0.5wt% CAC Beads를 이용한 구리와 페놀의 흡착

김미희, 기영훈, 전문숙, 최형화, *문 희, 양재호

전남대학교 화학공학부 *전남대학교 응용화학부

The adsorption of copper ions and phenol

using the 0.5wt% CAC beads

M. H. Kim, Y. H. Ki, M. S. Jeon, H. H. Choi, *H. Moon, J. H. Yang

Dep. of Chem. Eng., Chonnam Nat'l Univ., Kwangju 500-757, Korea

*Faculty of Applied Chem. Chonnam Nat'l Univ., Kwangju 500-757, Korea

서  론

물은 모든 생명체의 근원이며 생존을 위한 필수적인 자원이므로 물 없이는 어떤 동식물도 생존을 유지할 수 없다. 그러나, 현재 배출되고 있는 오염물은 자연계 스스로의 자정한계를 넘어 인간은 물론 동식물의 생존 자체를 위협하고 있는 실정이다. 이러한 물의 오염은 공장폐수와 생활하수가 그 주범이 되고 있다. 폐수처리의 한 방법으로 소개된 흡착기술은 다른 방법과 마찬가지로 여러 방면에서 다양하게 이용되고 있으며, 흡착능이 우수한 흡착제를 개발하고 발전시키기 위한 노력이 계속 진행되고 있다.

수질오염을 일으키는 독성물질은 크게 중금속과 유기염소계 화합물로 나눌 수 있다. 수은, 구리, 납, 카드뮴, 코발트, 망간, 아연 등과 같은 중금속은 소량으로도 인체에 독성을 나타내며, 분해되지 않아 심각한 환경문제를 일으킨다. 또한 페놀은 특유한 냄새를 갖는 무색의 결정으로 페놀수지와 나일론 등 섬유를 제조하는데 원료로 사용되며, 살균력이 좋기 때문에 병원에서 소독제로 널리 사용되고 있다. 페놀이 수중에 1mg/l 이상 함유되어 있으면 특이한 맛과 냄새를 유발하며, 특히 염소와 반응하여 염화 페놀류가 생성되어 매우 심각한 악취를 유발한다[1].

자연계에 존재하는 polysaccharide 중에서 가장 풍부한 키틴을 부분적으로 탈아세틸화한 키토산은 N-acetyl-D-glucosamine과 D-glucosamine의 임의의 형태인 공중합체이다. 이러한 키토산은 내알칼리성이 우수하여 친수성화나 소수성화가 용이하고 전이금속에 대한 흡착력이 뛰어나고, 여러금속 이온과 킬레이트를 선택적으로 형성하여 친화력이 있어 폐수중의 중금속 흡착제거에 매우 효과가 높다. 반면에, 큰 비표면적을 가진 활성탄은 값이 싸고, 흡착능력이 뛰어나 각종 물질들의 흡착제나 탈취제 등으로 널리 사용되는데 중금속, 방사성 물질 및 단백질 등과 같은 물질의 흡착 능력에는 한계가 있다[2-3].

본 연구에서는 키토산과 활성탄의 장점을 이용하여 폐액으로부터 동시에 유기물과 무기물을 제거하기 위해 0.5wt% CAC(Chitosan-Activated Carbon) beads를 제조하였다. 이 0.5wt% CAC beads를 사용해 구리와 페놀에 대한 흡착등온 및 흡착속도 실험을 통하여 흡착특성을 조사하고 흡착공정에 대한 기초 자료를 얻고자 한다.

실  험

평균분자량이 4.5×105, 탈아세틸화도가 91%인 키토산을 jar mill을 이용해 일주일 이상 분쇄한 다음 200mesh의 체(sieve)를 통과한 분말을 실험 시료로 사용하였다. 0.5wt% CAC beads를 제조하기 위하여 초산 100ml에 키토산 분말 3g을 혼합해 키토산 colloid 용액을 만든 후, Calgon Co.의 F400 활성탄을 분쇄한 PAC(powder activated-carbon)를 1.5g 혼합해 5시간정도 교반한다. 이 CAC colloid 용액을 주사기에 주입한 후 Syringe pump(Orion model 362)를 이용해 충분히 교반되고 있는 겔화제인 2N NaOH에 적하하여 구형의 0.5wt% CAC beads를 제조하였다. 이 0.5wt% CAC beads를 pH가 중성이 될 때까지 증류수를 이용하여 세척하였다. Beads 내부의 pore 발달을 위해 95%의 에탄올에 하루정도 교반한 후 증류수로 수회 세척해 구리와 페놀에 대한 흡착등온 및 흡착속도 실험에 이용하였다.

구리의 농도분석은 Orion Cat. No. 940011 ISA(ion strength adjuster)를 100:2의 비율로 혼합하여 ion meter를 이용하여 분석하였고, 페놀수용액은 UV-visible spectrophotometer(Shimadzu, model UV-1601)를 이용하여 270nm에서 측정하였다. 실험에 사용된 증류수는 Milli-Q RG로부터 얻어진 2차 증류수를 사용하였다.

