346 양재규 이남희 이승목 을발생시킨다. 이온교환수지법은응집침전에비하여중 금속처리율이높고, 저농도의중금속이온등독성물질을 선택적으로제거할수있는장점을지니고있으나고가의 수지를사용하여야함으로물질의회수및재사용이병행 되지않을경우, 다른방법에비하여비경제적인것으로 알려져있다. 따라

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대진 류(유)
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1 大韓環境工學會誌論文 - Original Paper - 345~ ph 를달리하여제조한 3 가철첨착활성탄에의한구리제거특성평가 양재규 이남희 * 이승목, ** 광운대학교교양학부 *( 주 ) 선진환경 ** 관동대학교환경공학과 (2008 년 1 월 14 일접수, 2008 년 3 월 10 일채택 ) Evaluation of the Removal Propertie of Cu(II) by Fe-Impregnated Activated Carbon Prepared at Different ph Jae-Kyu Yang Nam-Hee Lee* Seung-Mok Lee, ** Diviion of General Education, Kwangwoon Univerity *Sun-Jin Environment Co. Ltd **Department of Environmental Engineering, Kwandong Univerity ABSTRACT : Fe-impregnated activated carbon(fe-ac) wa prepared by Fe(III) loading on activated carbon(ac) in variou preparation ph. In order to evaluate the tability of Fe-AC, diolution of iron from Fe-AC in acidic condition wa meaured. In addition, batch experiment were conducted to monitor the removal efficiency of copper by Fe-AC. Reult of tability tet for Fe-AC howed that the amount of extracted iron increaed with contact time but decreaed with increaing olution ph. The diolved amount of iron gradually increaed at olution ph 2 and finally 13% of the total iron loaded on activated carbon wa extracted after 12 hr. However diolution of iron wa negligible over olution ph 3. Removal of Cu(II) by Fe-AC wa greatly affected by olution ph and wa decreaed a olution ph increaed a well a initial Cu(II) concentration decreaed. Surface complexation modeling wa performed by conidering inner-phere complexation reaction and uing the diffue layer model with MINTEQA2 program. Key Word : Activated Carbon, Adorption, Copper, Fe(III), Impregnation 요약 : 본연구에서는다양한 ph 조건에서활성탄에 Fe(III) 를첨착시킨 Fe- 첨착활성탄 (Fe-AC) 을제조하였으며, 제조한 Fe-AC 가여과재질로서의안정성유무를파악하기위하여내산성실험을수행하였다. 