎝이고 1분당 왕복속도 200회인 진탕기에서 30분간 진탕시킨 다음 5종 여과지에 여과시켜 거른액의 흡광도를 광전 비색계 665nm 부근에서 측정하고 메틸렌 블루 표준액과 비교하여 초기용액의 과부족을 확인하면서 위의 조작을 반복하여 표준액과 일치하는데 필요한 시료g당 초기용액의 첨가량을 구한다.

C : 메틸렌 블루 탈색력(㎖ /g), D : 메틸렌 블루 용액의 첨가량(㎖)

S : 시료의 무게(g)

7.3.3. 1/n 용매 증기 평형흡착성능

건조 시료를 U자관에 5~10g넣고 정확히 무게를 단다. 25± 0.2로 조절한 흡착 성능 시험장치에 2/min의 공기를 흐르게 하여 1/n 포화도의 혼합공기를 만든다.

U자관을 장치에 부착하고 U자관에 혼합공기를 통하여 용매를 흡착시킨후 1시간 이상 경과 후에 U자관을 떼어내 마른천으로 잘 닦아서 그 무게를 정확히 단다.

이 조작을 반복하되 U자관을 무게 증가량이 5mg이내 일 때까지 하고 이 때의 무게로부터 처음의 무게를 뺀 시료의 무게 증가량을 구하여 다음 식에 따라 계산한다.

단, D : 용매 증기의 평형흡착성능(%)

E : 무게의 증가량(g)

S : 시료의 무게(g)

7.4. 세공 구조 특성 시험방법

7.4.1. 비표면적 (SPECIFIC SURFACE AREA)

비표면적 측정은 CAHN ELECTRO BALANCE 등의 기기를 사용하여 CO2 또는 N2 등 피흡착 가스로 일정온도(N2 : -196 , CO2 : 0)에서 가스의 압력을 1~760 ㎜Hg의 범위로 변화시켜 가며 흡착 등온선을 측정하고 기체운동론과 흡착평형관계 및 표면에 관한 몇가지 가정으로 부터 유도된 BET식으로 산출한다.

7.4.2. 세공용적 및 분포 (PORE VOLUME & PORE SIZE DISTRIBUTION)

세공반경을 구하는 방법에는 2가지로 크게 나누어, 흡착등온선에 의한 방법과 MERCURY POROSIMETERY에 의한 방법이 있는데, MERCURY POROSIMETERY 방법은 수은압을 침투시켜 세공의 용적과 반경을 구하는 방법이다.

7.4.3. 전자 현미경 관찰 (SCANNING ELECTRON MICROGRAPHS)

전자 현미경은 일반적으로 고체 입자 표면의 상태를 조사하기 위하여 널리 이용되며 SCANNING ELECTRON MICROSCOPE 나 TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPE를 이용한 원료탄, 탄화물 및 활성탄의 겉보기 구조를 관찰한다.

7.4.4. X-RAY 회절분석 (X-RAY DIFFRACTION PATTERNS)

X-RAY 회절분석은 결정구조의 상태를 조사할 수 있을 뿐만 아니라 GUINIER의 산란 강도식에 의해 세공 반경까지도 계산해 낼 수 있는데 주로 활성화 상태를 알아 낼 수 있다.

   

8. 결론 및 장래성

8.1. 결론

활성탄의 고유한 특성이나 본질은 변하지 않으나 사용자의 요구는 변할 수밖에 없으므로 고품질, 저가격, 소형경량화, 편리성, 다용도성에 따른 소량다품종 생산체제의 확립 등 향후에 MAKER들이 해나갈 당면 과제가 많다.

사용업체가 품질은 고려치 않고 동남아 일부에서 대량 수입하거나 국내에서 무작위(無作爲)로 생산된 저 가격품을 선호하다보면 흡착 수명이 짧아 교체비용이 상승하여 오히려 더 고가격의 활성탄을 구입하는 경우가 되고 반대로 국산품으로 대체하여 흡착제거 될 수 있는 분야에도 값비싼 선진국 제품을 사용한다면 비경제적이므로 어떤 품질 GRADE가 사용하고자 하는 목적에 일치하는가를 면밀히 검토해 적재적소 (適材適小)에 활용되어야 한다.

그러나 무엇보다도 국내 MAKER들이나 판매업자들이 과당 경쟁하면서 우선의 이익만을 추구할게 아니라, '99년도 기준하여 국내 수요량 35,500톤의 2/3에 해당되는 약20,000톤을 수입에 의존하고 있는 우리나라가 세계의 생산 수출 기지로 발돋움하기 위해서는 자사 (自社) 활성탄에 대한 확실한 품질보증, 제조설비의 현대화 및 자동화로 균일한 품질 생산, 원료 및 제조기술의 다변화와 다양한 종류의 제품생산, 각 응용대상에 대한 기술제공 및 A/S 등으로 기존의 굴레에서 탈피하여야 한다.

   

8.2. 장래성

활성탄의 연구 과제에 대해 5가지 측면에서 살펴 보겠다.

