KR20170139915A - 부식산이 첨착된 수은 흡착용 활성탄 및 이의 제조방법 - Google Patents

부식산이 첨착된 수은 흡착용 활성탄 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 부식산이 첨착된 수은 흡착용 활성탄 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 수은 흡착용 활성탄으로, 부식산을 알칼리 용액에 용해하여 제조된 부식산 용액과 활성탄을 혼합하는 방법으로 부식산이 첨착된 활성탄을 사용함으로써, 우수한 부식산 첨착률을 구현하여, 수은 흡착량을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 수은 흡착용 활성탄은 또한, 자연계에 널리 존재하는 부식산을 활성탄에 첨착함으로써, 우수한 수은 흡착량과 더불어, 경재성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명은 부식산 용액 내 부식산의 용해도를 최적화하고, 활성탄의 비표면적을 증대시키는 공정을 통해 수은 흡착률이 매우 우수한 수은 흡착용 활성탄을 제공할 수 있다.

Description

부식산이 첨착된 수은 흡착용 활성탄 및 이의 제조방법{Humic acid-impregnated activated carbon for adsorbing mercury and the manufacturing method thereof}
본 발명은 부식산이 첨착된 수은 흡착용 활성탄 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
현대화 및 공업화의 빠른 진행에 따라 중금속 함유 폐수를 배출하는 공장 및 업체가 많아지면서 중금속 오염은 많은 관심을 받고 있다. 그 중 공장에서 배출 되는 폐수는 수은을 함유하고 있어 자연 생태를 파괴하고, 인류의 건강에 위협을 주고 있다. 특히 본 연구에서 다루고 있는 수은(II)은 인체의 뇌와 신경계에 악영향을 끼치고 임산부의 경우 흡수 된 수은이 태아에게까지 전달 될 수 있다. 또한 국제적으로 WHO (World Health Organization)에서는 매주 수은 섭취량을 0.3 g, 식용수 중 수은 최대농도를 0.1 ㎍/L로 규정하고 있고 2013년 10월 체결된 “미나마타 국제수은협약 (공식명: 수은에 관한 미나마타협약)”은 2016년 한국에서 발효 될 예정인 가운데 수은처리 기술이 시급하다.
현재 많이 사용되고 있는 액상 수은(II) 처리기술은 황화물 침전법, 이온교환 수지법, 환원법, 흡착법 등이 있다.
황화물 침전법은 Na2S를 폐수에 첨가하여 용해성이 낮은 HgS 형태로 침강 분리하는 방법이다. 그 원리는 다음과 같다. HgS는 용해도가 매우 낮고, 강산성에서도 용해되지 않기 ?문에 액상에서의 수은 제거 방법으로는 적합한 기술이라고 볼 수 있다. 그러나 폐수에 과량의 S2 - 이온이 존재하게 되었을 경우 HgS가 재용해될 가능성이 있다. 또한 침전 된 HgS 화합물은 미세 콜로이드를 형성하여 침전 및 여과를 방해하여 최종적으로 침전물을 분리하기 어렵다.
이온교환 수지법은 보통 폐수에 포함된 HgCl2 등의 수은염을 처리할 때 사용되는 방법이다. 이 공정에서 합성수지 또는 광물 등 부유물질이 용액과 혼합되고, 안에서 부유금속 이온이 매질 성분과 교환된다. 이온교환 수지는 액상 폐기물 중 농도가 10 ppb 이하인 액상 폐기물로부터 수은을 제거할 때 사용된다. 하지만 이온교환 수지는 강 산성 용액의 재생과정에서 수은의 이온화 경향이 높지 않기 때문에 수지로부터 세정 내지 분리가 잘 되지 않는다는 단점이 있고, 사용 가능한 농도 범위가 너무 낮다는 단점도 갖고 있다.
흡착법은 가장 많이 사용되고 있는 방법이다. 흡착법의 흡착제로는 많은 물질이 사용되고 있다. 근년 대표적인 흡착제로는 SAMMS(Self-Assembled Monolayers on Mesoporous Support), SPMC(Superparamagnetic composite particle) 및 활성탄이 있다.
