표면개질 활성탄을 이용한 p-Nitrophenol의 흡착특성

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

주광현, 조성용, 김승재

전남대학교 환경공학과

Adsorption Characteristics of p-Nitrophenol using Surface-treated Activated Carbon

Kwang Hyun Joo, Sung Yong Cho, Seung Jai Kim

Department of Environmental Engineering, Chonnam National University,

Kwangju 500-757, Korea

서 론

급격한 공업화에 따라 여러 가지 합성유기물질의 방출량이 증가하고있는데, 이런 대표적 물질의 하나로서 페놀화합물을 들 수 있다. 폐놀계화합물은 선형유기화합물과 달리 벤젠고리를 가지고 있어 미생물에 의해 분해되기 어려운 특성을 가지고 있기 때문에 활성탄 흡착법을 이용하여 제거하려는 연구가 많이 진행되어 왔으며[1], 최근에는 표면의 성질을 변형시킨 활성탄을 흡착제로 이용하여 유해화학물질과 천연유기물질|(Natural organic compounds)을 흡착 제거하는 연구가 많이 시도되고 있으나[2], 국내에서는 아직 많은 연구가 진행되지 않고 있다. 표면을 개질시킨 활성탄은 방향족 유기화합물의 흡착능을 높일 수 있는 것으로 보고된바 있기 때문에[3,4] 본 연구에서는 순수활성탄과 표면을 산과 열처리하여 개질시킨 활성탄을 흡착제로 사용하였다. 표면처리후 흡착제의 물리적, 화학적인 변화를 분석하였으며, p-Nitrophenol을 흡착질로 사용하여 흡착평형실험 및 회분식 실험을 통하여 활성탄과 흡착질간의 물질이동 현상에 대하여 연구를 수행 하였다.

실 험

본 연구에서 사용된 흡착제는 갈탄을 원료로 하여 제조한 미국 Calgon사의 정수용 활성탄인 Filtrasorb-400 (F-400)을 체분리하여 0.43∼0.60mm 크기의 입자를 취한 후, 흡착제 표면의 불순물을 제거하기 위하여 증류수와 함께 1시간 동안 끓인 후 수 회 세척한 다음, 105 ℃에서 48 시간 동안 충분히 건조하여 데시케이터에 보관하였다. 건조된 활성탄(Virgin activated carbon; VF-400)은 각각 5N-HNO3 수용액과 350℃온도에서 24시간, 산처리(Acid treated carbon; AF-400) 및 열처리(Heat-treated at 350; HF-400)하여 활성탄 표면을 개질시켰다. 실험에 사용할 표면처리 하지 않은 활성탄과 표면처리 활성탄의 비표면적, 세공용적 등 물리적 특성은 Quantachrome autosorb automated gas adsorption system을 이용하여 측정하였으며, 표면기능기는 Bohem method를 사용하여 분석하였다.

1. 흡착 평형실험

흡착평형실험에는 2mmol/L 농도로 조제된 흡착질과 일정량(0.05-1g/L)의 입상탄을 사용하였다. 실험에 사용한 반응기는 외부의 공기유입과 내부물질의 유출을 방지하기 위해 밀폐된 160□ 용량의 유리병을 사용하였으며, 교반속도 200rpm, 25±1℃로 유지된 Shaking Incubator에서 1주일간 흡착실험을 실시하였고, 평형에 도달한 후 수용액에서 활성탄을 분리하기 위하여 0.45□ Glass Microfiber Filter(GF/C; Whatman; England)로 여과하여, 그 여액을 분석하였다.

2. 회분실험

회분식 실험에는 Table 4에 수록된 3 가지 종류의 입상탄을 사용하였으며, 흡착질은 p-nitrophenol을 2mmol/L 농도로 조제하여 사용하였다.

표면 및 세공 확산계수는 확산계수 모델식을 이용하여 구하였다. 본 연구에서는 경막에 의한 물질전달 저항이 무시될 수 있도록 200 rpm으로  교반 시키면서 흡착제를 1 g과 2 g을 주입한 후 p-nitrophenol의 흡착반응 시간에 따른 용액의 농도를 측정하였다. 모든 흡착질 수용액은 0.001M의 Phosphate 완충액을 주입하여 pH를 7.0으로 하였고, 미생물의 영향을 배제하기 위하여 0.1M 아지드화나트륨(NaN3) 수용액을 제조하여 흡착질이 함유된 수용액에 소량 주입하였다.

결과 및 고찰

실험에 사용할 표면처리 하지 않은 활성탄과 표면처리 활성탄의 비표면적, 세공용적 등 물리적 특성은 Quantachrome autosorb automated gas adsorption system을 이용하여 분석하였으며, 그 결과를 Table 1에 나타내었다. Table 1에서 VF-400은 표면처리하지 않은 Virgin Filtrasorb-400을 나타내고, AF-400은 산처리하여 표면 개질 시킨 Acid treated Filtrasorb-400을 , HF-400은 열처리한 Heat treated Filtrasorb-400을 나타낸다.

