탄화온도 차이에 따른 목질 탄화물의 중금속 흡착성 변화를 알아보기 위하여, 신갈나무(Quercus mongolica) 목부와 낙엽송(Larix kaempferi) 수피분말을 $400{\sim}900^{\circ}C$에서 탄화하였다. 목질 탄화물의 pH는 재료의 종류와 관계없이 탄화온도의 증가와 함께 증가하여 $900^{\circ}C$의 목탄 및 수피탄은 각각 10.8, 10.4를 나다내었다. 또한 탄화 온도 증가와 함께 탄소함량비가 증가하고 동일 탄화온도에서 목탄에 비해 수피탄의 탄소함량비가 큰 경향을 보였다. 액상흡착력을 나타내는 요오드흡착력은 목탄이 수피탄보다 다소 큰 경향을 나타내었다. 이러한 특성을 지닌 목탄과 수피탄에 의한 15ppm의 Cd, Zn 및 Cu 중금속용액에 대한 흡착제거율을 조사한 바, 높은 탄화온도에서 제조된 목탄과 수피탄일수록 높은 중금속제거율을 나타내었으며, 탄화물 종류에 있어서는 목탄이 수피탄 보다 높은 중금속 제거율을 나타내는 경향이 있었다. 특히 목탄의 경우, $500^{\circ}C$ 이상에서 제조된 탄화물 0.2 g의 사용으로 거의 100%에 가까운 제거율을 나타내었다. 한편 흡착질 종류에 있어서의 제거성능에는 다소 차이가 있으며, 본 연구에서 사용한 탄화물의 흡착성은 Cu>Cd>Zn 순으로 높았다. 이는 목탄과 같은 흡착제와 흡착의 대상이 되는 흡착질과의 물리 화학적 상호관계가 흡착에 영향을 주기 때문으로 목탄의 흡착효율을 높이기 위해서는 이에 대한 연구가 더 필요할 것으로 생각된다.
탄화온도 차이에 따른 목질 탄화물의 중금속 흡착성 변화를 알아보기 위하여, 신갈나무(Quercus mongolica) 목부와 낙엽송(Larix kaempferi) 수피분말을 $400{\sim}900^{\circ}C$에서 탄화하였다. 목질 탄화물의 pH는 재료의 종류와 관계없이 탄화온도의 증가와 함께 증가하여 $900^{\circ}C$의 목탄 및 수피탄은 각각 10.8, 10.4를 나다내었다. 또한 탄화 온도 증가와 함께 탄소함량비가 증가하고 동일 탄화온도에서 목탄에 비해 수피탄의 탄소함량비가 큰 경향을 보였다. 액상흡착력을 나타내는 요오드흡착력은 목탄이 수피탄보다 다소 큰 경향을 나타내었다. 이러한 특성을 지닌 목탄과 수피탄에 의한 15ppm의 Cd, Zn 및 Cu 중금속용액에 대한 흡착제거율을 조사한 바, 높은 탄화온도에서 제조된 목탄과 수피탄일수록 높은 중금속제거율을 나타내었으며, 탄화물 종류에 있어서는 목탄이 수피탄 보다 높은 중금속 제거율을 나타내는 경향이 있었다. 특히 목탄의 경우, $500^{\circ}C$ 이상에서 제조된 탄화물 0.2 g의 사용으로 거의 100%에 가까운 제거율을 나타내었다. 한편 흡착질 종류에 있어서의 제거성능에는 다소 차이가 있으며, 본 연구에서 사용한 탄화물의 흡착성은 Cu>Cd>Zn 순으로 높았다. 이는 목탄과 같은 흡착제와 흡착의 대상이 되는 흡착질과의 물리 화학적 상호관계가 흡착에 영향을 주기 때문으로 목탄의 흡착효율을 높이기 위해서는 이에 대한 연구가 더 필요할 것으로 생각된다.
To evaluate the effect of carbonization temperature of charcoal on the heavy metal adsorption property, Quercus mongolica wood and Larix kaempferi bark powder (100~60 mesh) were carbonized at between 400 and $900^{\circ}C$ at intervals of $100^{\circ}C$. In the properties of ca...
