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1. 서 론
활성탄은 비표면적이 높고 내부 기공을 많이 보유 하고 있는 탄소 소재로 외부 물질과의 반응성이 높 아 폐수처리, 식음료 가공, 카본필터 및 전극 부품 소 재와 같은 산업 분야에 활용되고 있다. Grand View Research사에서 발행한 ‘Activated Carbon Market Size & Share, Industry Report, 2024’에 따르면 전 세계에서 활성탄 소비량이 가장 많은 미국 활성탄 시장의 수익은 2014년 7억 USD에서 2024년 약 25억 USD 이상으로, 깨끗한 음용수에 대한 소비와 수요 가 증가하고 산업 오염 공기의 배출을 완화하려는 노력에 따라 그 필요성은 점차 증가할 전망이다 (Grand View Research, 2016).
현재 상용화 되어있는 활성탄의 주요 원료는 석탄 계 물질이며, 2016년 기준 시장 점유율 21.2%를 차 지하고 있는 세계 최대 활성탄 생산 업체인 Calgon Carbon사 또한 활성탄 생산의 주원료로 역청탄 (bituminous coal)을 사용하고 있다. 하지만 석탄을 채굴 및 정제할 때 발생하는 이산화탄소와 유독 가 스는 환경 오염의 주범으로 기후 변화를 초래할 수 있으므로 최근에는 활성탄 생산을 위한 원료로 친환 경 물질을 사용하는 것에 대한 연구가 주목받고 있 다. 특히 탄소 함량이 높은 유기물질인 초본류 및 목 질계 바이오매스 또는 부산물인 대나무(Choy et al., 2005), 올리브 씨앗(González et al., 2009), 사탕수수 바가스(Qureshi et al., 2008), 코코아 껍질(Cruz et al., 2012), 망고스틴 껍질(Foo & Hameed, 2012), 포 도줄기(Ozdemir et al., 2014), 신 앵두(Angin, 2014) 와 같이 다양한 원료를 이용한 활성탄 연구가 진행 되고 있다.
한편, 황산리그닌은 진한 황산을 사용하여 바이오 매스를 가수분해하고 난 후 남는 진한 갈색의 고형 분으로 바이오에탄올 및 당화 공정의 부산물로 다량 얻어지고 있다. 바이오매스의 전수 활용과 공정의 경제 효율성을 높이기 위하여 공정 중 생산되는 부 산물을 산업적 용도로 활용하고자 하는 시도가 주 목 받고 있으며 현재까지 황산리그닌의 활용 방안 으로 표면을 개질하여 수용성을 향상시키려는 연구 (Matsushita et al., 2009)와 폴리에스터로 전환하려는 연구(Matsushita et al., 2011), 초임계 에탄올을 이용 한 열분해를 통해 바이오오일을 생산하는 연구 (Hidajat et al., 2017; Riaz et al., 2016) 등이 진행되 어 왔다. 이러한 연구들은 주로 리그닌의 구조를 변 형 혹은 와해하여 활용하는 것에 초점이 맞춰져 있 지만 황산 처리 후 리그닌은 특유의 축합된 구조로 인해 반응성이 낮을 뿐만 아니라 용매 용해도가 떨 어지기 때문에 저분자화 활용에 어려움이 따른다고 알려져 있다(Yasuda, 1981). 따라서 거대 분자 상태 인 황산리그닌을 직접적으로 활용하기 위한 방법으 로 촉매 활성화 공정을 적용하여 나노 세공을 갖는 활성탄을 제조하는 방안이 있으며 고형분인 황산리 그닌은 탄소집약적인 유기물이기 때문에 이를 활성 탄의 원료로 사용할 경우 고탄소 물질을 제조할 수 있으며 공정 부산물을 활용함으로써 경제적 이익 창 출과 더불어 친환경적인 활성탄 원료 개발도 가능할 것으로 기대된다.
