1. 서 론
화학공장, 하수처리장 등의 산업체에서 배출되는 기체에서는 방향 족, 케톤류, 황화합물 등의 물질이 혼합되어 배출되고 있다. 특히 방향 족인 톨루엔과 케톤류인 아세톤 그리고 황화합물인 메틸메르캅탄 (methyl mercaptan, MM)은 사람의 후각을 자극하여 불쾌감과 혐오감 을 주는 물질이다[1].
활성탄은 높은 기공률과 넓은 표면적을 가지고 있어 다양한 종류의 오염 물질을 효과적으로 제거하는 데 사용하고 있는 뛰어난 흡착제이 다. 그러나 일반적으로 시판되는 상업용 활성탄은 가격이 비싸 대규 모 처리에 있어서 높은 운영비용이 요구[2]되기 때문에 오염물질제거 에 있어서 경제적이고 현실적인 방법으로서 경제적 가치가 낮아 폐기 되고 있는 농업 부산물이나 폐기물 자원을 이용한 활성탄 제조에 관 심이 크게 높아지고 있다. 따라서 최근에는 목재, 톱밥, 목탄, 석탄, 이 탄, 갈탄 등과 같은 기존의 활성탄 원료를 대신하여 야자 껍질[3], 사 탕수수[4], 옥수수대[5], 대나무[6], 오렌지 껍질[7], 코코넛 껍질, 땅콩 껍질, 쌀겨 및 밀짚[8], 폐감귤박[9-11] 등과 같은 다양한 농업 폐기물 자원을 활성탄 제조 원료로 사용하는 연구가 되고 있다.
지금까지 활성탄을 이용한 기상 오염물질의 흡착 제거에 관한 연구 는 주로 흡착제의 종류 또는 대상가스의 종류에 따른 흡착량을 평가 하거나 충전층 반응기에서 대상가스를 처리 시 파과특성을 설명할 수 있는 모델식을 비교 고찰하는 것이 대부분을 차지하고 있다[12-16]. 최근 연구에서는 활성탄의 표면 및 내부에 형성된 기공별 표면적과 흡착량, 활성탄 기공별 기공부피와 흡착량, 활성탄의 개질에 따른 활 성탄 표면 특성에 따른 흡착능, 흡착질의 분자크기, 또는 흡착질의 극 성과의 상관관계를 고찰하였다[17-19]. 그러나 일반적으로 화학공장 이나 하수처리장 등의 산업체에서 배출되는 가스는 단일성분으로 존 재하기 보다는 여러 종류의 가스들이 혼합되어 배출되며, 다성분계 경우의 흡착특성은 단일성분계의 경우와는 달라진다. Kim과 Park[20] 은 벤젠과 톨루엔으로 구성된 2성분 혼합가스, Yun 등[21]은 BTX 혼 합가스, Lee 등[22]은 아세톤과 톨루엔의 혼합가스에 대한 흡착특성을 연구하였으며, Lee 등[23]은 활성탄 고정층에서 아세톤, MEK, 벤젠 및 톨루엔으로 구성된 2성분 혼합가스에 대한 흡착특성을 연구, Lee 등[24]은 활성탄 고정층 반응기에서 2종류 흡착제의 충전방법을 달리 하여 아세톤과 톨루엔의 혼합가스에 대한 흡착특성, Lee 등[25]은 주 유소 유증기를 구성하는 주요 10개 성분의 온도에 따른 흡⋅탈착특성 을 비교 고찰하였다. 그러나 방향족인 톨루엔, 케톤류인 아세톤, 황화 합물인 MM으로 구성된 혼합가스의 흡착특성에 관한 연구는 본 연구 자들이 농업 폐기물인 폐감귤박으로 제조한 폐감귤박 활성탄(WCAC) 을 사용한 회분식 흡착연구[26] 외에는 보이지 않는다.
