(1) 활성탄의 정의 
활성탄은 목재, 아탄, 갈탄, 역청탄 및 야자각 등을 원료로 제조되는 미세세공이 잘 발달된 무정형탄소의 집합체로서, 활성화 과정에서 분자 크기 정도의 세공이 형성되어 큰 내부표면적을 갖는 흡착제이다. 활성탄이란 탄소물질 또는 탄소를 함유한 물질을 활성화시킨 것으로 내부 표면적이 크고 흡착력이 매우 강한 무정형탄소의 집합체이다. 활성탄의 주성분은 탄소이외에 소량의 산소, 질소, 수소, 유황 등의 원소를 함유하고 있으며, 회분 및 수분이 존재하고 있다. 활성탄의 흡착능력은 비표면적이 좌우하며 활성탄 1g은 1,000~1,700(㎡)의 표면적을 갖고 있는 다공성물질이다. 

(2) 활성탄의 종류 

① 물리적 현상에 의한 분류 

-분말활성탄 : 원료는 톱밥과 석탄이며 400 ~ 700℃에서 타르 및 휘발분을 제거하여 탄화시키고, 900 ~ 1200℃의 유동활성로에서 수증기, 공기 등과 같은 산화성가스로 활성화시켜 수요자의 요구에 따라 수분, pH, 입도, 탈색력등을 조절하여 제조한다. 용도로는 탈색, 탈취, 상수 및 폐수처리, 수율 및 순도향상등에 사용된다. 분말활성탄의 경우 정제용, 식품공업, 의약품의 탈색, 탈취, 폐수처리, 촉매담체등에 사용되고 액상의 경우는 SLUDG형으로 작용되며, 기상의 경우는 고정형을 필요로 한다. 
-파쇄(입상) 활성탄 : 원료는 야자껍질, 갈탄, 무연탄, 역청탄 등이며 400 ~ 700℃에서 타르 및 휘발분을 제거하여 탄화시키고 900 ~ 1200℃의 회전로에서 수증기, 공기등과 같은 산화성 가스로 활성화시켜 입자 크기별로 선별하여 제조한다. 용도로는 공기정화, 상수 및 폐수처리, 초순수처리 등에 사용된다. 입상활성탄의 경우로는 공기정화, 정제, 촉매담체, 용제회수, 폐수처리, 탈색제, 정제 등에 이용되며 분말탄에 비하여 취급이 용이하다. 
-조립(성형) 활성탄 : Binder를 첨가하여 성형, 형상 및 크기가 다양하다. 

② 출발원료에 의한 분류

-식물계 활성탄 : 목재, 톱밥, 야자각등 
-석탄계 활성탄 : 아탄, 갈탄, 역청탄, 무연탄, 유연탄 등 
-석유계 활성탄 : 석유잔사, 황산 Sludge, Lil Carbon 등 
-기 타 : Pulp 폐액, 합성수지 폐액, 유기질 폐물 등 


③ 제조방법에 의한 분류

-가스부활법 : 각종의 산화성 가스(수증기, 이산화탄소, 공기 등)에 의해 고온(800~1100℃)가스화 반응으로 부활되고 흡착성능은 산화성 가스의 화학적 성질과 농도, 반응온도, 부활시간, 원료에 포함되어 있는 무기성분의 양과 종류등에 의해서 결정되며, 회전로(Rotary Kiln)와 다단로(Multiple Hearth Furnace)를 이용하여 활성탄을 제조한다. 
-약품부활법 : 탈수성의 염류 및 산(염화칼슘, 염화마그네슘, 염화아연, 인산, 황산 등)을 사용하여 약품처리하는 부활법이며, 대체적으로 제조공정의 복잡성, 장치부식, 2차 환경오염 및 경제성 등으로 가스부활법(Steam)이 널리 사용되고 있다. 

2.활성탄의 특징

-세공이 잘 발달되어 광범위한 표면적을 가지고 있다. 
-천연 야자각의 강도는 충분한 내열성을 가지고 있으므로 성능이 오래도록 유지된다. 
-엄격한 선별작업으로 입도가 균일하다. 
-용도별로 매우 다양한 제품을 수입한다. 

1.활성탄의 흡착 특성

(1) 세공구조(Pore Structure)

활성탄의 유기물 흡착량이 다른 흡착제에 비교해서 큰 원인중의 하나는 활성탄의 물리적 성상을 들 수 있다. 흡착물질은 입자외부 표면에 가까운 거대 공극에서 입자내부의 미세공극으로 확산되면서 흡착해간다. Dubinin은 활성탄의 세공분포를 3분산 세공계로서, 세공반경의 크기에 따라서 다음과 같이 분류하고 있다. 

