활성탄의 도입

활성탄(AC)은 목재, 코코넛 껍질, 석탄, 솔방울 등에서 생산되는 높은 다공성과 흡착력을 가진 고탄소성 물질을 말합니다. AC는 다양한 산업에서 수질 및 대기 오염 물질을 제거하는 데 널리 사용되는 흡착제 중 하나입니다. 농산물 및 폐기물에서 합성되는 AC는 기존에 사용되던 재생 불가능하고 값비싼 자원에 대한 훌륭한 대안으로 입증되었습니다. AC 제조에는 탄화와 활성화라는 두 가지 기본 공정이 사용됩니다. 첫 번째 공정에서는 전구체를 400~850°C의 고온에서 가열하여 모든 휘발성 성분을 제거합니다. 고온에서 수소, 산소, 질소와 같은 비탄소 성분이 기체 및 타르 형태로 전구체에서 모두 제거됩니다. 이 공정은 탄소 함량은 높지만 표면적과 다공성이 낮은 숯을 생성합니다. 두 번째 단계는 이전에 합성된 숯을 활성화하는 것입니다. 활성화 과정 중 기공 크기 증가는 세 가지로 분류할 수 있습니다. 이전에는 접근할 수 없었던 기공을 여는 것, 선택적 활성화를 통한 새로운 기공 개발, 기존 기공을 넓히는 것입니다.
일반적으로 원하는 표면적과 기공률을 얻기 위해 물리적 활성화와 화학적 활성화 두 가지 방법이 사용됩니다. 물리적 활성화는 공기, 이산화탄소, 증기와 같은 산화성 가스를 사용하여 고온(650~900°C)에서 탄화된 숯을 활성화하는 것을 포함합니다. 이산화탄소는 순수한 특성, 쉬운 취급, 그리고 약 800°C에서 활성화 공정 제어가 가능하기 때문에 일반적으로 선호됩니다. 이산화탄소 활성화는 증기에 비해 높은 기공 균일도를 얻을 수 있습니다. 그러나 물리적 활성화의 경우, 비교적 높은 표면적을 가진 탄소(AC)를 생성할 수 있기 때문에 이산화탄소에 비해 증기가 훨씬 선호됩니다. 물의 분자 크기가 작기 때문에 숯 구조 내에서의 확산이 효율적으로 일어납니다. 증기에 의한 활성화는 동일한 전환율에서 이산화탄소보다 약 2~3배 높은 것으로 나타났습니다.
그러나 화학적 접근법은 전구체를 활성화제(NaOH, KOH, FeCl3 등)와 혼합하는 과정을 포함합니다. 이러한 활성화제는 산화제이자 탈수제 역할을 합니다. 이 접근법에서는 탄화와 활성화가 물리적 접근법에 비해 상대적으로 낮은 온도인 300~500°C에서 동시에 진행됩니다. 결과적으로 열분해가 일어나 다공성 구조가 확장되고 탄소 수율이 높아집니다. 물리적 접근법에 비해 화학적 접근법의 주요 장점은 낮은 온도 요구 조건, 높은 미세 다공성 구조, 넓은 표면적, 그리고 반응 완료 시간 단축입니다.
화학적 활성화 방법의 우수성은 Kim과 그의 동료 연구자들이 제안한 모델[1]을 기반으로 설명할 수 있는데, 이 모델에 따르면 미세공극 형성을 담당하는 다양한 구형 미세 도메인이 AC에서 발견됩니다. 반면에 중간공극은 미세 도메인 간 영역에서 발달합니다. 실험적으로, 그들은 화학적(KOH 사용) 및 물리적(증기 사용) 활성화를 통해 페놀 기반 수지에서 활성탄을 형성했습니다(그림 1). 결과에 따르면 KOH 활성화로 합성된 AC는 증기 활성화의 2213m2/g에 비해 2878m2/g의 높은 표면적을 가졌습니다. 또한, 공극 크기, 표면적, 미세공극 부피 및 평균 공극 너비와 같은 다른 요인은 모두 증기 활성화에 비해 KOH 활성화 조건에서 더 나은 것으로 나타났습니다.

증기 활성화(C6S9)와 KOH 활성화(C6K9)로 제조된 AC의 차이점은 미세 구조 모델로 설명됩니다.

입자 크기와 제조 방법에 따라 분말형 AC, 과립형 AC, 비드형 AC의 세 가지 유형으로 분류할 수 있습니다. 분말형 AC는 크기가 1mm이고 평균 직경이 0.15~0.25mm인 미세 과립으로 형성됩니다. 과립형 AC는 크기가 비교적 크고 외부 표면적이 작습니다. 과립형 AC는 치수 비율에 따라 다양한 액상 및 기상 응용 분야에 사용됩니다. 세 번째 유형: 비드형 AC는 일반적으로 직경이 0.35~0.8mm인 석유 피치에서 합성됩니다. 높은 기계적 강도와 낮은 분진 함량으로 알려져 있습니다. 구형 구조로 인해 수처리와 같은 유동층 응용 분야에 널리 사용됩니다.