[논문]표면 처리에 따른 입상활성탄 및 활성탄소섬유의 중금속 흡착

강광철; 권수한; 김승수; 최종원; 전관식

doi:10.5806/ast.2006.19.4.285

표면 처리에 따른 입상활성탄 및 활성탄소섬유의 중금속 흡착
Adsorption of heavy metal ions onto a surface treated with granular activated carbon and activated carbon fibers 원문보기

분석과학 = Analytical science & technology, v.19 no.4, 2006년, pp.285 - 289

강광철 (충북대학교 화학과) , 권수한 (충북대학교 화학과) , 김승수 (한국원자력연구소) , 최종원 (한국원자력연구소) , 전관식 (한국원자력연구소)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 산 표면 처리한 입상 활성탄(GAC)과 활성 탄소섬유(ACF)에 의한 $Pb^{2+}$와 $Ni^{2+}$ 이온의 흡착 특성을 고찰하였다. 산 표면 처리용액으로는 1.0 M 질산 용액을 사용하였다. GAC와 ACF의 표면특성분석은 pH, 등전점(pHpzc), 그리고 원소분석기를 사용하였으며, 비표면적과 기공구조는 77K에서 $N_2$ 등온흡착 방법으로 측정하였다. 본 실험결과 GAC 와 ACF를 산으로 표면 처리한 경우 산소를 포함한 작용기가 증가하였다. 이처럼 산 표면 처리에 의해 증가된 표면 작용기에 따른 GAC 및 ACF의 기공이 막힘에도 불구하고, acidic-ACF > untreated-ACF > acdic-GAC > untreated-GAC 순으로 중금속 흡착능이 증가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the effect of an acidic treatment on granular activated carbon (GAC) and activated carbon fibers (ACF) was investigated for a $Pb^{2+}$ and $Ni^{2+}$ ion adsorption. 1.0 M nitric acid solution was used as the acid solution for the surface treatment. Surface properties of the GAC and ACF were characterized by the pH, elemental analysis and pHpzc (pH of the point of zero charge). Their specific surface area and the pore structure were also evaluated by the nitrogen adsorption data at 77K. As a result, the acidic treatment led to an increase of the oxygen-containing functional groups. Furthermore, the adsorption capacity of the acid-treated GAC and ACF was improved in the order of acidic-ACF > untreated-ACF > acidic-GAC > untreated-GAC, though the decrease in specific surface area induced by a pore blocking of the functional groups was observed.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 연구에서는 우수한 흡착제로 널리 사용되고 있는 GAC 와 ACF를 산 수용액 에서 침적 표면 처리하여 많은 산성 작용기를 도입시킴에 따른 비표면적 및 표면구조변화를 분석하였고, 중금속 물질인 Pb²⁺, Ni²⁺의 흡착실험을 통해 GAC와 ACF의 표면변화에 따른 흡착능의 증가를 고찰하였다.

