KR102319751B1 - Activated carbon formed from raw materials including fly ash and method for producing same - Google Patents
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Abstract
피치; 및 카보닐기로 표면 개질된 플라이애시; 를 포함하는 원료를 탄화 및 활성화하여 형성되는 활성탄이 개시된다. 본 발명의 일 측면에서 제공되는 활성탄 및 이의 제조방법은 활성탄에 도입된 플라이애시가 촉매 역할을 수행하여 활성탄의 성능을 향상시키고, 플라이애시에 도입된 카보닐기가 기공형성에 도움을 주어 비표면적 또한 증가하며, 산업 폐기물인 석유계 잔사유 및 플라이애시를 사용하여 폐기물 처리에 적용할 수 있는 플라이애시가 함유된 활성탄을 제조할 수 있는 효과가 있다.pitch; and fly ash surface-modified with a carbonyl group; Activated carbon formed by carbonizing and activating a raw material containing is disclosed. Activated carbon provided in an aspect of the present invention and a method for producing the same, fly ash introduced into the activated carbon serves as a catalyst to improve the performance of the activated carbon, and the carbonyl group introduced into the fly ash helps in pore formation to increase the specific surface area There is an effect that can produce activated carbon containing fly ash that can be applied to waste treatment by using industrial waste petroleum residue and fly ash.
Description
본 발명은 플라이애시를 포함하는 원료로부터 형성되는 활성탄 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to activated carbon formed from a raw material containing fly ash and a method for manufacturing the same.
실내 공기 질의 중요성이 부각되면서 공기 중의 다양한 유해물질 제거기술 개발에 대한 연구가 본격화 되고 있다. 이러한 가운데, 배기가스에서 발생하는 황산화물, 질소산화물, 휘발성 유기화합물 등의 유해물질이 차량 실내로 들어와 운전자의 건강상의 문제와 안전사고를 야기하고 있다. 이러한 유해가스를 제거하기 위한 방법으로 활성탄을 통한 흡착 방법이 주로 이용되고 있다. As the importance of indoor air quality has been highlighted, research on the development of technologies to remove various harmful substances in the air is in full swing. Among these, harmful substances such as sulfur oxides, nitrogen oxides, and volatile organic compounds generated in exhaust gas enter the interior of the vehicle and cause health problems and safety accidents for drivers. As a method for removing these harmful gases, an adsorption method through activated carbon is mainly used.
활성탄은 다수의 미세기공을 포함하고 있는 다공성 탄소재료로, 실내 공기질 개선 및 정수장의 고도정수처리, 가정용 정수기 내 흡착 필터 등에 사용되고 있다. 이러한 활성탄의 수명을 향상시키고 유해물질 제거 효율을 향상시키기 위하여 금속 또는 금속산화물을 도입하는 방안이 주로 이용되고 있다.Activated carbon is a porous carbon material containing a large number of micropores, and is used to improve indoor air quality, advanced water purification treatment in water purification plants, and adsorption filters in household water purifiers. In order to improve the lifespan of the activated carbon and to improve the removal efficiency of harmful substances, a method of introducing a metal or a metal oxide is mainly used.
예를 들어, 대한민국 등록특허 제10-1845175호는 알칼리계 금속이 처리된 자동차 내부 필터용 활성탄소 소재 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 증류수에 활성탄소와 알칼리 금속 전구체 또는 알칼리 토금속 전구체를 용해시켜 혼합용액을 준비하는 단계; 상기 혼합용액을 상온에서 교반시켜 제1교반용액을 준비하는 단계; 상기 제1교반용액에 산촉매를 첨가하는 단계; 산촉매가 첨가된 제1교반용액을 상온에서 교반시켜 제2교반용액을 준비하는 단계; 및 상기 제2교반용액을 필터링 후 건조하여 알칼리 금속 산화물-활성탄소 또는 알칼리 토금속 산화물-활성탄소를 제조하는 단계를 포함하는, 알칼리계 금속이 처리된 자동차 내부 필터용 활성탄소 소재 제조방법에 대하여 개시하고 있다.For example, Korean Patent Registration No. 10-1845175 relates to an activated carbon material for an inner filter of an automobile treated with alkali metal and a method for manufacturing the same, and is mixed by dissolving activated carbon and an alkali metal precursor or an alkaline earth metal precursor in distilled water. preparing a solution; preparing a first stirring solution by stirring the mixed solution at room temperature; adding an acid catalyst to the first stirring solution; preparing a second stirring solution by stirring the first stirring solution to which the acid catalyst is added at room temperature; and filtering and drying the second stirring solution to prepare alkali metal oxide-activated carbon or alkaline earth metal oxide-activated carbon. are doing
또한, 대한민국 등록특허 제10-1721493호는 은 a) 식물성 유기물을 탄화하여 탄화물을 제조하는 단계; 및 b) 상기 탄화물을 금속산화물과 혼합한 후 활성화하는 단계;를 포함하는 활성탄의 제조방법 및 이로부터 제조된 활성탄을 개시하고 있다.In addition, Korean Patent Registration No. 10-1721493 discloses a) manufacturing a carbide by carbonizing a vegetable organic material; and b) mixing the carbide with the metal oxide and then activating the activated carbon.
종래의 개발 기술인 상기 등록특허 10-1845175, 10-1721493는 활성탄에 금속산화물을 도입하는 공정을 제공하는 특허로, 상기 특허는 금속산화물 전구체와 활성탄을 혼합하는 공정을 이용하고 있다. 이 공정은 제조된 활성탄의 표면에 금속산화물을 도입하는 공정으로 도입된 금속산화물이 활성탄의 기공을 막아 활성탄의 성능이 떨어지는 단점이 있다.The prior art developments, Patent Registrations 10-1845175 and 10-1721493, provide a process for introducing a metal oxide into activated carbon, and the patent uses a process of mixing a metal oxide precursor and activated carbon. This process is a process of introducing a metal oxide to the surface of the prepared activated carbon, and the introduced metal oxide blocks pores of the activated carbon, so that the performance of the activated carbon is deteriorated.
