전기삼투에 의한 활성탄의 재생(Ⅲ)-Nikel제거

박휘명, 성경식, 김부웅

부산대학교 화학공학과

Regeneration of Activated Carbon by Electroosmosis(Ⅲ)

-Removal of Nikel

Huy-Myeong Park, Kyoung-Sik Sung, Bu-Ung Kim

Dept. of Chem. Eng., Pusan National University

서론

수처리 최종 단계인 3차 처리는 주로 활성탄 흡착법을 사용한다. 사용된 활성탄은 경제적인 면에 있어 매우 중요하여 일반적으로 재사용[1]하고 있다. 가열 재생법은 가장 널리사용되는 방법이다. 그러나 과도한 투자비와 연소비 그리고 입자의 균열에 의한 파손등의 단점이 있어 보다 효과적인 방법이 요구되고 있다.

본 연구에 응용된 전기삼투는 전기장 속에서 대전입자를 고정할 때, 대전입자와 같은 전하를 가진 전극 쪽으로 전기적 인력에 의해 용액이 이동하는 현상이다. 이와 같은 현상을 응용함으로써 저온에서도 작동이 가능하고, 전자자체가 산화·환원제 역할을 하여 환경오염을 줄일수 있으며 비교적 장비와 조작이 간편하여 비용을 줄일 수 있는 장점이 있다.

오염된 토양의 정화[2∼5], 슬러지에서의 물의 제거[6] 그리고 오염된 막의 정화[7] 및 토양의 경화[8] 등에 전기 삼투가 응용된 예가 보고되었다.

또한 김[9, 10] 등은 전기삼투를 응용한 활성탄 재생에 관한 연구를 수행하였다. 이들은 독성 유기물인 Phenol을 흡착시킨 활성탄에 대하여 전기삼투로써  Phenol이 효과적으로 제거된다고 보고하였으며, 또한 독성 무기물인 Cd에 대해서도 이와 같은 연구를 하여 Cd 또한 효과적으로 제거된다고 보고한 바 있다.

Ni은 맹독성 중금속으로서 도금공장, 정련공장, 광산 등의 배출수가 오염의 원인이 되고 있다[11]. 또한 발암성 물질로서 활성탄흡착에 의한 Ni 제거에 관한 연구가 보고된 바 있다.

본 연구에서는 활성탄의 재생에 대한 전기삼투의 응용가능성을 알아보기 위한 연구로서 Ni제거에 영향을 주는 전기화학적 변수의 영향과 Ni을 흡착시킨 활성탄에 대한 전기삼투 특성을 조사하였다.

실험

실험에 사용된 시약으로 Ni(NO3)2·6H2O는 Yakuri사, NaCl은 Junsei사, NaOH는 Tedia사, HCl과 HNO3는 Osaka사의 GR급을 사용하였다. 활성탄은 갈탄을 원료로 한 American Norit사의 Darco 활성탄을 사용하였다.

Fig. 1은 전기삼투장치로 전 보[11]와 동일한 것을 사용하였다. 또한 전극사이의 거리를 조절할 수 있도록 제작되었다., 전극은 일본 Toyo탄소의 고순도 흑연을 사용한 흑연전극과 Ti에 IrO2를 코팅한 Electrosynthesis사 EC 601 DSA전극을 사용하였다.

전원장치는 EG＊G사의 Scanning Potentiostat Model 362를, pH측정은 Orion사의 pH/ISE Meter Model 720A와 Semimicro pH전극을, 그리고 두전극 사이의 전압측정은 Digital Multimeter DM-330SR5를 사용하였다.

Ni 분석에는 Varian 사의 원자흡광 분광광도계인 Spectr AA-30을 사용하였다.  Ni은 유출액과 음극부근에 니켈염으로서 침전된 침전물, 그리고 음극에 부착된 Ni에 대하여 농도를 측정하였다. 침전물과 전극에 부착된 Ni은 HNO3수용액으로 용해시켜 측정하였다. 시료는 20℃에서의 포화흡착량이 6.0mg Ni/g carbon인 흡착등온선을 기초로 하여 일정량의 Ni을 활성탄에 흡착시켜 사용하였다.

시료를 용매와 혼합하여 패이스트상태로 만들어 Cell 내부에 빈공간이 생기지 않게 채운다음, 일정 수위기와 유출구가 수평을 유지하도록 한 후 전류를 공급하면서 시간경과에 따른 전극사이의 전압차, 유출량 그리고 유출액의 Ni 농도 및 각 전극에서의 pH를 측정하였다.

결과 및 토론

전 보[11]에서 공급액으로 HCl 수용액이 활성탄에 흡착된 Cd 제거에 적합하였다. 이는 Cd이 산성 분위기에서 더 잘 탈착되기 때문이다. Ni의 경우도 유사하기 때문에 공급액으로서는 HCl 수용액을 사용하였다.

전원장치의 최대출력전압이 32volt로 그 이상이 되면 일정한 전류공급을 제어할 수 없기 때문에 0.01M HCl 수용액에서 전류밀도를 1.5mA/cm2이상 증가시킬 수 없었다.

