활성탄 기술자료 (수질편 1 )

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활성탄 기술자료 (수질편 1 )

여성국장 2016. 12. 11. 22:24

1. 이란

활성탄소(Activated Carbon)라고 명명하지만 통상 활성탄이라고 부른다. 최근들어 참나무숯, 대나무숯 등 우리 일상생활에 친근하게 접하게 되었다. 옛부터 우리 선조들은 장을담글때 숯을 띄우거나, 산모출산시 방안에 숯을 걸어 놓는 것은 활성탄의 성질을 잘 활용한 예이다. 이는 간장 속의 나쁜 맛과 냄새제거, 산실의 세균을 흡착 제거하기 위한 훌륭한 처방이었다. 이와 같이 숯(木炭, CHAR)에도 소량의 흡착능력이 있지만 이것은 나무등이 탄화만된 상태로 이 숯을 활성화 시키면 활성탄이 된다. 물리화학적으로 가공해서 더욱 활성화(Activation)한 이것을 활성탄이라 한다.

2. 활성탄과 흡착

2-1. 활성탄의 원료와 특성

원료중 식물계로는 목재 야자각 등을 주로 사용하고 광물계로는 갈탄, 유연탄, 역청탄, 무연탄 등을 주로 사용하는데 이러한 물질들은 무정형탄소를 이루고 있다. 이것들을 탄화와 활성화 과정에서 분자크기 정도로 미세공(pore)을 발달시켜 흡착능력을 배가시킨 것으로 pore의 내부면적이 활성탄 1g당 1000㎡ 이상이 된다.

2-2. 활성탄의 형태

▶ 파쇄상 : 입자크기가 보통 3~80mesh로써 불규칙한 형상이다.

▶ 분말상 : 보통 100mesh 이하의 입도임.

▶ 성형상 : 조립탄이라고도 함. 일정한 규격크기의 형상으로 구형, 원주형임.

▶ 섬유상 : ACF라고 명하며, Cloth 상태임.

2-3. 활성탄의 용도

▶ 기상용 : 공기 및 GAS중의 선택적 제거성분의 흡착.

▶ 액상용 : 물 및 액상물질 중 선택적 성분의 제거.

▶ 촉매용 : 활성탄 특성을 활용한 촉매 및 간접담체로 활용.

▶ 기타 : 의약용으로도 정제후 사용.

▶ 액상 및 기상용의 적용분야

. 초순수 : 반도체, 정밀화학 초순수제조의 이온교환수지, Membrain 보호용 전처리

. 정수 : 음료수, 식품제조시 염소, 이취미, 유기물제거, 공업용수 제조시 유기물, 잔류염소 제거

. 상수도 : 원수로부터 탈취, 탈색, 미생물, 농약, 페놀, ABS등 제거

. 폐수 : 하수, 폐수처리시 BOD, COD, 페놀, ABS, 유해물질 등의 제거

. 악취 및 독가스 : 악취, 독성가스, 방사성가스, 산성, 염기성가스 등 기체처리

2-4. 탄화물의 활성화 방법

▶ GAS법 : 고온로 800~900℃ 분위기에서 수증기, 이산화탄소 등으로 고정 탄소를 산화처리함. pore확장생성인자는 산화GAS의 성질, 농도 활성반응 시간등으로 결정된다.

▶ 약품처리법 : 탄화물을 약품으로 처리하여 pore확장방법 약품은 황산, 인산, 염화아연 등을 사용.

2-5. 활성탄의 흡착현상

▶ 활성탄소의 세공구조

Micro pore	Meso pore	Macro pore
20Å	20 - 500 Å	500Å

▶ Pore diameter의 구분 (IUPAC, international Union of Pure and Applied Chemistry)

▶ 흡착에서의 3단계

1st : 흡착질이 액경막을 흡착제 외부표면으로 이동. (속도느림)

2nd : 흡착질이 흡착제의 대세공, 중간세공으로 확산이동(속도느림)

3rd : 확산된 흡착질이 미세공 표면에서 화학적결합, 또는 미세공에 물리적 충진현상으로 흡착됨(속도빠름)

