입상활성탄을 이용한 크롬, 니켈, 납 흡착에서 pH의 영향

신정훈, 박함용, 이창하, 김우식

연세대학교 공과대학 화학공학과

Effect of pH at Adsorption of Cr, Ni, Pb onto Activated Carbon

Shin Jung Hoon, Park Ham Yong, Lee Chang Ha, Kim Woo Sik

Department of Chemical Engineering, Yonsei University

서론

폐수중의 중금속의 배출은 환경오염과 생태학적, 산업적인 폐해로 인해 이에 대한 처리가 산업계에서 큰 과제로 인식되고 있다. 이러한 중금속 폐수는 산업의 발전과 함께 그 발생량 또한 기하급수적으로 늘어날 전망이다. 중금속 오염 물질은 금속처리산업, 도금산업, 가죽가공산업, 축전지 산업, 광산폐수, 매립지를 통한 지하수의 오염등에서 광범위하게 배출되고 있다. 이들 중금속 오염물질들이 간접, 직접적으로 우리 인체 및 환경에 미치는 영향은 이미 널리 알려져 있으며, 이에 대한 배출허용기준도 엄격하게 규제되고 있는 등 환경 오염에 있어서 중금속의 존재는 그 독성과 인간 및 생명체에 대한 위험도로 인해 가장 심각한 물질로 인식되고 있다.

흡착법의 경우 유기화학물질의 회수, 저농도에서의 고효율 및 에너지 절약 측면에서 가장 주목받고 있다. 현재 흡착법은 유기 용제의 처리 및 공기정화, 폐수처리등의 공정에 광범위하게 응용되고 있으며, 흡착제로는 상대적으로 비표면적이 큰 활성탄이 광범위하게 사용되고 있다.

본 연구에서는 입상활성탄을 사용하여 크롬과 납에 대해 고농도에서의 흡착등온선을 그려보았으며, pH 변화에 의한 크롬, 니켈, 납의 흡착량 변화를 측정하였다.

이론

흡착등온선

1)Freundlich형:수처리에 활성탄 흡착을 이용할 때, 평형계수가 다음의 Freundlich식으로 표시되어진 것이 가장 많다. 이식은 원래 경험적으로 구하여진 실험식이지만, 근래 불균일면에 있어서 흡착이론으로부터 얻어진 흡착량과 흡착열과의 관계에, 이식이 대응하는 것 등도 확실해 졌다.

[eqn: q=k { C}^{ { 1} over {n } }]

q: 활성탄 단위중량 당 흡착량,  C: 활성탄 처리 후의 평형농도(잔존농도)

k,1/n: 흡착계에 의해 정해진 정수

Freundlich식에 기초를 둔 등온 흡착선은 대개 직선을 보이지만, 폐수 따위의 다성분계의 요소가 많은 것은 곡선이 되거나 구부러진 것이 있다.

2)Langmuir형:흡착제표면과 흡착된 가스분자와의 사이에 작용하는 결합력이 약한 화학흡착에 의한 것으로 생각하고, 흡착 결합력이 작용하는 것은 가능한 한 단분자층 두께 정도로 간주하고, 그 이상 떨어진 곳에서는 이미 흡착은 일어날 수 없다는 모델에 기초를 두고 유도한 것이므로 Langmuir 흡착은 단분자층 흡착으로도 불리어진다.

[eqn: q= { q { m}kC_{ } } over {1 +kC }]

qm : 평형흡착량, k: 흡착계에 의해 정해진 정수

3)Langmuir-Freundlich형:Freundlich 등온식에 의하면 흡착량은 압력에 따라 무한히 증가하는데, 이에 착안하여 Langmuir 등온식과 Freundlich 등온식의 단점을 보완하기 위해 두 모형을 결합한 형태의 실험적인 등온식이 제안되었다.

