수용액으로부터 활성탄소섬유에 의한 다성분 중금속 이온의 제거

심재운, 고경열, 이재광, 유승곤

충남대학교 화학공학과

Removal of multicomponent heavy metal ions from

aqueous solution on Activated Carbon Fiber

J.W.Shim, K.R.Ko, J.K.Lee, S.K.Ryu

Dept. of Chemical Engineering, Chungnam National University

서 론

합금, 은 정련, 배터리 제조 등의 산업에서 사용된 후 방출되는 폐수 속에 포함된 중금속 이온들이 지하수를 통해 식수를 오염시키고 있다. 따라서, 효과적인 중금속 이온의 제거 공정을 개발하려는 연구가 다방면으로 수행되고 있다. 산업 폐수 혹은 수용액 중에 존재하는 중금속 이온들을 제거하기 위한 일반적인 방법은 석회수 혹은 소다 등을 이용하여 중화 또는 금속 수화물로 침전시키는 것이다. 이 방법들은 슬러지나 콜로이드 입자를 포함한 용액을 다루므로 고체 표면에서의 이온의 흡착/침전이 관계된다.

최근 다양한 흡착제, 즉 실리카겔, 석영 혹은 수화된 금속 산화물 등을 이용한 금속 이온의 흡착에 대한 실험들이 수행되고 있다[1,2,3]. 이 중 아크릴, 페놀, 핏치 등을 전구 물질로 하여 제조된 탄소섬유를 활성화하여 만든 활성탄소섬유가 새로운 흡착제로서 연구되고 있다. Shim등[4]은 활성탄소섬유(Activated Carbon Fiber)를 이용한 수용액으로부터 중금속 이온의 흡착을 연구한 결과 저 농도에서 이들 이온의 분리 및 정화에 활성탄소섬유가 우수한 것으로 보고하였다. 이는 수처리 및 환경 분야에서의 활성탄소섬유의 응용 가능성을 제시한 것이라 할 수 있다.

기존의 활성탄소를 이용한 다성분 중금속 이온의 흡착 실험 결과들은 혼합 용액 속에 존재하는 각 이온들이 수용액에서 금속 수화물을 형성하므로, 흡착이 용액의 pH에 크게 영향을 받는다는 것을 보여주었다. 따라서, 각 성분의 경쟁 흡착 때문에 정확한 흡착 등온 곡선을 결정하기 어려우므로, 흡착 용량에 영향을 주는 변수들에 대한 각 이온들의 정확한 흡착 관계가 우선 밝혀져야 할 것이다. 본 실험에서는 중금속 이온이 혼합된 다성분 수용액에서의 활성탄소섬유의 정확한 흡착능을 조사하고, 흡착 조건에 따른 각 성분의 흡착 특성을 조사하여 수처리를 위한 흡착 공정을 개발하는데 목적이 있다.

실험

각 단계의 실험에 사용한 흡착제는 핏치계 탄소섬유를 900℃ 이상의 고온에서 수증기로 활성화하여 제조한 상업용 활성탄소섬유(AD'ALL Co.)로서 77K에서 N2 흡착을 통해 구조적 특성을 조사하였다.

다성분 중금속 이온 함유 수용액은 (주)Merk에서 제공된 순도 99.5）의 Na2CrO4·4H2O, CuCl2·2H2O, NiCl2·6H2O를 2차 증류수에 넣어 질소를 불어넣으면서 1∼2mM의 농도로 준비하였다. 이렇게 준비한 모의 용액에 금속의 수화를 방지하기 위해 진한 질산 용액을 가한 후 원하는 농도로 희석하였다. 용액의 pH는 희석된 HNO3과 NaOH로 조절하였다.

활성탄소섬유는 흡착시 불순물의 영향을 감소시키기 위해 100℃ 이상의 증류수에서 끓인 후, 2차 증류수로 세척하여 진공, 실온에서 약 하루 동안 건조시켰다. 0.1g의 건조된 활성탄소섬유를 삼각 플라스크에 넣은 후 100□의 모의 다성분 중금속 용액을 가하고 용액의 증발을 방지하기 위해 파라핀 랩으로 상부를 봉하였다. 흡착 실험은 20±1℃의 온도에서 24시간 동안 수행되었다. 흡착이 끝난 용액은 필터를 이용하여 여과하였으며, 여과지에 의한 오차를 줄이기 위해 처음 여과액은 버리고, 여과지에 충분히 흡착을 시킨 후의 용액을 취하였다.

