활성탄소섬유(Activated Carbon Fiber)에 의한 수용액상에서의

Pb, Cr, Ni의 흡착특성에 관한 연구

이승주, 김정우, 김태열*, 이창하

연세대학교 화학공학과, 삼양사 중앙연구소*

A study on adsorption characteristic of Pb, Cr, Ni

by ACF in aqueous solution

Seung-ju Lee, Jung-woo Kim, Tae-youl Kim*, Chang-Ha Lee

Dept. of Chem. Eng, Yonsei University,

Samyang co. Ins. of Science & Tech.*

서 론

환경오염과 여러 폐해로 인하여 산업계에서 큰 과제로 인식되고 있는 중금속 오염물질이 함유된 폐수의 처리를 위하여, 흡착제로 활성탄소섬유를 사용한 흡착법의 타당성을 검토하고자 한 것이 이 연구의 목적이다. 이에 대해 본 연구에서는 Langmuir-Freundlich 식으로 활성탄소섬유의 중금속에 대한 흡착평형을 예측하고 흡착능을 평가하였다. 또한 기본적으로 중금속흡착이 액상흡착인 점을 고려하여 흡착에 영향을 끼치는 주요 인자 중 용액의 pH에 의한 흡착능의 변화를 살펴보았다.

이 론

Langmuir 등온식과 Freundlich 등온식의 단점을 보완하기 위해 두 모형을 결합한 형태의 실험적인 Langmuir-Freundlich 등온식이 제안되었다.

[eqn: theta~=~ BC_e^{1 over n} over {1~+~BC_e^{1 over n}}]                                       (1)

혼합물에 대한 확대 Langmuir 식에 있어서와 마찬가지로 혼성 Langmuir - Freundlich 식도 또한 n 성분 혼합물로 확대될 수 있다.

[eqn: q_i ~=~ {q_mi B_i C_i^{1 over n_i}} over{1~+~ Sum from j=1 to n B_j C_j^{1 over n_j }}]                                  (2)

이때 비 q/qm 은 용량비(loading ratio) 라 하며, 이로 표시된 흡착평형식을 LRC(loading ratio correlation)식이라 일컫는데, 확대 Langmuir 식과 같이 이러한 LRC 식도 엄정한 이론적 기초가 결여되어 있으나, 수학적 단순성과 흡착량에 대한 양함수형태를 띄고 있기 때문에 확대 Langmuir 식 및 LRC 식은 흡착탑 및 주기적 기체 분리공정의 모형화와 설계에 지배적으로 이용되어 오고 있다.

LRC식에 관계된 매개변수들은 온도의 함수로 표시하여 사용되는데 가장 적절한 형태는 다음과 같다.

[eqn: q_m ~=~k_1 +~k_2 T]                                    (3)

[eqn: B~=~k_3~exp(k_4 /T)]                                 (4)

[eqn: n~=~k_5 ~+~k_6 /T]                                   (5)

실 험

본 실험에서 흡착제(adsorbent)로 사용한 활성탄소섬유(KF-1500)는 1400 ∼ 1500 m2/g정도의 비표면적과 약 10Å 근처의 미세기공만을 가지고 있는 것으로 활성탄에 비해 흡착속도와 흡착량이 매우 우수하다.

주 흡착질인 납, 크롬, 니켈을 포함하는 용액을 제조하기 위하여 각각에 대한 중금속 화합물로서 PbNO3, Na2CrO4·4H2O, NiCl2·6H2O 의 99% 순도 이상의 특급시약을 초순수 제조장치로 제조된 증류수에 녹여 실험용액을 제조하였다. 원하는 농도의 용액 100mL를 준비하여 흡착 cell인 삼각플라스크에 넣고 여기에 매 실험마다 150℃에서 3시간 이상 활성화시킨 흡착제(ACF)를 0.15g의 질량만큼 정량하여 잘게 분쇄하여 역시 흡착 cell에 넣은 뒤 Fig 1.에서와 같이 플라스크를 잘 밀봉하고 항온조에 넣어 교반시키며 충분한 시간동안 흡착이 진행되게 하였다. 또한 흡착 cell과 대기와의 교환을 차단하였고, 흡착시에는 흡착질과 흡착제가 잘 접촉하도록 하기 위하여 마그네틱 스핀바로 교반시키며 실험하였다.

