이산화탄소는 육불화황, 아산화질소와 더불어 지구온난화를 일으키는 물질 중에 하나로써, 지구온난화의 기여도가 50% 이상을 차지하고 있다. 이산화탄소를 배출하는 배출원은 발전소, 시멘트, 철강 공장 등이 있으며 대기 중으로 배출되는 이산화탄소의 40%를 차지하고 있다. 뿐만 아니라 실내에서도 이산화탄소는 실내공기질의 지표물질로 지정하여 관리하고 있으며, 실내의 이산화탄소는 실외에 비해 최고 10배 이상의 농도를 나타내기도 한다. 따라서 이산화탄소를 저감하기 위한 기술이 필요하다.
이산화탄소를 저감하는 기술 중에서 에너지 소비가 적고 저감효율이 우수한 흡착공정은 이산화탄소를 저감하는 가장 효과적인 방법이다. 일반적인 흡착 공정에 사용되는 흡착제는 제올라이트, 건식아민, 활성탄, 활성탄소섬유가 있다. 활성탄은 세공이 잘 발달되어 있고 흡착공정에서 많이 사용되고 있다. 그러나 활성탄소섬유는 기계적 및 열적 안정성, 균일한 세공분포, 높은 비표면적과 세공부피의 장점을 가지고 있어 활성탄에 비해 이산화탄소 흡착에 유리할 것으로 판단된다.
활성탄소섬유는 phenol, rayon, pitch, polyacrylonitrile (PAN)으로 제조되며 전구물질에 따라 세공의 크기 및 분포를 조절할 수 있다. PAN의 경우에는 다른전구물질보다 높은 질소함량을 가지고 있어 이산화탄소 포집에 적합할 것으로 판단된다. 활성탄소섬유의 제조는 물리적 활성화와 화학적 활성화가 있으며, 화학적 활성화는 물리적 활성화보다 낮은 온도에서 수행되고 공정이 간단하며 높은 비표면적과 세공부피를 얻을 수 있다. 화학적 활성화에 사용되는 활성화제는 H3PO4, ZnCl2, KOH, NaOH 등이 있으며, KOH는 반응이 시작되는 온도가 낮아 비표면적과 세공을 잘 발달시킨다. 따라서 활성탄소섬유의 제조는 1 ~ 5M의 KOH 수용액에 PAN 섬유를 30 ~ 80 ℃의 온도에서 함침시킨 후, 700 ~ 900 ℃의 온도에서 활성화하였다. 활성화 후에는 뜨거운 증류수로 pH 7까지 세척하고 건조시켰다.
제조한 활성탄소섬유는 비표면적측정기를 사용하여 비표면적 및 세공부피, 세공의 분포를 측정하였고, X선 광전자 분광분석기를 사용하여 표면관능기를 측정하여 관능기의 변화를 관찰하였다. 원소분석을 통하여 시료의 질소, 수소, 탄소의 함량변화를 관찰하고 화학적 구조를 고찰하였다. 열중량분석기를 사용하여 화학적 구조변화가 열적 안정성을 향상시켰는지를 확인하였다. 이산화탄소 흡착량은 고농도의 순수 이산화탄소와 저농도의 3000 ppm 이산화탄소 농도에서 측정하여 산출하였다.
제조한 활성탄소섬유의 비표면적과 세공부피는 제조되는 조건에 따라 266 ~ 1227 m2/g, 0.112 ~ 0.483 cm3/g으로 측정되었으며, 질소관능기의 양은 3 ~ 6배의 차이를 나타내었다. 이러한 차이는 이산화탄소 흡착량의 차이로 이어졌으며 이산화탄소 흡착량은 고농도에서 1.75 ~ 3.59 mmol/g, 저농도에서 0.03 ~ 0.05 mmol/g 으로 측정되었다. 고농도 이산화탄소 흡착에는 함침온도 80 ℃, 활성화온도 800 ℃, 4M KOH로 제조한 활성탄소섬유가 흡착량이 높게 측정되었으며, 저농도 이산화탄소 흡착에는 함침온도 80℃, 활성화온도 700℃, 4M KOH로 제조한 활성탄소섬유가 흡착량이 높게 측정되었다.
