4. 결과 및 고찰

시료로 선정된 5종의 입상활성탄의 흡착능을 비교 평가하기 위하여, 회분식과 컬럼법으로 흡착시험을 실시하엿으며, 흡착 대상 물질로는 자연수중의 유기오염물질인 COD, TOC 와 소독.살균제인 잔류염소성분 및 계면활성제인 ABS를 택하였으며 그 결과는 다음과 같다.

 

    4-1. 회분법에 의한 흡착시험결과

COD, 잔류염소, ABS, TOC 등 항목별로 5종의 활성탄 시료를 대상으로 동일한 흡착조건하에서 활성탄의 흡착능을 비교하고자 하였다. 시험방법에서 언급 하였듯이 일정 온도로 유지된 항온 수욕 진탕기에 각 성분의 표준용액과 활성탄이 들어 있는 삼각플라스크를 고정시키고, 일정 시간 동안 같은 조건으로 진탕시킨 후 활성탄을 걸러내고, 용액에 남아 있는 각 성분의 농도를 측정하고, 각 성분에 대한 흡착능을 고찰해 본 결과 다음과 같다.

 

    표 9. COD Adsorption Isotherm Data

Sample

(A)

miligrams of COD in flask of first

(m)

weight of carbon(mg)

 

volumn of sol. in flask(ml)

(C)

final COD concentration(mg/L)

(B)

miligrams of COD in flask(mg)

(x)

weight of COD adsorbed(mg) (A-B)

x/m

COD adsorbed per unit weight of carbon(mg/g)

S-Ⅰ

1.5

2.5

250

2.3

0.575

0.925

370

"

5

"

1.4

0.35

1.15

230

"

10

"

8.5

0.125

1.375

138

"

15

"

0.2

0.05

1.45

97

S-Ⅱ

1.5

2.5

250

1.4

0.35

1.15

460

"

5

"

0.7

0.175

1.325

265

"

10

"

0.2

0.05

1.45

145

"

15

"

0.1

0.025

1.475

98

S-Ⅲ

1.5

2.5

250

1.6

0.4

1.1

440

"

5

"

1.0

0.25

1.25

250

"

10

"

0.3

0.075

1.425

143

"

15

"

0.1

0.025

1.475

98.3

S-Ⅳ

1.5

2.5

250

1.2

0.3

1.2

480

"

5

"

0.7

0.175

1.325

265

"

10

"

0.2

0.05

1.45

145

"

15

"

ND

-

-

-

S-Ⅴ

1.5

2.5

250

1.0

0.25

1.25

500

"

5

"

0.4

0.1

1.4

280

"

10

"

0.1

0.025

1.475

148

"

15

"

ND

-

-

-

 

     4-1-1. COD 흡착능

피흡착물질인 COD의 최초농도 6mg/L인 표준용액에 대하여 각 시료별 활성탄을 2.5, 5, 10 및 15mg씩을 각각 가하여 3-3-1의 3)시험순서에 따라 시험한 결과 표 10과 같은 등온흡착 값을 얻었다. 이 표들을 바탕으로 하여 잔류 COD 농도를 가로축으로 하고, 활성탄 단위량에 대한 COD 흡착량을 세로축으로 하여 LOG-LOG 좌표에 도시한 결과 그림5와 같다. 표10 및 그림5에서 보는 바와 같이 각 입상활성탄 시료에 대한 COD 항목의 흡착은 정상적으로 이루어지고 있어서 Freundlich 등온흡착식을 만족시킴을 알았으며 상수 K값과 1/n값은 표11과 같다.

 

    표 10. Freundlich 상수

시료번호

K

1/n

S-Ⅰ

9.1

1.00

S-Ⅱ

12.1

0.48

S-Ⅲ

10.9

1.25

S-Ⅳ

14.3

0.22

S-Ⅴ

14.7

0.62

 

    그림5. Adsorption Isotherm Of COD

 

    4-1-2. TOC 흡착능

피흡착물질 TOC의 최초농도 2.0mg/L인 용액 250ml에 시료 활성탄 2.5, 5.0, 10mg을 가하여 3-3-1의 3)시ㅎㅁ순서에 따라 시험한 결과를 표 11에 나타내었다. 각 시료별 처리효과는 극히 미흡하였고, S-V 시료는 비교적 정상 흡착 범위에 있으나 그밖의 시료는 정상적인 흡착능을 찾아보기 어려웠다.

