02. 흡착의 원리와 이해

식당아줌마의 말실수 공원 급똥남 1분 52초

(1) 흡수(absorption, gas scrubbing)

흡수 : 혼합 기체 중에서 가용성인 한 성분을 액체에 용해시켜 분리하는 조작
흡수의 목적 : 혼합 기체 속에 들어 있는 유용한 성분을 분리하던지, 필요 없는 성분 또는 유해한 성분을 분리하는 데 목적
흡수 공정은 흡수되는 기체와 흡수제와의 상호 작용에 의한 분류

물리 흡수(physical absorption)

혼합 기체 내의 특정 기체 성분은 화학적 반응이 없는 상태에서 다른 성분에 비해 액체 흡수제에 더 잘 용해
결과적으로 액체상에서의 평형 농도는 기체상에서 특정기체 성분의 부분압또는온도의 함수
물리 흡수 공정은 공급되는 기체가 고압에서 다량으로 존재하고 흡수되는 성분의 양이 상대적으로 클 경우에 선호

화학 홉수(chemical absorption)

혼합 기체 내의 특정 기체 성분이 흡수제 내의 특정 성분과 화학 반응이 일어나는 것을이용
아민계 흡수제인 모노에탄올 아민과 발전소 배기가스 중의 이산화탄소와의 반응을이용한 흡수 공정이 대표적
화학 흡수 공정은 물리 흡수에 비해 더 우수한 평형관계를 나타내므로 공급되는 기체 중에서 분리해야 할 기체 성분의 양이 적고 낮은 부분압을 갖는 경우에 선호

일반적으로 흡수 공정을 적용하는 목적

기체 정제
제품 회수

공급 기체 중에서 흡수되는 기체와 흡수되지 않는 기체 중 어느 기체의 가격이 더 높은가에 달려 있다.

표 Ⅳ-1기체 분리에서의 흡수법 적용 사례

흡수의 산업 현장에서의 응용

석탄 가스 속의 암모니아 가스를 물에 흡수 제거
천연 가스 속의 황화수소를 알칼리 액에 의한 제거
염화수소를 물에 흡수시켜서 염산의 제조
정수장에서 염소 가스에 의한 소독
공장 폐가스를 세정수에 흡수시켜 정화 처리
암모니아 생산 과정에서 수소 기체로부터 이산화탄소를 제거하는 것
천연가스에서 산가스 (C0²， H₂S)를 제거

공정의 개선을위해 새로운 흡수제를 개발하거나 설계 기술 개발이 진행 중
특정 기체를 흡수한 흡수제는 탈거(stripping) 과정을 통해서 재생되어 흡수 공정으로 다시 투입

기체 흡수 공정에서는 그림 N-24와 같이 흡수탑에서 기체와 흡수제의 흐름이 향류로 작업
흡수제는 탑의 상부에서 유입되는 반면 기체 혼합물은 탑의 하부에서 유입
흡수되어야 하는 기체 성분은 흡수제에 의해 흡수되고 이는 액체 용액 상태로 탑 아래를 배출
보통 흡수탑은 대기압보다 높은 압력에서 작업하는데, 이는 기체의 용해도가 압력에 따라 증가하기 때문

그림 Ⅳ-24 기체 흡수 및 탈거 공정도

탈거탑에서의 작업 압력은 흡수탑의 조업 압력에 비해 낮다.
탈거는 증류 또는 감압에 의해 이루어지는데 이는 흡수제의 물리· 화학적 물성에 따라 선택될 수 있다.
일반적으로는 감압에 의한 탈거가 널리 사용되며, 그 이유는 에너지 요구량이 적기 때문

흡수 또는 탈거 장치 설계에 있어 가장 중요한 물성 데이터는 기체 용해도로 대표되는 기-액 평형
일정한 양의 액체에 용해되는 기체의 양은 한계가 있으며 일반적으로 기체의 용해도는 압력이 높고 온도가 낮을수록 높이진다.

여기서 : 액상 중의 기체의 몰분율

: 기체의 분압(atm)

: 헨리 상수(atm/몰분율)

헨리의 법칙은 산소, 수소, 탄산가스와 같이 용해도가 낮은 기체에는 잘 적용되나 암모니아, 염화수소와 같이 용해도가 크거나 이산화황과 같이 용해도가 중간인 기체들은 가 농도에 따라 변함
헨리의 법칙이 성립될 때 액체와 평형상태에 있는 기체의 몰분율을 라고 하면 돌턴의 분압 법칙에서

그림 Ⅳ-22 헨리 상수

40℃, 전압 1atm의 액상에서 이산화탄소의 몰분율이 2.5 × 10^-4이라면 기상에서 이산화탄소의 분압과 몰분율은 얼마인가? 단 H의 값은 4 × 10^-3으로 한다.

헨리의 법칙에 대입하여 계산한다.

에서 분압은

몰분율은 에서 가 된다.

