활성탄은 다양한 기공 구조와 높은 흡착 능력을 가진 탄소 물질로, 역사적으로 구조 연구가 진행되어 왔으며, 물리적 또는 화학적 활성화 과정을 통해 제조된다. 목재, 코코넛 껍질 등 다양한 원료를 사용하며, 분말, 입상, 압출, 구형 등 여러 형태로 제공된다. 활성탄은 넓은 표면적과 높은 흡착 능력을 특징으로 하며, 요오드 흡착력, 당밀 탈색력, 메틸렌 블루 흡착력 등의 성능 지표를 통해 평가된다. 수처리, 공기 정화, 의료, 산업 등 다양한 분야에서 활용되며, 특히 수질 정화, 중독 치료, 촉매, 연료 저장 등에 사용된다. 활성탄은 열 재생, TSA/PSA 공정, MWR, 화학적/용매/미생물/전기화학적/초음파 재생, 습식 공기 산화 등 다양한 방법으로 재활용될 수 있다. 한국은 활성탄 생산 기술을 보유하고 있으며, 환경 문제 해결 및 산업 발전에 기여하고 있다.
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활성탄
활성탄
활성탄 필터
표면적
최대 일반적인 범위:
특징
다공성 탄소 재료 매우 높은 표면적
용도
흡착
기체 및 액체 불순물 제거 수처리 공기 정화 화학 물질 분리 의학 (예: 약물 과다 복용 치료) 식품 및 음료 산업 제련 촉매 및 촉매 지지체
활성탄의 구조는 오랫동안 명확히 밝혀지지 않아 논쟁의 대상이 되어 왔다. 2006년에 출판된 책에서 해리 마쉬와 프란시스코 로드리게스-라인노소는 15가지 이상의 구조 모델을 검토했지만, 어떤 모델이 정확한지에 대한 결론을 내리지는 못했다. 비교적 최근에는 수차 보정 기능이 있는 투과전자현미경을 이용한 연구가 이루어졌는데, 이 연구는 활성탄이 오각형과 칠각형 탄소 고리로 이루어진 풀러렌과 관련된 구조를 가질 수 있음을 시사한다.
3. 제조 방법
활성탄은 목재, 대나무, 야자 껍질, 호두 껍질, 버드나무이탄, 코이어, 갈탄, 석탄, 석유 피치 등 다양한 탄소질 원료로부터 만들어진다. 사탕수수 찌꺼기인 바가스(bagasse)나 드물게는 동물의 뼈나 혈액 같은 동물성 원료를 사용하기도 한다.
이러한 원료를 활성탄으로 만드는 과정, 즉 활성화(賦活)에는 크게 두 가지 방법이 있다.
1. 물리적 활성화: 원료를 수증기나 공기와 같은 고온의 가스를 이용하여 탄화 및 활성화시키는 방법이다.
2. 화학적 활성화: 원료에 염화 아연이나 인산과 같은 화학 약품을 처리한 후 가열하여 미세한 구멍을 많이 만드는 방법이다.
각 방법의 구체적인 공정은 하위 섹션에서 자세히 설명한다.
3. 1. 물리적 활성화
물리적 활성화는 원료를 800°C에서 950°C 사이의 고온으로 가열하여 수증기나 공기와 같은 기체 속에서 탄화시키는 '고온탄화법'을 일반적으로 사용한다.
예를 들어, 대나무 활성탄을 만드는 과정을 살펴보면, 국내에서는 주로 솎아베기한 맹종죽을 사용한다. 맹종죽 1ton을 탄화시키면 300kg의 대나무 숯을 얻을 수 있는데, 이때 숯의 비표면적은 약 600m2/g이다. 이 숯 300kg을 다시 수증기 부활법을 사용하여 활성화시키면 120kg의 활성탄을 얻게 된다. 최종적으로 얻어진 대나무 활성탄의 비표면적은 1200m2/g로, 일반 참숯에 비해 6배 이상 넓은 비표면적을 갖게 된다. 비표면적이 넓을수록 흡착할 수 있는 물질의 양이 많아져 성능이 좋고 오래 사용할 수 있다.
3. 2. 화학적 활성화
목재와 같은 탄소질 원료에 염화 아연이나 인산과 같은 특정 화학 물질을 첨가(함침)하는 방식으로 시작된다. 이 화학 물질들은 일종의 활성화제 역할을 한다. 주로 사용되는 화학 물질은 산, 강한 염기,[1][2] 또는 염[39]이다. 구체적인 예로는 인산(25%), 수산화칼륨(5%), 수산화나트륨(5%), 탄산칼륨(5%),[40] 염화칼슘(25%), 염화 아연(25%) 등이 있다.[41]
화학 물질이 첨가된 탄소 재료를 250°C에서 600°C 사이의 비교적 낮은 온도에서 가열한다. 이 온도에서 화학 물질이 촉매처럼 작용하여 탄소 재료의 구조를 변화시키고 수많은 미세 기공을 만들어 활성탄으로 만든다고 여겨진다.
화학적 활성화는 물리적 활성화 방식과 비교했을 때 몇 가지 장점이 있다. 더 낮은 온도에서 공정을 진행할 수 있고, 생산되는 활성탄의 품질이 더 일정하며, 재료를 활성화하는 데 걸리는 시간이 더 짧기 때문에 선호되는 경우가 많다.[41]
3. 3. 기타 활성화 방법
활성화(賦活이라고도 함) 방법으로는 원료를 800°C~950°C로 가열하여 수증기나 공기 등의 기체 속에서 탄화시키는 고온탄화법이 일반적이며, 이를 물리적 방법이라고 한다.
다른 방법으로는 염화아연 등의 화학약품을 사용하여 처리한 후 가열하여 다공질로 만드는 방법이 있으며, 이를 화학적 방법이라고 한다.
4. 종류
활성탄은 특성과 표면 특징이 복잡하여 명확히 분류하기는 어렵지만, 일반적으로 크기, 제조 방법, 사용되는 산업 분야 등을 기준으로 나눌 수 있다.
명시야 현미경으로 관찰한 분말 활성탄(PAC)의 현미경 사진. 입자의 복잡한 모양은 매우 넓은 표면적을 나타낸다. 사진 속 각 입자의 지름은 약 에 불과하지만, 표면적은 수 제곱센티미터에 달할 수 있다. 전체 이미지는 약 1.1 x 영역을 포함한다.
