혼합된 CAC 비드를 사용한 유기물과 무기물의 흡착

김미희, ,허준섭, 김태영, *문희, 양재호

전남대학교 화학공학부, *전남대학교 응용화학부

The adsorption of organic-inorganic material

using the combined CAC beads

M. H. Kim, J. S. Hur, T. Y. Kim, *H. Moon, J. H. Yang

Dep. of Chem. Eng., Chonnam Nat'l Univ., Kwangju 500-757, Korea

*Faculty of Applied Chem. Chonnam Nat'l Univ., Kwangju 500-757, Korea

서론

환경오염은 크게 대기오염, 토양오염, 수질오염으로 나눌 수 있으며, 그 중 수질오염은 공장폐수와 생활하수가 그 주범이 되고 있다. 폐수처리의 한 방법으로 소개된 흡착기술은 다른 방법과 마찬가지로 여러 방면에서 다양하게 이용되고 있는데 흡착공정에 주로 사용되는 흡착제로는 활성탄, 활성 탄소섬유, 실리카겔, 활성 알루미나, 이온교환수지, 제올라이트 등이 있으며, 흡착능이 우수한 흡착제를 개발하고 발전시키기 위한 노력이 계속 진행되고 있다[1].

수질오염을 일으키는 독성물질은 크게 중금속과 유기염소계 화합물로 나눌 수 있다. 수은, 구리, 납, 카드뮴, 코발트, 망간, 아연 등과 같은 중금속은 소량으로도 인체에 독성을 나타내며, 분해되지 않아 심각한 환경문제를 일으킨다. 또한 페놀은 특유한 냄새를 갖는 무색의 결정으로 페놀수지와 나일론 등 섬유를 제조하는데 원료로 사용되며, 살균력이 좋기 때문에 병원에서 소독제로 널리 사용되고 있다. 페놀이 수중에 1mg/l 이상 함유되어 있으면 특이한 맛과 냄새를 유발하며, 특히 염소와 반응하여 염화 페놀류가 생성되어 매우 심각한 악취를 유발한다[2].

자연계에 존재하는 polysaccharide 중에서 가장 풍부한 키틴을 부분적으로 탈아세틸화한 키토산은 N-acetyl-D-glucosamine과 D-glucosamine의 임의의 형태인 공중합체이다. 이러한 키토산은 내알칼리성이 우수하여 친수성화나 소수성화가 용이하고 전이금속에 대한 흡착력이 뛰어나고, 여러금속 이온과 킬레이트를 선택적으로 형성하여 친화력이 있어 폐수중의 중금속 흡착제거에 매우 효과가 높다. 반면에, 큰 비표면적을 가진 활성탄은 값이 싸고, 흡착능력이 뛰어나 각종 물질들의 흡착제나 탈취제 등으로 널리 사용되는데 중금속, 방사성 물질 및 단백질 등과 같은 물질의 흡착 능력에는 한계가 있다[3∼4].

본 연구에서는 두 흡착제의 장점을 이용하여 폐액으로부터 동시에 유기물과 무기물을 제거하기 위해 활성탄의 비율에 따라 CAC(Chitosan-Activated Carbon) beads를 제조하였다. 이 CAC beads를 사용해 구리와 페놀에 대한 흡착등온 및 흡착속도 실험을 통하여 흡착특성을 조사하고 흡착공정에 대한 기초 자료를 얻고자 한다.

실험

평균분자량이 4.5×105, 탈아세틸화도가 91%인 키토산 분말을 사용하였으며, 이를 용해시키기 위한 초산과 겔화제인 NaOH는 덕산제품의 1급 시약을 사용하였다. CAC beads를 제조하기 위하여 키토산 colloid 용액에 Calgon Co.의 F400 활성탄을 분쇄한 PAC(powder activated-carbon)를 일정 비율로 혼합한 후 Syringe pump(Orion model 362)를 이용하여 구형의 CAC beads를 제조하였다.  피흡착제로 사용된 구리와 페놀은 Orion Cat. No. 942906과 Aldrich Co.의 제품을 희석하여 사용하였다.

구리의 농도분석은 Orion Cat. No. 940011 ISA(ion strength adjuster)를 100:2의 비율로 혼합하여 ion meter를 이용하여 분석하였고, 페놀수용액은 UV-visible spectrophotometer(Shimadzu, model UV-1601)를 이용하여 270nm에서 측정하였다. 실험에 사용된 증류수는 Milli-Q RG로부터 얻어진 2차 증류수를 사용하였다.

결과 및 고찰

실린지 펌프를 사용해 충분히 교반되고 있는 겔화제인 2N NaOH에 적하하여 0.5wt%, 1.0wt% CAC beads를 제조하였다. Table 1은 본 연구에 사용된 chitosan beads, 활성탄(activated-carbon), CAC beads의 특성을 나타내었다. 습윤 상태의 CAC beads의 평균크기는 측정한 결과 2.92mm였다.