▶ 흡착의 정의흡착이란, 어떤상의 계면(고-액, 기-액, 액-액)에서 기체 또는 액체중의 특정성분이 농축되는 현상이라 말한다. 또한 어떤 기체 또는 액체가 다른 액체 고체물질과 접촉했을 때, 전자의 농도가 상계면과 상내부가 서로 상이한 경우에 전자의 흡착이 일어났다고 하며, 전자가 계면에 존재하지 않고 후자의 내면에 들어간 경우를 흡수라 한다. 그리고 흡착과 흡수가 동시에 일어난 경우를 수착(sorptin uptake)이라고 한다. 한면 상내부보다는 계면 근방의 농도가 작은 경우를 -흡착, 큰경우는 +흡착이라고 하며, 일반적으로 흡착에서는 +흡착을 나타난다.활성탄이 어떤 성분을 흡착하고 있을 때활성탄 : 흡착제 또는 흡착매(Absorbent)흡착된 성분 : 흡착질(Adsorbate) 또는 흡착종(Absorbed species)

▶ 흡착량은 활성탄의 단위면적 또는 단위질량에 대한 흡착질의 질량, 중량으로 표시하거나 혹은 흡착분자수로 나타낸다.

▶ 포화흡착량 : 활성탄 전면적을 전부 점유한 량.

▶ 흡착율, 피복율 : 흡착질이 pore에 점유한 비율.

▶ 흡착제의 흡착선택성

2-6. 물리흡착과 화학흡착흡착형태에서 반데르발스 힘으로 물리흡착, 이온결합, 공유결합력으로 화학흡착이 일어난다. 그러나 활성탄 흡착에서는 물리흡착과 화학흡착이 존재한다고 본다. 한편, 기상흡착에는 가역적인 물리흡착이 많고, 액상흡착은 비가역적 화학흡착이 많이 일어난다.

구분	물리흡착	화학흡착
온도	저온에서 큼	고온에서 일어남
피흡착질	비선택성	선택성
흡착열	적다. 응축열과 같음(10Kcal/Mole이하)	크다. 반응열과 같다(10~30Kcal/Mole이하)
흡착속도	빠름. (Activation이 존재하지 않음)	느림. (활성화에너지 필요)
흡, 탈착	가역성(가능)	비가역(불가능)

2-7. 흡착열활성탄이 흡착질을 흡착할대 발열이 되는데 이와같은 성질을 활용한 것이 분말활성탄과 산화철을 혼합해서 휴대용난로가 시판되고 있다. 흡착열은 발열반응이고 이때, 발생열량은 흡착질과 흡착제의 표면흡착율에 따라 증가하며, 흡착제 세공표면의 불균일성에 따라 변한다.

2-8. 액상흡착

▶ 액상에서 활성탄으로 흡착하고자 하면, 그 흡착율은 활성탄의 입도, 세공용적, 비표면적, 세공경의 분 포, 세공구조에 따라 달라진다. 또한 인자는 피흡착분자의 종류, 크기, 구조에 따라 흡착이 달라진다.

▶ 액상에서는 피흡착 분자의 확산속도가 매우 작으므로 물질이동을 촉진하기 위하여 입경이 작은 입자 활성탄을 많이 사용한다. 확산속도외에 액상에서는 용매, 용질의 경쟁흡착이 영향을 미친다.

▶ 액상에서는 피흡착분자가 크고 구조가 복잡하며 극성을 갖는 것이 많으며, 주변에 오염물질의 종류가 다양하므로 이것에 적용되는 활성탄의 세공구조도 다양성을 띄고 있다. 따라서 처리코자하는 원수의 성격에 따라서 알맞은 활성탄 응용설비를 구비해야 한다.

