본 연구는 활성탄 피흡착물인 페놀의 아세톤에 의한 탈착모델 및 탈착 동역학을 결정하여 활성탄으로부터 페놀이 탈착되는 현상을 구명하는데 그 목적을 두고 있다. 아세톤에 의한 페놀의 Freundlich 등온탈착 평형반응상수인 $k_e$는 온도의 함수로서 다음과 같이 표현된다: $k_e(T)=0.1{\cdot}exp(797.297/T)$. 또한 Freundlich 등온탈착 평형반응상수인 n은 약한 온도함수로서 $50^{\circ}C$ 이하에서는 용도에 따라 큰 영향을 받지 않으나, $100^{\circ}C$ 이상에서는 5% 이상 차이가 나기 때문에 온도에 대한 보정치를 적용하는 것이 필요하다. 페놀 탈착모델은 활성탄 표면에서의 탈착반응을 제한반응으로 가정하였으며, 탈착반응상수 ($k_d$)는 실험치와 모델 이론치의 최적합도에서 결정하였고, Arrhenius 관계식으로 다음과 같이 표현된다: $k_d( sec^{-1})=0.0479{\cdot}exp(-3037/T)$. 모델에서 결정한 $k_d$값을 검증하기 위해 다른 반응조건에서의 실험결과와 이론치를 비교하였으며, 두 값의 차이가 5% 이내인 것을 미루어 본 연구에서 설정한 탈착반응모델이 타당한 것으로 추정된다. 본 모델을 이용한다면 특정조건(온도, 용매 부피, 활성탄 양, 페놀 초기 흡착량)에서의 재생시간과 재생율을 결정할 수 있으며, 본 실험에서 사용한 조건에 근거한 재생시간과 재생율을 온도의 함수로서 표현할 수 있다: (1) 재생시간 : ${\tau}_{reg}(hr)=-0.08130T_c+8.4775$, (2)재생율 : ${\eta}(%)=0.2210T_c+83.745$. 이 식을 적용하는 경우 반응온도 15, 55, $100^{\circ}C$에서 재생시간은 각각 7, 4.2, 0.35시간. 한편 재생율은 87, 96, 99%로 결정할 수 있다.
본 연구는 활성탄 피흡착물인 페놀의 아세톤에 의한 탈착모델 및 탈착 동역학을 결정하여 활성탄으로부터 페놀이 탈착되는 현상을 구명하는데 그 목적을 두고 있다. 아세톤에 의한 페놀의 Freundlich 등온탈착 평형반응상수인 $k_e$는 온도의 함수로서 다음과 같이 표현된다: $k_e(T)=0.1{\cdot}exp(797.297/T)$. 또한 Freundlich 등온탈착 평형반응상수인 n은 약한 온도함수로서 $50^{\circ}C$ 이하에서는 용도에 따라 큰 영향을 받지 않으나, $100^{\circ}C$ 이상에서는 5% 이상 차이가 나기 때문에 온도에 대한 보정치를 적용하는 것이 필요하다. 페놀 탈착모델은 활성탄 표면에서의 탈착반응을 제한반응으로 가정하였으며, 탈착반응상수 ($k_d$)는 실험치와 모델 이론치의 최적합도에서 결정하였고, Arrhenius 관계식으로 다음과 같이 표현된다: $k_d( sec^{-1})=0.0479{\cdot}exp(-3037/T)$. 모델에서 결정한 $k_d$값을 검증하기 위해 다른 반응조건에서의 실험결과와 이론치를 비교하였으며, 두 값의 차이가 5% 이내인 것을 미루어 본 연구에서 설정한 탈착반응모델이 타당한 것으로 추정된다. 본 모델을 이용한다면 특정조건(온도, 용매 부피, 활성탄 양, 페놀 초기 흡착량)에서의 재생시간과 재생율을 결정할 수 있으며, 본 실험에서 사용한 조건에 근거한 재생시간과 재생율을 온도의 함수로서 표현할 수 있다: (1) 재생시간 : ${\tau}_{reg}(hr)=-0.08130T_c+8.4775$, (2)재생율 : ${\eta}(%)=0.2210T_c+83.745$. 이 식을 적용하는 경우 반응온도 15, 55, $100^{\circ}C$에서 재생시간은 각각 7, 4.2, 0.35시간. 한편 재생율은 87, 96, 99%로 결정할 수 있다.
This research was designed to investigate the mathematical model and kinetics of phenol desorption from spent activated carbon. elucidating the desorption characteristics of phenol in the case of using acetone. The Freundlich isotherm constant ($k_e$) is expressed as a function of tempera...
