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지효 도
6 years ago
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1 탄소분자체를이용한기체분리 기술

2 목차 I. 서론 1 Ⅱ. 본론 4 기술의특성 기술개발동향 (1) 해외현황 11 (2) 국내현황 13 Ⅲ. 결론 17 참고문헌 20

3 1 탄소분자체를이용한기체분리기술 I. 서론 탄소분자체는산업발달에따른환경이오염됨에따라생성된온실가스를선택적으로분리할수있고또한효율적으로에너지를회수하여사용할수있게하므로탄소분자체제조기술의확립은매우중요하다 국내일반폐기물은 년약 톤이발생되었고 매년증가추세에있다 재활용이나소각 열분해등의중간처리과정을통한감량화는미미한수준이고대부분발생된폐기물은비교적처리가쉬운매립에의존하고있다 매립된폐기물은유기물이분해하여가스가발생하는데이산화탄소 와메탄 이대부분을차지하며 는 그리고 는 정도발생하고그외에미량의유해한휘발성유기물질및악취성분이발생한다 쓰레기매립장소에서발생되는 와 등은지구온난화를가중시키고지구환경문제로대두되고있다 따라서이러한환경오염문제를해결하고매립가스를최대한으로이용할수있는기술개발이이루어져야한다 그러나매립가스에는여러가지

4 2 고기능성소재기술 ( ) 가스가혼합되어있으므로이를선택적으로분리회수할수있는정제기술개발이확립되어야한다 국내쓰레기매립장소는 여개소이상이설치되어있으나 매립장소에서발생되는가스를효율적으로활용치못하는실정이다 이매립장소에서발생한가스를이용하기위해서는가스를포집한후발열량이높은메탄가스를얻어야한다 이를위해서는가스의분리및정제공정은필수적인기술로서 현재압력스윙흡착공정 을통해일부적용하고있으며 계속연구중에있다 압력스윙에의한가스분리공정기술개발을달성하기위해서는필요한소재인성능이우수하고사용이적합한탄소분자체 를생산할수있는기술을확보하여야한다 압력스윙흡착공정을이용하는기술은매립지가스에서 가스를분리하는기술외에도 공기분리 혼합물분리 건조 용재회수 환경오염방지등의여러분야에서활용될수있다 이를위하여첨단소재인탄소분자체개발의필요성이크게대두되고있다 탄소분자체는세공의크기가일정하게조절된탄소흡착제로서세공의크기보다작은분자만통과시키므로이분자체의특성을이용하여압력스윙흡착공정 공정 에서온실가스인 와 를분리할수있다 일반적으로탄소흡착제는다기공의활성탄과탄소분자체를들수있으며활성탄은오래전부터여러분야에서활용되어오고있으나탄소분자체는일부선진국에서만제조기술을가지고있다 탄소분자체는공기중의질소와산소를분

5 탄소분자체를이용한기체분리기술 3 리하는데많이사용되고있으며 와 의분리를위하여노력하고있다 가스분리를위한분자체의특성을제어하는데는기공의크기 분포 흡착능력 선택성등이영향을끼친다 탄소분자체는원료물질로유연탄또는폐프라스틱을택할수있으므로제올라이트분자체에비해생산단가가낮으며 화학적으로불활성상태이며소수성이므로 의전처리공정인건조공정을제외시킬수있는장점이있다 이와같은탄소분자체를이용하여 공정에서공기중의산소와질소등의가스를분리하고있으나우리나라에서아직까지는공정에사용되는탄소분자체를전량외국에서수입해사용하고있는실정이다 더욱이앞으로점차중요시되는온실가스분리를위하여탄소분자체를자체개발하여국산화시키는노력이절실하다 현재탄소분자체는전량수입에의존하며 대략년 톤이상수입하고있으나 앞으로계속증대될것이다 탄소분자체는흡착및탈착공정 에의한모든가스분리공정에필수적으로사용되어지는핵심소재부품이며 따라서탄소분자체제조기술을확립하여수입에의존하지않고국내에서생산하여사용하여야한다 원료가스또는공정가스 수소 헬륨 아르곤 염소 염화수소 탄산가스 아세틸렌 에틸렌 배출가스 중유연소폐가스 화력발전소폐가스 원자력시설폐가스 화학공장폐가스 등에서의특정가스의분리정제와그중에서도지구온난화를일으키는메탄가스 및탄산가스 의분리정제는에너지절약 환경보호측면과유용한가스의재활용등의측면에서극히중요하며 문제해결

