다공성 탄소 기공 구조의 최적화-Ⅰ

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본 논문은 활성탄 시장 현황을 분석하고, 활성탄 원료에 대한 심층 분석을 수행하며, 활성탄의 기공 구조 특성 분석 방법, 제조 방법, 영향 요인 및 응용 현황을 소개하고, 활성탄 기공 구조 최적화 기술 연구 결과를 검토하여, 친환경 및 저탄소 기술 분야에서 활성탄의 활용도를 높이는 데 기여하고자 한다.

 

활성탄 제조

일반적으로 활성탄 제조는 탄화와 활성화의 두 단계로 나뉩니다.

 

탄화 공정

탄화란 불활성 가스 분위기 하에서 고온으로 원료 석탄을 가열하여 휘발성 물질을 분해하고 중간 탄화 생성물을 얻는 공정을 말합니다. 탄화 공정은 공정 변수를 조절함으로써 원하는 결과를 얻을 수 있습니다. 연구에 따르면 활성화 온도는 탄화 특성에 영향을 미치는 핵심 공정 변수입니다. Jie Qiang 등은 머플로에서 활성탄의 성능에 미치는 탄화 가열 속도의 영향을 연구하여, 낮은 가열 속도가 탄화 물질의 수율을 향상시키고 고품질 물질을 생산하는 데 도움이 된다는 것을 발견했습니다.

 

활성화 프로세스

탄화 공정을 통해 원료는 흑연과 유사한 미세 결정 구조를 형성하고 초기 기공 구조를 생성할 수 있습니다. 그러나 이러한 기공은 불규칙적이거나 다른 물질에 의해 막혀 폐쇄되는 경우가 많아 비표면적이 작아 추가적인 활성화 공정이 필요합니다. 활성화는 탄화 생성물의 기공 구조를 더욱 풍부하게 하는 공정으로, 주로 활성제와 원료 간의 화학 반응을 통해 이루어지며, 다공성 미세 결정 구조의 형성을 촉진합니다.

활성화 과정은 주로 재료의 기공을 풍부하게 하는 세 단계를 거칩니다.
(1) 원래 닫혀 있던 모공을 열기(모공을 통해);
(2) 원래의 기공을 확대함(기공 확장);
(3) 새로운 기공 형성(기공 생성)

이 세 가지 효과는 단독으로 발생하는 것이 아니라 동시에 시너지 효과를 내며 발생합니다. 일반적으로 기공 형성 및 기공 생성은 기공, 특히 미세 기공의 수를 증가시키는 데 도움이 되며, 이는 높은 다공성과 넓은 비표면적을 갖는 다공성 물질을 제조하는 데 유리합니다. 그러나 과도한 기공 확장은 기공들이 합쳐지고 연결되어 미세 기공이 더 큰 기공으로 변형되는 결과를 초래합니다. 따라서 기공이 잘 발달되고 비표면적이 넓은 활성탄 소재를 얻기 위해서는 과도한 활성화를 피해야 합니다. 일반적으로 사용되는 활성탄 활성화 방법에는 화학적 방법, 물리적 방법 및 물리화학적 방법이 있습니다.

 

화학적 활성화 방법

화학적 활성화 방법은 원료에 화학 시약을 첨가한 후, 질소(N2)나 아르곤(Ar)과 같은 보호 가스를 주입하여 가열로에서 가열함으로써 탄화 및 활성화를 동시에 진행하는 방법입니다. 일반적으로 사용되는 활성제로는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 과산화수소(H3PO4) 등이 있습니다. 화학적 활성화 방법은 낮은 활성화 온도와 높은 수율이라는 장점을 가지고 있지만, 부식이 심하고, 표면에 잔류하는 시약을 제거하기 어려우며, 환경 오염이 심각하다는 문제점도 있습니다.

 

물리적 활성화 방법

물리적 활성화 방법은 원료를 고온의 용광로에서 직접 탄화시킨 후, CO2나 H2O와 같은 기체를 주입하여 반응시켜 기공을 증가시키고 기공 부피를 확장하는 방법이지만, 기공 구조 제어가 어렵다는 단점이 있습니다. 이러한 물리적 활성화 방법에서 CO2는 청정하고, 쉽게 구할 수 있으며, 저렴하기 때문에 활성탄 제조에 널리 사용됩니다. 본 연구에서는 탄화된 코코넛 껍질을 원료로 사용하여 CO2로 활성화시킨 활성탄을 제조하였으며, 비표면적과 총 기공 부피는 각각 1653m2·g⁻¹와 0.1045cm3·g⁻¹로, 이중층 커패시터용 활성탄 사용 기준을 충족하는 성능을 보였습니다.

이산화탄소를 이용하여 비파씨를 활성화시켜 초활성탄을 제조하였다. 1100℃에서 30분간 활성화시킨 결과, 비표면적과 총 기공 부피는 각각 최대 3500m²·g⁻¹ 및 1.84cm³·g⁻¹에 도달하였다. 또한, 상용 코코넛 껍질 활성탄에 이산화탄소를 이용한 2차 활성화를 수행하였다. 활성화 후, 최종 제품의 미세 기공은 축소되었고, 미세 기공 부피는 0.21cm³·g⁻¹에서 0.27cm³·g⁻¹로 증가하였으며, 비표면적은 627.22m²·g⁻¹에서 822.71m²·g⁻¹로 증가하였고, 페놀 흡착 용량은 23.77% 증가하였다.

다른 학자들은 CO2 활성화 공정의 주요 제어 요인을 연구했습니다. Mohammad 등[21]은 CO2를 사용하여 고무 톱밥을 활성화할 때 온도가 주요 영향 요인임을 발견했습니다. 최종 제품의 비표면적, 기공 부피 및 미세 기공률은 온도가 증가함에 따라 처음에는 증가하다가 감소했습니다. Cheng Song 등[22]은 반응 표면 분석법을 사용하여 마카다미아 껍질의 CO2 활성화 공정을 분석했습니다. 그 결과 활성화 온도와 활성화 시간이 활성탄 미세 기공 발달에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.