8.2.1. 흡착이론

1986년 3월 17~20일 사이에 미국 S.CAROLINA의 HILTON HOTEL에서 열린 "ADSORPTION OF CARBON"에 대한 국제 SYMPOSIUM/WORKSHOP에서 H.MARSH, K. S. W. SING, P.EHRBURGER, S.SIRCAR등 이 분야의 거성들이 모여 토론회를 가졌으며, 이들의 주장을 CARBON(VOL25,NO.1, 147~157,1987)지에 기술한 바, 그 내용을 살펴보면 세공채움의 메카니즘은 세공의 모양에 의존하며 흡착량은 흡착제내 미세공의 부피에 의존하지만 흡착제의 표면적과 다공도의 특성화를 위해 좀더 통일된 방법이 요망되며, 한가지 등온선으로부터 미세공 크기분포를 계산하는데 적용할만한 믿을만한 식이 없다는 것이다. 또한 흡착이란 MICROPORE FILLING을 말하는 것으로 OPEN MACROPORE 혹은 MESOPORE의 벽에서 발생하는 표면 COVERAGE와는 다르며, 흡착과정도 세공의 크기에 따라 PRIMARY PHYSISORPTION 단계 혹은 그 이상 몇가지 단계로 나누었기 때문에 흡착제의 미세공 분포나 흡착특성이 좀더 과학적이며 다각적으로 규명되어야 한다고 역설하고 있음을 볼 때 활성탄의 미세공 분포도와 흡착특성을 연구하는 일은 이 분야의 학문 발전에 매우 중요한 일이라 판단되었다.

또한 흡착에너지, 세공구조의 직접적 측정법, 표면산화물과 흡착성능과의 관련성에 관한 좀더 체계적인 이론이 정립되어야 할 것이다.

   

8.2.2. 제조기술

자원의 빈국인 우리나라는 장기적인 전망으로 볼 때 대량 구입이 용이한 석탄류나 값싼 산업 폐기물을 이용한 제조기술을 개발하고, 수입에 의존하고 있는 조립 활성탄, 활성탄 섬유(ACTIVATED CARBONFIBER), 첨착 활성탄 등은 외국의 전문 제조업체에서 제조 기술과 설비를 KNOW-HOW로 감추고 있어서 국내 MAKER들이 자체적으로 기술개발 할 수 있도록 과감히 연구 개발비를 투자 하여야 할 것이다.

이러한 면에서 (주)동양탄소는 충남대학교와 활성탄 섬유의 개발과 응용에 대하여 3년동안 공동연구 PROJECT를 맺어 성공적으로 수행하였으며, 원주형 조립 활성탄도 자체적으로 개발하여 주문 납품하고 있어서 국내 기술개발에 일익(一翼)을 담당하고 있다고 본다.

8.2.3. 새로운 응용

활성탄은 단독 혹은 다른 흡착제와 공동으로 사용될 수 있고 제 3의 소재로도 활용 될 수 있다.

토양 개량용 : 서서히 방출되는 원리를 이용한 지속성 비료와 지속성농약, 토양중의 잔류유해 물질을 제거하기 위한 보온 파종용 토사.

의학 생체용 : 소화제, 지사제 및 생체내의 인공신장이나 인공간장, 혈액의 정화제, 의약품 담지 투여체.

전극 및 CONDENSER용 : 유해한 수은전지를 대신하기 위한 IC, LSI 초LSI 등의 소형 메모리 BACK UP용 영구 전원으로 개발된 전기 이중층 CAPACITOR(축전지)는 COMPUTER, VTR, 카메라, 시계에 이용됨.

RECYCLE기술의 응용 : 밀폐된 우주선에서 공기의 순환이나 제한된 물의 재사용, 음식물, 과일등을 장기간 보존하기 위한 선도유지 또는 부패 방지제.

자원의 재활용 : 금과 같이 지구에 희박하거나 오존과 같이 유해한 물질의 농축 제거

촉매 또는 촉매 담체용 : 활성탄에 금속 또는 금속 산화물을 첨착하여 특수 용도로 사용.

동물 사료용 : 사료에 일정량 배합할 경우 질병 저항력이 높아지므로 치사율이 적고 항생제를 투여할 필요가 없으며 육질에 지방질이 적고 성장이 빠름.

기타 : 탄소의 도전성(導電性), 전기화학적 불활성 , 내약품성을 이용한 용도 개발.

8.2.4. 흡착과정

넓은 공간으로 확산되는 악취성 가스를 효과적으로 처리하는 공정, 수처리시 물리화학적 처리와 활성탄 흡착법과의 효과적 결합에 의한 처리효율 증대 및 처리비용 감소방법, 액상 및 기상흡착 실험을 통해 각종 사용 목적에 적합한 흡착 설비의 표준MODEL제시, 흡착질과 가장 친화력이 높은 흡착제의 선정 기술 등에 관한 연구가 병행 되어야 한다.

8.2.5. 재생

앞서 언급했던 재생 장치들의 소형경량화 및 경제성을 가진 실용화와 재생시 흡착질의 화학반응에 대한 해석, 2차 오염방지대책, 활성탄 전문 재생업체의 탄생 및 재생 활성탄의 유통 구조 정비 등이 남아 있는 과제다.

9. 회사소개

9.1. 회사연혁

   

1998.03.24

04.01

07.30

09.08

09.08

   

09.19

   

11.18

1999.01.15

04.01

07.22

12.04

12.27

2000.01.07

01.15

01.19

01.22

동양탄소로 창업 및 호서대학교 신기술센터 입주

첨착 활성탄 및 그 제조방법에 관한 연구 계약(호서대)

'직결식 반면마스크 및 필터 제조방법' 실용신안 출원(제98-14251호)

법인전환

'분말 활성탄을 이용한 피부세정제 및 소염제 제조방법' 발명특허출원

(제98-36852호)

'철망(Wire-gauze)과 판(Plate)형태로 성형된 활성탄 흡착제

제조방법' 발명특허출원(제98-38900호)

'우수기업인상' 수상(호서대학교총장)

충남 테크노파크 신기술 박람회 참가

중소기업청 기술혁신 개발과제 수행업체 선정(조립상 첨착활성탄소 개발)

본사 및 공장 이전(천안시 수신면 발산리)

중소기업 창업 사업 계획 승인(천안시 지경 55477-1108호)

대기 및 소음 배출시설 신고(천안시 589호, 376호)

공장 등록

동양활성탄소 상표 특허출원(제 2000-192호)

