입상활성탄을 이용한 크롬 흡착

신정훈, 박함용, 이창하, 김우식

연세대학교 공과대학 화학공학과

Adsorption of Chromium onto Activated Carbon

Shin Jung Hoon, Park Ham Yong, Lee Chang Ha, Kim Woo Sik

Department of Chemical Engineering, Yonsei University

서론

환경오염에 있어 중금속의 존재는 중금속의 독성과 인간 및 생명체에 대한 위험도로 인해 환경오염에 있어 가장 심각한 물질로 인식되고 있다. 특히 납, 카드뮴, 수은, 크롬 등은 가장 심각한 공해 물질로 분류되고 있다. 이러한 중금속 오염물질은 금속처리 산업, 도금 산업, 가죽가공 산업, 축전지 산업, 광산 폐수, 매립지를 통한 지하수의 오염 등에서 광범위하게 배출되고 있다.

높은 농도의 중금속 폐수의 경우 hydroxide, sulfide 등에 의한 침강 공정이 가장 경제적인 것으로 알려져 있다. 그러나 대부분의 금속 공정들은 complexing agents 등의 물질을 수반하고 있으며, 이로 인한 침강 공정의 효율은 감소되게 된다. 궁극적으로는 배출폐수의 불완전한 처리로 인해 상대적으로 고농도의 중금속 폐수가 배출될 가능성이 있다. 이에 반하여 현재의 환경규제는 중금속 폐수처리에 있어 식수의 기준에 가까울 정도로 강화되고 있다. 이러한 이유로 침강공정을 거쳐 나온 폐수를 방출하기 전에 한번 더 저농도의 중금속 폐수를 처리할 공정을 필요로 하고 있다. 이를 위한 실현 가능한 공정으로는 이온교환법, 막분리법, 흡착법등을 들 수 있다. 이온교환공정과 막분리법의 경우 중금속 처리에 있어 뛰어난 효율을 보이는 반면, 고정의 운전과 유지에 막대한 비용을 필요로 하고 있으며, fouling에 의해 그 효율이 급격히 감소하게 된다.

흡착법의 경우 유기화학물질의 회수, 저농도에서의 고효율 및 에너지 절약 측면에서 가장 주목받고 있다. 현재 흡착법은 유기 용제의 처리 및 공기정화, 폐수처리등의 공정에 광범위하게 응용되고 있으며, 흡착제로는 상대적으로 비표면적이 큰 활성탄이 광범위하게 사용되고 있다.

본 연구에서는 두 종류의 활성탄을 사용하여 크롬에 대해 각각의 흡착력 비교 및 온도에 의한 흡착량 변화를 측정하였으며, 고농도에 대해 흡착등온선을 그려보았다.

이론

흡착등온선

1)Freundlich형:수처리에 활성탄 흡착을 이용할 때, 평형계수가 다음의 Freundlich식으로 표시되어진 것이 가장 많다. 이식은 원래 경험적으로 구하여진 실험식이지만, 근래 불균일면에 있어서 흡착이론으로부터 얻어진 흡착량과 흡착열과의 관계에, 이식이 대응하는 것 등도 확실해 졌다.

[eqn: q=k { C}^{ { 1} over {n } }]

q: 활성탄 단위중량 당 흡착량,  C: 활성탄 처리 후의 평형농도(잔존농도)

k,1/n: 흡착계에 의해 정해진 정수

Freundlich식에 기초를 둔 등온 흡착선은 대개 직선을 보이지만, 폐수 따위의 다성분계의 요소가 많은 것은 곡선이 되거나 구부러진 것이 있다.

2)Langmuir형:흡착제표면과 흡착된 가스분자와의 사이에 작용하는 결합력이 약한 화학흡착에 의한 것으로 생각하고, 흡착 결합력이 작용하는 것은 가능한 한 단분자층 두께 정도로 간주하고, 그 이상 떨어진 곳에서는 이미 흡착은 일어날 수 없다는 모델에 기초를 두고 유도한 것이므로 Langmuir 흡착은 단분자층 흡착으로도 불리어진다.

