산·염기 처리 활성탄의 물리·화학적 특성

이석기, 박영성, 박병배*

대전대학교 환경공학과, 충남대학교 화학공학과*

Physical and chemical Characteristics of activated carbon

treated with acid and base

Suk-ki Lee, Yeong-Seong Park, Byung-Bae Park*

Department of Environmental Engineering, Taejon University

Department of Chemical Engineering, Chungnam National University*

1. 서론

유기물이나 중금속의 제거에 널리 사용되어온 활성탄(AC, activated carbon)은 화학적, 방사선적, 열적 안정성이 높으며 다른 합성물에 비해 견고한 기공구조와 기계적 강도 등의 측면에서 장점이 있다. 활성탄은 이론 교환수지에 비하여 폐기물처리(고화처리)도 용이하고 공정의 유지, 보수시켜 비용 측면에서도 1/10 정도로 저렴하다.  활성탄을 이용하여 오염 물질을 흡착 제거하고자 할 때에는 활성탄의 기공구조, 비표면적, 기공분포와 같은 물리적인 성질보다는 수용액 내에서 이온의 농도, 대기중의 오염물 분압 등에 영향을 받는다. 특히 활성탄 표면에 형성된 표면 관능기에 의한 화학적 특성이 활성탄의 흡착능에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

활성탄의 화학적 특성은 활성화 과정에서 온도나 기타 결합원소들에 의해 결정되는데, 인위적인 강산, 강염기로 표면처리하여 화학적 특성을 변화시키고자 하였다. 표면 처리 방법에따라 활성탄 표면의 산도, 염기도 등이 변화하여 흡착능에 많은 영향을 나타내게 된다.

본 연구는 표면처리된 활성탄의 물리적인 변화와 화학적 특성변화에 대하여  실험적으로 고찰하였다. 이와 같은 연구목적을 위하여 강산(H3PO4, HNO3),강염기(NaOH, KOH)로 각각 표면처리된 활성탄을 제조하고, 시료에 대한 물리적인 특성분석을 위하여 BET, SEM 표면분석 및 열천칭(Thermogravimetric analyzer, TGA) 등과 화학적 특성파악을 위해 시료에 대한 원소분석, 중화적정법 등 다양한 분석 기법으로 분석하였다.

2. 실험

2.1 질량 증가(wt%) 측정

본 실험에서는 국내의 동양탄소(주)에서 제조한 8 ∼ 30 mesh 크기의 활성탄을 사용하였다. 체 분리한 활성탄내의 불순물을 제거하기 위해 증류수를 이용하여 충분히 세척한 후 150℃에서 24시간 이상 건조하여 실온에서 데시게이터에 보관하였다. 실험에 사용한 활성탄은 아래와 같은 방법으로 표면처리를 하였다.

산처리 방법으로 HNO3, H3PO4 등 고농도의 강산 원액을 실험농도(1, 3, 5M)로 희석한 후 산성용액과 활성탄을 25ml : 1g 비율로 혼합하여 4시간 동안 교반시키 후 산처리 된 활성탄을 증류수를 이용하여 3회 이상 충분히 세척한 후 150℃에 서 24시간 건조하여 데시게이터에 보관하였다.

염기처리 방법으로는 NaOH, KOH 등 강염기의 시약을 실험 분자량( 1, 3, 5 g-분자량) 만큼 정량하여 라운드 플라스크에 녹인 후, 제조된 염기성 용액과 활성탄을 산처리 방법과 같은 방법을 다시 실행하여 제조한다.

2.2 열천칭분석

강산(H3PO4, HNO3),   강염기(NaOH, KOH)용액으로 첨착된 활성탄의 열적변화특성을 조사하기 위해 열천칭(Du-pont, 2050)을 사용하여 승온·탈착실험을 수행하였다. 실험은 활성탄 시료를 Sample pan에 놓은 후, 질소가스 분위기 하에서 10oC/min으로 가열하고, 373K에서 1시간을 유지한 후 다시 1273K까지 10oC/min 속도로 승온시키면서 탄소표면에 존재하는 산소그룹이 분해되어 일산화탄소와 이산화탄소로 분출될 때 수반되는 질량감소특성을 조사하였다.