따라서 본 연구에서는 황산리그닌을 사용하여 수 산화칼륨 촉매 하에 750°C에서 1 h 동안 활성탄을 제조하였고, 다른 바이오매스 유래 활성탄과 물성을 비교하기 위해 가장 많이 사용되는 바이오매스 활성 탄 원료인 코코넛셸과 일반 바이오매스인 소나무 그 리고 추가적으로 구성성분 함량에 따른 특성을 비교 해보고자 Avicel 기반 활성탄을 제조하였다. 주요 비 교 물성으로 화학조성 및 원소조성, 열분해 거동, 비 표면적, 기공 크기 및 분포, 탄소 층 구조를 중점적 으로 비교하였다. 더 나아가 세 가지 독성 유기물질 (페놀, 2,4-Dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D), 카보 퓨란)에 대해 흡착 능력을 평가하였고, 이를 바탕으 로 미래의 친환경 활성탄 원료로써 황산리그닌의 사 용 가능성에 대해 살펴보았다.
2. 재료 및 실험 방법
본 연구에서는 고무나무(Ficus Elastica)의 황산 가 수분해 후 얻어진 황산리그닌(Sulfuric acid lignin; SAL)을 광운대학교에서 제공받아 사용하였다. 이 외 코코넛셸(Coconut shell; CCNS), 소나무(Pinus densiflora; Pinus), Avicel을 SAL 활성탄 대조군 제조를 위한 공시재료로 사용하였으며 각각 전남대학교, 국 립산림과학원, Sigma-Aldrich사로부터 제공받았다. 각 시료들의 입자 크기를 동일하게 맞추기 위해 분 쇄기(PULVERISETTE 19, Fritsch, Germany)를 이용 하여 0.2 mm 이하 크기로 분쇄 후 사용하였다.
SAL을 포함한 4종의 바이오매스의 원소 조성(C, H, N, S)은 원소분석기(CHN628, LECO Corp, USA) 를 이용하여 분석하였으며 산소함량은 전체 백분율 에서 탄소, 수소, 질소, 황의 함량을 뺀 값으로 계산 하였다. 시료의 홀로셀룰로오스(셀룰로오스와 헤미 셀룰로오스), 리그닌, 회분 함량을 구하였고 활성화 에 따른 원소조성 변화를 알아보기 위해 원소 분석 을 실시하였다. 바이오매스 내 홀로셀룰로오스 함량 과 리그닌 정량분석은 각각 Wise법과 72% 황산가수 분해법(TAPPI method (T222 om-88))에 준거하여 실 시하였고 회분 함량은 NREL 방법에 따라 진행하였 으며 추출물의 함량은 48시간 메탄올 침지법에 의해 측정되었다(Sluiter et al., 2008; Sluiter et al., 2010).
또한 각 시료의 온도에 따른 열분해 거동을 살 펴보고자 열중량 분석(Thermogravimetric analysis; TGA)을 실시하였다. 질소 대기 조건에서 3 mg의 시료를 10°C/min 승온 속도로 25-750°C 범위에서 중량 변화 측정하였으며 측정기기로 TGA/DSC 3+ (Mettler Toledo, Swiss)를 사용하였다.
고정형 반응기 안에 4종 공시재료를 각각 바이오 매스 대비 수산화칼륨(Potassium hydroxide; KOH)을 1 : 3 비율(w/w)로 투입한 후 고르게 혼합하여 질소 투입 및 배출 관을 제외한 입구를 밀봉하였다. 이후 300 mℓ/min의 유속으로 질소가스를 투입하여 반응 기 내부를 비활성화 상태로 유지하였으며 750°C에서 1 h 동안 반응하였다. 촉매 활성화 반응이 끝난 후 반응기를 상온에서 2 h 동안 식히고 반응기 안에 생 성된 물질을 1 M의 염산 수용액 250 mℓ와 증류수 1000 mℓ를 이용하여 세척한 후 105°C 오븐에서 12 h 이상 건조하여 회수하였다. 제조된 활성탄의 수율 은 식 (1)로 계산하였다.