따라서 본 연구에서는 WCAC를 충전한 연속식 흡착 반응기를 이용 하여 방향족인 톨루엔, 케톤류인 아세톤 그리고 황화합물인 MM이 단 독으로 존재하는 경우에 유입농도, 유입유량 및 형상비를 변화시킴에 따른 파과특성을 검토하였으며, 아울러 이들 가스로 구성된 2성분 혼 합가스의 경우와 3성분 혼합가스의 경우에 대한 파과특성을 비교 검 토하였다.
2. 실 험
2.1. 실험 재료
사용한 활성탄은 선행연구[11]에서와 같이 제주도 지방개발공사 제 1,2감귤복합 처리가공 공장에서 부산물로 발생되는 폐감귤박을 진공 동결 건조시켜 수분을 완전히 제거한 다음에 일정 크기로 분쇄한 시 료를 300 ℃의 muffle furnace에서 1.5 h 동안 탄화시켜 세척한 후, 건 조오븐에서 105 ℃에서 24 h 동안 건조시킨 다음에 활성화제 KOH의 침적비 300%, 활성화 온도 900 ℃, 활성화 시간 1.5 h로 활성화시켜 폐감귤박 활성탄(WCAC)을 제조하였다.
흡착대상가스로는 휘발성유기화합물(VOCs) 중에서 극성물질인 아 세톤과 비극성물질인 벤젠, 그리고 황화합물 중에서는 악취물질로 지 정된 MM을 사용하였으며, 이들 가스의 물성을 Table 1에 나타내었다.
2.2. 실험방법
연속 흡착실험 장치는 Figure 1에서 보이는 것처럼 공기 펌프, 실린 지 펌프, MM 가스 bombe, 혼합기 및 흡착 반응기 등으로 구성되어 있다. 흡착 반응기는 내경 12 mm, 외경 16 mm, 그리고 높이 145 mm 인 pyrex 유리관을 사용하였으며, 실험실 온도는 25 ℃로 일정하게 유 지하여 운전하였다.
아세톤 및 벤젠의 흡착 운전은 공기 펌프에서 공급되는 대기 중의 공기를 실리카겔층을 통과시켜 수분을 제거한 다음에, 실린지 펌프 (Cole Parmer International, U.S.A., p-74901-10)로 유입시키는 액상의 아세톤과 벤젠을 이 공기에 의해 기화되도록 하였다. 기화된 아세톤 및 벤젠 가스는 혼합기에서 공기와 충분히 혼합되게 한 후 흡착 반응 기의 하부로 유입시켜 상부로 배출되게 하였다. MM 흡착 운전은 먼 저 regulator로 MM 가스와 공기의 유출 압력을 일정하게 한 다음 유 랑계로 MM 가스의 유량을 조절하여 유입농도를 일정하게 유지시켰 다. 이 가스를 흡착 반응기의 하부로 유입시켜 상부로 배출되게 하였 으며, 가스크로마토그래피를 사용하여 유출되는 가스의 농도를 분석 하였다.
2.3. 분석방법
아세톤과 벤젠 가스의 농도는 DB-624 capillary column (30 m × 0.32 mm ID × 1.8 μm film thickness)과 불꽃이온화검출기(FID)가 장 착된 가스크로마토그래피(Donam, DS-6200)로 분석하였으며, 가스크 로마토그래피의 운전 시 oven 온도는 50 ℃, injector 온도는 250 ℃, 그리고 detector 온도는 200 ℃로 하였다. 그리고 MM의 농도는 FPD (flame photometric detector)가 장착된 가스크로마토그래피(Shimadzu GC-A9)로 분석하였다. 가스크로마토그래피 분석 조건을 Table 2에 나타내었다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 단일성분 파과특성
Figure 2는 제조된 WCAC로 아세톤, 벤젠 및 MM의 연속흡착실험 을 통해 얻은 파과곡선을 나타낸 것이다. 흡착실험은 WCAC 0.1 g을 반응기에 충전하고 유량을 100 mL/min, 대상가스의 유입농도를 300 ppmv로 하여 운전하였다. 파과곡선은 흡착시간(t)에 따른 유입농도 (C0)에 대한 유출농도(C)의 비(C/C0)로 나타낸 것으로, 파과곡선에서 유출농도가 유입농도의 10% 되는 점을 파과시간으로 하였다.
