전기삼투에 의한 활성탄의 재생(Ⅳ) - Copper 제거

성경식, 박휘명, 김부웅

부산대학교 화학공학과

Regeneration of Activated Carbon by Electroosmosis(Ⅳ)

- Removal of Copper

Kyoung-Sik Sung, Huy-Myeong Park, Bu-Ung Kim

Dept. of Chem. Eng., Pusan National University

서론

활성탄은 입자안에 많은 세공들을 갖고 있는 탄소로서 유기물이나 금속성분을 흡착할 수 있는 특성을 갖고 있어 매우 광범위한 산업영역에서 이용되고 있으며 특히 최근들어 대기 및 수질오염 등의 환경공해 문제가 심각하게 대두됨에 따라 정·폐수 처리, 배가스 흡착 및 용제회수용 등에 많은 수요가 증대되고 있다.

사용된 활성탄은 2차 오염 방지, 탄소 자원의 고도 이용, 유용한 피흡착질의 회수 및 생산성 향상의 면에서 중요하여 재사용[1]이 일반화되어 있다. 일반적인 재생법인 가열 재생법은 과도한 연소 손실, 입자의 기계적 파손, 마모에 의한 미분화, 재생기체에 의한 2차 오염 및 많은 투자비를 필요로 하는 단점이 있어 보다 효과적인 방법이 요구되고 있다. 운전비용을 줄이기 위하여 일반적으로 사용된 활성탄은 재사용되고 있다. 가열 재생법은 가장 널리 사용되는 방법이지만 많은 투자비와 연소비 그리고 입자의 균열에 의한 파손 등의 단점이 있다.

본 연구에 응용된 전기삼투는 전극과 전해액이 상대적으로 운동하는 전기-운동 현상의 하나로서 전기영동과 반대되는 현상이다. 이러한 전기화학적인 방법을 응용함으로써 저온에서도 조작이 가능하고, 전자 자체가 산화·환원제 역할을 하므로 환경친화적이며 장비와 조작이 간편하여 비용을 줄일 수 있는 장점이 있다.

슬러지에서의 물의 제거[2], 오염된 막의 정화[3], 오염된 토양의 정화[4∼8] 등에 전기삼투가 응용된 예가 있다. 흡착 공정에 사용된 활성탄의 재생에 전기삼투를 응용한 연구가 최근 김 등[9∼11]에 의하여 수행되었다. 이들은 독성 유기물의 하나인 phenol과 맹독성 중금속인 cadmium, nickel을 각각 흡착시킨 활성탄에 대한 정전류 조건에서 전기삼투로써 효과적으로 제거된다고 보고하였다.

본 연구에서는 활성탄의 재생에 대한 전기삼투의 응용가능성을 알아보기 위한 연구로서 Cu제거에 영향을 미치는 전기화학적 변수와 Cu를 흡착시킨 활성탄에 대한 전기삼투 특성을 조사하였다.

실험

실험에 사용된 시약으로 Cu(Cl2)·2H2O는 Yakuri사, NaCl은 Junsei사, NaOH는 Tedia사, HCl과 HNO3는 Osaka사의 GR급을 사용하였다. 활성탄은 갈탄을 원료로한 American Norit사의 Darco 활성탄을 사용하였다.

전기삼투장치는 전 보[11]와 동일한 것을 사용하였고, 전극은 일본 Toyo탄소의 고순도 흑연을 사용한 흑연전극(음극)과 Ti에 IrO2를 코팅한 Electrosynthesis사의 EC 601 DSA전극(양극)을 사용하였다.

전원장치는 EG&G사의 Scanning Potentiostat Model 362를, pH 측정에는 Orion사의 pH/ISE Meter Model 720A와 Semimicro pH전극을 사용하였다.

Cu 분석에는 Varian사의 원자흡광 분광광도계인 Spectr AA-30을 사용하였다. Cu는 유출액과 음극부근에 구리염으로서 침전된 침전물, 그리고 음극에 부착된 Cu에 대하여 농도를 측정하였다. 침전물과 전극에 부착된 Cu는 2M HNO3 수용액으로 용해시켜 측정하였다. 시료는 20℃에서 포화흡착량이 11.0mg Cu/g carbon 등온선을 기초로 하여 일정량의 Cu를 활성탄에 흡착시킨 시료를 사용하였다.

셀 내부에 Cu(Ⅱ)를 흡착시킨 활성탄을 빈 공간 없이 채운 다음, 일정 수위기와 유출구가 수평을 유지하도록 한 후 전류를 공급하면서 시간 경과에 따른 양극과 음극사이의 전압, 유출량, 각 전극에서의 pH 및 유출액의 Cu 농도를 측정하였다.

결과 및 토론

본 실험에서 각각의 전극에서는 물의 전기분해로 양극에서 산화반응이 일어나고 음극에서는 환원반응이 일어난다. 주요 전극반응은 다음과 같다.

[eqn: rm 2H_2 O ~-~4e^- ~→~O_2 ↑~+~4H^+ ~~~~~~~(anode)]

[eqn: rm 4H_2 O ~+~4e^- ~→~2H_2 ↑~+~4OH^- ~~~~(cathode)]

보조반응은 다음과 같다.

