본 연구에서는 페놀계 활성탄소를 다양한 불소 분압(0.01~0.03 MPa)으로 불소화를 실시하였으며, 불소화된 활성탄소의 6가 크롬 흡착 특성을 조사하였다. BET와 XPS 결과로부터, 불소화 처리된 활성탄소는 비표면적 및 총 기공부피가 각각 24.7, 58.8% 증가되었으며, 활성탄소 표면에 불소 관능기가 도입됨을 알 수 있었다. 불소 분압이 0.02 MPa일 때, 크롬이온 흡착에 최적화된 표면처리 조건임을 확인하였다. 또한, 초기농도 300 mg/L에서 98%의 제거효율을 나타내었으며, 이러한 결과는 미처리 활성탄소와 비교하여 약 3배 증가됨을 알 수 있었다. 한편, 불소화된 활성탄소의 크롬이온 흡착은 미처리 활성탄소와 대조적으로 30 min 이내에 완료되었으며, 이러한 현상은 페놀계 활성탄소의 표면에서 크롬 이온과의 친화성 증가에 의한 것으로 판단되었다.
본 연구에서는 페놀계 활성탄소를 다양한 불소 분압(0.01~0.03 MPa)으로 불소화를 실시하였으며, 불소화된 활성탄소의 6가 크롬 흡착 특성을 조사하였다. BET와 XPS 결과로부터, 불소화 처리된 활성탄소는 비표면적 및 총 기공부피가 각각 24.7, 58.8% 증가되었으며, 활성탄소 표면에 불소 관능기가 도입됨을 알 수 있었다. 불소 분압이 0.02 MPa일 때, 크롬이온 흡착에 최적화된 표면처리 조건임을 확인하였다. 또한, 초기농도 300 mg/L에서 98%의 제거효율을 나타내었으며, 이러한 결과는 미처리 활성탄소와 비교하여 약 3배 증가됨을 알 수 있었다. 한편, 불소화된 활성탄소의 크롬이온 흡착은 미처리 활성탄소와 대조적으로 30 min 이내에 완료되었으며, 이러한 현상은 페놀계 활성탄소의 표면에서 크롬 이온과의 친화성 증가에 의한 것으로 판단되었다.
In this study, phenol-based activated carbons (ACs) were fluorinated at various fluorine partial pressures (0.01~0.03 MPa) and the $Cr^{6+}$ ion adsorption of fluorinated ACs was investigated. According to BET and XPS results, the specific surface area and total pore volume of fluorinated...
In this study, phenol-based activated carbons (ACs) were fluorinated at various fluorine partial pressures (0.01~0.03 MPa) and the $Cr^{6+}$ ion adsorption of fluorinated ACs was investigated. According to BET and XPS results, the specific surface area and total pore volume of fluorinated ACs increased by 24.7 and 55.8%, respectively, and fluorine functional groups were introduced to AC surface. The most optimized condition of $Cr^{6+}$ ion adsorption was confirmed at the fluorine partial pressure of 0.02 MPa. And also the removal efficiency of $Cr^{6+}$ ion was up to 98% at 300 mg/L of the initial concentration, and these results showed an approximately three-fold increase compared to that of using untreated ACs. Furthermore, the $Cr^{6+}$ ion adsorption of fluorinated ACs was completed in less than 30 min in contrast with untreated ACs, which was expected to be an increase of the affinity between $Cr^{6+}$ ions and ACs surfaces by fluorination.
In this study, phenol-based activated carbons (ACs) were fluorinated at various fluorine partial pressures (0.01~0.03 MPa) and the $Cr^{6+}$ ion adsorption of fluorinated ACs was investigated. According to BET and XPS results, the specific surface area and total pore volume of fluorinated ACs increased by 24.7 and 55.8%, respectively, and fluorine functional groups were introduced to AC surface. The most optimized condition of $Cr^{6+}$ ion adsorption was confirmed at the fluorine partial pressure of 0.02 MPa. And also the removal efficiency of $Cr^{6+}$ ion was up to 98% at 300 mg/L of the initial concentration, and these results showed an approximately three-fold increase compared to that of using untreated ACs. Furthermore, the $Cr^{6+}$ ion adsorption of fluorinated ACs was completed in less than 30 min in contrast with untreated ACs, which was expected to be an increase of the affinity between $Cr^{6+}$ ions and ACs surfaces by fluorination.
