활성탄소섬유 전극에 의한 Co(II)이온의 전기적 흡·탈착특성

이상문, 정종헌*, 문제권*, 원휘준*, 김계남*, 오원진*, 유승곤

충남대학교 공과대학 화학공학과, *한국원자력연구소

Electrosorption of Cobalt(II) Ion on Activated Carbon Fibers

S.M. Lee, C.H. Jung*, J.K. Moon, H.J. Won*, G.N. Kim*, W.Z. Oh*, S.K. Ryu

Dept. of Chemical Engineering, Chungnam National University

*Korea Atomic Energy Research Institute

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. 금속표면상에서 유무기분자 및 이온의 전기흡착은 비교적 잘 알려진 현상으로 특히 Hg-용액 표면에 대해서는 잘 알려져 있다[1-2]. 그러나 다른 재료의 전극에 대한 전기흡착 연구는 많지 않다. 전기흡착의 주요 구성요소인 전극은 폐액처리 환경에 적합한 재료특성 즉, 높은 전기전도도와 큰 비표면적 등을 갖추어야 한다. 탄소체는 상기 두가지 전극재료 특성을 만족하며 내방사능성과 내화학성이 우수하므로 방사성 폐액 처리용 전극소재로서  사용할 수 있다. 특히 활성탄소섬유(ACF)는 기공내로 유체의 침투성이 우수할 뿐만 아니라 취급이 용이한 부직포나 천의 형태로 가공할 수 있어 전극소재로서 적합하다.

금속이나 탄소체 표면과 수용액 전해질 계면사이의 구조는 전극표면에서의 전하 밀도가 0인 경우는 Fig. 1(a)가 같이 나타낼 수 있다. 전극표면은 주로 흡착된 물쌍극자로 덮혀져 있으며 용액으로부터 다른 이온이나 분자들 또한 흡착될 수 있다. 전극이 충전된 경우, 전극의 전하는 계면 전해질쪽에서의 이온 상대 전하에 의해 보상된다. 이 보상은 Fig.1(b)에서와 같이, 이온의 접촉성 흡착이나 외부 Helmholtz plane 및 diffuse(Gouy-Chapman) layer 에서의 상대 이온의 축적에 의해 일어날 수 있다. 물쌍극자는 전기장에 따라 배열되는 경향이 있다. 쿨롱 상호작용에 의해 양, 음 및 비전하 입자의 흡착평형은 전극전하에 의존한다. 영전하 전위에 대해 양의 전위에서는 양의온의 흡착량이 감소하는 반면 음이온의 흡착량은 증가한다. 미하전 분자는 영전하 전위 부근에서 가장 강하게 흡착된다. 이들은 전극전하와 용매쌍극자 사이의 쿨롱 상호작용의 증가에 따라, 음 또는 양의 전위가 증가함에 따라 탈착된다.

본 연구에서는 제염폐액의 정화처리기술로서 전기흡착 기술의 최적 조업조건을 얻기 위해, 여러 가지 매개변수의 변화에 따른 ACF 부직포를 전기흡착 전극으로 사용하여 전기 흡·탈착 거동을 조사하였다.

실 험

전기흡·탈착실험에 사용한 장치는 potentiostat(EG&G M273)와 셀로 구성하였으며, 사용전극과 집전체 및 분리막 등에 대해서는 전의 보고에 기술한 바와 같다[3-4]. 전해질 용액으로는 16(M□·cm)이상의 저항값을 갖는 탈염수로 제조한 0.1N, 0.01N NaCl(Junsei Chemical Co.)용액을 사용하였으며 입자상의 CoCl2(Merck Co.)를 고농도 용액으로 제조한 후 NaCl 전해질 용액에 혼합하여 실험용액으로 사용하였다. 탈착실험시 기존 용액은 버리고 전해질용액만 새로주입한 경우pH 5로 조절하여 실험하였으며, 모든 용액의 pH는 미량의 0.1N NaOH 또는 HCl을 첨가하여 조절하였다. 용액중의 용존 산소는 전극 표면에서 쉽게 환원될 수 있기 때문에 실험전에 N2 가스로 30분간 용액을 탈기시켰다. 질량은 약 7g∼0.4g까지 변화시키면서, 흡·탈착시 흡·탈착 %, pH, 전류변화를 관찰하였다. 흡착은 -0.2V에서 30시간 수행되었고, 탈착 전위와 전류는 +0.5V, +0.7V와 +0.5mA. +5mA에서 조사되었으며, 탈착시간은 24시간, 27시간과 30시간에서 조사되었다.