이에, 상기 선행기술들의 문제점을 해결하기 위한 새로운 활성탄 제조공정이 필요하게 되었다.Accordingly, there is a need for a new activated carbon manufacturing process to solve the problems of the prior art.
본 발명의 일 측면에서의 목적은 카보닐기가 형성된 플라이애시를 이용하여 제조되는 활성탄 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to provide an activated carbon prepared by using fly ash having a carbonyl group formed therein and a method for producing the same.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에서In order to achieve the above object, in one aspect of the present invention
피치; 및pitch; and
카보닐기로 표면 개질된 플라이애시;fly ash surface-modified with a carbonyl group;
를 포함하는 원료를 탄화 및 활성화하여 형성되는 활성탄이 제공된다.There is provided an activated carbon formed by carbonizing and activating a raw material comprising a.
또한, 본 발명의 다른 측면에서In addition, in another aspect of the present invention
플라이애시 표면에 카보닐기를 형성하는 단계;forming a carbonyl group on the surface of fly ash;
상기 플라이애시를 피치 및 활성화제와 혼합하는 단계; 및mixing the fly ash with pitch and an activator; and
상기 혼합된 혼합물을 탄화 및 활성화하는 단계;carbonizing and activating the mixed mixture;
를 포함하는 활성탄의 제조방법이 제공된다.There is provided a method for producing activated carbon comprising a.
또한, 본 발명의 다른 일 측면에서In addition, in another aspect of the present invention
상기 활성탄을 포함하는 흡착제가 제공된다.An adsorbent comprising the activated carbon is provided.
나아가, 본 발명의 또 다른 측면에서Furthermore, in another aspect of the present invention
상기 흡착제에 황산화물을 접촉시키는 단계;contacting sulfur oxide with the adsorbent;
를 포함하는 황산화물 제거방법이 제공된다.There is provided a method for removing sulfur oxides comprising a.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 활성탄 및 이의 제조방법은 활성탄에 도입된 플라이애시가 촉매 역할을 수행하여 활성탄의 성능을 향상시키고, 플라이애시에 도입된 카보닐기가 기공형성에 도움을 주어 비표면적 또한 증가하며, 산업 폐기물인 석유계 잔사유 및 플라이애시를 사용하여 폐기물 처리에 적용할 수 있는 플라이애시가 함유된 활성탄을 제조할 수 있는 효과가 있다.Activated carbon provided in an aspect of the present invention and a method for producing the same, fly ash introduced into the activated carbon serves as a catalyst to improve the performance of the activated carbon, and the carbonyl group introduced into the fly ash helps in pore formation to increase the specific surface area There is an effect that can produce activated carbon containing fly ash that can be applied to waste treatment by using industrial waste petroleum residue and fly ash.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이애시가 함유된 활성탄의 제조방법을 나타낸 순서도이고;
도 2는 본 발명의 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3 및 비교예 1의 표면처리된 플라이애시의 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프이고;
도 3은 본 발명의 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3 및 비교예 1의 표면처리된 플라이애시의 XPS 결과 중 C1s 피크를 세분화한 결과를 나타낸 그래프이고;
도 4는 본 발명의 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3, 비교예 1 및 비교예 2의 활성탄의 질소흡착 등온선을 나타낸 그래프이고;
도 5는 본 발명의 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3, 비교예 1 및 비교예 2의 활성탄의 이산화황 제거 특성을 나타낸 그래프이고;
도 6은 본 발명의 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3, 비교예 1 및 비교예 2의 활성탄 1 g당 제거할 수 있는 이산화황의 양을 나타낸 그래프이다.1 is a flow chart showing a method for producing activated carbon containing fly ash according to an embodiment of the present invention;
2 is a graph showing the XPS analysis results of the surface-treated fly ash of Examples 1, 2, 3 and Comparative Example 1 of the present invention;
3 is a graph showing the results of subdividing the C1s peak among the XPS results of the surface-treated fly ash of Examples 1, 2, 3 and Comparative Example 1 of the present invention;
4 is a graph showing the nitrogen adsorption isotherms of the activated carbons of Examples 1, 2, 3, Comparative Examples 1 and 2 of the present invention;
5 is a graph showing the sulfur dioxide removal characteristics of the activated carbon of Examples 1, 2, 3, Comparative Examples 1 and 2 of the present invention;
6 is a graph showing the amount of sulfur dioxide that can be removed per 1 g of activated carbon of Examples 1, 2, 3, Comparative Examples 1 and 2 of the present invention.
본 발명은 여러 변경을 가할 수 있으며 이에 따라 다양한 실시예가 나올 수 있는 바, 특정 실시예를 하단에 제시하고 상세하게 설명하고자 한다.Since the present invention can make various changes and thus various embodiments can be made, specific embodiments will be presented below and described in detail.
또한 특별히 정의가 되지 않은 본 명세서에서의 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자 모두에게 이해가 가능한 의미로 사용할 수 있을 것이다.In addition, all terms in this specification that are not specifically defined may be used in a meaning that is understandable to all those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs.
그러나 이는 본 발명은 하단에 기술될 특정한 실시예에만 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.However, it should be understood that the present invention is not intended to be limited only to the specific embodiments to be described below, and includes all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 다른 균등물과 변형 예들이 있을 수 있으며, 본 명세서에서 제시하는 실시예는 가장 바람직한 실시예일 뿐이다.Accordingly, there may be other equivalents and modifications to the embodiments described herein, and the embodiments presented herein are only the most preferred embodiments.
