숯(木炭)에 대하여 공부를 하시고픈 분을 위하여
1. 숯(木炭)과 활성탄
숯(木炭)은 목재를 공기의 공급을 차단하고 가열하거나, 또는 공기를 아주 적게 하여 가열하였을 때 생기는 고체 생성물을 말한다. 재료로는 보통 단단한 나무가 사용되는 데, 한국에서는 참나무류가 주로 사용되어 참숯을 얻는 다. 최근에는 기능성 용도로 대나무로 만든 죽탄(竹炭)도 제조된다. 새집증후군 용으로는 야자열매껍질로 만든 야자곽탄(椰子殻炭)이 주로 사용된다.
탄화된 숯의 가장 큰 특성인 흡착력을 더욱 활성화 시키기 위해 수증기를 가하여 숯을 화학적, 물리적으로 열처리하여 재가공한 제품이 활성탄(Activated Carbon)이다. 숯은 탄화과정에서 작은 구멍들이 생기게 된다. 숯의 효과를 높이기 위해서는 이 작은 구멍들이 많이 있어야 하게 때문에 다시 고온의 온도에서 같은 공정을 한 번 더 거치게 하는데, 이 과정을 활성화(Activation)이라고 한다. 흡착성이 강하고, 대부분의 구성물질이 탄소질로 된 물질로 흡착제로 기체나 습기를 흡수시키는 데, 또는 탈색제로 사용된다.
2. 활성탄의 제조
활성탄 제조공정은 크게 수분제거(Dehydration), 탄화(Carbonization), 활성화(Activation)의 3단계로 분류된다.
탄화(Carbonization)공정
활성탄제조공정의 수분제거 다음의 첫번째 공정으로 탄화수소, 휘발분 등을 없애주기 위해, 일반적으로 원료를 약 500℃ 정도에서 가열하는 공정으로 원료를 빨갛게 달구되 연소를 유지시키기에는 불충분한 정도의 공기를 공급시키면서 가열한다.
즉, 탄소질 원료를 약 500℃ 정도로 가열하면 탈수, 탈산등의 분해가 일어나서 산소결합이 끊어지며 산소가 물, 일산화탄소, 이산화탄소 등의 형태로 방출되고 휘발분은 거의 제거되는 공정으로 고정탄소가 많이 남게 된다.
활성화(Activation)공정
일반적으로 탄화공정보다 높은 온도에서 운전되며, 약품, 수증기, 가스등을 주로 사용하여 다공질의 구조를 만들어 주는 공정이다.
즉, 활성화공정은 800°C ~ 1100°C 의 온도범위에서 일어나는 탄소의 산화반응으로 탄화물의 표면을 침식시켜 탄화물의 미세세공 구조를 발달시킬 수 있다.
활성화 방법에 의한 분류
가스활성화법 : 각종 산화성가스(수증기, 이산화탄소, 공기 등)에 의해 800°C ~ 1100°C 정도의 고온가스활성화 반응으로 활성화되고 흡착성능은 산화성 가스의 화학적 성질과 농도, 반응온도, 활성화시간, 원료에 포함되어 있는 양과 종류 등에 의해서 결정되며 크게 회전로와 다단로를 이용 제조된다.
약품활성화법 : 탈수성의 염류 및 염화칼슘, 염화마그네슘, 염화아연, 인산, 황산 등의 산을 사용하여 약품처리하는 활성화법으로 제조공정의 복잡성, 장치부식, 2차오염 및 경제성 등으로 주로 가스활성화법인 수증기 활성화법이 널리 이용되고 있다.
