활성탄소섬유와 활성탄을 이용한 수중 잔류염소 흡착

이재광, 이두환, 유승곤

충남대학교 공과대학 화학공학과

Adsorption of residual chlorine from aqueous solution

onto Activated Carbon Fiber and Active Carbon

J. K. Lee, D. H. Lee, S. K. Ryu

Dept. of Chem. Engineering Chungnam National University

서론

상수도 정수과정에서 살균, 악취 제거 등의 목적으로 염소 소독을 실시하고 염소가 잔류하도록 하고 있지만, 잔류염소는 수중의 유기물과 결합하여 인체에 해로운 염소 화합물을 생성시킬 수 있으며 이들 중에는 THM(Trihalomethane)과 같은 발암물질인 것도 있다[1].

잔류염소의 제거를 위한 방법중 실용적 방법으로는 활성탄에 의한 흡착 제거이다. 하지만, 활성탄은 몇 가지 문제점이 있다. 즉, 입상활성탄인 경우에는 건설비가 많이 드는 여과조를 만들어야 하며 여과조에 걸리는 압력손실 외에도 흡착시간이 길기 때문에 장시간 활성탄내에 고비점물질이나 중합물이 체류하여 흡착물의 분해와 중합반응이 발생하여 활성탄의 열화가 촉진되며 편류 및 긴 비사용층 길이 등으로 효율이 나쁘며, 재생의 어려움으로 그 자체가 폐기물이 되고  있다.  따라서 기상/액상 흡착능력이 월등하고도 사용하기 편리하며 재생성이  우수한 새로운 흡착제의 개발이 필요하다. 활성탄소섬유(Activated Carbon Fiber)는 이러한 요구를 충족시켜 주는 새로운 타입의 흡착제이다[2].

그러므로, 본 연구에서는 범용의 활성탄소섬유와 활성탄을 이용하여 수중   잔류염소를 흡착 제거함으로써 두 흡착제의 특성을 비교 분석하고자 하였다.

실험

실험에 사용된 염소용액은 차아염화칼슘(Ca(ClO)2)을 증류수에 녹여 제조 하였으며, 흡착제는 페놀수지계 활성탄소섬유(FR-15)와 활성탄(CGF, 18×40)으로 실험에 사용하기 전에 표면에 붙어있는 먼지와 불순물 등을 제거하기 위해 증류수로 깨끗이 씻어내고 100℃ 이상의 온도에서 끓인 후, 이를 24시간 건조기에 넣어 건조시킨 후 desicator에 보관하여 사용하였다. 또한 그 물리적 특성을 알아보고자 77K 에서 상대압력에 따른 질소흡착으로 등온흡착곡선을 측정하였다.

액상 흡착평형실험은 연속교반 회분식으로 수행하였다. 30ml의 염소 수용액과 0.1g의 흡착제를 50ml polyethylene 용기에 가한 다음 테프론 테이프로 완전히 밀봉 하였다. 실험에 사용한 용액의 pH는 8.0으로 초기농도는 2000(mg/l)으로   하여 원하는 농도는 2차 증류수로 희석하여 준비하였다.

실험은 항온(15±0.5℃)에서 300rpm의 교반속도로 조절된 진탕기로 24시간  교반하였으며, 교반이 끝난 후 흡인여과용 깔때기(지름 15mm) 거름종이(5종C, 지름 20mm)로 10ml를 거른 뒤 자외선분광기(model : Milton roy spectronic 601)로 농도를 측정하였다. 농도 분석 방법은 미 환경보건국의 Standard methods의 잔류염소 분석법에 의해 실시하였다[3].

시간에 따른 흡착량의 변화를 알아보기 위해 농도 700(mg/l)의 염소수용액을 위의 방식대로 하여 여러 개의 시료를 동시에 교반 시키면서 5분 간격으로 한 개씩 꺼내어 용액의 농도를 측정하여 시간에 따른 흡착량의 변화를 측정하였다.

고정층 흡착실험은 지름 1.5□, 길이 17□인 칼럼에 각각의 흡착제 1g을 층진 시킨 다음 항온조를 이용하여 흡착층의 온도를 15℃로 유지시켰다. 실험 초기에 일어나는 혼란을 방지하기 위해 증류수를 peristaltic pump에 의해 실험에 사용된 유량 2(ml/min)로 흘려 보낸 후, 농도 10(mg/l)의 용액으로 바꾸어 하향류로 유입시켰으며, 유출된 용적을 측정하면서 유출액 10ml를 받아 농도를 측정하였다

결과 및 토론

77K에서 상대압력의 변화에 대한 질소흡착량을 측정한 결과를 BET식을 이용하여 구한 두 흡착제 활성탄소섬유와 활성탄의 비표면적은 각각 약 1500m2/g와 900m2/g으로 비교적 넓은 비표면적을 나타내었다.

시간에 대한 흡착량의 변화를 측정한 결과는 Fig.1에 보였다. 그림에서 두   흡착제 모두 약 10분 정도에서 부터는 미소하게 증가하며 20분 정도 이후로는 거의 일정하게 되어 두 흡착제 모두 신속한 흡착속도를 보여주고 있다. 이는  대부분의 흡착과정이 흡착제 표면에 형성된 London 분산력과 정전기력의 조합으로 이루어진 van der Waals힘의 작용으로 일어나는 물리흡착(physical adsorption)에 의한 것으로 보인다.

