최근 음식물이나 하수슬러지와 같은 유기성 폐기물의 혐기성 발효로 생성되는 바이오가스가 가용 잠재성, 환경성, 경제성 측면에서 가장 중요한 대체 에너지원으로 부각되고 있다. 그러나 바이오가스에 포함된 미량의 불순물질 중 황화수소의 경우 수십∼수백 ppmv이상의 고농도로 존재하며 독성과 강한부식성이 자원화시설의 잦은 고장 및 교체를 유발하고 가스자원화 설비의 수명을 단축시킨다. 따라서 바이오가스의 적정 활용 및 자원화시설의 효율적 운영을 위하여 황화수소 처리에 대한 기술개발이 요구된다. 황화수소를 처리하기 위한 공정 중 흡착법은 활성탄 등의 흡착제를 이용해 간단한 장치로 높은 효율을 얻는다. 그러므로 황화수소 흡착처리를 목적으로 흡착제 개발에 대한 연구를 진행하여야 하며 투자대비 효율적인 공정기술이 필요하다.
본 연구는 황화수소를 효율적으로 처리 할 수 있는 개질활성탄을 제조하고 특성을 평가하는데 목적이 있다. 활성탄의 개질은 침전법을 통해 생성된 수산화철(FeOOH)을 이용하여 활성탄에 첨착하여 제조하였고, 개질된 활성탄의 활용가능성 및 흡착특성을 평가하였다. 먼저 개질 활성탄의 제조는 2 M의 Fe(NO3)3·9H2O용액 8mL와 10 M의 NaOH용액을 미량 혼합하여 철 침전법으로 생성된 철 촉매를 활성탄에 첨착하여 제조하였다. 개질활성탄의 제조조건으로 개질용액의 pH, 교반시간 및 건조시간, 표면관능기를 개질조건으로 설정하여 개질 조건에 따른 개질활성탄을 제조 및 평가하였다.
흡착실험을 진행한 결과 개질용액의 pH별로 제조된 개질활성탄의 경우, 개질용액의 pH가 증가할수록 생성되는 철 촉매의 양이 많아 활성탄의 기공을 막히게 하여 개질이 잘 진행되지 못하는 것을 확인 할 수 있었다. SEM 및 BET 분석을 통해 최적 pH조건을 찾은 결과 개질용액의 pH가 1일때 가장 개질이 잘 이루어 진 것을 확인할 수 있었다. SEM분석 결과 표면의 개질이 pH 1에서 가장 매끄럽게 잘 진행되었으며, BET분석을 통한 비표면적 결과 pH 1에서 878.16 m2/g, pH 12일 때 99 m2/g으로 흡착용량이 현저하게 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다. 그 결과 pH 1에서 흡착능도 0.063 g/g으로 가장 우수한 결과를 보여주었다. pH 12의 경우 흡착능이 0.017 g/g으로 pH 1에 비해 약 4배 정도 흡착능이 떨어지는 결과를 보여주었다.
개질용액의 pH를 1로 고정하여 개질 활성탄 제조 조건 중 교반시간 및 건조시간을 달리하여 개질활성탄을 제조하였다. 제조된 개질활성탄의 흡착능력 및 흡착특성 평가 결과 48시간 교반과 12시간 건조 조건에서 가장 우수하게 개질되었고 흡착성능도 0.100 g/g으로 가장 높은 흡착률을 보였다. 이를 확인하기 위해 SEM, BET 및 ED-XRF로 표면분석을 진행한 결과 활성탄의 표면 개질이 가장 잘 이루어 진 것은 48시간 교반과 12시간 건조조건과 72시간 교반과 12시간 건조조건이다. SEM분석 결과 48시간 교반과 12시간 건조조건과 72시간 교반과 12시간 건조조건에서 가장 깨끗하게 개질이 잘 이루어지고 표면기공도 가장 개질이 잘 되었으나, BET분석 결과 72시간 교반과 12시간 건조조건으로 개질된 활성탄의 비표면적이 885.77 m2/g으로 가장 큰 결과를 나타내었다. 그러나 흡착능력은 48시간 교반과 12시간 건조조건으로 개질된 활성탄이 0.100 g/g, 72시간 교반과 12시간 건조조건으로 개질된 활성탄이 0.065 g/g로 48시간 교반과 12시간 건조조건일 때가 더 우수한 결과를 나타냈다. 이는 72시간의 교반시간동안 강한 산 처리로 인해 미세기공 영역의 공극이 붕괴하여 48시간동안 교반했을 때 보다 흡착능력이 더 낮아진 것으로 판단하였다. 제조된 개질활성탄들의 철 함량 분석을 통해 상관성을 분석한 결과 건조조건이 12시간일 때, 교반시간과 개질활성탄의 철 첨착량은 선형적인 양의 상관성(R2=0.93)을 보였다. 개질활성탄 표면 철 첨착량이 증가할수록 황화수소의 흡착 가능성이 더 높아지지만 본 연구에서는 흡착능력에 있어서 48시간 교반과 12시간 건조조건에서 개질된 개질활성탄이 가장 우수한 능력을 보여주었다. 이는 황화수소 흡착능 위한 최적조건이 존재하는 것을 의미하는 것으로 판단되었다.