또한 Fe-AC 의중금속제거능을파악하기위하여회분식실험을수행하였다. 흡착제의안정성실험결과모든 ph 조건에서시간이지날수록철의용출량은증가하였지만, 용액의 ph 가높아질수록철의용출량이감소하는경향을보였다. 용액의 ph 를 2 로고정했을경우시간경과에따라철의용출량이점차증가하여 12 시간후에는 Fe-AC 에함유된총철함량의 13% 가용출되었으나, ph 3 이상에서철의용출량은급격히줄어들어서무시할수있는것으로나타났다. 회분식실험결과 Fe-AC 에의한 Cu(II) 제거는흡착질의농도가감소하고용액의 ph 가증가할수록 Cu(II) 의제거율은증가하는경향을보였다. 모델링에의한흡착결과예측은이중확산층이론에의한 inner-phere type 의표면착물화를고려하여 MINTEQA2 프로그램을사용하여실시하였다. 주제어 : 활성탄, 흡착, 구리, Fe(III), 첨착 1. 서론 * 국내의 4 대강및기타하천에유입되는산업폐수중중 금속및특정유해물질을함유한특정폐수는하루에약 200 만톤이상, 산업폐수는 640 여만톤이배출되고있다. 1) 이중구리는전기도금, 건설, 교통설비및전기산업등에 서광범위하게사용되고있으며, 이러한구리함유폐기물 이수계에오염되면먹이사슬을통해연쇄축적및직접적 으로인체내로흡수될경우아주강한지속성때문에인 체에영향을나타낼수있다. 2) 일반적으로중금속이온들 은중성 ph 영역의토양에대한강한흡착성능때문에 지표수및지하수를통한중금속이온들의이동성은크지 Correponding author leem@kwandong.ac.kr Tel: Fax: 않다고알려져있다. 그렇지만토양및수계의여러자연 환경에서뿐만아니라산업폐수의경우에는보통여러유 기킬레이트작용제들이중금속이온들과같이존재하게되어중금속이온들의거동및처리에영향을주게된다. 3) 수서생태계를보호하고중금속물질에의한오염을방 지하기위하여, 산업폐수로부터중금속을제거하기위한 많은연구들이수행되고있다. 이중현재까지실용화되었 거나연구되고있는것은응집침전법, 이온교환법, 흡착법, 산화환원법, 전기분해법, 중화법및추출법과같은물리화 학적처리방법들이있으며, 이중응집침전법과이온교환수 지를이용한중금속제거가가장널리이용되고있다. 응 집침전법은설치가용이하고유지비용과에너지소모가 상대적으로낮은장점을지니고있으나, 처리효율이낮아 엄격한규제조건에대처하기부적당하고처리부산물로다 량의슬러지가발생하여슬러지폐기처리에많은문제점

2 346 양재규 이남희 이승목 을발생시킨다. 이온교환수지법은응집침전에비하여중 금속처리율이높고, 저농도의중금속이온등독성물질을 선택적으로제거할수있는장점을지니고있으나고가의 수지를사용하여야함으로물질의회수및재사용이병행 되지않을경우, 다른방법에비하여비경제적인것으로 알려져있다. 따라서이들외의다른처리방법들에대한 연구가활발히진행되고있다. 흡착은수용액으로부터미 량의중금속들을제거하기위한한가지방법으로적당한 것으로알려져있으며금속산화물, 활성탄, fly ah, peat, 활성슬러지, 폐슬러지를이용한흡착제의개발이다방면으로연구되어왔다. 4~6) 현재수용액상의오염물제거를위한목적으로가장많 이활용되고있는활성탄은큰비표면적과다양한기공분 포를가지는것은물론산성및염기성산화물을함유하 여이온교환용량을가지고있다. 이러한활성탄의큰비 표면적및다양한기공분포특성을이용하여여러종류의 유기물을제거하는광범위한연구가진행되어왔으며, 7,8) 최 근에는활성탄을다기능성을가진여과재질로활용하기 위해기존의활성탄에금속또는금속촉매가처리된활 성탄을개발하고이를수처리용흡착제로응용하려는연구가활발하게진행되고있다. 9,10) 그중의한방법이활 성탄기공내에 3 가철을첨착시켜중금속및유기물이복 합적으로오염된지역에적용하는기술이다양하게연구되 고있다. 