제안 방법

4. 6, 8, 10로 조절한 다음 Cu²⁺와 Ni²⁺의 농도 감소를 측정하였다. 또한, pH가 5인 조건에서 0, 20, 40, 60, 90, 120분 경과한 경우 용액중 Pb²⁺와 Ni²⁺의 농도 감소 및 pH 변화를 측정하였다.
또한, pH가 5인 조건에서 0, 20, 40, 60, 90, 120분 경과한 경우 용액중 Pb²⁺와 Ni²⁺의 농도 감소 및 pH 변화를 측정하였다. Cu²⁺와 Ni²⁺의 농도는 ICP-AES(Jobin-Yvon JY24, France)로 측정하였다.
GAC 및 ACF를 산으로 표면 처리하였을 경우 표면구조 및 작용기의 변화를 살펴보았으며, 표면 처리에 따른 Pb²⁺, Ni²⁺의 흡착에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. 산 표면처리에 의한 ACF의 비표면적 감소 비율이 30% 감소한 반면, 산 표면처리에 의하여 산소작용기가 증가하여 중금속 흡착량이 증가하였다.
GAC와 ACF를 600K에서 잔류 압력을 10⁻³ torr 이하로 유지한 상태로 약 12시간 동안 탈기시킨 후, Autosorb-3B(Quantachrome, USA)를 이용하여 77K에서 상대 압력(흡착 기체의 압력/해당 기체의 포화압력)에 따른 질소 기체의 흡착량을 측정하였다. 흡착등온곡선은 비표면적, 기공부피, 평균 기공직경 및 기공 크기분포등을 계산하기 위한 자료로 사용하였다.
GAC와 ACF의 산 표면처리에 의한 표면 성질과 기공 구조 변화가 중금속 이온의 흡착에 어떠한 영향을 주는지 Pb²⁺와 Ni²⁺의 흡착 특성을 통해 고찰하였다. Utrilla¹²등은 수용액으로부터 활성탄에 의한 무기이온의 흡착은 비표면적이나 미세 기공과 같은 구조적 특성보다는 표면의 작용기에 더 의존한다고 보고하였다.
에 의해 제안된 중량적정법을 사용하여 측정하였다. HNO₃과 NaOH로 제조한 pH가 다른 3개의 용액 100 mL에 산처리된 GAC와 ACF를 각각 0.05, 0.1, 0.5, 1, 5, 10g 가한 다음 25℃에서 24시간 교반한 후 pH를 측정하였다.
0 M의 HNO₃용액에 침적 후 끓는점에서 2시간 동안 끓였다. 각 시료들을 이온교환수지를 통과한 증류수로 pH 6.5~7.5로 될 때까지 12시간이상 세척한 다음, GAC와 ACF를 100℃의 진공오븐에서 24시간 동안 건조하였다.
6, 8, 10로 조절한 다음 Cu²⁺와 Ni²⁺의 농도 감소를 측정하였다. 또한, pH가 5인 조건에서 0, 20, 40, 60, 90, 120분 경과한 경우 용액중 Pb²⁺와 Ni²⁺의 농도 감소 및 pH 변화를 측정하였다. Cu²⁺와 Ni²⁺의 농도는 ICP-AES(Jobin-Yvon JY24, France)로 측정하였다.
산 처리한 GAC와 ACF의 표면 작용기 변화를 확인하기 위하여 원소분석기(Fisons EA 1108, France) 를 이용하였는데, 시료 약 2 mg을 주석 캡슐에 넣고 1,800℃에서 시료를 열분해 시킨 후 원소를 분석하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 GAC는 일본 Junsei 사의 시약급 제품을, ACF는 일본 Ad'All 사의 제품을 사용하였다. 이 GAC와 ACF는 불순물의 영향을 줄이기 위해 산처리하기 전에 증류수에서 끓인 후, 이온교환수지를 통과한 증류수로 세척하여 100℃진공오븐에서 24시간 동안 건조 시켰다.
torr 이하로 유지한 상태로 약 12시간 동안 탈기시킨 후, Autosorb-3B(Quantachrome, USA)를 이용하여 77K에서 상대 압력(흡착 기체의 압력/해당 기체의 포화압력)에 따른 질소 기체의 흡착량을 측정하였다. 흡착등온곡선은 비표면적, 기공부피, 평균 기공직경 및 기공 크기분포등을 계산하기 위한 자료로 사용하였다.

이론/모형

등전점(point of zero charge)은 Norh⁷에 의해 제안된 중량적정법을 사용하여 측정하였다. HNO₃과 NaOH로 제조한 pH가 다른 3개의 용액 100 mL에 산처리된 GAC와 ACF를 각각 0.

