활성 탄소 섬유를  이용한  페놀  흡착

이재광,   유승곤

충남 대학교 공과대학 화학공학과

Adsorption of phenol onto Activated Carbon Fiber

J.K. Lee,   S.K. Ryu

Dept. of Chem. Eng. Chungnam National University

서론

페놀은, 벤젠의 히드록시 유도체로서 히드록시벤젠에 해당하는 무색 결정성 덩어리이다. 석탄 타르 페놀유의 주성분을 이루며, 수산화나트륨에 의하여 추출되거나, 또는 벤젠술폰산나트륨의 알칼리용융에 의하든지, 클로로벤젠에서 직접 수산화나트륨, 물의 작용에 의하여 다량으로 합성된다. 근래에 페놀 함유 폐수량의 증가로 상수원을 비롯하여 수질이 악화되고 있다. 페놀은 또한 하수, 자연수, 음료수 등에서도 자연적으로 미량 발생되기도 한다. 강력한 살균 작용을 하고, 불쾌한 냄새와 맛을 내며, 부식성이 강하여 인체의 피부를 해친다. 수처리에서 페놀의 제거공정은 과잉염소처리, 이산화염소 또는 클로로아민 처리, 오존처리 그리고 활성탄 흡착 등이 있는데 이중에서 염소 처리는 냄새와 불쾌한 맛의 클로로페놀을 발생시키므로 고도처리를 위하여는 활성탄 흡착을 병행한다.

한편, 활성탄은 몇 가지 문제점이 있다. 즉, 입상 활성탄인 경우에는 건설비가 많이 드는 여과조를 만들어야 하며 여과조에 걸리는 압력손실 외에도 흡착 시간이 길기 때문에 장시간 활성탄내에 고비점물질이나 중합물이 체류하여 흡착물의 분해나 중합반응이 발생하여 활성탄의 열화가 촉진되며 편류 및 긴 비사용층길이 등으로 효율이 나쁘며, 재생의 어려움으로 그 자체가 폐기물이 되고 있다. 따라서 기상/액상 흡착 능력이 월등하고도 사용하기 편리하며 재생성이 우수한 새로운 흡착제의 개발의 필요성이 강력히 요구되고 있다. 활성탄소섬유(Activated Carbon Fiber)는 이러한 요구를 충족시켜 주는 새로운 타입의 흡착제이다[1].

그 동안 활성탄소섬유를 이용하여 페놀을 흡착 제거했다는 연구가 아직 없었다. 그러므로, 본 연구에서는 활성탄소섬유를 이용한 수중 페놀을 제거함으로써 흡착 특성을 밝히고자 하였다.

실험

실험에 사용한 흡착제 ACF는 페놀수지계 활성탄소섬유(A-15)로, 그 특성을 알아보고자 77K에서 상대 압력에 따른 질소 흡착으로 등온흡착곡선을 측정하였다. 액상 흡착 평형 실험은 연속교반 회분식으로 수행하였다. 30ml의 페놀수용액과 0.15g의 활성탄소섬유를 50ml poylethylene 용기에 가하였다. 실험에 사용한 용액의 pH는 8.0으로 맞추고 초기 농도는 1000mg/l로 하여 원하는 농도는 2차 증류수로 희석하여 준비하였다. 실험은 항온(25±0.5℃)에서 120∼240 cpm의 교반속도 조절이 가능한 진탕기로 일정 시간 연속교반하였으며 실험이 끝난 후 20ml를 흡인 여과용 깔때기(지름 15mm) 거름종이(5종C, 지름 20mm)로 거른 뒤 자외선 분광기(model: Milton roy spectronic 601)로 농도를 측정했다. 농도 분석 방법은 미 환경보건국의 Standard methods의 페놀 분석법(5530)에 의해 실시하였다[2]. 흡착평형에 도달하는 시간을 얻기 위해 농도 80(mg/l)의 페놀수용액을 위의 방식대로 하여 여러 개의 시료를 동시에 진탕시키면서 10분 간격으로 한 개씩 꺼내어 용액의 농도를 표정 곡선으로부터 환산하여 시간에 대한 흡착량의 변화를 측정하였다. 실험결과 흡착량이 약 10분 정도에서 부터는 미소하게 증가하며 20분 정도 이후로는 거의 일정하게 되는 것을 알 수 있다. 이에 따라 농도별 평형 실험에서는 신빙성을 더하기 위해 모든 실험에서 흡착 시간을 1시간으로 하여 실시하였다.