유목련등 11) 은이러한연구의초기단계로서 ph 9 에서입상활성탄에 3 가철을첨착시켜 Fe- 첨착활성탄 (Fe-AC) 을제조하는방법, Fe-AC 의안정성및 Cu(II) 제거능에대 한연구결과를발표한바있다. 그런데 Fe-AC 제조시의주 요변수중의하나가반응용액의 ph 가되며 ph 변화에 따라서활성탄에대한 3 가철의첨착량변화및 Cu(II) 제 거능에변화를줄수있어서반응용액의 ph 를달리하여 Fe-AC 를제조함에따른최적조건도출과 Fe-AC 에의한 Cu(II) 제거시 Fe-AC 의표면특성을고려한제거메커니즘 에대한체계적인후속연구가필요한실정이다. 따라서본연구에서는다양한 ph 조건에서활성탄에 Fe(III) 를첨착시킨 Fe- 첨착활성탄 (Fe-AC) 을제조하였다. 제조한 Fe-AC 의여과재질로서의안정성을조사하기위하 여내산성실험을실시하고최적제조조건을도출하였다. 또한, 최적조건에서다양한농도의중금속이온 (Cu(II)) 및 용액의 ph 변화에따른흡착특성을조사하였으며모델링 에의한흡착결과를시뮬레이션하기위하여 MINTEQA2/ PRODEFA2 프로그램을사용하였다 실험재료 2. 실험재료및방법 본실험에서사용된활성탄은 Calgon 사의입상활성탄 (Granular Activated Carbon, GAC) 으로 12~40 meh 체거 름하여그중 14~16 meh 를사용하였다. 실험에사용한 활성탄은증류수를사용하여세공내의미분을제거하였 으며, dry oven 에넣고 105 ± 5 에서건조한후철첨착 용지지체로이용하였다. 흡착질은 CuSO4 5H2O(Dukan Pure Chemical Co.) 를사 용하였으며초순수 (Milli-Q water) 로 1,000 ppm 의저장용 액을제조한후, 각흡착실험시농도에맞게희석하여 사용하였다 Fe(III) 첨착활성탄제조 Fe(III) 첨착활성탄 (Fe-AC) 제조시철용액은 FeCl 3 6H 2O (Dukan Pure Chemical Co.) 를이용하였으며, 초순수 (Milli-Q water) 를사용하여제조하였다. 철용액은 0.5 M 을 4 배희 석한후 1 N NaOH 와 1 N HClO 4 를사용하여각각의 ph 로조절하였으며, ph 는 Orion 사의 ph meter(720a) 를사용 하여측정하였다. 200 g 의활성탄 (ize 14~16) 에 ph 를 4 로조절한철용액 1 L 를삼각플라스크에나누어담고항 온진탕기에서 100 로교반하면서수분이 90% 이상증발 될때까지진행하였다. 수분이증발된슬러리에초순수를 사용하여첨착이되지않은철을제거하고남은슬러리 를 105 ± 5 oven 에서 24 시간건조하였다 실험방법 Fe-AC 에포함된 Fe 총함량을조사하기위하여미국 EPA 의분석방법 3050B 를이용하여 Fe-AC 로부터 Fe 의용출을 수행하였다. 모든실험의분석은원자흡광광도계 (Shimadzu AA-680) 를이용하여측정하였다. Fe-AC 의안정성을조사하기위하여 ph 를 2, 3, 4 로조 정한용액 100 ml 에 0.2 g 의 Fe-AC 를첨가한후철의용 출량을일정시간간격 (0.5, 1, 2, 4, 6, 12 hr) 으로채취하 여조사하였다. 실험이끝난시료는즉시 Gelman 사의 0.2 µm 여과지를사용하여 Fe-AC 고형분을제거시켜여액을 얻은후원자흡광광도계를사용하여용출되는 Fe 의농도 를측정하였다. Fe-AC 를흡착제로사용하여 ph 및흡착질 Cu(II) 농도 변화에따른 Cu(II) 흡착실험을회분식방법으로실시하였 다. ph 별흡착실험을위해여러개의 125 ml 삼각플라스 틱에 Fe-AC 를 0.2 g 을주입하고, Cu(II) 용액을 100 ml 씩 첨가한후초기 ph 를각각 1~11 로조정하였다. 이때흡 착질에따른흡착제의농도는 2 g/l 이며, Cu(II) 용액의농 도는 M 부터 M 까지변화를주어항온 진탕기 25 에서약 24 시간반응시켰다. 미국환경청 (U.S. EPA) 에서개발된 MINTEQA2/PRODEFA2 프로그램을사용하여 Fe-AC 표면에대한 Cu(II) 흡착에대 한정량적예측을실시하였다. 