제 3 장  활성탄

1. 서  론

    1-1. 개  황

    활성탄은 목재, 갈탄, 무연탄 및 야자껍질 등을 원료로 제조되는 미세세공이 잘 발달 된 무정형 탄소의 집합체로서, 활성화 과정에서 분자크기 정도의 미세세공이 형성되어, 내부 표면적이 커지게 되는 흡착제이다. 이 흡착제는 그람당 1000㎡ 이상의 큰 표면적을 갖기도 하는데 이 내부표면에 존재하는 탄소원자의 관능기가 주위의 액체 또는 기체에 견인력을 가하여 피흡착물질의 분자를 포집하는 성질이 있다. 따라서 식품공업을 비롯하여 의약품, 환경분야, 수처리 등 광범위한 산업분야에서 탈색, 탈취, 용제의 정제, 회수, 탈기 등의 목적으로 유기물질의 흡착은 순수 전처리공정에 이용되는 중요한 방법이다.

 

    활성탄에 대한 본격적인 연구가 시작된 것은 Anderson(1914)이 흡착등온선과 세공분포를 발표하면서 부터이고, 다음으로 Spalking과 Stem Harrison(1930)은 입상활성탄을 상수처리에 이용하였다. Tayler(1931)는 화학흡착이론을 발표하였고, B.E.T(1838)들이 다분자흡착설을 발표하였다. 근대에는 Dubinin(1955)이 세공구조를 분류하였고, Wheeler(1955)도 흡착등온선과 세공분포를 발표하기에 이르렀으며 Pomana(1965)는 폐하수의 3차처리에 이용하여 용해된 유기물질을 흡착제거하는데 매우 효과적임을 밝혔다.

 

    종래는 폐수처리 및 처리수 재이용을 위해 활성오니법에 의한 정수가 일반적이었으나 이 방법으로는 처리속도가 늦고 미량 유기물이 용해하여 잔존하기 때문에 고도의 처리방법으로 게발된 것이 활성탄의 흡착법이다.²  활성탄에 의한 수처리가 어떤 방법보다도 색도, BOD. COD, ABS 및 Hg등 각종 중금속 제거에 효과가 크다고 발표되었다.4) 5) 6)  그러나 입상활성탄은 그 종류가 다양하기 때문에 종류에 따른 용도 구분과 사용방법등에 대한 평가가 절실히 요구되고 있는데 비하여 국내에서는 이와 같은 연구가 단편적으로 수행되어 왔을 뿐, 체계적인 연구는 소수에 불과하다.

 

    따라서 본 연구에서는 국산과 입상활성타에 대한 품질평가와 잔류염소, COD, ABS 및 TOC항을 피흡착물질로 하여 흡착능을 측정비교하여 초순수 전처리재로서 사용 가능성을 평가하고자 하였다.

 

    1-2. 활성탄의 분류

     

    활성탄의 특성은 원료나 부활조건에 의해서 달라진다. 따라서 여러 가지의 방법으로 제조된 활성탄은 흡착특성이 다르고, 그의 다양성 때문에 각각의 활성탄은 어느 특정 용도에 적합하게 된다.

 

활성탄을 몇 개의 기준에 의해 분류하면 다음과 같다.

 

    1-2-1. 물리적 형상에 의한 분류

 

    활성탄에는 다음과 같은 물리적 형상이 있다.

 

○ 분말상 ; 용도에 의해서 분말도 및 입도를 본다.

○ 파쇄상 : 입상이지만 형상 및 크리는 불규칙하다.

○ 조립(성형)상 : Binder [Tar류, 플라스틱류]를 사용하여 수형, 성형(Cylinder형)등이 있다.

○ 섬유(Fiber)상, Cloth상, 그밖에 특수형상, 액체상, 페인트상도 있다.

