다공성 탄소를 통한 크롬(Cr+6)흡착 연구

유상희, 김학희

선문대학교 공과대학 화학공학과

A Study on Adsorption Chromium by Microporous Carbon

S.H.You,  H.H.Kim

Dept. of Chemical Engineering. Sunmoon University

서론

현대 산업의 발달로 나날이 환경에 대한 문제는 심각해지고 있다. 그 중에서도 인간에게 치명적인 유해중금속들의 문제점도 심각하게 대두되어지고 있다. 이에 따른 고도정수처리의 기술이 발달하고 이에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

유해중금속들을 처리하는데는 여러 가지 처리기술이 있지만 여기서는 Cr+6의  선택적 흡착기술을 제시하고자 한다.

흡착에 널리 사용되는 흡착제는 비표면적이 넓은 것을 많이 사용하는데 무기질의 Silica gel, 천연· 합성 제올라이트, 활성백토, Alumina, 활성탄(Activated carbon) 다공성물질 등이 많이 사용되는데 이중에서 가장 경제적이고 취급이 용이한 것이 활성탄이다. 활성탄의 사용량은 나날이 증가하고 있으므로 보다 처리능력이 좋고 경제적인 활성탄의 개발이 필요하게 되었다.

본 실험에서는 활성탄(Activated carbon, Aldrich Chemical Co.)을 이용하여 이미 연구 문헌에 밝혀진바 있는 열처리를 통한 활성탄의 흡착성능 증가를 관찰하여 유해중금속인 Cr+6 의 흡착제거 기술을 제시하고자 한다.

활성탄 열처리의 적절한 온도를 설정하기 위하여 150, 250, 350℃의 열처리를 하였으며 BET Equation을 이용하여 각각의 비표면적을 구하였고 Cr+6(100ppm)용액의 흡착성능 비교 실험을 하였다. 온도의 증가에 따라서는 한계적인 비표면적의 증가가 나타났으며, 350℃의 열처리한 활성탄이 Cr+6을 선택적으로 잘 흡착하는 결과를 나타냈다.

실험장치 및 방법

본 연구에 사용되는 열처리 활성탄을 제조하기 위하여 적절한 열처리 온도를 설정하기 위하여 먼저 TGA1500(Thermo Gravimetric Analyzer, Reometric Scientific Co. USA)을 사용하여 적절한 온도를 설정하였다. Fig 3.과 같이 중량의 변화가 100℃에서 350℃ 부근까지의 변화가 일정한 Plot을 나타낸다. 따라서 열처리를 150, 250, 350℃에서 실시하여 각각의 열처리 활성탄을 제조한다.

열처리에 사용되는 gas는 일반적인 air를 사용하였으며 그 이유는 다른 gas를 사

Fig 1. TGA1500의 Schematic Diagram         Fig 2. ASAP2000의 Components

용하여 열처리할 경우에는 TGA1500에서는 다른 gas를 사용할 수 있지만 일반적인 열처리를 다량으로 열처리할 경우에는 질소나 그 밖의 다른 gas를 사용할 수 없는 이유와 air를 사용하면 경제적이기도한 두 가지 이유이다.

다음으로는 ASAP2000(Micromeritics Co. USA)을 이용하여 각각 열처리 온도에 대한 활성탄의 BET Surface Area을 구한다.

각각 온도에서 열처리한 활성탄을 중크롬산칼륨(K2Cr2O7, 99.5%)을 용해시킨 Cr+6(100mg/l)용액에 흡착시키는 실험을 하는데 용액(100□)에 대하여 각각의 활성탄 0.4, 0.8, 1.2, 1.6, 2.0g를 투입시켜 여과하여 미리 작성하여 둔 검량선에 의한 농도를 산출하게된다. 또 미리 구한 BET Surface Area와 크롬 용액을 각각 열처리 활성탄과 흡착시킨 용액의 농도에 대한 상관관계를 비교한다.

또한 열처리 활성탄을 열처리후 2주간 공기 중에 방치시키는데 3일에 한 번씩 중량의 변화를 체크하였다. 열처리를 하면 통상 10%의 시료(활성탄) 감소율을 보이는데 열처리 하기 전의 중량과 같아진 때의 비표면적도 측정하여 공기중 방치한 활성탄의 성능도 비교하였다.