흡착실험으로 얻어지는 파과곡선으로부터 흡착량은 이론적으로 다 음과 같이 구할 수 있다.
여기서, t는 시간(min), q는 평형 흡착량(mg/g), Co는 흡착층 입구에 서의 흡착질 농도(ppmv), Ct는 시간 t에서 흡착층 출구에서의 흡착질 농도(ppmv), W는 흡착제 충전량(g), tT는 흡착제가 더 이상 흡착하지 않고 포화에 도달한 시간(min), Q는 유입되는 흡착질 가스의 유량 (L/min)을 나타낸다.
Figure 2에서 파과곡선의 형태를 비교해 보면 아세톤과 벤젠의 파 과곡선은 유출농도가 유입농도의 50% 되는 점을 기준으로 좌우 대칭 이 뚜렷하게 나타나는 S자 모양의 곡선을 나타내었다. 반면, MM의 경우에는 C/C0 값이 0.6 이상에서는 기울기가 감소하여 C/C0가 1이 되는 포화까지 완만한 형태의 곡선을 보여 좌우 대칭의 형태를 보이 는 아세톤과 벤젠과는 다른 모습을 나타내었다. 아세톤, 벤젠 및 MM 의 파과시간은 각각 105, 230 및 72.5 mim으로 벤젠의 파과시간이 가 장 길었으며 다음으로 아세톤, MM 순으로 나타났다. 또한 Figure 2의 파과곡선 자료를 식 (1)에 적용하여 구한 흡착량(q)은 아세톤의 경우 101.2 mg/g, 벤젠은 262.0 mg/g, 그리고 MM은 78.4 mg/g으로 벤젠 > 아세톤 > MM의 순이었다. 대상가스의 유입농도를 150 ppmv로 운 전한 경우(그림 생략)에 아세톤, 벤젠 및 MM의 파과시간 및 흡착량은 각각 175 min 및 87.4 mg/g, 390 min 및 120 mg/g, 120 min 및 59.6 mg/g이었다. 일반적으로 활성탄은 비극성에 가까운 성질을 갖고 있어 비극성 흡착질을 잘 흡착하며, 분자량과 비점이 높을수록 그리고 증 기압이 낮을수록 휘발성이 약하여 흡착제에 잔류하려는 성질이 강하 고 활성탄과 결합력이 강하여 흡착성능이 우수한 것으로 알려져 있다. 본 연구에서 파과시간 및 흡착량의 결과를 보면 벤젠은 비극성이면서 분자량과 비점이 가장 높고 증기압이 가장 낮아 가장 우수한 흡착능 을 보여 WCAC에 대한 친화력이 가장 우수하였으며, 상대적으로 MM 은 WCAC에 대한 친화력이 가장 낮았다.
3.1.1. 유입농도 변화에 따른 파과특성
Figure 3은 아세톤, 벤젠 그리고 MM의 유입농도 변화에 따른 파과 곡선을 나타낸 것이다. 흡착실험은 WCAC 0.1 g을 반응기에 충전하고 유량을 100 mL/min으로 일정하게 유지시키면서 대상가스의 유입농도 를 150, 300 및 450 ppmv로 달리하여 운전하였다. 그림에서 보면 유입 농도 150 ppmv에서는 세 종류의 대상가스 모두 완만한 파과곡선의 형 태를 보였으나 유입농도가 300 및 450 ppmv로 증가하면서 곡선의 기 울기도 증가함을 보였다. 특히 Figure 3(b)의 벤젠의 경우에는 아세톤 과 MM에 비해 기울기의 증가폭이 크게 나타나 파과곡선의 모양도 더 욱 steep한 형으로 나타났다. 이처럼 파과곡선의 기울기가 증가하는 것 은 대상가스가 유출되는 시점부터 포화가 일어나는 시점까지의 시간 범위가 짧아지는 것을 나타내며 실제 흡착이 이루어지는 반응기 내부 에서의 흡착영역 길이가 감소하는 것을 의미한다. 그리고 대상가스의 유입농도가 150, 300 및 450 ppmv로 증가함에 따라 아세톤의 파과시 간은 175, 115 및 75 min, 벤젠은 390, 230 및 195 min, 그리고 MM은 120, 72.5 및 45 min으로 감소하였다. 이는 대상가스의 유입농도가 높 을수록 흡착이 가능한 분자들이 증가할 뿐만 아니라 활성탄 표면 및 세공에서의 흡착속도가 증가하게 되므로 흡착이 그만큼 빠르게 진행 되어 평형에 도달하는 시간이 단축되기 때문으로 사료된다[27,28].