결과 및 고찰

Table 1은 본 연구를 위해 사용된 chitosan beads, 활성탄(activated-carbon), 그리고 0.5wt% CAC beads의 특성을 나타내었다. 습윤상태의 CAC beads의 평균크기는 측정한 결과 2.92mm였으며, BET 측정법에 의한 동결 건조된 CAC beads의 표면적은 516 m2/g이다. 또한 CAC beads의 다공성 유무를 고찰하기 위해 촬영한 SEM사진을 Fig. 1과 2에 나타내었다. 그림에서 보여지듯이 비드 내부와 외부에 복잡한 그물모양과 삼차원적 망상구조를 확인할 수 있었으며, 동결 건조된 비드는 다공성임을 확인할 수 있었다.

Table 1. Physical properties of chitosan beads, activated carbon and CAC beads.

Property	Chitosan bead	Activated carbon	0.5wt% CAC bead
Trade name	Chitosan	Calgon F-400	-
Sieve NO.	16-20 mesh	16-20 mesh	-
Mean diameter[mm]	1.4	1.4	2.92
BET surface area [m2/g]	258	1114	516
Porosity[%]	27.54	56.12	36.93
Pore radius[Å]	27.32	54.17	15.4
Pore volume[cm3/g]	0.352	3.017	0.397

×5,000                                  ×1,000

Fig. 1 SEM photography of external surface            Fig. 2 SEM photography of internal surface

of 0.5wt% CAC beads in a freeze dryer.                of 0.5wt% CAC beads in a freeze dryer.

Fig. 3은 0.5wt% CAC beads에 대한 구리와 페놀의 단일성분에 대한 흡착등온식을 실험으로부터 얻은 단일성분 흡착평형 결과로부터 Sips 흡착등온식에 적용하여 결정하였다. 그림에서 보여주듯이 CAC beads에 대한 흡착강도는 구리이온이 페놀보다 강한 것으로 나타났다. 구리와 페놀의 이성분계 흡착은 실험값과 예측한 값을 비교하여 Fig. 4에 나타내었다. 본 실험에서는 다성분 흡착등온식으로 IAST(Ideal Adsorbed Solution Theory)를 이용하였다. 이는 보여지지는 않았지만 Extended Langmuir식 이나 LRC보다는 더 좋은 결과를 보여주었다.

회분식 흡착 실험에서 본 연구와 같이 흡착제를 cage에 담아 실험하는 경우에는 대개 흡착개시 후 300초 이내의 초기 농도변화로부터 입자-용액간 물질전달계수를 구할 수 있다. Fig. 5는 0.5wt% CAC beads를 이용하여 구리와 페놀의 단일성분에 대한 회분식 실험 결과이다. 세공확산모델을 이용하여 구한 이론치와 비교한 그림으로 실험치와 이론치가 잘 일치함을 보여 주고 있다. 그림에서 보듯이 구리이온에 대한 초기 흡착속도가 페놀보다 빠르게 진행되고 있음을 알 수 있었다. 이는 키토산은 중금속에 비하여 유기물에 대한 흡착용량이 작고, 반면에 활성탄은 중금속에 비해 유기물에 대한 흡착 용량이 크기 때문에 이런 결과가 나왔다. Fig. 6은 구리이온과 페놀의 이성분계 흡착 실험 결과이다. 두 개의 그림에서 보듯이 단일성분 실험결과와 이성분계 실험결과는 반대의 경향을 보여준다.

이는 아마도 pH의 영향으로 생각되어진다. 이성분계에서 구리이온과 페놀이 흡착되면서 수소이온이 나와 이로 인해 키토산에 있어 구리이온의 흡착을 방해하는 것으로 보여진다.

결 론

활성탄과 chitosan을 이용하여 제조한 0.5wt% CAC beads에 대한 구리와 페놀의 흡착에 있어 구리의 흡착 친화도가 페놀보다 더 큼을 알 수 있었다. 이성분계 흡착에서는 실험값과 예측한 값에 차이가 있지만 IAST에 의해 나타내었다. 단일성분의 회분식 실험결과는 세공확산모델을 이용하여 얻은 이론치와 잘 일치하였다. 하지만 이성분계 회분식 실험에서는 흡착 속도에 있어 반대의 경향을 보여주었다. 이는 pH의 영향으로 보여진다. 이러한 0.5wt% CAC beads에 대한 구리와 페놀의 흡착평형과 회분식 실험결과로부터 CAC beads는 키토산과 활성탄의 비율에 따라 폐수로부터 유기물과 무기물을 동시에 제거할 수 있는 새로운 흡착제로 생각된다.

참고 문헌

1. Registry of toxic effect of chemical substances, (1994), Toxiline on Silver     Platter.

2. G. A. F. Roberts, "Chitin Chemistry", Macmillan Press LTD, London,         1(1992).

3. K. H. Chung, J. of Korean Ind. & Eng. Chemistry, 10, 166(1999).