크기를 기준으로 주로 다음과 같이 나눌 수 있다.
'''분말 활성탄''' (PAC, Powdered Activated Carbon): 매우 미세한 가루 형태의 활성탄이다. ASTM 기준에 따르면, 80 메시(0.177mm) 크기의 체를 통과하는 입자를 PAC로 분류한다. 입자가 매우 작아 확산 거리가 짧고 단위 부피당 표면적이 넓다는 장점이 있다. 하지만 압력 손실이 커서 특정 용기에 담아 사용하기보다는, 원수 취수구나 혼합조, 침전조 등에 직접 투입하는 방식으로 주로 사용된다.
'''과립상 활성탄''' (GAC, Granular Activated Carbon): 분말 활성탄보다 입자가 크다. AWWA(미국수도협회)는 최소 GAC 크기를 50메시(0.297mm)로 규정한다. 입자가 커서 외부 표면적은 PAC보다 작지만, 기체나 증기 형태의 물질을 흡착하는 데 효과적이다. 공기 여과나 정수 처리, 탈취 등 다양한 분야에서 활용된다. GAC는 사용 목적에 따라 다양한 크기로 생산되는데, 예를 들어 액체 처리용으로는 8×20, 12×40, 8×30 크기가, 기체 처리용으로는 4×6, 4×8, 4×10 크기가 주로 사용된다. 그중 12×40 및 8×30 크기는 입자 크기, 표면적, 압력 손실 특성이 균형을 이루어 널리 쓰인다.
주사전자현미경으로 촬영한 과립상 활성탄(GAC)의 현미경 사진
활성탄은 다양한 원료로 만들 수 있다.
'''식물성 원료''': 나무, 대나무, 야자껍질, 호두껍질 등이 널리 사용된다. 특히 야자껍질이나 호두껍질은 폐기물을 효과적으로 재활용하는 사례이다. 사탕수수 찌꺼기인 바가스(bagasseeng)를 이용하려는 시도도 있다.
이 외에도 활성탄은 사용 목적이나 제조 방법에 따라 압출형, 구슬형, 섬유형 등 다양한 형태로 가공될 수 있으며, 특정 성능을 강화하기 위해 다른 물질을 첨가하기도 한다. (자세한 내용은 하위 문단 참고)
4. 1. 형태에 따른 분류
활성탄은 사용 목적과 제조 방식에 따라 다양한 형태로 만들어진다. 주요 형태는 다음과 같다.
'''압출 활성탄''' (EAC, Extruded Activated Carbon): 분말 활성탄에 결합제를 섞어 녹인 뒤, 원통형(직경 0.8mm~130mm)으로 압축하여 만든다. 압력 강하가 적고 기계적 강도가 높으며 먼지가 적게 발생하여 주로 기체 상태의 물질을 흡착하는 데 사용된다. 정수기 등에서 염소, 맛, 냄새를 제거하는 CTO 필터(탄소 필터)로도 쓰인다.
'''구형 활성탄''' (BAC, Bead Activated Carbon): 석유 피치를 원료로 하여 구슬 모양(직경 약 0.35mm~0.8mm)으로 만든다. 압출 활성탄과 비슷하게 압력 강하가 적고 기계적 강도가 높으며 먼지가 적지만, 입자 크기가 더 작다. 구형이기 때문에 물을 여과하는 유동층(fluidized bed) 공정에 적합하다.
'''섬유상 활성탄''' (Activated Carbon Cloth): 레이온 같은 기술적인 섬유를 가공하여 탄소 필터링을 위한 직물 형태로 만든 활성탄이다. 일반 활성탄보다 흡착 능력이 더 클 수 있으며, 다양한 형태로 가공하기 쉬워 슈퍼커패시터, 탈취제, CBRN 방호 산업 등 넓은 분야에서 활용된다.
'''기타 형태''': 위에서 언급된 형태 외에도, 활성탄은 원료 물질, 제조법, 용도에 따라 단순히 부순 덩어리 형태, 더 고운 입자 형태, 아주 미세한 분말 형태 등 다양한 크기로 가공될 수 있다. 또한, 벌집 구조나 원통형 등 특정 구조로 성형되기도 한다.
4. 2. 기타 분류
'''함침 활성탄''': 특정 물질을 더 잘 흡착하도록 요오드나 은과 같은 무기질 함침 물질을 첨가한 다공성 탄소이다. 알루미늄, 망간, 아연, 철, 리튬, 칼슘과 같은 양이온을 함침시킨 활성탄은 박물관이나 미술관의 대기오염 관리에 특화된 용도로 제조되기도 한다. 특히 은을 함유한 활성탄은 항균 및 살균 특성이 있어 가정용 정수기의 흡착제로 사용된다. 천연수를 활성탄과 수산화알루미늄(Al(OH)₃) (플록화제) 혼합물로 처리하여 식수를 얻을 수도 있다. 함침 탄소는 황화수소(H₂S)와 티올을 흡착하는 데에도 사용되며, 무게 기준으로 최대 50%에 달하는 H₂S 흡착률이 보고된 바 있다.
직조 활성탄 천
'''고분자 코팅 활성탄''': 다공성 탄소 표면에 생체 적합성 고분자를 코팅하여 만든 활성탄이다. 이 코팅은 기공을 막지 않으면서 매끄럽고 투과성 있는 막을 형성하여 생체 적합성을 높인다. 이러한 특성 덕분에 고분자 코팅 활성탄은 혈액투석에 유용하게 사용된다. 혈액투석은 환자의 혈액을 다량의 흡착 물질에 통과시켜 혈액 속 유해 물질을 제거하는 치료법이다.