Figure 4는 Figure 3의 파과곡선으로부터 각 대상가스의 유입농도 변 화에 따른 흡착량을 계산하여 나타낸 것으로 그림에서 보듯이 대상가스 의 유입농도가 150에서 300, 450 ppmv로 증가함에 따라 아세톤의 흡착 량은 87.4에서 101.3 및 125.8 mg/g으로, 벤젠은 231.8에서 262 및 315.9 mg/g으로, 그리고 MM은 53.7에서 78.4 및 80.5 mg/g으로 증가하였다. 이처럼 유입농도가 증가함에 따라 WCAC의 흡착량이 증가하는 것은 대 상가스가 활성탄의 표면 혹은 세공으로 전달되는 과정에서 물질전달의 driving force인 농도차가 증가하기 때문으로 사료된다.
3.1.2. 유량변화에 따른 파과특성
Figure 5는 아세톤, 벤젠 그리고 MM의 유량변화에 따른 파과곡선 을 나타낸 것이다. 흡착실험은 반응기에 WCAC 0.1 g을 충전한 후 대 상가스의 유입농도를 300 ppmv로 일정하게 유입하고 유량을 100, 150 및 200 mL/min으로 달리하여 운전하였다. 그림에서 보듯이 유량이 증 가함에 따라 나타나는 파과곡선의 형태는 큰 변화가 없었고, 단지 대 상가스의 유출되는 시간이 조기에 형성되어 전체적인 파과곡선이 수 평이동하였다. 파과시간은 유량이 100, 150 및 200 mL/min으로 증가 함에 따라 아세톤의 경우는 11, 70 및 45 min으로 단축되었고, 벤젠은 230, 170 및 125 min로, MM은 72.5, 45 및 30 min으로 감소하였다. 이와 같이 유량이 증가함에 따라서 단위시간동안 흡착층 내로 유입되 는 가스의 양이 증가하게 됨으로써 활성탄 표면 혹은 세공 내의 흡착 이 빨리 진행되어 파과시간이 빨라지게 되는 것으로 생각된다[20,29].
Figure 6은 Figure 5의 파과곡선으로부터 각 대상가스의 유량변화에 따른 흡착량을 계산하여 나타낸 것으로 유량이 100에서 200 mL/min 으로 증가하여도 흡착량은 큰 변화가 없었다.
3.1.3. 형상비 변화에 따른 파과특성
유입되는 아세톤, 벤젠 그리고 MM의 유입 농도 및 유량을 각각 300 ppmv, 100 mL/min으로 일정하게 하고 WCAC의 충전량을 0.1, 0.13 및 0.16 g으로 달리하여 흡착탑의 형상비(L/D)를 1.0, 1.3, 1.6로 변화시킴에 따른 파과곡선을 Figure 7에 나타내었다. Figure 7(a)에 나 타낸 아세톤의 경우 L/D가 1.0, 1.3, 1.6으로 증가함에 따라 파과시간 이 115, 160 및 235 min으로 증가하였고, 파과곡선의 기울기도 점차 완만해지는 경향을 보였다. 이는 형상비의 크기에 비례하여 아세톤에 대한 흡착영역의 길이가 증가함을 보여주는 것이다. 이에 반해 Figure 7(b)에서 벤젠의 경우에는 L/D가 1.0, 1.3, 1.6으로 증가하여도 파과시 간만 230, 390 및 570 min으로 늘어날 뿐 전체적인 파과곡선은 수평 이동 하였으며, Figure 7(c)에서 보듯이 MM의 경우도 벤젠과 유사한 형태의 파과곡선을 나타내고 있어 충전 높이 변화에 따른 흡착거동이 비슷한 것으로 사료된다. Hori 등[30]도 벤젠을 대상으로 활성탄의 파 과특성을 검토한 연구에서 파과점이 형상비에 비례하여 수평 이동하 였다고 하였다.
