활성탄에 의한 phenol의 흡착에서 자연유기물질의 영향

신 원근, 홍 성호, 남 영우

숭실대학교 화학공학과

Effect of NOM on Phenol Adsorption by Activated Carbon

Won-Geun Shin, Seong-Ho Hong, Young-Woo Nam

Dept. of Chem. Eng., Soong Sil University.

서론

최근의 자료에 의하면 자연수 중에 포함 되어 있는 자연유기물질(Natural Organic Matter, NOM)은 합성유기화학물질(Synthetic Organic Matters, SOC)을 흡착하는 공정에서 제거 대상인 화합물과 직접적으로 경쟁하거나 제거 대상인 SOC에 앞서 탄소상에 흡착되어 SOC의 용해도를 상대적으로 증가시키고 용액으로부터의 흡착 친화력을 감소시켜 SOC의 흡착 성능을 저하시킨다. 또한, 입상활성탄(Granular Activated Carbon, GAC) site 내부에 NOM의 존재는 SOC의 GAC 내부 확산 속도를 감소시킨다. 이러한 자연유기물질의 흡착에 대한 영향을 □NOM fouling'이라고 한다. 이와같은 현상은 대규모의 흡착 처리 장치인 흡착탑에서 볼 수 있는데, 비교적 강하게 흡착되는 SOC는 탑의 유입구 근처에서 거의 완전히 제거된다. 반면에 약한 흡착능력을 지닌 NOM은 탑내로 더 깊게 이동하여 제거대상인 SOC의 도달에 앞서 천천히 흡착된다. 그리하여 제거대상인 SOC가 일정 시간 동안 NOM에 접한 탑의 일부분을 통과할 때 SOC의 흡착 속도 뿐만아니라 SOC에 대한 GAC의 흡착 친화력은 상당히 감소 될 수 있다. 이 현상을 □Preloading'이라고 한다. 최근 각종 공업활동으로 발생하는 SOC중 하나인  phenol 화합물은 상위 오염물로 취급되고 있으며, 이러한 화합물은 음용수에서 0.005mg/L의 낮은 농도에서도 불쾌한 맛과 냄새를 유발한다. 따라서 현재 phenol의 활성탄에 의한 흡착에 관한 많은 연구가 진행되어 왔으나, 실제 공정상의  자연유기물질의 존재하에서 phenol의 흡착에 관한 연구가 미비하다. 이에 본 연구에서는 실제 원수에 포함되어 있는 여러 NOM의 존재하에서 phenol의 흡착량을 예측 및 고찰하고자 하였다.

실험 장치 및 방법

물성이 다른 외국산 활성탄(Calgon, Ceca)과 국내산 활성탄(BLP, CLP) 4종류 활성탄의 페놀 흡착성능을 평가하기 위해 회분식 장치에서 흡착 실험을 수행하였다. 320ml 용량의 시료병을 tumbler에 40개 설치한 후 tumbler를 10rpm으로 회전시키면서 흡착평형실험을 수행하였다. 각각의 시료병에는 100-200 mesh 크기의 분말 활성탄을 5-80 mg 투입하였다. 시료병은 자연유기물질의 손실을 방지하기 위해 teflon으로 밀봉하였다. Phenol의 농도는 3-20mg/L 의 범위로 하여 흡착제와 함께 혼합된 병을 tumbler에 위치시켜 7일간 교반시켰다. 평형에 도달하면 병들을 tumbler에서 이탈시켜 5시간 동안 안정화를 시켰다. 분석을 위하여 millipore 0.45□ membrane으로 여과를 한후 시료를 취해 냉동보관 하였다. 자연유기물질(NOM)의 영향을 배제한 순수한 증류수를 사용한 페놀의 흡착평형실험과 NOM으로 미리 포화시킨 활성탄에 의한 페놀 흡착실험(Preadsorption) 및 페놀과 NOM의 경쟁적인 동시흡착실험(Coadsorption)을 수행하여 자연수에 존재하는 NOM이 페놀의 흡착에 미치는 영향을 검토하였다. 원수는 잠실 수중보와 일산 호수에서 취하였으며 비교적 입자가 큰 물질은 1□ 유리섬유로 여과한후 실험을 수행하였다. NOM으로 포화된 활성탄을 이용한 실험은 2 liter의 원수에 4가지의 PAC를 각각 1.5g을 넣어 2주간 흡착시킨 활성탄을 100℃ oven에서 항량 건조시켜 증류수를 이용한 등온실험과 동일한 방법으로 phenol의 등온 흡착실험을 실행하였고, 페놀과 NOM의 경쟁적인 동시흡착등온실험은 순수탄소(virgin carbon)로 원수에서의 NOM과 phenol을 이용하여 등온흡착실험을 하였다. 시료를 분석하기 위하여 GC(영인GC680D)를 사용하였으며, wide bore capillary column(HP-FFAP)를 사용하여 FID로 분석하였다. 원수 중에 포함되어 있는 자연유기물질(NOM)의 검량을 위해서 UV254(Shimadzu, UV-240)와 TOC(Shimadzu , TOC-5000A)를 사용하였다.

