활성탄 충전 칼럼에서의 중금속 이온 흡착 특성 및 공존이온의 영향에 관한 연구

Abstract

Fixed-bed adsorption of heavy metal ions on activated carbon was studied to remove heavy metal ions in wastewater. It was considered the experimental variables including the pH of influent, particle sizes of activated carbon, adsorption packing height, flow rate, initial concentration of heavy metal ions, column diameter, and treatment reagents for regeneration of activated carbon. In addition, binary and ternary test were performed to identify the effect of co-existing ions. The concentration of effluent was measured using by AAS analysis. Also, the breakthrough curves of single and multicomponent adsorption for heavy metal ions were derived from the experimental results of fixed-bed adsorption. When the pH of influent was low, the adsorption efficiency was significantly reduced, which was regarded as the repulsive effect of adsorption by changing surface charge of adsorbent to the positive. The concentration of effluent rose with increase in the flow rate of influent. In addition, with increasing initial concentration of heavy metal ions, adsorption reaction was completed in the short time. NaOH was considered to be better than HCl for treatment reagents for regeneration of activated carbon. Especially, the repeatability of activated carbon treated with 1M of NaOH indicated a high efficiency on the heavy metal ion adsorption. In binary and ternary test to determine the impact of co-existing ions on the column adsorption, it was determined that Ni2+ and Co2+ ions was influenced together in same level on competitive adsorption. Additionally, Cu2+ ion indicated the same adsorption tendency with the single adsorption on multicomponent adsorption regardless of the concentration of other ions. As a result, the chemical affinity of Cu2+ ion with activated carbon was determined to be higher than that of Ni2+ and Co2+ ions on competitive adsorption.;급격한 산업화와 인구증가로 인해 현대사회의 환경오염은 심각해지고 있으며, 특히 각종 산업 폐수에 함유된 중금속 등의 독성물질은 소량으로도 인체에 독성을 나타내며 이러한 물질이 하천이나 지하수, 토양에 유입될 경우 쉽게 분해되지 않아 심각한 환경문제를 일으킬 수 있다. 본 연구의 대상 물질인 니켈, 구리 및 코발트를 처리하기 위하여 활성탄을 사용한 고정층 칼럼 흡착처리법을 수행하였다. 중금속이 함유된 폐수처리를 위해 활성탄을 충전한 칼럼을 제작하고 실험변수로써 유입수의 pH, 활성탄의 입자크기, 흡착제의 칼럼 충전 높이, 유량, 중금속 시료의 초기농도, 칼럼 직경 및 재생 활성탄의 처리를 고려하였으며 공존이온의 영향을 알아보기 위해 Binary 와 Ternary Test를 수행하였다. 유출수의 농도는 원자흡광광도계로 분석하여 도출하였으며 흡착농도에 대한 Breakthrough Curve로 흡착률과 흡착에의 영향을 파악하였다. 유입수의 pH의 영향은 산성용액이 유입되었을 경우 흡착효율이 현저히 저하되었으며, 이는 산성을 띄는 유입수로 인해 표면전하가 양으로 전환되어 흡착질과 흡착제의 접촉을 방해하기 때문인 것으로 파악되었다. 활성탄의 입자크기에 따른 칼럼흡착실험의 분석결과, 활성탄의 입자크가 작을수록 흡착량이 증가하였다. 또한 칼럼내의 활성탄 충전 높이가 높을수록, 그리고 칼럼의 직경이 넓을수록 흡착량과 파과시간이 증가하는 경향을 보였다. 칼럼에서의 유량변화에 따른 영향은 칼럼에 유입되는 유량이 커짐에 따라 유출수의 농도가 빠르게 증가하였으며, 중금속시료의 초기농도가 증가함에 따라 Breakthrough Curve의 흡착대는 좁게, 그리고 종말점은 짧게 나타났다. 또한 활성탄 재생효율을 파악하기 위해 수행한 활성탄의 재생처리에 대해서는, NaOH가 적합한 것으로 판단되었다. 특히 실험조건 내에서 농도가 높은 NaOH가 반복성에 대해 높은 효율을 보였고 HCl로 처리한 재생활성탄은 표면의 변질로 그 효율이 매우 낮았다. 칼럼흡착에서의 공존이온의 영향을 파악하기 위해 실시한 Binary 와 Ternary Test 결과, 니켈이온과 코발트 이온은 상호 동일한 수준으로 흡착에 영향을 주었고, 각 이온에 대해 흡착에 방해를 받았다. 구리이온은 활성탄과의 친화력이 매우 높은 것으로 파악되었으며 타 이온의 농도에 상관없이 단일중금속 시료와 동일한 흡착효율을 나타냈다. 본 연구에서 수행한 활성탄을 흡착제로 한 칼럼흡착 실험의 결과를 통해 폐수처리의 공정에 의미 있는 자료로 활용될 수 있으며 자원의 재활용측면에도 기여할 수 있을 것이라 기대된다.