활성탄처리 공정

활성탄처리 공정

 

활성탄 처리는 활성탄 표면에 형성된 미세한 공극을 통하여 이루어지는 흡착현상을 이용하여 유기물을 제거하는 공정이다.

18C말 목탄의 흡착능력이 발견되고 보고됨으로써 공업적으로 적용하기 시작하였으며, 1, 2차 세계대전 이후 활성탄을 이용한 방독면을 생산하면서 그 응용분야가본격적으로 확대되기 시작하였다.
흡착은 일반적으로 액체와 고체 또는 기체와 고체 사이에서 액체나 기체 내에 존재하는 유기물질이나 휘발성물질의 분자가 어떠한 힘에 의하여 고체표면으로 이동하여 축적되는 현상이다. 여기서 고체 표면에 흡착되어 축적되는 분자를 피흡착제 또는 흡착질(adsorbate)이라 하고, 흡착시키는 고체를 흡착제(adsorbent)라고한다. 활성탄의 표면구조는 페놀성 수산기, 카르복실기, γ-락톤기, 락톤기, 카르보닐기, 무수 카르본산 등이 포함된 복잡한 구조를 이루고 있다.

이러한 기능기들과 피흡착질과의 각종 화학적 결합이 이루어져 흡착현상이 발현된다.

활성탄의 세공구조는 활성탄을 제조하는 과정 중 활성공정에 따라 달라지는데, 아래의 도표와 같이 세공의 크기로 활성탄을 구분하는 방법이 1955년 Dubinin에의하여 제시되었으나, 현재는 1972년에 국제적(IUPAC)으로 결정된 세공의 구분에 따르고 있다.

다음의 그림은 활성탄의 구조와 표면을 보여주는 것이다.

여기서, Macro-pore는 매우 큰 유효경을 가지며 이 세공은 모세관 응축현상에 의하여 세공이 막히지 않는다.

이 세공은 흡착질 분자를 외부에서 입자내로 신속하게 운송하는 역할을 하는 것으로서, 도입(Admission), 확산(Diffusion), 또는 운송공(Transport-pore)의역할을 한다. Meso-pore(Transitional-pore)는 모세관 응축현상(흡착질의 액화)이 발생하는 세공이며, micro-pore는 가장 작은 반경을 가지는 세공으로 활성탄의 총 비표면적 중 95% 이상을 차지하는 것으로 알려져 있다.

따라서 micro-pore는 흡착현상이 가장 두드러지게 발생하는 곳이며 대부분의 흡착질은 모두 이 범위에 있기 때문에 흡착용량의 결정 또한 여기서 이루어진다.

이러한 활성탄의 흡착능력은 활성탄의 종류와 흡착질에 따라 다르며, 원수의 수온, pH 또는 공존하는 물질들의 특성에 따라서도 차이가 난다.
정수처리공정에서 활성탄 흡착공정은 주로 상수 원수나 정수처리 공정에서 수중에 용존되어 있는 맛과 냄새의 원인물질을 제거할 뿐만 아니라, 미량 유기오염물및 THMs 전구물질의 제거에도 널리 이용된다.

정수처리공정에 이용되는 활성탄은 분말활성탄(Powder Activated carbon, PAC), 입상활성탄(Granular Activated Carbon,GAC) 및 섬유상 활성탄(ActivatedCarbon Fiber, ACF) 등이 있으며, 일반적으로 입상활성탄을 가장 많이 사용하고 있다.

 

 

*흡착 기작
활성탄의 표면이 소수성으로 무수한 세공을 지니고 있고 내부 표면적이 매우 커 수중의 각종 미량 오염물질이 활성탄을 통과하는 과정동안 흡착, 제거된다.

크기별로 분류한 3분계 세공계 내에서 흡착질의 흡착분배 경로는, 먼저 입자경이 큰 흡착질은 모두 macro-pore에서 걸리고 입자경이 비교적 작은 흡착질은meso-pore를 지나 micro-pore에서 흡착된다. 또한 용매는 micro-pore를 지나 활성탄의 가장 깊은 곳까지 이동된다.
이 때 흡착제와 피흡착제 사이의 상호정전기력(Electrical force)에 의해 수중의 비극성 화합물이 비극성인 흡착제에 소수성 결합(Hydrophobic bonding)을 하는물리적 과정과, 피흡착제가 흡착제의 표면에 선택적인 화학반응을 하면서 단층을 형성하는 화학적 과정을 통해 물로부터 오염물질이 분리되는 현상이다.

수중에 존재하는 오염물질이 다공성 활성탄에 흡착되어 제거되는 것은 대부분이 물리적인 흡착에 의하여 진행되는데, 이는 몇 단계를 거쳐서 일어나게 된다.

