재생횟수 증가에 따른 활성탄의 세공구조 변화가 천연유기물질 흡착에 미치는 영향: 세공크기와 천연유기물질 분자량 (Effect of Changes in Physical Properties of Granular Activated Carbon (GAC) on the Adsorption of Natural Organic Matter (NOM) with Increasing the Number of Thermal Regeneration: Pore Size and NOM Mole)

서지정보

· 발행기관 : 대한환경공학회
· 수록지 정보 : 대한환경공학회지 / 43권 / 7호 / 537 ~ 546페이지
· 저자명 : 손희종, 최상기, 안병렬, 이혜진, 염훈식

초록

목적:입상활성탄의 재생횟수 증가가 천연유기물질(natural organic matter, NOM) 흡착능에 미치는 영향을 평가하여 한계 재생횟수 선정 및 재생탄의 효율적인 사용 방안을 모색하고자 하였다.
방법:신탄(virgin)과 낙동강 하류의 정수장에서 2년 사용 후 열재생된 1차 재생탄(1st-Re), 2차 재생탄(2nd-Re), 3차 재생탄(3rd-Re) 및 5차 재생탄(5th-Re)에 대한 물리･화학적 특성을 평가하였다. 신탄과 1차∼5차 재생탄들의 NOM 흡착능을 평가하기 위하여 실험실 규모의 흡착 컬럼을 이용한 연속 흡착실험을 수행하였다. 유입수와 각각의 컬럼 처리수 중의 NOM 농도를 LC-OCD로 분석하여 각 NOM 분획(humic substances (HS), building blocks (BB), low molecular weights organics (LMWs))들의 흡착능을 평가하였다.
결과 및 토의:열재생에 의한 활성탄 세공 구조의 변화에 기인하여 직경 2 nm 이하의 미세세공 용적은 감소한 반면, 2 nm 이상의 중간세공 용적이 증가하였다. 신탄에서 2 nm 이하의 미세세공 구성비율은 60% 정도였으나 재생횟수가 증가할수록 점진적으로 감소하여 5차 재생탄의 2 nm 이하의 미세세공 구성비율은 23%까지 감소하였다. 반면, 2 nm 이상의 중간세공 구성비율은 신탄의 40%에서 5차 재생탄의 77%까지 재생횟수에 비례하여 증가하였다. 신탄에 비하여 재생탄들에서 DOC 흡착능은 높았으며, 재생횟수가 증가할수록 DOC 흡착능이 증진되었다. 신탄과 재생탄들에 대한 NOM 분획별 흡착능 평가결과에서 HS와 같은 고분자 NOM의 흡착능은 재생횟수가 증가할수록 1.5배∼1.7배 정도 증진되었으며, 저분자 물질인 BB와 LMWs는 재생횟수가 증가할수록 신탄 기준 78% 및 48%까지 흡착능이 감소하였다. NOM 분획들에 대한 흡착능(qe) 회복율을 신탄 기준 70%로 설정하여 한계 재생횟수를 평가한 결과, 3차 이상의 재생탄들에서는 저분자 NOM에 대한 흡착능이 크게 감소하여 신탄 기준 70%의 성능을 유지하는 재생횟수는 2차까지로 평가되었다. 재생횟수를 3차 이상으로 수행하면서 저분자 NOM (LMWs)에 대한 안정적인 흡착능을 확보하는 방안은 신탄과 3차 이상의 재생탄을 혼합하여 사용하는 방식이 타당할 것으로 판단되며, 신탄에서 유발될 수 있는 고분자 NOM (HS)에 대한 낮은 흡착능도 보완이 가능한 것으로 평가되었다.
결론:열재생에 의한 활성탄 세공 구조의 변화에 기인하여 신탄에 비해 재생탄들에서 DOC 흡착능 높았으며, 재생횟수가 증가할수록 DOC 흡착능이 증진되었으며, 재생에 의해 중간세공의 용적이 증가하여 고분자 NOM (HS)의 흡착능이 월등히 증진되는 것으로 나타났다. 반면, 재생에 의해 미세세공은 감소하여 재생횟수 3회 이상에서는 저분자 NOM (LMWs)에 대한 흡착능이 신탄 대비 70% 이하로 감소하여 한계 재생횟수는 2차까지로 평가되었다. 3차 이상의 재생탄들과 신탄을 혼합하여 사용할 경우, 저분자 NOM (LMWs)에 대한 안정적인 흡착능을 확보하면서 신탄에서 유발될 수 있는 고분자 NOM (HS)에 대한 낮은 흡착능도 보완이 가능한 것으로 평가되었다.

