실험 개요
흡착(adsorption)은 액상 또는 기상 분자가 고체 표면에 농축되는 현상으로, 폐수처리·가스정제·약물전달 등 다양한 분야의 기반 단위조작이다. 학부 화공실험에서는 보통 활성탄과 메틸렌블루 또는 페놀 수용액을 사용해 평형 등온선을 측정하고, Langmuir(단분자층)와 Freundlich(이종표면) 두 모델로 데이터를 피팅한다. 예비보고서에서는 두 모델의 가정·유도·선형화 방법을 명확히 정리하고, 어느 영역에서 어떤 모델이 잘 맞는지 예측을 적어두는 것이 핵심.
이론 배경
Langmuir 등온식
단분자층 흡착·균일 표면·인접 분자 상호작용 무시 가정. qe = qmax · KL · Ce / (1 + KL · Ce). 선형화: Ce/qe = 1/(KL · qmax) + Ce/qmax. Ce/qe vs Ce 그래프의 기울기·절편으로 qmax·K_L을 구한다. RL = 1/(1 + KL · C0) 가 0~1 사이면 favorable.
Freundlich 등온식
이종 표면 + 다층 흡착 가정. qe = KF · Ce^(1/n). 선형화: log qe = log KF + (1/n) log Ce. 1/n < 1이면 favorable, 1/n > 1이면 unfavorable. 일반적으로 저농도·중농도에서 잘 맞고, 고농도에서는 포화 표현 못함.
흡착 동력학과 평형 도달
평형 도달 시간은 활성탄 입도·교반 속도·온도에 의존. 일반 batch 실험은 60~120 min 진탕 후 평형 도달 가정. 시간 추적 데이터가 있으면 pseudo-1차/2차 모델로 동력학 분석 가능.
표·표준값
Langmuir vs Freundlich 모델 비교
| 항목 | Langmuir | Freundlich |
|---|---|---|
| 가정 | 단분자층, 균일 표면 | 다층 가능, 이종 표면 |
| 식 | qe = qmax·K_L·Ce/(1+KL·C_e) | qe = KF·C_e1/n |
| 선형화 | Ce/qe = 1/(KL qmax) + Ce/qmax | log qe = log KF + (1/n) log Ce |
| 주요 파라미터 | qmax, KL, RL | KF, 1/n |
| 적용 범위 | 포화 영역까지 | 저·중농도 우수, 고농도 부적합 |
실험 장치 및 시약
- — 분말/입상 활성탄 (입도 명시)
- — 메틸렌블루 또는 페놀 표준용액 (10~500 mg/L)
- — 100 mL 삼각플라스크 5~7개
- — 오비탈 셰이커 또는 진탕수조 (150 rpm, 25°C)
- — 분광광도계 (메틸렌블루 664 nm, 페놀 270 nm)
- — 0.45 μm 시린지 필터
실험 절차
- 1.활성탄 0.1 g씩 7개 플라스크에 칭량.
- 2.메틸렌블루 50 mL를 각각 다른 농도(20·50·100·200·300·500·750 mg/L)로 첨가.
- 3.150 rpm·25°C로 2시간 진탕(평형 도달).
- 4.필터링 후 상등액의 흡광도 측정 → 평형농도 Ce.
- 5.흡착량 qe = (C0 − Ce) · V / m 계산.
- 6.Langmuir·Freundlich 선형 피팅 → R²·파라미터 보고.
데이터 처리
두 모델 모두 R² > 0.95이면 양쪽 다 적합 — Langmuir의 qmax(이론적 최대 흡착량) vs Freundlich의 KF·1/n으로 표면 특성 논의. R²가 한쪽만 높으면 그 모델 가정이 더 잘 맞는 것. qmax를 활성탄 g당 mg로 보고 + BET 비표면적과 비교하면 고급.
예비보고서 항목별 작성 팁
이론
두 모델의 가정·유도·선형화를 모두 적고, 어느 영역에서 어떤 모델이 더 잘 맞는지 예측.
결과
Ce/qe vs Ce 와 log qe vs log Ce 두 선형 그래프 + R² 표 작성.
고찰
RL 값과 favorable/unfavorable 판단, qmax를 시판 활성탄 spec과 비교(전형 100~400 mg/g).
자주 하는 실수
- — 평형 도달 전 시료 채취 — 적어도 60 min 진탕 필수
- — 필터링 안 하고 측정 — 활성탄 입자가 흡광도 부풀림
- — 초기 농도 검량선 범위 벗어남 — 분광광도계 선형 영역(A < 1.5) 유지
- — 활성탄 calcination/water washing 안 함 — fines가 흡광도 노이즈
자주 묻는 질문
Q. 왜 Langmuir와 Freundlich 둘 다 그리나요?
두 모델의 가정이 다릅니다. 실제 표면은 이상적이지 않아서, 어느 모델이 잘 맞는지 비교해야 표면 특성(균일성·이종성·다층성)을 추론할 수 있습니다. 학부 실험에서는 두 모델 R² 비교가 사실상 표준 분석.
Q. BET와 Langmuir의 차이는?
Langmuir는 단분자층, BET는 다분자층(고체 표면 위에 분자가 층층이 쌓임)을 가정. 액상 흡착은 보통 단분자층이라 Langmuir가 자연스럽고, 기상 흡착(N2 흡착)은 다분자층이라 BET를 씀.