활성탄소섬유 카트리지 휠터에 의한 수중 잔류염소의 흡·탈착 거동

송승필, 조규행, 이재광, 유승곤*

*충남대학교 화학공학과

Adsorption/desorption behavior of residual chlorine from aqueous solution by ACF cartridge filter

S. P. Song, K. H. Jo, J. K. Lee, S. K. Ryu*

*Dept., of Chem. Eng., Chungnam National University, Taejon 305-764, Korea

서론

활성탄을 이용한 수중의 유기물을 제거하는 방법이 널리 사용되고 있으나,  입상 활성탄을 대형흡착탑의 흡착제로 사용하면 탑내에 편류현상(channeling)과 압력손실(pressure drop)이 발생한다. 최근에 개발된 섬유상 활성탄은 비표면적과 세공용적이 입상 활성탄 보다 휠씬 클 뿐만아니라 발달된 세공이 모두 미세공이고 표면에 노출되어 있어서 흡착질에 대한 확산 저항이 없기 때문에 흡착속도가 빠르고 흡착용량이 크다. 또한 기본 형태가 섬유이므로 직포, 부직포, 종이 등으로 성형하여 사용할 수 있다[1-2]. 심[3]등은 활성탄소섬유를 이용하여 수중의 중금속의 흡착을, 이[4]등은 활성탄소섬유 카트리지 휠터를 사용한 수중의 잔류염소를 제거하는 실험을 하여, 활성탄소섬유의 흡착성능을 보고하였다.

한편, 활성탄소섬유 카트리지 휠터의 재생에 관한 연구는 아직까지 보고 된바가 없다. 따라서 본 연구는 활성탄소섬유 카트리지 휠터를 사용하여 수돗물내의 잔류염소를 흡착시키고 이를 다시 탈착시켜 활성탄소섬유 카트리지 휠터의 재생력을 검토하는데 목적이 있다.

실험

실험에 사용한 활성탄소섬유는 일본 Toyobo FR-15(비표면적 1500□/g)이다. 이를 (주)코리아 ACF에서 약 4mm길이로 짧게 자르고 진공 압축방법으로 내경 30mm, 외경 65cm, 길이 250mm의 원통형 정수형 카트리지로 성형하였다. 성능을 비교하기 위하여 활성탄소섬유와 활성탄(일본Kuraray Chemical Co.)을 무게비 1:1로 섞어 성형한 것을 준비하였다. 잔류염소 분석은 미 환경보건국 수질 처리방법인 'Standard Methods'의 수중 잔류염소측정에 관한 기준 중 분광광도도를 이용한 방법[5]에 따라 자외선 분광광도계(일본Shimadazu사, UV-2401PC)로 시행하였다.

정수실험은 이전에 보고[4]된 정수실험장치를 사용하여 시행하였다. 즉 염소수용액의 유입농도 4ppm, 유량 10□/min, 수온 25℃의 조건에서 활성탄소섬유 카트리지 휠터를 통과하는 유출액의 농도를 측정하여 파과곡선을 그리고 정수능력을 분석하였다. 포화 흡착된 활성탄소섬유 카트리지 휠터의 탈착은 건조(105℃, 1hr)후, 뜨거운 물(80℃,90℃,100℃)로 역세척하여 수행하였다. 카트리지의 재생율은 역세척한 카트리지의 잔류염소흡착실험을 다시 수행하고 파과점(C/Co=0.1)까지 통과된 수량의 1차 통과량에 대한 백분율로 정의하였다. 재생조건과 활성탄소섬유 카트리지 휠터의 재생율은 Table 1에 정리하였다.

결과 및 고찰

Fig. 1은 여러가지 ACF 카트리지 휠터를 통과한 잔류염소의 파과곡선들을 도시한 것이다. 정수실험을 실시한 결과 유출되는 잔류염소는 초기 농도의 50%에 이른 후부터는 거의 일정해지고 있다. 이것은 아직까지 사용되지 않은 다소 큰 세공이 흡착활동을 계속하고 있기 때문으로 판단된다. 새 카트리지의 파과점에서의 유출량은 평균 31.5ton 이었으나, ACF와 AC를 1:1로 섞어 만든 카트리지 휠터는 8.4ton에 지나지 않았다. 즉, AC를 섞으면 파과점까지의 유출량이 크게 감소하는데 이는 AC가 대기공과 증기공을 포함하고 있어서 확산저항이 크기 때문이다. 약 100ton의 유출이 있은 후 사용한 카트리지 휠터를 건조한 후, 90℃로 역세척하고 파과점까지 제 2차 수중 잔류염소 흡착실험을 한 결과 22.2ton을 정수함으로서 파과점을 기준으로 할 때 재생율은 70.7%에 이르러서 ACF:AC 결합 카트리지 보다 우수하였다. 표로부터 역세척한 온도를 증가시키면 재생율이 증가함을 알 수 있다. 또한 2차 재생에서도 재생율이 45.2%에 이름을 알 수 있다. 이렇게 재생 활성탄소섬유 카트리지 휠터의 재생율이 높은 것은 활성탄소섬유의 기공이 주로 미세기공이므로 외부에 도출되어 있어서 탈착시 내부의 확산 저항이 적기 때문이다.

