활성탄흡착장치의 설계와 조작

1) 흡착평형

가) 1성분계의 흡착평형

 

액상의 흡착조작과 관련하여 등온흡착선이란 일정온도에서 흡착질의 농도C와 흡착제의 단위질량당 평형흡착량(q)와의 관계를 나타낸 것으로 C의 단위는 보통 [g-흡착질/cm3-용액], q의 단위는 [g-흡착질/g-흡착제]로 흡착질의 량을 mole단위로 표시한다. 수용액중에서 1성분이 선택적으로 흡착될 때의 등온흡착선은 다음 식 8∼식 12로 표시된다.

비가역 평형식(직접평형식) q = K0(8)

Henry 식 q = H C (9)

Freundlich식 q = k C1/n (10)

Langmuir식 11)

Rakde-Prausnitz식 (12)


 

나) 다성분계의 흡착평형

액상에 있어서 다성분계 수용계의 흡착평형 데이타의 발표예가 적어나 2성분계의 등온흡착식은 식 11의 Langmuir식을 확장한 식으로 표현하면 식 13과 같은 것이 있다.

(13)


 

다) 흡착평형의 측정법

① 활성탄을 가열 건조하여 그 질량을 측정한다.

② 삼각플라스크에 취하여 기지량의 증류수를 가한 후 데시케이타에 넣는다.

③ 진공펌프로 물이 비등하기 시작할 때까지 감압 탈기하고, 약 12시간 정도 방치하여 세공내에 물이 차게 둔다.

④ 시료에 일정농도의 흡착질용액을 가해 초기농도를 희망치로 설정한다.

⑤ 플라스크를 항온조에 넣어 진탕하거나 액을 교반시켜 흡착을 촉진시킨다.

⑥ 주기적으로 액을 분석하여 초기농도가 일정 농도에 도달하는가를 확인한다.

⑦ 흡착질의 초기농도가 C0[g/cm3]의 용액 V[cm3]중에 흡착제를 W[g] 투입하여 평형에 도달했을 때의 농도를 C[g/cm3]로 하면, 흡착량 q [g-흡착질/g-흡착제]는 식 14에 의해 계산된다.

(14)


 

2) 흡착속도과정

다공성물질로의 흡착은 다음과 같이 3과정을 통하여 일어난다.

① 입자외표면의 유체경계막내의 물질이동

② 입자내의 확산

③ 세공표면으로의 흡착

일반적인 물리흡착에서는 ③의 흡착속도는 빠르고 세공표면의 각 점에서 흡착평형이 일어나므로 총괄흡착속도는 1)과 2)의 과정에 의해 결정된다.


 

가) 유체 경계막에 있어서 물질이동

 

유체 경계막에 있어서의 물질이동속도 N[g/cm2.s]은 다음 식 15로 계산할 수 있다.

N = kf (C - Ci)(15)

여기서, kf : 물질이동계수 [cm/s]

C : 유체본체에 있어서 흡착질 농도[g/cm3]

Ci : 입자외표면에 있어서 흡착질 농도[g/cm3]

또한, 고정층에 있어서 물질이동계수 kf에 대해 많은 상관관계식이 제안되어 있으나 많이 이용되고 있는 것은 식 16의 Carberry식이다.10)

(16)

여기서, u : 유체의 공탑속도(cm/s)

εb : 고정층의 공극율

μ : 유체 점도(g/cm.s)

ρ : 유체 밀도(g/cm3)

DAB : 흡착질의 분자확산계수(cm2/s)

dp : 흡착제 입경(cm)


 

나) 입자내 확산계수

 

기상에 있어서 입자내 물질이동은 세공내의 기상으로 확산(세공확산)과 세공표면상에서의 흡착물질의 2차원적 확산(표면확산)으로 구성되어 있고, 액상흡착에 있어서 입자내 확산의 기구는 명확하지 않으나 기체와 동일하게 일어난다고 고려하면 각각의 확산속도는 식 17, 식 18과 같다.

(17)

(18)

여기서, Np,Ns : 세공 및 표면 확산속도 (g/cm2.s)

Dp,Ds : 세공 및 표면 확산계수 (cm2/s)

C : 흡착질 농도 (g/cm3)

q : 흡착량 (g/g)

ρ : 입자의 겉보기 밀도 (g/cm3)

r : 거리 (cm)

또한, 세공 확산과 표면확산이 병렬로 일어나고 있는 경우의 입자내 확산속도 N은 다음 식 19로 표시된다.

(19)

액상흡착에서는 확산기구를 명확히 판별되지 않는 경우도 많아 Dp와 Ds를 분리하는 것도 용이하지 않다. 따라서 입자내 확산속도를 흡착질의 농도구배 ㅤC/ㅤr에 비례하는 것으로 가정하여 그 비례계수를 농도기준의 입자내 확산계수 DiC로 정의한다. 또는 흡착량구배 ㅤq/ㅤr을 추진력으로 한 흡착량기준의 입자내 확산계수 Diq도 사용된다. DiC 또는 Diq를 이용하면 확산속도 N은 식 20과 같다.

(20)

국소적인 흡착평형이 성립하는 경우는 다음 식이 성립한다.

(21)

식 21을 식 20에 대입하면 식 22가 성립한다.