2-9. 피흡착물질의 성질에 따른 활성탄의 흡착성능

활성탄에 ABS와 Benzoic Acid의 흡착능력을 비교하면 흡착량과 흡착속도 양자의 사이에는 명확한 차이가 있다. ABS에 관해서도 Alkyl기의 길이나, 측쇄의 유무에 의해 흡착특성이 달라지고, Alkyl기의 탄소수가 증가함에 따라 흡착량은 증가하지만, 흡착속도는 감소한다. Methanol, Ethanol 또는 Formic Acid, Acetic Acid, 저급지방산은 생물적으로는 쉽게 분해되는 것으로 알려져 있다. 따라서 이둘의 물질은 활성탄 흡착처리는 해도 별로 큰 기대를 할 수 없다. 또 피흡착물의 분자크기의 영향도 활성탄 흡착에는 무시할 수 없는 요소이다. 이와같이 활성탄을 수처리에 적용할 경우에는 활성탄의 물성과 병행하여 흡착하는 물질의 성질이라든지, 액상의 PH, 농도, 온도 등의 조건에 의해 흡착능이 변하는 것을 유의해 두어야 한다.

① PH의 영향

폐수의 PH를 2-3까지 내린 상태에서 활성탄으로 처리할 경우 유기물 제거율이 증가하는 경우가 많다. 이것은 폐수중의 유기산이 PH의 낮은 영역에서는 ION화하는 비율이 낮고, 활성탄에 흡착되기 쉬운 조건이 되는 것에 원인이 있다. 하수의 고도처리방법에 활성탄 흡착과 이온교환탈염을 조합해서 처리하는 경우가 있는데, 이런 경우 통상, 이온교환의 전단에서 활성탄 흡착을 시키는 것이 보통이지만, 2차 처리수 응집침전, 여과한 후 먼저 양이온 교환수지탑에 원수를 통과시켜 수중의 Na, Ca 등의 양이온을 수지의 수소이온과 치환하고, PH가 내려간 상태에서 활성탄 충진층을 통과시키면 유기물제거율이 올라간 경우가 있다. 그 다음에 활성탄탑을 통과한 물을 강염기성 음이온교환수지를 통수하면 잔류되어 있던 산은 제거된다. 산성 또는 알칼리성으로 활성탄 처리하면 생물의 증식도 억제되므로, 활성탄 탑내에서의 생물장해가 줄어든다. 이와같이 특정의 PH영역에서 흡착하면, 예측되지 않은 좋은 결과를 얻을 수 있어서 난흡착성 물질의 처리실험에는 PH조건을 고려해 보는 것도 좋은 방법이다.

② ION화와 극성을 고려한다.

유기산과 아민류에는 물에 용해하여 약산 혹은 약염기성을 나타내는 것도 있다. 이와같은 강전해질의 유기물은 이온화하고 있을 때 보다도 분자상태에 있을 때 일반적으로 흡착량은 크다. 유기물의 용해도, 이온화와 병행하여, 피흡착물질의 극성이 흡착에 영향을 끼친다. 포도당, 전당등 분자내에 수산기를 갖고 극성이 큰 분자의 흡착량은 일반적으로 적다. 또 설폰산기, 아미노기등도 분자의 극성을 증가시키므로 흡착에는 좋지않다. 포르말린, 아세트알데히드, 애칠렌디아민, 전당 등의 화합물은 활성탄 1g당 0.01g정도의 흡착량밖에 얻을 수 없다.

③농도의 영향

ABS와 같이 액농도를 바주어도 흡착량이 대부분 일정한 값을 나타내는 물질도 있지만 많은 유기물은 농도나 흡착량에 특정한 관계를 볼 수 있고, 농도가 증가하며 흡착량도 거기에 따라 지수함수적으로 증가하는 것이 보통이다. 예외적으로 폐수중의 공존물질에 의해 흡착이 몹시 어려운 경우에는 원수를 희석시키고 나서 활성탄 흡착을 시키면, 흡탁능력이 높아지는 경우가 있다.

④ 용해도와 흡착의 관계

활성탄은 소수성물질이다. 따라서 흡착분자가 소수성일수록 흡착은 쉬워진다. 지방산의 알칼리가 길어짐에 따라서 물과 유기물사이에 작용하는 수소결합력이 상대적으로 감소하고, 점차로 수수성이 강하게 되어 물로부터 분리하기 쉽게 되어 활성탄 흡착에 좋은 조건이 되어진다. 결론적으로 일반적으로 물에 대한 용해도가 작은 것이 흡착되기 쉬운 경향이 있다는 것이다.