6가 크롬이 함유된 인공폐수는 중크롬산칼륨(Samchun Pure Chemical Co., Ltd, Korea)을 사용하여 1000 mg/L의 표준용액으로 제조하여 필요한 농도로 희석하여 실험하였다. 크롬 용액의 초기 농도를 100~1000 mg/L의 다양한 농도로 실험하였다.
또한 불소화 활성탄소의 기공 특성 변화를 조사하기 위하여 ASAP 2020 (Micromeritics Ins. Corp., US)을 이용하여 77 K에서 질소기체의 흡⋅탈착을 통하여 분석을 실시하였다.
, Japan)를 사용하여 여과하였다. 또한 흡착에 따른 크롬의 농도 변화를 측정하기 위하여 각 실험조건에서 흡착 반응 후 여과된 용액을 자외선-가시광선 분광기(UV-Vis spectrophotometer, Optizen 2120UV, Mecasys Co., Ltd, Korea)로 365 nm 파장에서 분석하였다.
미처리 및 불소화 처리된 활성탄소의 표면 화학 특성 변화를 조사 하기 위하여 X선 광전자 분광기(XPS, MultiLab 2000, Thermo Electron Corp., England)를 이용하여 실시하였다. 또한 불소화 활성탄소의 기공 특성 변화를 조사하기 위하여 ASAP 2020 (Micromeritics Ins.
활성탄소의 표면불소화 반응은 니켈보트에 1 g의 활성탄소를 넣고 뚜껑을 닫아 외부와의 접촉을 차단시킨 상태에서 회분식 반응기를 사용하여 수행하였다. 반응기 내부의 공기를 질소가스로 배기하였고, 남아있는 수분을 제거하기 위해 423 K에서 1 h 동안 진공펌프를 이용한 감압 건조로 전처리를 실시하였다. 총 반응압력 0.
불소화 표면처리 된 활성탄소는 모든 크롬 이온 농도(100, 300, 500, 1000 mg/L)에서 미처리 활성탄소와 비교하여 매우 높은 크롬이온의 제거효율을 나타내었다. 불소화 분압에 따른 크롬이온의 제거 효율은 모든 크롬이온 농도에서 F2-AC, F3-AC, F1-AC 순으로 조사되었다. 또한 크롬이온의 농도가 높아질수록 모든 샘플에서 크롬이온 제거효율은 감소함을 나타내었다.
불소화에 따른 활성탄소 표면의 탄소의 결합 구조와 그 함량을 확인하기 위하여 C1s 피크를 각각의 결합구조를 의미하는 세부 피크로 분할하였다. 피크의 분할은 pseudo-Voigt식 (1)에 의해 구해졌으며 F(E)는 에너지 E에서의 intensity, H는 피크의 높이, E0는 피크의 중심값, FWHM은 피크의 반폭값, S는 symmetry와 Gaussian-Lorentzian의 혼합 비율과 관련된 shape function을 의미한다[29].
반응이 끝난 후 반응기 내부를 질소가스로 3회 배기하였다. 제조된 샘플명은 불소화 하지 않은 활성탄소를 P-AC, 불소화 처리된 활성탄소는 불소화 분압에 따라 각각 F1-AC, F2-AC, F3-AC로 명명하였다.
반응기 내부의 공기를 질소가스로 배기하였고, 남아있는 수분을 제거하기 위해 423 K에서 1 h 동안 진공펌프를 이용한 감압 건조로 전처리를 실시하였다. 총 반응압력 0.1 MPa에서 불소가스와 질소가스의 압력비가 각각 1 : 9, 2 : 8, 3 : 7이 되도록 주입하였고, 10 min 동안 상온에서 반응시켰다. 반응이 끝난 후 반응기 내부를 질소가스로 3회 배기하였다.