To evaluate the effect of carbonization temperature of charcoal on the heavy metal adsorption property, Quercus mongolica wood and Larix kaempferi bark powder (100~60 mesh) were carbonized at between 400 and $900^{\circ}C$ at intervals of $100^{\circ}C$. In the properties of carbonized materials which affect the adsorption ability, pH increased with increasing the carbonization temperature, so that the pHs of wood and bark charcoal carbonized at $900^{\circ}C$ were 10.8 and 10.4, respectively. Also, in both materials, the carbon content ratio became larger as the carbonization temperature was raised. At the same carbonization temperature, carbon content ratio of the bark charcoal tended to be greater than that of the wood charcoal. In case of iodine adsorption which indicates the adsorption property in liquid phase, the wood charcoal showed higher adsorption value than the bark charcoal. From the investigation of adsorptive elimination properties of the charcoals against 15 ppm Cd, Zn, and Cu, the higher the carbonization temperature, the greater elimination ratio was. In comparison, the wood charcoal presented higher elimination ratio than that of the bark charcoal. In the wood charcoals carbonized at higher than $500^{\circ}C$, especially, 0.2 g of the charcoal was enough to eliminated almost 100% of the heavy metal ions. Heavy metal ion elimination ratio of the charcoals depended on the kinds of adsorbates. The effectiveness of adsorbates in adsorptive elimination by the charcoals were in order of Cu > Cd > Zn. This is because the physicochemical interaction between the adsorbate and adsorbent affects their adsorption properties, it is considered that subsequent researches are needed to improve the effectiveness of heavy metal adsorption by the charcoals.
To evaluate the effect of carbonization temperature of charcoal on the heavy metal adsorption property, Quercus mongolica wood and Larix kaempferi bark powder (100~60 mesh) were carbonized at between 400 and $900^{\circ}C$ at intervals of $100^{\circ}C$. In the properties of carbonized materials which affect the adsorption ability, pH increased with increasing the carbonization temperature, so that the pHs of wood and bark charcoal carbonized at $900^{\circ}C$ were 10.8 and 10.4, respectively. Also, in both materials, the carbon content ratio became larger as the carbonization temperature was raised. At the same carbonization temperature, carbon content ratio of the bark charcoal tended to be greater than that of the wood charcoal. In case of iodine adsorption which indicates the adsorption property in liquid phase, the wood charcoal showed higher adsorption value than the bark charcoal. From the investigation of adsorptive elimination properties of the charcoals against 15 ppm Cd, Zn, and Cu, the higher the carbonization temperature, the greater elimination ratio was. In comparison, the wood charcoal presented higher elimination ratio than that of the bark charcoal. In the wood charcoals carbonized at higher than $500^{\circ}C$, especially, 0.2 g of the charcoal was enough to eliminated almost 100% of the heavy metal ions. Heavy metal ion elimination ratio of the charcoals depended on the kinds of adsorbates. The effectiveness of adsorbates in adsorptive elimination by the charcoals were in order of Cu > Cd > Zn. This is because the physicochemical interaction between the adsorbate and adsorbent affects their adsorption properties, it is considered that subsequent researches are needed to improve the effectiveness of heavy metal adsorption by the charcoals.
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제안 방법
각 탄화시료 2 g씩을 100 ml 삼각플라스크에 증류수 50 ml와 함께 넣고 온도 20°C, 1분간 100회의 진동수로 조절된 수조 내에서 1시간 진탕 후, 3000 rpm의 속도로 원심분리 기로 20분간 처리하여 탄화물을 제거한 후, pH 측정기(Orion 710A, Thermo Electron)를 이용하여 상등액의 pH를 측정하였다.
카드뮴, 아연. 구리 등의 중금속을 대상으로 흡착제거 성능을 조사하였다. 탄화온도의 증가와 함께 탄소함량이 증가하며 , 또한 요오드 흡착력이 증가하였는데 이러한 탄화온도에 따른 특성 변화는 숭금속 흡착 시에도 나타났다.
본 연구에서는, 간벌재나 폐기물로 처리되는 신갈나무 목분과 낙엽송 수피를 이용하여 온도별로 탄화하여 기본 물성을 조사하고 탄화물의 물성변화에 따른 카드뮴(Cd)(II), 구리(Cu)(II), 아연(Zn)(II) 등의 중금속 이온 제거 효과를 분석하였다.