5. 특성
활성탄의 미세 구조는 오랫동안 논의되어 왔으며, 최근 연구에서는 풀러렌과 유사한 구조를 가질 가능성도 제기되었다. 활성탄의 가장 두드러진 특징은 매우 넓은 표면적과 복잡한 다공성 구조이다. 일반적으로 활성탄 1그램(g)은 500m2 이상의 표면적을 가지며, 특정 조건에서는 3000m2에 이르기도 한다.[2][4][5] 이러한 넓은 표면적은 전자 현미경으로 관찰되는 수많은 미세 기공에 의해 형성되며, 이 미세 기공들은 물질이 활성탄 표면에 달라붙는 흡착 현상이 효과적으로 일어나는 핵심적인 역할을 한다.[2]
물리적으로 활성탄은 반데르발스 힘[30]이나 런던 분산력과 같은 비교적 약한 분자 간의 인력을 통해 물질을 표면에 끌어당겨 붙잡는다. 활성탄의 표면은 주로 비극성의 성질을 띠기 때문에, 크기가 작은 비극성 또는 약한 극성을 가진 유기물 분자를 선택적으로 잘 흡착하는 경향이 있다. 반면, 물과 같이 극성이 강한 분자나 알코올, 다이올, 강산 및 강염기, 대부분의 금속 이온 및 무기물(예: 리튬, 나트륨, 철, 납, 비소, 플루오린, 붕산 등)과는 잘 결합하지 않는다. 요오드는 활성탄에 매우 잘 흡착되어 총 표면적을 가늠하는 지표로 사용되기도 하는 반면, 유독 가스인 일산화탄소는 잘 흡착되지 않아 호흡기 필터 등으로 사용할 때 주의가 필요하다.
활성탄의 표면은 화학적으로 반응성이 높아 공기 중의 산소나 수증기 등과 반응하여 표면 성질이 변할 수 있다.[51][59] 또한, 표면에 특정 화학 물질을 처리하여(함침) 특정 오염 물질에 대한 흡착 능력을 선택적으로 높이는 화학 흡착 특성을 부여할 수도 있다.[50] 예를 들어, 황이나 요오드 등을 첨가하여 황화수소(H2S), 암모니아(NH3), 수은(Hg), 방사성 아이오딘-131(131I)과 같은 특정 유해 물질의 제거 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 이러한 다양한 물리적, 화학적 특성 덕분에 활성탄은 냄새 제거(탈취), 수질 및 공기 정화, 유해 물질 제거 등 매우 광범위한 분야에서 중요한 소재로 활용된다. 사용된 활성탄은 흡착된 물질을 열을 가해 분리시켜 재활용할 수도 있지만, 이 과정에서 유해 물질이 다시 방출될 수 있으므로 적절한 관리가 필요하다.
5. 1. 물리적 특성
활성탄은 대부분 탄소 외에 산소, 수소, 칼슘 등으로 이루어진 다공성 물질이다. 다공질 구조 덕분에 부피에 비해 매우 넓은 표면적을 가지며, 이는 활성탄의 주요 특징인 강력한 흡착 능력의 기반이 된다.
=== 표면적 ===
활성탄 1그램(g)은 500m2를 초과하는 표면적을 가질 수 있으며, 특정 조건에서는 3000m2에 달하기도 한다.[2][4][5] 이는 전자 현미경으로 관찰할 때 복잡한 다공성 구조로 나타난다. 이 구조 속에는 흑연과 유사한 평평한 탄소 표면들이 불과 수 나노미터(nm) 간격으로 평행하게 배열된 영역이 많다.[2] 이러한 미세한 틈새, 즉 미세 기공은 흡착 대상 물질이 넓은 표면과 동시에 상호작용할 수 있는 최적의 환경을 제공하여 흡착 효율을 극대화한다. 활성탄의 총 표면적은 요오드 흡착 능력(mg/g)을 측정하는 ASTM D28 표준 시험 방법을 통해 간접적으로 평가하기도 한다. 더 높은 표면적을 가진 물질로는 탄소 에어로젤이 있지만, 가격이 비싸 특수한 용도로 제한적으로 사용된다.
=== 기공 구조 ===
활성탄의 흡착 능력은 넓은 표면적뿐만 아니라 다양한 크기의 기공 구조와 밀접한 관련이 있다. 일반적으로 기공은 크기에 따라 미세 기공(micropore, 2nm 이하), 중간 기공(mesopore, 2~50nm), 거대 기공(macropore, 50nm 이상)으로 분류된다. 특히 미세 기공은 가스나 작은 분자들의 흡착에 중요한 역할을 한다. 흡착 거동 시험은 주로 77,000의 극저온에서 질소 가스를 이용하여 수행되지만, 일상적인 조건에서도 활성탄은 주변 환경의 수증기를 흡착하여 액체 상태의 물을 생성할 수 있다. 예를 들어, 100°C 온도와 1/10,000 기압 조건에서도 수증기 흡착이 가능하다. 과학자 제임스 듀어는 활성탄, 특히 코코넛 기반 활성탄을 액체 질소 온도로 냉각하면 많은 양의 공기 중 기체를 흡착하고, 다시 가열하면 기체를 회수할 수 있음을 발견했다.[43]
=== 밀도 ===
활성탄의 밀도는 두 가지 방식으로 측정된다. 활성탄 자체의 순수한 밀도인 고유밀도(골격밀도)는 일반적으로 2000~2100 kg/m³ (125~130 lbs/ft³) 범위이다.[49] 하지만 활성탄 입자들 사이의 빈 공간(공극) 때문에 실제 사용 시 부피를 차지하는 겉보기 밀도는 이보다 훨씬 낮아 보통 400~500 kg/m³ (25~31 lbs/ft³) 수준이다.[49] 겉보기 밀도가 높을수록 단위 부피당 활성탄의 양이 많아져 부피 활성도가 높아지며, 이는 일반적으로 더 좋은 품질의 활성탄임을 의미한다. 활성탄의 겉보기 밀도는 ASTM D 2854 -09 (2014) 표준 시험법으로 측정한다.
=== 경도 ===
활성탄의 경도는 마모에 대한 저항성을 나타내는 지표이다. 이는 활성탄이 물리적인 힘이나 마찰에도 부서지거나 마모되지 않고 원래 형태를 유지하는 능력을 의미하며, 활성탄의 내구성과 직접적인 관련이 있다. 활성탄의 경도는 사용된 원료 물질과 활성화 과정에서 형성된 기공 구조(활성도)에 따라 크게 달라질 수 있다.
=== 입자 크기 ===
활성탄의 입자 크기는 흡착 속도와 효율에 영향을 미친다. 입자가 작을수록 전체 표면적으로의 접근이 용이해져 흡착 속도가 빨라지는 경향이 있다. 하지만 기체를 처리하는 시스템에서는 입자가 너무 작으면 공기 흐름에 대한 저항(압력 강하)이 커져 에너지 비용이 증가할 수 있으므로, 용도에 맞는 적절한 입도 분포를 선택하는 것이 중요하다. 예를 들어, 금과 같은 귀금속을 회수하는 데 사용되는 활성탄의 경우, 일반적으로 3.35mm~1.4mm 범위의 입자 크기가 사용된다. 입자 크기가 1mm 미만으로 너무 작으면 이후 금을 활성탄에서 분리하는 용출 과정에 어려움이 있을 수 있다.