6 4 고기능성소재기술 ( ) 을위해서효율적인가스분리 정제공정의개발이시급히요구되고있다 탄소분자체제조기술의세부기술을살피면 성형기술 탄화기술 변형기술로세분할수있다 이중에서우리나라가가장기술적으로취약한분야가변형기술이다 탄소분자체를제조하는미국 일본 독일과비교할때성형기술과탄화기술도뒤져있지만 특히변형기술은아주크게뒤져있는실정이다 제일중요한것은세공경을균일하게만드는데있다 탄산가스와이산화탄소의분리를위해서는높은경도와 의일정한세공크기를갖는탄소분자체가필요하다 Ⅱ. 본론 1. 기술의특성 탄소분자체 는세공경이균일하여특정크기의분자만통과시키는흡착제이다 석탄및야자탄을탄화시켜다량의기공을형성시키는과정에서변형제를통하여제조하는것으로일반활성탄이단위무게당흡착할수있는흡착용량만을크게하는것이목표인반면탄소분자체의흡착메카니즘은흡착속도차에의한특정크기의분자만통과시키는것이다 현재상용화되고있는탄소분자체는압력스윙흡착 공정을통하

7 탄소분자체를이용한기체분리기술 5 여공기중산소와질소를분리농축시키는데활용하고있으며석유화학산업및화공산업에분자체로서폭넓게응용될수있을뿐만아니라매립지가스를분리회수하는데활용할수있다 분리하고자하는중요한대상가스인 분자의 를 표 에표시하였다 이산화탄소는메탄에비하여흡착속도가훨씬빠르며 산소역시질소에비하여흡착속도가빠르다 이와같은분자의확산속도차이에의하여특정가스를분리할수있다 탄소분자체제조기술의가장기술적인핵심은세공크기조절기술을개발하여혼합가스의분리가가능한탄소분자체를제조하는데있다 < 표 1> 여러가스분자의 kinetic diameter 가스종류산소질소이산화탄소메탄 분자크기 (A ) 탄소흡착제의세공구조에있어서 에분류된세공의분류와명칭은세공경의크기에따라아래와같이 및 로불려지고있으며 그림 에나타내었다 흡착질분자를외부표면에서입자내에신속하게수 송할때 대문역할을하며 라칭한다

8 6 고기능성소재기술 ( ) < 그림 1> 흡착제세공분류 기체를다공성고체내부에수송하는통로역할을하며 라고부르고있다 실질적인흡착현상이이루어지는영역으로서 라고한다 분자반경과거의동일 의반경을가지는세공으로 라고한다 분자체제조기술의개발은단순히공정에적용하는의미보다는모든가스분리공정에필수적으로사용되어지는핵심소재부품의개발이라할수있다 에너지효율성이높은공정을개발하였다하더라도소재의국산화가이루어지지않는다면기술자립이실현되었다고할수없다 또한가장핵심기술을보유하지않는다면국제경쟁력에서이길수없는실정이다 현행의가스분리방법은추출증류 계추출제를이용한분리 화학흡착 銀과 화

