활성탄소섬유와 활성탄을 이용한 수중 잔류염소와 페놀의 흡착

이재광, 김경진, 김선영, 양범호, 유승곤

충남대학교 공과대학 화학공학과

Adsorption of residual chlorine and phenol onto Activated

Carbon Fiber and Active Carbon

J. K. Lee, K. J. Kim, S. Y. Kim, B. H. Yang, S. K. Ryu

Dept. of Chem. Engineering Chungnam National University

서론

공업화, 산업화가 진행되면서 환경오염의 심화로 수질의 악화가 가속되고 있어 기존의 방식으로는 처리가 불충분하다. 이를 위하여 상수도 처리과정에서 염소소독을 실시하고 있으며 보건복지部令 제 106조에 규정된 우리 나라의 음료수 수질 기준에 의하면 수돗물 공급 꼭지에서의 잔류염소 농도는 0.2ppm 이상이 되도록 상수도 정수 과정에서 염소 소독을 실시하여야 한다. 그러나 물 속에 염소를 주입함으로써 살균, 냄새 제거, BOD제거 등의 목적은 달성 할 수 있지만, 잔류염소는 수중의 유기물과 결합하여 인체에 해로운 염소 화합물을 생성시킬 수 있으며 이들 중에는 THM(Trihalomethane)과 같은 발암물질인 것도 있다[1].

또한 근래에 페놀 함유 폐수량의 증가로 상수원을 비롯하여 수질이 더욱 악화되고 있다. 페놀은 강력한 살균 작용을 하며 불쾌한 냄새와 맛을 내고 부식성이 강하여 인체의 피부를 해친다.

잔류염소의 제거를 위한 방법중 실용적 방법으로 활성탄에 의한 흡착 제거 방법이 있으며, 수처리에서의 페놀 제거공정은 과잉염소처리, 이산화염소 또는 클로로아민 처리, 오존처리 그리고 활성탄 흡착 등이 있는데 이중에서 염소 처리는 냄새와 불쾌한 맛의 클로로페놀을 발생시키므로 고도처리를 위해 활성탄 흡착을 병행한다. 그러나 활성탄에는 몇 가지 문제점이 있다.

입상 활성탄인 경우에는 건설비가 많이 드는 여과조를 만들어야 하며 여과조에 걸리는 압력손실 외에도 흡착 시간이 길기 때문에 고비점 물질이나 중합물이 장시간 활성탄내에 체류하여 흡착물의 분해나 중합반응 발생 활성탄의 열화가 촉진되고 편류 및 긴 비사용층 길이 등으로 효율이 나쁘며 재생의 어려움으로 그 자체가 폐기물이 되고 있다. 따라서 기상/액상 흡착 능력이 월등하고도 사용하기 편리하며 재생성이 우수한 새로운 흡착제 개발의 필요성이 강력히 요구되고 있다.

새로운 흡착제로 주목받고 있는 활성탄소섬유(Activated Carbon Fiber, ACF)는 분말상 또는 입상 활성탄이 갖는 단점을 보완할 수 있을 뿐만 아니라 균일하고 작은 미세공들이 모두 표면에 노출되어 있으므로 확산 저항이 작아 매우 신속한 흡착 속도를 보이며 직포나 부직포 등으로 성형하여 사용할 수 있다는 이점을 갖고 있다. 활성탄소섬유(Activated Carbon Fiber)는 이러한 요구를 충족시켜 줄 수있는 새로운 타입의 흡착제이다[2].

본 연구에서는 범용의 활성탄소섬유와 활성탄을 이용하여 수중 잔류염소와 페놀을 흡착제거함으로써 두 흡착제의 특성을 비교 분석하고자 하였다.

실험

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 24시간동안 건조기에 넣고 건조시킨 후 desicator에 보관하여 사용하였다. 또한 그 물리적 특성을 알아보고자 77K 에서 상대압력에 따른 질소흡착으로 등온흡착곡선을 측정하였다.

실험에 사용된 염소용액은 차아염화칼슘(Ca(ClO)2)으로 이를 증류수에 녹여 제조한 것을 사용하였고 페놀은 Shinyo Pure Chemicals Co. Ltd.의 제품을 사용하였다.

액상 흡착평형 실험은 연속교반 회분식으로 수행하였다. 30ml 염소수용액과 페놀수용액 각각에 0.1g의 흡착제를 넣고 50ml polyethylene 용기에 가한 다음 테프론 테이프로 완전히 밀봉 하였다.

실험에 사용한 용액의 pH는 8.0, 초기 농도는 7000(mg/l)으로 하였고 원하는 농도는 2차 증류수로 희석하여 준비하였다. 실험은 항온(20±0.5℃)에서 240 cpm의 교반속도 조절이 가능한 진탕기로 24시간 연속교반 하였으며, 교반이 끝난 후 20ml를 흡인 여과용 깔때기(지름 15mm)와 거름종이(5종C, 지름 20mm)로 거른 뒤  자외선 분광기(model: Milton roy spectronic 601)로 농도를 측정했다.

농도 분석 방법은 미 환경보건국의 Standard methods의 수중잔류염소와 페놀 분석법에 의해 실시하였다[3].

소형 칼럼에서의 흡착 실험은 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 유량 10(ml/min)로 흘려 보낸 후, 농도 10(mg/l)의 용액으로 바꾸어 하향류로 유입시켰으며, 유출된 용적을 측정하면서 유출액을 받아 농도를 측정하였다.

