13 임준혁 KC Rev[2] File[1294] Type[Manuscript].hwp

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동해 우
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1 Clean Technol., Vol. 23, No. 1, March 2017, pp 단 신 탄산나트륨첨착섬유활성탄을이용한황화수소의제거 정헌석 1, 원용선 2, Devi Marietta Siregar 2, Sophie Kavugho Mission 2, 임준혁 2, * 1 메탈페이스 ( 주 ) 울산광역시울주군반천리반천반송산업로 부경대학교화학공학과부산광역시남구신선로 365 (2017 년 1 월 12 일접수 ; 2017 년 2 월 13 일수정본접수 ; 2017 년 2 월 15 일채택 ) Removal of Hydrogen Sulfide by Using Sodium Carbonate Impregnated Activated Carbon Fiber Hun-Suck Jung 1, Yong Sun Won 2, Devi Marietta Siregar 2, Sophie Kavugho Mission 2, and Jun-Heok Lim 2, * 1 Metalface Corporation 125 Bancheonbansongsaneop-ro, Bancheon-ri, Ulju-gun, Ulsan, Korea Department of Chemical Engineering, Pukyong National University 365 Sinseon-ro, Nam-gu, Busan, Korea (Received for review January 12, 2017; Revision received February 13, 2017; Accepted February 15, 2017) 요 약 본연구에서는섬유활성탄에탄산나트륨을첨착제로이용하여탄산나트륨첨착섬유활성탄을제조하고동일조건에서제조한탄산나트륨첨착입상활성탄과황화수소제거성능을비교한후그활용가능성을검토하고자하였다. 첨착용액의농도와첨착시간을변수로하여탄산나트륨첨착섬유활성탄과탄산나트륨첨착입상활성탄의흡착능을구하였는데먼저두경우모두첨착용액의농도에비례하여탄산나트륨의첨착되는양도증가하나 3 wt% 이상에서는기공충전 (pore filling) 현상으로첨착양에변화가없었다. 따라서황화수소제거를위한탄산나트륨첨착섬유활성탄과탄산나트륨첨착입상활성탄의제조시최적의탄산나트륨용액농도는 3 wt% 인것으로판단되었다. 또한탄산나트륨첨착섬유활성탄의경우탄산나트륨첨착을위한담지시간이탄산나트륨첨착입상활성탄에비하여 2 배가까이빠른것으로나타났다. 황화수소제거효율은탄산나트륨첨착섬유활성탄이탄산나트륨첨착입상활성탄에비하여 30% 이상증가하였고이는비표면적의측정결과로설명되었다. 결과적으로향상된비표면적을가진섬유활성탄에황화수소와화학적으로반응하는탄산나트륨을첨착하여제조상시간적이점과향상된황화수소흡착능을확인할수있었다. 주제어 : 첨착활성탄, 섬유활성탄, 황화수소, 악취제거 Abstract : We prepared sodium carbonate impregnated activated carbon fiber and evaluated its availability for hydrogen sulfide removal by the comparison with the counterpart, sodium carbonate granular impregnated activated carbon. The sodium carbonate impregnated concentration and immersion duration were chosen as two primary parameters. First, the hydrogen sulfide adsorption capacity increased in proportion to the impregnated concentration up to 3 wt%, above which the sodium carbonate impregnated amount rarely showed an increase due to the pore filling effect for both cases. The optimal impregnated concentration was thus set to 3 wt%. Meanwhile, impregnated activated carbon fiber required only half of the immersion duration compared with granular impregnated activated carbon, while showing a 30% increase on the hydrogen sulfide removal capacity. The greater specific area of impregnated activated carbon fiber explained it. In conclusion, we evaluated advantage of preparation time and improved hydrogen