9 탄소분자체를이용한기체분리기술 7 합물의 π 결합을이용한분리 화학흡수 銅화합물의착체를이용한흡수분리 액막흡수 흡수액을다공질막에담지시켜분리 등의방법을이용하고있으나많은에너지가필요하고고가의장치가필요하다는문제점이있다 따라서경제적이며에너지절약적인 효율적가스분리 정제공정의개발은시급하다하겠다 이러한요청에따라최근 고분자분리막 지올라이트분자체 와탄소분자체 를이용한가스분리정제공정이폭넓게연구 개발되어지고있다 의가스분리능은온도에대한영향이매우크고낮은가스투과속도때문에실용화에많은문제점을안고있다 천연가스나산업폐기가스등은보통수분을함유하고있는데지올라이트분자체 는수분의흡착으로활성이저하하기때문에급격히가스흡착능이저하하는경향이있고 평형흡착 에의해서만분리가가능하다는단점이있다 탄소분자체는고분자분리막과지올라이트분자체에비해판상구조분자에대한높은선택분리성이있고 소수성표면 내약품성 내열성 재활용이가능하다는면에서많은장점을가지고있다 탄소분자체의가스분리능과흡착능은표면에세공의크기와균일성그리고세공의구조가좌우하는데 그것들을제어하는데는많은기술적어려움이있고 그에따른탄소분자체의높은가격등이해결해야할과제이다 따라서세공의크기와구조를간단히제어

10 8 고기능성소재기술 ( ) 할수있는제조방법의개발과저가의탄소분자체를제조할수있는제조공정의개발이시급하다 따라서여러종류의혼합가스중이산화탄소만을선택적으로분리 정제할수있고이산화탄소와메탄을주성분으로하는천연가스및매립지가스에서이산화탄소와메탄을각각선택적으로분리 정제할수있는저가의탄소분자체제조에관한상용화연구가절실히필요하다 탄소분자체제조기술의요체는가격이저렴한유연탄으로부터이산화탄소 메탄분리회수용고효율탄소분자체의제조변수를확립하는데있다 즉 유연탄분말의성형화 형태는 시린더형으로높은강도 이상 를가질것 온실가스 분리회수용탄소분자체세공경조절기술정립 세공경크기는 로서 변형제및온도 시간변수정립하여야한다 그림 에서는탄소분자체의세공경크기를조절하는데있어서 가지유형을나타내었다 의경우는최초의흡착제기공이며 는세공입구및벽면에 법으로조절하였을때 모두첨착된경우이고 의경우는이상형으로서흡착제입구만열분해탄소를첨착시켜세공경을조절하는것을나타내었다

의세공표면에첨착이되는현상과 둘째 이 세공에먼저흡착이된후열분해에의해첨착이되는현상을나타내었다

11 탄소분자체를이용한기체분리기술 9 < 그림 2> 흡착제세공의첨착유형 < 그림 3> PFC 에서서로다른세공경조절메카니즘 그림 은 를이용하여탄소분자체를만드는유형으로서세공경조절에따른 가지 에관해언급하였다 첫째는열분해공정에의해화학증기로변한 분자가 의세공표면에첨착이되는현상과 둘째 이 세공에먼저흡착이된후열분해에의해첨착이되는현상을나타내었다 가스분리에서탄소분자체는높은흡착능과미세공분포에의해성능이좌우되며흡착질의분자크기와비슷한것이이상적이다 왜냐하면세공의크기보다작은분자들은빠르게세공안으로분산되어흡착이되지만더큰

12 10 고기능성소재기술 ( ) 분자는흡착이일어나지못하기때문이다 탄소분자체의원료는 계 고분자탄화 석탄계 유연탄 탄화 코크스등을기공입구를표면처리하여얻는다 다른기체분리용흡착제로는 가있으나 가스분리를위해서는탄소분자체와지올라이트분자체를들수있지만 탄소분자체는산 알카리반응에안전하며소수성이고 저렴한유연탄을원료로사용할수있는장점이있다 탄소계흡착제의물리적특성을서로다른흡착제와비교하여 표 에나타내었다 < 표 2> 서로다른흡착제의특성비교 Al 2O 3 SiO 2 activate carbon zeolite CMS particle density(g/ cm3 ) packed density(g/ cm3 ) pore volume(cc/g) surface area(m 2 /g) pore diameter(a ) 탄소분자체는주로 이하의미세공을갖는탄소흡착제이다 앞에서도언급한바와같이공기분리를위한분자체의특성을제어하는데는여러인자가있는데대표적으로기공의크기기공의분포 흡착능력 선택성등이주로영향을끼치는중요한인자들이다 문헌에나타나있는여러연구를토대로하여탄소분자체제조