결과 및 토론

본 실험은 먼저 흡착 실험에 있어 활성탄의 흡착 평형을 측정하기 위해 증류수에 용해시킨 Phenol 30mg/L 수용액에 활성탄(Calgon) 40mg을 넣고 22일간 교반을 시켰다. 흡착이 평형 상태에 도달하기 까지 소요되는 시간을 살펴 본 실험결과는 Fig. 1에 나타내었다. 그 결과 7일까지는 Phenol의 농도가 9.91 mg/L 까지 66% 정도의 감소를 하였으며, 그 후에도 적은 정도의 농도 감소가 있음을 나타내어 실질적인 평형까지는 다소 긴 흡착시간이 요구됨을 알 수 있었다.

증류수에 용해시킨 Phenol 수용액에 대한 순수 활성탄(Calgon)의 흡착성능에 대한 흡착 평형 관계를 Fig. 2에 도시하였다. Fig. 2는 Freundlich 흡착등온식을 적용하여 나타낸 결과로서 Freundlich 등온식이 잘 적용되었으며, Plot한 결과 등온식은 q= 55.98×C0.42 으로 나타낼 수 있었다. 다른 세 종류의 활성탄에 의한 페놀의 흡착 평형을 Freundlich 등온식으로 표시 할 수 있었으며 등온식 상수 K, n 값은 Table 1과 같다.

Table 1. Freundlich isotherm parameters

Carbon Parameter	K	n
Calgon	55.98	0.42
Ceca	77.62	0.54
BLP	37.24	0.31
CLP	75.86	0.41

흡착성능은 Freundlich 상수 n값이 0.1-0.5의 범위에 속하여 비교적 흡착이 용이함을 보였다.

자연수에 포함되어 있는 NOM의 흡착에 미치는 영향을 보기 위한 결과를 Fig. 3과 Fig. 4에 나타내었다. Fig. 3은 증류수에 대한 등온선과 NOM이 포함되어 있는 잠실 수중보 원수에 대한 Preadsorption과 Coadsorption을 비교한 결과로서 □NOM fouling'의 영향을 미치는 순서는 Coadsorption> Preadsorption> Pure-water adsorption 순이었다. 이러한 영향을 파악하기 위해 UV254와 TOC로 NOM의 함량을 측정한 결과 원수의 초기 UV254 흡광도와 TOC농도는 각각 0.0755cm-1, 1.56mg/L 였고, 2주간 교반한 후에는 각각 0.0028cm-1와 0.28mg/L로 나타났다. Fig. 4는 증류수에 대한 등온선과 잠실 수중보 원수 보다 높은 NOM 농도를 함유한 일산 호수물로 흡착실험을 한 결과이며, □NOM fouling' 순서는 Coadsorption> Preadsorption> Pure-water adsorption 순이었다. 초기 UV254와TOC 측정치는 각각 0.0612cm-1와 2.48mg/L이었으며, 교반 2주후에는 각각 0.0128cm-1와 0.49mg/L로 나타났다. 그리고 증류수의 TOC농도는 0.25mg/L이었다. 이상의 결과에서 각 원수의 NOM농도에 따른 NOM의 영향을 비교해 보면 Preadsorption은 일산 호수의 경우(q = 32.08×C0.66)가 잠실 수중보의 경우(q= 38.99×C0.46)보다 낮은 q(mg/g) 값을 보여 NOM에 의한 영향을 더 많이 받았음을 알 수 있었다. Preadsorption에 의한 흡착에 미치는 영향은 활성탄 공극내에 흡착된 NOM이 Phenol의 흡착을 방해하여 흡착능을 감소시키는 것으로 생각되고, Coadsorption에 의한 방해는 활성탄의 흡착 site에서 Phenol입자와 NOM 입자간의 경쟁에 의해 흡착 성능이 감소된 것으로 보여진다.

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참고문헌

(1) Hong, S. H. "Activated Carbon Adsorption of Organic Matter                 Backwashing, Desorption and Attenuation" ; 1995

(2) Carter, M. C. ; Weber Jr, W. J.,"Effects of Background Dissolved Organic     Matter on TCE Adsorption by GAC", Jour. AWWA., 23(8), 81 (1992)

(3) Shirgaonkar, I. J. ; Joglekar, H. S. "Adsorption Equilibrium Data for          Substituted Phenols on GAC", J. Chem. Eng. Data., (37), 175-179 (1992)

(4) Judkins, J. F. "Process Chemistry for Water and Wastewater Treatment"

(5) Mark, H. S. "Remove Organics by Activated Carbon Adsorption", Chem.      Eng. Prog., 36-43 (April 1993)

(6) Speth, T. F. "Evaluating Capacities of GAC Preloaded with Natural           Water.", Jour. Envir. Engrg. Div.-ASCE., 117(1), 66 (1991)

Fig. 1. Variation of Phenol conc. in batch adsorption system

Fig. 2. Adsorption isotherm of phenol without NOM

Fig. 3. Adsorption isotherm of phenol with NOM

Fig. 4. Adsorption isotherm of phenol with NOM