♥차례♥

○목표

○배경

○활성탄

●정의

●분류

●세공의 구조

●제조공정

○농산 폐기물을 이용한 활성탄제조

○결과

●.목표●

폐기물을 이용한 활성탄 제조법을 알아보자.

●배경●

최근 국내외적으로 도시 쓰레기 소각로의 배가스중 다이옥신류의 배출에 대해 많은 관심이 모아지고 있다. 이의 저감대책으로 배가스의 급속냉각, 효율적 집진 설비, 집진 온도의 저온화 등의 방법이 거론되고 있으나 고농도의 다이옥신류의 발생이나 부하변동시에는 적절한 대응이 곤란하다. 이의 고도처리의 확실한 방법으로서 활성탄에 의한 흡착제거법과 촉매에 의한 분해제거법이 활발히 연구 개발되고 있으며, 선진국에선 이들 기술을 활용한 다이옥신 제거설비가 소각로에 설치되고 있다. 촉매법은 시스템의 안정성과 성능이 입증되어 이미 선진국들에서는 실용화되고 있지만 고가의 설비라는데 문제가 있다. 이에 비해 활성탄법은 최근 시험되고 있는 방법으로 촉매법의 대체설비가 될 수 있으므로, 향후 배기가스의 고도처리 방법으로서 활성탄 처리 시스템의 개발이 활발히 전개될 것으로 전망된다.

활성탄을 이용한 흡착기술은 비교적 고도한 기술이 아니기 때문에 국내에서도 많이 연구되어지고 또 환경관련 분야에서 이미 실용화되어 응용되고 있으며, 상당수의 기업들이 활성탄 흡착 설비를 사업화하고 있다. 그런데 활성탄 흡착기술에서 중요한 것은 고품격 활성탄의 제조기술에 있다. 국내 활성탄 제조회사는 대부분 영세한 규모이며, 그 제조기술이 선진국에 비해 많이 낙후되어 있어 고가제품의 생산은 어려워 대부분 수입에 의존하고 있는 실정이다. 특히, 자동차 캐니스터용 및 다이옥신 제거용, 용제 제거용 등 특수한 용도에 쓰이는 활성탄의 제조에 있어 국내기술을 인정받는데는 상당한 시간이 걸릴 것으로 보인다(미국과 유럽으로 수출되는 자동차의 캐니스터에는 높은 원가부담에도 불구하고 전량 수입품 활성탄을 장착하고 있다).

관련업계에 따르면 국내 활성탄 시장은 영세한 규모의 생산업체들이 난립돼 있어 가격경쟁이 심화되고 있으며, 덤핑이 빈번하게 발생되고 있는 등 시장이 어지러운 상황인 것으로 알려졌다. 또한 매년 저가의 중국산 수입품이 큰폭으로 증가하고 있어 국내 활성탄의 생산 가동률을 저하시키고 있는 것으로 나타났다.

그러나, 활성탄의 원료를 전량 수입하고 있는 상황에서 원료로 활성탄을 제조하는데 드는 비용이 수입완제품보다 높기 때문에 저가의 수입품 사용이 증가되고 있는 실정이며, 이러한 이유로 국내 활성탄 시장은 공급선과 수요선 선정 및 적정가격선과 생산가동률 등의 유동성이 매우 큰 것으로 나타났다.

국내 활성탄의 가격은 판매가 기준 입상활성탄이 kg당 1500~1600원이며, 분말활성탄이 1200원대를 형성하고 있다.

99년 기준 50,000 Ton/년 이상 소비되고 있으며 환경에 대한 인식변화, 고도정수처리에서의 활성탄 의무사용 및 활용분야 다양화에 따라 년 16% 이상 수요가 확대되는 추세임.

현재 농촌에서 폐기물처리에 어려움을 겪고 있는 농·임산 부산물의 대표인 왕겨는     겉보기 밀도가 0.097∼0.125g/□로 폐기시 상당한 부피가 문제시되고 있으며, 또한 낮은 발열량으로 매립 후에도 쉽게 분해되지않는다. 그럼에도 왕겨를 폐기물로 간주되고있는실정이다.

○활성탄소란 무엇인가? (What is activated carbon?)

활성탄소는 목재, 갈탄, 무연탄 및 야자껍질 등을 원료로 제조되는 미세 세공이 잘 발달된 무정형 탄소의 집합체로서, 활성화 과정에서 분자 크기 정도의 미세 세공이 잘 형성되어 큰 내부 표면적을 가지게 되는 흡착제이다.이 흡착제는1g당 1,000□ 이상의 표면적을 갖기도 하는데 표면에 존재하는 탄소 원자의 관능기가 주위의 액체 또는 기체에 인력을 가하여 피흡착질의 분자를 흡착하는 성질이 있다. 따라서 활성탄소는 연초제조, 환경(대기,수질), 식품공업 등 제반산업 분야에서 Filter 用, 탈색, 탈취,용제회수, 가스제거 등 다방면에 활용되고 있다.

○활성탄의 분류

연료에 의한 분류

분 류	원 료	비 고
식물계 활성탄	톱밥, 목재, 야자각 등	재생 회수율 (80~85%)
석탄계 활성탄	아탄, 갈탄, 역청탄 등	재생 회수율 (85~90%)
석유계 활성탄	석유 잔사, 황산 Sludge 등
기 타	Plup 폐액, 합성수지 폐액

형상에 의한 분류

분 류	형 상
파쇄(입상)활성탄	형상 및 크기 불규칙
조립(성형)활성탄	Binder를 첨가하여 성형 형상 및 크기 다양
분 말 탄	입도 분포를 규제

용도에 의한 분류

구 분	특 징	용 도	비 고
기상흡착용	Micro 세공이 주로발달	담배필터 용제회수 자동차 Carnister 방독면 가스정제	Micro 세공이 잘발달된 야자각계를 주로 사용
액상흡착용	Meso 및 Macro 세공이 주로 발달	정수 폐수 당액탈색	Pore가 큰쪽으로 잘 발달된 활성탄.
촉매 및 촉매담체	높은 강도 낮은 회분 Meso 세공이 발달	할로겐화 수소화 Merox	큰세공이 발달
특수 공정용	공정 용도에 따른 첨착가공	방사선용 방독면 반도체, 석유 정제	특정 물질 선택 흡착 강화