Advantec, Japan)를 사용해 여과하고 탄화물을 제거한 후. 용액에 잔류된 중금속 농도를 원자흡광광도기(Varian, AA280FS, USA)로 측정하여 흡착 전, 후의 농도차이로 탄화물에 의한 흡착 제거율을 조사하였다.
탄화는 실험용 탄화로(제일과학. 최고허용 온도 1200°C)를 이용하여 각각 400, 500, 600, 700, 800, 900°C에서 탄화하였다. 탄화는 3단계 로진 행하였는데 , 각 목표온도보다 20°C 낮은 온도까지는 3°C/min의 비율로 승온한 탄화1단계, 탄화 1단계 후 목표온도까지는 2°C/min의 비율로 승온한 탄화2 단계 .
탄화물의 원소조성을 알아보기 위하여 탄화물 2.0 mg을 원소분석 기 (Flash EA 1112, CE Instruments, UK)로 분석하였다. 원소분석을 위한 표준물질은 Acetanilide (C: 71.
대상 데이터
0 mg의 ZnSQ . 7H2O, 구리 수용액은 29.5 mg의 CuSO4 . 5HQ를 각각 500 ml의 2차 증류수에 용해하고 pH를 6.
신갈나무(Quercus mongolica) 목부와 낙엽송 (Larix kaempferi) 수피 를 분쇄 하여 60 ~ 100 mesh 로 정선한 목분과 수피분말을 탄화물 탄화 원료로 사용하였다. 탄화는 실험용 탄화로(제일과학.
0 mg을 원소분석 기 (Flash EA 1112, CE Instruments, UK)로 분석하였다. 원소분석을 위한 표준물질은 Acetanilide (C: 71.09%, H: 6.71%, 0: 11.84%, N: 10.36%, Thermo Electron, USA)였다.
이론/모형
탄화물의 요오드흡착 량은 한국공업 규격 의 활성 탄 시험 방법에 준하여 측정하였는데, 단 요오드흡착시험 시 50 mtl 0.1 N 요오드용액에 목탄시료 1 g을 넣고 25°C. 100 rpm으로 조절한 진탕기 내에서 24시간 흡착시킨 후.
성능/효과
보였다. 0.2 g 수피탄의 경우 400"C에서 탄화한 시료는 69.9%의 제거율을 보여 신갈나무 목탄과 유사한 제거율을 보였지만, 500-700°C 사이의 온도에서 탄화한 목탄의 제거율은 탄화온도가 올라감에 따라 73.6%로부터 88.9%까지만 높아겨 신갈나무 목탄보다 낮은 수치를 보였다. 그리고 800~ 900ºC에서의 수피탄은 신갈나무 목탄과 비슷하여거의 100%의 제거율을 나타냈다.
0.2 g의 낙엽송 수피탄에 대한 아연 이온 제 거율은 신갈나무 목탄 사용 시에 비해 크게 낮았다. 400, 500°C에서 탄화한 낙엽송 수피탄을 사용했을 때의 제거율은 각각 52.
8%였다. 0.5 g을 사용했을 때 제거율은 크게 높아져서 , 400, 500°C에서 탄화한 낙엽송 수피탄을 사용했을 때의 제거율은 각각 67.9. 91.
그러나 더 높은 탄화온도에서는 낙엽송 수피탄의 탄소(C) 함량은 신갈나무 목탄보다 높고, 산소(0) 함량은 더 낮게 나타났다. 900°C에서 탄화한 목탄과 수피탄에서 의 C 와 O의 함량 차이는 크게 달라져 각각 88.7%, 10.4 %와 96.1%, 3.0%였다. 다수의 이전 연구(조 등, 2006: Pastor-Villegas et al.
5 g을 사용했을 때 제거율은 크게 높아져서 , 400, 500°C에서 탄화한 낙엽송 수피탄을 사용했을 때의 제거율은 각각 67.9. 91.6%였고 그 이상의 온도에서 탄화한 수피탄은 98% 이상의 아연이 온 제거율을 보였다.
