(주)와클 회사소개

흡착공정

1. 흡착이란?

흡착이란 흡착제(adsorbent)를 사용하여 용액으로부터 어떤 기질(substrate)을 제거하는 것을 말한다. 활성탄(atcivated carbon)은 다양한 종류의 유기화합물을 흡착하므로 정수 처리와 고차 폐수처리, 그리고 유기 산업 폐수의 처리에 광범위하게 사용되는 흡착제이다. 정수처리에 있어서 활성탄은 불쾌한 맛과 냄새, 색깔을 유발하는 화합물을 제거하기 위하여 사용된다. 고차 폐수처리에 있어서 활성탄은 유기물질을 흡착하기 위해 주로 사용된다. 이것은 회분식(batch), 칼럼식(고정상과 역류이동) 또는 유동층 흡착조에서는 과립 형태로 일반적으로 사용되나, 활성탄의 양이 비교적 적게 요구되는 정수처리에는 분말상태로 주로 이용되고 있다.

2. 활성탄 (Activated Carbon) 이란?

활성탄은 입자하나에 무수한 미세공이 잘 발달된 무정형 탄소의 집합체로서 활성화 과정에서 미세공이 잘 형성되어 큰 내부 표면적을 갖게 되는 흡착제로 활성탄 입자의 크기에 따라 분말 활성탄(Powdered Activated Carbon)과 입상활성탄 (Powdered Activated Carbon)으로 분류한다. 활성탄의 원료로는 톱밥, 야자 껍질, 역청탄, 이탄, 갈탄 등 다양하다.

활성탄 흡착은 물리적 흡착과 화학적 흡착으로 구분되며 물리적 흡착은 흡착력이 약하고, 피흡착 물질의 화학적 특성이 변하지 않는다. 화학적 흡착은 흡착제와 피흡착 물질의 전자 이동이 일어나 일종의 화학적 결합과 유사하다. 또한 피흡착 물질의 극성정도에 따라 흡착과 탈착의 특성을 달리한다.

활성탄의 세공구조

흡착은 흡착제 표면에 피흡착질 분자가 축적되는 것이며 흡착될수 물질의 양은 흡착제의 비표면적 크기에 달려있다. 이러한 관계에서 내부 표면적이 흡착이 이루어지는 동안 외부 표면적은 단지 2차적인 역할을 할 뿐이다.활성탄의 세공은 복잡한 세공구조를 나타내며 거대한 내부표면적을 이루고 있는 모세관을 가지고 있다.

활성탄의 세공구조모식도

일반적인 활성탄은 500~1500m²/g 의 내부표면적을 갖고 있다. 활성탄의 세공구조에 있어서 세공특성은 micro-, meso-, macro-pore로 구분된다. 20 Å이하의 직경을 갖는 pore을 meso-pore라 하고, 흡착이 일차적으로 일어나는 20~1000Å의 직경을 갖는 pore를 meso-pore라 한다. 반면 직경이 1000Å이상인 macro-pore는 실제적인 흡착공정에서 단지 2차적인 중요성을 가질 뿐이다. 주로 이러한 macro-pore는 액체로부터 용질을 흡착하기 위한 통로로서 제공된다.

3. 활성탄 흡착설비에 의한 제거 목표 물질

활성탄 여과 목표

현행 수도법 및 음용수 수질기준 등에 관한 규칙의 수질기준에 명시된 제거대상 물질의 항목에 대한 규제 농도를 만족하게 수돗물을 생산해야 하므로 원수의 오염실태 파악과 문제가 될 가능성이 있는 오염물질(오염농도의 변화추이 고려)의 제거 목표를 정하여 적절한 흡착공정 설계와 시설운영 계획이 수립되어야 한다.우리나라는 최근 이러한 오염물질인 유기인계 농약인 파리티온, 페니 트로티온, 다이아지논, 말라티온, 휘발성 유기탄소화합물, THM, 트리클로로에탄, 테트라 클로로에틸렌, 티클로로메탄, 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠 등이 수질규제 항목으로 추가 되었으며 규제 항목은 점차 늘어가는 것이 세계적인 추세이다. 특히 이러한 오염물질은 유기염소계농약, 제초제 및 다핵방향족 탄화수소(PHA)계통의 오염물질이 우리나라에서도 추가될 가능성이 높아 좋은 음용수 생산에 활성탄 여과방식이 증가하고 있다.

