전기삼투에 의한 활성탄의 재생(Ⅱ)- Cadmium 제거

박휘명, 윤진민, 김부웅

부산대학교 화학공학과

Regeneration of Activated Carbon by Eletroosmosis(Ⅱ)

-Removal of Cadmium

Huy-Myeong Park, Jin-Min Yoon, Bu-Ung Kim

Dept. of Chem. Eng., Pusan National University

서론

흡착에 사용된 활성탄은 2차 오염 방지, 자원절약, 탄소자원의 고도이용, 피흡착질 회수 및 생산성 향상의 면에서 재사용이 일반화되어 있다. 일반적인 재생법인 가열 재생법은 입상 활성탄에는 이용이 가능하나 분말 활성탄에는 응용이 불가능한 점, 과도한 연소 손실, 입자의 기계적 파손, 마모에 의한 미분화, 재생 기체에 의한 2차 오염 및 많은 투자를 필요로 하는 문제점이 있다.

전기화학적 방법은 다음과 같은 이점[1]이 있어서 재활용이나 정화에 다양하게응용되고 있다.

1.직접 또는 간접 산화·환원, 상분리, 농축 또는 희석등 다양한 응용

2.저온 조작, 최적 설계를 통한 고에너지 효율

3.제어 용이

4.전자가 산화제나 환원제의 역할을 하므로 환경친화적임

5.장비와 조작이 단순하여 비용절감

특히 전기·운동 현상의 하나인 전기삼투가 재활용이나 정화에 많이 응용되고

있다. 전기삼투는 대전한 입자가 반대 전하를 가진 전극 쪽으로 전기적 인력에 의하여 이동하는 전기영동과 반대되는 현상으로 전기장 속에서 대전입자를 고정시킬 때 용액이 이동하는 현상이다.

문헌에 보고된 전기삼투의 응용에는 토양의 고화를 위한 수분제거[2], 슬러지 탈수[3], 오염된 막의 세척[4], 및 토양 속 오염물질 제거[5-8]가 있다.

최근 흡착 공정에 사용된 활성탄의 재생에 전기삼투를 응용한 연구가 김과 윤[9]에 의하여 수행되었다. 이들은 독성 유기물의 하나인 phenol을 흡착시킨 활성탄에 대한 정전류 조건에서의 전기삼투 특성을 조사하여 전기삼투로써 활성탄에 흡착된 phenol이 효과적으로 제거된다고 보고한 바 있다.

전기 도금, 합금, 염화비닐 안정제, 전지, 안료, 살충제 등의 산업에 광범위하게 사용되는 Cd은 맹독성 중금속으로 회수불가능하여 물 오염의 원인이 된다. 수용액 상태의 Cd은 활성탄으로 제거된다[10].

본 연구에서는 전기삼투의 폐활성탄 재생활용 가능성을 알아보기 위한 기초 연구로서 Cd을 흡착시킨 활성탄에 대한 전기삼투 특성과 Cd 제거에 미치는 전기 화학적 변수의 영향에 관하여 조사하였다

실험

실험에 사용된 시약은 GR급으로 Junsei사의 Cd(NO3)2와 NaCl, Tedia사의 NaOH 및 Osaka사의 HCl을 사용하였다. 활성탄은 갈탄을 원료로 하여 산세하여 범용으로 제조된 American Norit사의 Darco 활성탄을 사용하였다. Darco 활성탄은 굵기 4-12mesh, 표면적 650[m2/g], 용적 0.92[cm3/g], 밀도 1.41[g/cm3] 및 공극율 0.57의 물성을 갖고 있다.

전기삼투 장치와 전극은 전보[9]와 동일한 것을 사용하였다. 전원 장치로 EG&G사의 Scanning Potentiostat Model 362를, pH측정에는 Orion사의 pH/ISE Meter Model 720A 와 Semimicro pH 전극을, 그리고 두 전극 사이의 전압 측정에는 Digital Multimeter DM-330SR5를 사용하였다.

Cd분석에는 Varian사의 원자흡광 분광광도계인 Spectr AA-30을 사용하였다. 0-2.0ppm 농도 범위에서 검량선이 직선이 되므로 높은 농도의 것은 이 농도 범위로 희석시켜 분석하였다. Cd의 농도 측정에는 유출액 속의 것에 음극 부근에 수산화물로서 침전된 침전물도 포함시켰다. 침전물은 HCl 수용액으로 용해시켜 측정하였다. 음극에 부착된 Cd는 전극 무게의 변화로부터 계산하였다.