각 단계에서의 흡착질의 거동이 전체적인 흡착 속도에 영향을 미치게 된다. 각 단계에서의 특성을 살펴보면 다음과 같다.

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-용액속에서 흡착질의 이송(Bulk solution transport)
수중에 존재하는 흡착질은 물로 둘러싸여 있는 활성탄의 경계층으로 이동하게 된다. 입상활성탄 흡착지와 같이 흐름이 있는 형태 또는 급속혼화지, 완속혼화지와

같이 혼화가 일어나거나 부유성 상태로 있을 때 흡착질은 확산에 의하여 활성탄 표면으로 이송하게 된다.

이것을 액상확산계수로 표시하게 되는데 이는 흡착질의 분자량에 의존하게 되며, 분자량이 클수록 액상확산계수는 작아지게 된다.

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*전달의 외부저항(External 또는 Film resistance to transport)
두 개의 상이 접할 때 2중 경막이론(Two film theory)에 의해 경계면의 양측에서 농도구배에 의해 확산을 일으키는 추진력이 발생한다.

흡착질은 2중 경막을 분자확산에 의하여 전달되는데, 이를 일반적으로 “외부물질전달“ 또는 ”필름확산“이라고 한다.

이 단계에서 흡착질이 이송되는 거리는 입자가 함유된 유체의 유속에 의하여 결정된다. 따라서 유속이 빠를수록 2중 경막의 거리는 짧아진다.

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*내부 전달(Internal 또는 Pore transport)
2중 경막을 통과한 후에 흡착질은 흡착 가능한 장소(site)를 찾기 위하여 공극 안에서 전달되어야 한다.

내부에서의 물질전달은 공극 안에 있는 물을 통한 전달(Pore diffusion)과 흡착제의 표면을 따른 전달(Surface diffusion)이 있다.

일반적으로, 자연유기물질(NOM)과 같은 거대 분자들은 pore diffusion에 의하여 전달되고, 합성유기물질과 같이 분자량이 작은 것들은 surface diffusion에의하여 전달된다.

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* 흡착(adsorption)
흡착 가능한 장소로 이동한 흡착질은 활성탄의 표면 사이에서 흡착결합이 이루어진다. 물리적 흡착에서는 이 단계가 상당히 빠르기 때문에 앞에서 언급된 3단계

중에 하나가 용액속에 존재하는 흡착질의 실질적인 흡착, 제거를 결정하게 된다.

만약에 화학적 흡착(Chemical adsorption)일 경우에는, 흡착질과 활성탄의 화학반응에 의하여 흡착질의 성상 변화를 동반하게 되는데 이러한 경우에는 가장 느린기작이 총 제거속도를 결정하는 율속단계(ratelimiting step)로서 작용하게 된다.
한편, 유체가 고체표면에 접촉하고 있으면, 흡착에 의해 유체 내의 특정성분은 고체 표면에 모이고, 유체상 내부의 농도와 고체표면에서의 농도가 다른 상태가된다.  수중의 흡착질과 활성탄을 일정한 온도에서 장시간 접촉시키면 흡착질은 활성탄 표면에 농축되기 시작하여 더 이상 흡착이나 탈착도 일어나지 않는 평형한상태에 도달하게 된다. 이 때 수중에서의 흡착질 농도와 활성탄에 흡착된 흡착질의 농도사이에 일정한 관계가 성립되는데 이것을 흡착평형이라고 한다.

정수처리 공정에서 이러한 흡착등온관계는 주로 Freundlich식과 Langmuir식으로 표현된다.
일반적으로 단일 성분의 흡착능력은 흡착용량(평형흡착량)과 흡착 속도로서 평가할 수 있는데, 활성탄의 흡착능력은 활성탄의 종류 및 흡착물질에 따라 다르며원수의 수온, pH 또는 공존하는 물질에 따라 다르게 나타난다.

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Freundlich식은 원래 경험적인 실험식이지만 최근 불균일 표면에서의 흡착이론으로부터 얻어진 흡착열과 흡착량과의 관계에도 적용되는 것으로 알려져 있다.

   ※ q = 활성탄에 흡착된 흡착물질의 비 (g/g-AC)
       C = 활성탄 흡착후 평형농도 (g/cm^3) k, n = 상수

 

   

                       

 

Langmuir식은 활성탄 표면과 흡착된 분자 사이에 작용하는 결합력이 약한 화학적 흡착에 의한 것으로 간주하고, 활성탄에 흡착되는 흡착질의 양과 가스 압력과의관계를 이론적으로 도출한 것이다.
흡착 결합력이 작용하는 것은 단분자층의 두께로 간주하고 그 이상 떨어진 곳에서는 흡착이 발생하지 않는다는 모델에 기초하여 유도된 식이다.

출처 : 2004년 환경부 "고도정수처리 정책방향에 관한연구" 발췌