, Ltd, Korea)을 사용하여 1000 mg/L의 표준용액으로 제조하여 필요한 농도로 희석하여 실험하였다. 크롬 용액의 초기 농도를 100~1000 mg/L의 다양한 농도로 실험하였다. 모든 흡착실험은 상온에서 수행하였으며, 250 mL 삼각플라스크에 크롬 용액을 100 mL 씩 넣고, 흡착재를 각각 0.
, Japan)를 사용하였다. 활성탄소의 표면불소화 반응은 니켈보트에 1 g의 활성탄소를 넣고 뚜껑을 닫아 외부와의 접촉을 차단시킨 상태에서 회분식 반응기를 사용하여 수행하였다. 반응기 내부의 공기를 질소가스로 배기하였고, 남아있는 수분을 제거하기 위해 423 K에서 1 h 동안 진공펌프를 이용한 감압 건조로 전처리를 실시하였다.
대상 데이터
크롬이온 제거용 흡착재로 페놀계 활성탄소(MSP-20, Kansai Coke and Chemicals Company Ltd., Japan)를 사용하였다. 활성탄소의 표면불소화 반응은 니켈보트에 1 g의 활성탄소를 넣고 뚜껑을 닫아 외부와의 접촉을 차단시킨 상태에서 회분식 반응기를 사용하여 수행하였다.
이론/모형
, US)을 이용하여 77 K에서 질소기체의 흡⋅탈착을 통하여 분석을 실시하였다. 모든 샘플은 423 K에서 6 h 동안 전처리를 실시하였고 비표면적과 기공분포도는 각각 Brunauer-Emmett-Teller (BET), density-functional theory (DFT) 방법을 이용하여 계산하였다[26].
불소화된 활성탄소의 기공 특성 변화를 77 K 질소 흡착분석법으로 조사하였고 이를 통하여 얻어진 흡착등온선과 기공분포도를 Figures 3과 4에 나타내었다. 모든 샘플의 흡착등온선은 IUPAC 분류에 따라 Type Ⅰ의 형태로 관찰되었다[33].
성능/효과
또한 300 mg/L에서도 P-AC의 크롬이온 제거효율은 25%를 나타내었으나, F2-AC, F3-AC, F1-AC는 각각 98, 96, 95%의 높은 제거효율을 나타냈다. 500 mg/L 농도에서는 F2-AC, F3-AC, F1-AC의 제거효율이 각각 88, 84, 81%로 나타남으로써, P-AC와 비교하여 크롬이온 제거효율이 약 3배 향상되었다. 크롬이온의 초기 농도가 높아질수록 불소의 분압에 따른 활성탄소의 흡착효율이 뚜렷한 차이를 보였으며, 가장 높은 크롬 이온 농도인 1000 mg/L에서는 F2-AC, F3-AC, F1-AC의 제거 효율이 각각 73, 65, 56%임을 알 수 있었다.
불소화 표면 처리된 활성탄소의 비표면적 및 총 기공부피는 미처리 활성탄소와 비교하여 전반적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. F2-AC의 비표면적 및 총 기공부피는 각각 2338 m2/g와 1.27 cc/g로 본 실험에서 가장 높은 값을 나타내었으며, 다른 샘플들과 비교하여 메조기공 부피가 약간 증가하였다. 이전 연구에 의하면, 탄소 재료의 종류에 따라 다르지만 일반적으로 다공성 탄소재료에 불소화를 하면 비표면적은 감소시키고 기공부피는 증가한다고 알려져 있다[34].
모든 농도에서 크롬이온 제거효율이 가장 높았던 F2-AC와 미처리 AC(P-AC)를 크롬이온 농도에 따른 제거효율을 비교하여 Figure 6에 나타내었다. P-AC의 경우 반응시간이 경과할수록 점차 제거효율이 증가하였지만, F2-AC는 초기 10~20 min 이내에 흡착반응이 완료됨을 확인하였고, 이러한 실험 결과로부터 활성탄소의 불소화는 크롬이온 흡착에 매우 빠른 반응성을 보임을 알 수 있었다.