Cd 흡착 활성탄은 20℃에서의 흡착 등온선을 기초로 하여 만들었다. 20℃에서의 포화 흡착량 4.5[mg Cd/g carbon]의 약 50%인 2.5[mg Cd/g carbon]으로 Cd를 흡착시킨 활성탄을 시료로 사용하였다.

Cell 내부에 Cd를 흡착시킨 활성탄을 빈 공간 없이 Cell에 채운 다음, 일정 수위기와 Cell의 유출구가 수평을 이루게 한 후에 전류를 공급하면서 시간 경과에 따른 양극과 음극사이의 전압, 유출량, 유출액의 Cd 농도와 pH를 측정하였다.

결과 및 토론

흐름액으로 물, NaOH 수용액, NaCl 수용액 및 HCl 수용액을 사용하였다. 물의 경우에는 전기전도도가 너무 낮아서 일정한 전류를 공급하는 데에 문제가 있었다. NaOH 수용액, NaCl 수용액 및 HCl 수용액의 특성을 비교하기 위하여 0.01M, 정전압 25V에서 6시간 까지의 유출량의 변화는 Fig.1과 같고 제거율은 Fig.2와 같다. 제거율은 전기삼투로써 제거된 Cd 양의 시료속 Cd 양에 대한 비이다.

NaOH 수용액은 유출액량은 많지만 Cd 제거율은 적고 NaCl 수용액의 경우에는 HCl 수용액 보다 유출액량이 많으면서 Cd 제거율은 낮다. 따라서 3종류의 흐름액 가운데서는 HCl 수용액이 Cd 제거를 목적으로 한 흐름액으로 가장 적합하다고 판단된다.

Fig.3은 2.5mg Cd/g carbon 시료, 0.01M HCl 수용액에 대한 전류밀도와 시간 변화에 따른 유출액량을 나타낸 것으로 전류밀도가 1.5mA/cm2에서 20mA/cm2으로 증가함에 따라서 유출액량이 증가함을 보여준다.

0.01M HCl 수용액을 호름액으로 한 경우의 20시간 까지의 pH의 변화는 Figs.4,5와 같다. Fig.4는 양극에서 변화를 보여주는 것으로 초기 pH가 2.3에서 약 2.0까지 감소하며 Fig.5에서는 음극에서 초기 pH 2.3에서 약 7.5까지 증가하며 전류밀도 1.5[mA/cm2]와 2.0[mA/cm2]에서는 큰 차이가 없으나 2.0[mA/cm2]의 경우에 pH변화가 약간 크게 나타나고 있다. 양극과 음극에서의 pH 변화는 전기삼투가 진행되는 동안에 양극에서는 물의 산화반응이 일어나고 음극에서는 물의 환원반응이 일어나며 또한 양극에서 생성된 산이 음극 쪽으로 이동하여 일어나는 현상으로 이해된다.

Fig.6는 2.0mA/cm2의 전류밀도에서 20시간, 50시간 및 80시가까지의 Cd 제거효율을 보여준다. 20시간에서는 35%, 50시간에서는 70% 그리고 80시간에서는 90%의 Cd 제거율을 나타낸다. 농도를 높이면 전류밀도를 더욱 높일 수 있기 때문에 더욱 짧은 시간에 Cd를 더 많이 제거할 수 있을 것으로 예상된다.

참고문헌

[1] Rajeshwar, K., Ibanez, J.G. and Swain, G.M. Journal of Applied                Electrochemistry, 24, 1077 (1994).

[2} Lockhart, N.C., Colloids and Surfaces, 6, 229 (1983).

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

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

[5] Lageman, R., Pool, W., and Sebsinge, G., Chemistry and Industry, 18(9),       585 (1989).

[6] Shapiro, A.P., and Probstein, R.F., Environ. Sci. Technol. 27(2), 283 (1993).

[7] Bruell, C.J., Segal, B.A. and Walsh, M.T., Journal of Environmental            Engineering, 118(1), 68 (1992).

[8] Acar, Y.B., Li, H. and Gale, R.J., Journal of Geotechnical Engineering           -ASCE, 118(1), 1837 (1992).

[9] Yoon, J.M. and Kim, B.U., Proceedings of '96 KIChE Fall Meeting, 2(2),       1677 (1996).

[10] Dobrowolski, R., Jaronilc, M. and Kosmulski, M., Carbon, 24, 15 (1986).