오존 처리된 탄소섬유와 활성탄소섬유의 액상 흡착 특성

양범호, 고경렬, 이재광, 심재운, 유승곤, 김지동*

충남대 화학공학과, 한국 에너지 기술 연구소*

Adsorption characteristics of ozonized carbon fibers and activated carbon fibers in aqueous solution

B.H.Yang, K.R.Ko, J.K.Lee, J.W.Shim, S.K.Ryu, G.D.Kim*

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

Korea institute of energy research*

서론

활성탄소섬유는 액상흡착시 고정 및 이온상 흡착질을 동시에 제거할 수 있는 흡착제와 여과제로서 사용이 가능하며, 활성탄소섬유의 표면에 잘 발달한 미세공의 존재에 의해 흡착능력(흡착용량, 흡착속도)면에서 기존의 흡착제보다도 우수한 새로운 타입의 흡착제로 소개되었다.

Ryu[1]등은  수증기를 이용한 탄소섬유의 활성화를 통하여 활성탄소섬유를 제조하였고 Kim[2]등은 활성탄소섬유의 메틸렌블루와 요오드 흡착 실험을 통하여 활성화 조건에 따른 메틸렌블루와 요오드의 액상흡착의 증감을 보고한 바 있다.

최근 환경기술분야에서 새로운 기술로 부각되고 있는 AOP(Advanced Oxidation Process)관련기술중 Ozone/OH-, Ozone/Hydrogen peroxide(H2O2) 반응으로부터 생성된 강력한 OH 라디칼을 이용한 탄소섬유 및 활성탄소섬유의 표면을 개질하였으며 이 처리된 탄소섬유 및 활성탄소섬유의 액상흡착능력 증감을 확인할 필요성이 생겼다. 따라서 본 실험에서는  Ozone/OH-, Ozone/Hydrogen peroxide(H2O2) 반응을 거친 탄소섬유 및 활성탄소섬유의 요오드와 메틸렌블루 흡착 실험을 통하여 이들 섬유의 기본적 액상흡착성능시험을 하고자 한다.

실험

실험에 사용된 탄소섬유 및 활성탄소섬유의 물리적 특성을 Table 1에 보였다. 각 시료는 상온과 상온보다 약간 높은 온도로 NaOH와 과산화수소(H2O2) 수용액에서 각각 오존처리를 한 후 110℃에서 24hr 이상 건조시켰다.오존처리실험장치는 Fig.1에 나타내었다. 요오드 흡착력은 한국공업규격에 의거하여 0.1N 티오황산나트륨용액으로서 적정하였다. 적정에 사용된 적정기는 디지털 뷰렛( Rudolf Brand GmbH+ Co, D-6980 Wertheim )을 사용하였으며, 0.01□까지 정확히 측정할 수 있다. 메틸렌블루의 탈색력 측정은 0.01ppm까지 정확히 측정할 수 있는 자외선 분광기(UVS-31P, 선일)를 사용하였으며, 665nm의 파장에서 측정하였다.

Table 1. Physical characteristics of ACFs and CFs

Sample	type	specific surface area(m2/g)	total pore volume (cc/g)	average pore radius (Å)
Pitch based CF	chopped	4	0.02	**
Pitch based ACF	chopped	755	**	**
Phenolic resin based ACF	felt	1650	7.72	0.64
PAN based CF	yarn	7	0.03	**
Activated Carbon	Granular	723	**	**

결과 및 토론

Fig. 2에 오존처리된 탄소섬유와 활성탄소섬유에 대한 요오드 흡착을 나타내었다. 여기에서 시료의 비표면적에 따라서 요오드 흡착력도 증가하는 것으로 나타났는데 이는 비표면적에 비례하여 요오드 흡착력이 증가한다는 Kim[2]등의 연구 결과와 일치하는 것을 알 수 있었다. 또한 Pitch계 활성탄소섬유와 이와 비슷한 비표면적을 갖는 활성탄의 요오드 흡착력을 비교하였을 때 pitch계 활성탄소섬유를 오존처리를 하였을 때가 더 빠른 흡착력을 나타냈는데 이는 활성탄소섬유의 pore가 모두 미세공으로 이루어져 있고 활성탄소섬유의 표면에 노출되어 있어서 상대적으로 macropore와 mesopore가 많이 발달된 활성탄에 비해 흡착에 더 좋은 조건을 갖추고 있기 때문이라고 생각된다. 그러나 특이할 점은 활성탄소섬유를 오존처리하였을 때 요오드의 흡착량이 감소하였는데 이는 오존처리를 거치는 동안 ACF의 표면의 관능기들이 대부분 페놀기( -O-)로 전환되어 이의 영향으로 요오드의 흡착량이 감소되는 것으로 생각된다[4]. 이와는 대조적으로 메틸렌블루의 흡착에 있어서는 오존처리된 탄소섬유와 활성탄소섬유의 메틸렌블루 탈색력이 처리되지 않은 섬유들 보다는 더 많이 흡착하였는데 이는 오존처리를 거치며 활성탄소섬유의 표면에 붙어 있던 관능기의 전환에 의해서 양이온에 대한 선택적 흡착특성이 훨씬 증가하였다고 생각되어진다.

Fig.3와 Fig.4에서는 1N H2O2 수용액상에서 오존처리를 하였을 때 급격히 요오드의 흡착량이 감소하였는데 이는 1N까지의 농도에서 H2O2와 오존과의 반응이 격렬하게 일어나며 이런 격렬한 반응의 결과로 발생한 OH 라디칼이 활성탄소섬유의 표면을 고르게 개질하고 있음을 알 수 있으며 그 이상의 농도에서는 일련의 반응이 온화하게 일어나고 있음을 추측할 수 있다. 또한 Fig.3에서는 시간에 따른 요오드의 흡착량이 10분이내에서 급격히 감소하였는데 이는 오존보다도 높은 전위차(+3.08V)를 갖는 OH 라디칼에 의한 표면개질이 짧은 시간안에 이루어짐을 알 수 있다.

참고문헌

1. S.K.Ryu, Y.O.Kim, K.R.Ko, Y.T.Park, HWAHAK KONGHAK,                    30(3), 347 (1992)

2. S.K.Ryu, B.S.Rhee, J.K.Lee, D.W.Lee, N.Pusset, and P.Ehrbuger,                  "Adsorption Characteristics of Activated Pitch based Carbon Fibers",           Carbon'90, Paris, France (1990)

3. W.H. Glaze and Joon-Wun Kang, "AOP, Description of a Kinetic Model        for Oxidation..", Ind.Eng.Chem.Res., 28(11), 1573(1989)

4. K.R.Ko, C.G.Kim, and S.K.Ryu, "Functional group of carbon fibers and         activated carbon fibers treated with ozone", 23rd biennial conference on        Carbon-July 18-23, Penn State. U.S.A, p.264

Fig.1 Schematic diagram fo experimental apparatus