○활성탄소 분류

출발원료별: 식물질(야자각, 톱밥, 목탄), 동물질(골탄, 혈탄),

석탄질(갈탄, 유연탄, 무연탄),  석유질, 폐기물질

형상별: 분말상(100 Mesh 이하), 입상(파쇄형, 원주형, 구형),                섬유상, 허니캄상

활성화 방법: 약품 활성화탄, 가스활성화탄

흡착방법: 첨착 활성탄소, 미첨착 활성탄소

○활성탄소의 용도

1) 액상용: 제당, 물엿, 조미료, 술, 드라이크리닝, 금 회수,                      상수처리,폐수처리, 석유화학

2) 기상용: 담배 필타용, 가스 마스크, 공기정화기, 악취가스제거용,              유기용매(VOC)회수, 승용차 케니스타, 원자력발전소용

3) 기 타: 의약품, 기기분석용 등

○개발 진행중인 용도: 1) 냉각캔

2) 영구전지용

3) 혈액 관류용

4) 토양 개량용

5) 사료용

6) 선도 유지용

7) 분자체, 촉매용

●활성탄세공의 구조●

.

흡착은 흡착제 표면에 피흡착질 분자가 축적되는 것이며 흡착될 수 있는 물질의 양은 흡착제의 비표면적 크기에 달려 있다. 이러한 관계에서 내부표면적이 흡착이 이루어지는 동안 외부표면적은 단지 2차적인 역할만 할 뿐이다.

활성탄의 세공은 복잡한 세공구조를 나타내며 거대한 내부표면적을 이루고 있는 모세관을 가지고 있다. 그림은 활성탄 세공의 내부를 모식화한 것이다.

활성탄의 세공구조 모식도

일반적인 활성탄은 500∼1500□/g의 내부표면적을 갖고 있다. 활성탄의 세공구조에 있어서 세공특성은 Micro-, Meso-, Macro-Pore로 구분된다. 20Å 이하의 직경을 갖는 Pore을 Micro-Pore라 하고, 흡착이 일차적으로 일어나는 20∼1000Å의 직경을 갖는 Pore를 Meso-Pore라 한다. 반면 직경이 1000Å 이상인 Macro-Pore는 실제적인 흡착공정에서 단지 2차적인 중요성을 갖을 뿐이다. 주로 이러한 Macro-Pore는 액체로부터 용질을 흡착하기 위한 통로로서 제공된다.

* 식물계와 석탄계활성탄의 기공분포

식 물 계                       석 탄 계

Marco Pore(포집기능)        약 10 %                        약 30 %

Meso Pore (분산기능)        약 10 %                        약 20 %

Micro Pore (저장기능)        약 80 %                        약 50 %

●흡착●

.

흡착현상

활성탄이 어떤 성분을 흡착하고 있을 때 흡착된 성분을 피흡착질(Adsorbate) , 활성탄을 흡착제(Adsorbent)라고 한다. 흡착량은 활성탄의 단위면적 또는 단위 질량에 대한 피흡착질의 질량, 중량으로 표시하거나 혹은 흡착분자수로 나타낸다. 그리고  전 면적을 점유한 양을 포화흡착량이라 하며 실제로 피흡착질이 점유한 비율을 흡착율 또는 피복율(Coverage)이라고 한다.