회수된 활성탄(activated carbon; AC)은 시료의 종 류에 따라 SALAC, CCNSAC, PinusAC, AvicelAC로 각각 명명하였다.
제조된 활성탄의 원소 조성은 2.2에서 서술한 방법 과 동일하게 진행하였다. 탄소 물질 표면의 분자 구조 를 파악하기 위하여 라만 분광법(Raman spectroscopy) 을 실시하였으며 T64000 (HORIBA Scientific, Japan) 기기를 이용하여 532 nm 파장의 빛을 주사했을 때 900~2000 nm 범위에서 나타나는 라만 스펙트라로 부터 분석하였다.
제조된 활성탄의 비표면적 및 기공 크기, 분포 분 석은 흡착분석기(BELSORP-max, Bel Inc., Japan)를 이용하여 77 K에서 질소 흡, 탈착 등온선으로부터 분석하였다. 분석에 앞서 흡착 분석용 전처리기 (BELPREP II, Bel Inc., Japan)를 이용하여 공시재료 와 활성탄을 각각 105°C, 350°C에서 4 h 동안 진공 처리 하였다. 비표면적은 Brunauer, Emmett and Teller (BET) 분석법, 기공 분포는 Barrett, Joyner, and Halenda (BJH) 분석법, 미세기공 분포는 t-plot 분석법에 의해 각각 분석되었다.
제조한 활성탄의 오염 수질 정화용 흡착제로서의 활용성을 평가하기 위하여 3종의 유기 오염물질 페 놀, 2,4-D, 카보퓨란 표준용액에 대한 흡착 실험을 진행하였으며 각 물질의 화학식을 Table 1에 나타내 었다. 각 물질을 100 ppm 농도로 제조한 유기물질 수용액 20 mℓ에 활성탄 20 mg을 첨가(1 g/L)한 후 진탕배양기를 이용하여 28°C, 180 rpm 조건에서 12 h 동안 교반하여 흡착 반응을 진행하였다. 이후 진공 여과기와 Nylon membrane filters (0.45 μm, 47 mm, Whatman)를 이용해 흡착 후 활성탄과 용액을 분리 하였다. 활성탄에 흡착되지 않고 여과된 유기물질의 농도를 파악하기 위해 Acclaim PolarAdvantage II (250 mm/4.6 mm/5 μm, Thermo Fisher Scientific, USA) 컬럼이 장착된 HPLC/UV-Vis (UltiMate 3000, Thermo Fisher Scientific, USA)를 이용하였다. 이동 상으로 acetonitrile (ACN)과 증류수를 유기물질에 따라 각각 다른 비율(ACN : 증류수(%) = 45 : 55 (페놀), 25 : 75 (2,4-D), 50 : 50 (카보퓨란))로 혼합 하여 사용하였으며 분석 시간은 10분으로 고정하였 다. 분석 중 UV 파장은 각각 260 nm (페놀), 228 nm (2,4-D), 280 nm (카보퓨란)으로 설정하여 측정 을 진행하였다. 반응 후 유기물질에 대한 활성탄의 흡착 성능을 반응식 (2)로 계산하였다.
| Pollutant | Phenol | 2,4-Dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D) | Carbofuran |
|---|---|---|---|
| Chemical structure |
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qe는 평형에서의 흡착량(mg/g), C0와 Ce는 각각 처 음과 평형에서의 유기물질 수용액 농도(mg/L), V는 유기물질 수용액의 부피(L), W는 넣어준 활성탄의 무게(g)를 의미한다.
3. 결과 및 고찰
4종 바이오매스의 원소 및 화학 조성 분석 결과를 Table 2에 나타내었다 탄소 함량의 경우 SAL이 53.5%로 가장 높았으며 Avicel이 42.0%로 가장 낮 았다. 리그닌 함량 또한 SAL이 65.5%로 가장 높았 으며 그 다음으로 CCNS (37.3%), Pinus (31.8%)순이 었고 셀룰로오스 물질인 Avicel에선 검출되지 않았 다. 반면 산소 함량 및 전섬유소 함량은 반대의 경향 을 나타내었다. 이때 SAL의 전섬유소 함량 측정값은 시료의 높은 리그닌 함량과 축합된 구조로 인해 실 험 중 충분한 성분 분리가 일어나지 못하여 다른 물 질의 함량과 중복 측정되었을 가능성이 있다.