수처리제 제조업 등록(천안시 제 2호)

폐기물 중간 처리업 허가 (천안시 제 2000-2호)

   

9.2. 최근 5년간 연구 논문 발표 실적 (요청시 자료를 발송해 드립니다)

   

24. 염기 처리 활성탄의 H2S 흡착특성, 대한환경공학회(2000.05)

23. 활성탄에 의한 VOC흡착, 한국대기환경학회('99.10)

22. 직결식 반면형 가스 마스크 및 필터의 공정개발,

한국대기환경학회('99.05)

21. 생물 활성탄의 재생 연구, 대한환경공학회('98.05)

20. 폐수처리용 활성탄 사용기술, 한국폐수처리협회('97.11)

19. 활성탄을 이용한 휘발성 유기화합물(VOC-BTX)의 흡착 연구,

대한환경공학회('97.11)

18. 활성탄의 유기용매 흡착시 흡착열 및 발화에 관한 연구,

대한환경공학회('97.11)

17. 첨착활성탄 개발에 관한 연구, 중소기업청('97.09)

16. 방사성 물질 제거용 Gas Mask 및 요오드 샘플용 Canister 개발,

전력연구원('97.07)

15. 인산첨착활성탄을 충전한 고정층에서 NH3 흡착특성연구('97.06)

14. 유해가스 제거용 첨착활성탄의 이용, 고분자 공학회('97.04)

13. 수산물 폐기물을 이용한 활성탄 제조 및 인산염 흡착연구,

학술진흥재단('96.11)

12. 활성탄 공장에서의 공정개선에 의한 에너지 절약,

한국에너지 기술연구소('96.11)

11. 스티렌증기의 활성탄 흡착처리 공정 개발에 관한 연구,

대한환경공학회('96.11)

10. 활성탄 흡착특성에 관한 연구, 한국대기보전학회('96.08)

9. 저농도 NOx, SOx 및 CO제거용 Monolith, Honeycomb,

Wiregauge Reactor 개발('96.08)

8. 첨착활성탄에 의한 암모니아 가스 흡착효과, 대한환경공학회('96.05)

7. 활성탄 흡착탑에서 선속도에 따른 압력강하에 대한 연구,

한국대기환경학회('96.04)

6. 다성분 흡착평형이론과 응용, 한국화학공학회('96.03)

5. 활성탄 제조공정에서의 건류 소각장치에 의한 폐기물 열회수,

통상산업부('95.12)

4. 담배필타용 활성탄 품질 향상, 충청남도('95.10)

3. 사용된 입상활성탄의 재생기술, 한국화학공학회('95.08)

2. 농공단지 종합폐수의 처리공정효율 최대화, 통상산업부('95.08)

1. 활성탄 종류 및 흡착기술, 과기처 탄소재료 연구회('95.02)

   

   

부 록

- 각종 유기화합물의 흡착특성 ( * 活性炭 添加量 5g/ )

   

화 합 물

분자량

용해도

(%)

농도(㎎/l)

  

흡착능

  

  

  

  

원수농도

잔류농도

g/g 활성탄

제 거 율

Alcohol

   

   

   

   

   

   

Methanol

32.0

1,000

964

0.007

3.6

Ethanol

46.1

1,000

981

0.020

10.0

Propanol

60.1

1,000

811

0.038

18.9

Butanol

74.1

7.7

1,000

466

0.107

53.4

N-amyl alcohol

88.2

1.7

1,000

282

0.155

71.8

N-Hexanol

102.2

0.58

1,000

45

0.191

95.5

Iso propanol

60.1

1,000

874

0.025

12.6

Aryl alcohol

58.1

1,010

789

0.024

21.9

Iso butanol

74.1

8.5

1,000

581

0.084

41.9

T-butanol

74.1

1,000

705

0.059

29.5

2-ethyl butanol

102.2

0.43

1,000

145

0.170

85.5

2-ethyl Hexanol

130.2

0.07

700

10

0.1138

98.5

Aldehyde

   

   

   

   

   

   

Form aldehyde

30.0

1,000

908

0.018

9.2

Acet aldehyde

44.1

1,000

881

0.022

11.9

Propion aldehyde

58.1

22

1,000

723

0.057

27.7

Butyl aldehyde

72.1

7.1

1,000

472

0.106

52.8

Acrolein

56.1

29.6

1,000

694

0.061

30.6

Croton aldehyde

70.1

15.5

1,000

544

0.092

45.6

Benz aldehyde

106.1

0.33

1,000

60

0.188

94.0

Par-aldehyde

132.2

10.5

1,000

261

0.148

73.9

Amine

   

   

   

   

   

   

Di-N-propyl amine

101.2

1,000

198

0.174

80.2

Butyl amine

73.1

1,000

480

0.103

52.0

Di-N-butyl amine

129.3

1,000

130

0.174

87.0

Arylamine

57.1

1,000

686

0.063

31.4

Ethylene diamine

60.1

1,000

893

0.021

10.7

Diethylene triamine

103.2

1,000

706

0.062

29.4

Mono ethanol amine

61.1

1,012

939

0.015

7.2

Diethanol amine

105.2

95.4

996

722

0.057

27.0

Triethanol amine

149.1

1,000

670

0.067

33.0

Monoisopropanol amine

75.1

1,000

800

0.040

20.0

Di-isopropanol amine

133.2

87

1,000

543

0.091

45.7

   

화 합 물

분자량

용해도

(%)

농 도 (㎎/l)

  

흡 착 능

  

  

  

  

원수농도

잔류농도

g/g 활성탄

제 거 율

Pyridin 및 morphine

   

   

   

   

   

   

Pyridine

79.1

1,000

527

0.095

47.3

2-methyl 5-ethyl

pyridine

121.2

sl.sol.