=== 흡착 원리 및 특성 ===
활성탄은 물리적으로 물질을 끌어당겨 표면에 붙잡아 두는데, 이는 주로 반데르발스 힘[30] 또는 런던 분산력과 같은 분자 간의 약한 인력에 의해 이루어진다. 활성탄의 표면은 대부분 비극성 특성을 띠기 때문에, 물과 같은 극성 분자와의 결합력은 상대적으로 약하다. 대신, 크기가 작은 비극성 또는 약한 극성을 띤 유기물 분자를 선택적으로 잘 흡착한다.
반면, 알코올, 다이올, 강산 및 강염기, 금속 이온, 그리고 대부분의 무기물(예: 리튬, 나트륨, 철, 납, 비소, 플루오린, 붕산 등)과는 잘 결합하지 않는다. 암모니아(NH3) 기체는 비교적 잘 흡착되지만, 물에 녹아 형성된 암모늄 이온(NH4+)은 강한 극성(전하) 때문에 활성탄 표면에 거의 흡착되지 않는다. 일산화탄소(CO) 역시 활성탄에 잘 흡착되지 않는데, 이는 호흡기 필터 등에서 안전상 주의가 필요한 부분이다. 일산화탄소는 무색, 무취의 유독 가스이기 때문이다.
활성탄은 특정 물질에 대한 흡착 능력이 뛰어나다. 예를 들어, 요오드는 매우 잘 흡착되며, 이는 활성탄의 성능 평가 지표로 활용되기도 한다. 또한, 활성탄 표면에 특정 화학물질을 처리하여(함침) 특정 오염물질에 대한 흡착 성능을 높일 수 있는데, 이를 화학 흡착이라고 한다. 예를 들어, 황이나 요오드를 함침시킨 활성탄은 황화수소(H2S), 암모니아(NH3), 포름알데히드(HCOH), 수은(Hg), 방사성 아이오딘-131(131I)과 같은 특정 무기 화합물 및 유기 화합물의 제거 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
5. 2. 화학적 특성
활성탄은 대부분 탄소로 이루어져 있지만, 산소, 수소, 칼슘 등 다른 원소도 포함하는 다공성 물질이다. 구멍이 많은 구조 덕분에 부피에 비해 표면적이 매우 넓어 다양한 물질을 흡착하는 능력이 뛰어나다. 회분 (Ash Content)회분은 활성탄에 포함된 무기물을 의미하며, 활성탄의 전반적인 활성을 감소시키고 재활성화 효율을 떨어뜨린다. 회분의 양은 활성탄을 만드는 데 사용된 원료(예: 코코넛 껍질, 나무, 석탄 등)에 따라 달라진다. 회분 중 금속 산화물(Fe2O3)은 활성탄에서 녹아 나와 변색을 일으킬 수 있다. 총 회분 함량보다는 산이나 물에 녹는 회분 함량이 더 중요한 지표로 여겨진다. 특히 수용성 회분은 산화철이 조류의 성장을 촉진할 수 있어 수족관 환경에서 중요하게 고려된다. 따라서 해수어, 담수어, 산호 수조 등에서는 중금속 중독이나 과도한 조류 성장을 막기 위해 수용성 회분 함량이 낮은 활성탄을 사용하는 것이 좋다. 활성탄의 회분 함량은 ASTM D2866 표준 시험 방법으로 측정한다. 표면 화학 및 반응성활성탄의 산-염기 특성, 산화-환원 반응성, 특정 물질에 대한 흡착 능력은 표면에 존재하는 화학 작용기의 종류와 구성에 크게 영향을 받는다.[50] 활성탄의 표면은 반응성이 높아 공기 중의 산소, 산소 플라즈마[51][52][53][54][55][56][57][58], 수증기,[59][60][61] 이산화탄소[55], 오존[62][63][64] 등과 반응하여 산화될 수 있다. 액체 상태에서는 질산(HNO3), 과산화수소(H2O2), 과망간산칼륨(KMnO4)과 같은 산화제에 의해 산화가 일어난다.[65][66][67] 이렇게 활성탄 표면이 산화되면 다양한 산성 및 염기성 작용기가 형성되어 원래 상태와는 다른 흡착 특성 및 기타 성질을 나타내게 된다.[50]
활성탄은 화학적인 변형을 통해 특정 기능을 강화할 수도 있다. 예를 들어, 천연물이나 고분자[68][69], 또는 질소 함유 시약[70][71][72]을 이용하여 질소 원자를 도입(질소화)할 수 있다. 또한 염소[73][74], 브롬[75], 플루오린[76]과 같은 할로겐 원소와도 상호작용한다.
표면을 플루오르화시키는 방법도 있다. 액체 상태에서 (퍼)플루오로폴리에테르 과산화물[77]을 사용하거나, 화학 기상 증착(CVD) 방식으로 다양한 플루오로 유기 물질을 증착시켜[78] 플루오르알킬화된 활성탄을 만들 수 있다. 이렇게 처리된 활성탄은 물을 밀어내는 성질(소수성)과 화학적 안정성이 높으면서도 전기 및 열 전도성을 지녀 슈퍼커패시터의 전극 재료 등으로 활용될 가능성이 있다.[79]
술폰산(-SO3H) 작용기를 활성탄 표면에 부착하여 '스타본(starbons)'이라는 물질을 만들기도 하는데, 이는 지방산의 에스터화 반응을 선택적으로 촉진하는 촉매로 사용될 수 있다.[80] 할로겐 원소가 포함된 전구체로 스타본을 만들면 남아있는 할로겐이 안정성을 높여 더 효과적인 촉매가 될 수 있다고 여겨진다.[81] 또한, 화학적으로 결합된 초강산 부위(-CF2SO3H)를 가진 활성탄의 합성에 대한 연구도 보고되었다.[82]
일부 화학적 특성은 활성탄 표면에 존재하는 탄소 이중 결합의 영향으로 추정되기도 한다.[64][83] 흡착 특성활성탄의 흡착 능력은 매우 뛰어나지만, 모든 물질을 동일하게 흡착하는 것은 아니다. 활성탄 표면은 기본적으로 비극성(non-polar) 성질을 띠므로, 물과 같이 극성이 강한 분자에 대한 흡착력은 상대적으로 낮다. 반면, 활성탄의 미세한 구멍(세공) 크기보다 작은 입자 형태의 유기물은 선택적으로 잘 흡착하는 경향이 있다.
