활성탄[active carbon, 活性炭]

목차

Ⅰ.활성탄 이란?

Ⅱ.활성탄 흡착장치의 일반사항

Ⅲ.활성탄에 의한 매립장 침출수의 고도처리

Ⅳ활성탄 구조

Ⅴ활성탄 흡착력

Ⅵ 활성탄의 수명

Ⅶ 활성탄의 구조

본문내용

00
Macropore
0.20∼0.50
0.5∼2.0
-
-
3. 탄화공정과 활성화 메커니즘
분말활성탄의 제조에는 식물질 원료가 주로 사용되고 있으며, 입상활성탄의 제조 원료로는 목탄, 야자각, 석탄 등을 많이 이용한다. 또한 최근에는 산업 폐기물을 이용한 환경오염 방지 및 폐자원 재활용을 위해 산업 폐기물로부터 활성탄 제조도 이루어지고 있다. 그러나 이들 원료에 따라 제조된 활성탄의 물성은 큰 차이를 나타내며, 주로 이용되는 원료로는 야자각 및 석탄계열이고, 이들의 공업분석값은 표 2와 같다.
표 2. 활성탄 원료별 공업분석
Raw Materials
Moisture
Volatile
Fixed Carbon
Ash
Coconut shell
4.5
74.9
18.9
1.7
Peat Coal
10.0∼19.6
33.3∼37.7
34.2∼41.2
5.9∼18.1
Bituminous Coal
1.9
35.5
56.5
6.1
Coke
1.0
6.5
90.3
2.2
Anthracite Coal
3.8
3.4
89.8
3.0
고품위 활성탄을 제조하기 위해서는 전처리 과정이 매우 중요하며 원료 석탄의 충분한 미분쇄는 수분 또는 점결제의 존재 하에서 계면화학적 응집을 용이하게 하며 점결제의 첨가는 조립된 탄의 기계적 강도나 활성탄의 강도를 증진시키는 역할을 한다. 조립과정에서 기계적 강도를 증진시키기 위해서는 일반적으로 친수성 점결제인 아황산 펄프폐액, 폐당밀, 전분 등이 이용되며, 활성탄 강도를 증진시키기 위해서는 역청질의 점결제인 타르나 피치 등이 이용된다. 일반적으로 활성탄 제조를 위한 조립공정은 강제 조립법으로 이 방법은 미분쇄탄에 물이나 점결제를 혼합한 후 외력을 이용하여 조립하는 방법으로 압축 성형법과 압출 조립법으로 분류된다. 조립을 마친 시료는 건조 과정을 거치는데 이는 다량 함유된 수분이 탄화 공정시 경도를 저하시키는 원인이 되기 때문이다. 활성탄을 제조하기 위해서는 이와 같이 전처리된 탄을 이용하여 탄화와 활성화 공정을 거쳐야 한다.
(1) 탄화과정
탄화공정은 건조를 마친 시료에 열을 가하여 타르 및 휘발분이 제거되는 과정으로 활성화에 필요한 open pore를 생성시키는 공정이다. 탄화공정의 중요한 결정요인은 탄화온도와 승온속도인데, 이중 탄화온도는 활성탄의 활성점과 기계적 강도를 지배하는 매우 중요한 요인으로 일반적으로 500∼1000 범위 내에서 결정된다. 탄화는 상온에서 400 의 온도까지 탈수, 탈산 등 1차 분해가 일어나고 400∼700 범위에서는 산소결합이 끊어지면서 산소가 일산화탄소, 이산화탄소 등의 형태로 방출되며 휘발분이 제거된다. 700 에서 1000 까지의 온도범위에서는 탈수소 반응으로 방향족 고리사이의 직접결합이 활발하여 2차 평면구조가 발달하게 되며 -CH2 결합에 의해 3차원적인 입체구조를 갖게되는 구조가 된다. 즉, 탄화의 진행으로 석탄을 가열하면 1차로 석탄과 결합하지 않은 수분이 105 이하에서 대부분 증발되고(자유수분), 300 정도에서 완전히 제거된다(고유수분). 그 후 온도를 더욱 가열하면 점결탄의 경우 준안정성 기체 중간체로 되어 휘발성 물질을 형성한다. 이 과정에서 석탄입자의 겉보기 부피가 증가되고 그 정도는 자유팽창계수(FSI, free swelling index)와 석탄의 수소 및 탄소함량, 가열조건 등에 따라 다르다. 일반적으로 석탄의 탄화과정은 연화, 탈회분화, 팽창 그리고 재고형화로 구분되어 진행되며, 이러한 현상들은 가열속도와 의하여 크게 좌우된다.