1,000

107

0.179

89.3

N-methyl morphine

101.2

1,000

575

0.085

42.5

N-ethyl morphine

115.2

1,000

467

0.107

53.3

芳 香 族

   

   

   

   

   

   

Benzene

78.1

0.07

416

21

0.080

95.0

Toluene

92.1

0.047

317

66

0.050

79.2

Ethyl benzene

106.2

0.02

115

18

0.019

84.3

Phenol

94

6.7

1,000

194

0.161

80.6

Hydroquinone

110.1

6.0

1,000

167

0.167

83.3

Aniline

93.1

3.4

1,000

251

0.150

74.9

Styrene

104.2

0.03

180

18

0.028

88.8

Nitrobenzene

123.1

0.19

1,023

44

0.196

95.6

Ester

   

   

   

   

   

   

Methyl acetate

74.1

31.9

1,030

760

0.054

26.2

Ethyl acetate

88.1

8.7

1,000

495

0.100

50.5

Propyl acetate

102.1

2

1,000

248

0.149

75.2

Butyl acetate

116.2

0.68

1,000

154

0.169

84.6

1 amyl acetate

130.2

0.2

985

119

0.175

88.0

Isopropyl acetate

102.1

2.9

1,000

319

0.137

68.1

Iso butyl acetate

116.2

0.63

1,000

180

0.164

82.0

Vinyl acetate

86.1

2.8

1,000

357

0.129

64.3

Ethylene glycol mono-

etyleacetate

132.2

22.9

1,000

342

0.132

65.8

Etylacrylate

100.1

2.0

1,015

226

0.157

77.7

Butylacrylate

128.2

0.2

1,000

43

0.193

95.9

Ether

   

   

   

   

   

   

Isopropyl ether

102.2

1.2

1,023

203

0.162

80.0

Butylether

130.2

0.03

197

nil

0.039

100.0

Dichloro isopropyl

ether

171.1

0.17

1,008

nil

0.200

100.0

   

   

화 합 물

분자량

용해도

(%)

농도(㎎/l)

  

흡착능

  

  

  

  

원수농도

잔류농도

g/g 활성탄

제거율

Glycol 및 그의 Ether

   

   

   

   

   

   

Ethylene glycol

62.1

1,000

932

0.0136

6.8

Diethylene glycol

106.1

1,000

738

0.053

26.2

Triethylene glycol

150.2

1,000

477

0.105

52.3

Tetraethylene glycol

194.2

1,000

419

0.116

58.1

Propylene glycol

76.1

1,000

884

0.024

11.6

Dipropylene glycol

134.2

1,000

835

0.033

16.5

Hexane glycol

118.2

1,000

386

0.122

61.4

有 機 酸

   

   

   

   

   

   

Formic acid

46.0

1,000

765

0.047

23.5

Acetic acid

60.1

1,000

760

0.048

24.0

Propionic acid

74.1

1,000

674

0.065

32.6

Butyric acid

88.1

1,000

405

0.119

59.5

Valeric acid

102.1

2.4

1,000

203

0.159

79.7

Caproic acid

116.2

1.1

1,000

30

0.194

97.0

Acrylic acid

72.1

1,000

355

0.129

64.5

安 息 香 酸

122.1

0.29

1,000

89

0.183

91.1

Oxide

   

   

   

   

   

   

Propione oxide

58.1

40.5

1,000

739

0.052

26.1

Stylene oxide

120.2

0.3

1,000

47

0.190

95.3

Halogen化物

   

   

   

   

   

   

Ethylenedichloride

99.0

0.81

1,000

189

0.163

81.1

Propylenedichloride

113.0

0.30

1,000

71

0.183

92.9

Ketone

   

   

   

   

   

   

Acetone

58.1

1,000

782

0.043

21.8

Methyl ethyl ketone

72.1

26.8

1,000

532

0.094

46.8

Methyl propyl ketone

86.1

4.3

1,000

305

0.139

69.5

Methyl butyl ketone

100.2

v.sl.sol

988

191

0.159

80.7

Methyl isobutyl ketone

100.2

1.9

1,000

152

0.169

84.8

Methyl isoamyl ketone

114.2

0.54

986

146

0.169

85.2

Di-isobutyl ketone

142.2

0.05

300

nil

0.060

100.0

Cyclo hexanol

98.2

2.5

1,000

332

0.134

66.8

Acet phenol

120.1

0.55

1,000

28

0.194

97.2

Iso phorone

138.2

1.2

1,000

34

0.193

96.6

 

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육각형

지구별 이야기2016.10.25 14:02

   

   

   

화면 캡처: 2013-03-01 오전 6:35

   

   

   

   

화면 캡처: 2013-03-01 오전 6:36

   

   

   

   

화면 캡처: 2013-03-01 오전 6:42

   

출처: <http://virga.sfsu.edu/jetstream/jetstream_norhem/0912/09120918_jetstream_norhem.gif>

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블랙홀

분류없음2016.10.24 16:19

   

블랙홀

(black hole)의 존재는 현대천문학과 물리학의 이론이 정확하다는 사실을 증명해준다고 볼 수 있다. 특히 현대천문학의 별 진화이론과 현대물리학의 일반상대성이론은 블랙홀과 밀접하게 관련돼 있다.

현대천문학과 물리학의 상징, 블랙홀.

   

인정받지 못한 '블랙홀'의 존재

질량이 있는 모든 물체 사이에는 서로 끌어당기는 만유인력이 작용한다. 특히 지구가 물체를 잡아당기는 힘을 중력이라고 하는데, 이 중력 때문에 인간은 공중에 떠다니지 않고 지표면에서 생활할 수 있다.