Figure 8은 Figure 7의 파과곡선으로부터 L/D 변화에 따른 아세톤, 벤젠 및 MM의 흡착량을 계산하여 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이 형상비 L/D가 1.0인 경우에 아세톤의 흡착량은 101.3 mg/g, 벤젠은 262 mg/g 그리고 MM은 78.4 mg/g이었으며, L/D가 1.3에서 1.6으로 증가함에 따라 아세톤은 114.8에서 121.9 mg/g, 벤젠은 287에서 307.2 mg/g 그리고 MM은 83.9에서 94.1 mg/g으로 증가하였다.
3.1.4. 흡착량 비교
Table 3은 여러 가지 종류의 활성탄 제조원에 따른 아세톤, 벤젠 및 MM의 흡착량을 비교하여 나타낸 것이다. 상업용 활성탄[31]이나 메 조포러스 실리카[33]를 흡착제로 사용시에 벤젠의 흡착량은 120-340 mg/g 및 50.7-98.28 mg/g으로 비표면적이 증가할수록 흡착량이 증가 하며, 아세톤은 상업용 제올라이트[32]의 경우 흡착량이 74.24 mg/g이 나 상업용 활성탄[19]의 경우는 흡착량이 117.2 mg/g을 나타내고 있 다. 또한, 상업용 활성탄[13]이나 메조포러스 탄소[34]를 흡착제로 사 용한 경우에 MM의 흡착량이 29.9-79 mg/g이다. 따라서 본 연구에서 사용한 WCAC는 이들 흡착제와 비교하여 유사하거나 높은 흡착량을 보이므로 WCAC는 오염 공기 중에서 아세톤, 벤젠 및 MM의 제거에 유망한 흡착제가 될 수 있을 것으로 생각된다.
3.2. 혼합가스의 파과특성
VOCs와 황화합물은 실제 산업현장에서 단일성분보다는 다성분계 로 배출되는데, 이러한 혼합가스 물질을 제거하거나 회수공정을 설계 하기 위해서는 혼합가스의 흡착 특성을 아는 것이 중요하다. 혼합가 스의 흡착공정은 흡착질 성분 간의 경쟁과 상호작용으로 흡착현상이 매우 복잡하여 단일성분에 비해 측정이 용이하지 않을 뿐만 아니라 흡착 파과곡선의 형태도 크게 다르게 나타난다. 따라서 본 연구에서 는 WCAC에 대해 극성물질인 아세톤, 비극성물질인 벤젠 그리고 황 화합물인 MM으로 이루어진 혼합가스의 흡착특성을 살펴보았다.
