[논문]바인더 입자크기에 따른 정수용 활성탄 블록의 흡착 특성

강광철; 주진희

doi:10.14478/ace.2013.1096

초록
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본 연구에서는 정수기용 필터로 사용되는 활성탄 블록을 압출 방법으로 제조할 경우 활성탄 블록의 비표면적에 영향을 미치는 고분자 바인더의 특성에 관하여 고찰하였다. 고분자 바인더로 사용되는 Polyethylene의 입자 크기를 변화하여 그에 따른 활성탄 블록의 비표면적의 변화 및 수용액상에서 염소 이온의 흡착 특성을 연구하였다. FE-SEM을 이용하여 PE의 입자 크기 및 입자의 모양을 분석하였으며, 질소 흡 탈착을 이용하여 활성탄 및 활성탄 블록의 비표면적을 측정하였다. 비표면적 측정결과 원료 활성탄은 $1186(m^2/g)$, PE 바인더의 입자크기가 $200{\mu}m$일 때 $444(m^2/g)$, $20{\mu}m$일때 $940(m^2/g)$로 측정되었으며, 필터 성능을 확인하기 위하여 염소 흡착 실험을 실시하여 정수 성능을 평가하였다.

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This paper describes activated carbon block filters prepared by extrusion for water purifier. The specific surface area of the activated carbon blocks affecting the properties of a polymer binder were investigated. Polyethylene (PE) particles were used as a binder polymer and the effect of particle ...

This paper describes activated carbon block filters prepared by extrusion for water purifier. The specific surface area of the activated carbon blocks affecting the properties of a polymer binder were investigated. Polyethylene (PE) particles were used as a binder polymer and the effect of particle sizes on changes in the specific surface area of activated carbon blocks in addition to the adsorption properties of chloride anion in the aqueous solution were investigated. The sizes and shapes of PE particles were measured using SEM. The specific surface area of activated carbon was $1186m^2/g$. The specific surface area of PE binder was $444m^2/g$ and $940m^2/g$ with the particle sizes of $200{\mu}m$ and $20{\mu}m$, respectively. In order to verify the performance of the filter, chlorine adsorption experiments were conducted.

주제어

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문제 정의

이에 정수기 필터회사에서는 검은색의 이물질 발생이 심하지 않은 활성탄 블록(carbon block)을 사용하여 정수기 필터를 개발하고 있으며, 압출과 압축에 의한 두 가지 방법으로 활성탄블록을 제조하고 있다. 이에 본 연구에서는 압출방법에 의해 제조되는 활성탄 블록에서, 활성탄의 흡착기능을 최대한 유지할 수 있도록 활성탄 블록을 제조할 때 활성탄 블록의 지지대로 사용되고 있는 고분자 바인더(polymer binder)의 입자크기가 활성탄블록의 염소 흡착에 어떠한 영향을 미치는지에 대하여 연구하였다.

제안 방법

Figure 3과 Table 1은 활성탄과 압출방법으로 제조된 활성탄 블록의 BET 비표면적과 기공부피, 미세기공면적, 그리고 평균 기공 직경 등을 비표면적 측정장치를 이용하여 77 K에서 탈기시켜 상대압력 (p/p0)에 따른 질소의 흡착⋅탈착 과정을 거쳐 측정하였다.
정수기 필터로 사용되는 활성탄 블록을 고분자 바인더의 입자 크기에 따라 제조하였다. 고분자 바인더의 입자 크기를 각각 확인하였으며 입자 크기가 염소 흡착에 미치는 영향을 확인하였다. 바인더의 입자 크기가 20 µm로 제조한 활성탄 블록의 경우 활성탄 블록의 염소 흡착 성능은 원재료인 활성탄과 거의 유사한 결과 값인 통수량 10000 L까지 98%의 염소 제거율을 나타내었다.
수돗물 잔류 염소 정량분석방법에 의한 염소 흡착실험으로 10000 L 용기에 액체상의 염소를 2.0 mg/L (ppm)이 되도록 넣은 후, 분당 2 L 의 속도로 시간에 따른 염소이온의 농도 변화를 통수량 10000 L가 될때까지 2 h 간격으로 시료를 채취하여 이온 크로마토 그래피(ICS-1000 Dionex, USA) 분석을 통해 염소이온의 농도를 측정하였다. 처음농도 대비 감소된 염소농도를 반복 측정하여 평균 흡착량을 계산하였다[4].
원재료인 고분자 바인더의 입자크기와 표면 형태는 scanning electron microscope (SEM) (Carl Zeiss LEO-1530, Germany)을 이용하여 Pt 코팅후 20 kV에서 측정하였으며, 활성탄 및 활성탄 블록을 475 K에서 잔류 압력을 10-3 torr 이하로 유지한 상태로 약 12 h 동안 탈기시킨 후, ASAP 2020 (Micromeritics Instrument Co., GA, USA)을 이용하여 77 K에서 상대압력에 따른 질소기체의 흡착⋅탈착량을 측정하였다.
0 mg/L (ppm)이 되도록 넣은 후, 분당 2 L 의 속도로 시간에 따른 염소이온의 농도 변화를 통수량 10000 L가 될때까지 2 h 간격으로 시료를 채취하여 이온 크로마토 그래피(ICS-1000 Dionex, USA) 분석을 통해 염소이온의 농도를 측정하였다. 처음농도 대비 감소된 염소농도를 반복 측정하여 평균 흡착량을 계산하였다[4].