3. 활성탄의 구조
활성탄은 역청탄, 이탄, 갈탄, 석유계 코우크스, 톱밥, 야자껍질 등을 원료로 제조하며, 무정형 탄소(amorphous carbon) 또는 미정형 탄소로 불리며 내부구조는 약간 차이가 있으나 기본적으로 순수 흑연(graphite)과 유사하다. 활성탄의 세공분포을 3분산(tridisperse)의 세공계를 이루는 탄소원자들이 평행층을 이루는 結晶質(crystallites)구조를 가지며, 이러한 결정질은 방향이 불규칙하게 존재하고 결정질들 사이에는 탄소원자의 교차결합을 이루며 이들 교차결합은 非結晶質이다. 결정질층 사이의 공극은 미세공(micropore)의 용적을 형성하고, 결정질들의 간격 및 결정질들의 교차결합 정도에 의해 세공크기가 결정된다. 세공크기는 세공반경의 크기에 따라 3가지로 분류되고 있는데, macro-pore는 반경 1,000∼100,000Å, meso-pore는 반경 20∼1,000Å, micro-pore는 반경 ∼20Å로 분류되고 있다. 각 세공구분에 따른 비표면적 및 세공용적의 예를 보면 다음과 같다.
( 각 세공별 활성탄의 비표면적 및 세공용적 )
종 류 |
수증기 활성 분말탄 |
염화아연 활성 분말탄 |
구 분 |
세공용적 (ml/g) |
비표면적(㎡/g) |
세공용적 (ml/g) |
비표면적(㎡/g) |
micro pore (마이크로 세공) |
0.25∼0.6 |
700∼1,400 |
0.4∼0.9 |
500∼1,000 |
meso pore (메조 세공) |
0.02∼0.2 |
1∼ 200 |
0.3∼1.0 |
200∼ 800 |
macro pore (마크로 세공) |
0.2 ∼0.5 |
0.5 ∼ 2 |
- |
- |
액상흡착에 있어서는 흡착질 분자는 용매효과 등의 영향도 받고, 액상중에서의 외관 분자직경은 크게 되고, 직경이 작은 세공에 들어가지 않는 것이 있다. 이러한 작용을 screening action이라 한다
4. 활성탄의 종류 및 특징
구 분 |
특 징 |
용 도 |
비 고 |
기상 흡착용 활성탄 |
Micro 세공 발달 |
담배 Filter 일반정화용 용제회수 자동차 Canister 방독마스크 가스정제 |
-비교적 분자가 작은 물질이 흡착 되도록 Micro세공이 발달된 야자껍질계열의 활성탄을 많이 사용. -용제회수,자동차 Canister등과 같이 흡탈착공정이 연속적인 경우 균일한 세공분포와 축적된 열확산을 위해 Mesopore를 더 발달시킴. |
액상 흡착용 활성탄 |
Meso, Macro 세공 발달 |
정수 폐수 당액탈색 등 |
-분자가 큰 물질이 잘 흡착되도록 큰 Pore가 발달된 활성탄으로 Meso, Macro세공이 발달되어 있음. |
촉매 및 촉매담체 활성탄 |
고강도 저회분 Meso 세공 발달 |
할로겐화, 수소화 등 |
-촉매물질이 첨착되어도 높은 비표면적이 유지되도록 세공이 커지게 발달시킴. |
5. 기상가스흡착용 활성탄과 액상탈색용 활성탄의 세공반경 분포도
6. 활성탄의 새집증후군 응용에 관한 실질적인 지식
6.1 잘 정제된 활성탄은 포름알데히드와 화학물질을 흡수흡착 할 수 있다.
6.2 흡수흡착능력은 활성탄 제조회사별, 활성탄별 제각각 다르며 제조회사의 제품사양서에 의존하여야 한다. 대량수요처는 사양서와 시험성적서을 요구하기도도 한다.