이전 연구에 의하면, 탄소 재료의 종류에 따라 다르지만 일반적으로 다공성 탄소재료에 불소화를 하면 비표면적은 감소시키고 기공부피는 증가한다고 알려져 있다[34]. 그러나 본 연구에서는 페놀계 AC의 불소화 처리 시 비표면적과기공부피가 모두 P-AC보다 증가하는 것으로 나타났다. 일반적으로 탄소재료의 불소화 반응은 탄소재료의 결정구조의 배열에 의하여 다른 양상을 보인다.
02 MPa인 것으로 생각된다. 그러므로 비표면적과 메조기공이 가장 우수한 F2-AC가 크롬 흡착에서 가장 최적의 효과를 나타낼 것으로 예상된다.
초기 농도가 낮을 경우(100 mg/L), P-AC는 크롬이온 제거효율이 58%인 반면 F1-AC, F2-AC, F3-AC는 반응시간 10 min 경과 후에 모두 99% 이상의 매우 높은 크롬이온 제거효율을 나타내었다. 또한 300 mg/L에서도 P-AC의 크롬이온 제거효율은 25%를 나타내었으나, F2-AC, F3-AC, F1-AC는 각각 98, 96, 95%의 높은 제거효율을 나타냈다. 500 mg/L 농도에서는 F2-AC, F3-AC, F1-AC의 제거효율이 각각 88, 84, 81%로 나타남으로써, P-AC와 비교하여 크롬이온 제거효율이 약 3배 향상되었다.
불소화 분압에 따른 크롬이온의 제거 효율은 모든 크롬이온 농도에서 F2-AC, F3-AC, F1-AC 순으로 조사되었다. 또한 크롬이온의 농도가 높아질수록 모든 샘플에서 크롬이온 제거효율은 감소함을 나타내었다. 초기 농도가 낮을 경우(100 mg/L), P-AC는 크롬이온 제거효율이 58%인 반면 F1-AC, F2-AC, F3-AC는 반응시간 10 min 경과 후에 모두 99% 이상의 매우 높은 크롬이온 제거효율을 나타내었다.
불소화된 활성탄소는 크롬이온 제거효율 결과와 마찬가지로 모든 크롬이온 농도에서 미처리 활성탄소보다 월등한 크롬이온 흡착량을 보였다. 또한 크롬이온의 농도가 높아질수록 제거 효율은 감소했지만 크롬이온 흡착량은 증가함을 알 수 있었다. 그리고 불소화된 활성탄소, 특히 F2-AC의 경우는 초기농도가 높아짐에 따라서 크롬이온의 흡착량이 점진적으로 증가하는 것을 볼 수 있다.
5 eV 부근에서 Cls 피크, 532 eV 부근에서 O1s 피크가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 반면 불소화 처리된 활성탄소의 경우에는 692 eV 부근에서 F1s 피크가 새롭게 나타났으며, 불소 분압이 증가할수록 불소 피크가 증가하는 것을 관찰할 수 있었다. 반면 활성탄소 표면의 탄소함량을 나타내는 C1s 피크는 감소하였으며, 이것은 C-F결합의 형성으로 탄소가 주로 불소로 치환되었기 때문으로 여겨진다.
이러한 이유로 인하여 불소화 반응에 의한 물리적 특성의 변화는 탄소재료의 전구체, 제조 조건, 결정면 배열 및 불소화 반응 조건에 따라 다른 양상을 보일 수 있다. 본 실험의 경우에는 불소에 의한 이 두 가지 식각 반응이 모두 일어나기 때문에 불소화 반응으로 인하여 활성탄소의 비표면적, 총 기공부피, 미세기공, 메조기공이 모두 증가하는 현상이 나타나는 것으로 여겨진다. 그러므로 불소화 반응 조건이 최적화인 경우, 비표면적, 미세기공, 메조기공 부피의 최적화가 동시에 달성될 수 있으며, 이 최적의 조건은 불소 분압이 0.
1%로 각각 나타났다. 불소 분압이 증가함에 따라 더 많은 불소 관능기가 도입되었고 그에 따라 탄소의 비율이 줄어들어 O/C와 F/C 비율이 증가하는 것을 알 수 있었다.