Fig. 2는 정수 흡착실험시에 카트리지 휠터의 전·후 압력손실을 측정한 것이다. 그림에서 활성탄소섬유 카트리지 휠터의 경우는 재생전이나 후에도 압력손실이 0.2kgf/cm2 이하로 걸렸다. 하지만, 활성탄소섬유/활성탄 카트리지 휠터의 경우는 유량 10ton부터 서서히 압력손실이 증가하여 2.3kgf/cm2 까지 증가하였다. 이는 활성탄소섬유 카트리지 휠터는 부직포로 제작되어서 유량의 흐름이 원활하기 때문이다.

Fig. 3는 재생온도를 80℃, 90℃, 100℃로 변화에 따른 재생 활성탄소섬유 카트리지 휠터의 정수흡착 파과곡선을 나타내었다. 그림에서 활성탄소섬유 카트리지 휠터나 활성탄소섬유/활성탄 카트리지 휠터 모두 재생온도가 증가할수록 재생 효율이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 역세척한 온도가 높을수록 탈착이 유리한 것으로 카트리지 재생에서 재생 온도의 역할은 매우 중요한 것으로 생각된다.

Fig. 4는 재생횟수에 따른 재생 활성탄소섬유 카트리지 휠터의 정수흡착 파과곡선을 나타내었다. 그림에서 재생횟수가 증가하면 재생성이 떨어지는 것으로 나타났다. 그리고, 활성탄소섬유 카트리지 휠터와 활성탄소섬유/활성탄 카트리지를 비교하여 볼 때, 재생 횟수가 증가하여도 활성탄소섬유만으로 제조한 카트리지가  활성탄을 섞은 카트리지보다 전반적으로 재생률이 높았다. 이는 활성탄소섬유가 활성탄보다 흡착속도가 빠를뿐만 아니라, 탈착후의 재생도 더 잘 이루어진다고 생각된다.

결론

ACF 카트리지 휠터에 의한 4ppm 잔류염소의 흡착파과곡선에서 0.2ppm의 잔류염소농도를 파과점으로 할 때, 활성탄소섬유 카트리지 휠터(100g)는 31.5ton를 정수하였고, 압력손실은 유량이 10□/min 일 경우, 0.2kgf/cm2 미만으로 무시할 만 하였다. 활성탄소섬유와 활성탄을 1:1로 혼합하여 제작한 카트리지 휠터로 실험했을 때는 파과점까지의 정수량이 크게 감소하였으며 압력손실도 2.3kgf/cm2로 증가하였다. 포화흡착된 카트리지 휠터의 탈착은 뜨거운 물로 역세척하여 수행하였다. 90℃에서 역세척한 것의 카트리지 휠터의 파과점까지의 제 2차 수중 잔류염소흡착실험으로 탈착율은 70.7%이었다. ACF와 AC를 1:1로 혼합하여 만든 카트리지 휠터의 탈착율은 약 36.9%이었다. ACF 카트리지 휠터의 탈착율은 역세척수의 온도에 크게 의존하였으며 AC가 더해짐에 따라 재생율이 떨어졌다.

참고문헌

1. Brasquet, C., and Cloirec, P.L. : Carbon, 35, 1307(1997).

2. Kim, H., Park, H.-C., and Moon, H. : HWAHAK KONGHAK, 33,

764(1995).

3. Shim, J. W., Lee, S. M., and Ryu, S. K. : HWAHAK KONGHAK, 36,

68(1998)

4. Lee, J.-K., Ko C. Y., and Ryu S, K., : HWAHAK KONGHAK, 36,

235(1998)

5. Arnold, E. G., Lenore, S. C. and Andew, D. E. : "Standard

Methods" 4500-Cl, DPD Calorimetric Method, American Public

Health Association(1992).

Table 1. Characterization of AC/ACF and ACF filter.

	Materials	Tr 재생온도 (℃)	□r,c 재생횟수	Qb 파과점 (ton)	□r 재생율 (%)
run 1	ACF filter	-	0	31.5	-
run 2	ACF/AC filter	-	0	8.4	-
run 3	ACF filter	80	1	16.4	52.2
run 4	ACF filter	90	1	22.2	70.7
run 5	ACF filter	100	1	25.1	79.9
run 6	ACF filter	90	2	14.2	45.2
run 7	ACF/AC filter	80	1	2.5	29.7
run 8	ACF/AC filter	90	1	3.1	36.9
run 9	ACF/AC filter	100	1	3.7	44.0
run 10	ACF/AC filter	90	2	2.5	29.7

Fig. 1.  Breakthrough curves of residual chlorine on ACF cartridge filters

and regenerated cartridge filters(backwashed by 90℃ water, 4hr,

10□/min), (Co=4ppm, 10□/min).

Fig. 2.  Pressure drop of ACF/AC and ACF filter.

(Co=4ppm, 10□/min, temp.=298K).

Fig. 3.  Breakthrough curves of residual chlorine on regenerated ACF/AC

and ACF cartridge filter(80℃, 90℃, 100℃ regenerated ;

backwashed by hot water, 4hr, 10□/min), (Co=4ppm,10□/min).

Fig. 4. Breakthrough curves of residual chlorine on regenerated ACF/AC

and ACF cartridge filter(once, twice regenerated ; backwashed by

90℃ water, 4hr, 10□/min), (Co=4ppm, 10□/min).