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     활성탄소의 세공과흡착
 
 
ㆍ활성탄소의 세공(Pore)
 

활성탄소의 결정구조를 살펴보면 망평면(網平面)이 평행한 등간격(等間隔)으로 되어 있어 흑연 결정과 구조상 유사하나 그 층이 불규칙적으로 쌓여 있는 불완전한 상태인 난층구조(Turbostratic structure) 또는 무정형 구조라고 한다.

이러한 난층 형태의 결정구조는 나노미터 단위의 무수한 세공을 만들게 되며, 세공의 크기에 따라 대세공(Macro Pore), 중간세공(Transitional Pore), 미세세공(Micro Pore)의 3단계로 나뉘는데, 이러한 무수한 세공들로 인하여 활성탄소는 500∼2,000㎡/g 범위의 높은 내부표면적과 세공용적을 갖게 되며, 활성탄소에서의 흡착은 피흡착질이 이러한 세공을 통해 활성탄소에 충진 흡착됨을 의미한다.

 
구분 세공 크기(Å) 세공용적(mL/g) 비표면적(m2/g)
Macro Pore
(대세공)
500Å 이상 0.1~1.0 ~200
Transitional Pore
(중간 세공)
20 ~ 500Å 0.3~1.0 20~500
Micro Pore
(미세공)
20Å이하 0.2~0.7 500~2000
 

※ 위의 분류는 IUPAC(International Union Of Pure And Applied Chemistry)의 기준을 따른 분류이다.

 
 
ㆍ활성탄소의 흡착(Adsorption) 기작
 

위에서 활성탄소의 세공을 3단계로 구분하였으나, 흡착과정만 놓고 보면 활성탄소에서의 흡착은 세공의 크기와 흡착질의 분자 크기와의 관계라고 할 수 있으며, 일반적으로 흡착질이 흡착되는 과정은 다음과 같다.

 
- 1단계 : 흡착질이 흡착제의 외표면에 도달.
- 2단계 : 흡착질이 대세공, 중간세공을 통해 확산에 의한 이동.
- 3단계 : 확산된 흡착질이 미세공 표면에서 물리적 인력/화학적 결합에 의해 충진 흡착.


1단계와 2단계는 일반적으로 속도가 늦은 반면 3단계는 매우 빠르다고 간주된다.
 
 
ㆍ원료별 세공 특성
 

실질적으로 피흡착질을 세공에 담아두는 흡착의 역할을 하는 것은 미세세공으로,  야자계 활성탄소는 석탄계보다 비표면적은 넓고 세공용적은 작은 특성을 갖는다.

이는 야자계 활성탄소가 더 작은 미세세공을 많이 가지고 있어서 비표면적은 넓은 대신에 세공용적은 더 작음을 알 수 있으며, 야자계는 평균세공크기가 15~20Å에서 피크를 이루며, 석탄계 활성탄소는 30~50 Å의 범위에서 평균 세공이 피크를 이룬다고 알려져 있으며, 목질계는 이 둘보다 평균세공이 훨씬 크다.

요오드의 분자크기는 4.3 Å이며, 석탄계보다 야자계가 더 잘 흡착할 수 있음을 알 수 있다.  흡착효과를 높이기 위해서는 요오드흡착력이 높은 야자계를 선택하는것보다는 피흡착질의 분자크기에 적합한 세공분포를 가진 활성탄소의 선택이 중요하다고 할 수 있다. 정수장 등에서 분자크기가 더 큰 메틸렌블부의 시험을 별도로 하는 이유이기도 하다.

 
야자계는 분자량이 적은 가스흡착/정수처리에 적합하고, 목질계는 제당/탈색분야에 많이 사용되고 있으며, 석탄계는 다양한 크기의 세공이 넓게 분포 되어 있어 공기정화/VOCs제거/정수처리등 다양한 분야에 널리 이용되고 있다.
 
 
ㆍ피흡착질 분자크기와 세공크기에 따른 흡착 특성
 

활성탄은 각종 흡착제 중에서 최대의 비표면적을 갖고 거의 Micor Pore로 되어 있으며, 분자량이 작은 흡착질을 흡착했다가도 더 큰 분자량의 흡착질과 접촉하면 먼저 흡착하였던 흡착질을 탈착하고 더 큰 분자량의 흡착질을 흡착하는 선택성을 가진다.  일반적으로는 분자량의 증가에 따라 흡착량도 증가하지만, 분자량이 커질수록 활성탄 입자내의 확산속도가 느려져서 흡착력이 감소하게 된다.

흡착에 유효한 미세공의 크기는 흡착질 분자의 3~6배이다.

이 차가 줄어들면 분자체 작용에 의해 확산 저항이 증가하여 흡착량이 적어지기 때문이며,  분자의 형상에 따라 다르지만 분자량이 500까지는 분자량이 클수록 흡착이 잘되나 그 이상이 되면 흡착속도가 크게 저하되고 흡착량도 적어진다.

 
피흡착질의 종류에 따른 제일 효율적인 세공분포를 가진 활성탄소의 선택이 중요하다.
 
 
ㆍ물리흡착/화학흡착 
 

활성탄소의 흡착은 물리적/화학적 흡착의 두가지로 구분된다.

물리적 흡착의 경우 위의 설명처럼, 분자간의 인력에 의한 흡착이며, 활성탄소 내부 표면의 탄소 원자의 관능기가 주위의 액체 또는 기체의 피흡착질에 인력을 가하는 것으로, 흡착제 사이의 분자간 인력이 피흡착질과 용매사이의 인력보다 클 때 피흡착질은 흡착제 표면에 달라붙게 된다.

반면 화학흡착은 이온결합 또는 공유결합 등의 화학결합력에 의한 것으로, 활성탄의 표면의 기능기들과 피흡착질과의 각종 화학적 결합이 이루어져 흡착현상이 발현된다. 때문에 화학적 흡착은 물리적흡착에 더하여 화학결합력으로 흡착함을 의미한다고 할 수 있다.

활성탄을 실제로 응용하면, 유기물 흡착처럼 대개의 경우 물리흡착과 화학흡착이 동시에 일어나는 일이 많고, 일반적으로 기상흡착에는 가역적인 물리흡착이 대부분이나, 액상흡착에는 비가역적인 화학흡착이 많은 것이 일반적이다.

또한 , 첨착 활성탄에 의한 흡착은 이와 같이 물리화학적 흡착을 이용한 형태로써 유기용매 회수나 악취가스 제거용으로 사용되며 흡착용량도 일반 활성탄보다 7~20배 만큼 크며, 흡착된 물질의 탈착이 난이하다.

 
실제 응용에 있어서 활성탄소의 흡착능력은 활성탄의 종류와 흡착질에 따라 다르며, 기상용에서는 대기온도, 가스온도 및 농도에 따라 달라지며, 액상용의 경우 원수의 수온,pH 또는 공존하는 물질의 특성에 따라서도 차이가 나므로, 실제 운용되어지는 환경에 대한 분석이 선행되어야 한다.
 
 
 
 
 
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