흡착과정

1단계- 피흡착질분자들이 흡착제(활성탄) 외부 표면으로 이동

2단계- 피흡착질이 활성탄의 대세공, 중간세공을 통해 확산

3단계-- 확산된 피흡착질이 미세공 내부표면과의 결합 또는 미세공에

채워짐

●활성탄제조 공정●

⑴ 전처리 공정 전처리 공정은 탄화와 활성화 공정에 적합한 조성을 갖추도록 시료를 미분쇄 한 후 수분과 점결성을 갖추도록 조립하는 공정이다. 수분은 12∼15%가 적당하며 점결제의 농도는 10∼15%이고 사용되는 점결제로는 아황산 펄프폐액, 폐당밀, 전분, CMC, PVA 등이 있다. 점결제는 조립을 용이하게 하며 강도를 높이는데 쓰이며 조립을 마친 시료는 건조 후에 탄화 공정을 거치게 된다. ⑵ 탄 화 탄화는 유기질 원료탄을 가열하여 산소, 수소, 질소 및 유황 등의 비탄소 성분을 감소시켜 활성화에 필요한 탄소질 재료를 얻어내기 위한 공정으로서 다음과 같은 세 단계로 나누어진다. 가. 제 1 단계 상온에서 400℃까지의 온도범위 내에서는 탈수, 탈산 등의 1차 분해가 일어나고 -0- 결합은 잔존하게 된다. 나. 제 2 단계 400∼700℃까지의 온도범위 내에서는 산소 결합이 끊어지며 산 소가 물, CO, CO2 등의 형태로 방출되며 방향족 핵간의 결합이 생기게 된다. 700℃의 온도에서는 휘발분은 거의 제거된다. 다. 제 3 단계 700∼1000℃까지의 온도범위 내에서는 탈수소반응으로 방향족 핵 사이의 직접 결합이 활발하여 2차 평면 구조가 발달하게 되며 -CH2- 결합에 의하여 3차원적 구조를 갖게 되어 결국 긴 사슬형 분자와 방향족 분자 및 축합 방향 고리평면 형태의 분자로 교차 연결되는 구조를 갖게 된다. 탄화과정에서 중요한 것은 승온속도, 탄화속도, 탄화 분위기 등인데 승온속도는 급속가열 보다 5℃/분 정도로 서서히 가열하는 것이 좋고 특히 350∼450℃근처에서의 가열은 용착이 일어나는 영역이므로 주의를 필요로 한다. 탄화온도는 활성탄의 부활성이나 기계적 강도를 좌우하는 중요한 인자로 원하는 물성과 품위에 따라 달리할 수 있다. 일반적으로 탄화온도가 증가하면 진비중 강도는 증가하지만 세공용적, 비표면적은 감소한다. 일반적으로 500∼900℃범위 내에서 탄화조건을 결정하는 것이 좋다. 탄화 분위기는 산소가 없는 또는 극히 적은 상태에서 실시해야 하는 데 원료탄 자체의 세공도가 낮을 때에는 미량의 산소분위기 하에서 실시하는 것이 좋고 그렇지 않을 경우에는 질소와 같은 활성을갖지 않는 개체를 흘려주면서 탄화를 하여야 한다. ⑶ 활성화 공정 탄화된 시료는 활성화 공정을 통하여 입자내에 광범위한 세공구조를 갖게 된다. 활성화의 방법에는 스팀 활성화법과 약품 활성화법이 있다. 활성탄의 물성을 조절하는 가장 중요한 공정이 활성화 공정인데 활성화온도, 활성화시간, 수증기 사용량 등의 운전변수가 있다. 활성화 장치로는 고정식과 이동식이 있는데 이동식은 회전로 형식과 유동층 형식으로 다시 나뉘어 진다. 회전로 형식은 균일한 활성탄을 제조할 수 있으며 구조가 간단하여 대형화하기가 용이한 장점이 있는 반면 열량의 손실이 많은 단점이 있다. 유동층 형식은 대량 생산을 할 수 있으나 단시간에 활성화가 이루어져야 하기 때문에 급속 가열을 해야 하는 어려움이 있다. ⑴ 전처리 공정 전처리 공정은 탄화와 활성화 공정에 적합한 조성을 갖추도록 시료를 미분쇄 한 후 수분과 점결성을 갖추도록 조립하는 공정이다. 수분은 12∼15%가 적당하며 점결제의 농도는 10∼15%이고 사용되는 점결제로는 아황산 펄프폐액, 폐당밀, 전분, CMC, PVA 등이 있다. 점결제는 조립을 용이하게 하며 강도를 높이는데 쓰이며 조립을 마친 시료는 건조 후에 탄화 공정을 거치게 된다. ⑵ 탄 화 탄화는 유기질 원료탄을 가열하여 산소, 수소, 질소 및 유황 등의 비탄소 성분을 감소시켜 활성화에 필요한 탄소질 재료를 얻어내기 위한 공정으로서 다음과 같은 세 단계로 나누어진다. 가. 제 1 단계 상온에서 400℃까지의 온도범위 내에서는 탈수, 탈산 등의 1차 분해가 일어나고 -0- 결합은 잔존하게 된다. 나. 제 2 단계 400∼700℃까지의 온도범위 내에서는 산소 결합이 끊어지며 산 소가 물, CO, CO2 등의 형태로 방출되며 방향족 핵간의 결합이 생기게 된다. 700℃의 온도에서는 휘발분은 거의 제거된다. 다. 제 3 단계 700∼1000℃까지의 온도범위 내에서는 탈수소반응으로 방향족 핵 사이의 직접 결합이 활발하여 2차 평면 구조가 발달하게 되며 -CH2- 결합에 의하여 3차원적 구조를 갖게 되어 결국 긴 사슬형 분자와 방향족 분자 및 축합 방향 고리평면 형태의 분자로 교차 연결되는 구조를 갖게 된다. 탄화과정에서 중요한 것은 승온속도, 탄화속도, 탄화 분위기 등인데 승온속도는 급속가열 보다 5℃/분 정도로 서서히 가열하는 것이 좋고 특히 350∼450℃근처에서의 가열은 용착이 일어나는 영역이므로 주의를 필요로 한다. 탄화온도는 활성탄의 부활성이나 기계적 강도를 좌우하는 중요한 인자로 원하는 물성과 품위에 따라 달리할 수 있다. 일반적으로 탄화온도가 증가하면 진비중 강도는 증가하지만 세공용적, 비표면적은 감소한다. 일반적으로 500∼900℃범위 내에서 탄화조건을 결정하는 것이 좋다. 탄화 분위기는 산소가 없는 또는 극히 적은 상태에서 실시해야 하는 데 원료탄 자체의 세공도가 낮을 때에는 미량의 산소분위기 하에서 실시하는 것이 좋고 그렇지 않을 경우에는 질소와 같은 활성을갖지 않는 개체를 흘려주면서 탄화를 하여야 한다. ⑶ 활성화 공정 탄화된 시료는 활성화 공정을 통하여 입자내에 광범위한 세공구조를 갖게 된다. 활성화의 방법에는 스팀 활성화법과 약품 활성화법이 있다. 활성탄의 물성을 조절하는 가장 중요한 공정이 활성화 공정인데 활성화온도, 활성화시간, 수증기 사용량 등의 운전변수가 있다. 활성화 장치로는 고정식과 이동식이 있는데 이동식은 회전로 형식과 유동층 형식으로 다시 나뉘어 진다. 회전로 형식은 균일한 활성탄을 제조할 수 있으며 구조가 간단하여 대형화하기가 용이한 장점이 있는 반면 열량의 손실이 많은 단점이 있다. 유동층 형식은 대량 생산을 할 수 있으나 단시간에 활성화가 이루어져야 하기 때문에 급속 가열을 해야 하는 어려움이 있다.															1차 탄화과정										2차 활성과정
탄 화 과 정 한 물 질						탄 화 기 에 투 입						수 분 제 거							물 질 구 성 원 분 해							탄 화 처 리 시 작
입 자 변 화 및 구 성 원 입 자 배 출						진 공 상 태 시 작						그 물 구 조 입 자 구 성							활 성 탄							입 자 화 학 처 리
가 압 기						입 자 구 조 의 특 수 변 화						다 공 성 활 성 탄

〈전처리 공정〉

전처리 공정은 탄화와 활성화 공정에 적합한 조성을 갖추도록 시료를 미분쇄 한 후 수분과 점결성을 갖추도록 조립하는 공정이다. 수분은 12∼15%가 적당하며 점결제의 농도는 10∼15%이고 사용되는 점결제로는 아황산 펄프폐액, 폐당밀, 전분, CMC, PVA 등이 있다.

점결제는 조립을 용이하게 하며 강도를 높이는데 쓰이며 조립을 마친 시료는 건조 후에 탄화 공정을 거치게 된다.

〈탄 화〉

탄화는 유기질 원료탄을 가열하여 산소, 수소, 질소 및 유황 등의 비탄소 성분을 감소시켜 활성화에 필요한 탄소질 재료를 얻어내기 위한 공정으로서 다음과 같은 세 단계로 나누어진다.