실험결과 및 고찰

TGA를 통한 활성탄의 열처리 중량 변화는 Fig 3.과 같이 150, 250, 350℃에서의 평균적인 10±1.5 %의 변화율을 보였다. 실질적으로 활성탄을 열처리(24시간)한 경우 Table 1.과 같이 온도에 대한 각각의 감소율은 TGA값과 비슷한 변화율을 보인다. 따라서 열처리한 활성탄이 비슷한 조건에서 분석되고 있음을 알 수 있다.

각각 온도에 대한 성능을 평가하기 위한 ASAP2000로 활성탄의 BET Surface Area를 측정하였는데 열처리 온도가 증가함에 따라 활성탄의 Surface Area가 Table 2.와 같이 증가하였다. 흡착에 있어 흡착능을 평가하는 인자는 여러 가지가 있지만 Surface Area가 넓으면 흡착이 잘 일어난다는 것을 기본으로 하고 크롬을 각각의 열처리되어진 활성탄에 흡착하여 제거시킨 결과를 Fig 4.에 나타내었다.

Table 1. 열처리 전후의 중량의 변화 비교

	150℃	250℃	350℃
열처리전 중량 (g)	21.62	20.10	20.15
열처리후 중량 (g)	19.65	18.05	17.83
감소율(%)	9.20	10.02	11.51

Fig 3. TGA 분석에 따른 중량의 변화

Table 2. 각각 다른 온도에서 열처리한 활성탄의 BET Surface Area 측정치

	미처리 활성탄	150℃로 처리	250℃로 처리	350℃로 처리
BET Surface Area(□/g)	1088	1198	1255	1389.2

Fig 4. 활성탄 투여량에 따른 크롬 용액의 농도

여기서의 결과는 150, 250℃에서 열처리한 활성탄에 의한 흡착의 제거가 열처리를 하지 않은 활성탄보다 못한 결과가 도출되었다. 하지만 350℃에서의 열처리한 활성탄의 흡착성능은 미처리한 활성탄의 제거 성능보다 100%정도 높은 것으로 결과에 확인된다. 따라서 크롬의 선택적인 제거는 350℃로 공기 중에서 열처리한 활성탄이 흡착이 잘 일어나는 결과를 낳았다. 10% 정도의 원료가 열처리시 분실되지만 100%의 성능이 증가되는 것은 매우 경제적인 조작이라고 할 수 있겠다.

열처리한 활성탄이 오래 동안 방치하여 두었을 때 수분 등의 이물질에 의한 영향 때문에 흡착제의 성능이 저하될 것이라는 의문 제기를 ASAP2000에 의한 BET Surface Area를 밝힘으로써 공기 중에 방치하여도 흡착성능에는 크게 영향을 미치지 않는 다는 것을 Table 3. 통해 간접적으로 알 수 있다.

Table3. 공기에 방치후 중량이 열처리전과 같아졌을 때의 비표면적 비교

	350℃ 열처리후 15일간 방치된 활성탄	350℃ 열처리후 얻은 활성탄
Surface Area(□/g)	1362.3	1389.2

활성탄의 열처리를 150, 250℃에서 실시한 것이 흡착성능이 저하된 것을 분석하여 보면 150, 250℃에서 중량의 변화는 거의 없지만 활성탄의 pore size가 수축된것으로 사료되며 또한 pore size의 분율(percentage)즉, macropore, mesopore가 분포가 다르기 때문이라고 생각된다. 예를 들면macropore, mesopore는 분자량이나 분자 크기가 큰 물질도 잘 흡착할 수도 있겠지만 micropore의 분율이 많으면 분자 크기가 큰물질(예: 크롬)을 선택적으로 흡착하기 어려울 것이다. 우리가 사용되는 BET Surface Area측정의 adsorptive는 N2인데 이 gas의 분자 크기는 매우 작기 때문에 상당히 정확한 값을 얻을 수 있는 것이다.

References

1. F. Rodriguez-Reinoso, and A. Linares-Solano, "Chemistry and Physics of      Carbon", P. A. Thrower, Vol. 21, Marcel Dekker, NewYork(1985)

2. B. McEnaney, and T. J. Mays, "Introduction to Carbon Science", H. Marsh,     154, Butterworths, London(1989)

3. S. J. Gregg, and K. S. W. Sing, "Adsorption, Surface Area, and Porosity",     2nd ed. Academic Press, New York(1982)

4. B. McEnaney, "Adsorption and Structure in Microporous Carbons", Carbon,     Vol. 26, 267(1987)

5. B. Singh, "Activated carbon for removal of Toxic Chemicals from              Contaminated Water", Carbon, Vol. 34, 327(1996)