흡착예측시확산층 (Diffue layer) 이론을적용하여흡착에미치는표면하전효과를고 려하였다. BET 법으로측정한 Fe-AC 의비표면적은 1,018 m 2 /g 이었으며, 산 염기적정법을통한 Fe-AC 표면의반응점은 mol/g 이고, pk a1 및 pk a2 는각각 6.5 및 8.5 로얻어졌다. 그리고본연구에서 Fe-AC 흡착제는균 일한에너지를갖는표면에단일종의흡착점으로이루어 J. of KSEE / Vol. 30, No. 3, March, 2008

3 ph 를달리하여제조한 3 가철첨착활성탄에의한구리제거특성평가 347 Table 1. Phyicochemical characteritic of Fe-AC Characteritic Decription pka1 6.5 pka2 8.5 Surface ite(n) mol/g Specific urface area 1,018 m 2 /g Micropore Volume cm 3 /g 져있는것과하전을띄지않은 Fe-AC 표면은 Fe-OH 로 이루어져있는것으로가정하였다. 실험에사용한 Fe-AC 의물리화학적특성은 Table 1 에나타내었다. 3. 실험결과및고찰 3.1. ph 변화에따라제조한 Fe-AC 철함량분석 Fig. 1 은각각의다른 ph 조건에서제조한 Fe-AC 에함 유된철의함량을 EPA 3050B 방법을적용하여용출시킨 후원자흡광광도계를이용하여측정한결과를비교도시 하였다. 전반적으로활성탄표면에대한철의코팅량은 ph 가증가함에따라감소하는경향을보였으며, ph 가 1, 2, 3 일때의철함량은 10,000 mg/kg 이상으로다른 ph 조건에서제조한 Fe-AC 에비하여상대적으로높은함량을 보였다. 이러한이유는낮은 ph 조건하에서는대부분의철용액이 Fe 3+ 의형태로존재하고 ph 가증가할수록 Fe 3+ 가수산화기와반응하여침전물형태로존재하기때문에 활성탄내부로의접근성이떨어진것에기인하여나타난 결과로판단된다 Fe-AC 의안정성 제조한흡착제의안정성을조사하기위하여 ph 4 에서 제조한 Fe-AC 를증류수에첨가한후용액의 ph 를 2, 3, 4 로고정시키고시간변화에따른 Fe-AC 의안정성 ( 내산성 ) 을조사한결과 Fig. 2 와같이나타났다. 시간이지날수록 ph 를달리하여제조한 Fe-AC 로부터철의용출량은증가 Fig. 2. Stability tet of Fe-AC at different olution ph. 하였지만, 용액의 ph 가높아질수록용출량은감소하는경 향을보였다. 용액의 ph 를 2 로고정했을경우시간경과 에따라철의용출량이점차증가하여 12 시간후에는 Fe- AC 에함유된총철함량의 13% 가용출되었으나, 이에비 해 ph 3 이상에서는모든시간대에서철의용출량은무 시할수있을정도의미량혹은원자흡수분광기의검출한 계이하로나타났다. 이러한시험결과는 Fe-AC 를일반폐 수처리를위한흡착제및여과재질로사용할수있음을 제시하는것이다 제조 ph 별 Fe-AC 의 Cu(II) 제거경향 ph 를달리하여제조한 Fe-AC 의중금속 (Cu(II)) 흡착능 을조사하기위하여초기 ph 를 4 로조정한 Cu(II) 합성폐수 ( M) 처리에적용하여흡착능을조사한결과 Fig. 3 과같이나타났다. Fe-AC 에의한 Cu(II) 의제거경향 을살펴보면 ph 3 이상에서제조한흡착제는약 80% 이 상의 Cu(II) 제거능을보였으며, ph 1 및 2 에서제조한 Fe-AC 는다른 ph 영역에서제조한흡착제에비하여상대 적으로낮은제거경향을나타냈다. 이러한경향은 ph 3 Fig. 1. Fe content on Fe-AC prepared at different ph. Fig. 3. Removal of M Cu(II) by Fe-AC prepared at different olution ph.