활성탄소섬유의 세 성분에 대한 흡착능 평가를 위하여 실험용액의  pH범위를 납의 경우 5.23∼6.32, 크롬의 경우 7.62∼8.70, 그리고 니켈의 경우에 6.76∼7.22으로 하고 흡착제의 농도를 1.5g/L로 하여 각각 20∼2000ppm(mg/L)의 농도 범위와 298.15K의 온도조건에서 12시간에 걸쳐 흡착평형 실험을 행하였다. 그리고 pH에 의한 영향을 알아보기 위하여 2 ∼ 13의 pH범위에서 흡착실험을 행하였다.

sampling한 시료는 시료분석장치로서 원자흡광광도계(Atomic Absorption Spectrophotometer, 선일, Analab 9200A)를 사용하여 분석하였다.

결과 및 토론

Fig 2.에 나타난 순수성분의 평형흡착량의 결과는 납의 경우에 초기에 적은 농도범위에서 흡착량이 급격히 증가하여 한계흡착량에 도달하였으며, 흡착량도 비교적 큰 것으로 나타났고 크롬의 경우에는 납과 비교하여 볼 때, 비교적 넓은 농도 범위에서 완만하게 한계흡착량에 도달하고 있음을 알 수 있었으며, 흡착량은 납에 비하여 다소 적은 것으로 나타났다.

니켈의 경우는 흡착평형실험을 한 결과 앞서 언급한 pH와 농도 범위에서 흡착이 거의 이루어지지 않거나 흡착량이 극히 적은 것으로 나타났으므로 납이나 크롬에 비하여 활성탄소섬유에 대한 흡착능이 대단히 떨어진다는 것을 알 수 있었다. 납과 크롬의 흡착평형실험 결과를 Langmuir-Freundlich 등온식에 적용하여 본 결과 잘 일치하였다.

한편 pH의 흡착에 대한 영향 실험결과는 납의 경우 용액의 pH가 낮은 영역에서는 흡착이 잘 이루어지지 않다가 pH가 증가할수록 흡착량이 급격히 증가하였다. 크롬의 경우에는 납과는 반대로 낮은 pH영역에서 오히려 큰 흡착량을 갖는 반면에 pH가 커짐에 따라 흡착량이 급격히 감소하게 된다는 것을 알 수 있다. 니켈의 경우는 납과 마찬가지로 낮은 pH영역에서는 흡착이 거의 이루어지지 않다가 pH가 증가함에 따라 pH 9.0부근에서 급격한 흡착량의 증가를 나타내었다. 이와 같은 결과를 Fig 3.에 나타냈다.

pH와 흡착과의 상관관계는 활성탄소섬유가 낮은 pH에서는 양전하를 띠고 높은 pH에서는 음전하를 띠기 때문에 수용액상의 중금속들이 어떤 형태로 존재하느냐에 따라서 흡착에 영향을 미치게 된다고 생각된다.

A: Flask(250ml)  B: Spinster  C: Water bath  D: Thermocouple

E: Heater  F: Thermocontroller  G: Magnetic stirrer  H: Speed controller

Fig 1. Schematic diagram of experimental adsorption equlibrium system

Fig 2. Adsorption isotherm of Pb, Cr, Ni

Fig 3. Effect of pH on adsorption of Pb, Cr, Ni

참고 문헌

1. Ralph, T. Yang, Gas Separation by Adsorption Process, Betterworths, Boston, 1987

2. Sips, R , J. Chem. Phys., 16, 490 (1984)

3. Patterson, J. W., Waste Water Treatment Technology, Ann Arbor Science, 1978