암모니아(NH3)의 경우, 기체 상태에서는 활성탄에 비교적 잘 흡착되지만, 물에 녹아 암모늄이온(NH4+) 상태가 되면 흡착되기 매우 어렵다. 이는 암모늄이온이 강한 극성을 띠기 때문이다. 따라서 암모늄이온이 녹아 있는 물을 활성탄 필터에 통과시켜도 물 분자와 암모늄이온 모두 거의 흡착되지 않고 그대로 통과하게 된다.
이러한 선택적 흡착 특성 때문에 활성탄은 주로 냄새 제거(탈취), 수질 정화, 공기 중 유해 물질 제거 등에 널리 사용된다. 독극물을 실수로 섭취했을 때 응급 처치로 활성탄 분말을 먹기도 하는데, 이는 소화관 내에 남아있는 독극물이 활성탄에 흡착되어 대변으로 배출되도록 유도하기 위한 목적이며, 활성탄에 잘 흡착되는 종류의 독극물에 한해서 효과가 있다.
활성탄의 흡착 성능을 평가하는 지표 중 하나로 메틸렌블루라는 염료를 얼마나 잘 흡착하는지를 측정하는 방법이 사용되기도 한다. 폴라니 흡착 이론은 다양한 유기 물질이 활성탄 표면에 흡착되는 현상을 분석하는 데 널리 사용되는 이론이다. 재활용활성탄은 다른 내열성 흡착제와 마찬가지로, 사용 후 가열하여 흡착된 물질을 분리시켜 재활용할 수 있다. 다만, 이 과정에서 흡착되었던 유해 물질이 다시 방출될 수 있으므로 충분한 환기 등 안전 조치가 필요하다.
5. 3. 성능 지표
활성탄의 성능을 평가하는 데에는 여러 지표가 사용된다.
요오드수: 활성탄 성능을 나타내는 가장 기본적인 지표로, 활성화 정도와 미세 기공(0angstrom~20angstrom 또는 최대 2nm)의 함량을 나타낸다.[45] 이는 용액에서 요오드를 얼마나 흡착하는지 측정하며, 단위는 mg/g (일반적으로 500~1200 mg/g 범위)이다. 요오드수는 잔류 여과액의 요오드 농도가 0.02N일 때 활성탄 1g에 흡착되는 요오드의 밀리그램 양으로 정의된다.[46] 일반적으로 요오드수가 높을수록 활성화 정도가 높고 미세 기공이 많다는 것을 의미하며, 이는 탄소 표면적 900~1100 m²/g에 해당한다. 액상 응용 분야, 특히 정수 처리용 활성탄(요오드수 600~1100 범위)의 성능을 평가하는 표준 측정값으로 사용된다. 또한 사용 중인 활성탄의 성능 저하(고갈) 정도를 판단하는 데 사용될 수 있지만, 흡착하려는 물질과의 화학적 상호작용이 요오드 흡착에 영향을 미칠 수 있으므로 주의해야 한다.[46]
당밀수: 활성탄의 메조포어(20angstrom 초과 또는 2nm 초과) 함량을 측정하는 지표로, 당밀과 같이 분자 크기가 큰 물질의 흡착 능력을 나타낸다. 당밀수는 보통 95~600 범위이며, 값이 높을수록 큰 분자를 잘 흡착한다. 이는 표준화된 당밀 용액의 탈색 정도를 측정하여 평가하며, 캐러멜 dp(탈색 성능)나 당밀 효율(백분율, 40%~185% 범위)로 표현되기도 한다. 북미 당밀수와 유럽 당밀수는 반비례 관계를 가진다. 당밀수는 특정 폐수 처리에 대한 직접적인 성능 지표가 되기 어려울 수 있지만, 흡착 속도를 비교하는 데 유용하다. 일반적으로 당밀수가 높은 활성탄은 흡착 물질을 내부 흡착 공간으로 더 빠르게 전달하는 경향이 있다.
메틸렌블루 흡착력: 메틸렌블루 염료와 같이 중간 크기의 분자를 흡착하는 메조포어(20angstrom~50angstrom 또는 2nm~5nm) 구조의 성능을 나타낸다. 흡착량은 g/100g 단위로 보고되며, 일반적인 범위는 11~28 g/100g이다.[47] 이는 활성탄의 전반적인 흡착 성능을 평가하는 데 자주 사용되는 방법 중 하나이다.
탈염소화 반감기: 활성탄의 염소 제거 효율을 측정하는 지표이다. 이는 물 속의 염소 농도를 50%까지 감소시키는 데 필요한 활성탄층의 깊이를 의미한다. 반감기 길이가 짧을수록 염소 제거 성능이 더 우수함을 나타낸다.[48]
사염화탄소 활성: 포화 사염화탄소 증기를 이용한 흡착 시험을 통해 활성탄의 전체적인 기공률을 측정하는 지표로 활용된다.
탄닌 흡착력: 탄닌과 같이 크고 중간 크기의 분자가 혼합된 물질을 흡착하는 능력을 나타낸다. 거대 기공과 메조기공을 모두 가진 활성탄이 탄닌을 흡착하며, 그 능력은 ppm 농도(200 ppm~362 ppm 범위)로 표시된다.
6. 활용
활성탄은 숯에 수증기나 인산과 같은 약품 처리를 통해 미세한 구멍을 많이 만들어 표면적을 극대화한 다공성 물질이다.[101][102] 이 넓은 표면적을 이용한 뛰어난 흡착 능력 덕분에 다양한 분야에서 널리 활용된다.
주요 활용 분야는 다음과 같다.
'''수처리''': 수원의 부영양화 방지,[101] 고도 정수 처리(수돗물 생산),[102] 하수 및 폐수 처리 등 물을 깨끗하게 하는 데 핵심적인 역할을 한다.[9]
'''공기 정화''': 공기 청정기,[9] 호흡기용 공기 필터, 군용 방독면의 특수 필터[101] 등에 사용되어 공기 중 유해 물질이나 냄새를 제거한다.