결과 및 토론

77K에서 상대압력의 변화에 따른 질소흡착량은 Fig. 1에 나타내었으며 BET식을 이용하여 구한 두 흡착제, 활성탄소섬유와 활성탄의 비표면적은 각각 약 1500m2/g과  900m2/g으로 비교적 넓은 비표면적을 나타내었다. 그림에서 두 흡착제는 기체 등온곡선중 Type I형인 favorable한 형태를 보이며 초기부분에서 포화되어 효과적이고 신속한 흡착을 보이고 있었다.

Fig. 2는 페놀용액, Fig. 3은 염소용액에 대한 활성탄소섬유와 활성탄의 평형흡착량을 측정한 결과이다. 두 흡착제는 모두 유리형 등온곡선을 나타내고 있어 잔류염소와 페놀의 흡착에 유리함을 보이고 있고 섬유가 탄에 비하여 훨씬 유리한 형태를 나타내고 있다. 단위체적당 활성탄소섬유의 페놀에 대한 포화흡착량은 약 0.16g이고 잔류염소에 대해서는 약 0.5g이며 활성탄은 페놀에 대하여 약 0.18g, 잔류염소에 대해서는 약 0.95g이었다.

흡착량은 두 흡착질에 대하여 활성탄소섬유가 많은 양을 흡착하였는데, 이는 두 흡착제가 가지고 있는 비표면적의 차이에 의한 것으로 보이며, 섬유의 등온선형태가 더욱 유리형을 보이는 것은 표면에 드러나 있는 균일한 미세기공에 의한 영향으로 판단된다. 한편, Fig. 2에서 흡착등온곡선의 형태를 비교해 보면 곡률이 비슷함을 보이고 있으나 Fig. 3에서는 활성탄소섬유가 훨씬 큰 것으로 나타나고 있다. 이는 분자량은 비슷하지만 페놀은 잔류염소에 비하여 분자가 차지하는 면적이 넓어 흡착에 방해를 받은 것으로 보인다. 즉, 분자량이 작은 잔류염소는 기공반경의 영향을 덜 받으므로 대기공과 중기공을 거쳐야 하는 활성탄에 비하여 활성탄소섬유는 이 과정이 생략되어 있어 더욱 신속한 흡착이 이루어지며, 이에 반하여 페놀은 넓은 분자 형태로 대기공과 중기공을 거치는 과정에서는 큰 영향을 받지 않지만 미세기공에서는 분자체체질 현상으로 인하여 흡착이 방해받은것 같다.

흡착량에서 활성탄은 두 용액에 대하여 서로 비슷한 포화흡착량을 보였지만 활성탄소섬유는 페놀보다 잔류염소를 약 2배 정도 흡착하여 비표면적의 영향 보다는 기공반경에 의한 영향이 지배적임을 보이고 있다.

흡착평형관계는 수용액의 흡착에 가장 많이 이용되는 Freundlich 흡착평형식, q=kC1/n을 이용하였으며 흡착등온식의 parameter는 실험data를 이용, 최소자승법으로 구하여 그 결과를 Table 1 에 나타내었다.

Table 1. Freundlich parameters for ACF and AC at 20℃

absorbent	absorbate	parameter
		k	n
ACF	chlorine	440.02	4.43
	phenol	41.84	4.81
AC	chlorine	21.01	2.58
	phenol	1.766	0.20

Table 1에서 흡착강도(adsorption strength)를 알아볼 수 있는 1/n값은 활성탄섬유가 활성탄보다 작아 더욱 favorable한 것으로 나타났으며, 섬유상이 더 높은 흡착강도를 갖고 있었다[4].

소형 칼럼 흡착에 의한 파과곡선은 Fig. 4에 나타내었다. 파과점을 0.1(C/Co)로 하여 파과점까지의 유출량을 비교하면 활성탄소섬유는 잔류염소에 대하여 약 16.6l, 페놀에 대하여 약 5l로 나타났으며 활성탄은 잔류염소에 대하여 약 8l, 페놀은 약 3l로 나타났다. 파과곡선의 형태는 흡착평형등온곡선의 형태에 따라 비슷한 모양을 보이고 있다. 파과곡선의 형태에서 활성탄소섬유는 페놀보다 잔류염소에 대하여 더욱 가파른 예각을 보이고 있으므로 입구농도가 저농도일 경우에 잔류염소의 흡착제거가 더욱 효율적인 것으로 판단된다. 활성탄은 등온선에서와 같이 흡착질에 관계없이 비슷한 파과곡선형태를 이루고 있어 저농도에서의 제거는 활성탄소섬유에 비하여 덜 효율적일 것으로 판단된다.

위의 실험결과로 부터 수중 유기화합물의 흡착제거에 대해서는 활성탄소섬유가 활성탄보다 더욱 효과적인 흡착제임을 알 수 있다.

참고문헌

[1] 崔義照, 趙光明: 環境工學, 淸文閣(1995)

[2] 저농도 제염핵종과 Crud제거를 위한 활성탄소섬유(ACF) 충전 흡착

장치 특성 연구, 충남대학교 공과대학 부속 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).

Fig. 1 Adsorption isotherms of N2 at 77K on ACF         Fig. 2 Adsorption isotherms of phenol on ACF and

and AC                                                  AC(293K, 240cpm, 24hr)

Fig. 3  Adsorption isotherms of chlorine on ACF            Fig. 4 Breakthrough curves of chlorine and phenol

and AC(293K, 240cpm, 24hr)                               on ACF and AC(Co=10ppm, 10l/min, 293K)