13 탄소분자체를이용한기체분리기술 11 과정을보면 탄소분자체제조를위한첫단계로유연탄을 정도의입자로분쇄하고 와함께혼합한다 혼합과정에서분말과 의혼합상태를확인하고성형조건에알맞게 로배합을조절한다 이때 의양이최대 를넘지않도록한다 이는나중활성화시비표면적을감소시키는원인으로작용하기때문이다 혼합이완료된시료는압출기를이용하여성형을시키게되는데이때크기는직경이 길이 로만들고압출압력은 로유지한다 성형한후에는탄화및활성화시킨다 성형압력은경도에영향을주는것은물론 세공경에도영향을주는것으로알려져있다 탄소분자체제조에있어서온도의변화가많은변수로작용하게된다 물질의탄화 활성화및변형제를이용한세공경조절반응등이모두온도및압력에의해서변수로작용한다 2. 기술개발동향 (1) 해외현황 현재세계적으로가스의분리 정제는상대적으로높은압력에서흡착을시키고낮은압력에서탈착재생시키는압력스윙흡착 공정이널리보급되어가는추세이다 외국에서도 회수용 공정에는실용화예가적은데질소 수소 등고흡착성분회수용 공정이실용화되었으므

14 12 고기능성소재기술 ( ) 로공정으로는거의완성단계에도달했다고생각할수있으나 고선택성흡착제의개발에대한여지가아직많이남아있다 와 의 분리공정은널리보급되어있지않으나 일본의일본강관과신일본제철에서제철소배가스를대상으로한 회수용 기가실용화되어있고 일본의서부가스에서는대체천연가스제조시에고순도의 와 을얻는공정이실용화되어있다 미국의 사에서는매립지가스로부터 와 을분리회수하는공정도개발하였다 유럽의네덜란드에서는 와 두지역에서 와 을 공정에의하여분리하여메탄가스를연료로회수활용하고있다 이두곳에서는흡수분리제로서탄소분자체와제올라이트분자체를공용하고있으나자체생산하고있지는못하다 전술한바와같이 분리 정제를위한 공정자체는완성단계에있으나 의성능을좌우하는고선택성탄소분자체의개발은선진국에서도지속적으로활발히연구개발중에있다 세계적으로탄소분자체를상업적으로생산하는회사는독일의 와미국의 과 사그리고일본의 및 사등이있다 추가적으로현재연구추세가기존의탄소흡착제개발에서탄소분리막분야의연구도지속적으로추진되고있는실정이다 외 인은 에서 을제조한실험결과를최신 학술지에언급하였으며 외 인역시 년학술지에

15 탄소분자체를이용한기체분리기술 13 로부터 제조에관해발표하였다 (2) 국내현황 국내탄소분자체특허조사를검색한결과탄소분자체이용및공정기술에관한특허와분자체제조에관한특허모두총 건이었으며 이들 건의특허가운데외국회사가등록한것은 건이었다 또한탄소분자체제조기술에관한특허는총 건중에서 건을차지한다 국내에서 를이용한가스 수소 이산화탄소 산소 질소 분리및정제연구는한국에너지기술연구원을중심으로연구가되고있으나주로공정개발에대해서만연구개발하고있으며 및 분리회수용고선택성탄소분자체의개발은국내에서아직체계적으로연구되지못하고있는실정이다 국내기업으로서는대성산소 주 에서제올라이트를이용한산소및질소 장치산업에주력하고있으나 외산흡착제의수입단가의폭등으로국산흡착제의원활한공급을희망하는실정이며 한국에너지산업 주 는 공정장치산업에주력하고있으나 이또한분자체의국산화를요구하는실정이다 종합적으로산업가스의수요가급증하는추세에서국내의흡착제제조실정은미약하여 전량수입에의존하는실정이다 특히분자체탄소는선진국에서기술이전을꺼리는기술로서 구입을원할때 공정장치를같이구입할수밖에없는실정이므로이의국산화는정책적으로추진되어야할것이다