'''산업 공정''': 메탄 및 수소 저장,[1][2] 용매 회수, 금 정제,[9] 금속 추출,[9] 염화수소 생산[10] 등 다양한 산업 현장에서 활용된다.
'''식품 및 기호품''': 진로 '참이슬' 소주 정제 과정에 첨가되어 미네랄을 용출시키고,[103]KT&G '에쎄 수' 담배 필터에 첨가되어 유해 물질을 거르는 등[103] 생활 속에서도 쉽게 찾아볼 수 있다. 카페인 제거[9]에도 사용된다.
'''기타''': 이 외에도 축전식 탈염, 초고용량 스윙 흡착, 압축 공기 필터, 치아 미백, 식용 전자 기기[10] 등 그 활용 범위가 매우 넓다.
활성탄의 흡착 능력은 주로 비극성 물질에 효과적이며, 모든 물질을 흡착할 수 있는 것은 아니다. 이러한 특성을 고려하여 탈취, 정화, 유해 물질 제거 등 특정 목적에 맞게 사용된다. 사용한 활성탄은 가열하여 흡착된 물질을 분리시킨 후 재활용할 수 있으나, 이 과정에서 유해 물질이 방출될 수 있으므로 주의가 필요하다.
6. 1. 환경 분야
활성탄은 숯에 수증기나 인산과 같은 약품 처리를 통해 표면적을 극대화한 다공성 물질로, 환경 분야에서 매우 중요한 역할을 한다.[101][102] 뛰어난 흡착 능력 덕분에 다양한 오염 물질을 제거하는 데 효과적이다.
'''수처리'''
활성탄은 수원의 부영양화 방지,[101] 고도 정수 처리(수돗물 생산),[102] 하수 및 폐수 처리 등 다양한 수처리 공정에 핵심적으로 사용된다.[18] 음용수 여과,[17]지하수 정화,[17] 누출된 오염 물질 제거 등에도 활용된다. 정수기 내부 필터로도 흔히 사용되어 물속의 유기물, 지오스민(geosmin)이나 2-MIB 같은 곰팡이 냄새 유발 물질, 트리할로메탄(trihalomethane)과 그 전구 물질 등을 효과적으로 흡착한다. 특히, 표면에 미생물막을 형성시킨 생물 활성탄은 유기물 분해 능력을 더욱 높여 하천 정화 등에 이용되기도 한다.
활성탄은 일반적으로 정수 시스템에 사용됩니다. 이 그림에서 활성탄은 (아래에서부터 세어) 네 번째 단계에 있습니다.
미국에서는 1974년 안전한 식수법(Safe Drinking Water Act) 제정 당시 미국 환경보호청(EPA)이 정수 시스템에 과립 활성탄(GAC) 사용을 의무화하려 했으나, 높은 비용 문제로 인해 일부 대규모 상수도 사업자들의 반대에 부딪혀 규정 시행이 보류되기도 했다.[20] 그럼에도 활성탄 여과는 다기능적 특성으로 인해 여전히 효과적인 정수 방법으로 인정받고 있다.[19]
또한, 바이오매스 폐기물로 만든 활성탄은 물속의 카페인이나 파라세타몰(아세트아미노펜)과 같은 의약 성분을 제거하는 데 성공적으로 사용된 연구 결과도 있다.[21] 은(Ag)을 첨가한 활성탄은 항균 및 살균 효과가 있어 가정용 정수 필터에 사용되며, 수산화알루미늄(Al(OH)₃)과 혼합하여 천연수에서 식수를 얻는 데 활용되기도 한다.
'''대기 정화'''
활성탄은 공기 청정기 필터,[9] 호흡기용 공기 필터, 압축 공기 필터 등에 사용되어 공기 중 유해 물질과 악취를 제거한다. 산업 현장에서는 도장, 드라이클리닝, 주유소 등에서 발생하는 휘발성 유기 화합물(VOCs)을 포집하고 회수하는 데 중요한 역할을 한다.[19] 특히 용매 회수 장치(SRU, SRP, SRS)를 통해 유연 포장, 코팅 공정 등에서 배출되는 VOCs를 회수하여 재활용하는 데 기여한다.[19]
탈취제로서 악취 분자를 흡착하여 제거하며, 군용 방독면에는 촉매를 추가로 도포한 특수 활성탄 필터가 사용되어 유독 가스로부터 호흡기를 보호한다. 실내 공기 중 라돈 농도를 측정하는 데에도 활성탄이 사용된다. 박물관이나 미술관에서는 대기오염 물질로부터 문화재를 보호하기 위해 알루미늄, 망간, 아연 등 특정 금속 이온을 함침시킨 특수 활성탄을 사용하기도 한다. 황화수소(H₂S)나 티올과 같은 악취 물질 제거에도 효과적이다.
'''기타 환경 응용'''
활성탄(숯)은 유기농업에서 축산과 포도주 양조에 사용이 허가된 물질이다. 축산업에서는 가축의 사료 첨가제나 살충제 대용 등으로 사용되며,[22] 유기농 포도주 양조에서는 포도 농축액의 불필요한 색소를 제거하는 데 쓰인다.[23] 때로는 토양 개량을 위한 바이오차로 활용되기도 한다.
'''흡착 원리와 한계'''
활성탄은 탄소를 주성분으로 하며 산소, 수소, 칼슘 등을 포함하는 다공성 물질이다. 이 미세한 구멍들 덕분에 부피 대비 매우 넓은 표면적을 가지며, 이를 이용해 다양한 물질을 표면에 달라붙게 하는 흡착 능력을 발휘한다.
하지만 모든 물질을 흡착할 수 있는 것은 아니다. 활성탄 표면은 비극성(non-polar) 성질을 띠므로, 물과 같은 극성 분자에 대한 흡착력은 상대적으로 낮다. 주로 활성탄의 미세 구멍보다 작은 크기의 비극성 유기물을 선택적으로 흡착하는 경향이 있다. 예를 들어, 악취의 원인 중 하나인 암모니아(NH₃)는 기체 상태일 때는 활성탄에 잘 흡착되지만, 물에 녹아 암모늄 이온(NH₄⁺) 상태가 되면 극성이 매우 강해져 활성탄에 거의 흡착되지 않는다.