 

    표 11. TOC Adsorption Isotherm Data

sample

Initial concentration

(mg/L)

weight of carbon

(mg)

final concentration of TOC

(mg/L)

weight of TOC adsorbed

(mg)

(X/M)

TOC adsorbed per unit of carbon

(mg/g)

S-Ⅰ

2.0

2.0

2.0

2.5

5.0

10.0

1.89

1.77

1.55

0.028

0.058

0.113

11.2

11.6

11.3

S-Ⅱ

2.0

2.0

2.0

2.5

5.0

10.0

1.44

1.29

1.52

0.14

0.18

0.12

56

36

12

S-Ⅲ

2.0

2.0

2.0

2.0

5.0

10.0

1.45

1.99

2.18

0.14

0.003

-

56

0.6

-

S-Ⅳ

2.0

2.0

2.0

2.0

5.0

10.0

1.95

1.92

1.28

0.013

0.02

0.18

5.2

4.0

18

S-Ⅴ

2.0

2.0

2.0

2.0

5.0

10.0

1.63

1.38

0.95

0.09

0.16

0.26

36

32

26

 

    4-1-3. 잔류염소 흡착능

    활성탄 의한  잔류염소의 제거원리는 다음의 몇가지 반응으로 해석된다.

1) 잔류염소가 HOCl로서 존재 할 경우 활성탄의 표면과 반응하여 H+와 Cl- 및 표면산화군을 형성하며, 표면산화군은 CO2 또는 CO로 분해되지만 결과적으로 활성탄의 기능기를 감소시키고 세공을 봉쇄하여 흡착능을 감소시키게 된다.

2) 잔류염소가 NH2Cl 상태로 존재한 경우, 환원반응과 촉매역할을 동시에 하여 최종작으로 N2, Cl- 및 NH3를 생성시킨다.

3) 잔류염소가 NHCl2 형태로 존재할 경우 윗 반응보다 빨리 진행되어 N2 및 Cl2-로 된다고 한다.

4) 고농도의 잔류염소는 염소화합물들의 고분자물질들을 생성한다고 알려졌다.

 

  따라서 활성탄에 의한 잔류염소 제거반응은 잔류염소의 존재형태, 농도등의 조건에 의해서 달라지게 되므로 활성탄의 품질과 직접적인 관련성은 희박하다고 생각되었으나 묽은 농도 범위에서 흡착능을 비교 검토 한 바 표 12와 같은 등온흡착 값을 얻었으며, 등온흡착곡선 그림 6으로부터 얻어진 K 및 1/n 값은 표 13과 같았다.

  그림6에서 보면 묽은 농도에서는 3-Ⅳ가 약간 흡착성능이 우수하였으나, 전반적으로 S-Ⅴ가 가장 우수하였고, 3-Ⅲ, S-Ⅱ는 비슷한 수준이고 S-Ⅰ이 가장 낮은 흡착능을 보였다.

 

    표 12. Residual Chlorine Adsorption Isotherm Data

Sample

(A)

miligrams of Cl2 in flask of first

(m)

weight of carbon(mg)

 

volumn of sol. in flask(ml)

(C)

final Cl2 concentration(mg/L)

(B)

miligrams of Cl2 in flask(mg)

(x)

weight of Cl2 adsorbed(mg) (A-B)

x/m

Cl2 adsorbed per unit weight of carbon(mg/g)

S-Ⅰ

0.125

2.5

250

0.150

0.375

0.0755

31

"

5

"

0.050

0.0125

0.1125

22.5

"

7.5

"

0.040

0.01

0.115

15.3

"

10

"

0.030

0.0075

0.1175

11.8

"

12.5

"

0.020

0.005

0.12

9.6

S-Ⅱ

0.125

2.5

250

0.120

0.004

0.085

40

"

5

"

0.030

0.008

0.118

24

"

7.5

"

0.010

0.003

0.123

16

"

10

"

0.010

0.003

0.123

12

"

12.5

"

0.005

0.001

0.124

10

S-Ⅲ

0.125

2.5

250

0.130

0.033

0.083

30

"

5

"

0.035

0.009

0.116

23

"

7.5

"

0.015

0.004

0.121

16

"

10

"

0.010

0.0025

0.123

12

S-Ⅳ

0.125

2.5

250

0.120

0.30.03

0.095

38

"

5

"

0.030

0.0075

0.01175

23.5

"

7.5

"

0.010

0.0025

0.1225

16.3

"

10

"

0.050

0.0125

0.1125

22.5

S-Ⅴ

0.075

5

250

0.010

0.003

0.073

15

0.125

2.5

"