본 발명의 일 측면에서In one aspect of the invention
피치; 및pitch; and
카보닐기로 표면 개질된 플라이애시;fly ash surface-modified with a carbonyl group;
를 포함하는 원료를 탄화 및 활성화하여 형성되는 활성탄이 제공된다.There is provided an activated carbon formed by carbonizing and activating a raw material comprising a.
이하, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 활성탄을 각 구성별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the activated carbon provided in one aspect of the present invention will be described in detail for each configuration.
먼저, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 활성탄은First, the activated carbon provided in one aspect of the present invention is
피치 및 카보닐기로 표면 개질된 플라이애시를 포함하는 원료로부터 제조된다.It is prepared from raw materials containing fly ash surface-modified with pitch and carbonyl groups.
상기 피치는 석유계 피치, 석유계 피치 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.The pitch may be at least one selected from the group consisting of petroleum pitch, petroleum pitch, and mixtures thereof.
상기 카보닐기로 표면 개질된 플라이애시는 플라이애시를 카복실산 처리함으로써 형성될 수 있다.The fly ash surface-modified with the carbonyl group may be formed by treating the fly ash with a carboxylic acid.
상기 플라이애시는 석탄화력발전에서 나온 부산물일 수 있다.The fly ash may be a by-product from coal-fired power plants.
상기 플라이애시에는 금속산화물이 다수 함유되어 있는데, 이를 활성탄에 도입하여 활성탄에 금속 산화물의 촉매 효과를 유도할 수 있다.The fly ash contains a large number of metal oxides, which can be introduced into the activated carbon to induce a catalytic effect of the metal oxides on the activated carbon.
종래의 기술인 활성탄 표면에 금속 산화물을 도입하는 방법은 활성탄의 기공을 막아 활성탄의 성능을 떨어뜨리며, 활성탄 제조 공정 중 금속산화물을 첨가하는 방법은 금속산화물이 활성탄 내부에 존재하여 촉매 효과가 발휘되는데 어려움이 있었다. 반면, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 활성탄은 카보닐기가 도입된 플라이애시를 활성탄 제조 공정에 첨가하여, 활성화 공정 중 플라이애시에 도입된 카보닐기가 기공을 형성하고, 형성된 기공이 내부의 플라이애시가 외부로 노출되기 위한 통로 역할을 하여 플라이애시에 함유되어 있는 금속산화물의 촉매 효과 발휘가 용이하다. 또한, 플라이애시에 도입된 카보닐기가 추가적인 기공을 형성하여 활성탄의 비표면적을 높이며, 석유정제공정의 부산물인 석유계 잔사유 및 석탄화력발전소의 부산물인 플라이애시를 활용하여 폐기물 처리에 기인할 수 있다.The conventional method of introducing a metal oxide to the surface of the activated carbon blocks the pores of the activated carbon and lowers the performance of the activated carbon. there was On the other hand, in the activated carbon provided in one aspect of the present invention, fly ash having a carbonyl group introduced therein is added to the activated carbon manufacturing process, the carbonyl group introduced into the fly ash during the activation process forms pores, and the formed pores form the fly ash inside It serves as a passage for exposure to the outside, making it easy to exert the catalytic effect of the metal oxide contained in fly ash. In addition, the carbonyl group introduced into the fly ash forms additional pores to increase the specific surface area of the activated carbon, and waste treatment can be attributed to the use of petroleum residual oil, a by-product of the petroleum refining process, and fly ash, a by-product of coal-fired power plants. have.
상기 원료의 플라이애시 입도는 10 ㎛ 내지 100 ㎛인 것이 바람직하고, 15 ㎛ 내지 60 ㎛인 것이 더욱 바람직하고, 30 ㎛ 내지 60 ㎛인 것이 가장 바람직하다. 만약 상기 플라이애시의 입도가 10 ㎛ 미만인 경우 실질적인 효율이 크지 않아 경제적이지 못한 문제가 있으며, 100 ㎛를 초과할 경우 플라이애시의 촉매 활성이 감소하는 문제가 있다.The fly ash particle size of the raw material is preferably 10 μm to 100 μm, more preferably 15 μm to 60 μm, and most preferably 30 μm to 60 μm. If the particle size of the fly ash is less than 10 μm, there is a problem that is not economical because the actual efficiency is not large, and when it exceeds 100 μm, there is a problem in that the catalytic activity of the fly ash is reduced.
상기 플라이애시는 카보닐기가 형성됨에 따라, 산소 관능기의 양은 비교적 증가하며, 칼슘, 나트륨, 불소, 황 등의 불순물은 비교적 감소할 수 있다.In the fly ash, as the carbonyl group is formed, the amount of the oxygen functional group is relatively increased, and impurities such as calcium, sodium, fluorine, and sulfur may be relatively decreased.
상기 원료는 활성화제를 더 포함할 수 있다.The raw material may further include an activator.
상기 활성화제는 KOH, NaOH, CaCO3, HPO4 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.The activator may be at least one selected from the group consisting of KOH, NaOH, CaCO 3 , HPO 4 and mixtures thereof.
상기 원료에서의 플라이애시의 함량은 1 wt% 내지 20 wt%일 수 있고, 2 wt% 내지 10 wt%일 수 있고, 3 wt% 내지 8 wt%일 수 있다.The content of fly ash in the raw material may be 1 wt% to 20 wt%, may be 2 wt% to 10 wt%, and may be 3 wt% to 8 wt%.
또한, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 활성탄은 원료를 탄화 및 활성화하여 형성된다.In addition, the activated carbon provided in one aspect of the present invention is formed by carbonizing and activating a raw material.
상기 탄화 및 활성화는 동시에 수행될 수 있다.The carbonization and activation may be performed simultaneously.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 활성탄은 바람직하게는 1000 m2/g 이상의 비표면적을 가질 수 있으며, 미세기공의 부피는 0.3 cm3/g 이상일 수 있고, 총 기공부피는 0.4 cm3/g 이상일 수 있으며, 미세기공률은 80% 이상일 수 있다.The activated carbon provided in one aspect of the present invention preferably has a specific surface area of 1000 m 2 /g or more, the volume of micropores may be 0.3 cm 3 /g or more, and the total pore volume is 0.4 cm 3 /g or more. and the microporosity may be 80% or more.