This research was designed to investigate the mathematical model and kinetics of phenol desorption from spent activated carbon. elucidating the desorption characteristics of phenol in the case of using acetone. The Freundlich isotherm constant ($k_e$) is expressed as a function of temperature: $k_e(T)=0.1exp(797.297/T)$. The Freundlich isotherm constant(n) is a weak temperature function and is rarely affected by temperature below $50^{\circ}C$. whereas it is necessary to correct the n value with respect to temperature above $100^{\circ}C$ owing to significant deviation (~5%). Based on the assumption that the surface desorption reaction of phenol is rate limiting, the desorption model was developed. Desorption reaction constant($k_d$) was determined by means of fitting the theoretical results best to experimental ones. The Arrhenius relationships for $k_d$ was expressed by: $k_d(sec^{-1})=0.0479{\cdot}exp(-3037/T)$. The model was verified by comparing the experimental ones under different reaction conditions with the theoretical results determined by the previously estimated $k_d$. Since the difference between them is with 5%, it is expected that the desorption model of this research seems to be appropriate to explain the desorption of phenol from activated carbon by acetone. According to studies of the model. regeneration time and ratio was estimated as a function of temperature under present conditions as follows: (1) regeneration time : ${\tau}_{reg}(hr)=-0.08130T_c+8.4775$. (2) regeneration ratio : ${\eta}(%)=0.2210T_c+83.745$. The regeneration time at 15, 55, and $100^{\circ}C$. respectively. was 7, 4.2, and 0.35 hours, whereas the regeneration ratio was 87. 96. and 99%. respectively. Also. studies of the model would make it possible to determine the regeneration time and ratio under other specific conditions (temperature, applied acetone volume, amount of activated carbon, and initially adsorbed phenol amount).
This research was designed to investigate the mathematical model and kinetics of phenol desorption from spent activated carbon. elucidating the desorption characteristics of phenol in the case of using acetone. The Freundlich isotherm constant ($k_e$) is expressed as a function of temperature: $k_e(T)=0.1exp(797.297/T)$. The Freundlich isotherm constant(n) is a weak temperature function and is rarely affected by temperature below $50^{\circ}C$. whereas it is necessary to correct the n value with respect to temperature above $100^{\circ}C$ owing to significant deviation (~5%). Based on the assumption that the surface desorption reaction of phenol is rate limiting, the desorption model was developed. Desorption reaction constant($k_d$) was determined by means of fitting the theoretical results best to experimental ones. The Arrhenius relationships for $k_d$ was expressed by: $k_d(sec^{-1})=0.0479{\cdot}exp(-3037/T)$. The model was verified by comparing the experimental ones under different reaction conditions with the theoretical results determined by the previously estimated $k_d$. Since the difference between them is with 5%, it is expected that the desorption model of this research seems to be appropriate to explain the desorption of phenol from activated carbon by acetone. According to studies of the model. regeneration time and ratio was estimated as a function of temperature under present conditions as follows: (1) regeneration time : ${\tau}_{reg}(hr)=-0.08130T_c+8.4775$. (2) regeneration ratio : ${\eta}(%)=0.2210T_c+83.745$. The regeneration time at 15, 55, and $100^{\circ}C$. respectively. was 7, 4.2, and 0.35 hours, whereas the regeneration ratio was 87. 96. and 99%. respectively. Also. studies of the model would make it possible to determine the regeneration time and ratio under other specific conditions (temperature, applied acetone volume, amount of activated carbon, and initially adsorbed phenol amount).
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문제 정의
따라서 본 연구는 피흡착물이 유기용매 에 의 해 탈착되는 현상을 모델화하여 이를 이론적으로 설명하고, 실험결과와 비교하여 재생 동역학을 구명하는데 그 목적을 두고 있다. 그 연구대상으로는 수처리 분야에서 문제가 되며, 완벽한 재생이 힘든 LS2.
가설 설정
(1) 페놀의 탈착이 진행되는 동안에는 탈착 반응이 전체 반응을 지배한다.
8 g으로 다르게 하여 아세톤 용액에 투입했다. 앞서 가정한 Freundlich식형태의 등온 탈착반응식을 활용하여 Freundlich식형태의 탈착평형상수인 kb와 1/n값을 결정하였다.
3) 본 연구에서 설정한 페놀 탈착모델은 활성탄 표면에서의 탈착반응을 제한반옹로 가정하였으며, 탈착 구배력은 활성탄 흅착량에 대한 용매 평형 농도와 실제 페놀의 농도와의 차이로 가정하였고. 평형 농도는 Freundlich 둥온 탈착 반응식을 활용하여 결정하였다.
