http://dx.doi.org/10.15250/joie.2015.14.1.41 ISSN 2288-923X (Online)
CO2 포집용 활성탄소섬유 흡착제 제조를 위한 알칼리 활성화 연구
황수현·최상인·박해우·조영민*
경희대학교 환경공학과
Alkali activation of activated carbon fiber for CO2 adsorption
Su-Hyun Hwang·Sang-in Choi·Hae-Woo Park·Young-Min Jo*
Department of Environmental Science and Engineering, KyungHee University (Received 11 February, 2015; Revised 27 February, 2015; Accepted 12 March, 2015)
Abstract
Activated carbon fibers(ACFs) were prepared in this research from a polyacrylonitrile(PAN) precursor with the KOH(1~4 M) pretreatment and following activation at 800oC in a lab-scale. The sample ACFs were characterized according to their textural properties, and evaluated for CO2 adsorption capacity. The surface area and pore volume of ACFs increased according to the pretreatment with KOH; for example, 4M-KOH aqueous solution resulted in 1552.5 m2/g specific surface area and 0.605 cc/g pore volume. It also showed high CO2 adsorption amount(3.11 mmol/g) which showed a proportional increase with reaction pressure.
Keywords : Activated carbon fiber, Textural analysis, Alkali activation, CO2 adsorption
1. 서 론
다중이용시설 등의 실내공기질관리법이 현재 시행되 고 있는 바, CO2도 실내공기질 지표물질로 지정되어 있다. 다양한 실내공간의 CO2 농도는 실외(약 340 ppm) 대비 최고 10 배 이상 높은 수준으로 나타나기도 한다(Cho et al., 2011). 인체활동에 직접적으로 영향을 줄 수 있는 실내공기의 특수성을 고려한 실내공기질 관리 방안은 매우 까다로울 수 있으며, CO2의 경우 연 소공정으로부터 배출되는 대형발생원과는 달리 상대적 으로 저농도인 실내 환경 수준에서 특히 효율적인 제 어가 필수적이다. 이를 위한 건식의 선택적 흡착공정이 부분적으로 연구되고, 다양한 흡착제가 개발되고 있다 (Hong et al., 2013).
활성탄은 미세공(micropore)이 잘 발달해 있어서 매 우 유용한 흡착제로 다양하게 활용되고 있지만, 설비의 대형화, 느린 흡착속도, 불균일한 세공크기, 낮은 선택 성 등의 한계를 지니고 있다. 따라서 최근 활성탄의 단
점을 극복할 수 있는 활성탄소섬유(activated carbon fiber)가 CO2 포집을 위해 종종 연구되고 있다(Yue et al., 2002; Kim et al., 1999; Kim et al., 2002). 즉, 활 성탄소섬유는 활성탄에 비하여 미세공이 체계적으로 이루어져있고, 상대적으로 세공의 크기가 균일하며, 매 우 빠른 흡착속도를 가진다. 이러한 활성탄소섬유를 제 조하기 위한 전구물질로는 페놀수지계, 핏치계, PAN(polyacrylonitirle)계 섬유를 사용하며, 이러한 초 기 원료물질에 따라 세공의 크기 및 분포를 조절할 수 있다(Carrott et al., 2001; Bikshapathi et al., 2011).
활성탄소섬유의 활성화 방법에는 물리적 활성화와 화 학적 활성화가 있으며, 물리적 활성화보다는 화학적 활 성화 방법을 많이 사용하고 있다(Teng and Lin, 1998).
