활성탄의 종류 및 특성

흡착법을 이용한 고도정수 시스템

□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□

< 활성탄의 이용 >

산업이 발달하고 다양하게 변함에 따라, 발생되는 폐수성분도 다양해지며 유해성이 높아지고 있다.  그러나 우리 나라의 특성상 상수원수는 91%가 지표수를 사용하고 있어 항상 오염의 가능성이 존재하고 있다.  이에 더하여 생활수준의 향상으로 1인당 1일 상수 사용량이 395리터에 달하고 있으며 보다 안전한 물을 요구하는 욕구가 증폭되고 있다.

때문에 지역에 따라서는 고도정수가 불가피한 곳도 있으며 향후 주민의 욕구를 만족시키기 위해서는 상수의 고도정수가 점차 요구되고 있다.  아울러 더 엄격한 □먹는 물 수질 기준□에 알맞은 안전한 수돗물을 생산하기 위해서는 새로운 처리공정을 도입하여야 한다.  지표수 처리를 위해 개발된 새로운 정수공정으로서의 고도정수는 재래식 처리공정을 개선하여 유기물질, 농약 및 다른 미량유기물질 등을 제거하는데 그 목적이 있다.

상수의 고도처리에 대한 대책으로는 화학적 처리방법, 화학적□생물학적 처리방법, 물리적 처리방법 등 3가지가 있다.

) 박영규, 1995, 강둑여과 및 인공함량-고도처리공정에 의한 안전한 수돗물 생산, `95 서울 국제 상수도 기술세미나, 서울시 수도기술연구소, pp. 3- 24

상수원이 양호한 경우는 응집, 침전, 급속 모래여과 및 살균을 기본으로 하는 재래식 공정으로 정수하여도 탁도와 병원균을 제거할 수 있다.  그러나 유기물질이 어느 정도 포함되어 있는 물을 재래식으로 정수하면 염소살균시에 THMs을 비롯한 유기염소화합물이 다량 생성되며, 겨울철에는 암모니아가 잘 제거되지 않는다.  또한 질소를 포함한 비교적 극성인 농약류는 재래식 공정으로 정수하면 거의 제거되지 않는다

떄문에 이러한 유해물질을 제거하기 위하여 고도정수 과정을 도입하기도 하는데 흡착법을 이용한 고도정수 처리는 대개 흡착제로 활성탄을 이용한다.

활성탄 여과는 Hyper/Nanofiltration공정과 마찬가지로 물리적 처리방법으로 분류된다.

활성탄 여과는 물에 포함된 이취미 물질, THMs, 농약 및 미량 유기오염물질 등을 제거하기 위해 과거부터 적용해 왔다.  그러나 그 분리정도는 주요 물질의 극성에 의존하고 있다.  대체로 예로서 비극성인 Lindane은 강하게 활성탄에 흡착되나 극성인 Trichloroacetic acid는 흡착력이 낮아 활성탄 여과의 운전기간과 활성화 주기가 짧고 재생비용도 많이 소요된다.

활성탄은 수처리에서도 여러 방면에 이용되고 있으나 상수처리에서는 고도처리를 목적으로 하고 있으며, 우리 나라에 앞으로 고도정수공정이 도입될 예정인 정수장에서의 처리대상물질을 살펴보면, 다음과 같다.

) 한국건설기술연구원, 1997, 고도정수기술 실용화 기술개발, 환경부

표 1. 고도정수의 정수대상 물질

수계	정수장 명	정수대상 물질
한강 (남한강)	문막, 원주 제2	암모니아성 질소, 미량유기물질(KMnO4소비물질, TOC), 맛과 냄새 유발물질
한강 (한탄강)	동두천	암모니아성 질소, 미량유기물질, 맛과 냄새 유발물질, 페놀, 톨루엔, 트리할로메탄 생성능(THMFP) 등
한강 (임진강)	문산	암모니아성 질소, 조류 및 취기물질, MBAS
낙동강	낙동강 제1, 제2, 하양, 칠서, 석동, 삼계, 범어, 회야, 선암, 덕산, 명장, 오륜	트리할로메탄 생성능(THMFP), 암모니아성 질소, 미량유기물질(KMnO4소비물질, TOC), 맛과 냄새 유발물질, 잔류농약류, 페놀, 철, 망간, 색도, MBAS, 톨루엔 등
금강	옥룡, 군산 제2	암모니아성 질소, 미량유기물질(KMnO4소비물질, TOC), 맛과 냄새 유발물질, 망간, MBAS, 트리할로메탄 생성능(THMFP) 등
영산강	몽탄	암모니아성 질소, 미량유기물질(KMnO4소비물질, TOC)