16 14 고기능성소재기술 ( ) 국내탄소분자체제조와관련한특허는몇건이있으나 고효율메탄 이산화탄소분리 정제용탄소분자체관련특허는전무한실정이다 고전적인탄소분자체의제조는물리 화학적인활성화에의해이루어진전구체를이용하여미세공에흡착된탄화수소의 과탄소의탈착 변형제를이용한열처리온도변화에의해이루어진다 이에속하는국내특허로는유종성외 인이발명한한국특허 에서는 액상의탄소전구체를이용한균일크기의규칙성을가진다공성탄소분자체의제조방법 을언급하였다 본발명은액상의탄소전구체를이용한균일크기의규칙성을가진다공성탄소분자체의제조방법에관한것으로서 구형실리카를적층시켜실리카콜로이달결정주형을만들고 상기제조된주형의주변및내부의틈사이로액상의탄소전구체를주입한후비활성기체하 에서탄소화반응을시켜탄소 주형복합물을얻은다음 용액에넣어주형만을녹이고제거하는것을특징으로하는다공성탄소분자체의제조방법으로세공크기를균일하게얻을수있다고주장한다 또한한국과학기술원의한국특허 에서는 구조규칙성탄소분자체물질 이의제조방법및이의용도 에관해언급하였다 이특허에서는분자체물질에탄수화물의수용액과산의혼합물을흡착시키거나고분자의전구체를포함하는유기물을흡착시키는 단계 상기 단계에서분자체기공내에흡착된흡착물들을건조및중합시키는 단계 상기 단계에서형성된분자체물질과중합된흡착물의혼합물에다시추가의탄수화

17 탄소분자체를이용한기체분리기술 15 물의수용액과산의혼합물또는고분자의전구체를포함하는유기물을재흡착시켜건조및중합시키는 단계 상기 단계에서의혼합물을열분해시켜탄소화시키는 단계및상기 단계에서의탄소화된혼합물에서분자체의무기물골격을불산또는수산화나트륨수용액으로제거시키는단계로제조된탄소분자체물질 이의제조방법및이의용도즉 촉매 흡착제 담지체 센서 전극물질등에적용할수있다고설명하였다 그리고탄소분자체분리막제조에관한특허와복합분자체에관한특허로서는한양대의한국특허 에서 다공성탄소분자체분리막의제조방법 에관해설명하였다 이특허에서는용매및비용매존재하에서다공성비대칭분리막을제조하는단계와상기비대칭분리막을 의승온속도로 까지승온시킨다음 의승온속도로안정화시키는단계및상기안정화된비대칭분리막을 분의속도로 까지승온시켜탄소화시키는단계를포함하는다공성탄소분자체분리막의제조방법에관한것으로서 상기분리막은산소 질소 메탄또는이산화탄소와같은기체를효율적으로분리할수있다 또한한국특허 에서는화학연구원이 복합분자체화합물의제조방법 에관해언급하였는데 이는활성탄의기공내에서결정성알루미노실리케이트를생성시켜친수및친유성흡착특성을동시에갖고있어수처리제 탈취제 항균및살균제 유기물흡착제 수분흡착제 담배필터용기재 공기분리제등의폭넓은용도로사용될수있다고설명하였다 기상분리에관한특허

18 16 고기능성소재기술 ( ) 는한국특허 에서한국에너지기술연구원이 휘발성유기물질을이용한탄소분자체제조방법 에관해설명하 였다 < 표 3> 회사 / 기관별탄소분자체관련국내특허수 회사 / 기관이름 탄소분자체관련특허수 탄소분자체제조특허수 한국에너지기술연구원 3 2 과학기술원 1 1 한양대 1 1 닛본산소 ( 주 ) 1 1 스미모또세이까가가꾸 ( 주 ) 2 0 다께다야꾸힌고교 ( 주 ) 1 0 Air products & chemicals Inc. 2 1 UOP Inc. 1 0 Calgon Corp 3 3 세이데쯔가가꾸고교 ( 주 ) 1 0 유종성외 2인 1 1 합계 이는화학증착법으로휘발성유기물질을사용하여 공기중의질소분리와이산화탄소및메탄가스를분리농축 그리고에탄올의정제에사용하고자하였으며 제조방법으로는야자껍질을원료로한분말을접착제인펄프폐액 석탄타르피치 와전분및식용유로제립하여직경이 인실린더형