즉, 화학적 활성화를 채택할 경우, 낮은 온도에서 열처 리가 가능하고, 공정을 단순화시킬 수 있으며, 물리적 활성화에 비해 높은 수율 및 비표면적을 제공할 수 있 다. 일반적으로 자주 사용되는 활성화제로는 H3PO4, ZnCl2, KOH, NaOH 등이 있다(Lillo-Rodenas et al., 2003; Park and Kim, 2001; Park et al., 2014). 그러나 활성탄소섬유의 활용도가 적고, 시장규모가 크지 않기
*Corresponding author
Tel : +82-31-201-2485 E-mail : [email protected]
때문에 국내에서는 대체로 수입에 의존하거나 매우 제 한적인 시험제조 수준에 머물러 있다. 아울러 기존의 활성탄소섬유를 이용한 CO2를 비롯한 유해가스 포집 연구 또한 외국제품의 표면처리의 효율성에 국한되어 있다(Moon et al., 2005). 활성탄소섬유의 제조에서 활 성화 공정이 가장 중요하고, 안정된 수율과 비표면적을 얻을 수 있도록 공정을 구성하는 것이 바람직하다. 따 라서 본 연구에서는 활성탄소섬유(ACF)를 실험실 규 모로 직접 제조함으로써 섬유 표면 및 세공의 구조를 고찰하고, CO2 흡착 성능을 평가해보고자 하였다.
KOH 수용액을 활성제로 이용하였으며, 제조 조건에 따른 활성탄소섬유의 비표면적과 세공분포를 관찰하고, 흡착제로서의 물성을 갖추었는가를 판단하기 위하여 저온 질소를 이용한 등온흡착능을 고찰한 후, 10%
CO2흐름에 대한 흡착량을 측정해보았다.
2. 실험방법
2.1 활성탄소섬유 제조
활성탄소섬유 제조를 위한 초기 시작물질로는 중국 Q사의 폴리머 섬유소재인 polyacrylonitrile(PAN)을 사 용하였으며, 230oC에서 1차 산화시킨 후, KOH로 1차 활성화를 위한 전처리를 실시하고, 700, 800, 900oC에 서 활성화시킴으로써 완성하였다(Lillo-Radenas et al., 2004; Mangun et al., 2001; Lee et al., 2014; Valente- Nabais et al., 2004). 이때, KOH 수용액의 농도가 ACF 활성화에 주는 영향을 중점적으로 고찰하기 위하 여 Table 1에 요약한 바와 같이 KOH 용액의 농도를 0.5 M에서 4 M까지 변화를 주었고, 활성화 온도를 다 양하게 변화시켜가며 관찰하였다.
2.2 측정 및 분석
제조된 활성탄소섬유를 SEM(Scanning Electron Microscope, Streoscan 440, Leica Cambridge, UK)을 통하여 섬유의 형태와 표면상태 및 외경을 관찰하였다.
비표면적을 비롯한 특성을 비표면적측정기(BET, Bel- sorb-mini, BEL, Japan)를 이용하여 측정하였다. 분석 으로부터 얻어진 질소 등온흡착선으로부터 비표면적을 산출하였으며, BJH식(Barrett-Joyner-Halenda equation) 을 통하여 중세공의 표면적 및 부피를 측정하였다. 미 세공의 표면적 및 부피는 총 표면적과 부피로부터 중 세공의 값을 제외한 차이를 통하여 구하였다. 또한 MP method(Micropore analysis)를 통하여 미세공의 크 기분포를 측정하였다. 제조된 활성탄소섬유의 원소성 분은 EA(Elemental Analyzer, Flash EA1112, Thermo
scientific. INC, USA)를 이용하여 측정하였다. 원소분 석을 통하여 산화 및 활성화 과정을 거친 섬유의 탄소, 질소, 수소, 산소의 함량을 분석함으로써 ACF의 화학 구조를 추적하였다. 열중량분석(Thermogravimetry Anal- ysis, TGA Q5000 IR, TA instruments, UK)은 전구물 질인 PAN(polyacrylonitirle)과 산화처리된 PAN, 활성 탄소섬유의 온도 상승에 따른 무게변화를 측정할 수 있 고, 온도변화에 따른 열적 안정성을 추정할 수 있었다.