전압 760mmHg, 온도 20℃, 수소의 분압 200mmHg로 된 혼합 기체가 있다. 이 때 수소의 분압과 몰 분율은 얼마인가?(단 H의 값은 5.19 × 10⁷)으로 한다.

수소의 분압

헨리의 법칙에 대입하여 계산하면

에서

물이 298K에서 1기압의 공기와 평형을 이루고 있을 때 물에 용해된 산소의 농도는?(단 헨리 상수 H = 4.38 x10⁴ (atm)01다)

공기 중 산소의 분압 은 0.21atm이므로 의 관계식에서 산소의 농도 는 아래아 같이 계산된다.

흡수 공정에서는 흡수제에 용해되는 기제 성분 A를 포함한 기상과 흡수제인 액상이 접촉하여 흡수 대상인 기체 A가 기상에서 기 액 계면(interface)으로 이동해 액상에 용해
용해된 기체 A는 기-액 계변에서 액체상으로 이동
이러한 물질 전달 구조를 간단히 나타내면 그림 lV -26과 같다. 그림의 좌측은 기상, 오른쪽은 액상이며두 경계가 기-액 계면이다.
예를 들어 액체에 기체가 들어가 기포가 될경우 기포 안이 기상이며 주위의 액체가 액상 그림 Ⅳ-26 이중 경막에서의 물질 이동
기상 및 액상 본체는 잘 혼합되어 농도가 균일하지만 기-액 계면 근처에서는 혼합 효과가 충분하지 않은 정지된 앓은 막 상태가 계면 양쪽에 형성된다고 볼 수 있다.
이 영역을 각각 기체 경계막과 액체 경계막이라 하며 여기에서는 확산에 의한 물질 전달이 일어난다.
즉, 기상 및 액상 본체에서의 물질 전달 저항은 무시할 수 있으며, 경계면에서 형성되는 기체 경계막과 액체 경계막에서 물질 전달 저항의 대부분이 존재한다는 것이다.
또한 기-액 계면에서는 기체의 용해가 빠르게 일어나므로 계변에서는 항상 기-액 평형이 성립한다고 가정한다. 정상상태 가정 하에서 이를수식화시키면 다음과 같다.

여기서 기체의 흡수 속도(mol/m² ·s), 와 는 각각 기상 기준 총괄 물질

전달 계수와 액상 기준 총괄 물질 전달 계수(mol/m² ·s), 와 는 각각 기상 본체 및 액상 본체에서의 몰 분율, 는 와 평형을 이루는 액상 계변에서의 농도, 는 와 평형을 이루는 기상 계면에서의 농도가 된다.

(2) 흡착(adsorption)

고체와 액체, 고체와 기체, 액체와 액체 및 기체와 액체계면에서 기체 또는 액체 혼합물 중의 목적 성분을 제3의 물질을 사용하여 분리하는 조작
기상 흡착은 탈습, 악취 제거, 가스 중의 유용 성분의 회수 등에 이용
액상 흡착은 탄화수소의 분리, 용액의 탈색, 물의 정화 등에 이용
탄소 흡착은 환기 장치에 순환하는 공기로부터 H2S, CS2 및 냄새나는 화합물들을 제거하는 데 이용
흡착의 분류

물리 흡착 (physical adsorption)

흡착제와 흡착 분자 간에 약한 상호 작용이 일어나는 가역 현상
평형 상태에서의 흡착량 역시 기체의 분압과 온도에 따라 변하며 기체의 분압이 낮아지거나 온도가 상승하면 기체는 탈착(desorption)
가정에서 습기 또는 냄새 제거용으로 사용하는숭을 햇볕에 말리는 것도 바로 물리 흡착의 역과정인 탈착에 그 원리

화학 흡착(chemical adsorption)

흡착제와 흡착 대상 물질 간의 화학 작용에 의한 것
촉매 반응을 이용한 반응공정에서 중요하며, 반응조작에서는주로 물리 흡착에 의한것이 많다.

흡착은 기상과 액상 모두에서 이루어질 수 있는데, 기상 흡착은 제습, 악취 제거, 가스 중 유용 성분의 회수 등에 이용되고 액상 흡착은 탄화수소의 분리, 용액의 탈색，물의 정수 등에 이용

공업적으로 사용되는 흡착제는 다공성으로서 내부 표면적이 대단히 크고, 흡착성이 좋은 고체를 사용
일반적으로 사용되는 흡착제는 활성 백토, 활성 알루미나, 활성탄, 실리카겔, 골탄, 합성 수지