본 발명의 다른 측면에서In another aspect of the invention
플라이애시 표면에 카보닐기를 형성하는 단계(S100);Forming a carbonyl group on the surface of fly ash (S100);
상기 플라이애시를 피치 및 활성화제와 혼합하는 단계(S210); 및mixing the fly ash with pitch and an activator (S210); and
상기 혼합된 혼합물을 탄화 및 활성화하는 단계(S220);carbonizing and activating the mixed mixture (S220);
를 포함하는 활성탄의 제조방법이 제공된다.There is provided a method for producing activated carbon comprising a.
이하, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 활성탄의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the method for producing activated carbon provided in another aspect of the present invention will be described in detail for each step.
먼저, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 활성탄의 제조방법은 플라이애시 표면에 카보닐기를 형성하는 단계(S100)를 포함한다.First, the method for producing activated carbon provided in another aspect of the present invention includes the step of forming a carbonyl group on the surface of fly ash (S100).
상기 단계에서 상기 플라이애시의 평균 입경은 바람직하게는 10 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있다. 15 ㎛ 내지 60 ㎛인 것이 더욱 바람직하고, 30 ㎛ 내지 60 ㎛인 것이 가장 바람직하다. 만약 상기 플라이애시의 평균 입경이 10 ㎛ 미만인 경우 실질적인 효율이 크지 않아 경제적이지 못한 문제가 있으며, 100 ㎛를 초과할 경우 플라이애시의 촉매 활성이 감소하는 문제가 있다.In the above step, the average particle diameter of the fly ash may be preferably 10 μm to 100 μm. It is more preferably 15 μm to 60 μm, and most preferably 30 μm to 60 μm. If the average particle diameter of the fly ash is less than 10 μm, there is a problem that is not economical because the actual efficiency is not large, and when it exceeds 100 μm, there is a problem in that the catalytic activity of the fly ash is reduced.
상기 단계는 플라이애시의 균일성을 위하여 플라이애시를 분말화하는 단계(S110)를 더 포함할 수 있다. The step may further include the step of pulverizing the fly ash (S110) for the uniformity of the fly ash.
상기 분말화 단계(S110)는 절단기, 분쇄기, 파쇄기 등을 사용하여 수행할 수 있으며 플라이애시의 입도를 감소시킬 수 있는 장치 또는 방법이라면 이에 제한되지 않고 수행될 수 있다.The powdering step (S110) may be performed using a cutter, a grinder, a crusher, and the like, and may be performed without being limited thereto, as long as it is an apparatus or method capable of reducing the particle size of fly ash.
상기 플라이애시 표면에 카보닐기를 형성하는 단계는 플라이애시를 카복실산과 접촉시키는 단계(S120)를 포함할 수 있다.The step of forming a carbonyl group on the surface of the fly ash may include contacting the fly ash with a carboxylic acid (S120).
상기 카복실산은 말산(malic acid)일 수 있다.The carboxylic acid may be malic acid.
상기 플라이애시 및 카복실산의 중량비는 10:1 내지 1:5일 수 있다. 바람직하게는 5:1 내지 1:3일 수 있고, 더 바람직하게는 2:1 내지 1:2일 수 있다.The weight ratio of the fly ash and the carboxylic acid may be 10:1 to 1:5. Preferably it may be 5:1 to 1:3, and more preferably 2:1 to 1:2.
상기 카복실산의 첨가량이 플라이애시 대비 0.1배 미만인 경우 플라이애시 표면에 충분한 카보닐기가 도입되지 않는 문제가 있으며, 5배를 초과할 경우 실질적인 효율이 크지 않아 경제적이지 못한 문제가 있다.When the amount of the carboxylic acid added is less than 0.1 times compared to fly ash, there is a problem that sufficient carbonyl groups are not introduced to the fly ash surface, and when it exceeds 5 times, the practical efficiency is not large, so there is a problem that is not economical.
상기 플라이애시를 카복실산과 접촉시키는 단계(S120)는 40℃ 내지 100℃에서 이루어지는 것이 바람직하고, 60℃ 내지 95℃에서 이루어지는 것이 더욱 바람직하고 70℃ 내지 90℃에서 이루어지는 것이 가장 바람직하다. 만약 상기 반응온도가 40℃ 미만인 경우 반응에 필요한 온도가 충분하지 않아 플라이애시 표면에 카보닐기가 도입되지 않는 문제가 있으며, 100℃를 초과할 경우 용매인 물이 증발하여 균일한 표면 반응이 일어나지 않는 문제가 있다.The step of contacting the fly ash with carboxylic acid (S120) is preferably made at 40 °C to 100 °C, more preferably at 60 °C to 95 °C, and most preferably at 70 °C to 90 °C. If the reaction temperature is less than 40 ℃, there is a problem that the carbonyl group is not introduced to the surface of the fly ash because the temperature required for the reaction is not sufficient. there is a problem.
상기 단계(S120)를 위한 반응 시간은 30분 내지 300분 동안 이루어지는 것이 바람직하고, 60분 내지 240분 동안 이루어지는 것이 더욱 바람직하고 120분 내지 180분 동안 이루어지는 것이 가장 바람직하다. 만약 상기 반응 시간이 30분 미만인 경우 반응 시간이 충분하지 않아 플라이애시 표면에 카보닐기가 도입되지 않는 문제가 있으며, 300분을 초과할 경우 실질적인 효율이 크지 않아 경제적이지 못한 문제가 있다.The reaction time for the step (S120) is preferably made for 30 minutes to 300 minutes, more preferably made for 60 minutes to 240 minutes, and most preferably made for 120 minutes to 180 minutes. If the reaction time is less than 30 minutes, there is a problem that the carbonyl group is not introduced to the fly ash surface because the reaction time is not sufficient, and if it exceeds 300 minutes, the practical efficiency is not large, so there is an uneconomical problem.