4 348 양재규 이남희 이승목 이상에서제조한 Fe-AC 는이들보다낮은 ph 에서제조한 흡착제들보다높은알카리도를유지하고있어서구리흡 착반응후용액의 ph 가 5.5 이상으로증가하여흡착반응 과함께침전이동시에일어난결과로판단된다. 침전물 생성가능성은지구화학종분화예측프로그램인 MINTEQA2 에의해서이론적으로확인할수있었다. ph 1 및 2 에서 제조한 Fe-AC 를사용한경우에는흡착반응후에용액의 ph 가 3 이하로떨어져서용액내에존재하는 Cu(II) 는대부분자유 2 가구리인 Cu 2+ 형태로용존되어있어서주요 제거메커니즘이흡착반응에기인하여나타난결과로사 료된다. 금속산화물에의한용존 Cu 2+ 의제거능은일반적 으로용액의 ph 가증가할수록증가하는것으로알려져있 으며아래의반응식 (1) 과같은흡착메카니즘에의해서이루어지는것으로알려져있다. 3,12) S-OH + Cu 2+ S-O-Cu + + H + (1) 여기서 S-OH 는중금속들의흡착에관여하는금속산화 물표면의반응점을나타낸다. ph 변화에의한 Fe-AC 제 조시의철함량및구리제거능실험결과를토대로할때, 흡착제제조를위한최적제조 ph 는 3 인것으로나타났으 나, Fe-AC 의안정성에대한안전율및제조시의 ph 조정 에따른산소모량을고려하여중금속제거를위한회분 식실험은 ph 4 에서제조한흡착제를사용하였다 Fe-AC 와 AC 의 Cu(II) 제거경향비교 Fe-AC 와 AC 의 Cu(II) 제거능을비교하기위하여 AC 와 ph 4 에서제조한 Fe-AC 를이용하여흡착실험을수행하 였다. ph 별흡착실험을위해초기 ph 를각각 1~11 로조 정하였으며, 최종 ph 를측정하여실험결과에이용하였 다. 이때흡착질에따른흡착제의농도는 2 g/l, Cu(II) 의농도는 M 로조정하였다. Fig. 4 와같이 M Cu(II) 를사용한흡착실험에서 AC 및 Fe-AC 모두 ph 7.5 이상에서 100% 에가까운 Cu(II) 제거능을보였으나, ph 7 이하에서는 Fe-AC를사용한 Cu(II) 제거효율이 AC에비해약 15% 정도높은것을알수있었다. 이러한결과는유등 11) 이 ph 9에서제조한 Fe-AC와철첨착전의 AC를흡착제로사용하여용액의 ph 변화에따른 Cu(II) 제거에서나타난거의모든 ph 범위에서 Fe-AC가활성탄자체만에의한 Cu(II) 제거능보다우수하다는것과유사하였다. 따라서흡착제로 AC를사용하는것보다 Fe-AC를사용함에따라첨착된산화철의부가적인흡착특성에의해일반적으로중금속제거능은보다향상된다는것을알수있었다 Cu(II) 농도및 ph 변화에따른흡착실험 ph 4에서제조한 Fe-AC를이용하여 Cu(II) 농도변화에따른제거경향을알아본결과 Fig. 5와같이나타났다. ph 별흡착실험을위해초기 ph를각각 1~11로조정하였으며, 최종 ph를측정하여실험결과에이용하였다. 이때흡착질에따른흡착제의농도는 2 g/l이며, Cu(II) 용액의농도는 M부터 M까지변화를주었으며, 25 로유지된항온진탕기내에서 24시간반응시켰다. 실험결과흡착질의농도가증가할수록백분율로얻어진 Cu(II) 의제거율은감소하였으며, ph가증가할수록 Cu(II) 의제거율은증가하는일반적인흡착경향을보였다. 특히, M Cu(II) 농도를사용한흡착실험에서는 ph 5에서약 90% 의흡착능을보였지만유사한 ph 영역에서, M 및 M Cu(II) 농도를사용하였을때에는각각약 70% 및 40% 의흡착능을보였고 ph 6.5 이상에서는모든농도에서 90% 이상의높은제거경향이나타났다. Cu(II) 의농도가증가할수록흡착곡선이높은 ph 쪽으로이동하는것은흡착제의일정한흡착용량에비해흡착질의농도가상대적으로높아짐에기인한것이다. ph 6.5 이상에서, 특히 Cu(II) 의농도가증가함에따라, 제거율이크게증가하는원인은 ph 증가에따라 Cu(II) 의침전이흡착과동시에일어나기때문인것으로여겨진다. 