화학적 개질 활성탄의 표면특성과 독성가스 흡착에 관한 연구
An Investigation of Surface Characteristics and Toxic Gases Adsorption on Chemically Modified Activated Carbons
초록/요약
활성탄은 가스상, 액상물질을 분리, 정화하는 흡착제로 널리 쓰이고 있다. 활성탄의 표면 성질은 기본적으로 비극성이기 때문에 휘발성 유기화합물과 같은 비극성 분자들의 흡착에 용이하나 암모니아와 황화수소 같은 극성 분자들의 흡착 성능은 떨어진다. 비극성 물질의 흡착성능 제고를 위해 활성탄 표면을 활성화 물질로 개질, 가열하는 방식이 널리 사용되고 있다. 이에 본 논문에서는 활성탄에 산과 염기로 개질하여 암모니아와 황화수소 같은 극성 오염물질을 처리하는 실험 연구를 진행하였다. 12×40 mesh의 야자껍질 활성탄을 베이스로 하여 각각 질산 1 M, 2 M, 3 M 용액에 교반한 후 100 ℃, 200 ℃, 400 ℃, 600 ℃에서 산 처리 하였다. 3 M의 질산으로 처리한 활성탄의 암모니아 가스 흡착량은 400 ℃에서 5.88 mg/g로 가장 높게 나타났으며 Raw 활성탄의 흡착량보다 18.9배 증가한 것으로 나타났다. NaOH로 처리한 활성탄의 경우 황화수소 가스의 흡착량은 200 ℃에서 8.06 mg/g로서 Raw 활성탄의 흡착량보다 10.1배 증가하였다. KOH로 처리한 활성탄의 경우도 200 ℃에서 10.22 mg/g의 흡착량을 보여 Raw 활성탄보다 12.8배 흡착효율이 증가하였다. 산 처리한 활성탄의 산성가스(황화수소) 처리효율과 염기 처리한 활성탄의 염기성가스(암모니아)의 처리효율은 증가하지 않았다. 산 처리 후 염기 처리한 활성탄의 황화수소 가스 흡착 실험에서 파과가 시작되는 지점까지 도달 시간은 118분이고 처리하지 않은 활성탄에 비해 효율이 40배가량 증가하였으며 그 흡착량은 17.7 mg/g으로 가장 효율이 좋은 것으로 나타났다. 산과 염기로 개질한 활성탄은 Langmuir 모델과 Freundlich모델에 적용 가능하다. 본 실험결과는 향후 독성가스 누출 시 효율적인 처리 장치의 설계에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
more초록/요약
Activated carbons are widely used in the purification and separation process for aqueous and gaseous system. Activated carbon surfaces are non-polar and adsorption capacity of polar materials such as NH3 and H2S are less promising. In order to enhance the adsorption process, a raw material is impregnated with an activating regent and the impregnated material is heat-treated. Experimental works were performed to remove NH3 and H2S with surface modified activated carbons. This paper aims to remove polar pollutants such as ammonia and hydrogen sulfide by turning them into acids and bases on activated carbon. In the preparation, 1, 2 and 3 M HNO3 were impregnated on 12×40 mesh coconut shell raw materials and then heat treated at 100, 200, 400 and 600 ℃. The highest efficiency was obtained when activated carbon was impregnated at 400 °C with 3 M nitric acid, when ammonia adsorption capacity was 5.88 mg-NH3/g-adsorbent. The adsorption capacity has increased 19 times more than that of raw activated carbon. The activated carbons impregnated with NaOH shows highest adsorption capacity of 8.06 mgH2S/g, 10 times higher than raw activated carbons, when heat treated at 200 ℃. KOH impregnated activated carbon shows similar results, which is 10.22 mgH2S/g, 12 times higher adsorption capacity than raw activated carbons, when heat treated at 200 ℃. When acid are impregnated on activated carbons adsorption capacity of H2S was not increased. Also, adsorption capacity of NH3 was not increased when basic materials are impregnated on activated carbons. When acidic and basic materials were impregnated sequentially, the hydrogen sulfide adsorption test showed that breakthrough time was 118 minutes, and the absorption capacity was 17.7 mg-H2S/g, which was 40 times higher than that of raw activated carbon, which turned out to be the most efficient absorbents. Experimental data can be fitted to Langmuir and Freundlich models. The results of this study can be used to design devices which can be disposed of toxic gases in case of accidental releases of toxic gases.
more목차
제 1장 서 론1
제 1절 연구 배경1
제 2절 연구 목적8
제 2 장 이론적 고찰11
제 1 절 황화수소와 암모니아의 물리화학적 성질 11
1.1 황화수소의 물리화학적 성질11
1.2 암모니아의 물리화학적 성질12
제 2 절 활성탄의 구조와 특성15
2.1 물리적 구조와 흡착특성15
2.2 화학적 구조와 흡착특성19
2.3 탄소의 활성화21
2.4 활성탄의 표면 화학 특성24
2.5 활성탄의 개질과 활용28
제 3 절 흡착이론30
3.1 물리적 흡착과 화학적 흡착30
3.2 흡착평형32
3.3 흡착등온식36
3.4 흡착등온선48
제 3 장 실험 방법51
제 1 절 표면개질 활성탄 제조51
1.1 활성탄 및 산화용매 선정51
1.2 산 염기처리56
제 2 절 표면개질 활성탄의 독성가스 저감 성능평가57
2.1 실험장치57
2.2 실험방법59
제 3 절 활성탄의 물리화학적 특성 분석63
제 4장 결과 및 고찰65
제 1 절 산과 염기로 개질한 활성탄의 흡착특성66
1.1 산 처리 활성탄의 흡착특성67
1.2 염기처리 활성탄의 흡착 특성72
1.3 산 처리 후 염기 처리 활성탄의 흡착 특성74
제 2 절 활성탄의 물리 화학적 특성 분석 결과84
2.1 BET 분석 결과86
2.2 고분해능 라만 분광기(Raman) 분석 결과94
2.3 주사전자현미경(FE-SEM) 분석 결과98
2.4 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectrometer) 분석 결과99
제 5 장 결 론105
참 고 문 헌109
Abstract117
