Activated carbon vs. Molecular sieve

흡착제로 가장 많이 사용되고 있는 활성탄 (activated carbon)과 분자체 (molecular sieve)에 대해 특징 및 차이점에 대해 알아보았다.

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활성탄 (AC)은 특별한 절차로 처리된 탄소로서, nut shell이나 coal과 같은 유기물 원료를 공기가 없는 상태에서 가열하여 탄소가 아닌 성분을 줄인 후 (carbonization) 표면에서 가스와 반응하여 침식을 만들어 (activation) 수많은 미세한 pore가 형성된 조직이다. 이 micropore의 직경은 2~50nm이며 활성탄의 내부 전체 표면적은 약 500~1500m2/g이다.

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(탄소) 분자체 (CMS)는 1970년대에 개발된 새로운 흡착제로서 무극성 탄소 흡착제이다. 이는 주로 공기를 분리하여 질소를 만드는데 사용되며, 기존 초저온 고압 공정에 비해 운전 온도가 mild하고 저압에서 운전이 되어 투자비를 낮추고 질소를 빠르게 생산할 수 있다. 실제로 PSA 방식으로 공기를 분리하는데 CMS를 적용하고 있다.

 

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두번째로는 MS와 AC를 만드는 원료가 다르다. CMS의 경우 주원료는 phenolic resin이지만, AC의 주원료는 코코넛쉘이나 나무, 석탄등이다. 그리고 pore 직경이 서로 다르다. CMS의 경우 보다 엄격한 pore size 분포 범위를 보이며, pore 직경보다 작은 분자들이 쉽게 흡착이 되고 큰 분자들은 흡착이 되지 않고 통과한다. 반면 AC의 경우 pore size가 다양하고 중요한 것은 내부 표면적이 매우 커서 이 특징에 따라 흡착 성능이 우수하다.

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CMS는 주로 질소 생산에 활용되어 대기온도에서 공기중 분자크기가 작은 산소분자를 흡착하고 pore size보다 큰 질소는 흡착이 되지 않고 흡착탑을 통과해 나가 질소를 분리 생산하며 산소는 pressure swing에 의해 탈착 (재생)된다.

 

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활성탄의 경우 PSA N2 generator 운전에서 공기중 수분과 oil-gas 불순물을 흡착하기 위해 사용되며, 아울러 flue gas처리나 하수 (오수) 처리에 종종 사용된다.

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분자체는 효율과 안정성 때문에 VOC control에 많이 이용된다. 기공의 크기는 분자 scale정도로서 분자 크기에 따라 선택적으로 흡착을 한다. 특히 zeolite MS는 흡착이나 교환성이 뛰어나 VOC control에 폭넓게 사용한다.

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MS는 혼합물중 분자 크기가 확연히 다를 경우 특정 크기의 VOC분자에 대한 선택도가 높아서 이 물질을 분리하는데 용이하게 이용되며, 아울러 열적 안정성이 높아 고온에서 재생하는데 문제가 없고 수명이 길어 재생을 통해 연속적으로 사용이 가능하다.

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활성탄의 특징인 기공조직과 표면적이 매우 커서 흡착제로 많이 사용된다. VOC의 다양한 type에 대해서도 뛰어난 흡착성능을 보여주며 극성이나 무극성에 무관하게 다양한 범위의 chemical을 흡착할 수 있고 상대적으로 저렴하다. AC 제조기술의 신뢰도가 높고 source가 다양하여 주변에서 쉽게 얻을 수 있다.

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MS는 특정 분자 크기에 따른 선택도가 높아 VOC 성분 제거에 적합하고, AC는 흡착범위가 넓지만 선택도가 낮아 원치 않은 가스도 흡착될 수 있어서 흡착 효율에 영향을 준다. MS는 고온에 견뎌 재생시 열분해에 민감하지 않지만, AC는 재생시 pore 조직에 손상을 주어 흡착성능이 저하될 수 있다.

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MS의 초기비용이 크지만 효율적인 재생능력 및 장기간 안정성이 있어서 자주 교체할 필요가 없어서 운전 및 유지관리비가 낮다. AC은 초기 비용은 낮지만 빈번한 교체가 필요하여 유지관리비가 높은 편이다.

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MS, AC 선택의 기준은 처리물질 및 경제성에 의존하여, 선택도가 높게 요구되고 예산이 많은 경우 MS가 적합하며 반면, 다양한 VOC 가스를 처리하고 예산이 충분치 않을 때에는 AC를 적용한다. 실무에서는 종종 2가지 다 혼합하여 서로의 단점을 보완하기도 한다.

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MS는 실리콘 골격으로 만들어져 상대적으로 안정된 구조이며 일정한 기공 크기이고 배열이 정형화되어 있지만, AC는 미세 다공성 조직으로 pore size가 다양하고 표면적이 매우 큰 특징이 있다.

Molecular Sieve Structure

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MS는 흡착성능이 우수하고 screening특징이 있어서 pore size를 통해 가스 분자를 선택적으로 흡수할 수 있다. AC는 무극성 흡착제로서 표면적이 매우 커서 주로 물리적 흡착에 의해 진행되며 냄새 및 유기 오염물이나 무기 오염물, 독성, 중금속도 제거할 수 있다.

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ZMS

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MS는 PSA N2생산에 이용되고, 다양한 가스를 분리하는데 이용하지만 AC는 주로 오수나 공기를 정화하는데 사용된다.

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MS는 주로 zeolite MS와 carbon MS를 포함하며, zeolite MS (ZMS)는 O2생산을 위한 PSA에 적용하고 carbon MS (CMS)는 N2생산을 위한 PSA에 적용한다.