3종류의 세공은 흡착에 대해서 특징이 있는 움직임을 하지만 흡착에 가장 큰 의미를 지닌 것은 Micro pore이다. 기상 흡착제에는 흡착분자의 대부분은 그 크기에 있어서 이 Micro pore가 결정한다.
중세공(Transitional pore)에서는 첫째, 모세관응축에 의하여 증기를 포착한다. 둘째, 세공내 확산속도에 영향을 미쳐 흡착질이 미세공(Micro pore)로 가는 것을 도와준다. 세 번째는 액상흡착에 있어서 분자경이 큰 흡착질에 유용하다.
활성탄에서의 Micro Pore(미세공)와 Transitional pore(중세공)는 주로 피흡착 물질이 흡착부위(Adsorption site)에 도달하는 통로 역할을 하며 흡착속도를 지배하는 입자로서 매우 중요하다. 따라서, 세공구조 및 세공분포는 활성탄 흡착에 큰 영향을 미치는 물리적 요인이다. 

(2) 활성탄의 흡착과정 

-1단계 : 흡착질 분자들의 액경막 즉 흡착제 외부 표면으로 이동 
-2단계 : 흡착질이 흡착제의 대세공, 중간세공을 통해 확산 
-3단계 : 확산된 흡착질이 미세공 내부 표면과의 결합 또는 미세공에 채워짐 

1단계와 2단계는 일반적으로 속도가 늦는 반면에 3단계는 매우 빠르다. 


(3) 기상흡착과 액상흡착

① 기상흡착의 특성(사용상의 고려점)

-온도가 상승할수록 흡착량은 감소한다. 
-흡착질의 농도 및 상대증기압이 높을수록 물질이 흡착되기 쉽다.(흡착량이 증가한다) 
-비점 또는 임계온도가 높을수록 물질이 흡착되기 쉽다. 
-2성분 혼합가스의 경쟁 흡착에 있어서는 단독 흡착시 강하게 흡착되는 성분쪽이 더욱 강하게 흡착된다. 
-저압(1mmhg 이하)에서는 동족열 화합물의 분자 크기에 따라 흡착력이 증가한다. 


② 액상흡착의 특성 : 활성탄은 소수성 물질이므로 흡착질이 소수성 일수록 흡착이 용이하다.

-물에 대한 용해도가 작은 물질이 잘 흡착되며, 용해도가 큰 물질은 물과 강하게 수소결합을 하여 물에 대한 친화력이 강하므로그만큼 흡착이 어려워진다. 
약전해질의 유기물은 이온상태 보다도 분자 상태에 있을 때 흡착량은 크다. 폐수의 pH를 2~3까지 내리고 흡착시키면 유기물 제거율이 증가하는 경우가 많은데, 이는 폐수증 유기산이 pH가 낮은 영역에서 이온화하는 비율이 낮기 때문이다. 
-방향족은 지방족에 비교하여 잘 흡착되는 성질이 있으며, 액체에 용해할 때 표면장력을 현저히 감소시키는 물질 (Ex. 합성세제)이 Gibbs의 흡착이론에 의하면 잘 흡착된다. 
-흡착질(용질)과 용매에 대한 흡착제의 인력 
-회합 
-각종 흡착질간의 상호 경쟁 흡착 작용 
-공흡착 : 물에 불용성인 산성염료를 흡착한 활성탄은 수용액에서 알카리를 잘 흡착하는데 이와 같은 피흡착질의 협동작용 
-표면작용기 : 표면 작용기는 원료와 열분해, 활성화 등 제조공정에 따라 크게 달라질 수 있으며, 가장 많이 알려진 작용기로는 카르복실기, 폐놀성 수산기, 카르본산무수물, 고리모양의 가산화물 등도 관찰된다. 
(4) 기상흡착과 액상흡착

흡착형태에 따른 분류

1. 활성탄의 표면

2. 활성탄의 기능

기상이나 액상 또는 혼합조성이라도 특정성분을 종류에 관계없이 선택적으로 흡착하여 적합한 처리에 의하여 흡착한 물질을 용이하게 탈착시켜 흡착력을 회복할 수 있어 연초제조, 환경분야(대기,수질), 식품공업 등 여러 산업분야에서 필터용, 탈색, 탈취, 용제회수, 유기물질 제거 등 여러 분야에서 활용되고 있다. 

3. 활성탄의 용도

활성탄은 크게 기상용과 액상용으로 용도를 구분할 수 있으며, 업종에 따라서 사용되어지는 용도는 다음과 같다. 

활성탄 선택시 고려사항

-활성탄소의 교체주기는 흡착성능과 밀접한 관계가 있습니다. 
-액상용과 대기용은 구별하여 사용하여야 합니다. 
-활성탄소에 불순물이 적게 함유되어 있어야 하며 기계적 강도가 우수해야 합니다. 
- 흡착탑내 압력손실을 고려하여 적당한 입도를 선택하여야 합니다. 


