† 교신저자, 한국철도기술연구원, 철도환경연구실 E-mail : [email protected]
이온교환한 제올라이트를 이용한 객실용 이산화탄소 저감방안 연구
Study on the Removal of Carbon Dioxide in Passenger Cabin using Ion-Exchanged Zeolites
조영민† 최진식* 권순박* 박덕신* 이지윤* 김희만**
Youngmin Cho Jin-Shik Choi Soon-Bark Kwon Duck-Shin Park Ji-Yun Lee Hee-Man Kim
ABSTRACT
Carbon dioxide concentration of railroad passenger cabin is obliged to be kept lower than guideline values of 'Indoor air quality guideline for public transportations', but actual carbon dioxide concentration frequently exceeds this guideline value. Ventilation is most desirable to lower carbon dioxide concentration but there are some cases when the ventilation is not applicable. In this study, carbon dioxide concentration control method using adsorbents was presented. The cation of zeolites were exchanged with various kinds of cations, and the carbon dioxide adsorption performance of the zeolites were studied. The various kinds of cations, solvents, and zeolites were introduced, and it was found that some cation-exchanged zeolites showed good carbon dioxide adsorption performances. It is expected that the obtained results will be used to lower carbon dioxide concentration of railroad passenger cabin.
1. 서론
고유가 시대를 맞이하여 철도차량을 이용하는 승객수가 점차 늘어나는 추세에 있다. 또한 시민들의 삶의 질이 높아짐에 따라 철도차량 객실의 이산화탄소 농도는 ‘대중교통수단의 실 내공기질 가이드라인’에 의하여 일정 수준 이하로 유지하도록 하고 있다. 그러나 실제 객실 의 이산화탄소 농도는 러시아워와 같은 절정기에는 이산화탄소 농도가 기준값을 초과하는 경우가 많다. 차량 내부의 이산화탄소 농도를 낮추기 위해서는 환기가 가장 바람직하지만, 환기가 어려운 경우에는 낮출 수 있는 방법이 없다. 이에 본 연구에서는 이산화탄소 흡착제 를 이용한 객실 내부의 이산화탄소 농도 제어방안을 제시하고자 한다.
이산화탄소 흡착제는 활성탄, 탄소분자체, 알루미늄 산화물 등 여러 종류가 있으나 그 중 제올라이트 분자체는 경제성과 우수한 성능을 갖고 있다. 제올라이트는 실리콘과 알루미늄 원자가 산소 원자와 정사면체 배위 구조를 이루며 결합한 결정성 알루미노실리케이트 (crystalline aluminosilicate)라고 부른다. 제올라이트의 이산화탄소에 대한 선택적 흡착은 온 도, 압력, 기공 크기 및 비표면적 등에 영향을 받는다. 본 연구에서는 A타입의 제올라이트를 대상으로 양이온의 종류와 용매의 종류를 다양하게 하여 이온 교환한 후 이들 흡착제의 흡
착특성을 연구하였다.
2. 본론
2.1 실험방법 2.1.1 이온교환
이온교환이 될 모체 제올라이트는 3A, 4A, 5A(UOP) 제품을 사용하였다. 교환할 이온은 알칼리금속이온(Li1+, K1+)과 알칼리토금속이온(Ca2+, Mg2+)으로 하였다. 금속염 수용액을 만 들기 위해 LiCl, CH3COOK, Ca(CH3COO)2, Mg(CH3COO)2 시약을 전구물질로 하여 증류수 에 1~3몰농도로 용해시켰다. 제올라이트와 수용액의 중량비율은 1:10으로 하여 함침 후, 교 반기를 사용하여 70~80℃에서 24시간 동안 교반 하였다. 이온교환을 마친 제올라이트는 증 류수로 세척한 후 잔류물을 없앤 후, 소성기의 온도를 2℃/분 속도로 400℃까지 상승시켜 최고 온도에서 2시간 동안 소성을 하였다.
2.2.2 흡착 실험
이온교환된 제올라이트는 한국철도기술연구원에서 제작한 이산화탄소 흡착성능 평가시스 템을 이용하여 흡착 성능을 실험하였다. 시스템은 봄베에서 나온 질소가스와 이산화탄소 가 스를 각각의 MFC로 유량을 조절하였고, 이후 혼합기를 거치며 혼합가스로 만들어진다.
질소의 유량은 3LPM으로 하였고, 바이패스를 이용하여 혼합가스를 NDIR방식의 이산화탄 소 센서(SenseAir, ASEN ALARM)로 흘려보내 실시간으로 농도를 확인하면서, 이산화탄소 가스의 유량을 MFC로 조절하여 초기 농도인 5000ppm을 설정하였다. 조건을 맞춘 후 흡착 제 30g을 반응기에 넣고, 혼합가스의 방향을 반응기로 바꾸어 상온·상압조건에서 흡착반응 을 유도하고 실시간으로 농도를 확인 및 저장할 수 있게 하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 이온교환 한 제올라이트의 이산화탄소 흡착 특성
제올라이트 3A를 이온교환하여 이산화탄소 가스 5000ppm의 조건에서 흡착시험을 하여 그림 2에 나타냈다. 이온 교환한 각각의 시료의 흡착곡선을 비교해 보면, 초기의 흡착 반응 이 일어나면서 Ca 이온으로 교환한 Ca-3A 시료가 다른 시료보다 초기 농도가 많이 떨어지 는 모습을 볼 수 있다. 이것으로 다른 시료보다 흡착능이 좋다는 것을 확인 할 수 있었다.