3.2.1. 2성분 혼합가스의 파과특성
WCAC 0.1 g을 충진한 흡착탑에 100 mL/min 유속으로 각 대상가 스의 유입농도를 150 ppmv으로 동일하게 하여 실험한 결과를 Figure 9에 나타내었다. Figure 9(a)는 아세톤과 벤젠의 2성분계 혼합가스의 파과곡선을 나타낸 것이다. 벤젠의 경우 파과시간 이후 완만한 곡선 을 나타내며 유입농도 C0가 유출농도 C와 같아지는 포화시간까지 도 달하여 더 이상 흡착은 일어나지 않았고, 이는 벤젠의 단일성분 파과 곡선의 형태와 유사함을 보였다. 그러나 아세톤은 파과시간 이후로 급격히 유출농도가 증가하여 C/C0이 1이 되는 시점까지 매우 steep한 형태의 곡선을 보여주고 있고, 유출시간이 증가함에 따라 아세톤의 유입농도보다 유출농도가 커지게 되는 roll-up 현상을 보였다. 아세톤 의 roll-up 현상은 벤젠이 포화되는 시점까지 유지되었으며, 그 이후로 는 C/C0 값이 모두 1로 수렴하였다. 이러한 roll-up 현상은 아세톤의 단일성분에 대한 파과특성에서는 볼 수 없던 것으로, 흡착층 내에서 물질간의 상호작용과 WCAC에 대한 아세톤과 벤젠의 친화력 차에 기 인하는 것으로 사료된다. 흡착 초기에 친화력이 높은 벤젠이 우선적 으로 활성탄이 충전되어 있는 흡착층의 입구에서부터 흡착되고, 흡착 친화력이 낮은 아세톤은 층을 따라 흐르면서 다음 흡착영역에 흡착이 이루어진다. 그러나 시간이 경과함에 따라 벤젠이 초기 흡착층의 전 체 영역에 걸쳐 포화되고 미흡착된 벤젠은 아세톤이 흡착되어 있는 영역으로 이동되면서 이미 흡착된 아세톤을 밀어내고 그 자리에 벤젠 이 흡착되는 과정을 거치게 된다. 이러한 연구 결과는 Yun 등[35]의 연구에서도 보고되었는데, roll-up 현상은 흡착 친화력이 큰 물질이 흡 착 친화력이 작은 물질을 치환함으로 인해 생긴다고 설명하였다.
Figure 9(b)와 9(c)는 각각 벤젠과 MM, 아세톤과 MM의 혼합가스 경우의 파과곡선을 나타낸 것으로 황화합물인 MM이 극성인 아세톤 과 비극성인 벤젠에 혼합된 경우에 파과곡선의 형태는 서로 다르게 나타남을 볼 수 있다. Figure 9(b)와 9(c)에서 보면 MM의 파과시간은 110 min으로 동일하게 나타났으나, 벤젠과 혼합되어 있을 경우에는 MM의 유입농도와 유출농도가 같아지는 포화시간이 310 min, 아세톤 과 혼합되어 있을 경우에는 포화시간이 170 min으로 약 2배 정도의 차이를 보이고 있다. MM이 아세톤과 혼합된 경우에 MM의 파과곡선 은 기울기의 변화가 없이 단지 파과시간만이 차이가 나는 전형적인 S 자 파과곡선을 나타내고 있는 반면에, 벤젠과 혼합된 경우에 MM의 파과곡선은 유입농도의 10%가 유출되는 시간인 파과시간부터 유입농 도의 50%가 유출되는 시점까지는 매우 짧은 유출시간을 가졌고, 그 이후부터 포화되는 시간까지는 100 min 이상이 소요되어 완만한 형태 의 곡선을 나타내었다. Figure 9에서 보듯이 2성분계 흡착에서 흡착제 와 친화력이 높은 물질이 흡착점을 점유하면서 이미 흡착되어 있는 낮 은 친화력을 갖는 물질을 치환해서 탈착하게 되어 친화력이 낮은 물질 이 먼저 파과되었다. WCAC와의 친화력이 높은 벤젠과 상대적으로 친 화적이 낮은 아세톤 및 MM이 혼합된 경우에 파과시간 및 흡착량을 비교해보면 유입농도가 150 ppmv인 단일성분의 경우에 아세톤의 파 과시간 및 흡착량은 175 min 및 87.4 mg/g이고, MM의 파과시간 및 흡착량은 120 min 및 59.6 mg/g인 것과 비교하여 혼합가스의 경우에 는 각각 170 min 및 64.7 mg/g, 100 min 및 39.0 mg/g으로 감소하였다.