이외에 고도정수와 아울러 상품의 품질 유지를 위하여도 활성탄이 이용되고 있는데 특히 청량음료의 제조와 양조를 위한 물의 생산에 활성탄이 이용되고 있다.

○ 상수의 처리

) 김용언, 1994, 활성탄 흡착특성과 재생기술-수처리분야를 중심으로-, 첨단환경기술, No. 9, pp. 6 - 29

하천·호소의 부영양화가 문제시되고 있는 요즈음, 수질오염도가 높은 상수원에서의 곰팡이 냄새, 2MIB(2-Methylisoborneol), 지오스민(Geosmin)등의 취기물질의 제거에 이용된다.  뿐만 아니라 세제류와 THMs 및 그 전구물질과 페놀류도 제거하는데 활성탄을 이용한 흡착법이 적용된다.

원수의 성질에 따라 다르기는 하나 대개 상수처리시 이러한 물질은 기존에 설치한 모래여과지의 모래층을 약 10cm정도 파낸 곳에 입상 활성탄을 충진시켜 처리한다.

고정층 흡착장치의 이용시는 활성탄 충진층 높이를 1.5 - 3m, 공탑속도(linear velocity)는 10 - 30m, 공간속도(space velocity)는 5 - 15 l/h로 한다.

표 2. 수처리에서 활성탄에 의한 흡착대상 오염물질

○ 일반적 유기오염물질(BOD, COD, TOC 등)

○ THM 및 전구물질

○ 세제(음이온계면활성제), 페놀류, ABS

○ 맛, 냄새(2MIB, Geosmin), 색도, 곰팡이 냄새

○ 유기인계 농약(Diazinon, Parathion, Malathion, Fenitrothion 등)

○ 카바마이트계 농약(Cabaryl 등)

○ 유기염소계 농약(Endrin, 2,4-D 등)

○ VOCs(1,1,1-trichloroethane, tetrachloroethylene 등)

○ 다핵 방향족 탄화수소(PAH, benzo(a)pyrene 등)

○ 무기물질(불소, 수은, 납 등)

○ 탈염소 처리

청량음료, 양조제조용수, 이온교환수지 장치의 전처리 등에 탈염소용 활성탄 흡착탑이 널리 이용되며, 수중의 유리염소는 활성탄과 접촉하면 활성탄의 촉매작용에 의해 분해되어 염소이온으로 변한다.

[eqn: rm &Cl_2 ~+~ H_2 O ~+~ C ~~ □ ~~ 2H^- ~+~ 2Cl^- ~+~ O~-~ C## rm &C~+~O~~□~~CO## rm &CO~+~O~~□~~CO_2]

< 활성탄의 분류와 특성 >

활성탄은 탄소질 재료이며, 탄소질 재료는 무정형 탄소 그룹과 결정성 탄소로 구분되어 진다.  무정형 탄소에는 carbonblack. cokes, char가 있으며 결정성 탄소로는 graphite, diamond가 있다.

활성탄의 분류는 탄소질 재료에 의한 분류, 물리적 형상에 의한 분류, 원료에 의한 분류, 흡착성능에 의한 분류, 부활법에 의한 분류, 용도에 의한 분류 및 일반 형상에 의한 분류로 구분된다.

○ 탄소질 재료의 분류

탄소질 재료에 의한 분류는 석탄, char, carbonblack, pure carbon으로 구분되며 그에 따른 종류는 다음 표와 같다.