또한 같은 알칼리 토금속 Mg 이온으로 교환한 3A-Mg 시료의 흡착능이 높은 것으로 나타 났는데, 이것으로 제올라이트 3A는 알칼리 금속보다 알칼리 토금속으로 이온교환 하였을 때, 더 나은 성능을 보여 주는 것을 알 수 있다.
0 20 40 60 80 100 120
0 1000 2000 3000 4000 5000
C O
2C o n ce n tr a tio n ( p p m )
Time (min)
Ca Mg K Li
그림 2. 이온교환한 제올라이트 3A의 이산화탄소 흡착 곡선
제올라이트 4A를 이온교환하여 5000ppm의 이산화탄소 가스를 흡착 한 결과를 그림 3에 나타냈다. 각각의 이온으로 교환한 제올라이트 4A 시료의 흡착능을 순서대로 나열하면 Ca-4A > Li-4A > Mg-4A > K-4A 순으로 나타났다. 제올라이트 3A경우와 마찬가지로 Ca로 이온교화하였을 때 가장 효과가 좋았다.
0 20 40 60 80 100 120 0
1000 2000 3000 4000 5000
C O
2C o n ce n tr a tio n ( p p m )
Time (min)
Ca Li Mg K
그림 3. 이온 교환한 제올라이트 4A의 이산화탄소 흡착 곡선
3.2 용매의 변화에 따른 이산화탄소 흡착 특성
제올라이트를 Ca 이온으로 교환하였을 시 가장 좋은 성능을 나타내는 것을 확인하였다.
5A 경우에도 마찬가지였다. 그러나 5A의 경우 이온 교환 시 물과의 반응성이 높아 구형의 입자가 크랙이 발생하여 분쇄되는 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 기존의 이온 교환 시 증류수만 이용하였던 것을 물 이외에 알콜을 섞어 이온교환을 하였다.
먼저 물과 전구체를 1몰농도로 만든 후, 용매(IPA, EtOH, MetOH, Toluene)와 1:1 부피비로 섞어 이온교환을 하였다. 교환이 끝난 후 세척과 소성을 한 후 이산화탄소 흡착 성능을 알 아보았다.
IPA로 이온 교환한 시료의 흡착 성능이 가장 좋은 것으로 나타났고, 나머지 시료들 (Toluene, EtOH, MetOH, Water)과 증류수를 사용한 시료의 흡착 곡선은 유사하게 나타났 다.
0 20 40 60 80 100 120 0
1000 2000 3000 4000 5000
C O
2C o n ce n tr a tio n ( p p m )
Time (min)
IPA Toluene MetOH Water EtOH
그림 4. 제올라이트 5A의 이온 교환 용매 변화에 따른 이산화탄소 흡착 곡선
물과 전구물질의 혼합 비율을 3몰농도로 하여 용매와 섞어 이온교환을 하였다. EtOH의 경우가 가장 좋은 흡착능을 보여주었고, 나머지 용매 및 증류수를 이용한 시료들의 결과가 유사하게 나타났다. 몰농도에 따른 이산화탄소 흡착 시간을 비교해 보면, 1몰농도의 경우 70 분 정도 이지만, 3몰농도의 경우 이산화탄소 흡착 시간이 80분 이상으로 증가하였다. 이를 통하여 이온 교환 수용액의 몰농도가 흡착성능 향상에 도움이 되는 것으로 나타났다.
0 20 40 60 80 100 120 0
1000 2000 3000 4000 5000
C O
2C o n ce n tr a tio n ( p p m )
Time (min)
WAter EtOH MetOH IPA
그림 5. 제올라이트 5A를 3몰농도로 이온 교환한 시료의 이산화탄소 흡착 곡선
4. 결론
양이온의 종류, 용매의 종류, 제올라이트의 종류를 다양하게 변화시켜 실험한 결과 Ca 이온으로 교환한 경우, 수용액의 전구물질 농도가 증가하였을 시 흡착성능이 더욱 우수해지 는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구결과는 철도차량 객실의 쾌적성을 위한 이산화탄소 저감 방안에 적용시 효과를 증대 할 수 있을 것으로 기대된다.
감사의 글
본 연구는 국토해양부 미래도시철도기술개발사업(도시철도 터널 및 차량의 공기질 개선기 술개발 연구단) 및 2010년도 교육과학기술부의 재원으로 휴먼인지 환경사업본부-신기술융합형 성장동력사업의 지원을 받아 수행된 연구(No. 2010K001142)입니다.
참고문헌
1. 이경미, 조영민, “양이온 함침 활성탄에서의 저농도 이산화탄소 상온 흡착특성,” 한국대기 환경학회지, 제25권, 4호, pp.316-324, 2009.