총 크롬이온의 흡착량은 불소화 표면처리에 의한 활성탄소의 비표면적 및 기공 부피의 증가에 따라 증가하였으므로, 이러한 물리적 특성 변화가 크롬이온 흡착량 증가에 영향을 미치는 인자라고 할 수 있다. 불소화 분압 조건중 F2-AC의 조건에서 비표면적이 가장 많이 증가되었으며, 미세기공, 메조기공이 다른 불소화 조건보다 더욱 증가하여 결과적으로 총 기공 부피가 늘어남으로써 크롬이온이 기공 내로 많이 흡착될 수 있는 것으로 판단된다. 그러나, 중금속 흡착에 영향을 미치는 요인에는 흡착 재의 비표면적과 기공부피와 같은 구조적 특성뿐만 아니라 흡착재 표면에 형성되어 있는 표면 관능기와 흡착재의 표면화학적 특성도 포함된다[16].
Table 3에 미처리 및 불소화 처리된 활성탄소의 기공 특성을 나타내었다. 불소화 표면 처리된 활성탄소의 비표면적 및 총 기공부피는 미처리 활성탄소와 비교하여 전반적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. F2-AC의 비표면적 및 총 기공부피는 각각 2338 m2/g와 1.
활성탄소의 불소 분압별 표면처리가 크롬이온 흡착에 미치는 영향을 고찰하였고 이를 Figure 5에 나타내었다. 불소화 표면처리 된 활성탄소는 모든 크롬 이온 농도(100, 300, 500, 1000 mg/L)에서 미처리 활성탄소와 비교하여 매우 높은 크롬이온의 제거효율을 나타내었다. 불소화 분압에 따른 크롬이온의 제거 효율은 모든 크롬이온 농도에서 F2-AC, F3-AC, F1-AC 순으로 조사되었다.
9 mg/g 순으로 나타났다. 불소화된 활성탄소는 크롬이온 제거효율 결과와 마찬가지로 모든 크롬이온 농도에서 미처리 활성탄소보다 월등한 크롬이온 흡착량을 보였다. 또한 크롬이온의 농도가 높아질수록 제거 효율은 감소했지만 크롬이온 흡착량은 증가함을 알 수 있었다.
위 실험결과들을 토대로 불소화 처리된 활성탄소는 저농도에서 뿐만 아니라 고농도에서까지 높은 크롬이온의 제거효율을 나타내었다. 이러한 현상은 불소화 표면처리의 영향으로 활성탄소의 표면에 식각이 일어나 비표면적이 증가하였고, 특히 흡착에 영향을 미치는 것으로 알려져 있는 미세기공과 메조기공[19]의 증가로 인해 크롬이온 흡착 사이트가 많아졌기 때문인 것으로 판단된다.
불소화된 활성탄소는 미처리 활성탄소와 비교하여 흡착반응이 30 min 이내에 빠르게 완료되었으며, 이는 불소화에 의한 식각 효과로 인한 비표면적의 증가와, 흡착재 표면에 형성되어 있는 불소 관능기에 의한 표면거칠기 효과 등의 상승효과인 것으로 사료된다. 이를 통해 불소화된 활성탄소 표면과 크롬 양이온 사이의 친화성이 증가하였음을 알 수 있었다. 이러한 결과를 통하여 활성탄소의 불소화는 크롬 이온을 효과적으로 제거할 수 있는 유용한 표면처리법으로 사용될 수 있다고 여겨진다.
500 mg/L 농도에서는 F2-AC, F3-AC, F1-AC의 제거효율이 각각 88, 84, 81%로 나타남으로써, P-AC와 비교하여 크롬이온 제거효율이 약 3배 향상되었다. 크롬이온의 초기 농도가 높아질수록 불소의 분압에 따른 활성탄소의 흡착효율이 뚜렷한 차이를 보였으며, 가장 높은 크롬 이온 농도인 1000 mg/L에서는 F2-AC, F3-AC, F1-AC의 제거 효율이 각각 73, 65, 56%임을 알 수 있었다. 모든 농도에서 크롬이온 제거효율이 가장 높았던 F2-AC와 미처리 AC(P-AC)를 크롬이온 농도에 따른 제거효율을 비교하여 Figure 6에 나타내었다.
