Applied Chemistry,
Vol. 16, No. 1, May 2012, 61-64
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제올라이트13X의 이산화탄소와 질소에 대한 흡착특성
임이랑⋅서성섭 홍익대학교 화학공학과
Adsorption Characteristics of Carbon Dioxide and Nitrogen on Zeolite 13X
Yirang Lim⋅Sung-sup Suh
Department of Chemical Engineering Hongik University
Abstract
The paper presents adsorption equilibrium of CO2 and N2 on different size of Zeolite13X at temperatures ranging from 25℃ to 60℃ and pressures up to 1 bar. Adsorption amount is measured using a static adsorption experiment apparatus. Adsorption equilibrium was reached faster at high temperatures and high pressure. The size of adsorbent particle has no effect about adsorption rate and adsorption amount. However, adsorption rate is faster in smaller adsorbent particles.
1. 서 론
이산화탄소는 지구온난화지수를 낮지만 온실가스 배출의 대부분을 이루고 있는 대표적인 지구 온난 화 가스로 이에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 공정에서 배출되는 이산화탄소의 제거 방법으로 는 흡수법, 흡착법, 막분리법 등이 있다. 이중에서도 흡착제를 이용한 흡착공정은 흡착제를 장기사용하 면서 장치의 유지 보수가 간편하고, 운전비용이 적은 장점이 있다. 이와 같은 흡착공정의 설계를 위해서 는 공정에서 사용되는 흡착제의 특성에 대한 연구가 필요하다.
본 연구에서는 정적흡착실험장치를 이용하여 입자크기가 다른 제올라이트13X를 이용하여 이산화탄 소와 질소의 온도에 따른 흡착량변화를 측정하였다. 시간에 따른 흡착량변화를 측정하여 흡착조건이 흡 착평형에 도달하는데 어떠한 영향을 미치는지 고찰하였다. 이를 토대로 흡착장치설계와 조업조건 설정 에 사용할 수 있는 제올라이트13X의 흡착특성을 알아보았다.
2. 실 험
본 연구에서 사용된 실험장치를 Fig. 1에 나타내었다. 실험장치는 크게 저장부, 흡착부, 기록부로 나 눌 수 있다. 저장부를 이루는 loading cell은 시료가스를 흡착부에 공급하기 전에 등온으로 저장하는 곳 으로 흡착부에 공급되는 기체 양을 측정한다. 흡착부를 이루는 adorption cell에는 흡착제를 넣고, 저장 부로부터 공급되는 시료가스를 흡착시킨다. 저장부와 흡착부는 항온조에 의해 등온으로 조업된다. 측정 부에서는 저장부와 흡착부에 부착되어 있는 PT와 TC로부터 압력과 온도를 측정하고 저장된다. 흡착실 험 전후의 탈착을 위해서는 흡착부를 장치로부터 분리하여 진공펌프를 이용하여 배기해주고, heating mantle로 8시간 이상 가열한다. 흡착제는 제올라이트13X-1(입자크기 1.6-2.6mm), 제올라이트13X- 2(입자크기 2.5-5mm)를 사용했으며, 흡착질은 99.99%의 N2 와 99.99%의 CO2 기체를 사용하였다.
Loading cell에 흡착질을 채운 후 온도와 압력을 측정하고 기록 한 후 기체방정식을 이용하여 몰수를
CO2 N2
Temp(℃) qs (gmol/g) b (bar-1) qs (gmol/g) b (bar-1)
25 5.704×10-3 5.807 5.48×10-2 0.00501
40 5.285×10-3 3.845 2.697×10-2 0.00849
60 5.021×10-3 2.688 0.254×10-2 0.0074
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계산한다. 초기 기상 몰수를 계산한 후 흡착제가 들어있는 공간인 adsorption cell의 밸브를 열어 흡착 공간으로 몰수를 알고 있는 기상의 물질을 자연 확산시켜 흡착평형에 도달할 때까지 방치한다. 그 후 압력이 변하지 않는 흡착평형이 이루어지면 압력 및 온도를 측정하여 기상의 몰수를 계산한다. 이렇게 측정한 몰수와 흡착전 기상의 몰수와의 차이가 흡착량으로 계산하며 평형 압력에 따른 평형 흡착량 값 을 구한다. 이후 밸브를 잠그고 loading cell에 흡착질을 좀 더 채워 넣고 앞의 실험을 반복하면서 압력 에 따른 평형흡착량을 구한다.
Temperature displayer Pressure displayer
Sample Gas
OUTPUT
Water Bath Pump Loading Cell Adsorption
Cell
PT PT
TC TC
Vent
Fig. 1. 정적흡착실험장치.