다음으로, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 활성탄의 제조방법은 상기 플라이애시를 피치 및 활성화제와 혼합하는 단계(S210)를 포함한다.Next, the method for producing activated carbon provided in another aspect of the present invention includes mixing the fly ash with pitch and an activator (S210).
상기 단계는 분쇄와 혼합을 동시에 수행하며, 분쇄기, 파쇄기 등을 사용하여 수행할 수 있으며, 피치, 플라이애시, 활성화제를 분쇄 및 혼합을 동시에 수행할 수 있는 장치 또는 방법이라면 이에 제한되지 않고 수행될 수 있다.The above step performs grinding and mixing at the same time, and may be performed using a grinder, crusher, etc., if it is an apparatus or method capable of simultaneously performing grinding and mixing of pitch, fly ash, and an activator, without being limited thereto. can
상기 피치는 석유계 피치, 석유계 피치 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.The pitch may be at least one selected from the group consisting of petroleum pitch, petroleum pitch, and mixtures thereof.
상기 피치의 연화점은 50℃ 내지 200℃인 것이 바람직하고, 70℃ 내지 150℃인 것이 더욱 바람직하고, 100℃ 내지 130℃인 것이 가장 바람직하다. 만약, 피치의 연화점이 50℃ 미만인 경우 활성화 후 수율이 낮아 경제적이지 못한 문제가 있고, 200℃를 초과하는 경우 활성화가 이루어지지 않아 높은 비표면적의 활성탄을 제조하는데 어려움이 있다.The softening point of the pitch is preferably 50 °C to 200 °C, more preferably 70 °C to 150 °C, and most preferably 100 °C to 130 °C. If the softening point of the pitch is less than 50 ° C, there is a problem that the yield after activation is low, which is not economical.
상기 활성화제는 KOH, NaOH, CaCO3, HPO4 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.The activator may be at least one selected from the group consisting of KOH, NaOH, CaCO 3 , HPO 4 and mixtures thereof.
다음으로, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 활성탄의 제조방법은 상기 혼합된 혼합물을 탄화 및 활성화하는 단계(S220)를 포함한다.Next, the method for producing activated carbon provided in another aspect of the present invention includes carbonizing and activating the mixed mixture (S220).
상기 단계에서 상기 탄화 및 활성화는 동시에 수행될 수 있다.In the above step, the carbonization and activation may be performed simultaneously.
상기 단계는 500℃ 내지 1000℃의 온도에서 10분 내지 300분 동안 불활성 가스 분위기에서의 열처리를 통해 수행될 수 있다.The above step may be performed through heat treatment in an inert gas atmosphere at a temperature of 500° C. to 1000° C. for 10 minutes to 300 minutes.
500℃ 내지 1000℃인 것이 바람직하고, 700℃ 내지 950℃의 온도에서 수행하는 것이 더욱 바람직하고, 750℃ 내지 900℃에서 수행되는 것이 가장 바람직하다. 또한 10분 내지 300분 동안 수행하는 것이 바람직하고, 30분 내지 240분 동안 수행되는 것이 더욱 바람직하고, 40분 내지 180분 동안 수행하는 것이 가장 바람직하다. 만약, 반응온도가 500℃ 미만이거나 반응시간이 10분 미만인 경우에는 충분한 활성화가 이루어지지 않아 높은 비표면적의 활성탄을 제조하는 데 어려움이 있으며, 반응온도가 1000℃를 초과하거나 반응시간이 300분을 초과하는 경우에는 과활성화가 일어나 생성된 기공이 무너져 비표면적과 수율이 감소하는 문제가 있다.It is preferably carried out at 500°C to 1000°C, more preferably at a temperature of 700°C to 950°C, and most preferably at 750°C to 900°C. In addition, it is preferably carried out for 10 minutes to 300 minutes, more preferably carried out for 30 minutes to 240 minutes, and most preferably carried out for 40 minutes to 180 minutes. If the reaction temperature is less than 500 °C or the reaction time is less than 10 minutes, sufficient activation is not made and it is difficult to prepare activated carbon with a high specific surface area, and when the reaction temperature exceeds 1000 °C or the reaction time is 300 minutes If it exceeds, overactivation occurs and the generated pores collapse, resulting in a decrease in specific surface area and yield.
본 발명의 다른 측면에서 제공되는 활성탄의 제조방법은 다양한 금속산화물로 구성되어 있으나 활용이 적어 폐기되고 있는 석탄화력발전의 부산물인 플라이애시를 활용하여 공정 단가를 저감하고, 플라이애시를 활성탄 제조 공정 중 첨가하는 방식을 도입하여 활성탄의 기공을 막는 것을 방지하며, 내첨된 플라이애시의 활성을 위한 통로를 만들어 활성탄의 비표면적을 증가시키고, 내첨된 금속산화물의 활성이 유도된 플라이애시가 함유된 활성탄의 제조가 가능하게 할 수 있다.The method for producing activated carbon provided in another aspect of the present invention uses fly ash, a by-product of coal-fired power generation, which is composed of various metal oxides, but is discarded due to little use, to reduce the process cost, and to use fly ash in the activated carbon manufacturing process. Prevents clogging of the pores of the activated carbon by introducing the addition method, increases the specific surface area of the activated carbon by creating a passage for the activity of the internally added fly ash, manufacturing can be made possible.
본 발명의 다른 일 측면에서 In another aspect of the present invention
상기 활성탄을 포함하는 흡착제가 제공된다.An adsorbent comprising the activated carbon is provided.