따라서 함침온도가 높아질수록 섬유내부로의 함침이 잘 일어나며, 활성화온도가 올라갈수록 KOH와 섬유간의 반응이 촉진되었다. 또한 KOH의 농도의 증가는 KOH와 섬유 간의 반응되는 정도를 조절하는 인자로 작용함을 알 수 있었다. 이러한 조건에 따라 제조한 활성탄소섬유는 비표면적, 세공부피 그리고 표면에 존재하는 질소관능기의 차이가 발생하며, 온도의 상승은 비표면적과 세공부피를 증가시키지만 탈질화를 일으켜 질소관능기의 양은 줄어들었다. 다른 조건으로 제조한 활성탄소섬유로 이산화탄소 흡착 실험을 한 결과, 이산화탄소의 흡착은 고농도일 경우, 비표면적과 세공의 부피에 영향을 받았다.
이산화탄소 선택도를 증가시키기 위해 제조한 활성탄소섬유를 아민화하여 비교하였다. 아민화한 활성탄소섬유는 저농도 이산화탄소의 흡착량이 0.4 mmol/g으로 증가하였으며, 선택도의 경우에는 4.66으로 다른 시료에 비해 높게 측정되었다. 따라서 저농도 이산화탄소의 흡착은 활성탄소섬유 표면의 루이스 염인 질소관능기의 증가로 인해 흡착량이 증가하는 것을 확인하였다.

Carbon dioxide is a substance that causes global warming as well as deterioration of indoor air quality. There are many efforts to collect the carbon dioxide from the industrial flue gases. However, it is not simple to control the carbon dioxide dispersed in public indoor spaces due to various limited factors such as low level distribution, installation space, health and safety. Dry capture processes including adsorption have potentially been known to be plausible. In particular, adsorption using solid adsorbents of zeolites or activated carbons operates with less running energy and simple handling.
Amongst a number of conventional adsorbents, carbonaceous materials are quite beneficial owing to their large surface area with well developed pore channels. Activated carbon fiber is one of promising adsorbents for high quality air control. Especially it comprises of uniform pores, extremely large surface area and pore volume. Thus, it can be utilized in dry gas adsorption by itself or with surface modification.
Activated carbon fiber is manufactured from phenol, rayon, pitch, and polyacrylonitrile(PAN) etc. Out of these starting precursors, PAN has a high nitrogen content than the others. The nitrogen species in PAN may be restructured into alkali functionalities favorable for acid CO2. This study attempted to provide more active sites with nitrogen functionalities including amine compounds on the ACF surface. It could be accomplished through several chemical and physical treatment after preparation of ACF in a lab-scale.
The chemical activation process was fulfilled with potassium hydroxide, 1M~5M concentration at 30~80℃ in aqueous solution. Such a pretreament enhanced the following thermal activation up to 800℃. In addition, ammonia was supplied in oder to aminate the ACF surface in a high temperature furnace. Those reformation of ACF structure enabled to enlarge the specific surface area, pore volume and more formation of micropores as well as chemical affinity for CO2 molecules.
X -ray photoelectron spectrometer showed the increase of nitrogen functionalities such as imine, pyrrole, pyridine and other basic nitrogen compounds. Specific surface area and pore volume varied depending on the treatment as : 267 ~ 1227 m2/g and 0.112 ~ 0.483 cm3/g. In particular, micro pores, which have been known to be favourable for CO2 capture, were increased from 0.101 cm3/g for fresh ACF to 0.459 cm3/g for the after-treatment.
The adsorption capacity of ACF was 3.59 mmol/g for pure CO2 flow(100%), and showed 0.03 ~ 0.05 mmol/g for low concentration(3000 ppm) which was frequently found in public indoor spaces. The chemical active sites on the ACF surface enhanced the selective capture of CO2 indicating 0.4 mmol/g, and selectivity was improved from 1 to 4.66 for low CO2. concentration.