이는 Fe-AC의 ph zpc 가 7.5 임에도대부분의구리가 ph zpc 이하에서제거되는것으로서흡착제표면의반응점과흡착질구리이온사이에는 inner-phere형의강한표면착화합물이생성됨을추정할수있다. 이러한 inner-phere형의강한표면착화합물형성은 goethite, hematite 그리고 lepidocrocite와같은철 ( 수 ) 산화물에대한구리의흡착에서도알려져있다. 13) 그리고김근한등 12) 은여러가지이온세기화학종변화에따른 TiO 2 에대한구리흡착실험에서 TiO 2 의 ph zpc 가 6.5 임에도대부분의구리가 ph zpc 이하에서제거되는것으로써 inner-phere 형의표면착화합물이생성됨을제시하였다. Fig. 4. Removal of only. M Cu(II) by Fe-AC and AC 3.6. Fe-AC 에대한 Cu(II) 흡착의모델예측 Fe-AC 에대한 Cu(II) 의흡착모사를위한표면착화모델 링을위해 MINTEQA2 프로그램을사용하였다. 이프로그 J. of KSEE / Vol. 30, No. 3, March, 2008

5 ph 를달리하여제조한 3 가철첨착활성탄에의한구리제거특성평가 349 램에는 diffue layer model, contant capacitance model 그 리고 triple layer model 들이포함되어있다. 여러모델 중흡착제와흡착질간의착물형성이 inner-phere type 으로 이루어지는것과이중확산층이론에의해서개발된 diffue layer model 을사용하여흡착실험결과를모사하고자하였 다. 수용액과 Fe-AC 계면에서의 Cu(II) 흡착현상을 diffue layer model 로서모사하기위하여먼저흡착제의산 - 염기 특성과관련한표면결합상수, 표면반응점및비표면적등 의값을측정하였다. 그리고는실험적으로얻어진 Cu(II) 의흡착경향을잘예측하는 Cu(II) 의표면결합상수값을 구하도록하였다. Fe-AC 내의산화철은물의경계면에서다음반응식에의 해산 - 염기이중성을가진다. ; ; 여기서 Fe-OH 2 +, Fe-OH, 그리고, Fe-O - 는양하전, 중성, 그리고음하전을띤 Fe-AC 내산화철표면을각각나타 낸다. ph 변화에따른산화철표면하전분포는금속이온, 유 기물, 그리고금속 - 배위자착물의흡착에중요한역할을 한다. Table 1 에있는것처럼 Fe-AC 의 pk a1 및 pk a2 는각 각 6.5 및 8.5 이다. 따라서중성 ph 범위에서 Fe-AC 는대 부분하전을띄지않은 [Fe-OH] 상태로존재하지만강산조 건에서는 [Fe-OH 2+ ], 그리고강염기조건에서는 [Fe-O - ] 가 지배적으로존재한다. 확산모델에의한표면하전효과고려 시, 상기식 (2) 및 (3) 은다음과같이표현될수있다. (2) (3) (4) (5) 여기서 K a1 (int) 및 K a2 (int) 는고유표면결합상수 (intrinic urface complexation contant) 들이며 K a1 (app) 및 K a2 (app) 는 표면하전에종속적인실제표면결합상수 (apparent urface complexation contant) 들이다. 그리고 Ψ 는표면포텐셜 (urface potential) 로서표면반응점근처와용액상에있는 H + 의 활동도 (activity) 에직접적으로의존한다. 모델예측을위해 사용된여러표면반응식은 Table 2 에나타나있으며용액 상의구리화학종들의산해리상수값들은 Table 3 과같 다. 