표면 수산기의 영향을 살펴보고자 개질조건을 48시간 교반과 12시간 건조조건으로 동일하게 한 후, 개질용액제조방법에서 수산화나트륨(NaOH) 대신 탄산나트륨(Na2CO3)을 첨가하여 생성된 철산화물을 활성탄표면에 첨착시켰다. 각 개질활성탄의 표면결정구조 및 조성을 확인하고자 XRD분석을 진행한 결과 표면에 첨착된 철산화물이 다르게 형성됨을 확인할 수 있었다. 수산화나트륨(NaOH)으로 제조된 용액에서는 수산화기가 포함된 FeOOH이 존재하였으며, 탄산나트륨(Na2CO3)로 제조된 용액에서는 산화철 형태로 존재하는 Fe3O4가 존재하였다. 각 개질활성탄의 흡착능력 및 흡착특성 분석결과 수산화기가 존재하는 개질활성탄에서 흡착능 0.100 g/g으로 산화철로 개질된 활성탄의 흡착능인 0.062 g/g보다 더 우수한 결과를 나타내었다. SEM 및 ED-XRF분석 결과 두 활성탄의 표면개질은 매우 유사하게 개질되었으나, BET분석 결과 수산화철로 개질된 활성탄의 비표면적은 876.9 m2/g로 산화철형태로 존재하는 Fe3O4로 개질된 활성

Recently, biogas generated by the anaerobic fermentation of organic waste has been emerging as an important alternative energy source. However, In case of hydrogen sulfide of high concentration contained in biogas, due to the hydrogen sulfide of strong corrosive and toxic have a short life of gas resource facilities. Therefore, efficient operation of biogas utilitation is required to remove hydrogen sulfide technology development of hydrogen sulfide treatment.
The purpose of this study is to prepare the iron impregnated activated carbon to obtain the efficient removed of hydrogen sulfide. Preparation of activated carbon was made using the iron hydroxide. Impregnated activated carbon was tested to evaluate its characterists. This study was presented in the preparation conditions of impregnated activated carbon that are pH of solution, mixing time, dry time, and surface oxygen group.
First, preparation of impregnated activated carbon has performed by the hydrogen sulfide adsorption test. As the result, the best result was at pH 1 in the solution. SEM analysis showed that modifying a surface had smooth surface of impregnated activated carbon. In the BET analysis, adsorption capacity was 878.12 m2/g at pH 1 and 99 m2/g at pH 12.
Second, under the solution of pH 1, the preparation conditions of impregnated activated carbon were changed into mixing time and drying time. Impregnated activated carbon showed the efficient performance at mixing time of 48 hr and dying time of 12 hr and adsorption capacity was 0.100 g/g.
Third, preparation conditions of impregnated activated carbon were fixed for mixing time of 48 hr and drying time of 12 hr. Impregnated activated carbon were prepared by adding Na2CO3 instead of NaOH. The XRD results confirmed the crystal structure and the surface composition of impregnated activated carbon analysis. As a result, on the surface of iron oxides were able to confirm the different form. FeOOH impregnated activated carbon of adsorption capacity was 0.100 g/g. Fe3O4 impregnated activated carbon of adsorption capacity was 0.062 g/g. The more amount of surface oxygen group of impregnated activated carbon showed the better performance of adsorption.
Finally, this study identified preparation conditions of impregnated activated carbon for the hydrogen sulfide adsorption. Experimental results obtained in this study can be utilized in the design and operation of the innovative adsorption unit for the biogas upgrading.