가. 제 1 단계

상온에서 400℃까지의 온도범위 내에서는 탈수, 탈산 등의 1차분해가 일어나        고 -0- 결합은 잔존하게 된다.

나. 제 2 단계

400∼700℃까지의 온도범위 내에서는 산소 결합이 끊어지며 산소가 물, CO,        CO2 등의 형태로 방출되며 방향족 핵간의 결합이 생기게 된다. 700℃의 온도        에서는 휘발분은 거의 제거된다.

다. 제 3 단계

700∼1000℃까지의 온도범위 내에서는 탈수소반응으로 방향족 핵 사이의 직접 결합이 활발하여 2차 평면 구조가 발달하게 되며 -CH2- 결합에 의하여 3차원적 구조를 갖게 되어 결국 긴 사슬형 분자와 방향족 분자 및 축합 방향 고리평면 형태의 분자로 교차 연결되는 구조를 갖게 된다.

탄화과정에서 중요한 것은 승온속도, 탄화속도, 탄화 분위기 등인데 승온속도는 급속가열 보다 5℃/분 정도로 서서히 가열하는 것이 좋고 특히 350∼450℃근처에서의 가열은 용착이 일어나는 영역이므로 주의를 필요로 한다.

탄화온도는 활성탄의 부활성이나 기계적 강도를 좌우하는 중요한 인자로 원하는 물성과 품위에 따라 달리할 수 있다. 일반적으로 탄화온도가 증가하면 진비중 강도는 증가하지만 세공용적, 비표면적은 감소한다.

일반적으로 500∼900℃범위 내에서 탄화조건을 결정하는 것이 좋다. 탄화 분위기는 산소가 없는 또는 극히 적은 상태에서 실시해야 하는 데 원료탄 자체의 세공도가 낮을 때에는 미량의 산소분위기 하에서 실시하는 것이 좋고 그렇지 않을 경우에는 질소와 같은 활성을갖지 않는 개체를 흘려주면서 탄화를 하여야 한다.

〈 활성화 공정〉

탄화된 시료는 활성화 공정을 통하여 입자내에 광범위한 세공구조를 갖게 된다. 활성화의 방법에는 스팀 활성화법과 약품 활성화법이 있다.

활성탄의 물성을 조절하는 가장 중요한 공정이 활성화 공정인데 활성화온도, 활성화시간, 수증기 사용량 등의 운전변수가 있다.

활성화 장치로는 고정식과 이동식이 있는데 이동식은 회전로 형식과 유동층 형식으로 다시 나뉘어 진다.

회전로 형식은 균일한 활성탄을 제조할 수 있으며 구조가 간단하여 대형화하기가 용이한 장점이 있는 반면 열량의 손실이 많은 단점이 있다. 유동층 형식은 대량 생산을 할 수 있으나 단시간에 활성화가 이루어져야 하기 때문에 급속 가열을 해야 하는 어려움이 있다.

● 폐기물을 이용한 활성탄 제조●

1)폐타이어로부터 분말활성탄 제조

● 활성탄 제조 공정

: 활성탄 제조 방법은 크게 전처리, 탄화, 활성화공정으로 나눈다.

석탄 □ 미분쇄 □ 1차혼합 □ 2차혼합 □ 파쇄 □ 1차조립 □ 2차조립 □건조 □ 선별 □ 탄화공정 □ 활성화공정 □ 활성탄

《활성탄 제조 공정도》

● 전처리 공정

전처리 공정은 탄화와 활성화 공정에 적합한 조성을 갖추도록 시료를 미분쇄 한 후 수분과 점결성을 갖추도록 조립하는 공정이다. 수분은 12∼15%가 적당하며 점결제의 농도는 10∼15%이고 사용되는 점결제로는 아황산 펄프폐액, 폐당밀, 전분, CMC, PVA 등이 있다.

점결제는 조립을 용이하게 하며 강도를 높이는데 쓰이며 조립을 마친 시료는 건조 후에 탄화 공정을 거치게 된다.

● 탄 화

탄화는 유기질 원료탄을 가열하여 산소, 수소, 질소 및 유황 등의 비탄소 성분을 감소시켜 활성화에 필요한 탄소질 재료를 얻어내기 위한 공정으로서 다음과 같은 세 단계로 나누어진다.

가. 제 1 단계

상온에서 400℃까지의 온도범위 내에서는 탈수, 탈산 등의 1차분해가 일어나고 -0- 결합은 잔존하게 된다.

나. 제 2 단계

400∼700℃까지의 온도범위 내에서는 산소 결합이 끊어지며 산소가 물, CO, CO2 등의 형태로 방출되며 방향족 핵간의 결합이 생기게 된다. 700℃의 온도에서는 휘발분은 거의 제거된다.

다. 제 3 단계

700∼1000℃까지의 온도범위 내에서는 탈수소반응으로 방향족 핵 사이의 직접 결합이 활발하여 2차 평면 구조가 발달하게 되며 -CH2- 결합에 의하여 3차원적 구조를 갖게 되어 결국 긴 사슬형 분자와 방향족 분자 및 축합 방향 고리평면 형태의 분자로 교차 연결되는 구조를 갖게 된다.

탄화과정에서 중요한 것은 승온속도, 탄화속도, 탄화 분위기 등인데 승온속도는 급속가열 보다 5℃/분 정도로 서서히 가열하는 것이 좋고 특히 350∼450℃근처에서의 가열은 용착이 일어나는 영역이므로 주의를 필요로 한다.

탄화온도는 활성탄의 부활성이나 기계적 강도를 좌우하는 중요한 인자로 원하는 물성과 품위에 따라 달리할 수 있다. 일반적으로 탄화온도가 증가하면 진비중 강도는 증가하지만 세공용적, 비표면적은 감소한다.

일반적으로 500∼900℃범위 내에서 탄화조건을 결정하는 것이 좋다. 탄화 분위기는 산소가 없는 또는 극히 적은 상태에서 실시해야 하는 데 원료탄 자체의 세공도가 낮을 때에는 미량의 산소분위기 하에서 실시하는 것이 좋고 그렇지 않을 경우에는 질소와 같은 활성을갖지 않는 개체를 흘려주면서 탄화를 하여야 한다.

