자연유기물질 존재하에서 입상활성탄에 의한 다성분계 흡착

홍 성 호 , 남 영 우

숭실대학교 화학공학과

Multi-Components adsorption on GAC under NOM presence

Seongho Hong , Young-Woo Nam

Department of Chemical Engineering, Soongsil University

서론

활성탄을 이용한 수처리시 수중에는 제거하고자하는 유해유기물질이 단일성분이 아닌 다성분으로 존재하며 단일성분의 흡착과는 달리 흡착의 형태가 매우 복잡해진다. 활성탄에 존재하는 한정된 흡착 site에 유기물들이 경쟁적으로 흡착하기 때문에 유해유기물질의 흡착은 속도와 성능면에서 서로간의 흡착정도, 액상에서의 확산속도, 그리고 액상과 고상사이 존재하는 경계면에서의 물질전달속도등에 의하여 영향을 받는다.

Benz는 활성탄의 고상에서 자연유기물질의 농도가 유해유기물질의 잔여흡착성능에 직접적인 영향을 미치며 또한 preadsorption된 자연유기물질의 형태가 중요한 인자로 작용한다는 것을 발표하였다.1)  다성분계에서 자연유기물질의 영향이 중요함에도 불구하고 이에 관한 연구는 국내외적으로 전혀 이루어지지 않고 있다. 단일성분 뿐만 아니라 다성분계에서 NOM fouling현상을 이해하는 것은 상수나 폐수에 존재하는 유해유기물질 제거 효율과 성능을 평가하고, 실제 공정에 적용할 때에 활성탄의 양과 흡착탑의 크기를 결정하는 설계인자로서 상당히 중요하다. 따라서, 본 연구에서는 국내원수와 활성탄을 이용하여 phenol, o-chloro phenol 그리고 p-chlorophenol의 흡착시 상호간의 영향과 자연유기물질의 존재하에서의 상호간의 영향을 비교 연구하고자 한다.

실험방법

본 실험에서는 페놀(98% Chameleon Analytical Reagent, Japan), o-chlorophenol 그리고 p-chlorophenol(Extra pure, Hayashi chemical Ind. Japan)을 이용하여 원하는 초기농도를 만들어 사용하였다.  모든 실험은 상온에서 실시되었으며, 인위적인 pH의 조절은 없었다. Bituminous coal을 원료로 한 활성탄(CECA, F-400)을 100×200(dp=0.11mm) mesh로 분쇄하여 사용하였다.  각 시료병은 다른 물질에 의한 오염을 방지하기 위하여 0.1N 염산용액으로 세척한 후에 초순수로 3번 세척하였고, 시료병의 뚜껑은 테프론으로 코팅된 lids를 사용하였다. 시료병은 유기물질이 액상에서 기상으로 증발되는 것을 방지하기 위하여 공간이 없이 채워졌다. 흡착을 돕기 위하여 모든 시료병은 tumbler에서 약 10rpm의 속도로 14일간 교반되었다.  14일 후에 시료병들을 tumbler에서 이탈시킨 후 입상활성탄 입자를 침전되도록 약 5시간 정도 안정화를 시켰다.  모든 시료는 수중에 존재하는 활성탄입자를 제거하기 위하여 0.45□ Millipore membrane을 사용하여 여과하였다.  이렇게 얻어진 시료는 즉시 분석하거나, 만약 즉시 분석이 불가능할 시에는 4□C의 냉장고에서 분석할 때까지 보관되었다.

페놀계화합물은 Gas Chromatography(영인 GC 680D)를 사용하여 direct injection방법에 의하여 분석하였다.  사용된 column은 wide bore capillary column(HP- FFAP, 10mx0.53mm IDx1.0□FT)이며 검출기로 FID를 사용하였다. 각 화합물의 정량을 위한 검량선은 4개 이상의 표준농도를 사용하여 작성하였다.  3성분계의 분석시에는 3성분이 모두 포함된 표준농도를 사용하였다.

원수중에 포함된 자연유기물질의 양을 측정하기 위하여 Ultraviolet-Visible spectrophotometer (UV-240, Shimadzu, Japan)를 사용하였다. 시료의 UV254값을 분석하기 위해서 길이가 2cm인 석영 Cell을 사용하였다.  분석에 의한 오차를 최소화하기 위해 모든 시료는 3번 분석 한 후에 평균값을 취하였다.