한편, 각 시료에 대한 활성화 공정을 진행하기 전 시료의 열분해 거동을 파악하고자 열중량 분석을 실 시하였으며 이는 Fig. 1에 제시하였다. CCNS, Pinus, Avicel의 경우 약 300°C~400°C에서 가장 많은 중량 감소가 일어났으며 이는 헤미셀룰로오스의 분해 혹 은 셀룰로오스의 결정성 구조 와해 및 글리코시드 결합의 분해에 의한 것으로 판단된다(Arseneau, 1971; Nair et al., 2000). 반면 SAL의 열중량 곡선에 선 180°C 부근에서부터 분해가 시작되며 반응이 종 료되는 750°C까지 꾸준히 중량 감소가 일어나는 것 을 관찰할 수 있다. SAL의 주요 구성 성분인 리그닌 의 경우 D-glucose의 반복적인 결합을 갖는 사슬 구 조인 셀룰로오스와는 달리 구조가 불규칙한 랜덤 결 합으로 형성되어 결합의 분해가 일어나는 온도 범위 가 넓으며 3차원적 망상 구조 특성으로 쉽게 분해되 기 어렵기 때문에 상대적으로 높은 온도에서도 완전 히 분해되지 않는 부분이 잔존한다(Yang et al., 2007). 따라서 최초 시료의 구성 성분 구조는 최종 반응 온도인 750°C 이후 남은 고형물의 양에도 영향 을 줄 수 있으며 고온에서 열적 안정성을 갖는 SAL 이 37.7%인 반면 CCNS와 Pinus는 각각 19.7%와 14.6%, 그리고 Avicel은 3.0%에 머물렀다. 열중량 분석에서 나타난 SAL의 열분해 거동 특성은 추후 진행될 고온 촉매 활성화 공정 후 생성물의 물성에 도 영향을 미칠 것으로 판단된다.
SAL을 포함한 4종 바이오매스 시료의 고온 촉매 활성화 공정 후 탄소 생성물의 수율 및 원소 조성 결 과를 Table 3에 나타내었다. 반응 후 회수된 활성탄 의 수율은 SALAC가 20.8%로 다른 바이오매스 유래 활성탄 수율(CCNSAC~15.7%, PinusAC~12.6%, AvicelAC~6.2%)에 비해 최소 30%~최대 230% 이 상 더 높은 생산성을 보였다. 각 활성탄의 탄소 함량 또한 SALAC > CCNSAC > PinusAC > AvicelAC 순으로 높았으며 앞서 Table 2에서 살펴본 최초 시 료의 탄소 함량 및 리그닌 함량 순서와 비례하였다.
| (wt.%) | SALAC | CCNSAC | PinusAC | AvicelAC |
|---|---|---|---|---|
| C | 91.0 | 89.7 | 88.6 | 81.8 |
| H | 0.1 | 0.1 | 0.3 | 0.7 |
| N | 0.8 | 1.0 | 1.0 | 0.9 |
| S | 0.1 | 0.0 | 0.0 | 0.1 |
| O* | 8.0 | 9.2 | 10.0 | 16.5 |
| Yield | 20.8 | 15.7 | 12.6 | 6.2 |
활성탄 원소 분석 결과를 바탕으로 O/C와 H/C 비 율 변화를 van Krevelen diagram을 이용해 Fig. 2에 제시하였다. 활성화 공정 중 발생하는 바이오매스의 열분해 과정에서 촉매로 넣어준 KOH에 의한 강력한 탈수, 산화 작용으로 인해 H2, CO2, CO의 가스가 방 출되게 되며 이때 시료에 존재하는 수소 및 산소의 손실이 일어나게 된다(Fierro et al., 2007). Avicel에 비해 CCNS, Pinus, SAL 시료에서 탈수소화 및 탈 산소화 반응이 더욱 높게 진행되어 각각 O/C와 H/C 비율 값이 감소하였으며 특히 SALAC의 경우 가장 큰 감소가 일어나며 탄소 집약적인 구조가 형 성됨을 확인하였다. 따라서 SAL을 고온 촉매 공정 후 활성탄의 전구체로 활용할 경우 시료의 열적 안 정성 특성으로 인해 가장 높은 탄소 함량(91%)을 지닌 탄소 소재를 높은 수율(20.8%)로 생산할 수 있었다.