SAMMS는 silica 표면에 작용기를 첨착하여 만들어진 물질이다. 수은 제거용 SAMMS의 표면에선는 수은과 잘 결합하기로 알려진 -SH 그룹을 첨착하였다. 수은 제거용 SAMMS는 이온상 수은, 유기수은, 무기수은 및 수은화합물의 흡착에 효과가 출중하다. SAMMS는 자체 무게의 2/3에 달하는 수은을 흡착할 수 있다. 그 원인으로는 높은 비표면적, 그리고 수은과 결합할 수 있는 대량의 활성화 부위가 있기 때문이다. 그의 대표적인 장점으로는 다른 수은 제거용 흡착제와 비교했을 때 폐수로부터 흡착제의 분리비용이 필요 없다. 즉 SAMMS는 수은의 독성을 중성화 시키는 능력이 있기 때문에 바로 폐기물 매립지에 폐기해도 되기 때문이다. 또한 SAMMS의 흡착량과 흡착속도는 기존의 흡착제보다 훨씬 높다. 그러나 그의 높은 비용 및 국내 기술로 상용화되지 못했기 때문에 국내사용을 위해서는 고가의 국외 제품을 구입해야 하는 실정이다.
SPMC는 자성을 이용하여 폐수 중 중금속을 제거할 수 있는 흡착제이다. SPMC는 자기장에서의 자화를 이용하여 폐수 중 중금속을 제거할 수 있으며 그 자기장을 끄면 자기장이 없어지면서 중금속을 분리할 수 있다. 이런 특성은 폐수 중의 수은을 흡착할 수 있으며 SPMC가 포화되었을 때 분리하여 자기장을 꺼주는 방법으로 수은을 쉽게 분리 할 수 있다는 장점이 있다. 분리된 수은은 고농도의 슬러지형식으로 배출 된다. 그러나 고농도의 슬러지로 배출된 수은폐기물은 2차 처리를 필요로 하고 SAMMS와 같이 비용적인 부담이 크며 현재로써는 기술적 원인으로 대량생산이 불가하다는 단점이 있다.
활성탄은 많은 흡착제 중 가장 오래된 역사를 갖고 있고 많은 유기, 무기 물질을 흡착하는 데 사용되고 있다. 특히 활성탄은 높은 비표면적과 풍부한 공극률 등의 특성이 우수하여 흡착제로 가장 많이 사용되고 있다. 그의 높은 비표면적은 수은(II) 많이 흡착할 수 있을 뿐만 아니라 그 비표면적에 많은 물질과 작용기의 첨착을 가능하게도 한다. 하지만 수은(II)에 대한 활성탄의 흡착력은 수은 제거용 활성탄에 비해 현저히 낮고, 수은 제거용 활성탄은 활성탄에 비해 가격이 매우 높다. 따라서, 기존의 상용화 되고 있는 수은 제거용 활성탄의 개발방법보다 저렴한 활성탄의 개질법이 요구되고 있다.
대한민국공개특허 제2012-0085214호
본 발명은 알칼리 용액에 가루형 부식산을 혼합한 부식산 용액을 만들어 활성탄과 첨착반응을 수행함으로써, 기존의 수은 제거용 활성탄보다 효율적이며 경제성이 우수한 수은 흡착용 활성탄 및 이의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 부식산 용액 내 부식산의 용해도를 최적화하고, 활성탄의 비표면적을 증대시키는 공정을 통해 수은 흡착률이 매우 우수한 수은 흡착용 활성탄을 제공한다.
본 발명은 부식산이 첨착된 수은 흡착용 활성탄 및 이의 제조방법에 대한 것이다.
본 발명의 수은 흡착용 활성탄으로서, 부식산이 첨착된 활성탄을 사용함으로써, 물리적 흡착 및 화학적 흡착이 동시에 일어나 흡착과정이 안정하고, 이로 인해, 기존 활성탄에 비해 현저히 우수한 수은 흡착량을 구현할 수 있다.
