활성탄소섬유에 의한 수중 질산성 질소의 흡착

송승필, 심재운, 유승곤

충남대학교 화학공학과

Adsorption of NO3-N from aqueous solution on Activated carbon fibers

S.P. Song, J.W. Shim, S.K. Ryu

*Dept., of Chem. Eng., Chungnam National University,

Taejon 305-764, Korea

서론

질산성 질소(NO3--N)은 주로 농·축산폐수나 생활 오·폐수에 많이 함유되어 있으며, 수중에서 요소 성분이 암모니아성 질소(NH4+-N)나 유기성 질소로 전환되었다가 호기성상태에서 다시 질산화되어서 아질산성 질소(NO2--N)나 질산성 질소가 된다[1]. 질산성 질소를 많이 함유한 물을 음용 하면 위암을 유발할 수 있는 것으로 알려졌으며, 특히 유아들에게는 혈액 중의 산소 부족현상을 초래하여 피부가 청색으로 변하는 청색증(blue-baby syndrome)을 유발할 수 있다. 이에 선진국에서는 수질기준치를 정하여 규제하고 있으며, 우리나라도 식수 수질기준치를 10mg/□이하로 정하고 있다[2].

질산성 질소를 함유한 오염원을 처리하는 기술로는 역삼투압법, 제올라이트나 활성탄에 의한 흡착법, 이온교환법 등이 있으며 그 중 활성탄 흡착법이 많이 적용되고 있다. 한편, 근래에 개발된 활성탄소섬유는 단위질량당 비표면적이 매우 크며, 흡착에 유효한 미세기공이 많이 발달되어 있고, 흡·탈착 속도가 매우 빨라 기상의 유해 가스 제거[3]와 수중의 유해물질 제거[4]에 탁월한 제거효율을 보이고 있으므로 앞으로 활성탄을 대체할 것으로 전망된다. 그러나 아직까지는 수용액내 질산성 질소의 흡착제거에 활성탄소섬유가 응용된 연구 결과가 없다.

그러므로, 본 연구에서는 활성탄소섬유를 이용하여 수중의 질산성 질소를 제거코저 하였다. 활성탄소섬유가 질산성 질소를 제거하는 능력은 활성탄과 같은 조건에서 실시하였고, 다양한 농도에 대한 등온평형흡착곡선을 측정하였다. 고정층 흡착파과실험은 종류가 다른 활성탄소섬유들과 활성탄을 충전하여 제거능을 조사하였다.

실험

실험에 사용한 재료는 직경 10~15□의 핏치계 활성탄소섬유(Japan Osaka Gas Inc.) A-7(SBET 613m2/g), A-10(SBET 1211m2/g), A-15(SBET 1993m2/g)로 5cm 길이로 잘라서 사용하였고, 흡착성능을 비교하기 위하여 활성탄 F-400(SBET 1100m2/g, USA Calgon Inc.)을 사용하였다. 실험에 사용된 질산성 질소 수용액은 충남 논산에 위치한 축산폐수처리장에서 종말처리 후 배출된 것이다. 실험 용액내 질산성 질소의 농도 분석은 먼저 질산칼륨(KNO3, 시약급)을 2차 증류수에 용해시켜 일정 농도의 수용액을 제조한 다음 2차 증류수로 계속 희석하여 다양한 농도의 수용액을 제조한 후 □Standard methods□에 제시한 Ultraviolet Spectrophotometric Screening method"[5]에 따라 자외선분광기로 220nm파장에서 질산성 질소의 농도에 대한 흡광도를 측정하여 표정곡선을 만들었다. 실제 용액의 측정 흡광도값은 표정곡선 관계식에 따라 질산성 질소의 농도로 환산하였다.

흡착평형에 도달하는 시간을 구하기 위하여 65.4ppm의 질산성 질소 수용액 50□와 흡착제 0.1g을 넣은 후에 교반기 내에서 25℃를 유지하고 100rpm으로 교반한다. 흡착이 진행되는 동안 한 개씩 꺼내어 흡인 여과용 깔때기로 거른 후 자외선 분광광도계로 흡광도를 측정하여 흡착량을 계산하였다. 흡착제에 대한 질산성질소의 흡착등온선은 질산성 질소의 초기농도를 10~100ppm으로 준비하여 앞의 방법대로 3시간 교반한 후 잔류농도를 측정하여 활성탄소섬유 단위 무게당 평형흡착량(qe, mg/g-solid)을 식 qe = V (Ci-Ce) / W에 의하여 구하였다. 여기서 V는 흡착용액의 부피, W는 흡착제의 질량이고, Ci와 Ce는 흡착용액의 초기농도와 평형농도를 의미한다.

고정층 흡착 장치는 Fig. 1과 같이 내경 3cm 길이 20cm의 유리관 일정량의 활성탄소섬유를 충전하고 외부 자켓에 일정온도의 용액을 순환시켜 원하는 온도를 유지하도록 준비하였다. 질산성 질소 수용액은 10~20□/min 유량으로 상부에서 하부로 유입되도록 하였고, 필요시 배출액을 채취하여 흡광도를 조사하였다.