표 Ⅳ-2 흡착제의 물성

	활성백토	활성알루미나	골탄	활성탄	실리카겔	제올라이트	합성수지
진밀도 (g/cm³)	2.4~2.6	3.0~3.3	2.8	1.9~2.2	2.1~2.3	2.0~2.5	1.0~1.4
겉보기밀도 (g/cm³)	0.8~1.2	0.8~1.9	1.5	0.7~1.0	0.7~1.3	0.9~1.3	0.6~0.7
충전밀도 (g/cm³)	0.45~0.56	0.49~1.00	0.64~0.80	0.35~0.55	0.45~0.85	0.60~0.75	-
공간율	0.40~0.55	0.40~0.50	0.45~0.55	0.33~0.55	0.40~0.50	0.30~0.40	-
비표면적 (m²/g)	100~350	95~350	90~120	500~1,300	300~830	400~750	20~800
세공용적 (cm²/g)	0.6~0.8	0.3~0.8	0.3	0.5~1.4	0.3~1.2	0.4~0.6	0.6~1.0
평균세공경 (oA)	80~200	40~120	100~200	20~50	10~140	-	40~450
비열 (cal/g℃)	0.20	0.21~0.24	0.24	0.20~0.25	0.22	0.19	-
열전도도 (kcal/mh℃)	0.085	0.12	0.012	0.12~0.17	0.12	0.042	-

① 활성 백토(activated clay)

점토를 산처리하여 얻은 흡착제
산처리하여 얻은 흡착제
분말상과 입자상으로 시판
윤활유와 유지류의 탈색, 정제, 석유류분의 탈색 혹은 탈수, 용제의 정제 등에 사용

② 활성탄(active carbon)

형상에 따라 분말과 입상탄으로 나누며 입상탄에도 성형탄과 파쇄탄으로 분류
미세공 구조가 고도로 발달하고 있기 때문에 우수한 흡착능을 가지고 있어 상하수도 처리, 정제, 기체의 흡착 등에 사용

③ 활성알루미나(Activated alumina)

알루미나 수화물을 가열 탈수하여 얻은 중간 알루미나
수분에 대한 흡착력이 강하기 때문에 주로 기체와 액체의 건조용으로 많이 사용

④ 제올라이트(zeolite)

분자체 (molecular sieve) 기능을 가지 며 , 세공은 3, 4, 5, 9, 10 Å 크기 의 균일한 세공을 갖는다
세공 직경이 4 Å 인 제올라이트는 메탄올과 에탄올은 흡착 하지 만 탄소수 3개 이상의 n-파라핀은 흡착하지 않으며 물과 같은 극성 분자에 대해서는 선택성
화학 공업에서 각 종 원료 가스, 액체의 탈수, n-파라핀의 분리 등에 사용

그림 Ⅳ-27 제올라이트이 구조

⑤ 합성수지(synthetic resin)

거대 망상구조를 가지는 수지로서 비극성에서 고극성을 가지는 여러 종류가 있다.
폐수처리, 단백질 분리, 과산화수소의 정제 등에 사용

⑥ 이온교환수지

이온 교환 수지는 이온을 교환할 수 있는 산이나 염기 같은 기 (group)를 갖고 있는 물이나 용매에 녹지 않는 가교 수지
양이온을 교환할 수 있는 수지를 양이온 교환 수지, 음이온을 교환할 수 있는 수지를 음이온 교환 수지라 한다.
양이온 교환수지에 포함된 기는 -S0₃H, -COOH 등이며, 음이온 교환 수지에 포함된 기는 -NH₂, -NOH 등

그림 Ⅳ-28 이온교환수지에 의한 그림 Ⅳ-29 양이온 교환체 내의 고정된

초순수 제조 장치 이온과 이동하는 이온

이온 교환 수지의 대표적인 이온 교환 반응식

R-S0^3-H⁺ + Na⁺Cl^- ↔ R-S0^3-Na⁺+ H⁺Cl^- : 강산성 양이온 교환 수지
R-N⁺OH^- + Na⁺Cl^- ↔ R₄- N⁺Cl^-+ Na⁺OH^-: 강염기성 음이온 교환 수지

이온 교환 수지는 광범위하게 사용되고 있지만 주된 용도는 용수 처리 및 순수제조

⑦ 실리카겔(silica gel)

구상, 파쇄상, 성형품, 분말상 등의 4종류로 시판
탈수, 석유유분의 분리 등에 사용

유체상(기상 또는 액상) 에 있는 용질의 농도와 흡착제에 흡착된 용질의 농도는 마치 기체 흡수에서의 액체의 기체에 대한 평형 용해도와 유사한 평형 관계
흡착되는 기체의 농도가 매우 낮고 기체가 흡착제의 표면에 단일 층으로 흡착된다고 가정하면 이는 기체 흡수에서의 헨리의 법칙과 유사한 식으로 표현
고체상 즉, 흡착제에서 의 용질의 농도를 q(kg 용질/kg 흡착제), 유체상에서의 용질의 농도를 c(kg 용질/m³ 유체) 라고하면

K는 실험적으로 결정되는 상수, 단위는 m³/kg 흡수제

유체에서 용질의 농도가 증가하고 흡착제 상의 흡착점에 흡착되는 용질의 분자수에 따라 다양한 흡착 등온식이 적용될 수 있다.

힘들고 지질때 이영상만보면 힘이난다. 여러분 8분 1초