여기서 공급액인 HCl 수용액의 농도를 증가시키면 흐름액 중의 H+이온 농도가 증가하여 활성탄에 흡착된 Ni2+와 H+이온의 이온교환이 활발해짐에 따라 흐름액중의 Ni농도가 증가하여 제거율이 증가할 것으로 생각되며, 또한 Cell내의 H+과 Cl-이온의 농도가 증가함에따라 전도도가 증가하고 따라서 저항감소로 인한 전압구배의 감소로 전류밀도를 더 높일 수 있으리라 판단되므로 제거율을 높일수 있다고 예상된다. Fig. 2는 1.5mA/cm2 전류밀도에서 HCl 수용액의 농도를 0.01M에서 0.1M까지 증가시켰을 때의 제거율을 나타내었다. HCl 수용액의 농도가 증가함에 따라 위의 설명과 같은 이유로 제거율이 증가했음을 알 수 있다. 0.1M 이상 농도를 높이지 못한 것은 그 이상의 농도증가는 전기삼투실험으로서 바람직하지 못하기 때문이다.

농도증가에 따른 전도도 증가로 전류밀도를 1.5mA/cm2에서 10.5mA/cm2까지 높일 수 있었다. 이는 전 보[11]에서의 Cd 제거시 0.01M HCl 수용액에서 전류밀도를 2.0mA/cm2이상 증가시키지 못한 것에 반해 제거율을 높이는 효과적인 방법이다. Fig. 3이 0.1M HCl 수용액에서 20시간까지의 전류밀도 변화에 따른 제거효율을 나타낸 것이다. 전류밀도를 더 높이지 못한 것은 앞의 경우와 동일하다.

또한 전극사이의 거리를 좁히게 되면 전극간 저항이 줄어들고 전극사이의 전압구배가 감소하리라 생각되며, 이에 따라 전류밀도를 더 높일 수 있어 제거율을 증가시키고 제거시간을 단축할 수 있으리라 예상된다. Fig. 4는 0.1M HCl 수용액, 전류밀도 10.5 mA/cm2에서 전극사이의 거리를 7.0cm에서 3.5cm로 1/2을 좁혔을 때의 시간에 따른 전극간 전압구배를 나타내었다. 전극간 거리를 좁힘에 따라 전압구배가 감소함을 확인할 수 있었다. 이 결과를 바탕으로 전원장치의 전류밀도를 더 높을 수 있게 되어 0.1M HCl 수용액, 전극사이 거리 3.5cm에서 전류밀도를 20.0mA/cm2까지 높일 수 있었다. 이 조건에서의 시간에 따른 제거율의 변화를 Fig. 5에 나타내었다.

또한 양극산화방지를 위해 DSA전극을 사용하였다. 10시간 이후 제거율이 완만히 증가하다가 20시간 이후에는 약 90%로 거의 일정해져 더 이상 증가하지 않고 있다. 이는 음극 부근에서의 pH가 시간이 경과되어도 약 산성을 유지해 이 부근에서의 활성탄에 흡착된 Ni의 이온교환이 잘 이루어지지 않아 활성탄에 흡착된 상태로 남아 있기 때문으로 설명된다. 또한 3.0mg Ni/g carbon으로 활성탄에 흡착된 Ni은 전기삼투로써 효과적으로 제거됨을 알 수 있다.

참고문헌

[1] 柳井弘, □活性炭讀本□, 日刊工業新聞社, 223, 1976

[2] Lageman, R., Pool, W., and Sebsinge, G., Chemistry and Industry, 18(9),       585 (1989).

[3] Shapiro, A.P., and Probstein, R.F., Environ. Sci, Technol. 27(2), 283 (1993).

[4] Bruell, C.J., Segal, B.A. and Walsh, M.T., J. of Environ. Eng., 118(1), 68 (1992).

[5] Acar, Y.B., Li, H. and Gale, R.J., J. of Geotech. Eng.-ASCE, 118(1), 1837 (1992).

[6] Buijs, P.J., Van Diemen, A.J.G., and Stein, N.N. Colloids and Surfaces         A: Physicochemical and Engineering Aspect, 85, 29 (1994).

[7] Bowen, W.R., and Sabuni, H.A.M., Ind. Eng. Chem. Res., 33, 1245 (1994).

[8] Lockhart, N.C., Colloids and Surfaces, 6, 229 (1983).

[9] Yoon, J.M. and Kim, B.U., Proceedings of '96 KIChE Fall Meeting, 9(2),       1677 (1996).

[10] Park, H.M., Yoon, J.M., and Kim, B.U., Proceedings of '97 KIChE             Spring Meeting, 3(1), 381 (1997).

[11] 金東玟, 金秀生, □廢水處理□, 1, 324 (1988)

Fig. 1  Schmatic diagram of electroosmosis apparatus.

Fig.2 Removal efficiency vs. concentration     Fig.3 Removal efficiency vs. current

of HCl aqueous solution (20 hour,               density(mA/cm2) in 0.1M HCl

1.5mA/cm2)                                         aqueous solution.

Fig.5 Removal efficiency vs. time (3.0

mg Ni/g carbon, 0.1M HCl aqueous

solution, 20.0mA/cm2)