(22)

3) 분말 활성탄(Powdered Activated Carbon, PAC)

 

분말활성탄은 주로 상수처리에서 냄새물질제거를 위해 사용되어 왔고, 이때의 흡착공정은 활성탄 주입량(g/m3)과 접촉시간이 주요 설계 및 운전요소이다. 정수처리공정에서는 혼화지나 착수정 및 취수탐에서 분말활성탄을 투여하나 과량 사용시는 주철관의 부식을 촉진할 우려가 있으며, 전염소처리시는 염소와 활성탄의 동시 투여는 활성탄이 탈염소(dechlorination) 능력이 크므로 양쪽의 기능을 저하시키므로 피해야 한다. 또한 재생후 재사용이 어려우므로 장시간, 고농도(25mg/l) 사용시에는 입상활성탄이 경제적이다.


 

4) 입상활성탄(Granular Activated Carbon, GAC)

 

입상활성탄은 상수처리공정 및 생물학적 폐.하수처리수의 고도처리에 많이 이용되고 있고, 통수방식으로는 하향류 고정상, 상향류 유동상 등이 주로 채택되고 있다. 주요 공정의 설계 및 운전요소는 공상체류시간(Empty Bed Contact Time, EBCT), 선 유속(Linear Velocity), 상용적(Bed Volume), 처리용량, 활성탄층 두께(Bed Depth) 등이 있다. 원수수질과 처리수 수질목표를 고려하여 처리목표물질을 선정하고, 최적활성탄 선정을 위한 처리목표물질의 흡착능 및 파과곡선(Breakthrough) 등에 대한 데이타를 실험실 규모 및 파이롯트 시험을 통하여 축적한 후 주요 설계요소를 결정한다.


 

5) 생물활성탄(Biological Activated Carbon, BAC)

 

생물활성탄은 입상활성탄에 의한 정수처리공정의 변형된 시스템으로 입상활성탄 입자표면에 생분해능을 가진 미생물들이 잘 자라게 유지되도록 하여 유기물 흡착능을 증대시키는 방안으로, 입상활성탄 전단계에 오존처리시설을 추가한 공정으로 생물학적 유기물제거와 활성탄의 고유의 흡착능을 이용한 시스템으로 고도정수처리 및 폐.하수 처리수의 재이용시설로 사용되고 있다. 생물활성탄은 재생없이 장시간 운전함으로써 건설 및 운전비용 절감이 설계에 있어 가장 중요하므로 장시간 재생없이 처리목표물질의 제거를 달성할 수 있느냐가 가장 중요한 설계요소이다.


 

아. 활성탄의 재생

 

각종 환경염물질은 흡착된 후 활성탄 세공내에 축적되어 흡착포화상태가 되면 흡착능력을 상실하게 되고, 이 폐활성탄을 그대로 폐기할 경우는 2차 환경오염을 초래하게 되므로 재생(regeneration, reactivation)이 필요하다. 활성탄의 흡착은 흡착질, 활성탄 및 용매상호간의 친화력의 차이에 따라 흡착평형관계가 생기므로 이들을 활성탄에서 탈착시키는 데는 다음의 방법이 이용된다.

① 저압,불활성 유체에 의한 탈착

② 고온탈착

③ 화학약품을 이용한 탈착

④ 용매추출

⑤ 열분해

⑥ 생물화학적 분해


 

1) 재생의 원리

흡착은 열역학적으로 식 23에 의해 TΔS 〉ΔH로 ΔG가 항상 -인 발열반응 값을 가지므로, 역으로 열을 가하면 탈착이 이루어진다.

ΔG = ΔH -TΔS (23)

이 원리를 이용한 것이 ②의 고온탈착이며, ①의 경우는 기상에서 주로 이용되며 연속공저으로 PSA(Pressure Swing Adsorption)법이 응용되고 있다. ⑤의 열분해법은 기상용으로 사용되나 사용된 폐활성탄의 세공내부에 고비점 물질이 많이 축적되어 150oC미만의 저온에서 탈착이 어렵거나 다성분 흡착이 일어난 액상용 폐활성탄은 열분해 및 산화반응에 의해 제거한다. ③,④는 주로 액상에 적용되며 흡착질의 회수가 필요한 경우에 이용되며, 유기물을 회수할 때는 알카리용액이 사용되며 유기물의 흡착능이 낮을 때 효과적이고, 용매추출은 흡착된 분자와 용매분자가 흡착측에서 치환이 가능할 때 효과적이다. 생물화학적 분해는 미생물의 산화반응을 이용한 것으로 주로 수처리 폐활성탄의 재생에 이용되고 있다.


 

2) 재생방법

일반적으로 현장에서 가장 많이 사용되고 있는 재생방법을 정리하면 표 12와 같다.


 

표 12. 활성탄의 재생방법

재생방법

처리온도

재생제

적용대상

비고

저온

재생

150℃이하

수증기

불활성가스

기상, 액상

저비점 물질

- 유기용제의 흡탈착

- 정수처리의 흡탈착

분해

700∼900℃

수증기

기상, 액상

고비점물질

- 기상의 폐활성탄

- 폐수등의 폐활성탄

감압법

상온

-

PSA

- 체분리 흡탈착

산화성약품

상온

NaOH,HCl

H2SO4

회수 필요

- 특수성분 및 폐기

불가능 물질 회수

용매

추출

상온

유기용제

방사성물질


미생물산화

상온

호기성(BAC)

액상

- 수처리공정