 

    1-2-2. 원료에 의한 분류

 

○ 식물질(목재, 톱밥, 목탄, 야자각탄 등)

○ 석탄질(니탄, 아탄, 갈탄, 역청탄, 무연탄 등)

○ 석유질(석유잔사, 황산 Sludge, Oil Carbon 등)

○ 기  타(Pulp 폐액, 합성수지 폐재, 유기질 패기물 등)

 

    1-2-3. 활성화 방법에 의한 분류

 

1) 가스활성화법

각종의 산화성가스(수증기, 이산화탄소, 공기 등)에 의한 고온(800∼900℃)가스화 반응으로, 산화 부활에 의해 발생되는 흡착력의 세기 정도는 산화성가스의 화학적 성질과 농도, 반응온도, 부활도, 탄(Char)에 포함되어 있는 무기성분의 양과 종류에 의해서 결정된다.

 

2) 약품활성화법

원료 또는 탄화물을 약품처리하는 방법으로 탈수성(脫水性)의 염류 및 산(염화칼슘, 염화 마그네슘, 염화아연, 인산, 황산 등)이 사용 되고 잇으며 특히 염화아연이 가장 일반적으로 사용되고 있다.

 

3) 약품, 가스의 병용 활성화법

특정의 용도에 대한 활성탄의 세공구조를 변화시켜 흡착성능의 다양화를 꾀하는 목적에서 이 방법이 사용되고 있다

 

    1-2-4.  용도에 의한 분류

 

    기상 흡착용과 액상 흡착용으로 대별되어 있는 외에 의약용, 수처리용, 가스흡착용, 촉매용 등의 각 용도별로 분류하고 있다.

각 형상에 따른 활성탄의 주요 용도 및 물성은 표1과 같다.

 

표1 형상에 의한 활성탄의 용도 및 물성

종류

항목

분말탄

입상탄

조립탄

약품활성화법

(ZnCl2)

수증기활성화법

(H2O)

야자각

석탄계열

성형탄소

(Cylinder형)

구형탄소

(Sphear Type)

주용용도

정제, 식품공업, 의약품의 탈색, 탈취, 정제, 폐수처리, 촉매담체.

공기정화, 정제, 촉매담체, 용수.폐수처리, 탈색제, 공업약품 및 의약품의 정제.

용제회수, 촉매담체, 정제

폐수처리

물성

 외형

흑색미분

흑색, 무정형

흑색, 단주형

흑색, 구형

 비중

1.9 - 2.2

1.9 - 2.2

1.9 - 2.2

 회분(%)

1 - 3

0.5 - 2

0.5 - 2

1 - 10

5 - 12

5 - 12

 밀도(g/㎤)

0.2 - 0.4

0.4 - 0.5

1.9 - 2.2

 입도

150 ㎛이하

0.15 - 3.36mm

0.5 - 2.38mm

1 - 8mm

0.5 - 2.38mm

 비표면적(㎡/g))

700-1800

700-1600

600-1500

700-1300

900-1300

900-1200

 세공용적(cc/g)

0.7-1.9

0.5-1.3

0.6 - 1.2

0.6-1.2

0.8-1.2

 

1-3. 활성탄의 구조 및 흡착특성

    1-3-1. 활성탄의 구조

    활성탄의 결정구조는 목탄이나 Carbon Black, Cokes 등과 같은 구조로 흑연과 유사한 탄소계 물질군이지만 무정형 탄소로서 흑연에 비해 층이 불규칙적으로 쌓여져 있다. 이와 같은 배열을 Biscos와 Warren은 난층구조(Turbo-Stratic Structure)라고 부르며 그림1과 같이 무정형 탄소로 나타내었다.10)

 

    활성탄을 기체,  액체 혼합물과 접촉시키면 활성탄 입자내에서 기공 사이로 피흡착물질이 입자의 바깥쪽에서부터 입자중심으로 향해 확산해가며, 장시간 후에는 흡착 평형에 이른다. 흡착이 일어난 곳은 그 세공표면 또는 세공공간이라고 추정되지만 표면적의 표시방법은 실험적이기 때문에 활성탄소에 의한 흡착농도를 표시할 때는 내부표면적당 또는 공간 용적당 흡착된 농도를 나타내는 것은 타당치 않고 단위 중량당 흡착 용질의 양으로 나타내는 것이 타당하다.

