개념 한 쪽
흡착은 표면에서 일어나는 물질의 집합 현상으로, 물리적 흡착과 화학적 흡착으로 구분하여 이해해야 한다는 점이 핵심한다. 물리흡착은 약한 힘으로 가역적이며 화학흡착은 강한 결합으로 비가역적이라는 차이를 기억해야 한다. 또한 활성탄 등 흡착제의 표면적이 흡착 성능에 직결되며, Freundlich 등온식 등을 이용한 흡착량 계산 문제가 자주 출제된다는 점을 숙지해야 한다.
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출제기준 단원 「흡착」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 단위 환산을 포함한 부지면적 산정 | 1 | 유량과 연간 처리속도를 맞춰 필요한 면적을 계산하기 |
| 유효단면적 보정을 통한 유속 계산 | 1 | 슬러지 점유에 따른 유효수심 적용 후 유속을 구하기 |
| 수표면적 부하로 일일 처리량 산정 | 1 | 원형 침전조 면적과 부하로 하루 처리량을 계산하기 |
흡착은 흡착제 표면에 용질이 부착되는 현상으로, 크게 물리적 흡착과 화학적 흡착으로 나눈다. 물리적 흡착은 반데르발스 힘과 같은 약한 상호작용에 의해 일어나며 가역적인 성질을 보인다는 점이 특징한다. 반대로 화학적 흡착은 공유결합 등 화학결합에 의해 일어나며 에너지가 크고 비가역적인 성질을 가진다는 점이 특징한다.
흡착제의 성능은 표면적과 제조 과정에 영향을 받는다. 활성탄은 표면적이 넓어 흡착제로 많이 사용되며 제조 방법과 표면 특성에 따라 흡착 능력이 달라진다는 점을 고려하여 선택해야 한다. 문제 유형으로는 흡착의 분류와 각 유형의 결합력·가역성 판단 문제가 자주 출제된다는 점을 기억해야 한다.
흡착량 계산에는 등온식이 사용되며, 그중 Freundlich 등온식은 x/m = K·C^(1/n)의 형태로 표현된다는 점을 이해해야 한다. 이 식에서 x/m은 단위 질량 흡착제가 흡착한 오염물질의 양, C는 평형농도, K와 n은 실험적으로 얻는 상수이다. 파라미터에 따라 식이 단순화되는 경우가 있으므로 매개변수 값을 잘 확인해야 한다.
실무형 문제로는 활성탄 소요량 산정, 침전지 및 여과지와 결합된 처리 단위 설계 등에서 흡착 계산이 등장한다. 등온식의 지수 값이나 단위 환산을 실수 없이 적용하는 능력이 요구된다는 점을 명심해야 한다.
예시 1 — 흡착 유형 판별 문제 풀이 방향 설명한다 문제에서 흡착의 성격을 묻는 경우 물리흡착인지 화학흡착인지 결합력과 가역성으로 판별한다. 반데르발스 힘·약한 상호작용·가역성은 물리흡착의 표지이고, 화학결합·강한 결합·비가역성은 화학흡착의 표지이므로 이 기준으로 선지의 모순 여부를 검토한다.
예시 2 — Freundlich 등온식을 이용한 활성탄 소요량 계산 풀이를 한 사례로 제시한다 Freundlich 식 x/m = K·C^(1/n)에서 n=1이면 x/m = K·C로 단순화된다는 점을 기억한다. 예로 초기농도 15mg/L을 최종평형농도 1mg/L로 낮춰야 하고 K=0.5, n=1이라면 평형농도 C=1mg/L에서 단위 흡착량 x/m = 0.5×1 = 0.5mg/g이 된다. 제거해야 할 농도는 15−1 = 14mg/L이므로 필요 활성탄 양은 14 ÷ 0.5 = 28mg/L로 계산해야 한다. 이 과정에서 단위와 평형농도 적용을 혼동하지 않도록 주의해야 한다.
토양처리 급속 침투 시스템을 설계하여 1차 처리 유출수 100L/sec를 80m³/m²ㆍ년의 속도로 처리하고자 한다. 필요한 부지면적은? (단, 1일 24시간, 1년 365일로 환산한다.)
정답 ② · 문항은 1차 처리 유출수 유량을 연간 단위 처리속도로 나누어 필요한 토양처리 면적을 구하는 문제이다. 초속 100 L/s는 일·년 단위로 환산하면 연간 유량 = 100 L/s × 86,400 s/day × 365 day = 3,153,600 m³/year이다(1,000 L = 1 m³ 적용).
일 유량(L/sec)을 연간 처리 용량(m³/m²·년)으로 맞추기 위해 단위를 일 단위로 환산한 후, 유량을 용량으로 나누면 필요한 면적이 나온다.
폭이 5m, 길이가 15m, 수심이 3m인 침전지의 유효수심은 2.7m이고 유량은 2700m³/day이다. 침전지의 바닥에 슬러지가 유효수심의 2/5을 차지하고 있다면 침전지 유속은?
정답 ③ · 침전지의 통과 단면적은 폭 5m × 유효수심 2.7m = 13.5m² 입니다. 그러나 바닥에 슬러지가 유효수심의 2/5 (1.08m)를 차지하므로 실제 물이 흐르는 유효 수심은 2.7m × (3/5) = 1.62m가 됩니다.
슬러지 점유 높이로 실제 유효 수심을 구한 후, 유량을 단면적으로 나누어 유속을 계산한다.
지름이 15m 인 원형침전조 2 sets를 수심 3m로 각각 설치했다. 각각의 수표면적 부하를 0.8m³/m²ㆍhr로 할 경우 두 개 침전조에서 하루에 처리 가능한 폐수량은?
정답 ② · 문항은 지름 15 m 원형 침전조 2기 각각을 사용해 일일 처리량을 계산하도록 요구한다. 한 조의 수표면적은 π·(15/2)^2 ≈ 176.71 m²이며 수표면적 부하 0.8 m³/m²·hr를 24시간 적용하면 한 조의 일일 처리량은 176.71 × 0.8 × 24 ≈ 3,394.6 m³이고 두 조 합치는 약 6,789.2 m³/d가 된다.
원형 침전조의 수표면적을 구한 후 수표면적 부하와 시간으로 일일 처리량을 계산합니다.
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