통상적으로, 부식산은 자연계에 널리 존재하며, 농업에서도 많이 사용되고 있는 고도로 산화된 유기물질이며, 저렴하다. 또한, 높은 분자량을 자랑하는 부식산은 그 표면의 작용기를 이용하여 중금속 이온을 쉽게 흡수할 수 있다. 하지만 부식산은 물에 용해되기 어려운 특성을 갖고 있다. 따라서, 본 발명에서는 부식산을 알칼리 용액에 용해시켜 용액상으로 만들었으며, 이를 활성탄에 첨착시켰다. 알칼리 용액에 부식산을 용해시킬 경우, 물에 용해시킨 경우와 비교하여 부식산의 분산 안정성을 향상시킬 수 있다. 이를 통해, 활성탄과 상기 부식산이 용해된 알칼리 용액을 혼합할 경우, 보다 우수한 첨착률을 가질 수 있으며, 이를 통해 중금속 흡착량을 향상시킬 수 있다.
이렇게 제조된 부식산이 첨착된 활성탄은 중금속 흡착용으로 널리 쓰일 수 있으며, 특히 수은 내지 구리 흡착에 우수한 효과를 나타낼 수 있다.
즉, 본 발명은 부식산이 첨착된 활성탄에 있어서,
상기 부식산은 상기 활성탄의 단위 면적(m2) 당 0.0111 g 내지 0.1508 g 첨착 되어 있으며,
하기 일반식 1로 표시되는 수은 흡착 효율(%)이 80% 이상인 수은 흡착용 활성탄에 대한 것이다.
[일반식 1]
qe/qt × 100
qt는 하기 계산식 1로 표현되는 활성탄의 이론 수은 흡착량(mg/g)이고, qe는 하기 계산식 2로 표현되는 활성탄의 평형 수은 흡착량(mg/g)이다:
[계산식 1]
qt = Co × V/m
[계산식 2]
qe = (Co-Ce) × V/m
상기 계산식 1 또는 2에서, Co는 수은 용액의 초기 수은 농도(mg/L)이고, Ce는 수은 용액의 평형 수은 농도(mg/L)이며, V는 수은 용액의 부피(L)이고, m은 활성탄의 사용량(g)이다.
본 발명에 따른 수은 흡착용 활성탄은, 부식산을 알칼리 용액에 용해시킨 후, 활성탄과 혼합하여 제조함으로써, 부식산의 첨착량을 높였고, 이로 인해, 우수한 수은 흡착량을 구현할 수 있다.
또한, 부식산은 자연계에 널리 존재하는 저렴한 물질로서, 기존의 ? 및 ? 등이 첨착된 활성탄과 같은 가격이 높은 수은 흡착용 활성탄과 비교하여 경쟁력 면에서 우수하다.
더불어, 기존 첨착 물질을 첨착할 경우, 활성탄의 비표면적이나, 기공 부피에 가장 작은 영향을 준다. 구체적으로, 활성탄은 물리적 흡착을 통해 중금속을 흡착한다. 그러나, 활성탄에 다른 물질을 첨착시킬 경우, 활성탄의 물리적 흡착 영역인 비표면적이 줄어들게 된다. 이에 대해, 본 발명에 따른 부식산이 첨착된 활성탄은 활성탄의 물리적 흡착에 영향을 적게 주면서, 우수한 부식산 첨착량에 따라 화학적 흡착을 늘릴 수 있어, 흡착 효율이 우수할 수 있다.
이때, 상기 부식산은 상기 활성탄의 단위 면적(m2) 당 0.012 g 내지 0.15 g, 0.02 g 내지 0.15 g 또는 0.05 g 내지 0.15 g 첨착 되어 있을 수 있다. 본 발명에 따른 수은 흡착용 활성탄은 상기 범위 내의 부식산 첨착량을 가짐으로써, 중금속 이온에 대한 높은 물리적 흡착량 및 화학적 흡착량을 구현할 수 있다.
수은 이온에 대한 흡착량을 예로 들면, 본 발명에 따른 수은 흡착용 활성탄을 사용할 경우, 상기 일반식 1로 표시되는 수은 흡착 효율(%)이 80% 이상으로 나타낼 수 있다.
구체적으로, 상기 일반식 1은, 상기 계산식 1로 표현되는 활성탄의 이론 수은 흡착량(mg/g) 대비 상기 계산식 2로 표현되는 활성탄의 평형 수은 흡착량(mg/g)의 백분율을 의미할 수 있다.