● 활성화 공정

탄화된 시료는 활성화 공정을 통하여 입자내에 광범위한 세공구조를 갖게 된다. 활성화의 방법에는 스팀 활성화법과 약품 활성화법이 있다.

활성탄의 물성을 조절하는 가장 중요한 공정이 활성화 공정인데 활성화온도, 활성화시간, 수증기 사용량 등의 운전변수가 있다.

활성화 장치로는 고정식과 이동식이 있는데 이동식은 회전로 형식과 유동층 형식으로 다시 나뉘어 진다.

회전로 형식은 균일한 활성탄을 제조할 수 있으며 구조가 간단하여 대형화하기가 용이한 장점이 있는 반면 열량의 손실이 많은 단점이 있다. 유동층 형식은 대량 생산을 할 수 있으나 단시간에 활성화가 이루어져야 하기 때문에 급속 가열을 해야 하는 어려움이 있다.

◎결 론

★폐타이어 열분해 차르의 proximate analysis 결과 VM은 18.8%, FC는 74.1%, Ash는 7.2%로서 ash의 함량은 액상용 활성탄의 원료인 석탄보다 악 3%가 높으며 FC/VM 의 비는 3.94 로서 활성탄으로서의 이용 가능성이 있음을 시사한다.

★활성화 온도에 따른 요오드가와 메틸렌 블루 흡착력은 온도가 높아질수록 증가하며, 반면 활성화 수율은 감소한다.

★활성화 시간에 따른 흡착력은 900,1000℃ 모두 60분일 경우가 가장 높게 나타났으며 같은 활성화 시간에서는 활성화 온도가 높을수록 활성화가 잘 일어난다.

★차르 대 스팀 주입비의 영항은 폐타이어 차르의 요오드가는 302mgI2/g 이며 스팀 주입비가 1:3 , 활성화 온도 1000℃, 활성화 시간 60분 인 경우 요오드가 713mgI/g, 메틸렌 블루 탈색력 150ml 로 2급 활성탄을 얻을 수 있다.

★승온속도가 15℃/분 인 경우에 가장 흡착력이 높은 활성탄을 생성시킨다. 이는 승온속도가 클 경우 차르 내의 휘발성 성분의 급격한 휘발로 큰 pore가 형성되어 전체 비표면적이 작아지기 때문으로 판단된다.

★폐타이어 열분해 차르에 스팀을 주입하여 활성화 시킬 경우 활성화 온도1000℃, 활성화 시간 60분, 차르 대 스팀 주입비 1:3, 승온속도 15℃/분 , 입자크기 2mm에서 요오드가 713mgI2/g, 메틸렌 블루 탈색력 150ml 인 2급 활성탄을 얻을 수 있다.

2)폐슬러지를 이용한 활성탄 제조

원 료	수 분	휘발분	고정탄소	회분
Coconut껍질	4.5	74.9	18.9	1.7
석유코크스	1.0	6.5	90.3	2.2
무 연 탄	3.8	3.4	89.8	3.0
하수슬러지	6.2	30.3	23.5	40.0

● 제조공정 및 실험방법

건조 후 압도 분리한 폐슬러지를 Rotary Kiln의 반응로에 넣고 공기를 차단한 후 반응기내 환원분위기를 유지하기 위해 질소가스를 100□/min로 주입하면서 400□에서 30분 동안 탄화한 다음 탄화된

슬러지 속의 무기물을 제거하기 위해 3N-HCl을 가하여 100□에서

2시간동안 끊여 산세척한 다음 활성탄 제조용 탄화물로 사용하였다.

이렇게 하여 얻은 탄화물을 활성화제 첨가비,활성화온도 및 활성화 시간을 변화시키면서 활성화 한 후 증류수로 여러번 세척과정을 반복한 다음 건조시켜 활성탄 제조를 하였다.

● 실험 결과●

페슬러지와 현재를 상업적으로 사판되고 있는 홀성탄 소재와의 성상을 비교한 것으로 폐슬러지의 고정탄소함량은 석유코크스와 무연탄 보다 낮은 반면 여자각의 보다는 높은 것으로 나타났다. 그러나 무기물인 회분의 함량에 있어서 폐슬러지가 약 40%이고 야자각의 경우는1.7%로서 무기물 성분은 폐슬러지가 야자각보다 훨씬 높음을 알 수 있다. 따라서 폐슬러지를 소재로 하여 활성탄 내에는 고정탄소 이외에 무기물 함량이 높아 활성표면이 감소되므로 무기물 제저를 위한 방안이 필요하다.

3)농산 부산물을 이용한 활성탄 제조

≪활성탄제조≫

실험에 사용된 왕겨,톱밥,땅콩껍질은 국내에서 생산된 것을, 그리고 면실피는 중국산을 사용하였으며,왕겨의 밀도가 0.1g/□으로

상당히 낮기 때문에 분쇄한 왕겨를 압착성형기에 넣어 왕겨봉을 제조,이를 이용하였다.

활성탄 제조장치로는 탄화와 활성화를 동시에 할 수 있도록 Rotary Type의 로(D:7□,L:160□)를 사용하였고,K-type열전대를 사용하여 온도를 측정하였으며,탄화과정중에는 반응기내에서 산화를

방지하기 위해 20□/min 정도의 질소를 주입하였다. 150min의 승온시간 후 탄화과정은 600□∼700□의 온도에서 60min동안 이루어졌다. 생성된 탄화왕겨내에 상당량의 회분이 함유되며,표1-1은 탄화왕겨내 함유된 회분의 성분조성으로 표1에서 볼 수 있듯이 회분의 주성분은83.7%의 SiO2이고 SiO2와 NaOH의 반응은 다음의 식과 같다.

구 성	SiO2	Al2O3	Fe2O3	K2O	NaO
(%)	83.7	0.18	0.17	3.10	0.28

(표.1-1)

● SiO2  +  2NaOH   →   NaSiO3 + H2O

● SiO2·Al2O3·2H2O + 4NaOH →

2NaAlO2 + NA2SiO3 + 4NaOH

● MeSiO3 + 2NaOH → Me(OH)2  +  Na2SiO3

탄화왕겨에 함유된 회분을 제거하기 위해 회분제거 실험을 수행하였다. 분쇄된 일정크기의 char를 NaOH 수용액에 함침시켜 SiO2와

NaOH를 반응시켜으며,NaOH 수용액의 농도,온도,함침시간등에 따른 회분제거량을 탄화왕겨의 수율과 회분함량으로 측정하였다.활성화 과정은 Rotary Type에서 탄화된 왕겨 및 회분을 제거한 탄화 왕겨 및 회분을 제거한 탄화왕겨를 이용하여800□∼900□에서 90min동안 수증기 활성화하였다.