상기 흡착제는 유해가스를 흡착하여 제거할 수 있으며, 예를 들어, 이는 황산화물 가스일 수 있으며, 보다 상세하게는 이산화황 가스를 제거할 수 있다.The adsorbent may adsorb and remove harmful gas, for example, it may be a sulfur oxide gas, and more specifically, it may remove sulfur dioxide gas.
상기 흡착제는 상기 활성탄을 포함하는데, 상기 활성탄 내부에는 플라이애시가 존재함과 더불어, 외부로 연결되는 통로가 있는 바, 플라이애시에 포함되어 있는 금속 산화물의 촉매 효과를 발휘할 수 있기에, 우수한 흡착 성능을 가질 수 있다.The adsorbent includes the activated carbon. In addition to the presence of fly ash in the activated carbon, there is a passage connected to the outside, so that the catalytic effect of the metal oxide contained in the fly ash can be exerted, so that excellent adsorption performance is obtained. can have
본 발명의 또 다른 측면에서 In another aspect of the invention
상기 흡착제에 황산화물을 접촉시키는 단계;contacting sulfur oxide with the adsorbent;
를 포함하는 황산화물 제거방법이 제공된다.There is provided a method for removing sulfur oxides comprising a.
상기 황산화물 제조방법은 상기 흡착제에 황산화물을 접촉시키는데, 상기 흡착제에 포함된 활성탄 내부에는 플라이애시가 존재함과 더불어, 외부로 연결되는 통로가 있는 바, 플라이애시에 포함되어 있는 금속 산화물의 촉매 효과를 발휘할 수 있기에, 황산화물 제거 성능이 기존 방법에 비하여 우수할 수 있다.In the method for producing sulfur oxide, sulfur oxide is brought into contact with the adsorbent, and fly ash is present in the activated carbon contained in the adsorbent, and there is a passage connecting to the outside, a metal oxide catalyst contained in fly ash Since the effect can be exhibited, the sulfur oxide removal performance may be superior to that of the conventional method.
이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through Examples and Experimental Examples. The scope of the present invention is not limited to specific embodiments, and should be construed by the appended claims. In addition, those skilled in the art should understand that many modifications and variations are possible without departing from the scope of the present invention.
<실시예 1> <Example 1>
플라이애시가 함유된 활성탄을 제조하기 위하여 활성탄의 원료로는 연화점 120℃인 석유계 피치를 선정하였으며, 활성화제로는 KOH를 선정하였다. 플라이애시의 입도는 볼밀을 이용하여 평균 입도가 50 ㎛가 되도록 조절하였다. 상기 입도가 조절된 말산과 플라이애시의 중량비율이 1:1인 말산이 용해된 수용액에 플라이애시를 첨가한 후 90℃에서 180분 동안 처리한 후 증류수로 세척하여 미 반응된 말산을 제거하였다. 상기 말산 처리된 플라이애시는 100℃에서 5시간 동안 건조하여 카보닐기가 도입된 플라이애시를 제조하였다.In order to prepare the activated carbon containing fly ash, petroleum-based pitch having a softening point of 120 °C was selected as the raw material of the activated carbon, and KOH was selected as the activator. The particle size of the fly ash was adjusted so that the average particle size was 50 μm using a ball mill. Fly ash was added to an aqueous solution in which malic acid was dissolved in a weight ratio of 1:1 between malic acid and fly ash, the particle size of which was controlled, and then treated at 90° C. for 180 minutes, and then washed with distilled water to remove unreacted malic acid. The malic acid-treated fly ash was dried at 100° C. for 5 hours to prepare fly ash having a carbonyl group introduced thereto.
카보닐기가 도입된 플라이애시, 피치, 활성화제를 각각 1 : 10 : 10의 비율로 혼합한 후 10분 동안 전동 믹서를 이용하여 분쇄 및 혼합을 진행하였다. 혼합물을 알루미나 보트에 첨가한 후 750℃에서 3시간동안 불활성 가스 분위기에서 탄화 및 활성화를 동시에 수행하였다. 활성화가 완료된 시료는 미 반응된 활성화제를 제거하기 위하여 증류수를 이용하여 세척한 후 100℃에서 24시간 동안 건조하여 플라이애시가 함유된 활성탄을 제조하였다.Fly ash, pitch, and an activator into which the carbonyl group was introduced were mixed in a ratio of 1: 10: 10, respectively, and then pulverized and mixed using an electric mixer for 10 minutes. After the mixture was added to the alumina boat, carbonization and activation were simultaneously performed at 750° C. for 3 hours in an inert gas atmosphere. After the activation was completed, the sample was washed with distilled water to remove the unreacted activator, and then dried at 100° C. for 24 hours to prepare activated carbon containing fly ash.
<실시예 2> <Example 2>
상기 실시예 1에서 말산과 플라이애시의 중량비율을 0.5:1의 비율로 말산이 용해된 수용액을 이용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정을 진행하여 플라이애시가 함유된 활성탄을 제조하였다.Activated carbon containing fly ash was prepared in the same manner as in Example 1, except that in Example 1, an aqueous solution in which malic acid was dissolved in a weight ratio of 0.5:1 to malic acid was used.
<실시예 3> <Example 3>
상기 실시예 1에서 말산과 플라이애시의 중량비율을 2:1의 비율로 말산이 용해된 수용액을 이용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정을 진행하여 플라이애시가 함유된 활성탄을 제조하였다.Activated carbon containing fly ash was prepared in the same manner as in Example 1, except that in Example 1, an aqueous solution in which malic acid was dissolved in a weight ratio of 2:1 to malic acid was used.
<비교예 1> <Comparative Example 1>
상기 실시예 1에서 말산 처리 공정을 진행하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 플라이애시가 함유된 활성탄을 제조하였다.Activated carbon containing fly ash was prepared in the same manner as in Example 1, except that the malic acid treatment process was not performed in Example 1.