즉, 수은 용액에 있어서, 초기 수은 농도 및 수은 흡착이 더 이상 일어나지 않는 흡착평형에 도달하였을 때의 평형 수은 농도를 측정하고, 다른 인자들과의 관계를 통해, 수은 흡착량을 측정하였다. 이때, 본 발명에 따른 수은 흡착용 활성탄의 일반식 1로 표시되는 수은 흡착량은 80 내지 99%, 85 내지 95% 또는 90 내지 95%일 수 있다.
이때, 상기 수은 흡착용 활성탄은 계산식 2에 의한 평형 수은 흡착량(mg/g)이 10 mg/g 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 계산식 2에 의한 평형 수은 흡착량은, 10 내지 20 mg/g, 11 내지 18 mg/g 또는 12 내지 15 mg/g 범위일 수 있다.
상기 수은 흡착용 활성탄은 비표면적이 900 내지 1,000 m2/g의 범위 내에 있을 수 있다. 예를 들어, 수은 흡착용 활성탄의 비표면적은 920 내지 1,000 m2/g, 930 내지 1,000 m2/g 또는 940 내지 985 m2/g 범위일 수 있다. 본 발명에 따른 수은 흡착용 활성탄은 상기 범위 내의 넓은 비표면적을 가짐으로써, 수은에 대한 흡착량을 효과적으로 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 활성탄을 포함하는 수은 흡착 충전제를 제공할 수 있다. 구체적으로, 상기 활성탄은 수은에 대한 흡착 효과가 우수하여, 이를 수은 흡착 충전제로서 사용할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 활성탄을 수은 흡착 충전제로 이용하여 공장에서 배출 되는 폐수 내에 수은 이온을 효과적으로 제거할 수 있다.
상기 수은 흡착용 활성탄의 제조방법의 하나의 예로서,
부식산 및 알칼리 용액을 혼합하여 제조된 부식산 용액과 활성탄을 혼합하여, 상기 활성탄을 첨착시키는 단계를 포함하는 수은 흡착용 활성탄의 제조방법을 제공할 수 있다.
상기, 활성탄에 부식산을 첨착시키는 단계는, 부식산을 알칼리 용액에 용해시켜 제조한 부식산 용액과 활성탄을 혼합한다. 이때, 상기 부식산은 전술한 바와 같이, 물에 용해되기 어려운 특성을 갖고 있다. 따라서, 본 발명에서는 부식산을 알칼리 용액에 용해시켜 용액상으로 만들었으며, 이를 활성탄에 첨착시켰다. 알칼리 용액에 부식산을 용해시킬 경우, 물에 용해시킨 경우와 비교하여 부식산의 분산 안정성을 향상시킬 수 있다. 이를 통해, 활성탄과 상기 부식산이 용해된 알칼리 용액을 혼합할 경우, 보다 우수한 첨착률을 가질 수 있으며, 이를 통해 중금속 흡착량을 향상시킬 수 있다.
상기에서 용어 알칼리 용액은 pH를 7 이상인 용액을 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 알칼리 용액은, 소듐 하이드록사이드, 암모늄 하이드록사이드, 테트라-메틸암모늄 하이드록사이드, 테트라-에틸암모늄 하이드록사이드, 칼슘 하이드록사이드 및 세슘 하이드록사이드 중 1 종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 알칼리 용액은 소듐 하이드록사이드(NaOH)를 포함할 수 있다. 소듐 하이드록사이드를 포함하는 알칼리 용액에 부식산을 분산시킬 경우, 우수한 분산 안정성을 기대할 수 있다.
상기 부식산은 0.1 내지 2 g/l의 범위 내로 부식산 용액에 첨가될 수 있다. 예를 들어, 상기 부식산은 부식산 용액(l) 당 0.1 내지 1.5 g 또는 0.1 내지 1 g의 범위로 첨가될 수 있다. 부식산 용액에 상기 범위 내의 함량으로 부식산을 첨가함으로써, 부식산이 균일하게 분산된 부식산 용액을 제공할 수 있다.