<야xx사>의 경우
예) 31~38평 아파트의 경우 : 10 박스( 10 Kg) 권장
(예외) 아파트 시공사 마다 실내공기의 유해정도가 모두 다르므로 매우 심한 경우는 사용량을 대폭 상향조정 하셔야 하며 특히 노래방,독서실,유흥업소,지하업소,매장등 지역의 인테리어업체에서 시공을 하신 경우는 새 아파트보다 유해정도가 매우 심할 수 있으므로 최소 2배 정도 이상을 사용하셔야 한다 (야xx사의 webpage 에서)
<에xxx쉬>의 경우 ( 제올라이트 제품)
예) 2평당 1개를 권장 : ( 32평일 경우 16개 권장)
(예외) 단, 유해가스가 평균이상, 심하게 발생되는 경우는 1평당 1개이상을 놓아야 효과적입니다. (에xxx쉬의 webpage에서)
(*);제올라이트(zeolite)는 "끓는 돌(沸石)"이라는 뜻으로 결정성 알루미노 규산염의 총칭이다. 천연에서 산출되는 제올라이트는 양이온 교환특성을 이용한 경수 연화제 외에 별다른 용도가 없었지만, 인조 제올라이트가 합성된 후 부터는 그 결정구조가 세공크기의 제한으로 인하여 분자크기에 따라 선택적으로 흡수된다는 현상이 알려지면서, 흡착제와 촉매 분야에사 많이 연구되고 사용되고 있다. 활성탄과 유사한 흡착기능을 갖고 있다. 알카리성 반응물을 수열반응(Hydrothermal Reaction)시켜 제올라이트를 합성시킨다.
6.3 흡수를 한 다음에 환경이 변화하면 흡수흡착한 물질이 다시 활성탄 외부로 재방출 될 수 있다. 자연 방출되기 전에 이를 강제적으로 안전한 장소에서 방출하여야 하는 데 이를 '활성탄재생'이라고도 표현하며 다음의 예를 참조한다.
< 야xx사 >의 권장 사용법
1. 활성탄을 새집에 놓은 후, 2~3일 경과 후 햇볕 좋은 날 베란다 창을 열고 4~5시간 동안 말리 후에, 다시 방으로 원위치 시킨다.
2. 실내에서 다시 강력 흡착되며 2~3일에 한번 씩 이런 씩의 반복으로 야자 활성탄을 말려 준다.
3. 새집증후군 현상이 말끔히 해소되고 나면 15일~1달에 한번 정도 말려 주면 된다.
<에xxx쉬>의 권장 사용법
1~2개월에 한번씩 전자레인지에서 5분간, 혹은 햇빛에 12시간 건조시켜서 사용 할 것.
6.4 활성탄의 수명
6.4.1. 공기정화기에 활성탄을 사용할 경우, 일반적으로 활성탄의 수명은 정해진 것이 없으나, 업계에선 일반 가정집을 대상으로 테스트 한 결과, 통상적으로 약 1년 이라고 하고 있다
6.4.2. 야xx사의 경우, 2~3년간 사용이 가능하다고 한다. 2~3년마다 한번씩 교체하기를 권장한다.
6.4.3. 에xxx쉬(제올라이트)는 최대사용기간 2년
6.5 결론
6.5.1. 활성탄 위주로 설명을 하였으나, 제올라이트(에코후레쉬), 규조토, 기타 미네랄 계열의 흡수흡착물질도 비슷하며 유추하여 생각 할 수 있다
6.5.2. 활성탄은, 공기정화용의 야자곽재료의 활성탄이어야하며, 권장사용법과 수명기간을 충분히 인지 한 후에 사용하여야 한다. 잊어 먹든가 나태하여지면 건강은 그만큼 위험하여 진다.
6.5.3. 임시사용, 단기간 사용은 충분한 이유와 타당성이 인정 되나, 장기사용에 대하여서는 주기적 재생과 1~3년의 수명 등의 고려할 점이 많다. 5년을 사용할려면 약 3번을 구입하여야 한다. 그리고 5년 동안 매달 재생을 하여야 한다. 그리고 벤젠등 유류계 휘발성물질은 흡수하지 못할 수도 있다.
6.5.4. 재생을 할 수 없는 숯벽지, 숯코팅제, 등은 그 타당성이 인정되지 않는 다. 재생을 할 수 없는 경우에는 오히려 상황을 더 나쁘게 할 수 있다. 즉 포름알데히드 농도가 높으면 흡입을 하였다가 농도가 떨어지면 이를 다시 내뱉는 다. 즉 실내에 포름알데히드농도가 항상 일정하도록 하는 꼴이 된다. 최악의 경우이다.
(끝)
(참고: 이 글은 2011년에 쓰여졌습니다. 인용한 일부 데이터가 변경되었을 수도 있습니다.)