물의 전기분해를 이용한 활성탄의 재생 - 납 제거

정우석, 성경식, 최연석*, 김부웅

부산대학교 화학공학과     l

*한국기계연구원 연소환경그룹

Regeneration of Activated Carbon by using Water Electrolysis

- Removal of Lead

Woo-Suk Jung, Kyoung-Sik Sung, Yeon-Seok Choi*, Bu-Ung Kim

Dept. of Chem. Eng., Pusan National University

*Combustion & Environmental Engineering Group,

Korea Institute of Machinery & Materials

서론

산업의 발달로 인한 산업폐수 및 생활하수의 배출량 증가는 환경오염을 초래하여 생태계를 위협하고 있으며, 특히 중금속의 경우는 다른 오염물질에 비해 미량일지라도 자연계나 인체 내에 축적되는 잔류성으로 인하여 심각한 영향을 미치기 때문에 이에 관한 제거방법의 연구가 절실히 필요하다. 최근에 보고된 폐활성탄의 재생 방법에는 산 세척법과 전기삼투 응용법이 있다.

Reed 등[1]은 납을 흡착시킨 활성탄을 HCl, HNO3 및 NaOH 수용액을 이용하여 일정시간 동안 세척하여 납을 제거하는 연구에서 HCl이 효과적이라고 보고하였다.

김 등[2∼8]은 오염토양의 정화[6, 7]에 효과적으로 사용되고 있는 전기삼투 현상을 활성탄 재생에 응용하여 활성탄에 흡착된 phenol, Cd, Ni, Cu 등을 제거하였다. 하지만 납의 경우에서는 음극 부근에서 pH의 증가로 인해 납이 침전이나 흡착 상태로 잔존하는 문제점이 있었다.

본 연구에서는 전기삼투의 결점을 보완하기 위하여 폐활성탄 충전층을 양극으로 하는 반응기를 제작하였다. 양극에 충전시킨 활성탄은 충전층전극의 특성을 갖기 때문에 보다 효율적으로 전기 에너지를 이용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 물의 전기분해로써 양극에서 발생하는 H+이온은 납의 탈착에 유리하게 작용할 것으로 기대된다. 납의 제거 효율에 미치는 여러 전기화학적 변수들의 영향을 조사함으로써 이 방법의 응용 가능성을 알아보고자 한다.

실험

실험에 사용된 시약으로 Pb(NO3)2과 NaCl은 Junsei사, NaOH는 Tedia사, HCl과 HNO3는 Osaka사의 GR급을 사용하였다. 활성탄은 갈탄을 원료로 제조된 American Norit사의 Darco 활성탄(4∼12 mesh)을 사용하였다.

전원장치로 EG&G사의 Scanning Potentiostat Model 362와 Current Booster Model 365를 사용하였으며 pH 측정에는 Orion사의 pH/ISE Meter Model 720A와 Semimicro pH전극을 사용하였다.

실험장치는  김 등[2∼8]이 전기삼투 실험에 응용한 장치를 변형시켜 사용하였다. 튜브연동 펌프를 이용하여 일정한 유량으로 전해질 액을 보내고 음극 쪽 유출구에 밸브를 설치하여 유량 비율을 조절하였다. Fig. 1과 같이 내경 50mm, 길이 35mm의 아크릴 관의 양단에 전극을 달고 활성탄을 양극에 충전시켰다. 양단에서는 유출량 계량 및 시료 채취가 가능하도록 하였다. 직경 44mm의 그물 모양의 Pt전극을 사용하였으며 전극을 구멍 뚫린 얇은 아크릴 판으로 지지하였다.

Pb 분석에는 Varian사의 원자흡광 분광광도계인 Spectr AA-30을 사용하였다. Pb는 유출액 속의 Pb와 음극에 부착된 Pb를 모두 측정하였다. 시료는 20℃에서 포화 흡착량이 20.0mg Pb/g carbon인 흡착 등온선을 기초로 하여 일정량의 Pb가 활성탄에 흡착된 시료를 만들었다.

물의 전기분해를 이용한 실험에서는 Pb를 흡착시킨 활성탄이 빈 공간 없이 양극에 밀착되도록 충전하였으며 가스 발생을 용이하게 하고 물질전달을 촉진시키기 위하여 전해질 액이 양극과 음극 쪽으로 일정 유량으로 흐르도록 하였다. 전원장치로부터 일정한 양의 전류를 공급하면서 시간 경과에 따른 전압, 유출액의 pH 및 유출액의 Pb 농도를 측정하였다.