Table 1과 Fig. 1는 활성탄의 물리적 특성 및 meso영역에서 세공크기의 변화를 보여준다. 질산 및 열처리로 활성탄 표면을 개질한 경우 활성탄의 비표면적, 세공분포에 변화가 일어남을 알 수 있었다. 표면처리를 하지 않은 활성탄의 비표면적은 1250[eqn: m^2 /g]이었으나, 질산처리 및 열처리한 활성탄의 비표면적은 각각 1348, 1440[eqn: m^2 /g]으로 증가하였다. 세공의 평균크기는 크게 변화하지 않았으나 총세공부피는 상당히 증가하였으며, 특히 meso 영역의 세공이 증가함을 알 수 있었다(Fig. 1).

Table 2로 부터 미처리 활성탄의 총 염기성 기능기에 비하여 AF-400은 11%, HF-400은 34% 감소하였으며, 총 산성 기능기는 AF-400은 7.5배, HF-400은 5.1배 증가하는 등 활성탄 표면의 작용기에는 표면처리에 의하여 큰 변화가 있음을 알 수 있었다. 즉 활성탄을 질산으로 표면을 개질 시킬 경우 카르복실기와 락톤기 등의 산성 작용기가 크게 증가하며, 열처리시에도 산성작용기가 증가함을 알 수 있었다. 이러한 활성탄 표면의 관능기, 즉 활성탄 표면 화학적 구조의 변화로 인하여 흡착능의 변화가 발생한다고 생각된다.

여러 가지 흡착평형식중에서 액상 단일성분 흡착평형에 사용되는 2개의 파라메타를 갖는 Freundlich식이 실험 데이타와 가장 잘 일치하였으며, Fig. 2는 실험치와 Freundlich식을 나타낸 것으로 산처리한 활성탄과 열처리한 활성탄의 흡착능이 증가함을 알 수 있다.

Figs. 3와 4는 흡착질의 농도 2 mmol/L로 일정하게 한 후, F-400의 표면처리 전과 표면처리한 F-400을 흡착제로 하여, 온도를 23±1 ℃, 교반속도를 200 rpm으로 유지하면서 구한 흡착질의 농도 변화를 나타내었다. Figs. 3와 4로 부터 질산으로 표면을 개질 시킨 F-400과 열처리한 F-400의 경우 흡착능이 증가함을 알 수 있으며, 흡착 초기 단계에서 흡착제에 따른 흡착 속도는 큰 차이가 없으나 산처리한 흡착제의 흡착 평형값이 더 높은 것을 알 수 있었다. 또한 실험치와 세공확산모델과 표면확산모델로 구한 농도 profile 사이에 큰 차이는 없으나, 표면확산 모델이 더 실험치를 잘 나타내는 것을 알 수 있었다.

References

1. R. Vidic, M. T. Suidan, U. K. Traegner and G. F. Nakhla, Wat. Res., 24, 10, 1187(1990).

2. T. Karanfil, M. A. Schlautman and W. J. Weber, Wat. Res., 28, 7, 1673, (1994).

3. C. H. Tessmer, R. D. Vidic and L. J. Uranowski, Environ. Sci. Tech., 31, 1872(1997).

4. I. I. Salame, T. J. Bandosz, J. of Colloid and Interface Sci., 210, 367, (1999).

Table 1. Physical properties of activated carbons used in this study.

([eqn: d_p]= 0.43-0.60mm)

		Unit	VF400	AF400	HF400
Multi point BET		□/g	656	755	806
Langmuir surface area		□/g	1250	1348	1440
Average pore radius		Å	26.63	25.92	25.92
Total pore volume		[eqn: ml]/g	0.437	0.489	0.522
Pore size distribution	micropore	[eqn: ml]/g(%)	0.322(74)	0.339(69)	0.362(70)
	mesopore	[eqn: ml]/g(%)	0.115(26)	0.150(31)	0.159(30)

Table 2. Characteristics of functional groups of the activated carbons used in this study.

([eqn: d_p]= 0.43-0.60mm)

Carbon type		Chemical analysis
		Acidic functional groups [□eq/g]				Total acidic groups [□eq/g]	Total basic groups [□eq/g]
		Carboxylic groups	Phenolic groups	Lactonic groups	Carbonyl groups
F-400	VF-400	10.0	25.1	25.0	9.5	69.6	107.0
	AF-400	240.2	49.5	120.8	110.5	521.0	95.1
	HF-400	150.1	51.4	85.0	70.5	357.0	70.8

Fig. 2. Adsorption isotherms for F-400.

Fig. 1. Pore size distribution of activated

carbon.

Fig. 4. Concentration decay curves for

F-400 (adsorbent=2g/L, C0=2mmol/L,

rpm=200)

Fig. 3. Concentration decay curves for

F-400 (adsorbent=1g/L, C0=2mmol/L,

rpm=200)