2.3 CO2 흡착능
CO2흡착실험은 상온에서 수행하였으며, Fig. 1과 같이 고정층 흡착장치를 구성하였다. 고순도 실린더 CO2 가스를 질소로 희석하여 10%의 시험농도를 유지 하였다. 흡착 반응기는 스테인리스 소재로 원통형(2.5 cm× 15 cm)으로 구성하였으며, 0.3~0.5 g의 활성탄소 섬유를 채워 넣었다. 이후 반응기로 정해진 양의 CO2
Table 1. Preparation summary of activated carbon fiber samples
Sample ID KOH concentration (M)
Activation Temperature (oC)
1 0.5 700
2 1
3 4
4 0.5 800
5 1
6 2
7 4
8 0.5 900
9 1
10 4
Fig. 1. Schematic lay-out of CO2 adsorption test.
를 흘려주면서 반응기의 내부 압력에 따른 CO2의 유 입, 유출농도를 비교하여 흡착량을 산출하였다.
3. 결과 및 고찰
ACF를 이용한 CO2포집 연구는 대체로 기존의 ACF 를 표면처리하여 흡착율을 향상시키는데 초점을 맞추 고 있다. 본 연구는 CO2 분자에 유효한 세공구조를 설 계하여 CO2 흡착 선택도를 높이고, TSA(Thermal Swing Adsorption) 공정에 의한 재생이 용이한 흡착제 제조가 궁극적인 목표인 바, 실험실 규모로 ACF를 다양한 조 건에서 직접 제조함으로써 세공 형성에 영향을 주는 중요한 인자들을 도출하고자 하였다.
3.1 활성탄소섬유 시료의 표면세공 특성
시험제조한 활성탄소섬유의 표면 특성은 BJH식을 통하여 세공의 표면적을 구하여 총 세공부피와의 차이 를 통해 약 2 nm 이하의 미세공(micropores)의 부피를 산정함으로써 고찰하였다. BJH식은 모든 기공은 서로 교차하지 않는 원통형이며, 접촉각이 0인 반구 모양의 접촉표면은 완전히 젖어있고, 복층 흡착에 대한 보정이 타당성을 갖는다고 가정하며, Kelvin식을 기초로 하여 식(1)로 나타낸다. 각 시료의 비표면적 및 세공부피를 Table 2에 요약하였으며, 비표면적 및 세공의 크기분포 는 Fig. 2와 Fig. 3에 나타내었다. 비표면적과 세공부피 는 활성화온도와 KOH의 농도로부터 영향을 받는 것 으로 나타났으며, 시험 제조한 시료의 총 비표면적 (SBET)은 KOH 용액의 농도와 비례하고, 활성탄에 비하 여 훨씬 넓게 형성됨을 알 수 있다. 즉, 4 M KOH 수 용액으로 활성화 전처리한 시료의 최대 비표면적은 1552.5 m2/g이었고, 그 가운데 micro 세공 면적은 1510.1
m2/g이었다.
본 연구에서 준비한 KOH 수용액은 충분한 양의 칼 륨 성분이 용해되어 있으면서 활성탄소섬유의 탄소성 분과 결합하여 탄산칼륨 형태로 추출되면서 활성탄소 섬유 표면에 결합구조를 형성하는 듯하다. 이러한 과 정을 통하여 탄소층과 반응하여 새로운 세공을 형성하 거나 닫혀있던 세공을 재생하게 되며, 비표면적과 세 공부피가 증가하게 된다. 이러한 세공형성은 반응식 (2)~(4)에서와 같은 과정을 거쳐 발생하는 것으로 예상 해볼 수 있다(Park et al., 2014; Moon et al., 2007). 따 라서 미세하지만 세공크기는 1.50 nm에서 1.57 nm까 지 KOH 수용액 농도에 따라 꾸준히 증가함을 알 수 있다.
활성화온도에 따른 활성탄소섬유의 비표면적과 세공 부피는 700oC보다 800oC에서 높은 비표면적과 세공부 피가 형성되는 것을 보여주고 있다. 그러나 900oC의 온도 분위기에서는 비표면적과 세공부피는 오히려 약 간 감소하게 된다. 이는 탄소층과 과도하게 반응하여 비표면적이나 세공부피의 증가로 이어지지 않고 오히 려 세공이 파괴되면서 소멸되기 때문인 것으로 추정된 다(Kim et al., 1999).