제안 방법
"은 탈착평형상수이다. 둥온흡착에 적용되는 Freundlich식이 탈착에도 적용될 수 있는 것은 미지수이므로 다음 절에서 실험적으로 검증하였다.
목적에 따라 100, 150. 200 mL로 다르게 투입한 후 항온진탕기 (JEI。TECH, SI-600R; 25℃, 300 rpm)에서 3일 동안 등온흅착시켰고, 각 경우의 페놀 단위 흡착량은 166.1, 180.8, 204.9 mg/g 이었다. 활성탄에 흡착된 페놀양은 초기 페놀 농도와 평형 농도간의 차이에서 결정하였다.
55)에서 반응시켜 탈착 평형에도 달하게 하였다. 반응 온도를 정확하게 유지시키기위해 온도가 조정된 항온진탕기 (JEIO TECH, SI- 600R. 300 rpm) 내에 아세톤을 미리 넣고 2시간동안 접촉시켜 온도를 맞춘 후에 약 2.5 g의 폐활성탄을 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.8 g으로 다르게 하여 아세톤 용액에 투입했다. 앞서 가정한 Freundlich식형태의 등온 탈착반응식을 활용하여 Freundlich식형태의 탈착평형상수인 kb와 1/n값을 결정하였다.
등온 탈착 동역학 실험은 아세톤 150 mL에 폐활성탄 1 g을 투입하고 항온진탕기 내에서 12시간 동안 진탕시키면서 시간별로(초기 1시간 동안엔 10분 간격, 그 이후엔 1시간 간격) 용액 0.1 mL씩 채취하였고. 채취시료의 페놀 농도는 UV 분광광도계로 측정하였다.
1 mL씩 채취하였고. 채취시료의 페놀 농도는 UV 분광광도계로 측정하였다.
평형 농도는 Freundlich 둥온 탈착 반응식을 활용하여 결정하였다. 온도별로 이론치와 실험치의 최적합도에 근거하여 탈착 반응 상수를 결정하였고. 이를 검증하기 위해 페놀의 초기 흡착량과 용매 부피를 다르게 한 실험 결과와 kd를 적용한 이론값과 비교 평가하였으며, 두 결과가 5% 이내에서 일치한 것으로 미루어 본 연구에서 개발한 탈착 모델이 타당함을 검증할 수 있었다.
Table 3에서 제시된 蜘값이 다른 조건에도 적용되는가를 살펴 보았다. 탈착온도가 2SC, 초기 흡착량(qp0 )이 180 mg/g(모델식에서는 204.9 mg/g)인 경우와 초기 흡착량은 동일하나 아세톤 탈착 부피(、)가 100, 200 mL로 달리한 경우(모델식에서는 150 mL)에 얻은 탈착 동역학 실험치와 25X:의 & 값을적용한 이론치를 비교하였다. Fig.
대상 데이터
그 목적을 두고 있다. 그 연구대상으로는 수처리 분야에서 문제가 되며, 완벽한 재생이 힘든 LS2.18.⑼ 페놀을 피흡착물로 선정하였고, 대표적 유기용매인 아세톤을 재생 유기용매로 사용하였다.
본 실험에서 사용한 활성탄은 국내 (주)삼천리에서 제조한 직경이 4 mm인 160 mesh 크기의 조립 석탄계 활성탄을 사용하였다. 실험에서 사용한 신탄은 수작업으로 균일 크기의 활성탄을 선별하였고, 활성탄 제조 공정에서 생겨난 불순물을 제거하기 위해 증류수로 2시간 동안 끓인 후 아세톤으로 12시간 동안 세척하고 다시 증류수로 3~4회 세척한 후 24시간 동안 110℃에서 건조한 후 데시케이터에 보관 사용하였다.
활성탄을 사용하였다. 실험에서 사용한 신탄은 수작업으로 균일 크기의 활성탄을 선별하였고, 활성탄 제조 공정에서 생겨난 불순물을 제거하기 위해 증류수로 2시간 동안 끓인 후 아세톤으로 12시간 동안 세척하고 다시 증류수로 3~4회 세척한 후 24시간 동안 110℃에서 건조한 후 데시케이터에 보관 사용하였다. 실험에 사용한 활성탄의 물성치는 Table 1에서 보는 것과 같다.