0.070

0.018

0.1075

43

"

5

"

0.020

0.005

0.12

24

"

7.5

"

0.010

0.003

0.1225

16

"

10

"

ND

-

-

-

  

    그림 6. Adsorption Istherm of Cl2

 

    표 13. Freundlich 상수

시료번호

K

1/n

S-Ⅰ

5.6

0.29

S-Ⅱ

5.8

0.25

S-Ⅲ

5.9

0.28

S-Ⅳ

6.5

0.33

S-Ⅴ

8.7

0.46

 

    4-1-4. ABS 흡착능

피흡착물질인 ABS의 최초농도 2.0mg/L인 표준용액에 대하여 각 시료별 활성탄을 2.5, 5, 10 및 15mg씩을 각각 가하여 3-3-1의 3)시험순서에 따라 시헌한 결과 표 14와 같은 등온흡착 값을 얻었다. 이 표들을 바탕으로 하여 잔류 ABS 농도를 가로축으로 하고, 활성탄 단위량에 대한 ABS 흡착량을 세로축으로 하여 log-log 좌표에 도시한 결과 그림7과 같다.

  표14 및 그림7에서 보는 바와 같이 각 입상활성탄 시료에 대한 ABS 항목의 흡착은 정상적으로 이루어지고 있어서 Freundlich 등온흡착식을 만족시킴을 알았으며 상수 K값과 1/n값은 표 15와 같다.

 

    표 14. ABS Adsorption Isotherm Data

Sample

(A)

miligrams of ABS in flask of first

(m)

weight of carbon(mg)

 

volumn of sol. in flask(ml)

(C)

final ABS concentration(mg/L)

(B)

miligrams of ABS in flask(mg)

(x)

weight of ABS adsorbed(mg) (A-B)

x/m

ABS adsorbed per unit weight of carbon(mg/g)

S-Ⅰ

1.5

2.5

250

0.10

0.025

0.475

190

"

5

"

0.06

0.015

0.485

97

"

10

"

0.02

0.005

0.195

49.5

"

15

"

0.01

0.0025

0.498

33

S-Ⅱ

1.5

2.5

250

0.05

0.013

0.488

195

"

5

"

0.03

0.008

0.493

99

"

10

"

0.01

0.003

0.498

50

"

15

"

ND

-

-

-

S-Ⅲ

1.5

2.5

250

0.07

0.018

0.483

193

"

5

"

0.04

0.01

0.49

98

"

10

"

0.01

0.003

0.498

50

"

15

"

ND

-

-

-

S-Ⅳ

1.5

2.5

250

0.05

0.0125

0.488

195

"

5

"

0.02

0.005

0.495

99

"

10

"

0.01

0.025

0.475

47.5

"

15

"

ND

-

--

-

S-Ⅴ

1.5

2.5

250

0.04

0.015

0.495

196

"

5

"

0.01

0.003

0.498

100

"

10

"

0.001

0.0003

0.50

50

"

15

"

ND

-

-

-

 

    표 15. Freundlich 상수

시료번호

K

1/n

S-Ⅰ

36.6

1.32

S-Ⅱ

57.9

1.36

S-Ⅲ

41.7

1.25

S-Ⅳ

36.2

0.77

S-Ⅴ

19.3

0.48

 

    그림 7. Adsorption Isotherm of ABS

 

    4-2. Column법에 의한 흡착시험결과

 

입상활성탄 시료를 컬럼에 채우고 피흡착물 일정농도를 유지한 용액을 위에서 흘러 내리면 맨 위층에 잇는 활성탄에서부터 흡착이 진행되어 활성탄층에 흡착대(물질 이동대)가 형성된다. 이 층을 지나는 동안 피흡착물질은 흡착되어 처음의 유출액의 피흡착물질 농도는 0 이 된다. 계속해서 같은 용액이 유입되면 흡착대는 점점 아래 쪽으로 이동되어 결과적으로 활성탄에 피흡착물질이 포화상태에 이른다. 이런 상태에서 계속 용액을 유입하면 피흡착물질이 누출되기 시작하여 최초농도에 이른다.

  파과점(유출액의 피흡착물질의 허용농도)을 정해 놓고, 그 농도의 요액이 유출되기 시작하는 점까지의 총 유출시간(또는 액량)을 구하여 단위량의 활성탄에 대한 파과용량을 구해 보았다.