3.2.3. 3성분 혼합가스의 파과특성
Figure 10은 아세톤, 벤젠 그리고 MM 가스가 혼합된 3성분 혼합가 스 경우의 파과특성을 나타낸 것이다. WCAC를 충전한 반응기에 각 각의 유입농도가 300 ppmv인 아세톤, 벤젠 그리고 MM 가스를 100 mL/min 유량으로 공급하여 운전하였다. 그림에서 보듯이 벤젠의 경 우는 210 min에서 유입농도의 10%에 해당하는 농도가 검출된 후 포 화까지 약 50 min이 소요되었으며, 단일성분 및 2성분 혼합가스에서 나타난 파과곡선의 형태와 유사하였다. 아세톤의 경우는 운전을 시작 한 후 100 min에서 roll-up 현상이 일어났으며, 이후 벤젠이 포화되는 시점까지 유지되어 운전 260 min에 벤젠과 동일하게 C/C0 값이 1을 나타내었는데, 이는 벤젠과의 2성분 혼합가스에서 나타난 파과곡선의 형태와 유사하다. 즉, WCAC에 의한 아세톤의 흡착은 황화합물인 MM보다 비극성물질인 벤젠과 혼합되어 있을 경우에 흡착영향을 크 게 받는 것으로 사료된다. MM은 40 min 경에 반응기 출구에서 농도 가 검출되기 시작하여 운전 약 100 min 부근에서 C/C0 값이 1에 수렴 하였다. 이러한 3성분계 경우의 파과곡선은 2성분계와는 약간 다른 특성을 보여주고 있는데, 이는 2성분계 흡착에서는 높은 친화력을 갖 는 물질과 낮은 친화력을 갖는 물질이 각각 하나씩 존재하여 단순히 치 환되는 현상만 나타내는 반면에 3성분계 흡착에서는 친화력이 다른 3 가지 물질이 같이 혼합되어 있어서 서로 다른 친화력을 갖는 물질들이 경쟁 흡착에 의해 흡착과 치환이 동시에 일어나기 때문이다[36]. 아세 톤 단일 성분일 경우에는 파과시간이 175 min이었으나 벤젠과 혼합된 2성분계의 경우 파과시간은 170 min으로 감소하였으며, 3성분계 경우 에는 파과시간이 80 min으로 감소하였다. 또한 MM은 단일 성분 흡착 경우에 파과시간은 120 min, 아세톤 및 벤젠과 혼합된 2성분계의 경우 파과시간이 100 min으로 감소하였으며, 3성분계 경우에 파과시간은 40 min으로 감소하였다. 이와 같이 2성분계에 비하여 3성분계의 경우에 파과시간이 감소하는 것은 혼합물질의 수가 증가할수록 친화력이 낮은 물질의 파과시간이 경쟁흡착에 의해 짧아지는 것을 의미한다[36].
4. 결 론
본 연구에서는 제주도의 농업폐기물인 폐감귤박으로 제조한 활성 탄(WCAC)을 충전한 고정층 반응기에서 방향족인 톨루엔, 케톤류인 아세톤 그리고 황화합물인 MM의 3종류 가스를 대상으로 하여 단일 성분계와 혼합 성분계에 대한 흡착실험을 수행하여 다음과 같은 결론 을 얻었다.
단일성분의 경우에 얻어진 파과곡선에서 아세톤, 벤젠 및 MM의 파 과시간은 유입농도 및 유량이 증가할수록 감소하였으나 형상비가 증 가할수록 증가하였다. 파과곡선으로부터 구한 흡착량은 유입농도 및 형상비(L/D)가 증가할수록 증가하였으나 유량증가에 따른 흡착량은 대상가스에 따라 차이를 나타내었다. 2성분계 및 3성분계 혼합가스의 흡착경우의 파과곡선은 WCAC 내에서의 대상가스간의 상호작용 및 WCAC에 대한 대상가스의 친화력에 기인하여 유입농도보다 유출농 도가 커지게 되는 roll-up 현상을 보였다. 이와 같이 흡착제와 친화력 이 높은 물질이 흡착점을 점유하면서 이미 흡착되어 있는 낮은 친화 력을 갖는 물질을 치환해서 탈착하게 되어 친화력이 낮은 물질이 먼 저 파과되었으며 파과시간이 감소하였다. 특히, 아세톤과 MM과 비교 하여 비점이 높고, 증기압이 낮으며 휘발성이 약한 특성을 가진 벤젠 이 WCAC에 친화력이 높은 것으로 나타났다. WCAC에 의한 아세톤 의 흡착은 황화합물인 MM보다 비극성물질인 벤젠과 혼합되어 있을 경우에 영향을 크게 받는 것으로 나타났다.