   

만일 지구에서 중력보다 더 큰 속도로 물체를 던지면 어떻게 될까? 초속 11.2km의 속도보다 빠르게 물체를 던지면 지구를 탈출할 수 있다. 따라서 초속 11.2km를 지구 탈출속도라고 부른다. 물론 지구보다 더 강한 표면중력을 갖는 목성의 탈출속도는 초속 59.5km이다. 여기서 중력이 이들보다 엄청나게 강한 천체가 있다고 가정한다면, 그 천체의 탈출속도는 어떻게 될까? 마침내 광속, 즉 초속 30만km를 넘어설 수 있을 것이다. 이렇게 광속보다 큰 탈출속도를 갖는 천체가 존재한다면, 빛조차 빠져나올 수 없을 것이다. 어떻게 보면 공상과 같은 이런 아이디어 하나에서 블랙홀이 탄생했다.

   

빛조차 빠져나올 수 없는 블랙홀.

   

1915년, 독일의 물리학자 알버트 아인슈타인(알베르트 아인슈타인, Albert Einstein)은 중력에 의해 공간이 휜다는 일반상대성이론

을 발표했다. 상대성이론의 핵심인 중력장 방정식은 빛이 휘어야 성립되는 것이다. 하지만 당시 중력장 방정식은 물리학의 역사에서 가장 어려운 방정식 중 하나로 꼽히며, 이를 완전히 풀어낼 수 있는지 조차 알 수 없는 상황이었다.

그러나 예상보다 빠른 1916년에 독일의 천문학자이자 물리학자인 칼 슈바르츠실트(Karl Schwarzschild)가 회전하지 않는 천체의 경우 해당되는 중력장방정식의 답을 구했다. 그 답에 따르면 태양 바로 주위에서는 중력 때문에 빛이 약 2″(1°= 60′= 3600″)의 각도만큼 휘어야 하는데, 사람들은 이 결과에 반신반의했다. 하지만 1919년, 영국의 천문학자 아서 에딩턴(Arthur Eddington)이 아프리카에서 일어난 개기일식을 이용해 빛이 휜다는 사실을 관측해내자 세계는 경악을 금치 못했다.

   

블랙홀, '미운 오리 새끼' 에서 '백조'로 변신

천체망원경 제작 기술의 발달로 중성자별

이 발견되면서, 마침내 블랙홀에 대한 천문학자와 물리학자들의 태도는 돌변하게 된다. 태양 정도의 질량을 갖는 중성자별의 크기는 대략 한국의 수도인 서울시만하다. 이런 중성자별이 실제로 존재한다는 것이 발견된 이상, 그 보다 조금 더 수축한 블랙홀의 존재를 의심할 이유가 없어진 것이다. 이를 계기로 블랙홀에 대한 연구가 1950년대~1960년대에 걸쳐 다시 불붙기 시작했고, 이로써 블랙홀의 존재는 '미운 오리 새끼'에서 '백조'로 화려한 변신을 하게 된다.

특히 뉴질랜드의 수학자 로이 커(Roy Kerr)가 1963년, 회전하는 구대칭의 천체에 적용되는 중력장 방정식의 답을 구해 블랙홀 연구의 전환점을 마련했다. 회전하지 않는 슈바르츠실트 풀이를 구한 지 약 50년이 지나서야 '커 풀이'가 나오게 된 것이다. 이로 인해 천문학에서 슈바르츠실트 블랙홀, 커 블랙홀이라는 용어가 생겼는데, 이 말은 각각 회전하지 않는 블랙홀, 회전하는 블랙홀을 의미했다.

   

여기서 재미있는 결과는, 같은 질량을 갖는다면 슈바르츠실트 블랙홀보다 커 블랙홀의 크기가 최고 절반으로 줄어든다는 사실이었다. 즉, 태양의 경우 블랙홀이 돼 최대한 빨리 자전하면 반지름이 1.5km가 된다는 뜻이다.

그로부터 5년 뒤, 영국의 벨(Bell)이 1968년 전파 관측 도중 매우 규칙적이고 주기가 약 1초에 불과한 전파의 박동을 발견했다. 그 당시까지 알려진 어떠한 천체도 이렇게 짧은 주기의 관측 자료를 줄 수는 없었기 때문에, 그 발견은 곧 천문학계의 비상한 관심을 모으게 됐다. 심지어 처음에는 외계의 문명에서 날아오는 것으로 여겨지기도 했었는데, 천문학자들은 이러한 전파원을 펄서(펄사, pulsar)라고 명명했다. 하지만 펄사의 정체는 곧 빨리 회전하는 중성자별로 밝혀졌다. 이를 통해 중성자별의 입지도 더욱 확고해졌다.

   

블랙홀 상상도.

   

비로소 '블랙홀'이라는 이름을 얻다

마침내 1969년, 미국의 조 휠러(John Archibald Wheeler)는 블랙홀이라는 이름을 지었다. 믿겨지지 않는 일이지만, 사실 이전에는 '블랙홀'이란 이름조차 없었다. 그 대신 '얼어붙은 별', '붕괴한 별' 등의 이상한 이름으로 불려온 것이다. 그리고 블랙홀은 '빛까지 빨아들이는 지옥' 또는 '시공간의 무서운 구멍' 등으로 불리며 모든 것을 남으로부터 빼앗기만 하는 '놀부' 같은 이미지를 굳히게 됐다.

그런데 영국의 스티븐 호킹(Stephen William Hawking) 박사가 블랙홀에 대한 개념을 모조리 바꿔놓았다. 호킹은 블랙홀이 '흥부'처럼 남에게 베푸는 착한 성격도 지니고 있어서, 무궁한 에너지를 방출하는 탱크로 간주돼도 무방함을 증명했다. 호킹은 이를 '블랙홀은 그다지 검지 않다(Black holes ain't so black)' 같이 표현했고 1973년, '블랙홀은 검은 것이 아니라 빛보다 빠른 속도의 입자를 방출하며 뜨거운 물체처럼 빛을 발한다'는 학설

을 내놓았다.