상기 수은 흡착용 활성탄의 제조방법에 있어서,
부식산 및 알칼리 용액을 혼합하여 제조된 부식산 용액과 활성탄을 혼합하여, 상기 활성탄을 첨착시키는 단계 이전에, 활성탄을 전처리하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 활성탄은, 부식산 용액과 혼합하기 전에, 세척 및 건조 단계를 거칠 수 있다. 예를 들어, 상기 세척 단계는 물을 이용하여 수행할 수 있으며, 활성탄 표면의 가루가 모두 제거될 때까지 수행할 수 있다. 또한, 상기 건조 단계는 80 내지 110℃ 범위의 온도에서 10 내지 15 시간동안 수행할 수 있다. 이와 같이, 활성탄을 부식산 용액과 혼합하기 전에 전처리함으로써, 활성탄의 부식산 첨착률이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
상기 부식산 및 알칼리 용액을 혼합하여 제조된 부식산 용액과 활성탄을 혼합하여, 상기 활성탄을 첨착시키는 단계는 40분 내지 400분 동안 수행될 수 있다. 예를 들어, 첨착시키는 단계를 상기 범위 내의 시간 동안 수행함으로써, 활성탄의 부식산 첨착률을 적절하게 조절할 수 있다. 예를 들어, 활성탄의 부식산 첨착률이 너무 적을 경우, 중금속 이온에 대한 흡착량이 저하될 수 있고, 활성탄의 부식산 첨착률이 너무 많을 경우, pH의 영향이 많이 받는 문제점이 생길 수 있다.
구체적으로, 부식산 및 알칼리 용액을 혼합하여 제조된 부식산 용액과 활성탄을 혼합하여, 상기 활성탄을 첨착시키는 단계는 40분 내지 100분 동안 수행될 수 있다.
예를 들어, 첨착시키는 단계를 상기 범위 내의 시간 동안 수행함으로써, 활성탄의 중금속 이온에 대한 흡착량이 우수함과 동시에, pH의 영향을 적게 받을 수 있다.
상기 수은 흡착용 활성탄의 제조방법에 있어서,
상기 부식산 및 알칼리 용액을 혼합하여 제조된 부식산 용액과 활성탄을 혼합하여, 상기 활성탄을 첨착시키는 단계 이후에, 400℃ 내지 700℃의 온도 범위 내에서 가열하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 가열하는 단계는 450 내지 700℃ 또는 500 내지 700℃의 온도 범위 내에서 수행할 수 있다.
상기 가열하는 단계는 질소 분위기 하에서, 30 분 내지 200 분 동안 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 가열하는 단계는 질소 분위기 하에서, 50 내지 200 분, 100 내지 200 분 또는 150 내지 200 분 동안 수행할 수 있다.
상기 온도 범위에서 상기 범위의 시간 동안 가열단계를 수행함으로써, 본 발명에 따른 수은 흡착용 활성탄은 비표면적 및 기공을 증대시킬 수 있다.
본 발명의 수은 흡착용 활성탄으로, 부식산을 알칼리 용액에 용해하여 제조된 부식산 용액과 활성탄을 혼합하는 방법으로 부식산이 첨착된 활성탄을 사용함으로써, 우수한 부식산 첨착률을 구현하여, 수은 흡착량을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 수은 흡착용 활성탄은 자연계에 널리 존재하는 부식산을 활성탄에 첨착함으로써, 우수한 수은 흡착량과 더불어, 경재성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명은 부식산 용액 내 부식산의 용해도를 최적화하고, 활성탄의 비표면적을 증대시키는 공정을 통해 수은 흡착률이 매우 우수한 수은 흡착용 활성탄을 제공할 수 있다.
도 1은 실시예 1 내지 3 및 비교예에 따른 활성탄의 시간에 따른 수은 흡착량을 나타낸 그래프이다.
도 2 내지 5는 실시예 1 내지 3 및 비교예에 따른 활성탄의 pH에 따른 수은 흡착량을 나타낸 그래프이다.
도 6 내지 9는 실시예 1 내지 3 및 비교예에 따른 활성탄의 온도에 따른 수은 흡착량을 나타낸 그래프이다.
