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| 활성탄소 교체주기 산출 |
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| ㆍ흡착평형(Adsorption Equilibrium) |
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흡착과정을 통해 흡착되는 피흡착질의 양을 흡착량이라 하며, 활성탄소의 단위 중량 또는 단위 면적에 대한 피흡착질의 질량으로 표시하거나 흡착분자수로서 나타낸다. 또한 피흡착질이 활성탄소의 모든 세공을 점유한 상태를 포화흡착량이라 하며, 이는 공기/액체중의 피흡착질의 농도와 흡착제에서 용질농가 평형상태에 다다랐음을 뜻하며, 활성탄의 최대흡착은 활성탄의 내부표면적, 세공구조, 표면화학 등의 흡착제 특성과 분자의 화학적 성질, 분자크기, 친수성, 극성 등의 피흡착질의 특성에 의해서 결정되며, 또한 액상에서의 경우 용질농도, 온도, pH, 용액의 조성과 같은 물리화학적 조건에 의해서도 결정되므로 운전조건에 따라서도 달라지게 된다.
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| 흡착현상을 정량적으로 보고자 할 때는 일정온도에서의 압력, 농도변화로 흡착변화량을 나타내는데 이 흡착 변화량을 나타내는 식은 Henry 형, Langmuir 형, Freundlich 형, Frumkin-Tenkin 형, B.E.T 형이 있으며, 수처리 이외의 액상흡착에 있어서 흡착되기 쉬운 용질이 용해도가 별로 크지 않은 용액에 흡착될 때는 B.E.T 식이 적용되고, 수처리에는 Freundlich 식 적용이 되고 있다. |
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| ㆍ흡착평형파과곡선(Break Through Curve) |
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파과란 활성탄 층에 연속적으로 기체나 액체를 통해서 그 속의 흡착물질을 흡착시킬 경우, 흡착대가 입구 쪽에서부터 출구로 차츰 이동하며 출구 농도가 입구농도에 근접하는, 흡착평형에 이르게 되는 시점을 말하며, 활성탄소의 수명을 나타낸다.
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일반적으로 출구농도가 입구농도의 약 10％가 되는 점 A를 파과점(Break Point)이라 하며 파과점 이후 출구농도는 급격히 증가하여 종말점 B에 도달하게 되며, 이러한 활성탄층의 시간에 따른 입구/출구 농도의 비를 도식화한걸 파과곡선(Break Through Curve)이라한다.
파과곡선은 각 시스템의 물리화학적 특성에 좌우되는데, 결국 활성탄소의 수명은 유량, 피흡착질의 종류 및 농도, 충진된 활성탄의 양과 종류 등에 따라 달라지며 같은 운전 조건일 경우 초기 흡착력에 크게 좌우됨을 알 수 있다.
활성탄 흡착탑 설계를 위해서는 수많은 흡착 가능한 물질을 포함하고 있는 원수를 흡착탑에 통과 한 후 유출수의 오염물질 농도가 어느 시점에서 설계기준 또는 허용기준치를 초과할 것이냐에 대한 정보가 필요하다. 이러한 정보는 통상 Pilot-Scale의 실험조사에 의해 얻어지고 있다.
특히 활성탄 흡착시설의 설치 및 유지관리비가 상당히 고가인 관계로 효율적인 설계, 운전이 필수적이며 따라서 Full Scale의 Plant를 건설하기 전에 계절에 따른 원수수질의 정확한 파악을 위해서라도 2∼3년 간에 걸친 Pilot Study는 당연시되고 있는 실정이다. 이러한 Pilot Study의 시간, 노력 및 비용을 최소화하기 위해 매우 유익한 것은 수학적 예측 모델을 이용하여 Column Test를 여러 가지 경우에 대하여 Simulation하는 것이다.
활성탄소를 이용한 흡착시설 설치시, 사용되어질 환경과 똑같은 조건의 소형 장치를 이용하여 활성탄소 교체의 목표주기를 기준으로 흡착장치를 설계하는 것이 이상적이나, 일반적으로는 거의 모든 작업장에서 피흡착질의 농도, 작업장 크기, 배기용량 등에 따라 목표주기를 기준으로 활성탄소의 투입량을 결정하고 그 주기에 따라 활성탄소를 교체하는 방식을 따르고 있다. |
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• 용어 정리
- 흡착질(adsorbate), 피흡착제 : 고체 표면에 흡착되어 축적되는 분자
- 흡착제(adsorbent) : 흡착시키는 고체.
- 흡착량 : 활성탄의 단위면적,단위질량에 대한 흡착질의 질량, 중량으로 표시혹은 흡착분자수.
- 포화흡착량 : 활성탄 전면적을 전부 점유한 량.
- 흡착율, 피복율 : 흡착질이 pore에 점유한 비율. |
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활성탄소 교체주기는 최초 활성탄소 요구량 산출시 계획했던 사용시간으로부터 구할 수 있는데
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수처리에서 활성탄소의 수명은 다음과 같은 식으로 구할 수 있다. |
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활성탄 교체 후 초기 제거율은 매우 높게 나타나지만, 점차적으로 아래의 제거율로 장시간동안 유지한다. 또한, 활성탄소의 종류와 등급별로 차이가 크기 나타나므로 용도에 적합한 활성탄소를 선정하는 것이 중요하다.
다음은 수처리에서 활성탄소의 평형흡착량을 보여준다.
- COD – 0.2~0.4 kg-COD / kg-AC
- ABS – 0.2 kg- ABS / kg-AC
- BOD – 0.2~0.5 kg- BOD / kg-AC
- 잔류염소 – 0.1~0.2 kg- 잔류염소 / kg-AC |
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