강산,강염기 처리 활성탄소섬유에 의한 중금속 이온의 흡착

심재운, 이상문, 유승곤

충남대학교 화학공학과

Adsorption of heavy metal ions from aqueous solution

on acid, base treated Activated Carbon Fiber

J.W.Shim, S.M.Lee, S.K.Ryu

Dept. of Chemical Engineering, Chungnam National University

서 론

산업 폐수 혹은 수용액 중에 존재하는 중금속 이온들을 제거하기 위한 일반적인 방법은 석회수 혹은 소다 등을 이용하여 중화 또는 금속 수화물로 침전시키는 것이다. 이 방법들은 금속들이 수용액상에서 이온의 형태로 존재하는 특성을 이용한 것으로 슬러지나 콜로이드 입자를 포함한 용액을 다루므로 고체 표면에서의 이온의 흡착/침전이 제거 효율에 중요한 역할을 하게된다.

반면 적절하게 발달된 기공구조를 갖는 다양한 흡착제, 즉 활성탄, 실리카겔, 석영 혹은 수화된 금속 산화물 등을 이용한 금속 이온의 흡착에 대한 실험들도 수행되고 있다[1,2,3]. Shim등[4]은 핏치를 전구 물질로 하여 제조된 탄소섬유를 활성화하여 만든 활성탄소섬유(Activated Carbon Fiber)가 중금속 이온의 흡착에 우수한 것으로 보고하였다.

기존의 활성탄소를 이용한 다성분 중금속 이온의 흡착 실험 결과들은 혼합 용액 속에 존재하는 각 이온들의 흡착이 용액의 pH에 크게 영향을 받는다는 것을 보여주었다. 이는 흡착제 표면에 존재하는 산성 유도 관능기들과 흡착 이온들과의 상호 관계 때문인 것으로 알려져 있다.

본 실험에서는 중금속 이온의 흡착 능에 관계되는 산성 유도 관능기들을 흡착제 표면에 도입시킴으로서, 혼합 용액에서의 중금속에 대한 흡착 능의 향상과 특정 이온의 선택적 흡착에 대한 활성탄소섬유의 흡착 특성을 조사하여 환경친화적 흡착제를 개발하는데 목적이 있다.

실험

중금속 혼합 수용액은 (주)Merk에서 제공된 순도 99.5）의 CuCl2·2H2O, NiCl2·6H2O를 2차 증류수에 넣어 질소를 불어넣으면서 1mM(10-3M)의 농도로 준비하였다. 이렇게 준비한 모의 용액에 금속의 수화를 방지하기 위해 진한 질산 용액을 가한 후 원하는 농도로 희석하였다. 용액의 pH는 희석된 HNO3과 NaOH로 조절하였으며, pH meter를 이용하여 흡착 전·후의 pH를 측정하였다.

각 단계의 실험에 사용한 흡착제는 핏치계 탄소섬유를 900℃ 이상의 고온에서 수증기로 활성화하여 제조한 상업용 활성탄소섬유(AD'ALL Co.)로서 77K에서 N2 흡착을 통해 구조적 특성을 조사하였다.

활성탄소섬유는 흡착시 불순물의 영향을 감소시키기 위해 100℃ 이상의 증류수에서 끓인 후, 2차 증류수로 세척하여 진공, 실온에서 약 하루 동안 건조시켰다. 건조된 활성탄소섬유를 미리 50±1℃로 유지된 1N NaOH와 1N HCl에 각각 일정량씩 담근 후 60분 동안 산,염기 처리를 하였다. 산,염기 처리된 활성탄소섬유를 진공오븐에서 약 24hr 건조시켰다. 0.05g의 건조된 활성탄소섬유를 100□의 삼각 플라스크에 넣은 후 모의 다성분 중금속 용액을 가하고 용액의 증발을 방지하기 위해 파라핀 랩으로 상부를 봉하였다. 흡착 실험은 25±1℃의 온도에서 24시간 동안 수행되었다. 흡착이 끝난 용액은 필터를 이용하여 여과하였으며, 여과지에 의한 오차를 줄이기 위해 처음 여과 액은 버리고, 여과지에 충분히 흡착을 시킨 후의 용액을 취하였다.

