단일성분계와 이성분계에서 금속이온의 전기흡착 거동

정종헌, 김준수*, 문제권, 유승곤*, 오원진

한국원자력 연구소, *충남대학교 공과대학 화학공학과

The Electrosorption Behaviors of Metal Ions

in Single Component and Binary Component System

C.H. Jung, J.S. Kim*, J.K. Moon, S.K. Ryu*, W.Z. Oh

Korea Atomic Energy Research Institute

*Dept. of Chemical Engineering, Chungnam National University

서 론

전기흡착기술은 최근 관심이 집중되고 있는 전기화학적 폐액처리 기술중의 하나로서 전극으로 작용하는 전기전도성 흡착제의 전위 조절에 의해 전극 표면전하의 제어가 가능하고, 전위차를 이용하여 폐액중 존재하는 이온, 분자 및 부유입자를 흡착할 수 있는 특징을 갖고 있다. 전기흡착의 주요 구성요소인 전극은 높은 전기전도도와 큰 비표면적 등과 같은 폐액처리 환경에 적합한 특성을 가져야  한다. 탄소체는 상기 두 가지 전극재료 특성을 만족하며 내방사능성과 내화학성이 우수하므로 방사성 폐액 처리용 전극소재로서 사용할 수 있다. 탄소 전극을 사용하여 금속을 전기흡착하는 방법들이 많이 연구되고 있다[1]. 특히 활성탄소섬유(ACF)는 탄소체 중 비표면적이 매우 높고 기공내로 유체의 침투성이 우수할 뿐만 아니라 취급이 용이한 부직포나 천의 형태로 가공할 수 있어 전극소재로서  매우 적합하다.

본 연구에서는 제염폐액의 정화처리 및 분리 기술로서 전기흡착 기술의 조업조건과 다성분계에서의 금속이온 분리조건을 도출하기 위해, ACF 부직포를 전기흡착 전극으로 사용하여 여러 가지 매개변수의 변화에 따라 단일성분계와 이성분계에서 금속이온의 전기흡착 거동을 조사하였다.

실 험

회분식 전기 흡□탈착실험에 사용한 장치는 potentiostat(EG&G M273)과 1L 플라스크(EG&G G00960)셀로 구성되었으며, 작업전극으로는 핏치계 ACF 부직포를 사용하였다. current collector로 사용된 흑연봉(EG&G PARC Model G0091)에 전기전도성 carbon cement(Leit-C)로 ACF 부직포를 접착시켰다. 상대전극으로는 pt wire를 기공크기 40Å인 vycor 튜브(vycor No 7930)내에 설치하여 작업전극과 분리시켰다. 기준전극으로는 포화칼로멜전극(Saturated Calomel Electrode, SCE)을 사용하였다. 전해질 용액으로는 16(M□□cm)이상의 저항값을 갖는 탈염수로 제조한 0.1N NaCl(Junsei Chemical Co.)용액을 사용하였으며 입자상의 CoCl2(Merck Co.)와 SrCl2(Junsei Chemical Co.)를 고농도로 제조한 후 NaCl 전해질 용액에 혼합하여 원하는 농도의 실험용액으로 사용하였다. 혼합용액의 pH는 0.1N NaOH 또는 HCl을 첨가하여 조절하였다. 용액중의 용존 산소는 전극 표면에서 쉽게 환원될 수 있기 때문에 실험전에 N2 가스로 40분간 용액을 탈기시켰다.

사전 실험을 통해 확인된 페러데이 반응이 일어나지 않는 전위범위내의 고정된  여러 전위에서 단일성분계와 이성분계에서의 흡착 거동을 조사하였다. 금속이온들의 농도분석은 AA(Perkin-Elmer 1100B)를 사용하여 이루어졌다.

결과 및 고찰

본 실험에 사용된 ACF 부직포의 물리적 성질과 전기/화학적 성질을 Table 1에 나타내었다. 이 작업전극용 ACF는 큰 BET 비표면적과 기공부피를 가지며, 기공의 대부분이 반경이 약 10Å인 미세공으로 되어있다. 전기흡착에 사용되는 탄소체는 전기전도도가 최소 0.1(□□cm)-1이고 1.0(□□cm)-1보다 큰 전기전도도를 가지는 것이 좋다[2]. ACF 부직포는 72(□□cm)-1의 전도도값을 나타내어 기존에 보고된 탄소체보다 더 큰 전도도를 보이는 좋은 전도성 전기흡착제로서 이용할 수 있음을 알 수 있다[2-3].