ZMS for O2 production

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CMS

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AC는 source별로 wood activated carbon, fruit shell activated carbon, coal activated carbon, petroleum activated carbon, regenerated activated carbon와 같이 크게 5가지로 분류할 수 있다.

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가장 흔한 decissant로는 activated alumina, silica gel, molecular sieve, activated carbon이 있다.

activated alumina (AA)는 다용도로 활용되어 공기 건조, 가스 정화, 수처리등에 사용되며 molecular sieve (MS)는 흡착성능이 가장 좋다. AA는 열적 안정성이 좋아서 고온에서 이상적이며, silica gel (SG)은 가장 저렴하지만 효율이 가장 낮고 MS는 가장 비싸다.

산업	흡착제	이유
전자	Silica Gel	비독성, 분진 형성이 낮음
수처리	Activated Alumina	오염물을 흡착함
공기정화화	Activated Carbon	냄새제거
가스처리리	Molecular Sieve	특정 분자 흡착

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Activated Alumina (AA) Desiccant

aluminium oxide (Al2O3)의 기공형태의 오돌토돌한 형태로서 표면적이 넓고 특히 물분자에 친화력이 높다. 아울러 흡착능력이 우수하고 열적 안정성이 좋아 공기건조, 가스정화, 수처리 등 폭넓게 활용된다. 또한 sulfur, chlorine이나 arsenic과 같은 오염물을 흡착할 수 있다. 단점으로는 가격이 비싼 편이며, 높은 습도와 잠재적인 불소 침출에 민감하여, 습도가 높을 경우 activity가 떨어져 흡착능력이 감소되며, 수처리에 사용시 AA는 불소를 침출할 수 있어서 처리된 물에 불소량이 증가할 수 있다. 이러한 문제를 피하기 위해 적절한 재생과 유지관리가 중요하다. 온도, 습도, 불순물 종류에 영향을 받을 수 있지만 적절한 유지관리 및 재생을 하면 AA는 몇년 사용할 수 있다.

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Silica Gel Desiccant

silicon oxide (SiO2)의 기공형태로서 무독성과 흡착능력이 높고 가격이 저렴하여 많이 사용된다. 다양한 물질과의 비활성 및 양립성으로 다양한 분야에서 사용되며 넓은 온도 범위와 상대습도 범위에서 안정적으로 수분을 흡착할 수 있다. 특히 저온 및 저습도에 효과적이다. 하지만 다른 흡착제에 비해 열적 안정성과 기계적 강도가 낮다. 온도가 올라가면 흡착능력이 떨어지고 시간이 지남에 따라 미세한 입자로 깨질 수 있어서 분진 형성이나 clogging가능성이 있다. 따라서 적절한 취급 및 유지관리가 중요하다.

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Molecular Sieve Desiccant

알루미노 규산염 결정으로 구성된 MS는 일정한 pore size로서 상대습도가 낮을 때 수분 흡착능력이 뛰어나다. 정해진 pore size에 따라 분자크기에 따른 선택적 흡착을 통해 가스분리, 가스정화, 가스건조분야에 많이 이용하며 열적안정성과 기계적 강도가 높아 다양한 운전조건에서도 흡착능력을 유지할 수 있다. 반면, 제조과정이 복잡하여 가격이 비싸고 결정 구조로 인해 취급이나 사용시 분진 형성이 될 수 있어서 dust 제거용 필터가 필요할 수 있다.

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비용과 효율

Desiccant	비용	효율
Activated Alumina	Medium	High
Silica Gel	Low	Medium
Molecular Sieve	High	Very High
Activated Carbon	Low	Medium

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Activated Carbon Desiccant

탄소질로부터 만들어진 활성탄은 다공성, 큰표면적의 특성으로 다양한 가스 및 냄새 제거를 위한 다목적에 사용된다. 다양한 범위의 유기물 및 무기물 오염물을 흡착하여 공기 정화, 수처리, 냄새제거에 적절하며 재생 가능한 source로부터 만들어져 환경 친화적이다. 반면 다른 흡착제에 비해 수분 흡착능력이 낮고 고습도에 민감하고, 취급이나 운전과정에서 분진 발생이 가능하다. AC은 수분보다는 가스나 냄새를 흡착하는데 더 탁월하여 수분량이 높은 공정에는 적절하지 않다. MS처럼 dust 제거용 필터가 필요할 수 있다.

Desiccant	흡착능력	열적안정성	비용	응용분야
Activated Alumina	High	Excellent	Moderate	Air drying, water treatment
Silica Gel	Moderate	Moderate	Low	Food packaging, electronics
Molecular Sieve	Very High	High	High	Gas separation, drying gases
Activated Carbon	Moderate	Low	Low	Air purification, odor control

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흡착제를 선택할 때 흡착능력, 열적안정성, 기계적 강도, 비용, 공정과의 양립성 등을 확인해야 한다. AA는 공기건조, 가스정화, 수처리에 뛰어나며 SG은 전자, 의약, 식료포장과 같은 저온과 저습도 공정에 더 적합하다. MS는 특정 분자를 분리하거나 정제에 뛰어나며 AC은 수분 제거보다는 공기정화, 수처리, 냄새제거에 뛰어나다.

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재생

Desiccant	재생온도	재생빈도
Activated Alumina	150-200°C	High
Silica Gel	100-120°C	Moderate
Molecular Sieve	200-300°C	Low
Activated Carbon	120-150°C	High

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공기중 질소분리는 CMS, 산소분리는 ZMS를 이용하고 MS는 VOC control에 유용하다. 반면 AC은 중금속, 냄새, 오염물이나 oil 및 수분제거에 많이 이용된다.

 

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