740, 970-1000 eV는 OKLL과 oxygen Auger 피크를 나타낸다[27,28]. 표면화학 조성을 보면 불소화 처리된 F2-AC, F3-AC의 탄소, 산소, 불소의 농도는 각각 91.9, 7.4, 0.8, 91.2, 7.7, 1.1%로 각각 나타났다. 불소 분압이 증가함에 따라 더 많은 불소 관능기가 도입되었고 그에 따라 탄소의 비율이 줄어들어 O/C와 F/C 비율이 증가하는 것을 알 수 있었다.
27 cc/g의 가장 큰 비표면적과 총 기공부피를 얻을 수 있었다. 활성탄소의 불소화에 따른 크롬이온 흡착능력 평가 결과, 모든 크롬이온 농도에서 미처리 활성탄소와 비교하여 제거효율과 흡착량이 모두 증가하였다. 활성탄소의 크롬이온 흡착능력은 실험한 모든 농도에서 F2-AC > F3-AC > F1-AC > P-AC 순이었으며, 불소화된 모든 활성탄소의 크롬 이온 제거효율은 100 mg/L에서 모두 99% 이상으로 나타났다.
활성탄소의 크롬이온 흡착능력은 실험한 모든 농도에서 F2-AC > F3-AC > F1-AC > P-AC 순이었으며, 불소화된 모든 활성탄소의 크롬 이온 제거효율은 100 mg/L에서 모두 99% 이상으로 나타났다.
후속연구
이를 통해 불소화된 활성탄소 표면과 크롬 양이온 사이의 친화성이 증가하였음을 알 수 있었다. 이러한 결과를 통하여 활성탄소의 불소화는 크롬 이온을 효과적으로 제거할 수 있는 유용한 표면처리법으로 사용될 수 있다고 여겨진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
불소화 반응의 장점은 무엇인가?
최근 들어 표면처리법 중에서, 기공 부피조절이 가능한 불소화(direct fluorination) 방법이 많은 분야에서 이용되고 있다[20-22]. 이러한 불소화는 반응 장치가 비교적 간단하며 대부분의 원소 및 재료와 반응하고 재료의 형태를 가리지 않고 표면처리가 가능하며 표면 반응 개시제나 촉매가 필요 없으며 상온에서도 빠른 시간에 반응한다는 장점이 있다[23]. 또한 불소화는 재료 표면에 불소 관능기를 도입할 수 있는 독특한 반응으로 불소 원소의 높은 전기음성도 때문에 재료 표면에 극성을 부여할 수 있다고 알려져 있다[24]. 불소화 표면처리로 인한 활성탄소의 극성 변화는 피흡착 물질과의 인력을 증가시켜 크롬이온 흡착에 영향을 줄 것으로 여겨진다[25].
불소 분압별 표면처리는 크롬이온 흡착에 어떠한 영향을 미치는가?
활성탄소의 불소 분압별 표면처리가 크롬이온 흡착에 미치는 영향을 고찰하였고 이를 Figure 5에 나타내었다. 불소화 표면처리 된 활성탄소는 모든 크롬 이온 농도(100, 300, 500, 1000 mg/L)에서 미처리 활성탄소와 비교하여 매우 높은 크롬이온의 제거효율을 나타내었다. 불소화 분압에 따른 크롬이온의 제거 효율은 모든 크롬이온 농도에서 F2-AC, F3-AC, F1-AC 순으로 조사되었다.
산 처리법은 어떠한 단점을 가지는가?
활성탄소는 단순히 물리적인 흡착만 작용하므로 흡착능력에 한계가 있으며[16], 활용범위 및 흡착특성을 보다 향상시키기 위하여 화학 흡착이 가능하도록 금속촉매와 같은 특수한 물질을 첨착하거나[17], 산이나 염기로 표면을 개질하는 연구가 활발히 이루어지고 있다[16,18]. 그러나 산 처리법은 BET 비표면적과 기공 부피를 감소시킬 수 있으며, 염기 처리의 경우 금속이온의 흡착을 감소시킬 수 있는 단점이 보고된 바 있다[19]. 최근 들어 표면처리법 중에서, 기공 부피조절이 가능한 불소화(direct fluorination) 방법이 많은 분야에서 이용되고 있다[20-22].
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