 

    4-2-1. COD 및 TOC 제거용량

전처리된 입상활성탄 10G씩을 컬럼에 채우고, 유속 1.2L/hr(선속도 4.7m/hr)를 유지하면서, 2mg/L의 COD 표준용액을 통과시키면, 시간별로 유출액의 COD를 측정한 결과 초기부터 COD의 감소가 미약하였다. 다시 COD 1.2mg/L 용액을 유속 0.6L/hr (2.4m/hr)으로 통과시키면서 유출액의 COD를 측정하였다. 이것 역시 cod 감소가 크게 나타나지 않았다.같은 방법으로 TOC 2mg/L의 표준액을 0.6L/hr의 유속으로 통과시켰으나 유출액의 TOC 농도도 미소하게 감소될뿐 처리 효율이 극히 저조하였다. 이는 COD나 TOC의 표준용액 조제에 사용된 시약이 모두 친수성물질로서 소수성의 활성탄 표면에의 흡착력이 부족한 탓으로 여겨진다. 따라서 시료로 사용된 5종의 활성탄으로는 자연수중의 COD나 TOC성분을 컬럼법으로 제거하기는 곤란하다고 보며, 초순수의 전처리재로서 특수 가공된 활성탄이 요구됨을 알 수 있었다.

 

    4-2-2. 잔류염소 제거용량

0.5mg Cl2/L의 잔류염소 용액을 활성탄 시료 각 10g씩 채워진 컬럼에 유속 1.2L/hr(선속도 4.7m/hr)으로 통과시키면 유출수의 잔류염소를 측정한 결과 표 16 및 그림 8과 같았다. S-Ⅰ은 처리시간 35시간(처리수량:42L), S-Ⅱ와 S-Ⅴ는 50시간(처리수량:60L), S-Ⅲ는 40시간(처리수량 : 48L) 그리고 S-Ⅳ는 45시간(처리수량:54L)처리후부터 잔류염소가 누출되기 시작하였다. 결과적으로 S-Ⅱ 및 S-Ⅴ 는 활성탄 단위 그람당 3mg, S-Ⅳ 는 2.7mg, S-Ⅲ 는 2.4mg, 그리고 S-Ⅰ은 2.1mg의 잔류염소를 처리할 수 있음을 알았다. 보통의 상수도에서 0.3mg/L 정도의 잔류염소가 잔존한다고 보면 활성탄 단위 그람당 7-10L의 물울 처리 할 수 있을 것으로 본다.

 

    표 16. 컬럼법에 의한 잔류염소 흡착시험 결과 처리수의 잔류농도(Cl2mg/L)

처리시간(hr)

처리수량(L)

시료구분

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

24

30

36

42

48

54

60

66

72

78

S-Ⅰ

-

-

-

0.01

0.03

0.04

0.05

0.09

0.12

0.20

S-Ⅱ

-

-

-

-

-

-

0.01

0.02

0.03

0.05

S-Ⅲ

-

-

-

-

0.01

0.03

0.04

0.05

0.07

0.10

S-Ⅳ

-

-

-

-

-

0.01

0.02

0.04

0.05

0.08

S-Ⅴ

-

-

-

-

-

-

0.02

0.02

0.03

0.05

 

    4-2-3. ABS 제거용량

ABS 0.5mg/L의 표준용액을 0.6L/hr의 유속으로 입상활성탄 시료 10g이 충전된 컬럼에 통과시키면 유출수의 ABS 농도를 측정한 결과 표17과 같은 결과를 얻었다. 표에서 보는 바와 같이 S- 및 S- 는 3시간 S-, S- 및 S-는 6시간 후부터 ABS가 누출되기 시작하였다. 따라서 활성탄 단위 그람당 0.09mg 이상의 ABS를 처리 가능하며 보통의 상수도수의 ABS 함량이 0.05mg/L 이하이므로 활성탄 단위 그람당 약 9L 이상의 물을 처리 할 수 있다고 본다.

 

    표 17. 컬럼법에 의한 ABS 흡착시험 결과 처리수의 ABS농도(mg/L)

처리시간(hr)

처리수량(L)

시료구분

1

3

6

9

15

0.6

1.8

3.6

5.4

9

S-Ⅰ

-

0.002

0.008

0.01

0.05

S-Ⅱ

-

-

0.003

0.005

0.01

S-Ⅲ

-

0.003

0.007

0.01

0.05

S-Ⅳ

-

-

0.003

0.005

0.01

S-Ⅴ

-

-

0.002

0.004

0.01

 

    그림 8. 컬럼법에 의한 잔류염소 흡착

 

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