탄화왕겨 및 제조된 활성탄 특성 및 흡착능에 대한 평가로 회분함량,요오드,흡착력,메틸렌블루 흡착력 및 세공크기분포를 측정하였다.

세공크기분포 측정은 각 활성탄별 BET로 세공크기분포를 측정 하였으며 세공반경은 □h로 나타냈다. 이는 원통형 세공 모델로 가정할

때는 반경의 1/2. 판 모델의 경우에는 공간거리의 1/2이다.

《활성탄 제조 결과》

○ 탄화실험 결과

탄화과정을 위한 승온온도(승온시간 150min)에 100□에서 150□ 부근에서 휘발성분을 제거하였다. 표1은 왕겨의 탄화온도변화에 따른 수율과 회분함량을 비교한 것으로 탄화온도를 500□에서 600□로 증가시켜을 경우 수율이 낮아지면서 회분의 함량이 증가되었으며,600□ 이상에서 탄화를 시킬 경우 휘발물질이 거의 휘발된 후이기 때문에 수율과 회분함량이 완만하게 변화 하였다. 따라서,탄화과정은 600□ 이상의 온도에서 60min 동안 탄화시키는 것이 적절하며, 이번 실험에서는 탄화온도를 650□에서 60min으로 고정시켰으며 이 탄화과정에서의 탄화왕겨의 수율은 35.0%이었다.

(표1.탄화온도에 따른 수율과 회분함량의 관계)

○ 회분제거 실험결과

650□에서 60min의 탄화과정동안 생성된 탄화왕겨의 회분함량의 회분함량이 35.0%로 기존 활성탄 원료의 회분함량인 5.0% 이내보다 상당히 높음을 알 수 있다. 활성탄을 제조하는 활성화 공정에서

회분은 반응과정에 첨가하지 않고,반응 후에도 회분 전체가 그대로 잔류되어,결과적으로 활성탄 g당 고정탄소는 상대적으로 적어지고,기공의 발달이 저해받게 된다.따라서 흡착능이 큰 고품위 활성탄을   제조하기 위해서는 탄화왕겨내 회분의 제거과정이 수반되어져야 한다. 회분제거는 회분의 80.0% 이상을 차지하는 SiO2를 제거하는 방법으로 SiO2가 알칼리 용액에서 반응하여 Water Glass (SiO2 -NaO2)의 미세한 floc을 형성하는 원리를 이용하였다. 앞에서 제시한 회분제거 방법을 적용한 실험결과를 표2∼표4에 나타내었다.

회분제거 과정은 SiO2와 NaOH와의 적절한 반응조건을 알아보기 위해 다음과 같은 과정으로 수행되었다.

(1) NaOH수용액 농도변화에 따른 회분제거

80□의 NaOH수용액에 함침시간 60min을 유지하면서 수용액의 농도변화 및 회분제거에 따른 수율을 변화를 측정하였다. 실험결과를

표.2에 나타냈으며,NaOH수용액의 농도가 2N까지는 탄화왕겨의 화분감량이 감소하다가, NaOH농도를 증가시킬수록 회분함량이 증가하여 실질적으로 회분의 제거율은 감소하였다.따라서 최적의 NaOH

농도는 2N로 이 때의 회분함량은 22.0%수율은 81.7%이다.

(2) NaOH수용액 온도변화에 따른 회분제거

표.3은 2N-NaOH수용액에 함침시간을 120min으로 고정시키고 온도변화에 나타낸 것으로.80□에서 가장 많은 회분이 제거되었다.

본 실험에서 최적온도 80□에서의 회분함량은 35.0%에서 14.0%로 감소하였다.

(3) NaOH수용액 함침시간에 따른 회분제거

2N-NaOH수용액을 80□로 유지하면서 함침시간의 변화에 따른 탄화왕겨내 회분의 함량을 실험한 결과를 표.4에 나타냈다. 여기서 알 수 있듯이 함침시간을 증가시킬수록 탄화왕겨내 회분의 함량이 감소하였다.함침시간을 0.5시간에서 16시간으로 증가시킬수록 탄화왕겨내 회분의 5.6%로 감소하였으며 함침시간이 16시간 이상이 되면

탄화왕겨의 회분함량과 수율은 거의 일정하며 변화가 거의 없으므로 최적의 함침시간을 16시간으로 고정시켰다.

결과적으로 회분제거 실험을 통해 최적조건은 2N-NaOH용액을 80□에서 16시간 함침시켰을 경우이며, 이 때 회분함량이 35.0% 이상에서 5.6%로 감소됨을 알 수 있다. 탄화왕겨 및 회분을 제거한 탄화왕겨를 이용하여 활성탄을 제조한 결과를 표1-2에 나타냈으며,표2-1에서 탄화왕겨의 요오드값이 321.5mg/g에서 회분을 제거하였을

경우 492.5mg/g으로 증가되었다.

이는 회분이 제거되면서 그 자리에 기공이 형성되어 요오드값이 증가된 것으로 보여진다. 탄화왕겨를 활성화시켜 제조한 활성탄(ARC)의 요오드 값이 638.1mg/g이었으며 회분을 제거한 탄화왕겨를 원료로 제조한 활성탄(ARC)의 요오드값이 638.1mg/g이었으며 회분을 제거한 탄화왕겨를 원료로 제조한 활성탄(ADRC)1075.2mg/g로 회분으 함량이 기공의 형성에 영향을 미치는 있음이 확인되었다.