sulfide adsorption capacity by impregnate sodium carbonate, which is capable of reacting with hydrogen sulfide chemically, onto the activated carbon fiber with improved specific area. Keywords : Impregnated activated carbon, Activated carbon fiber, Hydrogen sulfide, Odor removal * To whom correspondence should be addressed. jhlim@pknu.ac.kr Tel: Fax: doi: /ksct pissn eissn This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License ( by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 113

2 114 정헌석ㆍ원용선ㆍ Devi Marietta Siregar ㆍ Sophie Kavugho Mission ㆍ임준혁 1. 서론 석탄과석유의연소과정에서발생되는황화수소 (H 2S) 는암모니아 (NH 3), 메틸메르캅탄 (methyl mercaptan) 등과함께대표적인대기오염물질이다. 특히생활과직접관계가있는하수 분뇨및쓰레기처리장등의환경기초시설과산업장에서배출되어근무자나인근주민에게피해를줌으로써혐오시설로인정되는근본원인이되고있다 [1,2]. 황화수소는고무, 제유, 제당, 하수처리장및분뇨처리장등에서주로발생하고강한부식성으로인한재산상의피해와식물잎의백화현상, 동물의호흡계질환을유발하며노출시간과농도에따라서는치사현상을가져올수있는유독성기체이다. 이에따라대기또는배출가스에서황화수소를제거하는연구가활발하게진행되고있다 [2,3]. 연도가스로부터황화수소를제거하는방법은크게건식법과습식법으로나눌수있다. 습식법인흡수법은장치가복잡하고흡수액이송을위한동력비부담과재료의부식등의문제가있어건식법인흡착제에의한황화수소제거연구가활발히진행되고있다. 황화수소제거용흡착제로는석회석, 백운석등과금속산화물형태인 MnO 2, CuO, MgO, CaO, ZnO 등이사용되지만, 이흡착제들은대부분고온에서황화수소와반응하므로제작에드는비용과고온의작업온도를유지하기위한에너지비용이많이드는단점이있다. 활성탄의경우에는저온에서도활성이있고비표면적도다른흡착제에비해매우크며온도에따라수축과팽창하는폭이크기때문에넓은분야에서많이응용되고있다. 또한기존의입상및분말형태의활성탄외에콜타르및전분등의점결제를이용한조립활성탄의사용도증가하고있다 [4-7]. 특히최근에는기능성과사용상의편의성이높으며비표면적이상대적으로높은 Pitch계또는 PAN계의섬유활성탄이다양한수요에부응하여활용되고있다. 한편황화수소의제거에있어 서일반활성탄의물리적인흡착기능만으로는충분한흡착성을갖지못하기때문에운전효과가그다지높지않은것으로알려져있다. 따라서기존의활성탄표면및세공내벽에금속또는특정한금속염을첨착 (impregnation) 시켜촉매적기능및화학적활성을증가시킨첨착활성탄 (impregnated activated carbon, IAC) 에대한연구가활발히진행되고있다. 또한최근에는활성탄에수산화나트륨 (NaOH) 이나인산 (H 3PO 4) 등을첨착한활성탄이상용화되어다양한용도로사용되고있다 [8-11]. 본연구에서는최근사용량이크게증가하고있는섬유활성탄에황화수소와선택적으로반응하는탄산나트륨 (Na 2CO 3) 을첨착제로이용하여탄산나트륨첨착섬유활성탄 (impregnated activated carbon fiber, IACF) 을제조하고동일조건에서제조한탄산나트륨첨착입상활성탄 (granular impregnated activated carbon, GIAC) 과황화수소제거성능을비교, 분석한후그활용가능성을검토하고자한다. 또한첨착용액의농도, 첨착시간등을변수로하여최대의흡착능을보이는첨착조건을제시하고자한다. 2. 실험방법본실험에서는다음과같은과정으로첨착섬유활성탄을제조하였다. 섬유활성탄 (ACFP-2000, 대기용 Pitch계, 비표면적 2,000 m 2 g -1 ) 30 g을증류수로세척후 120 에서 5시간건조시킨다. 건조된섬유활성탄 2 g을상온에서탄산나트륨용액 (1, 3, 5, 7, 10 wt%) 200 ml에담지하여각각첨착시킨다. 첨착온도는상온 25 이며첨착시간의영향을실험하기위하여 1, 3, 6, 9, 12 h로변화시켰다. 첨착이완료된시료는 120 로 10시간건조한다. 상기의첨착활성탄제조과정을입상활성탄 (SGC-100, 대기용, 비표면적 1,200 m 2 g -1 ) 에도동일하게실시하여제조하였다. 제조된첨착활성탄은공기중의수 1. Reactor 2. Thermometer 3. Temperature controller 4. GC 5. Gas bomb 6. Mass flow controller 7. Gas mixing chamber 8. Absorption bottle 9. 3-way valve 10. Valve 11. Activated carbon (IACF, GIAC) 12. Vent hood Figure 1. Schematic diagram of experimental apparatus.