여과지를 통과한 용액을 취하여 원소분석기(Atomic Analyser)를 이용하여 각각의 농도를 측정하였다.

결과 및 토론

Table 1. Textural characteristics of ACF and AC.

	ACF-10	ACF-18	AC-F400
BET surface area(□/g)	1210	2100	1115
average pore radius(Å)	8.2	10.1	11.5
Total pore volume(□/g)	0.5	1.07	0.45
micropore volume (□/g)	0.44	1.02	0.32
micropore area (□/g)	1170	2020	995

77K에서의 N2 흡착을 통해 측정한 활성탄소섬유와 활성탄소의 구조적 특성을 표1에 요약하였다. 활성탄소섬유는 표면에 노출되어 있는 기공이 평균 10Å 이하의 극히 작은 미세공으로 구성되어 있으며, 미세공의 총 체적도 전체 기공의 70∼90%로 62%인 활성탄소에 비해 큼을 알 수 있다. 이는 활성탄소섬유가 균일한 기공 구조에 의한 분자체 효과, 기공의 외부 노출로 인한 빠른 흡착 속도, 큰 비표면적에 의한 흡착 용량의 증가를 나타낼 수 있음을 암시한다.

Fig. 1∼3은 크롬(Ⅵ), 구리(Ⅱ), 니켈(Ⅱ)의 3성분 혼합물의 농도가 각각 1mM일 때 용액의 pH에 대한 활성탄소와 활성탄소섬유의 흡착 실험 결과이다. 크롬(Ⅵ)는 산성 영역인 pH 3∼4에서 최대 흡착량을, 구리(Ⅱ)와 니켈(Ⅱ)는 pH가 증가할수록 즉, 중성 영역이 흡착 최적 조건임을 보여준다.

Kragten[5]은 용액의 pH와 몰농도에 따른 중금속 이온들의 침전 영역을 이론 식을 통해 구하였으며, 구리와 니켈의 경우 1mM의 농도일 때 pH 6∼7에서 침전이 일어난다고 하였다. 따라서, 구리와 니켈은 pH6 이사의 영역에서는 콜로이드로 존재하며, 일부는 흡착되고 일부는 침전된다고 생각할 수 있다. Shim[4]등은 각기 다른 농도로 혼합된 수용액으로부터 중금속 흡착을 수행한 결과 각 성분의 농도보다 용액의 pH에 더 큰 영향을 받는다고 하였다. 이는 각 성분의 흡착이 수용액상에서 존재하는 수화물의 종류 및 흡착제의 표면 화학적 성질에 영향을 받음을 암시한다.

Fig 1∼3 에서 크롬(Ⅵ)의 흡착이 우수할 경우 니켈(Ⅱ)이나 구리(Ⅱ)의 흡착량이 적으며, 크롬의 흡착량이 작을 때 그 반대임을 알 수 있다. 즉, 흡착량의 크기가 크롬Ｂ구리Ｂ니켈의 순서를 따르는데, 이는 수용액상에 6가로 존재하는 크롬이 2가의 니켈, 구리에 비해 활성탄소섬유에 대해 친화력이 강하기 때문인 것으로 생각된다.

참고문헌

1. J. A. Davis, R. O. James and J. O. Leckie, J. Colloid Interface      Sci., 63, 480(1978).

2. H. Hohl and W. Stumm, J. Colloid Interfce Sci., 55, 281(1976).

3. D. L. Dugger, J. H. Stanton, B. N. Irby, B. L. McConnell, w. w.     Cummings and R. W. Maatman, J. Phys. Chem., 68, 757(1964).

4. J. W. Shim, S. M. Lee, B. S. Rhee and S. K. Ryu, The European     Carbon Conference, 242, Newcastle, UK(1996).

5. J. Kragten, Atlas of Metal-Ligand Equilibria in Aqueous              Solution, Ellis Horwood Ltd., Chichester(1978).