이하 본 발명에 따르는 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1 내지 3: 부식산이 첨착된 활성탄 제조
마그네틱 바에 의해 교반되는 연속 흐름 반응기(CSTR)을 이용하여, 활성탄의 수은 흡착율에 대한 실험을 수행하였다.
1) 활성탄의 전처리
휴믹산 용액을 활성탄에 첨착시키기 전에, 활성탄의 전처리를 수행하여, 잔유물을 제거하였다.
구체적으로, 시판되는 활성탄(Duksan chemical, Ansan, South Korea)을 탈이온수로 세척 및 95℃의 온도 조건에서 12시간 동안 오븐에서 건조하고, 20℃의 온도 조건에서 서서히 냉각시켰다.
2) 부식산 용액의 제조
0.1601g의 소듐 하이드록 사이드(Sigma-Aldrich, Saint Louis, USA)를 40ml의 증류수에 용해시켜, NaOH 용액을 제조하였다.
그 후, 부식산 파우더(Sigma-Aldrich, Saint Louis, USA) 0.5g을 1N의 NaOH 용액에 용해하고, 900ml의 증류수에 희석시킨 후, 2 시간 동안 400 rpm의 속도로 교반해 주었다. 그런 다음, 0.5N 황산(㈜ 동우 화인캠)을 이용하여 상기 용액의 pH를 약 6으로 조절하였으며, 용액의 부피는 약 1000ml로 조절하였다.
마지막으로, 상기 용액을 3 시간 동안 400 rpm의 교반 속도로 교반하고, 40 ㎛의 Whatman 필터를 이용하여, 용해되지 않는 잔류 부식산을 제거하여, 최종적으로 부식산 용액을 제조하였다.
3) 부식산 첨착 활성탄의 제조
2.5g의 활성탄을 상기 제조된 부식산 용액에 투여하여, 20℃의 온도 조건 및 흄 후드의 표준 압력 조건에서 각각 1시간(실시예 1), 3시간(실시예 2), 6시간(실시예3) 동안 첨착 반응을 수행 하였다.
첨착 반응을 수행한 활성탄을 필터로 거른 후, 탈이온수로 세척하여, 활성탄 내 잔여 휴믹산을 제거하였다. 각 샘플들은 12시간 동안 95℃에서 건조하였다. 그런 다음, 상기 건조된 활성탄을 도자기 용기에 담아 전기로(Furnace)에 넣고, 질소로 충진한 후, 5 ℃/min의 가열 속도로 600℃까지 가열 하였다. 600℃까지 이른 뒤 2 시간 동안 유지하였으며, 그런 다음, 서서히 상온으로 냉각하여, 부식산 첨착 활성탄을 제조하였다.
비교예 1: 부식산이 첨착되지 않은 활성탄
시판되는 활성탄(Duksan chemical, Ansan, South Korea)을 사용하였다.
실험예 1: 수은 흡착량 및 효율 실험
실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 제조된 활성탄을 이용하여 수은 흡착 실험을 수행하였다.
구체적으로, 수은 농도가 69.54 mg/l인 수은 용액 50 ml에 각각의 활성탄을 실시예 1의 활성탄은 0.2523 g, 실시예 2는 0.2572 g, 실시예 3은 0.2580 g, 비교예 1은 0.2538 g으로 각각 넣고, 3 시간 동안 상온, 상압 및 pH 7의 조건에서, 400 rpm으로 교반하였다. 그런 다음, 활성탄 속 흡착된 수은의 분석은 ASTM 6414 (Standard Test Methods for Total Mercury in Coal and Coal Combustion Residues by Acid Extraction or Wet Oxidation/Cold Vapor Atomic Absorption)법을 이용하여 용액 내 수은 농도를 측정하였다. 또한, 상기 측정 결과를 가지고, 상기 일반식 1 및 계산식 1 내지 2를 통해 수은 흡착 효율 및 흡착량을 계산하였다. 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 1 실시예1 실시예2 실시예3
수은 농도
( mg /L) 		15.35 5.12 4.41 4.11
수은 흡착량
( mg /g) 		10.68 12.77 12.66 12.68
수은 흡착 효율
(%) 		77.93 92.64 93.66 94.09
표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3에서 제조된 부식산이 첨착된 활성탄은, 부식산이 첨착되지 않은 활성탄과 비교하여, 동일 조건에서, 약 15% 높은수은 흡착 효율을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 2: 시간에 따른 수은 흡착량 측정
실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 제조된 활성탄을 이용하여 시간에 따른 평형 수은 흡착량을 측정하였다.