폐액중 함유된 주요 금속이온 중 하나인 Co2+의 전기흡착실험을 여러 전위조건에서 수행하여 미가용전위(Open Circuit Potential)에서의 일반흡착 결과와 비교하였다. 미가용전위에서 Co2+의 흡착결과를 나타낸 Fig. 1로부터 전기흡착제의 질량증가에 따라 흡착%가 증가함을 알 수 있다. 그러나 단위 흡착제 질량당 흡착 용량은 1.5mg/g으로 동일하였다. Fig. 2는 약 0.5g의 흡착제를 사용하여 가용전위 변화에 따른 흡착 %를 나타낸 것이다. 가용전위 -0.3V의 경우 -0.2V의 경우보다 초기 흡착 속도가 약간 빠르긴 하지만 흡착평형에 도달한 시간은 약 7시간으로 큰 차이가 없었다. 에너지 효율면에서 -0.2V가 더 유리하기 때문에 최적 흡착 전극 전위로 -0.2V를 선택하였다. -0.2V의 가용전위에서 흡착제의 질량변화에 따른 흡착% 조사결과(Fig. 3) 약 5g의 흡착제를 사용한 경우가 약 0.5g의 흡착제를 사용한 경우보다 초기 흡착 속도가 약간 빠르긴 하지만 흡착평형에 도달하는 시간은 약 7시간으로 큰 차이가 없었으며 흡착제 단위 질량당 흡착 용량값은 0.5g의 흡착제를 사용한 경우가 40mg/g으로 5g의 흡착제를 사용한 경우(3.5mg/g)에 비해 약 10배이상 큰 것을 알 수 있다. 흡착제 질량 0.25g과 0.12g의 경우 흡착 용량이 높기는 하지만 흡착평형 도달 속도가 낮아 속도관점에서 불리하여 최적 흡착제 양으로 0.5g을 선택하였다. 가장 유리한 흡착조건인 0.5g의 흡착제를 사용해서 -0.2V의 가용전위에서 포화흡착을 시킨 다음 흡착전위를 역전시켜 탈착을 진행하였다. 탈착 변수인 가용전위와 초기 pH 변화에 따른 탈착 %를 나타낸 Fig. 4의 결과로부터 같은 pH에서 양의 전위가 증가할수록 그리고 같은 전위에서 pH가 낮을수록 탈착이 더 잘 일어남을 확인할 수 있다. 탈착 전위 +0.5V, pH 3.5인 경우 같은 전위, pH 5일 때 보다 탈착율이 증가하긴 했지만 100% 탈착은 이루어지지 않은 반면, +0.7V의 전위에서는 보다 높은 pH  조건인 pH 5에서도 쉽게 탈착이 진행됨을 알 수 있다. 따라서, pH 보다는 가용전극전위가 탈착거동에 지배적 인자임을 확인할 수 있으며 최적 탈착 전극전위와 초기 pH로 각각 +0.7V와 5를 선택하였다. ACF 전극의 연속 재생능을 확인하기 위해, 흡착과 탈착단계로 구성된 주기적 실험이 수행되었다. 세 번의 실행 주기동안 각각의 주기에서의 흡착과 탈착 시 잔류농도 확인 결과(Fig. 5) 주기의 진행에 따라 흡□탈착 속도면에서 약간의 차이가 크지만 평형 흡□탈착량에는 변화가 없이 세 번의 주기동안 흡□탈착 거동이 유사함을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 ACF 전극의 전위를 역전시킴으로서 전극에 흡착된 흡착질 이온을 전기적으로 탈착시킴과 동시에 탄소체 전극이 직접 재생되는 사실을 알 수 있었다. 또한 이와 같은 흡착과 탈착 재생공정은 3회 이상 여러 주기동안 실행가능함을 확인할 수 있었다.

폐액중 함유된 또 다른 주요 금속이온중 하나인 Sr2+에 대한 미가용전위에서의  일반흡착 실험결과 흡착이 거의 이루어지지 않았다. Fig. 6은 가용전위 변화에 따른 Sr2+의 흡착 %를 나타낸 것이다. -0.2V를 제외한 모든 음의 가용전위에서 초기 흡착속도만 약간 차이가 날뿐 100% 흡착이 이루어지며 유사한 전기흡착 거동을 나타내었다. -0.4V의 경우 흡착평형 도달 시간이 길기 때문에 Sr2+의 최적 흡착 전극전위로 -0.5V를 선택하였다. 흡착제 질량 0.5g, 가용전위 -0.5V, 그리고 초기 pH 5.0의 조건에서 포화흡착을 시킨 다음 흡착전위를 역전시켜 탈착을 진행하였다. 초기 pH 5.0에서 가용전위 변화에 따른 탈착%를 나타낸 Fig. 7로부터 양의 가용전위에 비례하여 평형흡착량이 증가하였으며, 흡착속도 또한 가용전위 증가에 따라 증가함을 알 수 있다. Fig. 8은 이성분계에서 가용전위 변화에 따른 Co2+와 Sr2+의 제거율을 나타낸 것이다. Co2+의 전기흡착은 Sr2+의 존재에 무관하게 단일성분으로 존재할 때와 유사한 거동을 보인반면, Sr2+의 경우 Co2+의 흡착이 100% 진행된 후 흡착이 일어남을 알 수 있다. 따라서, ACF 흡착제 전극내 active site에 Co2+가 Sr2+에 비해 보다 경쟁적이며, 전기흡착 공정에 의한 두 금속성분의 분리가 쉽게 이루어 질 수 있음을 알 수 있다.

참고문헌

[1] Albert, B., John, W.Z., Alfred, H.S., Perter, G.S., Dacheng, T., Yue, X.:

J. Energy & Fuels, 11, 348-353(1997).

[2] Evans, S. and Hamilton, W.S.: J. Electrochemical Society, 113, 1314

(1966).

[3] Fairhurst, D.: " Activated Carbon Cloth Electrode for Electroad-

sorption", UK Patent GB 2,081,744(1982).

Table 1. Properties of ACF felts

Physical property		Electro/chemical property
Specific S/A(m2/g)	1950	Conductivity(ohm·cm)-1	72
Total pore vol.(cc/g)	0.94	pH	6.4
Micro pore vol.(cc/g)	0.77	Surface acidity (meq/g)	0.38