	RC	DRC	ARC	ADRC
회분함량 (%)	34.5	4.87	57.6	8.6
요오드수 (mg/g)	321.5	492.5	638.1	1075.2

(표.1-2)

○ 활성화 실험결과

활성화 과정은 수증기 활성화를 기본으로 하고 있으며,수증기 활성화시 활성화시 활성화 온도 변화에 따른 전체수율과 회분함량 및 요오드값의 변화를 표.5에서 보여주고 있다. 표.5에서 활성화 온도를 증가 시킴에 따라 공정탄소가 수증기와 반응,산화되어 전체수율은 감소하지만 요오드값이 상승하는데,이는 탄화왕겨가 활성화 과정을 거치는 동안 기공의 발달에 의해 흡착표면적이 증가하고 있음을

증명한다.

C + H2O = CO + H2       △H   =  + 117 kj/mol

C + H2O = CO2 + H2

C + CO2 = 2CO            △H   =  + 159 kj/mol

그러나 전체수율이 감소함에 따라 회분함량은 증가하고 활성화 온도를 계속적으로 증가할 경우 고정탄소분이 산화되어 거대세공이

발달하지만, 흡착에 관여하여 미세공이 감소하게 된다. 이에 따라 활성탄 제조에 적절하다고 판단된다. 활성화에 있어서 활성화 시간은 90min, 수증기 주입량은 45cc로 고정시켰으며,실험결과 활성화 온도를 증가시킬수록총 수율이 33.3%∼21.6%로 감소하였고,회분함량(%)이 37.7% ∼ 49.8%로 증가하였다.

○ 농·임산 부산물을 원료로 하는 활성탄 제조

왕겨를 이용한 활성탄의 제조실험을 바탕으로 다양한 농·임산 부산물 및 폐기물으 혼합원료를 원료로 하는 활성탄 제조실험을 수행하여 결과를 표1-3에 나타냈다. 이를 보면 왕겨를 원료로 만든 활성탄의 요오드값은 638.1mg/g우로 기존 상품화된 Calgon이나 Kuraray보다 상당히 낮은 값을 보이지만, 회분을 제거한 탄화왕겨를 이용하여 제조한 활성탄은 제품과 비교하여 별 차이가 없다. 또한 톱밥을 원료로 제조한 활성탄(ASD)의 경우 요오드값이 1089.6mg/g,회분함량이 10.2%로 톱밥이 활성탄의 원료로 적절한 것으로 판단된다.

(표.5)

	SAMP LE WEIGHT(g)	CARBONI-ZATION(□)	ACTI VA - TION(□)	ACTI VA - TIME(min)	STEAM-WEIGHT(mg)	WIELD(%)	ASH CONTENT(%)	IODINE-NO.(mg/g)	M.B (mg/g)	B.E.T. (m2/g)	Ave rh (A)
ARC	41	650	880	90	50	18.8	57.6	638.1	192	431	6.57
ADRC	10	650	880	80	25	56.3	8.6	1075.2	197	909	17.3
ASD	60	650	880	90	35	8.46	10.2	1089.6	199	1,091	14.0
APS	60	650	880	90	40	12.66	26.4	958.6	200	1,040	11.9
Mix1	44	650	880	90	33	14.2	34.0	799.5	190	617	13.8
Mix2	48	650	880	90	40	9.8	45.0	856.6	199	698	11.7
Mix3	60	650	880	90	67	17.8	51.5	637.0	197	580	14.2
KU							3.5	1136.0	199	1,263	5.5
CAL							4.5		178	1,115	6.1

《수처리실험》

왕겨 및 농·임산 부산물  원료로 하여 만든 활성탄의 흡착특성을

알아보기 위하여 다양한 폐수를 이용하여 수처리 적용실험을 수행하였으며,폐수로는 공단폐수,생활하수 및 인공폐수(계면활성제)를 사용하였다.활성탄의 처리량은 앞에서 제시한 바와 같이 회분식 실험으로써 1g/L를 기준으로 실험실 규모로 100mg/mL로 하였고, 활성탄 접촉시간은 120min으로 고정시켰다.

○ 공단폐수

공단폐수를 sampling할 때 원페수의 농도는 100ppm 정도였으며,

활성탄 흡착특성 적용실험을 위해 폐수내 함유된 고형물을 여과한

후의 용존성 오염물질의 COD는 40ppm이었다. 공단폐수에 활성탄을 투입하여 흡착특성을 실험한 결과.공단폐수내 오염물질의 제거율을 표.6에 나타내었다. 제거율이 가장 우수한 활성탄은 회분을 제거한 탄화왕겨를 원료로 하는 활성탄(ADRC)으로 공단폐수내 오염물질의 제거율이 70.6%이며 ,톱밥을 원료로 하는 활성탄(SD)과 혼합원료 MIX2가 64.0%∼65.0%를 나타내었다. COD제거율이 우수한 활성탄으로 평가받고 있는 Calgon F-400는 61.5%, Kuraray41.3%로 기존의 상용화되어 있는 활성탄보다 농·임산물을 이용하여 제조한 활성탄이 우수한 결과를 나타내었다.

○생활하수

생활하수는 초기 sampling할 때 80ppm이지만, 고형물 제거후의 용존물의 COD는 10ppm이었다. 생활하수에 활성탄에 투입하여 흡착특성을 실험한 결과, 폐수내 오염물질의 제거율은 표.7에 나타내었다. 제거율이 가장 우수한 경우 Mix3(왕겨+땅콩껍질)을 원료로 하는 활성탄으로 50.0%의 제거율을 나타냈으며,톱밥을 원료로 하는

활성탄(SD),Mix1,Mix2가 30.0%에서 45.0%의 범위에서 불균일적인

제거율을 보였다.Calgon F-400은 29.5%,Kuraray는 23.5%로 역시

농·임산물을 원료로 만든 활성탄보다 낮은 제거율을 보인다.

○ 계면활성제

현재 하천에 유입되는 폐수에서 문제되고 있는 계면활성제는 세정

및 유화 등 수많은 산업에서 상당히 어려움을 수반하였다.