Fig. 3에는 제조된 활성탄의 구조를 살펴보기 위한 라만 분광법 측정 후 얻어지는 피크와 이를 1350 cm-1 (Id), 1600 cm-1 (Ig)에서 분리하여 각 면적을 적 분한 값을 바탕으로 계산한 결과를 나타내었다. 일반 적으로 Id 피크는 약 6개 고리 이상의 큰 방향족 구 조에서 나타나는 C-C 결합 혹은 탄소막층의 가장자 리나 치환 및 결손된 부분, Ig 피크는 그라파이트 구 조에 존재하는 sp2 결합의 진동 특성을 나타내는 것 으로 알려져 있다(Li et al., 2006; Shimodaira & Masui, 2002; Wang et al., 1990). 모든 활성탄 생성 물의 피크가 넓은 면적으로 표현되어 비정질의 탄소 소재가 제조되었음을 확인하였다. SALAC의 경우 다른 활성탄에 비해 상대적으로 높은 Id/Ig 비율을 나 타냈으며 이는 비정질의 탄소막층과 더불어 큰 방향 족 구조가 더욱 많이 형성된 것을 의미한다(Li et al., 2006). 따라서 SAL 유래 활성탄은 다른 바이오매스 시료에 비해 탄소 구조 층간 결합이 더욱 확장되어 내부 망상 구조가 발달하며 큰 방향족끼리의 결합 분포가 더 높을 것으로 판단된다.
고온 촉매 활성화 공정 이후 제조된 활성탄의 비 표면적 및 기공 특성을 파악하기 위하여 질소 등온 흡착 실험을 진행하였으며 흡착 등온선을 Fig. 4에 제시하였다. 제조된 활성탄은 국제 순수 응용 화학 연합(International Union of Pure and Applied Chemistry; IUPAC)에서 정한 분류에 따라 제 I 형의 흡착 곡선 형태를 나타내었고 따라서 미세기공 분 포가 많은 탄소 소재가 제조되었음을 확인하였다. SALAC의 경우 다른 활성탄에 비해 흡착될 수 있는 가스의 총량 또한 높은 것을 볼 수 있다.
흡착 등온선에서 얻어진 활성탄의 비표면적 및 기 공 부피, 크기 분포에 관한 수치 데이터를 Table 4 및 Fig. 5에 각각 나타내었다. KOH에 의한 고온 촉 매 활성화 공정 이후 4종의 바이오매스 시료는 모두 이전에 비해 BET 비표면적이 크게 증가하였고 기공 의 총 부피 또한 증가하였으며 평균 기공 크기의 지 름은 작아졌다. 특히 SALAC의 비표면적은 2341 m2/g, 총 기공 부피는 1.344 cm3/g으로 다른 바이오 매스에 비해 표면 특성이 더욱 크게 개질되었다. 이 러한 비표면적과 기공 부피의 급격한 증가는 촉매 활성화 공정 중 온도가 상승함에 따라 KOH가 시료 의 표면뿐만 아니라 탄소 내부 층간 결합 사이에도 침투하여 가스화 반응을 야기하여 탄소 층 사이를 확장시키기 때문으로 판단된다(Romanos et al., 2011). 또한 최초 시료의 높은 탄소 함량은 촉매인 KOH와의 반응 빈도를 높일 뿐만 아니라 층간 결합 팽창 이후 구조의 붕괴를 막을 수 있는 골격 지지 역 할을 하기 때문에 개질 특성이 보다 더 두드러질 수 있을 것으로 사료된다. 또한 이 과정에서 구조의 변 형이 일어남에 따라 새로운 미세기공 또한 생성될 수 있으며 SALAC의 총 기공 부피 중 약 94.5%가 2 nm 이하 크기의 미세기공인 특징을 보였다. 한편 탄소 함량이 적었던 Avicel 유래 활성탄은 비표면적 및 기공 부피 증가폭이 다른 시료에 비해 낮았으며 상대적으로 중공극 이상 크기의 기공이 더 발달하였다.