여과지를 통과한 용액을 취하여 원소분석기(Atomic Analyser)를 이용하여 각각의 농도를 측정하였다.

결과 및 토론

Table 1. Textural characteristics of ACF.

	ACF-20
BET surface area(□/g)	2100
average pore radius(Å)	10.1
Total pore volume(□/g)	1.07
micropore volume (□/g)	1.02
micropore area (□/g)	2002

77K에서의 N2 흡착을 통해 측정한 활성탄소섬유와 활성탄소의 구조적 특성을 표1에 요약하였다. 활성탄소섬유는 표면에 노출되어 있는 기공이 평균 10Å 이하의 극히 작은 미세공으로 구성되어 있으며, 미세공의 총 체적도 전체 기공의 95%이었다. 이는 활성탄소섬유가 일반적으로 15Å 이상의 기공 크기를 갖는 활성탄소에 비해 작은 기공크기와 큰 비표면적에 의해 분자체 효과와 흡착 용량의 증가를 나타낼 수 있음을 암시한다.

Fig.1은 Cu2+, Ni2+의 2성분 혼합물의 농도가 각각 1mM일 때 용액의 pH에 대해 NaOH로 처리한 활성탄소섬유의 흡착 실험 결과이다. Cu2+의 제거 율이 pH가 증가할수록 증가하였으나, Ni2+은 거의 흡착이 일어나지 않음을 보여준다. Kragten[5]에 의하면 Cu2+와 Ni2+의 경우 pH 6∼7에서 침전이 일어나므로, 구리와 니켈은 pH6 이상의 영역에서는 콜로이드로 존재하며 일부는 침전된다고 생각할 수 있다. 따라서 pH6 이상의 영역에서의 흡착실험은 의미가 없다. 특히, 구리 양이온이 니켈 양이온 보다 제거 율이 우수한 것은 염기 처리한 활성탄소섬유가 구리에 대해 선택성을 갖는다는 것을 의미하며, 기공의 변화에 의해 선택성이 유도된 것이 아닌가 생각된다.

Fig.2는 Fig.1에 대한 pH의 변화를 나타낸 것이다. 흡착 후의 용액의 pH가 Fig.1에서와 같이 증가하고 있다. 이는 흡착에 의한 -OH의 방출이 어떤 형태로든 일어나고 있음을 나타낸다. HCl로 처리한 활성탄소섬유의 흡착에 대해 pH 변화가 거의 없는 Fig.4와 비교해 보아도 이는 매우 특이한 결과라고 할 수 있다.

Fig 3은 Cu2+, Ni2+의 2성분 혼합물에 대해 HCl로 처리한 활성탄소섬유의 흡착 실험 결과이다. Fig.1의 결과에 비해 흡착이 거의 이루어지지 않고 있음을 알 수 있다. 이는 산, 염기 처리를 하지 않은 활성탄소섬유에 대한 구리와 니켈의 흡착량 보다도 작은 결과이다[4]. 따라서 강산 처리에 의한 활성탄소섬유는 두 금속 양이온에 대해 호의적인 표면관능기들 마저도 파괴해 버리는 것으로 생각된다.

결론적으로, 산·염기 처리에 의한 활성탄소섬유의 흡착능은 그 표면의 전기·화학적 성질의 변화에 의해 강염기처리ACF≫강산처리ACF를 보여주었다.

참고문헌

1. J. A. Davis, R. O. James and J. O. Leckie, J. Colloid Interface      Sci., 63, 480(1978).

2. H. Hohl and W. Stumm, J. Colloid Interfce Sci., 55, 281(1976).

3. D. L. Dugger, J. H. Stanton, B. N. Irby, B. L. McConnell, w. w.     Cummings and R. W. Maatman, J. Phys. Chem., 68, 757(1964).

4. J. W. Shim, S. M. Lee, B. S. Rhee and S. K. Ryu, The European     Carbon Conference, 242, Newcastle, UK(1996).

5. J. Kragten, Atlas of Metal-Ligand Equilibria in Aqueous              Solution, Ellis Horwood Ltd., Chichester(1978).