영어초록

Objectives:The purpose of this study was to evaluate the effect of increasing the number of regeneration of granular activated carbon (GAC) on the adsorption capacity of natural organic matter (NOM), and to suggest the technical process options associated the limit number of regeneration and the efficient use of regenerated GAC.
Methods:The physicochemical properties of virgin and thermally regenerated GAC were analyzed. To evaluate the NOM adsorption capacity of virgin- and regenerated-GAC, five laboratory-scale columns packed with virgin- and regenerated-GAC were used for treating effluent from pilot-scale drinking water treatment facility. The NOM concentration in the influent and the effluent treated by each column was analyzed by LC-OCD (liquid chromatography-organic carbon detector) to evaluate the adsorption capacity of each NOM fractions (humic substances (HS), building blocks (BB), low molecular weight organics (LMWs)).
Results and Discussion:Due to the change in the pore structure of GAC by thermal regeneration, the volume of micropores (< 2 nm) decreased, while the volume of mesopores (> 2 nm) increased. The volume ratio of micropore in virgin-GAC was about 60%, but it gradually decreased as the number of regenerations increased, resulting that the volume ratio of micropore in the 5th-regenerated (5th-Re) GAC decreased to 23%. On the other hand, the volume ratio of mesopore increased in proportion to the number of regenerations from 40% of the virgin GAC to 77% of the 5th-Re-GAC. The DOC adsorption capacities of the regenerated GACs were higher than that of virgin GAC, and the DOC adsorption capacity increased as the number of regenerations increased. As a result of comparing the adsorption capacity of virgin- and regenerated-GAC by NOM fractions, the adsorption capacity of high molecular weight NOM, such as HS, increased by 1.5 to 1.7 times as the number of regenerations increased. In contrast, the adsorption capacity of low molecular weight NOM, such as BB and LMWs, decreased by 78% and 48% as the number of regeneration increased. The limit number of regeneration was evaluated based on that the adsorption capacity (qe) of each NOM fractions keep over than 70% relative to its virgin GAC. As a result, the adsorption capacity for low molecular weight NOM was greatly reduced in GAC regenerated over than 3rd time, so that the 2nd-Re-GAC was valid to keep 70% removal of whole NOM fractions. Low adsorption of low molecular weight NOM (BB and LMWs) by 3rd-Re-GAC could be complemented by using together with virgin-GAC, and low adsorption of high molecular NOMs (HS) could be compensated as well.
Conclusions:Due to the change in the pore structure of GAC by thermal regeneration, the DOC adsorption capacity was higher in regenerated GAC than its virgin-GAC, and the adsorption capacity of DOC and high molecular weight NOM (HS) was enhanced as the number of regenerations increased. On the other hand, the pore volume of micropore was reduced by regenerations, and in more than 3rd times regenerations, the adsorption capacity of low molecular weight NOMs (BB and LMWs) was reduced by less than 70% compared to its virgin GAC, so that 2nd-Re-GAC was suggested for suitable GAC. When using a mixture of virgin- and 3rd-Re-GAC, low adsorption of low molecular weight NOM (BB and LMWs) by 3rd-Re-GAC could be complemented by using together with virgin-GAC, and low adsorption of high molecular NOMs (HS) could be compensated as well.

참고자료

· 없음