Fig. 5에 각 활성탄의 기공 크기에 따른 분포도를 나타내었다. AvicelAC에 존재하는 기공은 0.3 ~ 18 nm 범위에서 고르게 분포하는 반면 SALAC, CCNSAC, PinusAC의 경우 4 nm 이하에서 분포도가 집중되어 있 으며 특히 SALAC는 2 nm 이하의 미세기공 분포도 가 더욱 크게 나타났다. 이러한 기공 분포 특성은 추 후 각 활성탄의 활용 분야에도 영향을 미칠 것으로 사료된다.
활성화 공정 전후의 표면 형태 변화를 살펴보기 위해, 네 가지 공시재료와 그에 따른 활성탄에 대해 주사전자현미경(SEM) 촬영을 진행하였다(Fig. 6). 최초 바이오매스 시료는 표면이 밋밋하고 두꺼운 표면을 가지지만 제조된 활성탄의 표면은 층이 얇 아지며 갈라짐과 기공이 형성된 것을 시각적으로 확인할 수 있다. 따라서 표면의 거칠기가 증가하며 총 기공 부피 및 비표면적 특성이 크게 개선된 것으 로 판단된다. Fig. 6(e)와 나머지 활성탄(f)~(h)를 비교해보았을 때, SALAC은 표면 층을 비롯한 골격 구조가 많이 잔존해있는 반면, 다른 활성탄에선 구 조가 붕괴되며 특히 AvicelAC에선 구조 손실이 크 게 발생하였다. 이 경향은 앞서 언급한 비표면적 및 미세기공의 개질 정도 결과와도 부합하며 다른 시 료에 비해 탄소 함량이 높고 축합된 결합 구조인 SAL의 특성이 촉매 활성화 공정 이후 생성되는 활 성탄의 골격 및 구조 발달에도 영향을 미쳤을 것으 로 판단된다.
제조한 활성탄의 친환경 흡착제로서의 활용 가능 성을 평가하기 위해 고정형 흡착 실험을 실시하였다. 세 가지 유기물질 페놀, 2,4-D, 카보퓨란을 대상으로 오염물질 표준용액(100 ppm)을 제조하여 각 활성탄 의 흡착 효율을 측정한 결과를 Fig. 7에 그래프로 나 타내었다. 실험 결과, 각 바이오매스 시료의 흡착 용 량(Fig. 7(a)) 8.3 ~ 59.3 mg/g에 비해 제조된 활성 탄의 흡착 용량(Fig. 7(b))은 모두 90 mg/g 이상으로 높은 효율을 보였다. 유기물질에 따라 살펴보면, 페놀 의 경우 92.0 ~ 94.8 mg/g, 2,4-D와 카보퓨란의 경 우 각각 97.1 mg/g과 98.4 mg/g 이상의 흡착 효율을 나타냈으며 이는 다른 문헌에서 제시된 상용 활성탄 의 효율(페놀 ~ 51.5 mg/g (Hwang et al., 2017), 2,4-D ~ 80-100 mg/g (Aksu & Kabasakal, 2005; Njoku & Hameed, 2011), 카보퓨란 ~ 96.2 mg/g (Salman & Hameed, 2010))과 비교하였을 때 비슷하 거나 더 높은 수치를 나타내었다.