이러한 특성을 고려하여 활성탄은 주로 탈취, 수질 정화, 유해 물질 제거 등 특정 목적에 맞게 사용된다. 활성탄의 흡착 성능은 일반적으로 메틸렌 블루 시약을 얼마나 잘 흡착하는지로 평가한다. 사용한 활성탄은 가열하여 흡착된 물질을 분리시킨 후 재활용할 수 있으나, 이 과정에서 유해 물질이 방출될 수 있으므로 환기 등에 주의가 필요하다.
6. 2. 의료 및 건강 분야
의료용 활성탄
활성탄은 의료 및 건강 분야에서 다양하게 활용된다. 대표적인 용도는 경구 섭취 후 발생한 중독이나 과다복용의 치료이다.[11] 활성탄은 소화관 내에 남아있는 특정 독성 물질이나 약물을 흡착하여 체외로 배설시키는 해독제 역할을 한다. 이러한 효능 덕분에 활성탄은 세계보건기구 필수의약품 목록에도 포함되어 있다.[13]
그러나 활성탄이 모든 종류의 독성 물질에 효과적인 것은 아니다. 예를 들어 강산이나 강염기, 시안화물, 철, 리튬, 비소와 같은 중금속, 메탄올, 에탄올, 에틸렌 글리콜 등에는 흡착 효과가 거의 없다.[11][12] 또한, 장폐색이나 소화관 천공이 있는 경우에는 사용이 금지된다. 따라서 활성탄을 이용한 해독 치료는 반드시 의사의 정확한 진단과 판단 하에 이루어져야 한다. 잘못된 방법으로 사용하거나(예: 폐로 흡입) 필요한 상황이 아닌데 사용하면 심각한 부작용을 초래할 수 있으며, 특히 흡인성 폐렴은 치명적일 수 있다.[14]
일부 국가에서는 활성탄 정제나 캡슐이 설사, 소화불량, 가스 증상 완화를 위한 일반의약품으로 판매되기도 하지만, 이러한 증상에 대한 활성탄의 의학적 효과는 입증되지 않았다.[11]
만성 신부전 환자 치료에도 활성탄이 사용된다. 구형 흡착탄 형태의 활성탄을 경구 투여하면, 소화관 내에서 요독증을 유발하는 물질들을 흡착하여 대변으로 배설시킨다.[97] 이는 혈액 투석 시작 시기를 늦추는 데 도움을 줄 수 있다.
한편, 건강기능식품으로 활성탄이 "장 청소"나 "노폐물 제거"에 효과가 있다고 광고되기도 한다. 하지만 급성 중독 치료 외에 이러한 효능에 대한 신뢰할 만한 과학적 근거는 부족하다.[98] 오히려 장기간 복용 시 소화기 장애와 같은 부작용이 보고되고 있다.[98] 또한, 활성탄이 첨가된 식품(예: 검은색 아이스크림, 빵 등)을 섭취할 경우, 경구 피임약이나 항우울제 등 다른 약물의 흡수를 방해하여 약효를 떨어뜨릴 수 있으므로 주의가 필요하다.[34]
6. 3. 산업 분야
활성탄은 다양한 산업 분야에서 중요한 역할을 수행한다.
'''화학 공업'''
화학 공업에서는 촉매로 사용되거나 용매 회수, 정제 공정에 활용된다. 고체 촉매로서 기체 원료와 상호 작용하여 화학 결합을 형성하고, 특정 반응을 촉진하는 화학흡착 과정에 이용된다. 또한, 유연 포장, 코팅 등의 공정에서 발생하는 휘발성 유기 화합물(VOC)을 회수하는 장치(SRU, SRP, SRS)에도 사용된다.[19] 실험실 규모에서는 유기 분자 용액의 불순물을 제거하는 데 쓰이며, 대규모 정밀 화학 및 제약 공정에서도 불순물 제거 목적으로 활성탄 여과가 이루어진다.[27][28]
'''금속 제련 및 표면 처리'''
금 정제[9] 및 금속 추출[9] 과정에 활성탄이 사용된다. 특히 금속 표면 처리 분야에서는 전기도금 용액의 정제에 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 광택 니켈 도금 용액에 첨가된 유기 첨가제가 분해되어 생성되는 불순물을 활성탄 처리로 제거하여 도금 품질을 유지한다.
'''에너지 및 연료'''
메탄과 수소 같은 기체를 저장하는 매체로서의 가능성이 연구되고 있다.[1][2] 활성탄의 다공성 구조는 반데르발스 힘을 통해 기체를 흡착하며, 이는 기존의 고압 탱크 방식보다 낮은 압력과 가벼운 무게로 기체를 저장할 수 있는 잠재력을 가진다.[25][26] 황[29]이나 요오드를 함침시킨 활성탄은 석탄화력발전소, 의료용 소각로 등에서 발생하는 수은 배출을 포집하는 데 널리 사용된다.[30]원자력 발전소에서는 터빈 응축기 공기 내의 방사성 기체를 흡착하여 유지하는 데 사용되기도 한다.
'''식품 및 음료 산업'''
식품 산업에서는 주로 정제 및 탈색 목적으로 사용된다. 진로의 '참이슬' 소주는 대나무 활성탄을 정제 과정에 사용하여 미네랄을 용출시키고,[103]보드카나 위스키는 활성탄 필터를 통과시켜 색깔, 맛, 냄새에 영향을 줄 수 있는 유기 불순물을 제거한다.[24] 유기농 포도주 양조 시에는 흰색 포도 농축액의 갈색 색소를 흡착하는 데 허용된다.[23] 2016년에는 식품 첨가물로 주목받아 핫도그, 아이스크림 등에 사용되기도 했으나, 약물 복용 시 활성탄 성분이 약효를 저해할 수 있다는 주의가 필요하다.[32][34]
'''환경 관련 산업'''
정수 및 하수 처리 분야에서 활발하게 사용된다. 고도 정수 처리,[102] 하수 및 폐수 처리[18], 먹는물 여과,[17]지하수 정화 등 다양한 수처리 공정에 적용된다. 공기 청정기,[9] 호흡기의 공기 필터, 압축 공기 필터 등 공기 정화 용도로도 널리 쓰이며, 도장, 드라이클리닝, 휘발유 판매 작업 등에서 발생하는 휘발성 유기 화합물(VOC)을 포집하는 데에도 효과적이다.[19]
박물관이나 미술관에서는 대기오염 관리를 위해 알루미늄, 망간, 아연 등 특정 무기질을 함침시킨 활성탄이 사용되기도 한다.