승온속도는 회분이나 고정탄소의 함량과 관계가 있으며, 활성탄의 수율과 흡착력에 영향을 끼친다. 즉, 탄화과정중 승온속도는 기공의 발달과 휘발분 등 석탄성분의 회분 증감에 영향을 미치고 연소된 회분은 활성탄의 수율 및 흡착력의 감소 등 품질과 직접적인 관계가 있으므로 급속가열하는 것보다는 3∼5 /min으로 천천히 가열하는 것이 좋다. 원료석탄에 포함된 회분과 탄화시 형성된 회분은 활성탄 내의 기공발생을 저하시켜 흡착성능을 떨어뜨리는 결과를 나타내므로 원료 선정시 공업 분석 등을 통하여 회분이 적은 석탄을 선정하여야 하고, 고품질 활성탄을 제조하기 위해서는 회분의 함량을 줄이기 위한 석탄의 전처리 기술이 필요하다. 시료의 산화를 방지하고 기계적 강도의 저하나 급속가열로 인한 입자표면의 기공폐쇄 현상을 막기 위하여 환원분위기, 즉 질소 분위기에서 탄화공정이 수행된다.
(2) 활성화 메커니즘
석탄의 활성화 방법은 약품활성화법과 가스활성화법으로 나눌 수 있다. 전자는 원료를 건조, 분쇄하고 여기에 황산, 인산 등을 침투시켜 탄화 소성하는 방법으로 활성화를 시키는 것이고, 후자는 원료를 저온 탄화시킨 후 그 탄화물을 수증기, 이산화탄소 또는 공기 등과 같은 산화성 기체에 의한 활성화법이다. 이중 수증기를 이용한 활성화법은 현재 사용되는 일반적인 방법으로 이 방법에 의해 제조된 활성탄은 pellet상의 기상흡착용이 주로 사용되고 있다. 수증기 활성화 공정의 중요한 결정요인은 활성화온도와 반응시간, 수증기 사용량으로 제조활성탄의 물리적 특성을 변화시킨다.
제조된 활성탄의 용도선정을 위해서는 물성분석을 통해 특성치를 나타내는데, 일반적 물성외에 표면구조, 흡착성, 입자성 등을 분석한다. 이들 시험항목 중 흡착성에 관한 것은 거의 대부분의 용도에서 중요하게 취급되고 있다. 본래 흡착은 계면현상이기 때문에 흡착력은 활성탄표면과 이에 접하는 기상 또는 액상과 하나의 계를 이룸으로 구체적인 의미를 갖게 된다. 이러한 시험항목은 국내 KS규격에 나타나 있는데 입상활성탄의 경우 규격은 표 3과 같다.
표 3. 입상활성탄의 KS 규격
Properties
1st grade
2nd grade
3rd grade
Moisture Content [%]
< 5
< 5
< 5
Hardness [%]
90 <
90 <
90 <
Apparent Density [g/ml]
< 0.48
< 0.52
< 0.56
Iodine Value [mg/g]
1100 <
1000 <
900 <
Benzene Adsorption [%]
35 <
33 <
30 <
Particle Size [%]
95 <
90 <
90 <

키워드

흡착,   응집,   다이옥신,   다공질,   트리할로메탄(THM),   휘발성물질(VOC),   열분해,   침출수의 고도처리