사전 실험을 통해 확인된 패러데이 반응이 일어나지 않는 전위범위내의 고정전위에서 코발트 2가 이온의 시간에 따른 흡착량을 조사하였다. 또한 일정가용전위에서 충분한 시간동안 흡착평형에 도달한 ACF전극에 흡착시와 반대의 정전압 또는 정전류를 가용하여 시간에 따라 시료를 채취, 분석하여 탈착량을 구하였다. 코발트 이온의 초기와 평형농도의 분석은 1∼3 ppm 기준농도 범위에서 원자흡수 분광광도계(Perkin Elmer 1100B)를 사용하여 이루어졌다.

결과 및 고찰

본 실험에 사용된 ACF 부직포는 미세공이 발달된 높은 비표면적의 구조와 산성 표면기를 가진 화학적 특성을 갖고 있다[3-4].

이온이 존재하는 용액에 전류를 통과시킬 경우, 전하의 이동은 이온에 기인한다. 이것은 흔히 고체에서 전자가 이동하여 전하가 이동되는 것과는 크게 다르다. 전자를 이온전도체라 부르고, 후자를 전자전도체라 부른다. 이온이 전하의 운반체인 전해질로는 산, 염기, 염류를 물에 녹인 수용액이 일반적이다. 전해질 NaCl의 역할은 용액내에서 전류의 전도성을 보장하는 것으로, ACF 부직포에 접촉 시 전기이중층을 구성하는 이온들을 이동할 수 있게 한다. Fig. 2에 전해질 NaCl 0.1N과 0.01N 농도에서의 흡·탈착 백분율을 나타내었는데 0.1N(흡착% : 99.9%, 탈착% : 94.7%)일때와 0.01N(흡착% : 74.7%, 탈착% :  57.1%)일 때 흡착과 탈착률의 차는 각각 25.2%와 37.6%의 차이를 보여 지지전해질 농도가 높을수록 이온 이동도가 높아 전기 흡·탈착이 용이한 조건임을 알 수 있다.

ACF 부직포의 질량에 따른 흡·탈착 백분율과 흡착용량을 Fig. 3에 나타내었다. 실험결과, -0.2V의 흡착전위에서 30시간 동안 포화흡착 시킨 후 탈착했을 때, 흡착율은 질량에 무관하게 거의 100% 흡착되었으나, 탈착율은 전극 ACF의 질량에 비례하였다. 이러한 사실은 흡·탈착 전류 비교결과(Fig.4)로 부터 알 수 있는데, 질량이 커짐에 따라 초기 흡착 전류는 크게 변하지 않은 반면, 초기 탈착 전류는 크게 변했기 때문으로 생각된다. 그러나 흡착용량은 Table 1에서 알 수 있듯이ACF양의 증가에 따라 현저히 감소하였으며 이러한 결과로 부터 소량의 ACF사용이 흡착제의 이용도 측면에서 유리함을 알 수 있다.

상기의 전기 흡·탈착 공정중 용액의 pH 변화결과는 Fig. 5와 같다. 흡착공정에서의 pH는 초기에는 변화가 없다가 후반부에서 급격히 증가하는데 이러한 사실은 흡착 초반에는 코발트이온과 이온교환된 ACF의 H+이온이 물의 환원으로 생성된 OH-와 중화되어 pH변화가 없지만 후반에서는 이온교환반응은 종료되고 물의 환원반응만이 지속되어 pH가 급격하게 상승하기 때문으로 생각된다. 그러나 탈착시에는 흡착공정 중에 물의 환원으로 생성된 Hads가 산화되면서 H+가 생성되는 동시에 물이 산화되어 H+가 생성되므로 pH가 급격하게 떨어지게 된다. 그    Table. 1 Electrosorption capacity with the variation of ACF amount

Amount of ACF(g)	Amount of sorption (mg/g)
	Adsorption	Desorption
0.3751	65.25	45.95
0.5084	47.5	40.34
1.0112	21.48	19.85
6.7127	3.03	2.87

리고 흡착제 ACF의 질량이 증가할수록 흡·탈착공정 후 최종 pH값이 감소하는 경향을 나타내었는데, 이는 질량이 커질수록 ACF에 함유된 산성관능기의 절대량이 커지므로 질량이 적은 경우에 비해 낮은 pH를 보인 것으로 생각된다.

참고문헌

[1] Wendt, H., Riemenschneider, P.: Chem-Ing-Tech., 50, 250(1978).

[2] Bockris, J. O'M., Reddy, A.K.N.: " Modern Electrochemistry", Vols 1&2.

[3] 정종헌, 이상문, 이성호, 오원진, 유승곤: 화학공학의 이론과 응용,

5(1),785(1999).

[4] 정종헌, 이상문, 이성호, 이병직, 유승곤: 화학공학의 이론과 응용, 5(1),

789(1999).

(a)	(b)

- carbon surface	- water molecule

- adsorbable ion	- counter ion

Fig. 1. Schematic of the interphase region of an uncharged (a) and charged (b)activated carbon surface.