이들값들은모두이온세기 0 일때로환산된값들이 며 MINTEQA2 프로그램운영시지정된이온세기에의한 활동도계수 (activity coefficient) 값으로보정되어실험조건 에서의흡착결과를예측하는데사용되었다. Fig. 5. Removal of Cu(II) onto Fe-AC with variation of Cu(II) concentration and ph(solid line repreent model prediction through adorption and dahed line repreent model prediction through adorption and precipitation). Table 2. Surface complexation reaction of iron oxide ued in adorption modeling employing the diffue layer model(i = 0 M) No. Reaction Log K int 1 Fe-OH + H + Fe-OH Fe-OH Fe-O - + H Fe-OH + Cu 2+ Fe-O-Cu + + H Table 3. Some important olution peciation reaction ued in adorption modeling(t = 25, I = 0 M) No. Reaction Log K 1 Cu 2+ + H 2O Cu(OH) + + H ** 2 Cu H 2O Cu(OH) 2 + 2H ** 3 Cu H 2O Cu(OH) H ** 4 Cu H 2O Cu(OH) H ** Cu(II) 의흡착이흡착제의 ph zpc( 전체표면하전의합이 0 을갖는 ph) 인 7.5 이하에서일어난것과흡착후 ph 가초 기값보다감소한것으로보아 Cu 2+ 와 Fe-AC 사이의반응 은다음식에서와같이 Cu(II) 와 Fe-AC 표면의 hydroxyl 기사이에 inner-phere type 의착물형성이이루어지는것 으로가정하였다. (6) (7) 여기서지수항은흡착제표면으로부터 bulk 용액상으 로정전기적상호작용을극복하고이동시키는데필요한자 유에너지항이다. 흡착제가들어있지않은 Cu(II) 함유용액에서수화된 Cu 2+

6 350 양재규 이남희 이승목 화학종의분포는 ph 에따라달라진다 (Table 3). 그러므로 모델예측에서는다음과같은물질수지식에의해서모든 화학종의농도를계산하였다. Cu(II) 물질수지 Fe-AC 표면물질수지 식 (9) 는다음과같이재표현될수있다. (8) (9) (10) [Fe-O-Cu + ] 는실험에의해결정되므로 [Cu 2+ ] 는식 (8) 과 Table 3 의수화된화학종들의생성상수 (formation contant) 들에의해서계산될수있다. K Cu (app) 값은식 (7) 에있는 각항의농도를알면결정할수있으며, K Cu (app) 값은 urface potential, Ψ, 에따라가변적임을알수있다. 그러므 로 K Cu (int) 값은 exp[-fψ/rt] 이 1 이될때의 K Cu (app) 값에 해당된다. Fe-AC 의고유표면결합상수는 urface potential 을고려한식 (7) 을사용하여여러 ph 범위에서얻어진 계산치들이흡착실험결과와가장잘부합되는값으로결 정한다. 그러므로 K Cu (int) 값은 MINTEQA2 프로그램에의 해서시행착오방법으로구하였다. 세가지구리농도에서얻어진구리제거실험결과들과비 교하였을때, 모델링에의한구리흡착예측 (Fig. 5 의실선 ) 은 ph 6 이하에서는세가지농도모두비교적잘일치하였다. 