결과 및 토론

77K에서 상대 압력변화에 대한 질소흡착량을 측정한 흡착등온곡선은 Figure 1에 나타내었다. 등온선은 0.1의 상대 압력에서 이미 약 400cm3/g의 질소를 신속하게 흡착하고 이어서 상대 압력을 높여도 흡착량이 더 이상 증가하지 않고 평형에 도달함으로써, 일반적으로 흡착제를 분류하는 6가지 흡착등온곡선 중 type I 형태를 보였다. 초기 낮은 압력 부분은 미세공채움(micropore filling)을 나타내므로 이 흡착제는 대부분 미세공들이 발달되어 있음을 알 수 있다. 25℃에서 페놀 80ppm이 함유되어 있는 수용액에 활성탄소섬유를 첨가하고 접촉 시간에 따른 페놀의 흡착량 변화를 측정한 결과가 Figure 2와 같다. 그림으로 부터 10분이면 평형에 도달하는 빠른 흡착 속도를 보여주고 있다. 이처럼 흡착 속도가 신속한 것은 활성탄소섬유에 발달된 세공들이 모두 미세공이고 또한 이들이 모두 표면에 노출되어 있기 때문이다. 비표면적은 BET식을 이용하여 구하였고, t-method를 이용해 미세공이 차지하는 비표면적과 미세공부피를 구하였다[5].

그 결과는 Table 1에 보였다. Table 1에서 비표면적은 1650m2/g이고 미세기공의 면적은 1589m2/g으로 대부분의 기공이 미세기공으로 발달되어 있음을 보이고 있다. 또한, 평균 기공 반지름이 7.7Å으로 페놀과 같은 작은 분자 대한 흡착에 적합 할 것으로 보인다[3].

Figure 3은 페놀용액의 평형흡착곡선을 측정한 결과이다. 그림에서, 저농도 부근에서는 기울기가 가파른 형태를 보이면서 큰 폭으로 증가하고 있다. 평형농도 200ppm부터는 완전한 흡착이 나타나기 시작하였고 포화 흡착량은 약 160(mg/g)이다. 등온선 형태는 favorable한 형태를 보였다. 이는 활성탄소섬유가 특히, 저농도의 페놀의 흡착에 매우 유리함을 알 수 있다.

Figure 4에서는 흡착평형관계를 log형태의 Freundlich식과 Langmuir식으로 표시하였다. 여기에서 등온선은 Langmuir식보다는 Freundlich식이 더 잘 맞음을 보이고 있다. 페놀수용액에 대한 활성탄소섬유의 흡착평형식을 나타내면 다음과 같다.

Freundlich : qe =41.84Ce1/4.815

Langmuir  : 128.39×(-2.75e7)×Ce/(1+(-2.75e7)×Ce)

Freundlich식에서 평형농도에 대한 흡착량의 의존성을 나타내는 기울기 1/n값이 0.1∼0.5인 경우에는 흡착 분리가 바람직한 평형 관계를 나타내지만, 1/n>2인 경우에는 비효과적인데, 실험 결과 1/n이 0.207로 흡착 분리가 바람직한 평형 관계를 나타내고 있다[3].

이와 같은 결과로부터 활성탄소섬유(A-15)는 평균 7.7Å의 무수한 미세공들이 발달되어 있어서 기존의 다른 흡착제들보다 월등히 넓은 비표면적(약 1650 m2/g)과 세공부피(0.64 cc/g)를 소유하고 있으므로, 페놀수용액에 대한 탁월한 흡착 능력을 보일 뿐만 아니라 이들 미세공들이 모두 표면과 관통하고 있어서 신속한 흡착 속도를 보이고 있다. 또한 favorable한 등온선과 흡착 분리가 용이한 평형 관계로 부터 파과실험에서는 저농도의 페놀 제거가 짧은 접촉 시간으로도 가능 할 것으로 판단되며, 또한 좁은 물질전달대를 제공하여 연속 실험에서도 유리한 조건을 제공할 수 있을 것으로 예상된다[4].

Table 1. Characteristics of ACF(A-15)

Surface area (BET)	1650 (m2/g)
Average pore radius	7.7 (Å)
Micro-pore area	1589 (m2/g)
Micro-pore volume	0.52 (cc/g)

참고문헌

[1] 저농도 제염핵종과 Crud제거를 위한 활성탄소섬유(ACF) 충전 흡착

장치 특성 연구, 충남대학교 공과대학 부속 산업기술연구소(1995).

[2] Arnold E.G., Lenore S.C., Andrew D.E.: STANDARD METHODS,

American Public Health Association (1992).

[3] 하기성: □수처리에 있어서 흡착기술의 기초와 응용, 화학공업과 기술,

Vol.14, No.2, 110, (1996).

[4] Motoyuki Suzuki: □Adsorption Engineering□, Kodansha LTD.,

Tokyo(1990).

[5] 정현희: □수용액상에서 활성탄소섬유에 의한 Chromium(VI)의 흡착□,

충남대학교 화학공학과 석사논문(1995).