구체적으로, 수은 농도가 75 mg/l인 수은 용액 50 ml에 각각의 활성탄을 0.25 g 넣고, 24 시간 동안 반응을 진행하였다. 이때, 20 분, 40 분, 60 분, 120 분, 180 분, 300 분, 420 분, 570 분, 720 분 960 분, 1200 분 및 1440 분으로 12번에 나누어 5 ㎕씩 각각 활성탄 샘플을 추출하여 수은 흡착량을 측정하였다. 그 결과는 하기 도 1에 나타내었다.
도 1을 참조하면, 각각의 활성탄의 수은 흡착량은 시간에 따라 증가하는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 반응 개시 후, 60 분 동안 급속도로 수은 흡착이 진행되어, 60 분 안에 거의 90% 이상의 수은 흡착되는 것을 알 수 있다. 반응 개시 후 60 분이 지나고 나서는 수은 흡착량이 서서히 증가하다가, 비교예 1의 경우, 반응 개시 후, 약 180 분 지난 상태에서 흡착 평형에 도달하는 것을 알 수 있다. 이와 비교하여, 실시예 1 내지 3의 경우에는, 반응 개시 후, 약 540 분 지난 상태에서 흡착 평형에 도달하는 것을 알 수 있다. 이를 통해, 기존의 활성탄과 비교하여, 본 발명에 따른 부식산이 첨착된 활성탄이 수은 흡착량이 현저히 높은 것을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 부식산이 첨착된 활성탄은, 부식산 첨착으로 인하여 물리적 흡착 및 화학적 흡착이 동시에 진행되면서, 기존의 활성탄보다 흡착 과정이 안정한 것을 알 수 있다.
실험예 3: pH 에 따른 수은 흡착량 측정
실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 제조된 활성탄을 이용하여 pH에 따른 수은 흡착량을 측정하였다.
구체적으로, 상기 각각의 활성탄에 대하여, 수은 농도가 15 mg/l, 30 mg/l, 45 mg/l, 60 mg/l 및 75 mg/l로 달리하고, pH를 2, 7 및 12로 달리한 수은 용액을 제조하였다. 그런 다음, 상기 각각의 수은 용액 50 ml에 각각의 활성탄을 0.25 g 넣고, 24 시간 동안 반응을 진행하였다. 그런 다음, 5 ㎕씩 각각 활성탄 샘플을 추출하여 수은 평형 흡착량을 측정하였다.
이때, 상기 수은 용액의 pH는 0.1 N HCl과 0.1 N NaOH용액을 사용하여 적정하였고, 반응 시간은 4시간으로 진행하였다.
그 결과는 하기 도 2 내지 5에 나타내었다. 구체적으로, 실시예 1의 결과는 도 2에, 실시예 2의 결과는 도 3에, 실시예 3의 결과는 도 4에, 비교예 1의 결과는 도 5에 나타내었다.
도 2 내지 5를 보면, pH가 높아짐에 따라 흡착량이 떨어진다는 것을 알 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3의 경우는 비교예 1과 비교하여 흡착 과정이 안정한 것을 확인할 수 있었다.
또한, 실시예 1의 경우, pH에 관계 없이 수은 흡착량이 유사한 것을 알 수 있었다.
이를 통해, 본 발명에 따른 부식산이 첨착된 활성탄은 흡착 과정이 안정하면서 pH의 영향을 덜 받는 것을 알 수 있다. 특히, 부식산 용액과 활성탄의 첨착 단계를 1 시간 동안 수행한 실시예 1의 경우 특히 pH의 영향을 덜 받는 것을 알 수 있었다.
실험예 4: 온도에 따른 수은 흡착량 측정
실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 제조된 활성탄을 이용하여 온도에 따른 수은 흡착량을 측정하였다.