[eqn: q= { qm k {C }^{ { 1} over {n } } } over {1 + k { C}^{ { 1} over {n } } }]

실험

본 실험에서 사용된 활성탄은 일본 KURARAY사에서 제작된 정수처리용 활성탄 KURACOAL을 사용하였다. 활성탄의 원료로는 야자 껍질단을 사용한 것으로 하였다. 이들 활성탄을 각각 증류수로 세척하여 100℃에서 24시간이상 건조한 후 125□m(GW)로 채질을 해서 사용하였다. 시약은  Na2CrO4·4H2O(Sigma, USA)과 NiCl2·6H2O, Pb(NO3)2을 증류수로 용해시켜 각각 10 - 3000 ppm의 농도로 만들어 크롬, 니켈, 납 금속이온의 표준용액으로 사용하였다. 흡착실험은 10 - 3000ppm범위 내에서 GW에 의한 크롬 및 니켈, 납의 흡착등온실험을 행하였다. 여기서 각각의 농도의 수용액 50ml를 100ml의 비이커에 취하고 활성탄 0.3g을 가한 후 Water bath shaker에서 5시간에서 3일 동안 교반하여 반응시킨 후 샘플을 채취하여 중금속의 농도를 AAS(Atomic Absorption Spectrophotometer)

9200A(선일 옵트론)로 측정하여 흡착량을 계산하였다. 흡착실험은 각각 25℃로 온도가 일정하게 유지되는 항온조에서 행하였으며, 기타 첨가제는 일체 사용하지 않았다.

pH실험은 동일한 농도(500ppm)의 크롬, 니켈, 납 용액을 HCl, NaOH를 사용하여 pH를 2에서 13사이에서 조절한 후 100ml 삼각플라스크에 50ml씩 취한후 활성탄 0.3g을 가하고 2일에서 3일간 반응시킨 후 역시 AAS로 중금속의 농도를 측정하여 흡착량을 계산하였다. 온도는 25℃였으며, 기타 첨가제는 사용하지 않았다.

Table.1 Physical properties of activated carbon

품명		GW
원료		야자껍질단
요소흡착성능	mg/g	1000이상
메칠렌 블루 흡착성능	ml/g	180이상
건조 감량	%	3이하
강열 잔분	%	2이하
pH	-	5.0 ∼ 8.6
경도	%	98이상

결과 및 고찰

1)고농도 크롬용액에 대한 GW의 흡착등온선

Fig.1에 고농도(300-3000ppm) 크롬용액에 대한 GW의 흡착등온선을 나타내었다. 이 곡선은 langmuir-freundlich 식에 fitting한 것이다. 여기서 크롬에 대한 GW의 평형흡착량은 대략 160 mg/g 정도인 것을 알 수 있다. 또한 저농도 영역(50ppm)이하에서 실험을 행하였을 때는 5시간 이내에 90%의 흡착성능을 보였던 GW활성탄이 고농도 영역에서는 3일의 시간이 경과하고 나서야 평형점에 도달하였다는 것을 알 수 있다.

2)고농도 납용액에 대한 GW의 흡착등온선

Fig.2에 고농도(300-3000ppm) 납용액에 대한 GW의 흡착등온선을 나타내었다. 역시 langmuir-freundlich 식에 fitting하였다.  납에 대한 GW의 평형흡착량은 대략 80 mg/g 정도인 것을 알 수 있다. 역시 고농도에서는 흡착에 3일 정도의 많은 시간이 소요되었다.

3)크롬, 니켈, 납 흡착에 대한 pH의 영향

Fig.3에 크롬흡착에서 pH의 영향을 보았다. 크롬의 경우 pH 2-3사이에서 최고의 흡착을 나타내었으며 이후 급속도로 흡착능이 저하되었다. Fig.4은 니켈흡착에 관한 것인데 pH 12에서 최대 흡착량을 보였으며, Fig.5의 납흡착에서는 pH 11-12사이에서 최대 흡착량을 나타내었다. 이것은 활성탄 표면에 존재하는 작용기와 중금속이온 형태가 화학흡착하는 과정에서 전기적 성질 때문인 것으로 판단된다.

참고문헌

1.H. Harker, J. T. Gallagher, A. Porkin : Carbon, 4, 401(1966)

2.北川睦夫 : 활성탄 수처리기술과 관리, 23. 120(1992)

3.W. J. Webber. Jr : Physicochemical Process for Water Quality Control(1973)

4.A Netzer and D. E. Hughes : Ind. Eng. Chem. Res., 33, 927(1994)

5.Motoyuki Suzuki : "Adsorption Engneering", Kodansha(1990)