<비교예 2> <Comparative Example 2>
상기 실시예 1과 유사한 기공 특성을 보이는 상용된 활성탄을 이용하여 선정하여 비교를 수행하였다.A comparison was performed by selecting using commercially available activated carbon showing pore properties similar to those of Example 1.
<실험예 1> 말산 처리 방법에 따른 플라이애시 표면 관능기 특성<Experimental Example 1> Fly ash surface functional group characteristics according to malic acid treatment method
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 말산 처리된 플라이애시의 표면 관능기는 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)을 이용하여 측정하였으며, 그 결과를 도 2 및 표 1에 나타내었다. The surface functional groups of the malic acid-treated fly ash in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were measured using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and the results are shown in FIG. 2 and Table 1. .
도 2 및 표 1에 나타낸 바와 같이 말산의 양이 증가할수록 플라이애시에 포함된 산소 관능기의 양이 증가하는 경향을 보였으며, 말산 처리되지 않은 비교예 1과 비교하여 말산 처리 공정 시 칼슘, 나트륨, 불소, 황 등의 불순물이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 2 and Table 1, as the amount of malic acid increased, the amount of oxygen functional groups included in fly ash tended to increase, and compared with Comparative Example 1 in which malic acid was not treated, calcium, sodium, It was confirmed that impurities such as fluorine and sulfur were reduced.
플라이애시에 도입된 산소 관능기의 특성을 더욱 정밀하게 확인하기 위하여 XPS 결과의 C1s 피크를 세분화하여 분석하였으며, 이를 도 3 및 표 2에 나타내었다. 말산의 양이 증가할수록 플라이애시의 알코올 및 카보닐기가 증가하는 경향을 보였으며, 특히 카보닐기는 말산 처리되지 않은 비교예 1의 경우 0.4%인 반면 실시예 1의 경우 6.1%, 실시예 3의 경우 6.7%로 매우 높게 증가하였다. In order to more precisely confirm the characteristics of the oxygen functional group introduced into the fly ash, the C1s peak of the XPS result was subdivided and analyzed, which is shown in FIG. 3 and Table 2. As the amount of malic acid increased, the alcohol and carbonyl groups of fly ash tended to increase, and in particular, the carbonyl groups were 0.4% in Comparative Example 1 without malic acid treatment, whereas 6.1% in Example 1 and 6.1% in Example 3 case, it increased very high to 6.7%.
<실험예 2> 플라이애시가 함유된 활성탄의 기공 특성<Experimental Example 2> Pore properties of activated carbon containing fly ash
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 제조된 플라이애시가 함유된 활성탄 및 비교예 2의 상용활성탄의 기공 특성 및 비표면적은 질소흡착등온선을 이용하여 평가하였고 이를 도 4에 나타내었다. 질소흡착등온선 결과를 바탕으로 비표면적과 기공 특성을 계산하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. The pore properties and specific surface areas of the activated carbon containing fly ash prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 and the commercially available activated carbon of Comparative Example 2 were evaluated using a nitrogen adsorption isotherm, and are shown in FIG. 4 . The specific surface area and pore characteristics were calculated based on the nitrogen adsorption isotherm results, and the results are shown in Table 3 below.
도 4 및 상기 표 3에 나타낸 바와 같이 실시예 1의 비표면적은 1216.8 m2/g으로 가장 높은 비표면적을 보였으며, micropore의 비율 또한 87.6%로 가장 높게 나타났다. 말산의 비율이 낮은 실시예 2의 경우 비표면적은 1006.7 m2/g으로 실시예 1에 비하여 낮게 나타났으며, 말산 처리되지 않은 비교예 1의 경우 847.5 m2/g으로 가장 낮은 비표면적이 나타났다. 반면 말산의 비율이 높은 실시예 3의 경우 1207.8 m2/g으로 실시예 1과 비슷한 비표면적이 나타났다. 이러한 비표면적의 증가는 도 2 및 상기 표 2에서 나타낸 것과 같이 말산 표면에 도입된 카보닐기가 활성화 공정 중에 기공을 형성하여 나타난 결과로 여겨지며, 카보닐기에 의하여 생성되는 기공이 micropore의 기공 크기를 갖는 것으로 여겨진다. 비교예 2의 상용 활성탄은 실시예 1과 유사한 1236.4 m2/g의 비표면적을 갖는 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 4 and Table 3, the specific surface area of Example 1 was 1216.8 m 2 /g, showing the highest specific surface area, and the ratio of micropores was also the highest at 87.6%. For embodiments the ratio of malic low Example 2. The specific surface area was found with the lowest specific surface area of the 1006.7 m 2 / g to the embodiment were lower than in Example 1, in the case of Comparative Example 1 that are not acid treated 847.5 m 2 / g . On the other hand, in the case of Example 3 having a high malic acid ratio, the specific surface area was 1207.8 m 2 /g, similar to that of Example 1. This increase in specific surface area is considered to be a result of the carbonyl group introduced to the malic acid surface forming pores during the activation process as shown in FIG. 2 and Table 2, and the pores created by the carbonyl group have the pore size of micropores. It is believed to be It was confirmed that the commercial activated carbon of Comparative Example 2 had a specific surface area of 1236.4 m 2 /g similar to that of Example 1.