 

img1.gif

                                               Graphite                                                        Activated carbon

그림 1 흑연의 결정구조와 활성탄의 난층구조

 

    1-3-2. 흡착특성

    흡착은 두 개의 상(相)이 접촉되는 계면에서 이루어지며, 각 상의 밀도가 내부와는 다르다. 예를 들면 용액에서는 고체와 접촉하는 계면부분 또는 공기와 접촉하는 표면 부분에서의 용질의 농도가 액 내부의 용질의 농도와 다르게 되는 현상을 흡착이라 한다. 또한 분자가 부착할 수 있도록 표면을 제공하는 물질을 흡착제라고 하고, 표면에 부착되는 분자를 피흡착물이라고 한다. 흡착제는 다공성(多孔性)으로서 내부표면이 대단히 크고, 흡착성이 좋은 고체이다. 활성탄에 의한 흡착공정은 흡착제를 둘러싸고 있는 구조를 통해 살펴보면

1) 흡착제 주위의 막을 통하여 피흡착물의 분자가 이동하는 단게

2) 흡착제 공극을 통하여 피흡착물이 확산하는 단계

3) 흡착제 활성표면에 피흡착물의 분자가 흡착되며, 피흡착물과 흡착제 사이에 결합이 이루어지는 단계

    위의 3단계중 3)은 대단히 빨리 일어나므로9) 1), 2)단계에 의하여 흡착이 제한을 받게 된다. 그러므로 흡착률은 피흡착물의 분자가 용액내에서 이동, 즉 확산하는 율에 의하여 결정된다고 볼 수 있다. 결국 1), 2) 단계는 Limiting Step이 된다. 회분흡착에서는 교반에 의한 강제력이 작용하므로 피흡착물이 난류, 확산에 의하여 큰 이동속도를 가지며 초기과정의 Limiting Sep은 피흡착물 및 흡착제의 종류와 분자의 이동속도에 의한 확산 정도에 따라 변화하며 흡착과정의 모형을 그림2에 나타낸다.

그림2. 흡착과정의 모형도

    1-3-3. 등온흡착

    일정온도에 대한 활성탄의 흡착능력을 표현한 식이 등온흡착식이며, 등온흡착식은 고액계(固液界)의 접촉이 완성되엇을 때, 즉 평형에 도달했을 때 활성탄 단위 무게당 흡착된 피흡착물의 양과 용액내에 잔존하는 피흡착물의 농도, 온도 및 압력11) 등에 따라서 여러 가지 식이 제안되어 잇다. 여기서는 최근에 주로 사용되고 있는 Freundlich식을 적용한다. Freundlich의 흡착식은 기체-고체게, 기체-액체계 및 액체-고체계 등 널리 응용된다.

(1) Freundlich 등온흡착식

    일반적으로 용액성분이 흡착제에 흡착하여 생기는 흡착층은 단분자층이며 Freundlich는 흡착되는 용질의 양과 용액의 농도사이의 관계를 나타낼 수 있는 실험식을 제출하였다.

Freundlich의 등온흡착식은 다음과 같다.

                    X             1/n

                   ---   =    KC         ------------------------------(1)

                    M

                        여기서  X : 흡착된 물질의 양

                                    m : 흡착제의 양

                                    C : 평형이 이루어졌을 때의 용액의 농도

                                    K : 상수

(1)식에 대수를 취하면

                          X                       1

                   log ---  =  logK  +   --- logC     ------------------(2)

                          M                       n

(2)식에 의하여 logC와 log(X/M)의 관계를 직선식으로 나타낼 수 있다.

위의 직선식으로부터 기울기와 절편값을 구하여 n과 K값을 결정 할 수 있으며, 1/n 값을 알 수 잇다.

 

    1-4. 활성탄의 제조업체 및 수입현황

    국내의 활성탄소 생산업체는 대람탄소공업(주), 신기화학공업(주), (주)삼천리등 10여개사가 있으며 활성탄 총 생산량은 7,000여톤에 달한다. 국내 활성탄 수요량의 총량은 10,000톤에 달하므로 양적으로 부족하여 수입이 불가피하게 필요한 상태이다. '88년도에 수입된 활성탄의 총량은 2,620톤 정도이나 액상용, 기상용 모두가 품질면에서 우수한 편이어서 국산 가격보다 상당히 높은 가격으로 거래되고 있다. 주요 수입국으로는 벨기에, 필리핀, 일본, 네덜란드, 미국 등 20여개국에 이른다.

 

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