3. 결과 및 토론
진공상태로부터 1bar에 이르는 압력범위와 25℃, 40℃, 60℃의 온도에서 각각의 흡착질과 흡착제에 대하여 정적흡착실험을 수행하였다. 본 연구에서는 다음의 Langmuir 평형식을 이용하여 흡착평형식을 나타내었다.
∆
Fig. 1과 Fig. 2에 흡착제 입자크기에 따른 흡착량을 흡착량과 평형압력 사이의 관계로 나타냈다. 1 은 입자크기가 1.6-2.6mm, 2는 입자크기가 2.5-5mm의 제올라이트13X이다. 흡착제의 입자크기에 따라 흡착량이 큰 차이를 나타내지 않음을 볼 수 있다. Figs. 3, 4에 실험으로 구한 값을 점으로 표시하 고, Langmuir평형식에 fitting한 결과를 선으로 나타냈다. 실험에서 구한 흡착량과 Langmuir iso- therm에 의한 결과가 거의 일치함을 알 수 있다. Tables 1, 2에 각각의 Langmuir평형식의 상수값을 나 타냈다.
Table 1. Langmuir 평형식 상수
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제올라이트13X의 이산화탄소와 질소에 대한 흡착특성
b0(1/bar) -ΔH(J/gmol) q0(gmol/g) -E(J/gmol)
CO2 8.502×10-4 218826 1.635×10-3 30963
N2 0.2087 92499 5.89×10-8 338406
Fig. 2. 입자크기와 온도에 따른 CO2의 흡착량. Fig. 3. 입자크기와 온도에 따른 N2의 흡착량.
Fig. 4. 이산화탄소 Langmuir 평형식. Fig. 5. 질소 Langmuir 평형식.
Table 2. Langmuir 평형식 상수의 온도 의존 관계
서로 다른 조건에서 평형 압력에 도달하는 속도를 비교하기 위하여 α를 다음과 같이 정의하여 사용 하였다. α는 최종압력변화에 대비한 특정시간에서 압력변화 비율을 나타내는 fractional uptake 에 해 당되며 아래 식으로 나타낼 수 있다.
∞
P0는 초기 압력을, P∞는 평형압력을 나타낸다. Figs. 4, 5에 이산화탄소와 질소의 온도에 따른 흡착 량 변화를 도시하였다. 이산화탄소와 질소 모두 온도가 증가할수록 평형에 걸리는 시간이 짧음을 알 수 있다. 또한 이산화탄소에 비해 질소가 좀 더 빨리 흡착평형에 이르는 것을 볼 수 있는데 이를 통해 이산 화탄소보다 분자 크기가 더 작은 질소분자가 기공 내에서 더 빨리 확산이 이루어져 흡착평형에 더 빨리 도달함을 알 수 있다.
흡착평형압력별 시간에 따른 흡착량 변화를 Fig. 6에 나타냈다. 평형압력이 높을수록 흡착이 더 빠르
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게 진행됨을 볼 수 있다. 흡착제의 입자크기별 시간에 따른 흡착량 변화를 Fig.7에 나타냈다. 제올라이 트 13X의 입자크기에 따른 흡착속도의 변화는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
Fig. 6. 이산화탄소의 시간에 따른 α값 변화. Fig. 7. 질소의 시간에 따른 α값 변화.
Fig. 8. 평형압력에 따른 α값 변화. Fig. 9. 흡착제 입자크기에 따른 α값 변화.
4. 결 론
정적흡착실험장치를 이용하여 이산화탄소와 질소의 흡착특성을 알아보았다. 이산화탄소와 질소 모두 온도가 증가할수록 흡착량은 감소하였다. 이산화탄소와 질소의 흡착등온식은 Langmuir 평형식으로 충 분히 만족할 수 있다는 결과를 얻을 수 있었다.
여러 가지 변수가 흡착속도에 미치는 영향을 알아 본 결과 흡착질의 입자크기가 작을수록, 온도가 높 을수록 더 빨리 흡착평형이 이루어짐을 알 수 있었다. 또한 최종 흡착평형 압력이 높을수록 더 빨리 흡 착이 일어났다. 반면 본 실험에서 사용한 제올라이트13X의 경우 흡착제의 입자크기는 흡착속도에 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.
참고문헌
1. Mark W. Ackley , Salil U. Rege, and Himanshu Saxena, Microporous and Mesoporous Materials, 61, 25(2003).
2. Roque-malherbe, Rolando, Adsorption and Diffusion in Nanoporous Materials, 39, CRC Press, Boca Raton (2007).