대상 데이터

본 실험에 사용한 시약은 Junsei Chemical Co. (Japan)에서 구입하였으며, 모두 시약급 제품으로 추가적인 정제 없이 사용하였으며, 원재료인 활성탄과 고분자 바인더는 시판되는 상용 제품을, 활성탄은 100 µm 크기의 미세분말 형태의 제품을 사용하여 실험하였다.
정수기 필터로 사용되는 활성탄 블록을 고분자 바인더의 입자 크기에 따라 제조하였다. 고분자 바인더의 입자 크기를 각각 확인하였으며 입자 크기가 염소 흡착에 미치는 영향을 확인하였다.
활성탄 100 g에 고분자 바인더 20 g의 비율로 혼합하여 압출기를 이용하여 활성탄 블록을 제조하였다.
, GA, USA)을 이용하여 77 K에서 상대압력에 따른 질소기체의 흡착⋅탈착량을 측정하였다. 흡착등온선은 비표면적, 평균 기공 직경 등을 계산하기 위한 자료로 사용하였다.

성능/효과

그러나 입상활성탄을 사용함에 따라 정수된 물에서 검은 이물질이 발생하여 정수기의 미관 및 유지관리에 어려움이 대두 되고 있는 실정이다. 검은 이물질의 누출 현상은 입상활성탄을 사용하여 정수기를 제조할 경우 5 min 간의 플러싱 후에도 이물질이 발생하는데 비하여 활성탄 블록을 사용할 경우 2 min간의 플러싱 후 육안으로 관찰한 결과 이물질의 발생이 없는 것으로 확인되었다. 이에 정수기 필터회사에서는 검은색의 이물질 발생이 심하지 않은 활성탄 블록(carbon block)을 사용하여 정수기 필터를 개발하고 있으며, 압출과 압축에 의한 두 가지 방법으로 활성탄블록을 제조하고 있다.
그러나 200 µm의 고분자 바인더로 활성탄 블록을 제조할 경우 통수량이 8000 L가 될 경우 염소 제거 성능 한계 값인 90% 제거율을 나타내며, 이는 크기가 큰 바인더일 경우 비표면적이나 미세기공 부피 값의 경우에서처럼 기공이 막힘에 따라 흡착 성능이 감소됨을 알 수 있는 결과이다.
그러나 고분자 바인더의 입자 크기가 200 µm로 제조한 활성탄 블록의 실험 결과 활성탄의 기공 막힌 현상이나 기공 속으로의 고분자 바인더 물질의 침투현상으로 인하여 염소 제거율은 통수량 8000 L에서 90% 이하로 나타났다.
먼저 비표면적을 살펴보면 20 µm의 고분자 바인더로 제조한 활성탄 블록은 원재료인 활성탄에 비해 약 30% 감소함을 알 수 있었으며, 200 µm의 고분자 바인더로 제조한 활성탄 블록은 약 60% 감소함을 알 수 있었다.

후속연구

이는 활성탄 블록이 원료인 활성탄과 같은 염소 흡착제거 성능을 유지하기 위해서는 활성탄 블록에 첨가해주는 고분자 바인더의 크기가 미세할수록 염소 제거 성능이 오래 유지되어 실사용자인 소비자들이 필터의 교환주기를 늘릴 수 있는 결과이다. 이에 보다 깊이 있고 정확한 자료를 확보하기 위하여 다양한 바인더 크기에 따른 염소 흡착 성능의 평가가 향후에 추가로 연구되어진다면 경제성과 성능 향상이 이루어질 것으로 판단되며, 이는 활성탄 블록을 제조하는 산업체에서 활성탄 블록 필터를 제조할 때 참고로 할 수 있는 결과로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	물은 인체에 어떤 영향을 주는 성분인가?	물은 사람과 더불어 모든 생물이 생명현상을 유지하기 위하여 필요한 것이므로 충분한 양의 안전한 물을 섭취함으로써 체내에서 항상성 유지와 노폐물 배설 등 중요한 역할을 하는 기본적인 성분이다. 또한 음식물조리 및 목욕, 세탁 등 문명생활을 유지하기 위해 필수적인 요소이며, 수돗물의 소비량은 그 사회의 문화생활 정도를 가늠할 수 있는 척도가 된다[1-3].
	입상활성탄을 필터로 사용 시 검은 이물질이 발생하여 정수기 필터회사에서 개발하는 제품은?	검은 이물질의 누출 현상은 입상활성탄을 사용하여 정수기를 제조할 경우 5 min 간의 플러싱 후에도 이물질이 발생하는데 비하여 활성탄 블록을 사용할 경우 2 min간의 플러싱 후 육안으로 관찰한 결과 이물질의 발생이 없는 것으로 확인되었다. 이에 정수기 필터회사에서는 검은색의 이물질 발생이 심하지 않은 활성탄 블록(carbon block)을 사용하여 정수기 필터를 개발하고 있으며, 압출과 압축에 의한 두 가지 방법으로 활성탄블록을 제조하고 있다. 이에 본 연구에서는 압출방법에 의해 제조되는 활성탄 블록에서, 활성탄의 흡착기능을 최대한 유지할 수 있도록 활성탄 블록을 제조할 때 활성탄 블록의 지지대로 사용되고 있는 고분자 바인더(polymer binder)의 입자크기가 활성탄블록의 염소 흡착에 어떠한 영향을 미치는지에 대하여 연구하였다.
	수돗물에 대한 불신을 증가시킨 계기가 된 사건은?	7%인 약 5000만 명이 상수도를 공급받고 있으며, 경제발전으로 생활수준이 향상되어 국민들의 물에 대한 수요와 수돗물 수질에 대한 관심은 점점 증가하고 있다[4,5]. 그러나 91년에 일어난 낙동강 페놀사건, 대구 지역 수돗물에서의 1,4-다이옥신 검출, 냄새 발생 등의 사건으로 국민들의 수돗물에 대한 불신이 점점 증가하고 있는 실정이다[5,6].

참고문헌 (17)

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