Fig. 2에 도시한 세공의 분포는 MP method를 통하 여 측정한 결과이다. MP method는 t-plot에서의 굴곡 으로부터 세공의 분포를 측정한다. MP plot의 첫 번째 점과 두 번째 점을 이은 직선보다 두 번째 점과 세 번 째 점을 이은 직선의 기울기가 더 작아야한다. 이는 세 공이 흡착질로 채워지기 때문에 후자의 직선 기울기가 작아진다. 0.3 nm에서 1.0 nm 크기 범위 내에 존재하 는 세공의 부피분포는 KOH 수용액 농도와 비례하되, 최적 활성화 온도는 800oC로 나타났다. 이 가운데 마 이크로 규모의 미세세공이 차지하는 비율은 총부피의
Table 2. Textural characteristics of test ACF samples
Sample No. SBETa (m2/g) VTb (cc/g) dpc (nm) Amesod (m2/g) Amicroe (m2/g)
1 714.9 0.277 1.55 11.6 703.3
2 878.5 0.367 1.57 15.5 863
3 1442.5 0.565 1.57 32.2 1410.3
4 981.4 0.364 1.49 3.7 977.7
5 1115.6 0.424 1.52 16.348 1099.3
6 1234.5 0.473 1.53 21.096 1213.4
7 1552.5 0.605 1.55 42.4 1510.1
8 801.2 0.313 1.56 24.4 776.8
9 964.2 0.379 1.57 21.2 943
10 1190.8 0.452 1.52 14.9 1175.9
aSpecific surface area, bTotal pore volume, cAverage pore diameter, dMesopore surface area, eMicropore surface area
97~98%에 해당하며, KOH 수용액의 농도가 높아질수 록 우측으로 이동하여 세공의 평균크기가 증가하는 것 을 보여주었다. 즉, 넓은 크기의 세공이 차지하는 비율
이 높아지면서 평균 세공 크기가 증가하며, 본 연구에 서 목표하는 CO2 흡착에 매우 유효한 것으로 판단된 다(Bikshapathi et al., 2011; Meng and Park, 2010).
Fig. 2. Pore size distribution of activated carbon fibers : (a) 700oC, (b) 800oC, (c) 900oC.
Fig. 3. N2 adsorption isotherm curves of activated carbon fibers : (a) 700oC, (b) 800oC, (c) 900oC.
(1)
rp : pore radius, rK : inner caillary radius
Vp : pore volume, Δt : thickness of adsorbed layer of N2
Ac : area exposed by the pore
6KOH + 2C → 2K + 3H2 + 2K2CO3 (2) K2CO3 + C → K2O + 2CO (3) K2O + C → 2K + CO (4) 흡착량을 정량적으로 표현하기 위하여 일정한 온도 에서 흡착반응기 내부의 압력변화에 대하여 대상 가스 분자의 흡착 변화량을 나타내는 선을 등온흡착선이라 고 하며, 일반적으로 질소를 77 K에서 흡착하여 측정 하는 등온흡착선은 다공성 물질의 특성을 1차적으로 평가할 수 있는 가장 기본적인 방법이다. 질소의 등온 흡착선은 흡착제 표면에 형성되어 있는 공극에 대한 정보를 얻을 수 있다. PAN으로 제조한 활성탄소섬유 의 질소 등온흡착선을 Fig. 3에 나타내었다. 활성제인 KOH의 농도와 상관없이 모든 활성탄소섬유는 미세공 을 많이 함유하고 있는 전형적인 등온흡착곡선의 형태 를 보이고 있다. 이는 활성탄소섬유가 미세공을 많이 포함하고 있으며, 상대적으로 적은 외부 표면적을 지니 고 있음을 의미한다. 등온흡착선에 따르면 KOH 수용 액의 농도가 증가할수록 질소분자의 흡착량이 증가하 는 추세를 보이고 있고, 이를 통하여 본 연구를 통하여 시험제조한 활성탄소섬유 흡착제 표면에 충분한 세공 이 형성되었음을 알 수 있었다.