결과 및 토론

본 실험에서 각각의 전극에서는 물의 전기분해로 양극에서 산화반응이 일어나고 음극에서는 환원반응이 일어난다. 주요 전극반응은 다음과 같다.

2H2O - 4e-  →  O2 + 4H+          (anode)

4H2O + 4e- →  2H2 + 4OH-        (cathode)

전해액으로 HCl, NaCl 및 NaOH 수용액의 이용 가능성을 조사하였다. Fig. 2는 0.01M NaCl, NaOH, HCl 수용액에 대하여 유속 10ml/min에서 전류를 가하지 않은 상태의 순수한 세척효과를 나타낸 것이다. Fig. 3에 0.01M NaCl, NaOH, HCl 수용액에 대하여 양극 유량 대 음극 유량비를 각각 5ml/min로 한 흐름 조건에서 25mA/cm2의 전류밀도를 가하였을 때, 시간에 따른 제거율을 나타내었다. HCl 수용액의 경우, NaOH 및 NaCl 수용액 보다 Pb 제거율이 높았다. 이는 활성탄에 흡착된 납 이온이 산성 분위기에서 더 잘 탈착되는 것으로 설명된다. 이것은 김 등[3, 4]의 electroosmosis를 응용한 Ni와 Cd 제거에 관한 연구와 일치한다.

Fig. 4는 0.1M HCl 수용액에 대하여 같은 흐름 조건에서 전류밀도를 40 ∼ 160mA/cm2로 변화시킬 때의 시간에 따른 제거율을 나타낸 것이다. 이 때의 전압 및 pH를 Fig. 5와 6에 나타내었다. 전류밀도가 증가할 수록 전기분해 반응이 더 활발히 진행되어 양극에서 산의 생성이 더 활발히 일어난다. 따라서 Cell 내부에서 활성탄에 흡착된 Pb2+이온과 생성된 H+의 이온 교환량이 증가하여 제거율이 증가하게 된다.

Fig. 7에 Pb 제거에 소요되는 에너지 소비량의 변화를 나타내었다. 제거율 약 90%까지는 에너지 소비량이 완만히 증가하다가 그 이후 급격히 증가하였다. 전류밀도를 증가시키면 제거시간은 단축되지만 에너지 효율은 감소하는 것으로 나타났다. 전류밀도 40, 80, 160mA/cm2에서 90%까지 제거하는데 각각 0.9, 1.2, 3.5KWH/kg 활성탄의 에너지 소비량을 보였고, 소요시간은 3시간 이내이었다.

이상의 결과는 물의 전기분해를 이용한 방법이 에너지 소비와 시간 단축의 관점에서 매우 효과적임을 나타낸다.

참고문헌

1.  Reed, B.E., Robertson, J. and Jamil, M., "Regeneration of Granular         Activated Carbon(GAC) Columns Used for Removal of Lead", J.          Environ. Eng., Vol. 121, No. 9, 653(1995)

2.	Yoon, J.M. and Kim, B.U., "Regeneration of Activated Carbon by         Electroosmosis -Removal of Phenol", Theories and Applications of        Chem. Eng., 2(2) 1677(1996)

3.	Kim, B.U. and Park, H.M., "Removal of Nickel in Activated Carbon       by Electroosmosis", J. Research Inst. Ind. Tech., Vol. 53, 221(1997),       Pusan Nat'l Univ.

4.	Park, H.M., Yoon, J.M., and Kim, B.U., "Regeneration of Activated        Carbon by Electroosmosis(Ⅱ)-Removal of Cadmium", Theories and       Applications of Chem. Eng., 3(1), 381(1997)

5.  Sung, K.S., Park, H.M., and Kim, B.U., "Regeneration of Activated        Carbon by Electroosmosis(Ⅳ) -Removal of Copper, Theories and         Applications of Chem. Eng., 4(1), 649(1998)

6.	Hamed, J., Acar, Y.B. and Gale, R.J., Journal of Geotechnical              Engineering, Vol. 117(2), 241-271(1991)

7.  Alshawabkeh, A.N. and Acar, Y.B., J. of Geotech. Eng.-ASCE, 122(3),      186(1996)

8.  Corapcioglu, M.O. and Huang, C.P., "The Adsorption of Heavy Metals      onto Hydrous Activated Carbon", Water Research, Vol. 21, No. 9,         1031(1987)

Fig. 1. Schematic diagram of the experimental apparatus.