흡착공정 설계방법(등온흡착식 응용)

74, 114, 119회 수질관리 기술사에 흡착 기반 문제가 출제되었다. 흡착공정은 수질관리 기술사에서도 중요하지만 환경공학 분야 실무에서 특히 사용할 가능성이 많은 분야 중 하나이다. 특히 수질환경에서 뿐만 아니라 악취나 유독가스 처리에서도 요긴하게 쓰이고 있는 상황이다. 해당 글에서는 흡착모델에서 가장 널리 쓰이는 Lanmuir와 Freundlich 등온흡착식을 응용하여 흡착탑 혹은 흡착공정을 설계하는 방법에 대해 다뤄볼 것이다. 

Lanmuir와 Freundlich 등온흡착식의 차이는 단분자층의 흡착과 다분자층 흡착의 메커니즘의 차이에 있다. 쉽게 말해 단분자층 흡착은 흡착제 표면에 단분자층으로 한겹 흡착이 되는 특성을 가지고 있다는 것이고 다분자층 흡착은 한겹 흡착이 되고 또 그위에 계속 흡착이 가능한 흡착특성을 뜻한다. 단분자층성 흡착과 다분자층성 흡착은 흡착제의 종류와 오염물의 특성에 따라 상이하다. 예를 들면 이온교환 공정같은 흡착공정은 이온의 흡착으로서 흡착제의 이온이 붙게끔 정해진 공간에 흡착되기 때문에 단분자층성 흡착현상을 보인다. 그리고 활성탄 같은 물리적인 미세공극으로 흡착하는 경우 다층의 오염물을 흡착할 수 있어 다분자층성 흡착현상을 보인다. 흡착의 특성이 단분자층인지 단분자층인지 판단하는 방법은 Lanmuir isotherm과 Freundlich isotherm을 각자 적용하여 그래프를 그리고 추세선을 분석하면 어떤 흡착 메커니즘인지 판단이 가능하다. 해당 등온흡착식을 y=ax+b형태의 일차방정식으로 해석하여 실험 후 그래프를 그리면 된다.

등온흡착식 분석을 위한 실험

특정 색도 물질을 흡착공정으로 제거하는 시스템 설계를 목적으로 등온흡착실험을 진행하였다. 색도물질의 검량선을 작성한 후 일정량을 수중에 투입하여 색도의 제거를 분석하였다. 그 후 위의 표와 같은 결과를 얻을 수 있었고 이 결과를 기반으로 등온 흡착식을 적용하여 분석하였다.

흡착공정의 Lanmuir isotherm(좌)와 Freundlich isotherm(우) 적용결과

그래프의 추세선을 분석한 결과, Freundlich 측 그래프의 R 제곱 스코어가 높으므로 해당 흡착제는 다분자층 흡착이 우세한 것으로 해석된다. 또한 해당 실험에서 Freundlich isotherm 상수는 각각 K는 4.0, n값은 2.2로 산출되었다. 해당 실험 결과는 현장에서 흡착공정 설계시 필수적으로 사용된다. 

현장 설계시 유입량과 유출량, 그리고 흡착량에 해당하는 물질수지식을 구성하고 흡착량에 해당하는 곳에 Freundlich 식을 과 각 상수를 대입한다. 위와 같이 작업을 마무리하고 실제 현장에서 유입되는 오염물질(피흡착물질) 농도를 분석하면 흡착탑의 용량은 몇 톤으로 설계할 것이며 몇 일 혹은 몇 달 후에 파과 후 여재교체가 필요한지 설계가 가능하다.