3.2 원소 분석
KOH 활성화 과정에서 탈질화 및 탈수소화가 일어 남으로써 활성탄소섬유 시료의 수소와 질소의 함량이 감소하고, 그로 인하여 cyclic structure를 이루게 된다.
이러한 구조는 활성탄소 섬유 내부에 형성되어 있는 미세공의 열적 안정성을 향상시켜준다. 활성탄소섬유 제조에 앞서 전구물질이 되는 PAN의 원소분석을 통하 여 안정화 단계에서의 화학적조성을 확인함으로써, 안
정화가 충분히 이루어졌는지를 확인하였다. 원소분석 은 탄소, 질소, 산소, 수소를 분석하였으며, Table 3에 요약하였다. 초기 PAN은 탄소 65.89%, 질소 23.85%, 수소 5.57%, 산소 4.69%로 측정되었다. PAN을 산화처 리하여 안정화시킨 OXI-PAN은 탄소 61.66%, 질소 21.39%, 수소 4.26%, 산소 12.69%의 함량이 관찰되었 다. PAN을 공기분위기에서 산화시켜 안정화시킨 OXI- PAN에서는 산소가 크게 증가하였으며, 탄소, 질소, 수 소가 상대적으로 감소하고 있음을 알 수 있다. 이는 PAN이 산화되면서 공기 중의 산소와 반응하여 산소의 함량이 증가하였으며, 초기 전구물질인 PAN에 포함되 어 있던 수소와 질소의 감소를 통해서 열적으로 안정 한 상태를 이루고 있는 고리형태로의 변화가 진행되었 다고 판단된다(Xiaosong, 2009).
최종적으로 완성된 활성탄소섬유의 원소조성은 탄소 75.98%, 질소 12.99%, 수소 0.71%, 산소 10.32%로 측 정되었다. OXI-PAN으로부터 활성화공정을 통하여 활 성탄소섬유가 되면 탄소의 함량이 증가하고, 산소의 함 량은 상대적으로 감소한다. KOH를 적용한 열처리는 수산화라디칼의 발생으로 인하여 탄소 표면에서 가스 화가 일어나면서 탄소와 산소의 함량 변화가 발생한다 (Lee and Park, 2013).
3.3 활성탄소섬유 형태
SEM을 이용하여 시험제조한 활성탄소섬유의 외관을 관찰하였으며, 활성화 조건에 의한 영향을 확인해보았 다. 즉, Fig. 4에서 볼 수 있듯이, (a)에서 (d)까지 0.5 M, 1 M, 2 M, 4 M까지의 KOH 수용액으로 처리한 후, 800oC에서 활성화시킨 ACF의 시료 가운데 4개의 시료 를 관찰하였다. 5000배로 확대하여 관찰한 모습에서 섬 유의 본래 형태인 가늘고 긴 원통형 모양으로 관찰되었 고, 섬유의 굵기는 약 10 μm로 거의 일정하였으며, 표면 거칠기 또한 유사하게 나타났다. 이는 산화 과정에서 고 리형태를 잘 구성하고 있었으며, 높은 온도에서의 열처 리에서도 섬유의 형태가 그대로 유지되었음을 의미한다.
따라서 활성화공정에서 실시하는 열처리를 거쳐도 섬유 본래의 형태에는 영향이 없으며, 활성화공정에서 문제 없이 활성탄소섬유를 제조해도 될 것이라고 판단된다.