뿐만 아니다. 호킹이 주장한 이론에 따르면, 빅뱅 직후 현미경으로도 볼 수 없는 아주 작은 블랙홀이 무수히 태어나야만 한다. 이런 블랙홀을 '원시 블랙홀'이라고 부는데, 원시 블랙홀의 질량은 10만 분의 1g보다 크면 된다. 연구결과에 따르면 원시 블랙홀의 최대 질량은 태양 질량 정도이므로, 크기는 대체로 아주 작다. 이러한 원시 블랙홀이 일반 천체와 같이 초속 수백km의 속도로 우주공간을 날아다니면, 웬만해서는 다른 천체들에게 중력으로 포획되지 않는다. 하지만 다른 천체와 충돌하면 이야기가 달라진다. 양성자만한 블랙홀이 지구에 충돌하면 혜성이나 소행성이 지구에 충돌하는 것과 거의 비슷한 피해를 줄 수 있다.

회전하지 않는 블랙홀과 회전하는 블랙홀.

   

블랙홀이 우리 생활에 미치는 영향

현대의 거대한 천체망원경들이 개발되면서 여러 은하 중심 부분에서 태양보다 수억 배 더 무거운 블랙홀들이 존재한다는 사실도 밝혀졌다. 실제로 이들은 크기가 태양계만하고, 태양과 같은 별 1천억 개정도가 낼 수 있는 에너지를 방출하고 있다. 이렇듯, 이제는 '과연 블랙홀은 존재 하는가'라고 물을 때가 아니라 '블랙홀은 몇 종류나 있는가' 물을 때인 것이다.

또한, 블랙홀은 SF(과학소설, Science Fiction) 작가들에게 커다란 희망을 줬다. 오늘날 우주를 배경으로 한 SF소설이나 영화들 중에, 블랙홀을 통한 시공간 여행을 빌리지 않는 것은 거의 없다고 해도 과언이 아니다. 실제로 한 블랙홀이 다른 우주에 있는 블랙홀과 이어질 수만 있다면 우주여행을 하는데 지름길 노릇을 할 수 있다.

   

웜홀 우주선 상상도.

   

이것은 마치 사과 속의 벌레구멍과 같아서 사과의 한 쪽 표면에서 다른 쪽 표면으로 벌레가 가는데 시간을 절약하게 되는 것과 마찬가지이다. 이러한 이유에서 이어진 두 블랙홀을 실제로 '웜홀(worm hole, 벌레구멍)'이라고 부른다. 뉴턴이 떨어지는 사과를 얻어맞았다는 이야기 때문에 상대성이론을 전공하는 과학자들이 이제껏 사과를 많이 인용해 왔지만, 드디어 사과 속의 벌레가 만든 구멍까지 학술용어로 등장하게 된 것이다.

웜홀에 한 가지 문제가 있다면, 한쪽 블랙홀 속으로 들어가 어떻게든 살아남아서 다른 쪽 블랙홀에 도달한다고 하더라도 그 곳에서 빠져나갈 수 없다는 것이다. 왜냐하면 그 쪽 출구도 무엇이든지 다 집어삼키는 블랙홀이기 때문이다. 따라서 이번에는 무엇이든지 내놓기만 하는 '화이트홀(white hole)'이 출구에 있어야만 했다. 블랙홀과 화이트홀이 양쪽의 입구와 출구를 각각 맡는 웜홀은 이상적인 우주여행의 지름길이다. 화이트홀은 한동안 우리의 희망 사항으로 남아있을 듯 했다. 하지만 최근에 호킹이 제기한 작은 블랙홀은 화이트홀과 다름이 없다는 주장은 과학적인 입지를 차지하기 시작했다.

   

블랙홀은 앞으로도 21세기 천문학과 물리학의 상징적 위치를 누릴 것으로 보인다. 그 이유는 아직까지 인류가 블랙홀에 대해 아는 것보다 모르는 것이 더 많기 때문이다.

  • 블랙홀
    별이 극단적인 수축을 일으켜 밀도가 매우 증가하고 중력이 굉장히 커진 천체를 말한다. 일반상대성이론에 근거를 둔 것으로, 물질이 극단적으로 수축하면 그 안의 중력은 빛, 에너지, 물질, 입자의 어느 것도 탈출하지 못할 만큼 강해진다.
  • 일반상대성이론
    알버트 아인슈타인이 1915년에 발표한, 중력을 상대론적으로 다루는 물리 이론이다. 특수상대성이론이 '시간+공간'의 이론이라면 일반상대성이론은 '시간+공간+중력'에 관한 이론이다. 이 이론은 질량이 시공간을 휘게 해 중력장이 형성된다고 기술하는 중력장 방정식의 하나로 집약된다. 현재까지 알려진 중력을 다루는 이론 가운데 가장 정확하게 실험적으로 검증됐다.
  • 중성자별
    중성자만으로 구성된 별. 원자가 굉장한 압력을 받게 되면 전자가 양성자로 들어가 버리게 된다. 그렇게 되면 전기적으로 중성인 중성자가 된다. 중성자별이 그 고압의 중력에서 유지될 수 있는 이유는 중성자 간의 반발력인 '축퇴압' 때문이다. 중성자별은 축퇴압이 중력과 균형 잡혀있는 초고밀도의 별이다. 중력이 축퇴압을 넘어 버리면 한없이 찌그러져 블랙홀이 된다.
  • 스티븐 호킹의 학설
    물체가 블랙홀에서 탈출하기 위해서는 빛보다 빠른 속도가 필요한데, 이런 일은 보통 물체에는 불가능하다. 스티븐 호킹은 이러한 종래의 학설을 뒤집어, 양자역학의 불확정성 이론에 따르면 블랙홀이 입자를 방출한다는 내용의 학설을 발표했다. 블랙홀의 사건 지평선 바로 바깥쪽 진공에서는 양자요동을 통해 입자와 반입자가 생성되는데, 이중 반입자는 블랙홀의 사건 지평선으로 떨어지고, 입자는 외부로 방출된다는 것이다. 이때 블랙홀로부터 방출되는 열복사를 호킹 복사라고 한다.