성능/효과

의 흡착에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. 산 표면처리에 의한 ACF의 비표면적 감소 비율이 30% 감소한 반면, 산 표면처리에 의하여 산소작용기가 증가하여 중금속 흡착량이 증가하였다. 흡착평형실험을 통한 중금속 이온의 흡착량은 납, 니켈에서 ACF가 GAC 보다 높은 흡착능을 보였으며, 또한 중금속의 흡착량의 변화를 통해 살펴본 표면의 변화, 즉 비표면적의 감소와 표면 산소 관능기의 증가 등 흡착제 표면의 구조적 특성이 흡착용량의 결정에 중요한 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
Table 1은 원소분석을 통한 GAC와 ACF의 탄소 및 산소 함량을 나타낸 것이다. 산으로 표면처리한 GAC와 ACF는 산소의 함량이 표면 처리하지 않은 GAC와 ACF 보다 증가하였는데 특히 ACF가 크게 증가하였다. 이는 산으로 표면처리 할 경우 산소 작용기가 흡착제 표면에 증가함을 간접적으로 나타낸다.
흡착평형실험을 통한 중금속 이온의 흡착량은 납, 니켈에서 ACF가 GAC 보다 높은 흡착능을 보였으며, 또한 중금속의 흡착량의 변화를 통해 살펴본 표면의 변화, 즉 비표면적의 감소와 표면 산소 관능기의 증가 등 흡착제 표면의 구조적 특성이 흡착용량의 결정에 중요한 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 이는 표면에 산소성 관능기의 유무에 크게 관련이 있는 것으로 표면 산소관능기의 함량이 높을수록 중금속 흡착은 증가 하였다.
산 표면처리에 의한 ACF의 비표면적 감소 비율이 30% 감소한 반면, 산 표면처리에 의하여 산소작용기가 증가하여 중금속 흡착량이 증가하였다. 흡착평형실험을 통한 중금속 이온의 흡착량은 납, 니켈에서 ACF가 GAC 보다 높은 흡착능을 보였으며, 또한 중금속의 흡착량의 변화를 통해 살펴본 표면의 변화, 즉 비표면적의 감소와 표면 산소 관능기의 증가 등 흡착제 표면의 구조적 특성이 흡착용량의 결정에 중요한 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 이는 표면에 산소성 관능기의 유무에 크게 관련이 있는 것으로 표면 산소관능기의 함량이 높을수록 중금속 흡착은 증가 하였다.

참고문헌 (15)

이규성, 이수구, 조웅현, 안준수, 박주량, 김재건 '수 처리공학', 형설출판사. 2001
Suzuki, M. Carbon. 32, 577(1994)

상세보기
King, J. A.; Buttry, D. A.; Adams, D. F. Polym. Compo. 14, 301(1993)

상세보기
Ehrburger, P. 'Handbook of composite-strong fibers'; Elsevier. Amsterdam. (1985)
Pittman Jr, C. U.; Jiang, W.; Yue, Z. R.; Leon y Leon, C. A.Carbon. 37, 85(1999)

상세보기
Zielke, U.; Huttinger, K. J.; Hoffman, W. P. Carbon. 34, 983(1996)

상세보기
Noh JS, S. Carbon. 28,675(1990)

상세보기
Francisoco,F; Rodriguez, R. Carbon. 36, 159(1998)

상세보기
Ende, D.; Kessler, W.; Oelkrug, D.; Fuch, R. Electrochim, Acta, 38, 2577(1993)

상세보기
Sundstrom, D. W.; Klei H. E. 'Waste water Treatment'. 241(1979)
Shim, J. H. ; You, S. J.; J. Korean Ins Chem. Eng. 36, 903(1998)
Carrot, P.J. M.; Ribeiro, M. M. L.; Nabais, J. M. V.; Ramalho, J. P.P. Carbon. 35, 403(1997)

상세보기
Utrilla, J. R.; Toledo, I.; B.; Garcia, M. A.; Castilla, C. M. Carbon.32, 93.(1994)

상세보기
Donnet, J.B.; Qin, R. Y.; Park, S. J.; Ryu, S. K.; Rhee, B. S.J. Mater. Sci. 28, 2950(1993)

상세보기
Park, S. J.; Park, B. J.; Ryu, S. K. Carbon. 37, 1223 (1999)

상세보기

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증