표 3. 탄소질 재료에 의한 활성탄 분류

석탄	-		:	흑탄. 亞炭, 무연탄
char	-	未賦活	:	cokes, 목탄, 골탄
	-	賦活	:	활성탄, 각종 유기물질(목탄,석탄,야자열매 껍질, 커피콩 등)
carbonblack	-		:	람프, 아세틸렌 블랙 등(탄소 함량이 높은 유기물질에 의해 제조되며, 다공성, 비다공성의 양쪽이 있다.)
				diamond, graphite, retortcarbon
pure carbon	-	結晶性	:
	-	非結晶性	:	유리상carbon, cellulosecarbon 등 (고순도이나 발달한 세공성은 없으며, 이들의 새로운 형인 glasscarbon, cellulosecarbon은 비결정성이다.)

○ 물리적 형상에 의한 분류

외형적인 모양에 의한 분류로 분말상, 파쇄상, 조립상, 섬유상으로 나뉘어진다.

또한 근래에는 honey comb상도 제조되고 있다.

표 4. 활성탄의 형상에 따른 특징

분말상	용도에 따라 분말도 및 입도분포를 규제한다.
파쇄상	입상이지만 형상 및 크기는 불규칙하다.
조립상(성형)	binder : tar류, plastic류, lignin 등 형상 : 공모양, 기둥상, 마세크 상으로 크기는 여러가지
섬유상(fiber)	cloth상, 특수형상, 액체상, paint상 등

○ 원료에 의한 분류

활성탄 제조 재료에 의한 분류로서 활성탄은 식물질, 동물질, 광물질 및 기타 폐기물로부터 만들어진다.

표 5. 활성탄의 제조 재료

식물질		목재(톱밥), 목재건류물(목탄), 야자껍질, 과일껍질(호도껍질, 귤껍질), 목질부(lignin), 해조류, 왕겨, 곡물류, 농산물 찌꺼기, 커피콩 등
동물질		생선뼈, 동물뼈, 혈액
광물질	석탄	泥炭, 亞炭, 토탄, 갈탄, 역청탄, 무연탄, 석탄tar, 석탄pitch, 석탄cokes 등
	석유	oil shale, 석유tar, 석유pitch, 석유cokes, 황산 슬러지, oil carbon 등
기 타		pulp폐액, 합성수지 폐재(PVC), 폐타이어, alcohol 폐액, 폐당밀, 피혁폐기물 등

○ 용도에 의한 분류

기상 흡착용, 액상흡착용으로 대별되며, 그 밖에 하·폐수 처리용, 가스흡착용, 의약용, 촉매용 등 각 용도별로 구분되기도 한다.

○ 형상에 의한 분류

흔히 사용되는 활성탄을 형상에 따라 구분하면 입상활성탄, 분말 활성탄, 생물활성탄으로 구분되어 지며, 상수의 고도처리에서는 형상에 의한 분류를 기준으로 널리 이용된다.

표 6. 형상에 따른 활성탄의 특징

활성탄 명	제조방법	특 징	용 도
입상활성탄(GAC)	素炭을 미분화시켜 탈피치 등을 혼합한다. 홉합물을 성형기로 성형하여 다시 탄화시키고 수증기에 의하여 부활시킨다.	-분말에 비해 흡착속도가 느리다 -물과 분리가 쉽다 -재생이 쉽다 -흡착탑에 충진하든지 유동상에서 사용한다 -취급이 용이하다	-유동층 및 이동층용 -상수 및 기타 하·폐수처리
분말활성탄(PAC)	입상등의 가공을 하지 않고 부활시킨다.	-흡착속도가 빠르다 -사용시 복잡한 장치가 필요하지 않고 접촉여과에 의해 흡착된다 -분말의 비산이 있고 취급이 불편하다	-접촉여과용 -하·폐수처리
생물활성탄(BAC)	입상활성탄에 미생물을 코팅하여 부활시킨다.	-용존성 유기물질의 제거율이 높다 -저온시 제거율이 낮아 계절적인 고려가 있어야 한다 -독일, 프랑스, 일본 등에 실용화되어 있다 -재생없이 수년간 사용이 가능하다 -건설 및 운전비용이 절감된다 -장기적으로 특정한 목적을 달성할 수 있다 -GAC공정의 변형공정으로 운전된다	-상수 및 하·폐수처리 -정수장에서의 DOC, NH3-N제거

출처:국립환경연구원