    박석재 / 한국천문연구원장

       

    원본 위치 <http://navercast.naver.com/contents.nhn?contents_id=5220&path=|453|491|&leafId=651>

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Hubble

지구별 이야기2016.10.24 16:12

   

허블우주망원경(Hubble Space Telescope)은 미항공우주국(NASA)이 우주왕복선을 이용해 1990년 4월 지구 궤도에 올려 놓은, 천체 관측을 위한 망원경이다. 20세기 초, 은하와 우주 팽창의 발견으로 인식의 새로운 지평을 연 미국의 천문학자 에드윈 허블(Edwin Powell Hubble)의 이름을 따서 지어졌다. 지구 상공 610km에서 지구 주위를 돌면서 천체의 측광관측

분광관측

을 수행할 수 있도록 설계된 허블우주망원경은 궤도에 오른 지 20년이 지난 2011년 현재까지도 우주 탐사에 앞장서 새로운 발견을 하고 있다.

우리의 눈으로 볼 수 없는 새로운 세상을 보여주다. 허블 우주 망원경.

   

허블우주망원경이 완성되기 전, 천문학자들은 '우리가 지금 모르고 있는 모든 문제는 허블우주망원경이 우주로 올라가기만 하면 다 알 수 있을 것'이라며 허블우주망원경에 무한한 기대를 가졌었다. 실제로 허블우주망원경은 이러한 기대를 저버리지 않고 수없이 많은 새로운 사실들을 밝혀냈다. 그 가운데 우주의 나이를 10% 오차로 알 수 있게 된 것이나 우주가 암흑에너지로 꽉 차 있다는 것을 발견한 것은 모두 허블우주망원경의 큰 공로라 할 수 있다. 그야말로 우주론을 새로 정립한 셈이다. 또한 최근에는 태양계 밖에 있는 외계 행성을 관측하고, 이들 행성에서 생명체의 흔적을 찾는 관측을 수행함으로써 21세기 천문학의 중요한 분야가 될 천체생물학이 나아갈 방향을 제시하고 있다.

스피처, 우주망원경을 구상하다

허블우주망원경에 대한 최초의 구상은 1946년, 미국 프린스턴대학의 이론천체물리학자인 라이먼 스피처(Lyman Spitzer, 1914~1997) 교수에 의해 이루어 졌다.

   

스피처는 성간물질 연구 분야에서 세계적인 업적을 낸 학자로, 일찍부터 우주망원경의 중요성을 인식하고 대형 우주망원경의 필요성을 역설했다. 우주망원경이 지상의 망원경에 비해 엄청나게 많은 경비가 들어감에도 불구하고 필요한 이유에 대해 그는 "지상의 망원경에 비해 각 분해능(두 물체를 분해해서 볼 수 있는 정도를 각도로 표현한 것)이 뛰어나 멀리 있는 천체의 식별이 용이하고, 지상 망원경으로는 관측이 불가능한 자외선과 적외선을 이용한 천체의 관측이 가능하기 때문"이라고 밝혔다.

스피처에 의해 촉구된 우주망원경 개발은 NASA에 의해 1960년대 궤도태양관측소(OSO)와 궤도천체관측소(OAO) 건설을 거쳐, 1968년에 지름 3m의 우주 반사망원경 건설 계획으로 발전했다. 우주 궤도에 올릴 반사망원경 계획은 1979년 발사를 목표로 진행됐으나, 예산 마련의 어려움 때문에 궤도에 올라가는 데까지 10년 정도 더 긴 시간이 걸렸다.

이 과정에서 구경은 2.4m로 줄었고, 이름도 허블우주망원경으로 정해졌다. 또한 유럽우주항공국도 제작에 참여하는 등 전 세계의 역량을 총집결해서 만들게 됐다. 허블우주망원경을 제작하기 위해서는 우선 CCD 카메라나 분광기와 같은 관측 장비와 함께 반사망원경의 거울 제작을 포함한 광학계를 만들어야 했다. 뿐만 아니라 이를 싣고 연료를 공급하고 지상과 교신을 할 우주선 부분의 제작도 함께 이뤄져야 했다. 때문에 허블 우주망원경의 제작에는 몇몇 미국 정부 산하 기관들 뿐 아니라 퍼킨 엘머나 코닥과 같은 광학회사도 참여했다. 이렇듯 허블우주망원경의 제작은 미국 우주개발 역사에서 가장 야심찬 계획 중 하나로 추진됐다.

   

스피처 우주 망원경.

   

그렇다면 허블우주망원경 계획이 그전에 이루어진 궤도태양관측소나 궤도천체관측소와 차별되는 점은 무엇일까? 다른 우주망원경들은 지구 궤도에 올려질 때 탑재한 관측 장비와 연료가 수명을 다하면 그대로 우주에 버려진다. 그 반면 허블우주망원경은 우주왕복선을 이용해 궤도에 올려진 이후에도 끊임없이 사후 관리를 받고, 계속 새로운 관측 장비가 붙여져 새로운 관측을 수행하도록 고안됐다. 이 때문에 허블우주망원경은 미국 우주 계획의 핵심 중 하나인 우주왕복선과 밀접한 관계를 가지며 계획되고 건설됐다.(2000년 NASA는 허블우주망원경을 활용하지 않고 퇴역시킬 계획을 발표했으나, 좀더 유지하는 방향으로 계획을 수정, 2009년 5월 애틀란티소호가 다섯 번째 수리를 위해 발사되었다.)

