표면처리 활성탄을 이용한 물중 p-Nitrophenol의 제거

주광현, 조성용, 김승재

전남대학교 환경공학과

Removal of p-Nitrophenol in Water using Surface-treated Activated Carbon

Kwang Hyun Joo, Sung Yong Cho, Seung Jai Kim

Department of Environmental Engineering, Chonnam National University,

Kwangju 500-757, Korea

서 론

인간의 활동과 공업의 발달로 인하여 여러 가지 합성유기물들의 방출량이 증가하고있는데, 합성유기화합물의 대표적 물질의 하나로서 페놀화합물을 들 수 있다. 폐놀계화합물은 선형유기화합물과 달리 벤젠고리를 가지고 있어 미생물에 의해 분해되기 어려운 특성을 가지고 있기 때문에 활성탄 흡착법을 이용하여 제거하려는 연구가 많이 진행되어 왔으며[1,2], 최근에는 활성탄 표면의 성질을 변형시킨 활성탄을 흡착제로 이용하여 유해화학물질과 천연유기물질|(Natural organic compounds)을 흡착 제거하는 연구가 많이 시도되고 있으나, 국내에서는 아직 많은 연구가 진행되지 않고 있다. 표면을 개질시킨 활성탄은 방향족 유기화합물의 흡착능을 높일 수 있는 것으로 보고된바 있기 때문에[3,4] 본 연구에서는 순수활성탄과 표면을 산과 열처리하여 개질시킨 활성탄을 흡착제로 사용하였다. 페놀화합물 중 폭약, 도료 및 제초제 및 살충제 등 농약의 원료로 널리 사용되는 니트로페놀류 중에서 p-Nitrophenol을 흡착질로 사용하여 흡착평형실험 및 회분식 실험을 통하여 활성탄과 흡착질간의 물질이동 현상에 대하여 연구를 수행 하였다.

실험 및 분석방법

본 실험에서 사용한 흡착제는 갈탄을 원료로 하여 제조한 미국 Calgon사의 정수용 활성탄인 Filtrasorb-400과 야자각이 원료인 삼천리사의 SLS103을 흡착제로 사용하였다. 이 활성탄을 순수로 여러차례 세척한 후, 105□로 진공오븐에서 약 2일 정도 충분히 건조하였다. 건조된 활성탄(Virgin activated carbon; VAC)은 각각 5N-HNO3 수용액과 350□온도에서 산처리(Acid treated carbon; AAC) 및 열처리(Heat-treated at 350; HT350)하여 활성탄 표면을 개질화시켰다.

본 연구에서 사용할 입상활성탄은 활성탄을 Ball Mill에 넣고 분쇄한 후, 분쇄된 활성탄의 입자 크기를 분리하기 위하여 ASTM 표준체와 체진탕기를 사용하여 체분리 하였다.

1. 흡착 평형실험

흡착평형실험에는 0.044∼0.074mm의 분말활성탄(Particle Activated Carbon; PAC)을 사용하였다. 실험에 사용한 반응기는 외부의 공기유입과 내부물질의 유출을 방지하기 위해 테프론 밀폐장치가 부착된 160□ 용량의 유리병을 사용하였으며, 교반속도 200rpm, 25□1□의 수온으로 설정된 Shaking Incubator에서 1주일간 실시하였고, 흡착평형에 도달한 후 수용액에서 활성탄을 분리하기 위하여 0.45□ Glass Microfiber Filter(GF/C; Whatman; England)로 여과한 후 그 여액을 분석하였다.

2. 회분실험

회분식 흡착실험은 6가지 종류의 입상탄을 사용하였으며, 흡착제 1g을 정확히 칭량하여 일정농도로 조제된 흡착질 1□에 주입한 후, 교반속도 200rpm, 수온을 25□1□로 유지하며 시간에 따른 용액중 흡착질의 농도변화를 측정하였다. 모든 흡착질 수용액은 0.001M의 Phosphate 완충액을 주입하여 pH를 7.0으로 하였고, 미생물의 영향을 배제하기 위하여 0.1M 아지드화나트륨(NaN3) 수용액을 제조하여 흡착질이 함유된 수용액에 주입하였다.

3. 분석

본 연구에서 사용한 흡착질은 제초제 및 살충제의 원료, 폭약제조 및 도료의 원료로 널리 사용되는 니트로페놀화합물중 p-Nitrophenol(Sigma Co., U.S.A.) Extra Pure급을 사용하여 원하는 농도로 조제하여 실험에 사용하였으며, 용액의 농도는 적당한 범위로 희석한 후 HP-8452A UV-Spectro photometer를 이용하여 분석하였다. 흡착질 측정에 사용한 파장은 p-Nitrophenol은 318nm에서 측정하였다.

결과 및 고찰

p-Nitrophenol을 흡착질로 이용하여 Filtrasorb-400과 삼천리 SLS1038의 순수활성탄과 표면처리된 활성탄의 흡착능을 측정하여 비교해 보았다. 흡착평형식은 액상 단일성분 흡착평형에 사용되는 2개의 파라메타를 갖는 Freundlich식을 실험 Data와 Fitting하였으며, 그 결과를 Figs. 1, 2 및 Table 1에 나타내었다.

Figs. 1, 2과 Table 1에서 볼 수 있는 것과 같이 Freundlich식의 n값이 1보다 크므로 흡착제는 Favorable Type임을 알 수 있었다. Filtrasorb-400 활성탄은 산처리후 흡착능이 19.9%증가함을 알 수 있었으며, 열처리시에도 4.9% 정도의 흡착능이 증가하였다. 그러나 삼천리 SLS103 활성탄은 열처리시에는 10.7% 흡착능이 증가하였으나 산처리시에는 11.5% 정도 감소하였다. 야자각으로 제조한 활성탄 SLS103은 활성화 시키기 위해 산처리를 하더라도 흡착능이 떨어짐을 알 수 있었고, 열처리의 경우에는 흡착을 방해하는 다공성탄소내의 휘발성화합물과 비휘발성화합물이 일부가 제거되므로써 흡착능이 증가하는 것으로 판단된다.

Figs. 3, 4, 5, 6은 흡착반응 시간에 따른 흡착질의 농도 변화를 나타낸 것으로 흡착 초기 단계에서 흡착질에 따른 흡착 속도는 그다지 큰 차이를 보이지 않고 있지만 흡착 후기에는 서로 다른 평형값으로 수렴함을 알 수 있었다.

References

1. R. Vidic, M. T. Suidan, U. K. Traegner and G. F. Nakhla, Wat. Res., 24, 10, 1187(1990).

2. T. Karanfil, M. A. Schlautman and W. J. Weber, Wat. Res., 28, 7, 1673(1994).

3. C. H. Tessmer, R. D. Vidic and L. J. Uranowski, Environ. Sci. Tech., 31, 1872(1997).

4. Hsisheng Teng, Chien-To Hsieh, Ind. Eng. Chem. Res., 37, 3618(1998).

Table. 1 Freundlich isotherm constants

Absorbent		Freundlich Constants		Adsorption capacity(mg/g)	Error (%)
		K	1/n
SLS103	VAC	2.7392	0.2088	380.75	1.90
	AAC	2.4607	0.2162	342.04	1.79
	HT350	3.1292	0.2246	434.96	1.35
F-400	VAC	2.1696	0.1518	301.57	4.48
	AAC	2.6294	0.1572	365.49	3.64
	HT350	2.3415	0.1663	325.47	2.66