제거 목표 물질

① 맛, 냄새 물질 제거
② 트리할로메탄 및 트리할로메탄 전구물질(부식질) 제거
③ 색도의 제거
④ 음이온 계면활성제, 페놀류 등 유기물 제거
⑤ 암모니아성 질소, 고농도 유기물의 동시제거
⑥ 트리클로로에틸렌 등 휘발성 유기화합물질(volatile organic compounds, VOC)의 제거
⑦ 철, 망간 제거
⑧ pH 조정
⑨ 침식성 유리탄소 제거
⑩ 과량 포함 불소 제거
⑪ 농약 등 미량 유해 물질
⑫ colloid 및 현탁 물질 제거
⑬ 페놀, 세제 및 특성유해 물질 제거

4. 입상활성탄 처리

종래의 급속여과를 중심으로 한 정수처리 설비는 응집, 침전, 여과 등의 과정을 통한 물리화학적 작용으로 현탁성 물질을 제거하였으나 활성탄처리 설비는 주로 용해성 물질을 흡착제거하는 설비로 활성탄의 주성분은 야자껍질, 목탄, 역청탄계, 석유계 등으로 그 특유의 흡착기능에 의하여 저농도의 용해 성분을 제거할 수 있으며, 물리적 형상의 구분으로 분말탄과 입상탄으로 구분되며 분말은 입경 0.0075mm이하, 입상탄은 0.50~2.36mm정도이다.
또한 입상활성탄 처리는 물속에 녹아있는 냄새원인물질 및 발암물질(THMS) 생성원인물질, 각종 유기물질, 암모니아성질소 등을 활성탄 내부의 수많은 미세공에 흡착시키거나 활성탄에 생성된 미생물이 분해 제거하면 미량 유기화합물질, 색도, 암모니아성 질소, ABS, THMS, 냄새 등을 제거하는 효과가 있다.

5. 각종 유기화합물의 흡착특성

화합물	분자량	용해도(%)	농도		흡착능
화합물	분자량	용해도(%)	원수	잔류농도	g/g활성탄	제거율(%)
Alcohol 류
Methanol	32.0	∞	1000	964	0.007	3.6
Ethanol	46.1	∞	1000	901	0.020	10.0
n-Hexanol	102.2	0.58	1000	45	0.191	95.5
2-Ethyl buthanol	102.2	0.43	1000	145	0.170	85.5
2-Ethyl hexanol	103.2	0.07	1000	10	0.138	98.5
Aldehyde 류
Acrolein	56.1	20.6	1000	694	0.061	30.6
Benz aldehyde	103.1	0.33	1000	60	0.188	94.0
Pyridin 및 Morphine
Pyridin	79.1	∞	1000	527	0.095	47.3
2-Methyl-5-ethyl-pyridine	121.2		1000	107	0.179	89.3
방향족
Benzen	78.1	0.07	416	21	0.080	95.0
Toluene	92.1	0.047	317	66	0.050	79.2
Ethyl benzene	106.2	0.02	115	18	0.019	84.3
Phenol	94	6.7	1000	194	0.161	80.6
Hydroquinone	110.1	6.0	1000	167	0.167	83.3
Aniline	93.1	3.4	1000	251	0.150	74.9
Styrene	104.2	0.03	180	18	0.028	88.8
Nitrobenzene	123.1	0.19	1023	44	0.196	95.6
Ester
Metylacetate	74.1	31.9	1030	760	0.054	26.2
Ethylacetate	88.1	8.7	1000	495	0.100	50.5
Propylacetate	102.1	2	1000	248	0.149	75.2
Ethylacrylate	100.1	2.0	1015	226	0.157	77.7
Butylacrylate	128.2	0.2	1000	43	0.193	95.9
Ether
Isopropylether	102.2	1.2	1000	203	0.162	80.0
Butylether	130.2	0.3	1023		0.039	100.0
Dichloro isopropylether	171.1	0.17	1008		0.200	100.0
Glycol ether
Ethyleneglycol	62.1	∞	1000	932	0.0136	6.8
Hexane glycol	118.2	∞	1000	386	0.122	61.4

Formic Acid	46.0	∞	1000	765	0.047	23.5
Acetic acid	60.1	∞	1000	760	0.048	24.0
Acrylic Acid	72.1	∞	1000	355	0.129	64.5
Benzoic Acid	122.1	0.29	1000	89	0.183	91.1
Oxide
Stylene oxide	120.2	0.3	1000	47	0.190	95.3
Halogen
Ethylenedichloride	99.0	0.81	1000	189	0.163	81.1
Propylenedichloride	113.0	0.30	1000	71	0.183	92.9
Ketone
Acetone	58.1	∞	1000	782	0.043	21.8
Di-isobutyl ketone	142.2	0.05	300		0.060	100.0
Cyclohexanol	98.2	2.5	1000	332	0.134	66.8
Acet phenol	120.1	0.55	1000	28	0.194	97.2

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