그렇지만 ph 6 이상에서 M 및 M 의 경우, 모델링에의한 Cu(II) 의흡착은실험치에비해크게 벗어났다. MINTEQA2 에의한시뮬레이션결과, M 및 M 에서는 ph 6 이후에일부구리가침전되는 것으로예측되었다. 따라서, 흡착및침전을모두고려한 제거율을도시한결과 (Fig. 5 의점선 ), 구리제거에대한모 델예측치는모든 ph 범위에서실험치와잘일치하는결 과를얻을수있었다. 4. 결론 입상활성탄을이용하여철 (III) 첨착활성탄을제조하여중 금속이온 (Cu(II)) 에대한흡착특성을조사한결과다음과 같은결론을도출하였다. 1) 활성탄표면에대한철의첨착량은 ph가증가함에따라감소하는경향을보였으며, ph가 1, 2, 3일때의철함량은 10,000 mg/kg 이상으로다른 ph 조건에서제조한 Fe-AC에비하여상대적으로높은함량을보이는것으로나타났다. 2) ph 3 이상에서제조한 Fe-AC에의한 Cu(II) 의제거능은약 80% 이상인것으로나타났으며, ph 1 및 2에서제조한 Fe-AC는높은철첨착량을보였지만흡착제가강한산성을띄고있어다른 ph 영역에서제조한흡착제에비하여상대적으로낮은 Cu(II) 제거능을보였다. 3) 흡착제의안정성실험결과시간이지날수록철의용출량은증가하고, 용액의 ph가높아질수록용출량이감소하는경향을보였다. 이러한안정성실험결과를토대로볼때 Fe-AC를 ph 3 이상의중금속함유오염수처리를위한흡착제및여과재질로사용할수있다고판단된다. 4) 흡착제제조시활성탄에대한 Fe(III) 의첨착량만을고려하였을때최적조건은 ph 3 이하에서제조한 Fe-AC인것으로나타났으나, Fe-AC의안정성에대한안전율및제조시의 ph 조정에따른산소모량과중금속제거를위한회분식실험에서의 ph 변화에따른제거능의변화등을고려할때 ph 4에서제조한흡착제가최적인것으로나타났다. 5) Fe-AC에의한 Cu(II) 제거는흡착질의농도가증가할수록제거율은감소하였으며, ph가증가할수록 Cu(II) 의제거율은증가하는것으로나타났다. 6) ph 4에서제조한 Fe-AC와 AC의 Cu(II) 제거경향을비교해본결과 ph 7 이하에서는 Fe-AC가 AC보다약 15% 정도높은제거효율을보여서첨착된 Fe(III) 가활성탄자체만에의한 Cu(II) 제거능이외의부가적인제거능을갖도록하는것이확인되었다. 7) 모델링에의한구리흡착예측결과 ph 6 이하에서는비교적잘일치하였으며, MINTEQA2에의한시뮬레이션결과, M 및 M에서는 ph 6 이후에일부구리가침전되는것으로예측되어흡착및침전을모두고려한제거율을도시한결과, 구리제거에대한모델예측치는모든 ph 범위에서실험치와잘일치하는결과를얻을수있었다. 위와같이 Fe-AC를중금속제거용흡착제로서이용하기위한연구는 AC만을흡착제로이용하는것보다중금속흡착효율향상측면에서연구가치가높으며, 구체적이고지속적인연구가필요한분야라고사료된다. 사사 본연구는산업자원부지역혁신인력양성사업 ( 과제번호 : TG ) 지원의일부로수행된연구이며, 이에감사드립니다. 참고문헌 1. 윤영상, 최순범, 원성욱, 중금속폐수처리를위한기술개 J. of KSEE / Vol. 30, No. 3, March, 2008

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<30362DC0CCC1BEC1FD2E687770> 이종집 윤성욱 * 공주대학교화학공학부 * 단국대학교공학교육혁신센터 (2009. 3. 10. 접수 / 2009. 7. 6. 채택 ) Removal of Amaranth by Activated Carbon Adsorption Jong-Jib Lee Sung Wook Yoon * School of Chemical Engineering, Kongju National