Fig. 1은 키토산 비드와 활성탄에 의한 구리와 페놀의 단일성분에 대한 흡착평형 data를 이용하여 흡착등온식을 결정하였다. 흡착등온식의 parameter는 최소자승법으로 구하였다. Fig. 2는 0.5wt% CAC beads에 대한 구리와 페놀의 단일성분에 대한 흡착등온식을 실험으로부터 얻은 단일성분 흡착평형 결과로부터 Sips 흡착등온식에 적용하여 결정하였다. Fig. 3과 4는 3wt% chitosan colloid 용액에 활성탄의 비율에 따라 구리와 페놀에 대한 흡착평형 data를 Sips eq. 에 의해 나타낸 것이다. Fig. 3에서 보여주듯이 활성탄의 비율이 증가함에 따라 전이금속에 대한 높은 선택성을 나타내는 키토산의 유효아민함량(-NH2)이 감소하기 때문에

Table 1. Physical properties of Chitosan beads, Activated-carbon and CAC beads

Property	Chitosan bead	Activated carbon	0.5wt% CAC bead
Trade name	Chitosan	Calgon F-400	-
Sieve NO.	16-20 mesh	16-20 mesh	-
Mean diameter[mm]	1.4	1.4	2.92
BET surface area [m2/g]	258	1114	516
Porosity[%]	27.54	56.12	36.93
Pore radius[Å]	27.32	54.17	15.4
Pore volume[cm3/g]	0.352	3.017	0.397

구리이온에 대한 흡착용량이 감소함을 알 수 있다. Fig. 4에서는 활성탄의 비율이 증가함에 따라 페놀에 대한 흡착량이 증가함을 알 수 있다. 왜냐하면 활성탄이 페놀에 대한 높은 선택성을 가지고 있기 때문에 비드내에 존재하는 활성탄의 비율이 증가함에 따라 페놀의 흡착용량이 증가하는 것을 알 수 있었다.

흡착등온식으로 보아 흡착은 매우 favourable 하다고 볼 수 있으며, 세 종류의 흡착을 이용하여 구리이온에 대한 흡착용량은 Chitosan beads > 0.5wt% CAC beads > 1.0wt% CAC beads 순이었으며, 반면에 페놀에 대한 흡착 용량은 Activated-carbon > 1.0wt% CAC beads > 0.5wt% CAC beads 였다. 이러한 결과들은 폐수중에 중금속과 유기물이 동시에 존재할 경우 유기물과 중금속의 농도에 따라 적절히 대처할 수 있는 새로운 흡착제로 사용 가능할 것이다.

회분식 흡착 실험에서 본 연구와 같이 흡착제를 cage에 담아 실험하는 경우에는 대개 흡착개시 후 300초 이내의 초기 농도변화로부터 입자-용액간 물질전달계수를 구할 수 있다[5]. Fig. 5는 키토산 비드와 활성탄을 이용하여 구리이온과 페놀에 대한 회분식 실험 결과이다. 세공확산모델을 이용하여 구한 이론치와 비교한 그림으로 실험치와 이론치가 잘 일치함을 보여 주고 있다. 본 연구에서는 세공확산모델을 이용하여 유효확산계수를 구하였다. Fig. 6은 0.5wt% CAC beads를 이용하여 구리와 페놀에 대한 실험 결과이다. 그림에서 보듯이 구리이온에 대한 초기 흡착속도가 페놀보다 빠르게 진행되고 있음을 알 수 있었다. 이는 키토산은 중금속에 비하여 유기물에 대한 흡착용량이 작고, 반면에 활성탄은 중금속에 비해 유기물에 대한 흡착 용량이 크기 때문에 이런 결과가 나왔다.

결론

활성탄과 chitosan을 이용하여 제조한 CAC beads에 대한 단일성분 구리와 페놀의 흡착등온식은 Sips 식으로 잘 묘사할 수 있었으며, CAC beads에 대한 구리의 흡착 친화도가 페놀보다 더 큼을 알 수 있었다. 또한 CAC beads를 이용한 페놀에 대한 회분식 실험결과와 세공확산모델을 이용하여 얻은 이론치가 잘 일치함을 알 수 있었다. CAC beads에 대한 구리와 페놀의 흡착평형과 회분식 실험결과로부터, CAC beads는 키토산과 활성탄의 비율에 따라 폐수로부터 유기물과 무기물을 동시에 제거할 수 있는 새로운 흡착제로 생각된다.

결과 및 고찰

1. Ruthven, D.M.: "Principle of adsorption and process",

Wiley-Interscience(1994)

2. Registry of toxic effect of chemical substances, (1994), Toxiline on Silver   Platter

3. G. A. F. Roberts, "Chitin Chemistry", Macmillan Press LTD, London,       1(1992)

4. R. A. A. Muzzarelli, "Chitin", Pergamon Press, Oxford(1977)

5. Peel, R. G., Bened다, A. and Crowe, C.M.: AICHE J., 27, 26(1981)