⑤ 분자의 구조와 표면장력의 관계

일반적으로 방향족화합물은 지방족화합물에 비교하여 활성탄에 잘 흡착된다. 벤조알데히드의 흡착량은 부틸알데히드의 약 2배이고, 또 벤조익산의 5배정도의 흡착량을 나타낸다. 액체에 용해할 때, 용액의 표면장력을 현저하게 감소시키는 물질을 그 액체에 대해서 표면활성이라고 말하며, 세제 등이 그 예이다. 포화지방산 혹은 알코올 물에 용해하면, 수용액의 표면활성은 첨가한 물질의 탄소수의 증가에 따라 기하급수적으로 증가하는 것으로 알려져 있다. 이것을 Traube(트라우베)의 규칙이라고 한다.

- 알콜류 : 메탄올 < 에탄올 < 프로판올 < 부탄올

- 지방산 : 훠믹산 < 아세틸산 < 프로핀니온익실 < 부칠릭산

⑥ 분자의 크기의 영향

Traube의 규칙이 성립할 때에는 당연히 분자량의 증가와 더불어 흡착량도 증가한다. 반면, 분자량이 커지면 활성탄입자의 확산속도가 적어져서 흡착속도는 감소하는 일이 많다. 흡착에 유효한 Micro pore의 크기는 피흡착분자의 3~6배이고, 이 차이가 줄어들면 분자체 작용 등에 의해 확산저항이 증가한다.
하수의 2차처리수를 활성탄층에 통수하여 3차처리할 때, 활성탄에 흡착하는 유기물의 크기를 겔여과법을 이용하여 분자량의 분포를 조사하였다. 이에 따르면 2차 처리수중의 비교적 저분자의 유기물이 흡착제거 되기 쉽다고 한다. 분자의 형태에 따라서 다르지만, 분자량이 1,500을 초과하면 흡착속도의 저하가 현저한다. 그러므로 고분자 물질을 전처리인 생물분해 또는 오존산화법에 의해서 어느정도까지 저분자화한 후 활성탄을 흡착시키면 활성탄층에 부하도 적어지고, 장치를 소형화할 수 있는 장점이 있다. 단, 주의할 점은 전처리에 의해서 난흡착성물로 변화할 경우 이때는 전처리를 하지말고, 직접 활성탄 흡착법을 검토해야 한다.

⑦ 온도와 공존물질

기상의 흡착에서는 온도가 중요한 인자가 되나, 수처리 등의 액상에서는 유기물을 흡착할 때는 온도의 영향은 무시할 정도를 적은 경우가 많다. 활성탄의 흡착이 물리적인 흡착에 의한 것으로 생각하면, 저온에서 흡착성이 증가하겠지만, 그러나 액상에서의 흡착은 피흡착물질이 세공에의 확산이 흡착속도를 지배하는 일이 많고, 이점에서 생각하면, 온도를 상승시켜 확장 속도를 크게 하는 것이 흡착속도는 크다. 점도가 커서 상온에서 통수 저항이 큰 액체는 가능한 범위에서 승온시켜 활성탄을 처리하며 운전이 용이하게 된다. 천연수에 포함되어 있는 정도의 무기이온이 공존해도 유기물 흡착에는 거의 영향이 없다. 그러나 수은, 크롬산, 철 등의 금속이온은 활성탄 표면에서 산화, 환원반을 일으켜, 입자내에 침전하고, 이들 불순물의 축적량이 증가하면, 활성탄 세공이 좁아져서, 그 결과 유기물의 확산을 방해한다. 이와 반대로 고급 지방산 용액에 염화나트륨을 첨가하면, 흡착성이 증가하는 현상도 있다. 이런 경우는 Nacl이 지방산의 용해도를 감소시키는 것에 그 원인이 있는 것이다.

2-10. 활성탄의 유기물 흡착

항목	유입수	유출수
부유물질(SS) (ppm)	10	<1
COD (ppm)	47	9.5
용해성 COD (ppm)	31	7
유기탄소 (TOC) (ppm)	13	2.5
질산염(질소포함) (ppm)	5.7	3.7
탁도	10.3	1.6
색도	30	3
냄새	12	1

활성오니법 즉 생물산화법에서 제거되기 어려운 물질로는 색갈, 악취, 맛탄닌, 리그닌, 에테르, 페놀, 메칠렌블루활성물질, 계면활성제, 유지류, 살충제등, 농약 등으로 이런 물질은 활성탄법으로 제거할 수 있다. 하수의 고도처리법에 활성탄을 사용하는 경우 제거대상 유기물질은 상기의 물질이외에 BOD, COD라는 총괄적 지표로 나타내지는 데 다음의 활성탄 처리 예를 도표에 나타난 바와 같다.