   

1993년 허블우주망원경의 카메라를 교체하고 있는 모습.

   

1990년 지구 궤도 위에 오른 후, 허블우주망원경은 서서히 개선되어 왔다. 1993년 12월 허블우주망원경의 유지 보수를 위해 보정렌즈와 WFPC2라 불리는 광시야 행성카메라를 설치한 작업이 있었다. 미국의 CNN 방송은 이를 전 세계에 생방송으로 중계했고, 우주인이 우주 유영을 하며 허블우주망원경을 수리하는 모습을 전 인류가 지켜볼 수 있었다.

   

그 후에도 2009년 5월까지 총 네 번의 서비스 미션을 더 가져 허블우주망원경의 관측 장비들을 교체, 더 좋은 영상을 얻는 계기가 마련됐다. 가장 먼 우주의 모습을 보여준 HUDF(Hubble Ultra Deep Field)는 2002년 수행된 서비스 미션에서 교체된 탐사용 고급카메라(ACS)와 1997년 교체된 닉모스(NICMOS)를 장기 노출해 찍은 합성 영상이다.

   

허블우주망원경이 밝힌 우주의 신비

허블우주망원경이 밝힌 우주의 신비는 수없이 많지만, 무엇보다 중요한 점은 현대 우주론의 핵심적인 물리량인 허블상수를 정확하게 구했다는 것이다. 허블상수는 우주의 팽창률을 나타내는 것으로, 그 역수(어떤 수 x의 역수=1/x)는 우주의 나이에 비례한다. 우주론에 따라 허블상수와 우주의 나이 사이의 관계가 달라지지만, 어느 경우든 허블상수만 정확하게 구할 수 있다면 우주의 나이를 알 수 있다.

   

1990년, 허블우주망원경이 지구 궤도에 올려지기 전에 알려진 허블상수 값의 범위는 50~100km/s/Mpc 였는데, 이 허블상수에 해당하는 우주의 나이는 100억년이 될 수도, 혹은 200억년이 될 수도 있었다.

때문에 허블 우주망원경이 지구 궤도에 올라가자마자 수행한 가장 중요한 임무는 처녀자리 은하단에 있는 은하를 관측하고, 이로부터 이 은하의 거리를 구해 정확한 허블상수 값을 구하는 것이었다. 이 임무는 카네기 연구소의 웬디 프리드만(Wendy Freedman)이 연구책임자로 수행했다. 그녀의 팀은 관측에 성공해 허블상수 값을 10% 오차범위로 구할 수 있었고, 따라서 우주의 나이도 90%의 정확도로 알 수 있게 됐다. 이 자료를 통해 계산한 우주의 나이는 약 80억120억년이었다.

   

HUDF(Hubble Ultra Deep Field) 사진에 담긴 먼 은하들의 모습.

   

허블 우주망원경에 의해 이루어진 가장 중요한 발견은 1998년, 우주의 팽창 속도가 점점 더 증가하고 있다는 것을 발견한 것이다. 즉, 현재 우주는 시간이 지날수록 그 크기가 더 빠르게 커지는 가속 팽창을 하고 있다는 것으로, 멀리 있는 초신성을 독립적으로 관측한 두 팀의 천문학자들에 의해 밝혀져 우주론의 새 시대를 열었다. 기존의 이론인 표준 우주론에서는 우주가 대부분 차가운 암흑 물질로 구성돼 있다고 설명했는데, 우주의 가속 팽창은 70% 정도는 아직 정체를 모르는 암흑에너지로 이뤄져 있고 30% 정도는 암흑물질과 보통의 빛을 내는 물질로 구성돼 있다는 것을 나타내기 때문이다.

허블우주망원경의 전송방식.

   

이밖에도 허블우주망원경은 아주 멀리 있는 은하를 관측해 우주 초기에 만들어진 은하는 일반적으로 알려진 은하보다 크기가 작고 모양도 불규칙한 것이 많다는 것을 보임으로써 은하 생성 과정의 이해에 중요한 실마리를 제공했다. 또한 은하의 중심부에는 태양 질량의 수 억 배에 달하는 초중량 블랙홀이 존재해, 은하의 탄생과 진화에 결정적인 영향을 미친다는 것도 보여줬다.

허블우주망원경을 이용한 관측에서는 이러한 우주론적인 발견 외에, 21세기 천문학의 중요한 분야인 천체생물학의 발전에도 크게 기여했다. 세계 최초로 외계행성인 '포말하우트B'의 가시광선 영상 관측에 성공했고, 외계행성 HD209458B를 분광관측해 수소 뿐 아니라 탄소, 산소, 나트륨 등이 있다는 것을 알아냈다. 또한 다른 외계행성에서 물이나 메탄의 존재를 확인하기도 했다.

   

허블우주망원경이 찍은 우주의 모습.

게성운(Crab Nebula).

   

21세기 천문학 발전의 밑거름 제공

허블우주망원경이 지구 궤도에 올려진지도 벌써 20년이 지났다. 하지만 허블우주망원경은 여전히 세계에서 가장 우수한 망원경으로 우주의 신비를 파헤치는 첨병 역할을 하고 있다. 이러한 역할은 앞으로 차세대 우주망원경(JWST)이 우주궤도에 올려지거나, 능동광학으로 무장한 지상의 30m급 거대 망원경들이 건설돼 관측을 시작할 때까지 계속될 것이다.