[eqn: q= { q { m}kC_{ } } over {1 +kC }]

qm : 평형흡착량, k: 흡착계에 의해 정해진 정수

실험

본 실험에서 사용된 활성탄은 일본 KURARAY사에서 제작된 정수처리용 활성탄 KURACOAL을 사용하였다. 또한 활성탄의 특성에 따른 영향을 살펴보고자 두 종류의 활성탄을 사용하였는데, 이중 GW는 야자 껍질단을 원료로 만든것이고 KW는 석탄을 원료로 하여 만든 것이다. 이들 활성탄을 각각 증류수로 세척하여 100℃에서 24시간이상 건조한 후 125□m(GW)와 425□m(KW)로 채질을 해서 사용하였다. 시약은 Na2CrO4·4H2O(Sigma, USA)을 증류수로 용해시켜 각각 10 - 3000 ppm의 농도로 만들어 크롬 금속이온의 표준용액으로 사용하였다. 흡착실험은 10 - 40ppm범위 내에서 GW 와 KW의 성능비교 및 온도에 따른 흡착량의 차이를 행하였고, 300 - 3000ppm범위에서 흡착등온실험을 행하였다. 여기서 각각의 농도의 수용액 200ml를 250ml의 비이커에 취하고 활성탄 0.3g을 가한후 Water bath shaker에서 5시간에서 3일동안 교반하여 반응시킨 후 샘플을 채취하여 중금속의 농도를 AAS(Atomic Absorption Spectrophotometer)9200A(선일 옵트론)로 측정하여 흡착량을 계산하였다. 흡착실험은 각각 25℃와 35℃로 온도가 일정하게 유지되는 항온조에서 행하였으며, 기타 첨가제는 일체 사용하지 않았다.

Table.1 Physical properties of activated carbon

품명		GW	KW
원료		야자껍질단	석탄
요소흡착성능	mg/g	1000이상	900이상
메칠렌 블루 흡착성능	ml/g	180이상	160이상
건조 감량	%	3이하	3이하
강열 잔분	%	2이하	5이하
pH	-	5.0 ∼ 8.6	5.0 ∼ 8.6
경도	%	98이상	93이상

결과 및 고찰

1)크롬에 대한 GW와 KW의 흡착능 비교

Fig. 에 GW와 KW활성탄의 25℃ 크롬 흡착 등온선을 비교하였는 바, 저농도의 크롬용액에서는 흡착량의 차이가 별로 나타나지 않았으나 고농도의 크롬용액으로 갈수록 매우 큰 흡착량의 차이를 보이고 있다. 이로부터 크롬이 함유된 폐수처리에는 KW보다는 GW활성탄이 보다 적합한 것을 알 수 있다.

2)온도에 따른 흡착능의 비교

Fig. 에 GW활성탄에 대한 크롬의 흡착등온선을 25℃와 35℃에 대해서 각각 나타내었다. 35℃의 경우 초기 도입농도가 증가하여도 활성탄에 흡착되는 양은 크게 변하지 않고 거의 일정한 값을 나타내었으며, 전체적으로 낮은 값을 보이고 있어 흡착 공정에  있어 높은 온도가 바람직하지 않은 것을 알 수 있으며, 이에 반해 25℃에서는 도입용액중의 크롬의 거의 대부분이 흡착되어 흡착량이 도입용액의 농도에 비례해서 증가하는 경향을 보이고 있다.

3)고농도 크롬용액에 대한 GW의 흡착등온선

Fig. 에 고농도(300-3000ppm) 크롬용액에 대한 GW의 흡착등온선을 나타내었다. 이 곡선은 langmuir 식에 fitting한 것이다. 여기서 크롬에 대한 GW의 평형흡착량은 대략 180 mg/g 정도인 것을 알 수 있다. 또한 저농도 영역(50ppm)이하에서 실험을 행하였을 때는 5시간 이내에 90%의 흡착성능을 보였던 GW활성탄이 고농도 영역에서는 3일의 시간이 경과하고 나서야 평형점에 도달하였다는 것을 알 수 있다.

참고문헌

1.H. Harker, J. T. Gallagher, A. Porkin : Carbon, 4, 401(1966)

2.北川睦夫 : 활성탄 수처리기술과 관리, 23. 120(1992)

3.W. J. Webber. Jr : Physicochemical Process for Water Quality Control(1973)

4.A Netzer and D. E. Hughes : Ind. Eng. Chem. Res., 33, 927(1994)