Fig.2와 Fig.3은 염소용액에 대한 활성탄소섬유와 활성탄의 평형 흡착량을   측정한 결과이다. 두 흡착제 모두 유리형 등온 곡선을 나타내고 있어 잔류염소 흡착에 유리함을 보이고 있다. 단위체적당 활성탄소섬유의 포화흡착량은 약 503(mg/g)으로 활성탄의 포화흡착량 95(mg/g)에 비해 약 5.3배 흡착량이 더   많았으며, 포화에 도달하는 평형농도에서도 활성탄소섬유는 약 1.5ppm, 활성탄은 약 40ppm으로 흡착능 면에서 섬유상이 유리함을 보여주고 있으며 또한, 활성  탄소섬유는 활성탄에 비해 극 저농도 범위에서의 제거에도 뛰어난 것으로 나타났다. 이는 섬유에 발달된 대부분의 기공이 미세기공으로 이들이 모두 표면에 노출되어 있어 더 많은 흡착점을 제공하고 대기공과 중기공을 거쳐야 하는 과정이 생략되어 신속한 흡착을 보여주는 것으로 보인다.

일반적으로 흡착 평형등온곡선의 곡률을 특정지어주는 분포인자 Kd는 다음의 식 Kd=q*/((q*o-q*)((Co-C)/C))에 의해 구하였다[4]. 이 때의 분포인자 Kd는   활성탄소섬유에 대해 19.12, 활성탄에 대해 4.09로 섬유상이 더 큰 값을 보이고 있다. 유리형 등온곡선에 대하여 Kd>1 로서 이 값이 클수록 등온선의 곡률이 더 커져 등온선의 모양이 더 가파르고 급격한 형태를 취하는데 이는 실험 결과와 일치함을 보여주고 있다.

흡착평형관계는 수용액의 흡착에 가장 많이 이용되는 Freundlich 흡착평형식, q=kC1/n을 이용하였으며 흡착등온식의 파라미터는 실험 data를 이용하여 최소 자승법으로 구하여 그 결과를 Table 1에 나타내었다.

Table 1에서 흡착강도(adsorption strength)를 알아볼 수 있는 1/n값이 활성탄섬유와 활성탄 각각 0.25, 0.387로 1보다 적어 favorable한 것으로 나타났으며,  섬유상이 더 높은 흡착강도를 갖고 있었다[5].

Table 1. Freundlich parameters for ACF and AC at 15℃

	ACF	AC
k	440.024	21.013
n	4.43	2.58

고정층 흡착에 의한 파과곡선은 Fig.4에 나타내었으며, 파과 예측은 흡착층에 유입되는 용액이 저농도이고 유량 또한 충전상에서 유속의 영향을 무시 할 수 있을 정도의 적은 유량이므로 Freundlich식만을 이용하여 축방향분산이 없고  국부의 흡착속도는 순간적이라고 가정하여 고정상의 단위체적당 흡착량과 평형농도에 의한 상관으로 예측하였다. 파과점을 0.1(C/C0)로 하여 파과점까지의   유출량을 비교하면 활성탄소섬유는 16.6(□), 활성탄은 0.6(□)으로 나타났다. 흡착층의 효율을 나타내는 흡착성능(□)은 다음 식 □=(qb/qs)×100 으로 구하였으며, 활성탄소섬유는 58%, 활성탄은 33%였다[6]. 파과곡선은 모양은 흡착등온  곡선의 성질 또는 형상에 의하여 결정되는데, Fig.2와 3에서 보인 평형등온곡선의 형태에 따라 파과곡선의 형태가 근사하여 두 흡착제의 농도전면은 효과적인 분리를 위한 예리한 형태임을 보여주고 있고 Freundlich식을 이용한 파과곡선에 일치하는 형태를 보여 이 실험조건은 흡착층 안에서 흡착제와 흡착질이 순간적으로  흡착평형에 근접한 것임을 보여주고 있다..

이와 같은 결과로부터 두 흡착제는 흡착평형관계와 고정층 흡착에서 잔류염소 흡착에 효과적인 것으로 나타났으며 특히, 저농도의 흡착에 더욱 유리하여 수 처리과정에서 유기화합물 제거를 위한 응용에 효과적일 것으로 보인다.

두 흡착제의 흡착량과 흡착능력면에서 활성탄소섬유가 활성탄보다 월등하였는데, 이는 비표면적의 차이에 의한 것도 있겠지만, 활성탄소섬유가 가지고 있는 독특한 기공구조, 즉 대부분 미세공들로 구성되어 있으며 그 기공들이 모두   표면과 관통하고 있는 구조가 더 큰 요인인 것으로 판단된다.

참고문헌

[1] Symons, J. M. et. al., Treatment Techniques for Controlling Trihalome

-thanes in Drinking water, US EPA, EPA-60012-81-156(1981).

[2] 저농도 제염핵종과 Crud 제거를 위한 활성탄소섬유(ACF) 충전 흡착장치

특성연구, 충남대학교 공과대학부속 산업기술연구소(1995).

[3] Arnold E.G., Lenore S. C., Andrew D. E. : Standard Methods, American

Public Health Assocaation(1992).

[4] Yang, R. T.: "Gas Separation by Adsorption Processes", Butterworths

(1987).

[5] 하기성: □수처리에 있어서 흡착기술의 기초와 응용□, 화학공업과 기술,

Vol.14 , No.2, 110(1996).

[6] Warren L. McCabe, Julian C. Smith, Peter Harriott, "Unit Operations of

Chemical Engineering", Chap. 25, McGraw-Hill Inc.(1985).