The adsorption of phenols with activated carbon has been studied as a model system for liquid-phase adsorption of organics from aqueous solutions. The design of adsorption equipments and the prediction of performance of equipment require information on the adsorption equilibria and mass transport mechanisms of adsorbates. For multicomponent adsorption systems, the competitive adsorption and the diffusional interaction between adsorbable species should also be considered.
Single and two-component adsorption isotherms for phenols on activated carbon were studied experimentally. The Freundlich isotherm was suitable for single component systems. For competitive two-component adsorptions, two different Freundlich-type multicomponent isotherms were tested. An empirical isotherm proposed by Fritz and Schlunder (1974) gave good predictions of the amount adsorbed whereas the isotherm derived by Sheindorf et al. (1981) could be used satisfactorily when each component had a similar affinity for activated carbon.
Experimental data of single component systems obtained in batch experiments were analyzed by two diffusion models, the pore diffusion model and the surface diffusion model. Although the amount of each adsorbate adsorbed was predicted properly by both models, the surface diffusion was more proper in describing the intraparticle diffusion than the pore diffusion. The concentration dependence of surface diffusion coefficients, $D_s$, was represented by a simple empirical equation in terms of the amount adsorbed, q, and the surface coverage, θ. For multicomponent systems, it was better to use the dependence of $D_s$ on θ than that on q, since surface migration of each adsorbate is affected by the surface coverage formed by all species on the surface. The adsorbate having lower affinity for the adsorbent had stronger concentration dependence of $D_s$. The affinities of phenols for activated carbon are in the order: phenol < p-chlorophenol < p-nitorphenol.
A multicomponent surface diffusion model was presented in order to include the diffusional interactions in dealing with multicomponent adsorption data. the diffusional interaction coefficients, $W_{ij}$, in the model were determined from experimental counter adsorption data. The numerical values of $W_{ij}$ were in the range of 0.4-0.9, indicating that the effect of diffusional interaction is strong and the introduction of $W_{ij}$ is necessary.
For fixed bed adsorptions, a lumped model was developed by using the linear driving force approximation in describing the diffusion within the particle. This model did not require much calculation time in spite of considering both the effects of film and intraparticle mass transfer resistance. With values of $D_s$ and $W_{ij}$ obtained in the batch systems, this approximate model could properly predict the breakthrough curves for multicomponent simultaneous- and counter- adsorptions in fixed bed adsorbers.
활성탄에 의한 페놀류의 흡착은 수용액으로 부터 유기물의 액상흡착에 대한 대표적인 계로서 연구되어 왔다. 흡착장치의 설계와 성능의 예측은 흡착평형과 흡착물질의 이동기구에 관한 정보를 요구하고 있으며, 다성분흡착의 경우에는 흡착물질 상호간의 경쟁흡착과 확산간섭 등의 고려를 필요로 한다.
활성탄상에서 페놀류의 단일성분 및 2성분 흡착등온식은 실험적으로 연구되었다. 단일성분계에 대해서는 Freundlich흡착등온식이 적절하게 사용될 수 있었다. 그리고 2성분 경쟁 흡착에 대해서는 서로 다른 2개의 Freundlich형 다성분흡착등온식을 적용하여 본 결과 Fritz 와 Schlunder(1974)가 제시한 경험식으로 각 성분의 흡착량이 잘 예측될 수 있는데 반하여 Sheindorf 등 (1981)이 유도한 등온식은 활성탄에 대한 각 성분의 친화력이 유사한 경우에 만족스러운 결과를 주었다.
회분식 흡착실험에서 얻어진 단일성분의 흡착결과는 세공 및 표면확산 모델을 적용하여 해석하였다. 각 성분들의 흡착량은 두 모델에 의해서 비교적 정확하게 예측되었으나, 세공확산보다 표면확산이 입자내부확산에 크게 기여하고 있음이 밝혀졌다. 표면확산계수의 농도의존성은 흡착량 q 또는 θ 와의 경험식으로 나타낼 수 있다. 다성분계에서는 표면에 존재하는 모든 성분들이 각 성분의 표면이동에 영향을 미치기 때문에 표면확산계수의 농도의존성을 표면피복도와의 관계식으로 나타내는 것이 바람직하였다. 흡착제에 대하여 낮은 친화력을 갖는 성분이 더 강한 농도의존성을 나타내었고 활성탄에 대한 친화력의 크기순서는 다음과 같았다.
Phenol < p-Chlorophenol < p-Nitrophenol
본 연구에서는 회분식 흡착조내의 다성분 흡착데이타를 다루기 위하여 확산간섭을 포함한 다성분표면확산 모델을 제시하였다. 모델에 도입된 확산간섭계수 $W_{ij}$는 2성분 역흡착 결과로 부터 결정하였다. 구하여진 $W_{ij}$의 값은 0.4 - 0.9로서 입자내부에 심한 확산간섭이 일어나고 있음을 나타내었고 모델해석에 확산간섭계수의 도입이 매우 유용하다는 것을 입증하였다.
고정층흡착의 해석에서는 입자내부의 확산과정을 LDFA(linear driving force approximation)로 나타낼 수 있다는 가정 하에서 lumped모델을 제시하였다. 이 모델의 장점은 계면 및 입자내부의 물질전달 저항을 모두 고려할 경우에도 매우 짧은 계산시간을 요구하는 것이다. 회분식 흡착실험에서 구한 표면확산계수로 부터 입자내부의 물질전달계수를 구하고 확산간섭계수를 이용할 때 이 모델은 수학적 단순성에도 불구하고 고정층내의 2성분 동시흡착 및 역흡착의 파과곡선을 적절하게 예측하였다.