결과 및 고찰

Fig. 2는 활성탄소섬유 A-7, A-10, A-15와 활성탄 F-400에 대한 수중 질산성 질소의 시간에 대한 흡착량을 측정한 것이다. 그림에서 활성탄소섬유는 10분 이내에 흡착평형에 도달하였으나 활성탄의 경우는 200분 정도에서 평형에 도달하였다. 이는 활성탄소섬유의 기공구조가 흡착에 관여하는 미세기공이 외부표면까지 균일하게 발달하여 흡착질 분자가 흡착제 내부 미세기공으로 신속하게 이동하는데 반하여 활성탄의 경우는 흡착질 분자가 대기공내 확산과정과 중기공내 모세관응축과정을 거쳐 최종 미세기공에 전달되는 동안 물질전달저항이 크기 때문으로 생각된다. 질산성 질소의 흡착평형농도는 각각의 흡착제 비표면적이 클수록 흡착량이 증가하여 평형농도는 낮게 나타났다.

Fig. 3는 활성탄소섬유의 수중 질산성 질소에 대한 흡착평형곡선을 나타낸 것이다. 그림에서 활성탄소섬유는 다양한 흡착용액의 농도에서 활성탄보다 2~3배 정도 흡착량이 높았다. 실험결과를 Langmuir 등온식{qe=Qe*b*C/(1+b*C)}으로  fitting 한 결과 대체로 잘 일치하였고, 흡착등온선의 파라미터(Qe, b)는 최소자승법으로 구하여 Table 1에 정리하였다. 등온식에서 qe는 흡착제 단위 무게당 흡착된 흡착질의 무게(mg/g)를 나타내며, C는 흡착질의 농도를 말한다. 파라메터 Qe는 monolayer에 최대로 흡착될 수 있는 량을 나타내며, b는 흡착에너지와 관련한 상수이다.

Fig.4는 고정층 흡착장치에 흡착용액 농도 17.5ppm의 NO3-N 초기농도를 12.5ml/min의 유량으로 투입하면서 활성탄소섬유에 의한 제거율을 파과곡선으로 표시한 것이다. 비표면적이 가장 큰 활성탄소섬유 A-15의 경우는 파과점(Co/Ci=0.1)로 정할 경우에 378분이었고, 활성탄소섬유 A-10는 235분, 활성탄소섬유 A-7는 153분으로 측정되었고, 활성탄 F-400은 132분으로 나왔다. Ci는 흡착용액의 초기농도이고, Co는 고정층 흡착층을 통과한 후 용액내의 잔류농도이다. 이처럼 활성탄소섬유가 활성탄에 비해 질산성 질소 수용액의 제거량이 많은 이유는 흡착에 관여하는 유효미세기공이 윌등히 많고 흡착질이 흡착제 기공 내부로의 물질전달저항이 작음을 의미한다. 즉, 활성탄소섬유의 기공구조가 흡착에 유리한 미세기공이 잘 발달되어 대기공과 중기공 그리고 미세기공으로 흡착질이 확산해야하는 활성탄에 비하여서 흡·탈착 시의 물질전달저항이 적어 흡착속도가 신속하게 이루어 지기 때문이다.

결론

활성탄소섬유에 의한 수중 질산성 질소의 제거능을 분석하여 볼 때, 동일한 조건에서 활성탄소섬유는 평형에 도달하는 시간이 10분 이내이나, 활성탄은 같은 조건에서 200분 정도이었으며 초기 흡착속도는 활성탄소섬유가 100배 이상 컸다.  활성탄소섬유의 수중 질산성 질소의 평형흡착량은 흡착제의 비표면적이 클수록 증가하였다. 또한 활성탄소섬유 충전 고정층 파과실험에서도 활성탄소섬유의 비표면적이 클수록 처리량이 증가하였다. 활성탄소섬유는 활성탄에 비하여 질산성 질소의 흡착량이 월등히 크나, 총 흡착량을 아직 원하는 수준에 이르지 못하여 더 많은 흡착량을 위한 표면처리가 요망된다.

참고문헌

1. Sung, J.H., and Lee, K.H., HWAHAK KONGHAK, 37(2) 158(1999).

2. Kim, W.Y., Yoon, T.K., Noh, B.G., and Lee, G.C., Theories and application

of Chem. Eng., 2000, 6(1) 177(2000)

3. Suzuki, M., Carbon, 32(4), 577(1994).

4. Brasquet, C., Cloirec, P.L., Carbon, 35(9), 1307(1997).

5. Greenberg, A.E., Clesceri, L.S., Eation, A.D., "Standard Methods" 4500-

NO3-Ultraviolet Spectrophotometric Screening Method:, APHA(1992)

Table 1. Parameters of Langmuir isotherm equation for NO3-N adsorption

	A-7	A-10	A-15	F-400
Qe	5.9594	6.8877	9.2910	2.8648
b	0.0473	0.0605	0.0533	0.1017

from aqueous solution on activated carbon fibers

Fig. 1. Schematic diagram of the experimental apparatus.

1. Reservoir         3. Fixed bed    5. Ultraviolet Spectrophotometer          2. Peristaltic pump  4. Thermostat   6. Drain

Fig. 2. Adsorption rate of NO3-N in aqueous solution on activated carbon             fibers(Initial concentration; 65.4ppm, shaking rpm; 100, temp.; 25℃).

Fig. 3.  Equilibrium adsorption isotherms of NO3-N in aqueous solution

(Equilibrium time; 3hr, shaking rpm; 100, temp; 25℃)

Fig. 4.   Breakthrough curves of NO3-N in aqueous solution Activated

carbon fibers(Ci; 17.5ppm, flowrate; 12.5ml/min, temp.; 25℃).