2.3 pH 분석

활성탄 시료 0.5g을 증류수 20ml가 담긴 50ml pyrex 용기에 첨가시킨 후 12시간 동안 기계적 진탕을 한다. 이 용액을 정치시킨 후 membrane filter(4.5□ nylon filter)로 여과하여 pH측정기(HM-30V)로 상등액의 pH를 측정하였다.

2.4 중화적정분석(Boehm method)

시료 활성탄 1g을 강도가 다른 세 종류의 0.1N 염기용액(NaHCO3, Na2CO3, NaOH) 100ml와 혼합하여 48 시간동안 기계적 진탕 후, 활성탄을 침강시켜 맑은 용액을 얻었다. 이때 얻어진 상등액 10ml를 pH 측정장치가 부착된 적정장치(Metrohm titroprocessor Model 682)을 사용하여 탄소 표면에 존재하는 산성 표면관능기의 양을 측정하였다.

3. 결과 및 검토

활성탄을 강산(H3PO4, HNO3)과 강염기(NaOH, KOH)로 표면처리할 때 활성탄 표면의 물리,화학적 변화를 파악하기 위하여 BET, SEM 표면분석 및 열천칭(Thermogravimetric analyzer, TGA) 분석과 원소분석, 중화적정 등의 분석기법을 통하여 분석하였으며, 아래와 같은 결과를 얻었다.

Fig. 1은 강산(H3PO4, HNO3) 및 강염기(NaOH, KOH)로 표면처리한 활성탄의 농도 변화에 따른 질량 증가(wt%)를 나타낸 그래프이다. 표면처리에 사용된 용액의 농도를 1∼5M로 증가하였을 때, 강산 및 강염기로 표면처리한 활성탄의 질량증가(wt%)가 표면처리용액의 농도에 비례하여 증가하는 경향을 보이고 있다.

Fig. 2는 승온·탈착 실험에 의한 질량감소(wt%)를 나타낸 결과이다. 표면처리에 사용된 용액의 농도가 증가할수록 표면처리된 활성탄의 질량감소가 늘어나는 경향을 보이고 있다.

이와 같이 승온·탈착에 의해 일어나는 질량감소는 산소와 탄소가 결합해서 여러 가지 조성의 화합물인 CXOY를 생성하게 되고, 이 화합물이 가열에 의해 CO와 CO2로 급격하게 분해되기 때문이다.

Fig. 3은 표면처리에 따른 활성탄의 pH 변화를 나타낸 그래프이다. 강염기(NaOH, KOH)로 표면처리한 활성탄은 표면처리에 사용된 용액의 농도가 증가할수록 pH가 농도에 비례하여 증가하는 경향을 보이고 있다. 이러한 이유는 표면처리에 사용된 강염기의 농도가 증가함에 따라서 알칼리성분의 활성탄 표면 중화기능에 의해 활성탄 표면의 산성 관능기가 감소하게 되고 이로 인해 pH값이 증가하게 되는 것으로 볼 수 있다.

Fig. 4는 표면처리된 활성탄의 산도를 조사하기 위해 Boehm이 제안한 방법에 따라 NaOH로 표면처리한 활성탄의 중화적정분석결과이다. 표면처리 용액의 농도를 1∼5M로 증가시켰을 때, NaHCO3에 의해 적정된 carboxyl group은 0∼0.14meq/g-AC, Na2CO3에 의해 적정된 carboxyl group과 lacton group은 0∼0.341meq/g-AC, NaOH에 의해 적정된 carboxyl group과 lacton group 및 phenol group은 0∼0.541meq/g-AC로 표면처리에 사용된 NaOH 용액의 농도에 산도가 반비례하는 경향을 보이고 있다.

4. 참고문헌

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Fig. 1 Variation of weight growth(%) for AC treated with acid and base	Fig. 2 Variation of weight loss(%) for AC treated with acid and base

Fig. 3 Variation of pH for AC treated with base	Fig. 4 Surface characteristics of AC by titration method