▶ 표에서와 같이 COD, TOC 등의 유기물제거율은 80%이고, 유입수중의 유기물의 20%는 흡착되지 않는다.

▶ 하수, 폐수처리에서도 제거율이 100%되는 것은 적으며, 어떤 유기물질은 흡착되지 않고 처리수중에 유출된다.

▶ 유기물의 크기, 분자량, 관능기의 유무와 활성탄의 표면적 세공의 형태 표면성질과의 연관된 관계가 있다.
▶ 활성탄의 용해성 유기물질의 흡착제거에는 1㎛(10Å)이하이거나, 의 범위가 최적임.

▶ 분자량이 1,500이상의 유기물 제거는 응집법이 더 유효하다. 이때 분자량이 3,000~4,000 이상이면 응지법의 효율이 증가한다. 반대로 1,500이하에서는 응집법이 처리 효율이 급격히 감소한다.

2-11. 평형흡착이란 (Adsorpiton Equilibrium)

활성탄 흡착공정에서 일정기간동안 지나면 액상중의 용질농도와
활성탄인 고체 흡착제 간에는 용질 농도의 평형상태가 도달된다. 이때가 최대흡착량이 되며, 이런 것의 변수는 세공구조, 내부의 표면적, 표면화학 등의 흡착제 특성, 분자의 화학적성질, 분자크기, 친수성, 극성 등의 흡착질 특성들이다. 이것뿐만 아니라 액상에서의 용질농도, 온도, PH, 용액의 조성과 같은 물리적조건도 중요한 변수로 작용한다.

2-12. 파과곡선이란(Break Through Corve)

활성탄흡착탑을 설계하기 위해서는 수많은 흡착가능한 물질을 포함하고 있는 원수를 흡차갑에 통화한후 유출수의 오염물질 농도가 어느 시점에서 설계기준이나 허용기준치를 초과할 것이냐에 대한 정보가 필요하다. 이러한 자료의 정보는 통상적으로 Pilot scale 실험으로 얻는다. 파과곡선이란 의미는 활성탄납의 입구에서 일정농도로 유입되는 흡착질의 활성탄탑 출구농도의 변화곡선을 말하며, 이파과 곡선의 위치와 형태를 결정짓는 것은 흡착용량과 흡착속도이다. 다음 그림1은 파과곡선을 나타내며 흡착탑 출구에서의 유출농도를 시간의 경과에 따라 표시하였다.

▶ 그림 2에서 파과점 A는 출구농도가 인입농도의 10%점으로 이후부터 출구농도가 급격히 증가되는 지점이다.

▶ 활성탄은 요오드가가 600mg/g이하로 되면 거의 흡착성이 없다고 본다.

▶ 활성탄의 수명 : 통과유량, 피흡착질의 종류와 농도, 활성탄의 량, 활성탄의 질에 따라서 좌우된다.

2-13. 액상에서의 활성탄 공법의 응용

▶ 순수처리공정 : 이온교환수지의 성능에 막대한 지장을 초래하는 난류염소, 유기물을 제거해서 수지를
보호한다. 잔류염소는 이온교환수지를 산화시켜 가교결합을 끊어 버리고 결국은 입자가 파괴되어 기능이
떨어진다. 한편, 유기물은 수지를 오염시켜서 역세수량이 증가 처리수 수질악화 SiO2의 조기누출등이 일어나므로 이를 위해서는 COD 기준으로 1ppm 이하로 유지해야 한다.

▶폐수 : 부식성 유기물의 제거, 농약잔류물질, COD, TOC, THM등 염소살균 부산물 제거 등에 응용됨.

▶상수도 : 맛, 색도, 냄새, 농약잔류물, 유기성 잔유물, 상수원 오염사고인 유류, 독성물질 등의 제거 등에
사용된다.