<실험예 3> 플라이애시가 함유된 활성탄의 유해가스 제거 특성<Experimental Example 3> Noxious gas removal characteristics of activated carbon containing fly ash
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2에서 제조된 플라이애시가 함유된 활성탄의 유해가스 제거 특성을 평가하기 위하여 SO2 가스의 제거 성능을 평가하였다. SO2 가스 제거 성능은 6.2 cc의 반응기에 0.5 g의 시료를 첨가한 후 25℃에서 40 ppm의 SO2 가스를 500 cc/min의 유속으로 주입한 후 흡착된 SO2 가스의 양을 측정하여 평가하였다. SO2 가스의 제거 성능은 도 4에 나타내었으며, SO2 가스 제거 그래프로부터 시료의 단위 g당 제거율을 계산하여 도 5에 나타내었다.In order to evaluate the harmful gas removal characteristics of the activated carbon containing fly ash prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 2, SO 2 gas removal performance was evaluated. SO 2 gas removal performance was evaluated by measuring the amount of adsorbed SO 2 gas after adding 0.5 g of sample to a 6.2 cc reactor and then injecting 40 ppm of SO 2 gas at 25° C. at a flow rate of 500 cc/min. did. The SO 2 gas removal performance is shown in FIG. 4, and the removal rate per unit g of the sample is calculated from the SO 2 gas removal graph, and is shown in FIG. 5 .
도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이 실시예 1로부터 제조된 플라이애시가 함유된 활성탄의 SO2 가스 제거율이 가장 높게 나타났으며, 비교예 1로부터 제조된 플라이애시가 함유된 활성탄의 SO2 가스 제거율이 가장 낮게 나타났다. 비교예 1의 경우 도입된 플라이애시기 활성탄 내부에 존재하지만, 외부로 연결되는 통로가 없어 플라이애시에 함유되어 있는 금속 산화물의 촉매 효과를 발휘할 수 없어 SO2 가스 제거율이 가장 낮게 나타난 것으로 사료된다. 비교예 2의 상용 활성탄의 경우 실시예 1과 비교하여 기공 특성 및 비표면적이 유사하지만, 실시예 1의 경우 플라이애시에 의한 촉매 효과가 있어 SO2 가스 제거율이 높게 나타난 것으로 사료된다. 5 and 6, the SO 2 gas removal rate of the activated carbon containing fly ash prepared in Example 1 was the highest, and the SO 2 gas removal rate of the activated carbon containing fly ash prepared in Comparative Example 1 This was the lowest. In the case of Comparative Example 1, the introduced fly ash exists inside the activated carbon, but there is no passage connected to the outside, so the catalytic effect of the metal oxide contained in the fly ash cannot be exerted, so it is considered that the SO 2 gas removal rate is the lowest. In the case of the commercial activated carbon of Comparative Example 2, the pore properties and specific surface area were similar to those of Example 1, but in the case of Example 1, there was a catalytic effect by fly ash, so it is considered that the SO 2 gas removal rate was high.
Claims (12)
카보닐기로 표면 개질된 플라이애시;
를 포함하는 원료를 탄화 및 활성화하여 형성되는 활성탄.
pitch; and
fly ash surface-modified with a carbonyl group;
Activated carbon formed by carbonizing and activating a raw material containing a.
상기 원료는 활성화제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 활성탄.
According to claim 1,
Activated carbon, characterized in that the raw material further comprises an activator.
상기 활성탄은 1000 m2/g 이상의 비표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 활성탄.
According to claim 1,
The activated carbon is activated carbon, characterized in that it has a specific surface area of 1000 m 2 /g or more.
상기 플라이애시를 피치 및 활성화제와 혼합하는 단계; 및
상기 혼합된 혼합물을 탄화 및 활성화하는 단계;
를 포함하는 활성탄의 제조방법.
forming a carbonyl group on the surface of fly ash;
mixing the fly ash with pitch and an activator; and
carbonizing and activating the mixed mixture;
A method for producing activated carbon comprising a.
상기 플라이애시 표면에 카보닐기를 형성하는 단계의 플라이애시 평균 입경은 10 ㎛ 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The method for producing activated carbon, characterized in that the average particle diameter of the fly ash of forming a carbonyl group on the surface of the fly ash is 10 μm to 100 μm.
상기 플라이애시 표면에 카보닐기를 형성하는 단계는
플라이애시를 카복실산과 접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The step of forming a carbonyl group on the surface of the fly ash
A method for producing activated carbon comprising the step of contacting fly ash with a carboxylic acid.
상기 카복실산은 말산(malic acid)인 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
7. The method of claim 6,
The carboxylic acid is a method for producing activated carbon, characterized in that malic acid (malic acid).
상기 플라이애시 및 카복실산의 중량비는 10:1 내지 1:5인 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
7. The method of claim 6,
The method for producing activated carbon, characterized in that the weight ratio of the fly ash and the carboxylic acid is 10:1 to 1:5.
상기 피치는 석유계 피치, 석유계 피치 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상이며,
상기 활성화제는 KOH, NaOH, CaCO3, HPO4 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The pitch is at least one selected from the group consisting of petroleum pitch, petroleum pitch, and mixtures thereof,
The activator is KOH, NaOH, CaCO 3 , HPO 4 A method for producing activated carbon, characterized in that at least one selected from the group consisting of and mixtures thereof.
상기 혼합된 혼합물을 탄화 및 활성화하는 단계는 500℃ 내지 1000℃의 온도에서 10분 내지 300분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 활성탄의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Carbonizing and activating the mixed mixture is a method for producing activated carbon, characterized in that performed for 10 minutes to 300 minutes at a temperature of 500 ℃ to 1000 ℃.
An adsorbent comprising the activated carbon of claim 1.
를 포함하는 황산화물 제거방법.
Contacting the adsorbent of claim 11 with sulfur oxide;
A method for removing sulfur oxides comprising a.
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2019
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Patent Citations (3)
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---|---|---|---|---|
KR100462193B1 (en) | 2001-07-05 | 2004-12-16 | 박상균 | Method of manufacturing an active coal by using a fly ash achieved from the fire power plant |
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US9757709B1 (en) * | 2015-10-22 | 2017-09-12 | King Fahd University Of Petroleum And Minerals | Method for forming an acid-treated fly ash activated carbon |
Non-Patent Citations (1)
Title |
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한국공업화학회, 환경에너지 포스터, 2019년 봄 학회* |
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