일반적으로 물질 흡착 과정에 관여하는 인자로는 외부 물질과 접촉 기회를 제공하는 비표면적 수치와 직접적인 활성 부위와 관련되어 있는 미세기공의 분 포가 존재한다고 알려져 있다. 앞서 살펴본 바에 따 르면 본 연구에서 제조한 활성탄의 비표면적이 최소 1065 m2/g에서 최대 2341 m2/g으로 상용 활성탄(~ 900 m2/g)에 비해 높은 수치를 나타내며 생성된 기 공의 약 70% 이상이 미세 기공으로 이루어져 있기 때문에 외부 물질을 흡착하기에 좋은 물성을 지닌 것으로 판단된다. 더불어, 탈산소화 및 탈수소화 과 정을 거치며 생성된 방향족 구조의 탄소층을 보유하 고 있기 때문에 유기물질의 방향족 구조와 반응하는 π-π 결합이 더욱 견고해질 수 있다(Wang et al., 2014). 따라서 바이오매스에 직접적인 촉매 활성화 공정을 적용하여 제조한 활성탄을 유기오염 물질이 함유된 수질에 투입할 경우 효과적으로 오염 물질을 제거할 수 있었다. 더 나아가, 제조 공정 및 활성탄의 물성 을 종합적으로 고려해보았을 때 SAL를 이용한 활성 탄을 제조할 경우 다른 바이오매스 시료에 비해 더 욱 높은 비표면적을 지닌 탄소집약적인 활성탄을 고 수율로 획득할 수 있을 뿐만 아니라 유기오염 수질 에 대한 친환경 흡착제로 사용하였을 때 수질 정화 능력 또한 우수한 결과를 나타내었으므로 활성탄 전 구체로의 활용 가능성이 높을 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 당화 부산물인 황산리그닌(SAL)과 코코넛셸(CCNS), 소나무(Pinus), Avicel을 원료로 하 여 수산화칼륨 촉매를 투입하여 고온 촉매 활성화 공 정을 이용한 나노 세공 활성탄을 제조하였다. 또한 생 성된 활성탄(SALAC, CCNSAC, PinusAC, AvicelAC) 에 대한 화학, 표면, 기공 특성을 분석한 후 3종 유 기 오염물질에 대한 흡착 성능을 각각 평가하였다. 제조된 활성탄의 수율은 20.8% (SALAC) > 15.7% (CCNSAS) > 12.6% (PinusAC) > 6.2% (AvicelAC) 였고 이는 초기 시료의 탄소 함량과 열중량 분석 후 남은 고형분의 함량 순서와 부합하였다. 특히 SALAC의 탄소 함량은 91.0%로 가장 탄소 집약적인 구조를 나타내었으며 라만 분광법 분석으로 비정질 의 거대 방향족 구조로 이루어진 탄소막층이 다른 활성탄에 비해 더 많이 존재하는 것을 확인하였다. 비표면적 및 기공 부피 분석 결과 약 6 m2/g, 0.003 cm3/g 미만이었던 바이오매스의 특성이 활성화 공정 이후 각각 1065 ~ 2341 m2/g, 0.412 ~ 1.270 cm3/g 으로 크게 향상되었으며 이 중 SALAC의 표면 특성 변화가 가장 두드러지는 것으로 나타났다. 제조 활성 탄을 각각 페놀, 2,4-D, 카보퓨란 표준용액에 투입한 후 흡착률을 평가한 결과, 모든 유기물질에 대해 90 mg/g 이상의 우수한 흡착 성능을 보였다. 결과적으 로, SAL의 고탄소 축합 구조가 고온 촉매 활성화 공 정 이후 방향족 탄소막층을 함유한 고 비표면적 탄 소 소재로 높은 수율로 변환될 수 있으며 더 나아가 유기계 오염 수질에 대한 뛰어난 정화 효율을 나타 냈기 때문에 추후 활성탄 전구체 및 친환경 흡착제 로써 활용가능성이 높을 것으로 예상된다.