Vp rp
rK+Δtn⁄2 ---
⎝ ⎠
⎛ ⎞2 ΔV Δtn Acj
j 1= n 1–
∑
⎝ – ⎠
⎜ ⎟
⎛ ⎞
=
Table 3. Elemental analysis of test samples
Carbon (%) Nitrogen (%) Hydrogen (%) Oxygen (%) Total (%)
PAN 65.89 23.85 5.57 4.69 100
OXI-PAN 61.66 21.39 4.26 12.69 100
ACF 75.98 12.99 0.71 10.32 100
3.4 열중량분석
TGA를 통하여 공기 분위기에서 초기 PAN, 산화처 리된 PAN, 활성화시킨 ACF 시료의 온도 상승에 따른 무게변화량을 측정함으로써 각 시료의 열적 안정성을 비교해보았다. Fig. 5에 도시한 바와 같이 900oC까지의 TGA 결과에 따르면, PAN은 300oC부터 시작해서 420
oC까지 50% 이상의 무게감소가 발생하였다. 이후 온도 가 증가함에 따라 지속적으로 질량 손실이 발생하여 초기 중량대비 40%가 잔존하는 것으로 나타났다. 1차
산화처리된 PAN은 원료 PAN과 마찬가지로 300oC 부 근에서 무게가 감소하기 시작한다. 이는 PAN의 융해 온도가 322oC이므로 300oC 부근에서 융해가 일어나 무게가 감소한다는 것을 알 수 있으며, 온도가 증가할 수록 질량손실이 지속되고 있으나 원료 PAN에 비하여 상대적으로 적은 양의 분해가 발생한다. 이는 PAN이 산화과정을 거치면서 질소 및 수소의 함량이 줄어들고 조금 더 열에 대한 안정성이 증가한다(Xiaosong, 2009).
반면에 시험제조한 활성탄소섬유를 고찰한 결과, 승온 초기에 약간의 불순물이 부분적으로 분해되어 유실되 는 과정이 존재하고, 600oC까지는 안정된 구조를 보이 고 있다. 이후, 600oC 이상의 온도로 가열하면 탄소성 분이 산화되면서 분해되는 일반적인 열안정성을 보여 주었다.
3.5 CO2 흡착능 평가
KOH 농도에 따른 전처리로부터 시험제조한 활성탄 소섬유를 10%의 CO2기체흐름에 대하여 흡착량을 산 출하여 Table 4에 요약하였다. 전처리 KOH 수용액의 농도에 따른 비교에서 농도가 증가함에 따라 흡착량도 증가하는 경향이 모든 활성화 온도에서 나타났다. 활성 화 온도의 영향에 관하여는 800oC가 가장 효과적인 것 으로 판단된다.
Fig. 4. SEM images of test ACFs : (a) Sample 4, (b) Sample 5, (c) Sample 6, (d) Sample 7.
Fig. 5. TGA patterns : (a) raw PAN, (b) preoxidized PAN, (c) ACF.
동일한 온도에서 활성화시킨 시료의 경우, Fig. 6에 서 보듯이 KOH의 농도가 증가할수록 CO2의 흡착량도 증가하는 경향을 보였다. 제조된 활성탄소섬유의 흡착 량은 조건에 따라 0.46~1.87 mmol/g으로 측정되었으며, 활성화온도 및 KOH의 농도에 따라 상이하게 차이가 나타났다. 일반적으로 기체의 흡착량은 비표면적과 미 세공의 부피와 관계가 있다. 따라서 높은 비표면적을 가지는 800oC의 활성화 온도에서 제조된 활성탄소섬 유가 CO2 흡착량이 높게 측정되었지만, 700oC에서 제 조된 활성탄소섬유 중에서 높은 비표면적을 가지는 sample 3의 경우에는 비표면적에 비해 낮은 흡착량을 보였다.