6. 4. 기타 분야
활성탄은 뛰어난 흡착 능력 덕분에 정수 처리 외에도 다양한 분야에서 활용되고 있다.
'''방독면''': 공기 중의 유독 가스를 흡착하여 제거하는 흡착통에 사용된다. 다만 모든 종류의 유독 가스를 제거할 수 있는 것은 아니며, 용도에 따라 활성탄이 사용되지 않은 흡착통도 존재한다. 특히 군용 방독면에는 활성탄 표면에 촉매를 추가로 도포한 특수 활성탄 필터가 쓰인다.[101]
'''담배 필터''': KT&G의 '에쎄 수'와 같은 일부 담배 제품의 필터에 첨가되어 연소 과정에서 발생하는 타르 함량 및 기타 화학 물질, 특히 자유 라디칼과 같은 유해 물질을 줄이는 데 사용된다.[103][35]
'''일회용 핫팩''': 일부 일회용 핫팩의 구성 성분으로 사용되기도 한다.
'''하천정화''': 하천 정화를 위해 활성탄이 들어있는 자루를 하천 바닥에 설치한 모습. 대구리가와(大栗川)의 예시. 하천 바닥에 활성탄을 설치하여 미생물이 서식할 공간을 제공하고, 이 미생물들이 유기물을 분해하여 수질을 개선하는 데 활용된다.
'''공기 청정기 및 탈취제''': 공기 중의 에어로졸이나 악취를 유발하는 분자를 흡착하여 제거하는 용도로 사용된다.[9]
'''기타 산업 및 의료 분야''': 이 외에도 활성탄은 메탄 및 수소 저장,[1][2] 축전식 탈염, 초고용량 스윙 흡착, 용매 회수, 카페인 제거, 금 정제,[10] 금속 추출, 정수, 의학(독극물 흡착 등), 하수 처리, 호흡기의 공기 필터, 압축 공기 필터, 치아 미백, 염화수소 생산, 식용 전자 기기,[10]시약·의약품 제조 시 불순물 제거 등 매우 다양한 분야에서 활용되고 있다.
7. 재활용
활성탄의 재활성화 또는 재생은 사용 후 포화된 활성탄 표면의 오염물질을 제거하여 흡착 능력을 회복시키는 과정이다. 이를 통해 활성탄을 재사용할 수 있다.
7. 1. 열 재생
벨기에 펠뤼에 위치한 세계 최대 재활성화 설비.
벨기에 뢰셀라르에 위치한 활성탄 재활성화 센터.
활성탄의 재활성화 또는 재생은 활성탄 표면에 흡착된 오염물질을 탈착하여 포화된 활성탄의 흡착 능력을 회복시키는 과정이다.
산업 공정에서 가장 일반적으로 사용되는 재생 기술은 열 재생이다.[84] 열 재생 공정은 일반적으로 다음 세 단계를 거친다.[85]
약 105°C에서 흡착제를 건조시킨다.
불활성 기체 환경에서 고온(500°C에서 900°C)으로 가열하여 흡착된 물질을 탈착시키고 분해한다.
고온(800°C)에서 비산화성 가스(수증기 또는 이산화탄소)를 사용하여 남아있는 유기물을 가스화하여 제거한다.
첫 번째 열처리 단계는 흡착 과정이 발열 반응이라는 특성을 이용하여 흡착된 유기물을 탈착시키고, 부분적으로 열분해하거나 중합시킨다. 마지막 가스화 단계는 이전 단계에서 활성탄의 미세한 구멍 구조에 형성된 탄화된 유기 잔류물을 제거하고, 다공성 탄소 구조를 다시 노출시켜 원래의 표면 특성을 재생하는 것을 목표로 한다. 이렇게 처리된 활성탄은 다시 사용할 수 있다. 하지만 흡착과 열 재생 과정을 반복할 때마다 탄소층의 5~15wt% 정도가 연소되어 흡착 용량이 조금씩 감소한다.[86]
열 재생은 매우 높은 온도가 필요하기 때문에 에너지가 많이 소모되는 공정이며, 에너지 비용과 상업적 측면 모두에서 비용이 많이 든다.[85] 활성탄의 열 재생을 이용하는 설비는 경제적으로 현장에서 직접 재생 시설을 운영하려면 일정 규모 이상이어야 한다. 이 때문에 규모가 작은 폐기물 처리 시설에서는 사용한 활성탄을 전문 재생 시설로 운송하여 처리하는 것이 일반적이다.[87]
7. 2. 기타 재생 방법
활성탄의 재활성화 또는 재생은 활성탄 표면에 흡착된 오염물질을 탈착하여 포화된 활성탄의 흡착능을 회복하는 과정을 말한다.
활성탄의 열 재생 방식이 고에너지 소비 및 높은 비용 문제로 인해 환경적 영향에 대한 우려가 커지면서, 이를 대체할 재생 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 언급된 재생 기술 중 상당수는 아직 학문적 연구 단계에 머물러 있지만, 일부 대안 기술들은 산업 현장에 적용되고 있다. 현재 연구되거나 적용되는 대안적인 재생 방법은 다음과 같다.
TSA(열스윙흡착) 및/또는 PSA(압력스윙흡착) 공정: 대류(열전달)을 이용한 수증기,[88] "고온" 불활성 기체(일반적으로 가열된 질소 150°C–250°C),[89] 또는 진공(TSA와 VSA 공정을 결합한 T+VSA 또는 TVSA)[90]현장 재생
MWR(마이크로웨이브 재생)[91]
화학적 및 용매 재생[92]
미생물 재생[93]
전기화학적 재생[94]
초음파 재생[95]
습식 공기 산화[96]
8. 한국의 활성탄 산업
국내에서는 맹종죽을 솎아베기하여 활성탄을 생산하는 기술이 활용되고 있다. 이 과정은 다음과 같다.
2. 활성화: 얻어진 대나무 숯 300kg을 수증기 부활법을 사용하여 활성화시키면 최종적으로 120kg의 활성탄을 생산할 수 있다.
1차로 얻어진 대나무 숯의 비표면적은 약 600m²/g이며, 최종 생산된 대나무 활성탄의 비표면적은 1200m²/g에 달한다. 이는 일반 참숯에 비해 6배 이상 넓은 비표면적을 가지는 것으로, 비표면적이 넓을수록 흡착할 수 있는 물질의 양이 많아져 성능이 우수하고 더 오래 사용할 수 있음을 의미한다.
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