구체적으로, 상기 각각의 활성탄에 대하여, 수은 농도가 75 mg/l인 수은 용액 75 ml에 활성탄을 0.1 g 넣고, 24 시간 동안 반응을 진행하였다. 이때, 반응 온도는 30℃, 60℃ 및 90℃에서 각각 진행하였다.
그런 다음, 활성탄 샘플 추출은 각각 180 분, 420 분, 780 분, 1020 분, 1440분에서 5 ㎕씩 취하였다.
그 결과는 하기 도 6 내지 9에 나타내었다. 구체적으로, 실시예 1의 결과는 도 6에, 실시예 2의 결과는 도 7에, 실시예 3의 결과는 도 8에, 비교예 1의 결과는 도 9에 나타내었다.
도 6 내지 9를 보면, 반응 온도가 높아짐에 따라 흡착량이 떨어진다는 것을 알 수 있다. 이를 통해, 수은 흡착 반응은 발열 반응임을 알 수 있다. 그 원인으로는, 온도가 높아짐에 따라, 활성탄에 물리적으로 흡착된 수은이 활성탄에 부착되어 있지 않고 열에 의해 에너지가 높아져 활성탄의 내부에서 부유하고 있기 때문이다.
그러나, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3의 경우는 비교예 1과 비교하여 수은 흡착량이 높았으며, 실시예 3의 경우, 특히 더 높았다. 이는, 부식산 용액과 활성탄의 첨착 단계를 3 시간 동안 수행하여, 부식산의 첨착률이 높기 때문에, 다른 경우와 비교하여 안정한 화학적 흡착이 비교적 많이 일어나기 때문일 수 있다.

Claims (11)

  1. 부식산이 첨착된 활성탄에 있어서,
    상기 부식산은 상기 활성탄의 단위 면적(m2) 당 0.0111 g 내지 0.1508 g 첨착 되어 있으며,
    하기 일반식 1로 표시되는 수은 흡착 효율(%)이 80% 이상인 수은 흡착용 활성탄:
    [일반식 1]
    qe/qt × 100
    qt는 하기 계산식 1로 표현되는 활성탄의 이론 수은 흡착량(mg/g)이고, qe는 하기 계산식 2로 표현되는 활성탄의 평형 수은 흡착량(mg/g)이다:
    [계산식 1]
    qt = Co × V/m
    [계산식 2]
    qe = (Co-Ce) × V/m
    상기 계산식 1 또는 2에서, Co는 수은 용액의 초기 수은 농도(mg/L)이고, Ce는 수은 용액의 평형 수은 농도(mg/L)이며, V는 수은 용액의 부피(L)이고, m은 활성탄의 사용량(g)이다.
  2. 제 1항에 있어서,
    계산식 2에 의한 평형 수은 흡착량(mg/g)이 10 mg/g 이상인 수은 흡착용 활성탄.
  3. 제 1항에 있어서,
    비표면적이 900 내지 1,000 m2/g의 범위 내에 있는 수은 흡착용 활성탄.
  4. 제 1 항의 수은 흡착용 활성탄을 포함하는 수은 흡착 충전제.
  5. 부식산 및 알칼리 용액을 혼합하여 제조된 부식산 용액과 활성탄을 혼합하여, 상기 활성탄을 첨착시키는 단계를 포함하는 제 1 항의 수은 흡착용 활성탄의 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    부식산은 0.1 내지 2 g/l의 범위 내로 부식산 용액에 첨가되는 수은 흡착용 활성탄의 제조방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    활성탄을 전처리하는 단계를 추가로 포함하는 수은 흡착용 활성탄의 제조방법.
  8. 제 5항에 있어서,
    첨착시키는 단계는 40 분 내지 400 분 동안 수행되는 수은 흡착용 활성탄의 제조방법.
  9. 제 5항에 있어서,
    첨착시키는 단계는 40 분 내지 100 분 동안 수행되는 수은 흡착용 활성탄의 제조방법.
  10. 제 5항에 있어서,
    400℃ 내지 700℃의 온도 범위 내에서 가열하는 단계를 추가로 포함하는 수은 흡착용 활성탄의 제조방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    가열하는 단계는 질소 분위기 하에서, 30 분 내지 200 분 동안 수행되는 수은 흡착용 활성탄의 제조방법.
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