흡착량이 가장 높게 나타난 ACF 시료(sample 7)에 대하여 반응기의 내부 압력을 변화시켜가며 흡착압력 을 조절해가며 흡착량을 측정하였으며, Table 5에 요약 하였다. Fig. 7에서 보듯이 1 atm~5 atm까지 흡착반응 기 배출부에서의 CO2의 최저농도는 9.21%, 9.12%, 8.90%, 8.77%, 8.69%로 점차 낮아지는 것으로 측정되 었으며, 반응기 내부의 압력이 증가할수록 CO2의 최저 농도가 낮아지고 있다. 즉, 흡착량은 흡착압이 증가할
수록 1.87 mmol/g에서 시작하여 압력이 증가할수록 흡 착량이 증가하였으며, 본 연구에서 준비한 흡착공정 조 건에 대하여 최대 3.11 mmol/g까지 얻을 수 있었다. 이 는 같은 표면적과 세공을 가지고 있는 흡착제가 압력 이 높아짐에 따라 세공의 내부로 깊이 침투하여 보다 효과적으로 유효한 흡착점을 활용함으로써 발생하는 물리적 흡착공정의 전형적인 현상이라고 할 수 있다.
아울러 1 atm은 실험조건에 비추어 매우 낮은 유속을 선택하여 흡착압이 거의 측정되지 않았음을 의미하며, 실제 유속의 증가 및 이물질의 투입 등에 의한 다공층 폐색현상으로 내부 압력이 미량 증가할 수 있고, 이러 한 반응기 내 압력의 증가는 흡착량 향상을 유발하는 요인이 될 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 활성탄소섬유의 전구물질인 PAN을 이용하여 안정화 및 활성화 공정을 거쳐 제조된 활성 탄소섬유를 이용하여 10% CO2흐름에서 흡착 평가를 하였다. 시료는 KOH의 농도와 활성화온도가 다른 조 Table 4. CO2 adsorption amount of samples (mmol/g)
Sample ID. Sample 1 Sample 2 Sample 3 Sample 4 Sample 5
Ads. amount 0.48 0.5 0.64 1.14 1.32
Sample ID Sample 6 Sample 7 Sample 8 Sample 9 Sample 10
Ads. amount 1.45 1.87 0.46 0.83 0.87
Table 5. CO2 adsorption amount of sample 7 with reaction pressure
Pressure 0 atm 1 atm 2 atm 3 atm 4 atm 5 atm
Ads. amount 1.87 2.15 2.30 2.48 2.96 3.11
Fig. 6. Comparison of breakthrough curves of 10% CO2 ad- sorption of samples (100 ccm).
Fig. 7. Breakthrough curves of 10% CO2 adsorption of sample 7 measured at different pressure (500 ccm).
건에서 활성탄소섬유를 제조하였으며, 제조된 활성탄 소섬유의 CO2 흡착량을 측정하였다. 활성화온도가 800oC에서 제조된 활성탄소섬유가 비표면적이 981.4~
1552.5 m2/g으로 높게 측정되었으며, 이는 KOH 수용 액의 농도가 높을수록 KOH와 활성탄소섬유의 탄소층 과 반응이 활발하게 일어나 미세공의 형성을 촉진하여 세공의 부피 및 비표면적을 높이는 것으로 나타났다.
또한 비표면적이 넓어질수록 CO2의 흡착점이 넓게 형 성되어 1.14~1.87 mmol/g으로 다른 시료에 비해 높은 CO2 흡착량을 보여주었다. 반면에, 900oC에서 활성화 시킨 ACF 흡착제는 비표면적이 증가하는 것이 아니라 801.2~1190.8 m2/g으로 감소하였는데, 이는 KOH와 탄 소층 간에 반응이 과도하게 일어나 오히려 세공을 파 괴하여 흡착능을 저하시키는 것으로 판단되며, CO2 흡 착량도 0.46~0.87 mmol/g으로 오히려 감소하였다. 또한 흡착시 반응조의 내부 압력을 높게 형성시켜주게 되면 흡착량이 증가되었으며, 5 atm에서 최대 3.11 mmol/g의 CO2 흡착량이 측정되었다. 이는 높은 압력으로 인하여 CO2가 흡착제의 세공 내부로 깊게 침투하게 되어 흡착 량을 증가시키는 것으로 사료된다.
감사의 글
이 논문은 2014년도 정부(교육부)의 재원으로 한국 과학창의재단(대학생 창의융합형 연구과제 지원사업) 의 지원을 받아 수행된 연구임.
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