결과 및 토론

활성탄을 사용하여 Phenol, o-Chlorophenol(OCP), p-Chlorophenol(PCP) 단일용질계의 흡착평형실험과 이들 3성분이 혼합된 다성분계에서 흡착평형실험을 수행하였다. Fig. 1은 F-400을 사용한 실험 결과로 단일성분계에서 활성탄에 대한 흡착능은 OCP> PCP> Phenol의 순이었다. 세성분 모두 흡착평형이 Freundlich등온식으로 표시되었다. 활성탄소섬유에 의한 페놀계 화합물의 흡착에 대해 연구한 Juang 등의 결과2)에 의하면 흡착질의 분자량이 크고 물에 대한 용해도가 작을수록 활성탄에 흡착하기가 용이하다. 이는 phenol계 화합물의 물에 대한 용해도와 흡착능에 관하여 연구한 Shirgaonkar의 연구와 동일한 결과를 나타내고 있다. 본 실험계에서도 페놀의 분자량보다 Chlorophenol의 분자량이 클 뿐만 아니라 페놀류화합물 중 chlorinated phenol이 높은 흡착성을 지닌다는 기존의 연구 결과와도 부합되었다.3) 다성분계에서 각 성분의 농도를 10 및 30 mg/L로 동일하게 유지시키면서 실험한 결과를 단일성분계의 흡착평형 실험결과와 비교하여 Fig. 2에 도시하였다.  단일성분계와 비교하여 3성분의 흡착량이 모두 감소하였다. 이는 다성분계에서 각 성분들이 한정된 흡착 site에 상호 경쟁을 하면서 흡착하기 때문에 흡착성능이 저하된 것으로 생각된다.

Fig. 3은 OCP 단일 성분계와 다성분계에 대한 NOM의 영향을 도시한 것으로 단일성분계에서 NOM이 없는 경우와 NOM을 preadsorption 시킨 경우, 또 NOM과 OCP의 경쟁흡착의 경우에 단일성분계에서는 자연유기물질의 영향이 크게 나타나지 않았다. 다성분계에서 NOM의 preadsorption시 OCP의 흡착량이 가장 많이 감소 하였으나 NOM의 coadsorption과 비교하면 NOM의 영향은 별로 없는 것으로 보인다. 이는 OCP의 흡착능이 NOM 보다 상당히 크기 때문에 NOM의 존재가 OCP의 흡착능에 영향을 주지 못한 것으로 생각된다.  경쟁흡착에서는 NOM이 3종류의 흡착질과 경쟁을 하므로 결국 4성분계 흡착으로 해석할 수 있고 이 경우 NOM의 초기농도가 2.48mg/L로 다른 3종류의 페놀계화합물의 농도에 비하여 낮기 때문에 NOM의 존재가 OCP의 흡착에 영향을 미치지 못한 것으로 생각된다. 다성분계에서는 NOM을 미리 흡착시킨 경우에 OCP 흡착능의 감소가 큰 이유는 NOM의 preload에 의한 흡착 site의 감소에 원인이 있는 것으로 판단된다.

페놀에 대하여 실험한 Fig. 4에서는 단일성분계에서 NOM의 영향이 관찰된다. NOM의 coadsorption시 phenol의 흡착량이 상당히 감소했으며 이는 phenol의 흡착능이 OCP와 PCP에 비하여 작기 때문인 것으로 생각된다. 다성분계에서도 NOM의 영향이 나타났으며 NOM을 preadsorption 시킨 경우 페놀의 흡착능 감소가 가장 컸다. 이는 phenol의 흡착성능이 다른 두 물질보다 작기 때문에 NOM의 preloading영향을 크게 받았다고 생각된다.

본 실험의 결과를 요약하면 OCP, PCP 단일성분계에서는 NOM의 영향이 거의 없었으며 페놀의 흡착에는 NOM이 영향을 미쳤고 이는 활성탄에 대한 OCP와 PCP의 흡착능이 큰 반면에 페놀의 흡착능은 상대적으로 작기 때문에 나타난 현상으로 이해된다. 다성분계에서는 NOM을 미리 흡착시킨 경우에 각 흡착질의 흡착량의 감소가 경쟁흡착에 비하여 컸으며 이와 같은 경향은 Phenol> PCP> OCP의 순으로 흡착능 크기와 역순이었다.

참고문헌

1.	Benz, M., "Untersuchungen zum adsorptionsverhalten von vielstoffg-emischen unbekannter zusammensetzung," Ph.D. Diss., University of Karlsruhe, Karlsruhe, Germany (1989)

2.	Cater, M. C. and Weber Jr., W. J., "Modeling adsorption of TCE by activated carbon preloaded by background organic matter," Env. Sci. Tech., Vol. 28, pp.614-623. (1994)

3.	Shirgaonkar, I. Z., Joglekar, H. S., Mudale, V. D., and Joshi, J. B., "Adsorption equilibrium data for substituted phenols on activated carbon," J. of Chem. Eng. Data. Vol. 32, No. 2, pp. 175-179. (1992)

4.	Juang, R., Wu, F., and Tseng, R., "Adsorption isotherms of phenolic compounds from aqueous solutions onto acitavted carbon fiber," J. of Chem. Eng. Data, Vol. 41, No. 3, pp. 487-492. (1996)

5.	Hong, S., "Activated carbon adsorption of organic matter: backwashing, desorption and attenuation," Ph.D, Diss., University of Cincinnati, Cincinnati, OH. (1995)

6.	Hong, S., "The impact of NOM preloading on DCE adsorption behavior," Korean Society of Environmental Engineers, Vol. 2, No. 1, pp. 51-59. (1997)