활성탄 효율증대를 위한 5가지 요소

-표면적 : 피흡착물질의 흡착량에 중요한 영향을 미치며 요오드흡착력과 밀접한관계가 있다. 
-세공크기 : 활성화 조건과 원자재선택에 의해서 결정되고 흡ㆍ 탈착의 속도와 이행량, 다른분자 크기의 흡착량(Retentivity)에 영향을 준다 
-세공용적 : 세공용적은 활성화공정과 조건에 의해 결정되고 총 흡착량과 흡착수명에 영향을 준다. 
-입자크기 : 입자크기는 원자재 분쇄 및 활성화 후 선별에 의해 생성되고, 세공 속으로 확산되는 속도와 카본층(Bed)을 통과하는 압력손실에 영향을 준다. 
-경도 : 제조공정과 원자재에 의해서 결정되고 취급제품의 층분리와 열재생의 수율에 영향을 준다. 


활성탄의 교체 시기


활성탄은 분자크기정도의 미세세공이 잘 형성되어 큰 내부 표면적을 가지게 되는 흡착제이다. 이 표면적은 활성탄의 생명인 흡착능력을 좌우하게 된다. 세공의 분포는 Micro pore(미세공), Transiton pore(중세공), Macro pore(대세공)라 하는데 ,이 기공을 오염물질(Ex. COD, BOD, N-Hexan, ABS 등)이 흡착되어 제거되면서 활성탄소의 흡착능력을 상실하게 된다.
그런데, 오염물질 흡착 진행 중에 분자량이 큰 유기오염물질이 기공의 입구부분을 막아버리게 됨으로서 활성탄소 본연의 흡착력을 반감시켜 버린다. 통상 활성탄 교체시점을 산정시 요오드 흡착력을 교체선정 자료로 사용하는데 신탄의 경우 요오드 흡착력은 1,000mg/g 이상이다.
이론적으로 볼때 요오드 흡착력이 0 Point시 교체해야 하는데 실제 사용시는 위 설명의 문제로 인해 흡착력이 약 500~600mg/g일시 수명이 다한 것(파괴점, Break Point)으로 간주하여 교체시점으로 잡는다.

활성탄의 용어

-TM(Total Moisture) : 활성탄에 함유된 수분량을 백분율로 나타낸것으로 건조감량이라 한다. (시험방법은 115±5℃에서 3시간 건조시켜 그 감량을 구한다.) 
-VM(Volatile Matter) : 건조된 활성탄에 함유된 휘발성분을 백분율로 나타낸 것으로 휘발분이라 한다. (시험방법은 925±5℃에서 7분간 휘발된 량을 구한다.) 
-Ash : 건조된 시료를 완전연소 후 남는 잔분을 백분율로 나타낸 것으로 강열잔분이라 한다. (시험방법은 800℃에서 1시간정도 연소시켜 그 잔량을 구한다.) 
-BD(Bulk Density) : 단위부피내의 충전된 활성탄의 량을 무게로 나타낸 것이다. (단위는 g/㎖) 
-경도(Hardness) : 입자상의 활성탄의 물리적 강도를 나타낸 것으로 Ball Pan Hardness를 말하며 시험방법은 일정크기의 활성탄 100cc와 직경이 1/2, 3/8 Inch인 Steel Ball(강구) 각각 15개씩을 황동 Pan에 넣고 30분간 Rotation Tap(체 진탕기)에서 진탕후 입도표시 하한에 대응하는 체 눈금 2단 아래의 체로 분리하여 체위에 남는 량의 백분율을 구한다. 
-요오드가 : 활성탄 단위 g당 요오드의 흡착량을 mg으로 나타낸 것으로 시험방법은 0.1N 요오드액 50㎖와 분말화 한 활성탄 0.5g을 삼각플라스크에 넣고 진탕기내에서 15분간 진탕시킨 후 50㎖ 침전관에 옮겨 원심분리기로 고, 액분리 후 분리된 액속의 잔류농도를 0.1N티오황산나트륨 용약으로 적정하여 구하여 흡착된 요오드량을 계산하여 구한다. 
-MB가 : 활성탄 단위 g당 Methylene Blue 청색잉크를 탈색시키는 시험으로 탈색가능량을 ㎖로 나타낸 것이다. 
-벤젠가 : 활성탄을 U자간에 5-10g내로 충전시킨후 벤젠증가와 접촉시켜 활성탄 단위 g당 흡착된 벤젠증기량을 무게 %로 나타낸 것이다. 
-페놀가 : 100ppb(0.1ppm)페놀용액의 페놀을 90%제거하여 10ppb로 하는데 필요한 활성탄의 량을 ppm으로 표시한 것이다. 
-ABS가 : ABS 5.0ppm용액에 활성탄을 첨가하여 1시간후 잔존 ABS량을 0.5ppm으로 하는데 필요한 시료의 량을 ppm으로 표시한 것이다. (ABS : Alkyl Benzens Sulfonate음이온 계면활성제로 세제성분) 
-입도(Size) : 활성탄의 입자상의 크기를 mesh 또는 mm의 크기로 나타낸 것이다.