이에 따라 계면활성제의 한 종류인 AOS(Alpha-Olefin-Sulfonate)원액을 희석하여 COD(120ppm)의 인공폐수를 만들어 COD제거율을 실험하였다.폐수에 활성탄을 투입하여 흡착특성을 실험한 결과,폐수내 오염물질의 제거율을 표.8에 나타내었다. 가장 우수한 활성탄은 톱밥을 원료로 하는 활성탄으로 제거율이 82.3%로 계면활성탄에 대한 COD 제거율이 우수한 활성탄으로 평가받고 있는 Kuraray

51.3%보다 우수한 결과를 나타내었다. 또한 공단폐수, 생활하수, 인공폐수에 적용하여 흡착실험을 수행한 결과를 표.9에 전체적으로 나타내었고, 폐수의 특징에 따라 제거율과 순위가 다르지만 전체적으로 Mix1,2,3,의 제거율이 우수하다 특히 Mix2의 경우가 종합 수처리제로 바람직하다고 사료된다. 특히 계면활성제의 경우 표.8∼표.9

에서 나타난 것처럼 용액 내에 micelle상태로 존재하는 현탁질 용액의 처리에 농·임산부산물 및 폐기물을 원료로 하는 활성탄들이 탁월한 성능을 나타내고 있음을 알 수 있다.

(용어정리)

1. 충진밀도

COLUMN단위 체적을 메울 수 있는 활성탄량을 나타내는 것으로 활성탄의 충전용량을 나타내는데 쓰여진다.

2. 입경

평균입경, 또는 유효입경으로 나타내며 균등계수가 낮은 것일수록 입경분포의 폭이 작다. 입경이 작은것일수록 흡착속도가 빠르나 고정층 흡착을 행하는 경우는 입경이 작으면 수두손실이 커져서 통수하기 힘 들게 된다.

3. 경도

유동층 또는 고정층 흡착시 활성탄 마모, 파손과 관계되는 것이므로 어느값 이상의 경도가 필요하다. 고정층 흡착의 경우에도 압축밀도에 따라 변형을 받지 않을 정도의 경도가 필요하다.

4. 압력손실

충전층에 있어서 증기 및 물(30℃)의 압력손실.

5 마모지수

핸들링시에 입자의 마모에 대한 저항도 합을 나타낸 것.

6. 흡착질

흡착제에 흡착된 물질.

7. 흡착

유체중의 분자가 접촉했던 물질의 표면에 부착되는 현상.

8. 등온흡착평형

일정 온도하에서 흡착되려는 물질의 농도와 평형도달 후의 활성탄에 대한 흡착량의 관계

9. 회분

활성탄소 속에 포함되어진 광물성 산화물, 일정량의 샘플을 산화한 후 잔류 회분의 중량 퍼센트

10.요오드 흡착 성능

미분쇄한 활성탄에 N３10 요오드 용액을 첨가해 흡착시킨 후 액을 분 리하고 잔존하고 있는 요오드 농도에서 1g의 활성탄에 흡착되어진 요오드를 □으로 표시한다.

11.macro-pore(세공직경>500Å)

이세공은 흡착질 분자를 외부에서 입자내로 신속하게 수송하는 역할 을 완수하는 것이며, 도입(admission), 확산(diffusion), 또는 수송공(tr ansport-pore)이라고도 한다.

12.meso-pore(세공직경 500-20Å)

다공성 고체에 있어서 흡착은 이 세공직경 영역 및 그 이하의 세공에 의해서 지배되고, 그와가은 흡착에 관여하는 세공의 중간에 속한다.

13.micro-pore(세공직경 20-8Å)

흡착에 관여하는 세공중에서 미세공에 속한다.

14.sub-micro-pore(세공직경<8Å)

분자경과 거의 동일한 직경을 가진 세공이다.

15.카라멜 탈색력

분쇄한 활성탄에 카라멜 시험액을 첨가해서 흡착시킨 후 거르고, 거른 액의 흡광도와 표준 활성탄에 흡착시킨 카라멜 시헙액의 흡광도에서 카라멜 탈색력을 구한다.

16.메칠렌 블루 탈색력

분쇄한 활성탄에 메칠렌 블루용액A(1,200PPM)을 첨가하여 진동기로 진동시킨 다음 거르고, 거른액의 색도를 메칠렌 블루용액B(0.24PPM) 와 비교하여 칠렌 블루B의 색과 일치하는 것에 필요한 메칠렌 블루 용액A의 첨가량을 활성탄 1g정도의 □수로 나타낸다.

17.진밀도

헬륨 치환법에서 구한 활성탄 단위용적 정도의 중량을 나타낸다.

18.표면적

입성탄의 표면적은 B.E.T법으로 측정하고 있다.

이것은 액화온도에 있어서 질소의 흡착량에서 구한다.

19.공극률

충전용적에 대한 공극용적의 비율

표.5 용어

RC: 왕겨

DRC: 회분제거한 왕겨

ARC: 탄화왕겨

ADRC:회분제거한 탄화왕겨

ASD:탄화톱밥

APS:탄화 땅콩껍질

Mix1:왕겨+톱밥+땅콩껍질로 탄화

Mix2:왕겨+톱밥+땅콩껍질+면화씨껍질로 탄화

Mix3왕겨+땅콩껍질로 탄화

●결과●

● 농·임산물을 이용한 활성탄의 제조시 탄화온도는 600□∼700의

온도범위로 650□에서 60min동안 탄화시 대부분의 휘발분이 제거   되었다.탄화후 탄화왕겨의 무게는 약 65.0% 정도 감소하였다.

제조된 탄화왕겨의 회분제거는 2N의 NaOH용액을 80□에서 16시   간 유지시켜을 경우 탄화왕겨의 회분이 5.6%로 감소하였으며 수율   은 66.8%를 얻었다.

수증기 활성화 조건은 880□의 온도에서 90min 동안 원료에 따라   조금씩은 다르나 60g의 원료 투입시 40□∼60□의 물을 스팀으로   일정하게 주입하였다

그 결과 흡착실험에서 mix2가 전체적으로 우수한 효율을 나타내었   고 규격이나 기존의 활성탄 성능에 못지않았다.

● 59000톤(99추정을 기준) * 입상활성탄( 1500원∼1600원/kg)

약 885억원 정도 이고 매년 약10%∼18%씩 증가하는

활성탄시장에 국내 활성탄의 경쟁력을 올리수 있는 조건으로

원료 단가의 절감이 가능하게 하고 기존의 활성탄 능력에

비교해서 떨어지지않는 장점이있지만 그 원료의 공급량의 편차     가 계절에 따라 심하고 폐기물 재이용시 수거 범위가 제한적이     어서 폐기물 재이용에 있어 그 효율이 생각 보다 못할것같다