[eqn: rm H^+ ~+~e^- ~→~ 1over2 H_2 ↑]

[eqn: rm Cu^2+ ~+~2e^- ~→~ Cu]

[eqn: rm Cu^2+ ~+~2OH^- ~□~ Cu(OH)_2]

[eqn: rm Cu(OH)_2 ~+~2e^- ~→~ Cu~+~ 2OH^-]

탈이온수로는 전기전도도가 너무 낮아서 공급액으로 HCl, NaCl 및 NaOH 수용액의 이용가능성을 조사하였다. Fig.2는 0.01M NaCl, NaOH, HCl 수용액에 대하여 전류밀도 1.0mA/cm2에서 10시간 동안의 제거율을 나타내었다. HCl 수용액의 경우 NaOH 및 NaCl 수용액 보다 Cu 제거율이 높았으며, 이것은 전 보[10, 11]의 Cd와 Ni제거에 관한 연구와 유사하다. 이는 활성탄에 흡착된 금속이온이 산성분위기에서 더 잘 탈착되는 것으로 설명된다. 따라서 공급액으로 HCl 수용액을 사용하였다.

이온의 이동은 전기장의 세기에 비례하고, 전류밀도가 증가할수록 전기분해 반응이 더 활발히 진행되어 양극에서 산의 생성이 더 활발히 일어난다. 따라서 Cell 내부에서 활성탄에 흡착된 Cu2+이온과 생성된 H+의 이온교환량이 증가하여 제거율이 증가하게 된다. Fig.3은 0.01M HCl 수용액에서 전류밀도를 1.0, 2.0, 2.5mA/cm2으로 변화시켰을 때 제거율을 나타내었다. 전원장치의 최대 출력전압이 32Volt로 그 이상이 되면 일정한 전류공급이 불가능하기 때문에 제어 가능한 2.5mA/cm2까지만 변화시켰다.

Fig. 4∼6은 시간에 따른 전압구배, 유출량 그리고 전극에서의 pH변화를 나타내었다. 일정 전류조건하에서 전압은 초기에는 일정하게 상승하다가 양극에서 생성된 산전선이 음극으로 이동함에 따라 약간 감소한 후 일정한 값을 유지했다. 양극의 pH는 전극반응으로 생성된 H+의 영향으로 감소하였고, 음극의 pH는 초기에는 전극반응으로 생성된 OH-의 영향으로 증가하다가 양극에서 생성된 산이 음극으로 이동함에 따라 점차 감소하는 경향을 보였다.

Fig. 7에서는 효과적인 제거를 위하여 전류밀도를 높였다. 전보[9∼11]와 비교해 볼 때 Cu2+는 보다 낮은 전류밀도에서도 잘 제거됨을 보여주는데 이것은 활성탄에 흡착된 Cu2+이온이 Cd2+나 Ni2+보다 H+와 쉽게 이온 교환되는 것으로 이해된다. 전류밀도 2.0, 5.0, 10.0mA/cm2에서 10시간 동안의 Cu 제거효율은 각각 80%, 94%, 97%를 나타내었다.

참고문헌

1. 柳井弘, □活性炭讀本□, 日刊工業新聞社, 223, 1976.

2. Buijs, P.J., Van Diemen, A.J.G., and Stein, N.N., Colloids and Surfaces A:              Physicochemical and Engineering Aspect, 85, 29(1994).

3. Bowen, W.R., and Sabuni, H.A.M., Ind. Eng. Chem. Res., 33, 1245(1994).

4. Acar, Y.B., Li, H. and Gale, R.J., J. of Geotech. Eng.-ASCE, 118(1), 1837(1992).

5. Bruell, C.J., Segal, B.A. and Walsh, M.T., J. of Environ. Eng., 188(1), 68(1992).

6. Alshawabkeh, A.N. and Acar, Y.B., J. of Geotech. Eng.- ASCE, 122(3), 186(1996).

7. Acar, Y.B. and Alshawabkeh, A.N., J. of Geotech. Eng.- ASCE, 122(3), 173(1996).

8. Ho, S.V., Sheridan, P. W. and etc, Environ. Sci. Technol., 1995, 29, 2528-2534(1995)

9. Yoon, J.M. and Kim B.U., "Regeneration of Activated Carbon by Electro-osmosis     -Removal of Phenol", Theories and Applications of chem. Eng., 2(2), 1677-1680(1996)

10. Park, H.M., Yoon, J.M., and Kim, B.U., "Regeneration of Activated Carbon by          Electroosmosis(Ⅱ)-Removal of Cadmium",  Theories and Applications of Chem.        Eng.,3(1), 381(1997).

11. Kim, B.U, Park, H.M. and Sung, K.S., □Recovery of Activated Carbon by               Electro-osmosis(Ⅲ) - Removal of Nickel", Theories and Applications of Chem.         Eng., 3(2), 2117-2120(1997)

Fig. 1 Schematic diagram of electroosmosis apparatus.

Fig. 3 Removal efficiency vs. current

density(0.01M HCl, 10hours)

Fig. 2 Removal efficiency for different

purge solutions(1.0mA/cm2,10hours)

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Fig. 7 Removal efficiency vs.                current density(3.0mg Cu/g

carbon, 0.1M HCl, 10hours