흡착제

기체나 액체상 분자들이 고체 표면에 달라붙는 현상인 흡착(adsorption)이 일어나기 위해서 꼭 필요한 구성 요소가 분자들이 흡착할 수 있는 넓은 표면을 가진 고체 물질이며, 이를 흡착제(adsorbent, 吸着劑라고 한다.

목차

흡착이 일어나는 것은 흡착질(adsorbate)과 흡착제 사이의 계면에서 반데르발스 인력(van der Waals interaction), 이온 상호작용(Ionic interaction) 등 물리적 상호작용이나 화학 결합과 같은 화학적 상호작용이 일어나기 때문이다. 특정 성분에 대한 흡착 성능 및 선택성이 우수한 흡착제는 혼합물에서 해당 성분만 선택적으로 분리하는 용도로 사용할 수 있기 때문에 산업적으로 매우 중요하다.

흡착제는 기체나 액체가 흡착되는 고체 물질이므로, 그 중요한 성질 중 하나는 흡착제 단위 질량 또는 단위 부피당 흡착할 수 있는 총 표면적을 나타내는 비표면적(specific surface area)이다. 우수한 흡착제는 비표면적이 넓으며 화학적으로 안정한 물질이다.

흡착량은 보통 온도가 높아지면 줄어들며, 일정한 온도에서는 흡착질의 농도와 압력이 높을수록 흡착량이 증가한다. 일정한 온도에서 압력에 따른 흡착량 변화를 흡착 등온선(adsorption isotherm)이라고 한다. 흡착질은 흡착 조건과 흡착제의 종류에 따라 단분자 층 또는 다 분자층으로 흡착할 수 있으며, 압력에 따른 복잡한 흡착 특성이 흡착 등온선에 나타난다. 실험적으로 결정한 흡착 등온선으로부터 흡착제의 비표면적을 측정하기 위한 이론적 모델로 BET 흡착 등온선이 있다.  

흡착제는 우리 주변에서 널리 사용되고 있다. 공기 중에서 수분만 선택적으로 흡착하여 제거하는 제습제, 색소를 흡착하여 제품으로부터 색을 제거하는 탈색제, 불순물을 제거하여 특정 화합물의 순도를 높이는 정제, 옷장의 묵은 냄새 제거제, 공기 정화용 필터 등은 모두 흡착제를 이용하는 제품이다.

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수정제용 필터 시스템의 예 ()

특정 흡착질에 대해 강한 인력이나 분자 크기 선택성(Molecular sieve effect)을 갖는 흡착제를 사용하는 경우 혼합물로부터 특정 성분을 분리하는 공업적 공정에 사용할 수 있다. 선택적 흡착 분리 특성을 이용한 응용 분야로 크로마토그래피를 이용한 화학 분석, 가스의 정제 및 석유화학 산업의 다양한 혼합물 분리 정제 공정 등을 들 수 있다.

최근 지구 온난화에 따른 기후 변화 문제를 해결하기 위한 이산화 탄소 포집 기술에서는 그 화합물에 대한 선택적 흡착 능력이 우수한 흡착제 개발이 핵심 이슈이다.

바이오 신약 산업에서도 혼합물의 분리 정제와 관련한 흡착제의 수요가 매우 크며, 천연가스 및 셰일가스와 같은 에너지 화학 산업에서도 분리 흡착 공정은 핵심 공정이므로 우수한 흡착제의 개발에 대한 요구가 점점 더 커지고 있다.

섬유 산업에서도 흡착제가 널리 활용되는데, 섬유의 악취 세균 물질을 화학적으로 흡착하거나 냄새가 나지 않는 다른 물질로 변화시키는 등의 효과를 내기 위해 제올라이트, 이산화 타이타늄, 산화 아연 등을 혼합한 섬유 소재를 개발하거나, 섬유의 흡습성을 향상할 목적으로 소수성 섬유 표면에 친수성 피막을 형성시켜 흡수성 섬유를 만드는 데에도 흡착제를 사용한다.

흡착제는 화학 반응물을 표면에 흡착시켜서 화학 반응을 빠르게 진행되도록 유도하는 촉매 역할도 한다.

표면이 거칠거나 다공성(多孔性, porous) 물질은 단위 질량 당 표면적이 넓기 때문에 흡착량이 큰 우수한 흡착제가 될 수 있다. 한국에서 전통적인 방법으로 간장을 담글 때, 독 속에 띄우는 숯은 불순물을 흡착시켜 제거하기 위해 사용하는 흡착제의 좋은 예이다. 유리질도 흡착제가 될 수 있으며, 공업적으로 널리 이용되는 흡착제로는 활성탄, 규조토, 제올라이트, 실리카겔, 녹말, 벤토나이트, 알루미나 등이 있다.

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활성탄 ()

분자체(molecular sieve) 물질은 결정화된 규산알루미늄(aluminosilicate)의 한 종류인데 nm 크기의 균일한 구멍을 가지고 있어서 비표면적이 매우 크고, 구멍 크기에 따라 기체 분자를 선택적으로 흡착시키므로 산업적으로 다양하게 사용되고 있다. 상업적으로 널리 사용되는 3A, 4A, 5A, 13X 분자체, 탄소 분자체 등이 있으며, 응용 분야로는 석유화학산업에서의 탄화 수소 가스 추출 및 정제, 촉매의 담체, 냉동, 자동차, 유리, 코팅 및 페인트 산업 등에서의 추출 및 정제 등이다.

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4A 분자체 ()