이론/모형
페놀의 초기흡착량(mg/g)이다. 식(4)는 상미분방정식으로 Runge-Kutta 4차 방법을 적용하여 수치 해석적으로 풀 수 있으며, kd의 값을 변화시키면서 결정된 C, 의 계산값과 실험치를 비교하였고, 두 값의 최적합도에 근거하여 kd의 값을 결정하였다. 최적합도는 Reduced root-mean-square devia- tion(RMS)가 최소가 되는 &의 값에서 결정하였고, RMS는 아래 식에서 결정할 수 있다.
활성탄에 흡착된 페놀양은 초기 페놀 농도와 평형 농도간의 차이에서 결정하였다. 평형 흡착에 도달한 후 용액상의 페놀 농도는 공정시험법에 근거한 직접분광법 (direct photometric method) 에 의해 측정하였고. UV분광 광도계는 SMART PLUS 2700을 사용하였다.
평형 흡착에 도달한 후 용액상의 페놀 농도는 공정시험법에 근거한 직접분광법 (direct photometric method) 에 의해 측정하였고. UV분광 광도계는 SMART PLUS 2700을 사용하였다.
2)초기 흡착량이 활성탄 대비하여 20%, 단위 활성탄에 대한 용매 부피가 150 mL/g인 경우에 Freundlich 형태의 둥온 탈착반응식을 이용하여. 온도에 따른 페놀의 탈착율온 다음과 같이 예측할 수 있으며,
평형 농도는 Freundlich 둥온 탈착 반응식을 활용하여 결정하였다. 온도별로 이론치와 실험치의 최적합도에 근거하여 탈착 반응 상수를 결정하였고.
성능/효과
15) 유기용매에 의한 재생의 장점은 첫째. 특별한 재생설비 없이 현장 재생이 가능하고, 둘째, 고가의 피 흡착물의 회수 및 재이용이 가능하고, 셋째, 열재생과 달리 에너지 투입 에 따른 부담이 없다. 그러나 유기용매의 비 용이 높기 때문에 재생율을 극대화하면서 유기용매 사용을 최소화할 수 있는 반응조건의 도출과 유기용매를 회수 재이용할 수 있는 방안에 대한 연구가 활발히 진행중에 있다.
(2) 페놀 탈착의 구배력은 평형에 도달되었을 때의 페놀 농도와 어느 시간 f 에서의 페놀 농도 차이에 의해 결정된다.
온도별로 이론치와 실험치의 최적합도에 근거하여 탈착 반응 상수를 결정하였고. 이를 검증하기 위해 페놀의 초기 흡착량과 용매 부피를 다르게 한 실험 결과와 kd를 적용한 이론값과 비교 평가하였으며, 두 결과가 5% 이내에서 일치한 것으로 미루어 본 연구에서 개발한 탈착 모델이 타당함을 검증할 수 있었다. 또한 각 온도별로 결정한 &값이 Arrhenius 관계식을 만족하였으며, 이는 다음과 같이 표현할 수 있다.
9 mg/g)인 경우와 초기 흡착량은 동일하나 아세톤 탈착 부피(、)가 100, 200 mL로 달리한 경우(모델식에서는 150 mL)에 얻은 탈착 동역학 실험치와 25X:의 & 값을적용한 이론치를 비교하였다. Fig. 5에서 보는 것처럼 이론치와 실험치가 상당히 일치하는 것으로 미루어(< 5%) 본 연구에서 도출한 &값의 신뢰도가 높으며. 또한 kd값이 초기 흡착량과 유기용매 부피에 별로 영향을 받지 않음을 알 수 있다.
후속연구
이를 위해서는 평형에 도달하였을 때 아세톤내의 페놀 농도와 활성탄에 잔류하고 있는 페놀 양이 Freundlich 흡착식의 관계를 나타내는가를 살펴보는 것이 검증할 수 있는 하나의 방법이다. 아세톤에 의한 등온 탈착 실험 결과는 Fig. 1에서 보는 것처럼 여러 온도 조건에서도 직선 관계를 나타내는 것으로 미루어 적어도 본 실험조건에서는 Freundlich식을 탈착에 적용해도 무방할 것으로 추정된다.
본 연구에서 개발한 모델을 이용한다면 어느 특정 조건(온도, 용매 부피. 활성탄 양, 페놀 초기 흡착량)에서의 재생시간을 결정할 수 있다. 유기용매 중의 페놀 농도가 평형 농도의 99%에 도달할 때까지의 시간을 재생시간으로 정의한다면.
4) 본 연구에서 개발한 모델을 이용한다면 어느 특정 조건(온도, 용매 부피. 활성탄 양, 페놀 초기 흡착량)에서의 재생시간을 결정할 수 있다. 온도와 재생시간은 다음과 같이 직선 식으로 표현할 수 있다.
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