3 탄산나트륨첨착섬유활성탄을이용한황화수소의제거 115 분이나다른이물질에의해서열화, 피독되는것을방지하기위하여밀폐용기에넣어서보관하였다. 황화수소흡착능을실험하기위하여내경 2 cm, 높이 20 cm 의원통형아크릴반응기를 Figure 1과같이설치하고, 제조된탄산나트륨 IACF 및 GIAC을반응기에농도별로교환하며설치하여실험을실시하였다. 질량흐름조절기 (mass flow controller, MFC) 를이용하여황화수소를반응기에일정하게주입하고, 흡착반응후더이상흡착이이뤄지지않는흡착평형에도달하면황화수소의흐름을멈추고흡착된황화수소의농도를 flame photometric detector (FPD) 가설치된 gas chromatography (GC, HP-6890) 를이용하여분석하였다. 이때조업온도는 25 로유지하고, 유입되는황화수소의농도는 500 ppm 과 1,000 ppm으로실험하였다. 제조된첨착활성탄에첨착된탄산나트륨의양을정량적으로분석하였다. 우선첨착섬유활성탄및첨착입상활성탄을 100 µm 이하로미세하게분쇄한후시료 0.1 g과질산 5 ml를혼합하여 80 에서 30분간가열한뒤, 150 에서겔 (gel) 상태로될때까지끓여나트륨이온을용출시켰다. 용출이끝나면증류수 50 ml를넣고여과하여첨착된 Na + 의양을원자흡광광도기 (atomic absorption spectrometer, Perkin Elmer, Analyst 800) 로분석한후탄산나트륨의양으로환산하였다. 또한첨착활성탄의 BET 비표면적은질소흡착 (Micromeritics Co., GEMINI 2) 으로분석하였다. (a) (b) 3. 결과및고찰 3.1. 첨착용액의농도및 BET 비표면적변화첨착활성탄제조시가장중요시되는첨착용액농도의영향을알아보기위해탄산나트륨용액의농도를 0 wt% 부터 1, 3, 5, 7, 10 wt% 로변화시켜첨착하였다. 첨착활성탄에첨착된탄산나트륨의양은 Figure 2(a) 에나타내었다. Figure 2(a) 에서보는바와같이첨착용액의농도가증가할수록첨착되는탄산나트륨의양도증가하는것을볼수있으며, 첨착섬유활성탄 (IACF) 이첨착입상활성탄 (GIAC) 에비하여탄산나트륨첨착량이높은것으로나타났다. 이러한결과는섬유활성탄이입상활성탄에비하여높은비표면적을갖고있기때문인것으로판단된다. 또한, 3 wt% 이상 ( 즉, 3, 5, 7, 10 wt%) 의탄산나트륨용액에서제조한첨착활성탄의탄산나트륨첨착량을비교해보면그값의차이가그다지크지않음을알수있는데, 이는일반적으로첨착용액의농도가높을수록첨착율은증가하지만 3 wt% 이상의농도에서는활성탄의미세기공 (micropore) 이막히는기공충전 (pore filling) 이발생하여추가적인침착제의흡착이일어나지않는것으로판단된다. Figure 2(b) 에는첨착용액의농도변화에따른첨착활성탄비표면적의변화를표시하였다. 첨착물질의양이증가할수록 IACF 및 GIAC의비표면적이급격하게감소하는것을알수있다. 그러나 Figure 2(a) 에서 3 wt% 이상에서는첨착량의증가폭이완만해지는결과와같이비표면적의감소도 3 wt% Figure 2. (a) Na 2CO 3 impregnated amount and (b) specific surface area changes with respect to impregnated concentration. 이상에서는그다지크게일어나지않았다. 상기의실험결과를기준으로황화수소흡착실험시첨착용액의농도는 3% 를기준으로하였다 담지시간의영향및 H 2 S 흡착결과 Figure 3은첨착활성탄제조시담지시간의영향을알아본결과이다. 탄산나트륨첨착용액농도는 3 wt% 로고정하였으며, 제조한 IACF 및 GIAC에첨착된탄산나트륨을 AA로분석하였다. 그림에서보는바와같이 IACF는 GIAC에비하여탄산나트륨첨착이빠른시간에이루어지고있으며, IACF는 3시간, GIAC는 6시간첨착후에는첨착량이거의변화하지않는것으로나타났다. 이것은활성탄에첨착물질이첨착되는과정이매우빠르게진행되어일정한담지시간, 즉각각 3시간과 6시간이상의담지시간이후에는기공구조의변화를일으키긴하지만흡착능의증가에는아무런영향을주지않는다는 Klein and Henning [12] 의연구와일치한다. 따라서 IACF의경우첨착활성탄을제조하는데 3시간의담지시간이면충분한것으로판단된다.