19 탄소분자체를이용한기체분리기술 17 탄소제립물을만든후 온도하에서건조시킨후회전탄화로를이용하여탄화온도가 에서 까지 단계로열을가하는것과 시료의체류시간이 시간동안 리터 분의유량으로병류의질소및알곤을사용한불활성가스분위기에서실린더형탄화제립물을만드는것이다 표 에서는국내탄소분자체관련특허를등록시킨국내외회사 기관및특허수를나타내었다 Ⅲ. 결론 매립지에서발생되는가스에서 와 을동시에분리하고정제하여열량이높은 을도시가스로사용할수있으며 는산업공정가스로활용할수있다 국내에서 가주로발생하는곳은석유정제공정 암모니아합성공정 석유화학공정 제철소의부생가스 화력발전소의배가스 주정공장의에탄올발효공정등이다 이곳에탄소분자체를이용한 장치를설치하여 를분리및정제하여산업공정가스로활용이가능하다 식가스분리공정은국내에서도개발되어 규모의운전을마친단계에있으므로성능이우수한탄소분자체만국내에서개발하면별다른공정상의추가기술의개발없이곧바로산업화가가능하다 그러므로탄소분자체제조기술확립을위한노력이절실히요구된다 뿐만아니라원료에무관하게세공경조절기술을통하여분자체를개발할

20 18 고기능성소재기술 ( ) 때에는기상뿐만아니라 를통해흡착분리가가능한액상용으로사용할수가있다 가스분리및정제용흡착제는현재전량 수입에의존하고있는실정으로서이의개발은절대적으로필요한실정이다 특히탄소분자체는미활용에너지를활용하는차원에서매립지가스를에너지화시키는데실질적으로활용할수있다 탄소분자체는현재효율성면에서비교할시세계적으로독일과미국그리고일본의 개사에서생산되는제품이공정에적용되고있으므로국산화에성공할경우상당량의탄소분자체수출이가능하다 뿐만아니라탄소분자체의국산화개발은현행의가스분리 정제장치및설비의설치비용과운전비를대폭감소시킬수있고산업폐가스의공정가스에로의활용에도기여하게되므로환경문제해결에대한도움과공해문제에대한산업체의부담을절감하여줄것으로기대된다 또한국내 의시장은연간약 만톤정도로 의분리 정제는환경보전차원뿐만아니라산업공정가스로도유용하게사용될수있으며 추후핏치를이용한탄소분자체의개발로이어진다면원료가되는석탄계의콜타르와석유계의중질유등이국내에서막대한양이부산물로생산되어지고있으므로산업폐기물의재활용에기여하게된다 탄소분자체제조기술이확립될때는공장폐수처리 공장내에기화된용매의회수 탈취및제습 공장폐가스의 제거등에널리이용될수있으므로환경보존기술의발달에도크게기여할수있으며 세공크기를균일하게제어하는공정의개발은 의선택적분리정제뿐아니라수소 헬륨 아르곤 염소 염화수소 탄산가

21 탄소분자체를이용한기체분리기술 19 스 아세틸렌 에틸렌등의원료가스또는공정가스의선택적분리기술에도이용될수있으므로가스정제기술의발전에기여할수있다 세공크기가조절된탄소분자체는초고용량 연료전지 리튬이온 차전지등과같은에너지저장장치의핵심기술인탄소전극의제조기술에그대로이용될수있으므로차세대신형전지및대체에너지기술의발달에기여가가능하다

22 20 고기능성소재기술 ( ) 참고문헌 환경관리공단 청정개발체재를통한온실가스저감및매립가스자원화방안

23 참고문헌 21

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- 2 - 작품번호 37 Solar material 로쓰일수있는검정색물질의재발견! 출품분야학생부출품부문화학 2009. 5. 13 시 군 학교 ( 소속 ) 학년 ( 직위 ) 성 명 성남시풍생중학교 2 김호기, 이희원 지도교사풍생중학교교사김경원 - 1 - - 2 - - 3 - - 4 - - 5 - - 6 - - 7 - 석탄은주로탄소로구성되어있고, 수소와산소가들어있다. 이밖에질소