1%로 나타나서 탄화물 종류에 따른 함량 차이는 크게 나타나지 않았다. 그러나 더 높은 탄화온도에서는 낙엽송 수피탄의 탄소(C) 함량은 신갈나무 목탄보다 높고, 산소(0) 함량은 더 낮게 나타났다. 900°C에서 탄화한 목탄과 수피탄에서 의 C 와 O의 함량 차이는 크게 달라져 각각 88.
, 2001)에서 고온에서 탄화한 목탄의 C 조성비는 대략 80〜90% 정도로 나타났는데. 본 연구에서 수피 탄의 C 함량 비는 90〜96%로 매우 높은 것을 알 수 있다. 이는 수피와 목부의 구성성분 및 구조상의 차이에 의한 것으로 판단된다.
신갈나무(Q. mongolica) 목탄과 낙엽송(L. kaem pferi) 수피탄의 pH는 높은 탄화 온도에서 탄화한 것일수록 높게 나타났다(Fig. 1). 이는 목탄에서 일반적으로 나타나는 경향으로서, 리그노셀룰로스계물질인 목분과 수피분이 탄화되는 과정 중 염기성 관능 기가 생성되며 탄화온도가 높을수록 생성되는 염기성 관능기의 양이 늘어나는 것으로 알려져 있다 (安部 등, 1998).
5 g 모두에서 거의 100%의 제거율을 보였다. 이에 비해, 400°C에서 탄화한 낙엽송 수피탄 0.2 g 또는 0.5 g을 사용했을 때의 구리이온 제거율은 각각 74.5, 78.3%로 비슷하였고 500와 600°C에서 탄화한 수피탄의 구리 이온 제거율은 각각 77.0, 98.5% 와 94.0, 99.5%로 차이를 보였다. 그리고 700°C 이상에서 탄화한 수피 탄은 Q2 g 또는 0.
탄화물 종류에 관계없이 높은 온도에서 탄화한 시료일수록 요오드 흡착량이 높게 나타났다. 이와 같이 높은 요오드 흡착량은 높은 비표면적과 관계가 있다고 알려져 있으며, 이는 이전의 여러 연구에서 보여준 경향과 유사하다(조 등, 2005; 2006).
탄화물의 원소분석 결과(Table 1) 목질부나 수피부에 관계없이 탄화온도가 높아질수록 탄소 함량이 증가하는 반면, 산소와 수소 및 질소 함량은 감소하였다. 이는 리그노셀룰로오스 물질의 탄화가 진행되면서 산소 원자를 많이 포함하고 있는 탄수화물이 리그닌보다 더 빠르게 분해 및 제거되고 탄소 원자중심의라핀 구조화 되어 가는 과정에서 탄소 외의 구성성분의 이탈과 휘발에 의한 것으로 판단된다.
탄화온도의 증가와 함께 탄소함량이 증가하며 , 또한 요오드 흡착력이 증가하였는데 이러한 탄화온도에 따른 특성 변화는 숭금속 흡착 시에도 나타났다. 탄화온도가 높을 수록중금속에 대한 흡착량이 증가하는 것을 알 수 있었다. 그러나 동일한 목탄이라 할지라도 흡착질의 종류에 따라 흡착성 이 다른 것으로 나타나서 흡착 시에 흡착제와 흡착질과의 상호관계가 흡착량에 영향을 주는 것으로 판단된다.
구리 등의 중금속을 대상으로 흡착제거 성능을 조사하였다. 탄화온도의 증가와 함께 탄소함량이 증가하며 , 또한 요오드 흡착력이 증가하였는데 이러한 탄화온도에 따른 특성 변화는 숭금속 흡착 시에도 나타났다. 탄화온도가 높을 수록중금속에 대한 흡착량이 증가하는 것을 알 수 있었다.
후속연구
그러나 동일한 목탄이라 할지라도 흡착질의 종류에 따라 흡착성 이 다른 것으로 나타나서 흡착 시에 흡착제와 흡착질과의 상호관계가 흡착량에 영향을 주는 것으로 판단된다. 즉, 목탄의 흡착에 관여하는 인자가 마이크로세공과 같은 물리적 특성뿐만 아니라 관능기 등 화학적 특성도 크게 관여할 것으로 생각되며, 목탄의 효율적인 성능을 발휘하게 하기 위해서는 이러한 화학적 특성구명이 필요할 것으로 판단된다.
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