4 116 정헌석ㆍ원용선ㆍ Devi Marietta Siregar ㆍ Sophie Kavugho Mission ㆍ임준혁 4. 결론탄산나트륨첨착섬유활성탄 (IACF) 을제조하고동일조건에서제조한탄산나트륨첨착입상활성탄 (GIAC) 과황화수소제거성능을비교, 분석한후그활용가능성을연구하였다. 탄산나트륨첨착농도를변화시키면서실험한결과, 첨착용액의농도가증가할수록첨착되는양도증가하나 3 wt% 이상에서는첨착양에변화가없는것으로나타났다. 따라서황화수소제거를위한 IACF의제조시최적의탄산나트륨용액농도는 3 wt% 인것으로판단된다. IACF의경우 GIAC에비하여담지시간이 2배가까이빠른것으로나타났으며, 황화수소제거효율도 30% 이상증가되었다. 최적의담지시간은 3시간으로판단된다. Figure 3. Na 2CO 3 impregnated amount with respect to immersion duration. 마지막으로첨착용액의농도를변화시키면서제조한 IACF 및 GIAC의 H 2S 흡착능을 Figure 4에나타내었다. 반응기에유입되는황화수소의농도는각각 500 ppm과 1,000 ppm으로하였으며온도는 25 에서실시하였다. 그림에서보는바와같이유입되는황화수소의농도에따라흡착량도증가하고있으며, IACF가 GIAC에비해서 30% 정도향상된황화수소흡착능을보이는것으로나타났다. IACF 및 GIAC 모두탄산나트륨첨착용액농도 3 wt% 까지흡착능이크게증가하는것을알수있다. 이는일반활성탄에서나타나는물리적인흡착보다는첨착된탄산나트륨와황화수소간의화학반응이전체흡착반응을지배하기때문인것으로사료된다. 또한, 3 wt% 이상의탄산나트륨용액에서첨착시킨첨착활성탄의흡착능을비교해보면 Figure 2의결과와동일하게흡착능이 z 크게변하지않는것을알수있다. Figure 4. Adsorbed H 2S amount with respect to impregnated concentration. 감사본연구는 2015년도부경대학교자율창의학술연구비의지원으로수행되었습니다. References 1. Jung, H. S., and Lee, S. H., Direction of Sharing of Environment Basic Facilities Installation and Operation between the Governments, Korea Environ. Technol. Res. Inst., Report RE-01, 1-80 (1995). 2. Jung, K. C., Industrial Poisoning Handbook, ShinKwang Publishing Co., Chap. 3 (1995). 3. Huh, M., Odor Control Technology and Estimation, Korean J. Odor Res. Eng., 2(1), 1-13 (2003). 4. Ikeda, H., Asaba, H., and Takeuchi, Y., Removal of H 2S, CH 3SH and (CH 3) 3N from Air by Use of Chemically Treated Activated Carbon, J. Chem. Eng. Japan, 21(1), (1988). 5. Lee, J.-J., Study on Equilibrium, Kinetic and Thermodynamic for Adsorption of Quinoline Yellow by Granular Activated Carbon, Clean Technol., 20(1) (2014). 6. Tanada S., Boki K., Sakaguchi K., Kitakouji M., Matsumoto K., and Yamada Y., Adsorption of Hydrogen Sulfide on N- containing Activated Carbon, Chem. Pharm. Bull., 29(6), (1981). 7. Lee, S., and Kim, D. J., Odorous Gas Removal in Biofilter with Powdered Activated Carbon and Zeolite Coated Polyurethane Foam, Clean Technol., 18(2), (2012). 8. Kwon, S. Y., An, J. M., and Park, S. J., Studies on the Treatment of Methylmercaptan by Using the Activated Carbon Fiber, Proc. Symposium of Korean Soc. Environ. Health, 10, (2013). 9. Park, S. J., Removal of Sulfur-containing Malodorous Mixed Gases by Activated Carbon Fiber, Korean J. Odor Res. Eng., 12(3), (2013). 10. Jo, W.-K., Hwang, E.-S., and Yang, S.-B., Characteristics

5 탄산나트륨첨착섬유활성탄을이용한황화수소의제거 117 of Titanium Dioxide-Impregnated Fibrous Activated Carbon and Its Application for Odorous Pollutant, Clean Technol., 17(1), (2011). 11. Han, M. H., and Huh, M. W., Characteristics of The Wastewater Treatment Processes for The Removal of Dyes in Aqueous Solution (2) - Ozonation or ACF Adsorption Treatment of Reactive Dyes, J. Korean SOC. Dyers Finishers, 19(3), (2007). 12. Klein, J., and Henning, K.-D., Catalytic Oxidation of Hydrogen Sulfides on Activated Carbons, Fuel, 63(8), (1984).

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