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문제 정의
- 본 연구에서는 이런 경제적 이점을 갖고 있는 톱밥을 흡착제로 활용하기 위하여 Langmuir, Freundlich, BET 및 Sips 등온흡착식을 이용하여 흡착특성을 확인하고자 하였다. 그리고, 염색폐수를 대상으로 톱밥의 유기물질, 금속이온 성분, 색도, SS 및 탁도물질 등과의 동시흡착 특성을 알아보았고, 이를 입상활성탄에 의한 흡착특성과도 비교하여 보았다.
- 본 연구에서는 톱밥의 흡착제로서의 적용가능성을 알아보기 위하여, 회분식 및 연속식의 흡착실험을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
제안 방법
- 200 mL 삼각플라스크에 0∼0.2 mm, 0.2∼1.0 mm, 1.0∼3.0 mm의 톱밥입경별로 각각 주입량을 달리 첨가시켜주어 흡착실험을 수행하여 먼저, 등온흡착 그래프를 작성하였다.
- , 색도, 탁도, Fe(III)를 선정하였다. COD, SS, 색도 및 탁도는 염색폐수를 사용하여 흡착제거성능을 조사하였으며, 금속성분은 실험대상인 염색폐수의 금속농도가 매우 낮으므로 이의 제거효율을 알아보기 위하여 FeCl3를 원하는 농도만큼 첨가한 인공폐수를 제조하여 금속 성분의 제거효율도 함께 살펴보았다.
- 고정상에서의 톱밥흡착 성능을 조사하기 위하여 Table 1과 같은 성상을 갖는 염색폐수에 Fe(III) 이온을 인위적으로 첨가하여 12 mg/L가 되도록 제조하고 7시간의 연속고정상 흡착실험을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다. Fig.
- 본 연구에서는 이런 경제적 이점을 갖고 있는 톱밥을 흡착제로 활용하기 위하여 Langmuir, Freundlich, BET 및 Sips 등온흡착식을 이용하여 흡착특성을 확인하고자 하였다. 그리고, 염색폐수를 대상으로 톱밥의 유기물질, 금속이온 성분, 색도, SS 및 탁도물질 등과의 동시흡착 특성을 알아보았고, 이를 입상활성탄에 의한 흡착특성과도 비교하여 보았다.
- 그리고, 톱밥입경 및 톱밥주입량에 따른 흡착성능 실험을 수행하여 보았다. 그 결과, Fig.
- 등온흡착 실험에 앞서 kinetics 및 평형농도 도달시간을 산출하기 위하여 200 mL 삼각플라스크에 입경 0∼0.2 mm 의 톱밥을 25 g/L 만큼 넣고 대상물질로 FeCl3을 사용하여 초기농도가 0.01 M Fe3+가 되도록 인공적으로 제조하여 회분식의 흡착실험을 수행하였다.
- 등온흡착 실험에 앞서 동력학 및 평형농도 도달시간을 산출하기 위하여 200 mL 삼각플라스크에 입경 0∼0.3 mm의 톱밥을 25 g/L 만큼 넣고 대상물질로 FeCl3을 사용하여 증류수에 초기농도가 0.01 M Fe가 되도록 인공적으로 제조하여 회분식의 흡착실험을 수행하였다.
- 등온흡착식의 경향을 파악하기 위하여 Langmuir, Freundlich, BET(Brunauer-Emmett-Teller) 및 Sips 등온흡착식으로부터 각 계수 값들을 산출하였고 이때의 r2값들을 비교하여 보았다. 등온흡착식은 일반적으로 Langmuir, Freundlich, BET 및 Sips 식과 같은 비선형식으로 표현된다.
- 1과 같이 15분에 Fe 제거율이 62%까지 도달하였다가 꾸준히 증가하여 270분 후에는 71%의 제거율을 나타내고 있다. 따라서, 이후의 회분식 등온흡착 실험에서는 270분까지 반응시켜 주어야 하나, 완전한 반응을 보장하기 위하여 24시간 교반 시켜 흡착성능을 확인하도록 하였다.
- 또한, 등온흡착식을 산출하고 톱밥입경의 영향을 확인하기 위하여, 200 mL 삼각플라스크를 이용하여 톱밥입경 0∼0.2 mm, 0.2∼1.0 mm, 1.0∼3.0 mm별로, 각각 톱밥주입량을 5, 15, 25, 35, 45 g/L의 농도로 첨가시켜주어 흡착실험을 수행하였다.
- 비교실험을 위하여 입상활성탄을 톱밥과 동일 입경으로 체를 쳐서 흡착탑에 채워넣은 후 동일 유량으로 상향류로 염색폐수를 주입시키면서 유출수의 성상을 분석하여 톱밥의 흡착성능과 비교하여 보았다.
- 톱밥에 의한 등온흡착식을 산출하기 위하여 회분식 실험을 먼저 수행하였다. 등온흡착 실험에 앞서 동력학 및 평형농도 도달시간을 산출하기 위하여 200 mL 삼각플라스크에 입경 0∼0.
- 톱밥의 흡착성능을 상대적으로 비교하기 위하여, 입상활성탄을 대상으로 하여 톱밥의 흡착탑 실험에서와 동일 조건하에서 연속식 흡착 실험을 수행한 후, 그 때의 유출수성상을 분석한 결과를 아래의 Fig. 6에 나타내었다. 그 결과, COD는 초기농도가 446 mg/L이었던 것이, 시간이 경과함에 따라 서서히 감소하여 6시간 후에는 65.
- 01 M Fe가 되도록 인공적으로 제조하여 회분식의 흡착실험을 수행하였다. 항온 shaking incubator를 이용하여 25℃로 일정하게 온도를 유지하며 200 rpm으로 2시간 동안 교반시켜 주었고, 일정시간 간격으로 시료채취 후 농도변화를 측정하여 평형농도 도달시간을 산출하였다.
- 회분식 흡착실험을 수행한 후, 고정상 연속식 흡착실험을 수행하기 위하여 내경 4 cm, 높이 60 cm(유효부피 754 mL)인 아크릴 흡착탑을 제작하여 사용하였고, 체를 쳐 입경을 일정하게 한 톱밥(0.2∼1.0 mm) 일정량을 흡착탑의 높이만큼 채워넣고 상향류로 원수를 정량펌프를 이용하여 일정한 유량(12.5 mL/min)으로 흘려 보내주며, 12시간 간격으로 시료를 채취하여 흡착에 의한 폐수의 성상변화를 조사하였다.
대상 데이터
- 등온흡착식을 산출하기 위하여 중금속 성분을 사용하는 경우가 많은데, 본 연구에서는 자연환경 중에 가장 흔하게 존재하는 금속 성분중의 하나인 철(Fe) 성분을 사용하였다. 철은 광산폐수, 제철소 폐수, 화학산업폐수, 염료생산공장, 금속제련, 섬유산업 및 석유정제업 등 광범위한 산업에서 발생되는 폐수에 가장 흔하게 존재하는 금속 오염물질 중의 하나이며, 용액의 pH 및 용존산소 농도 등에 따라 2가 혹은 3가의 형태로 존재하게 된다.
- 철은 광산폐수, 제철소 폐수, 화학산업폐수, 염료생산공장, 금속제련, 섬유산업 및 석유정제업 등 광범위한 산업에서 발생되는 폐수에 가장 흔하게 존재하는 금속 오염물질 중의 하나이며, 용액의 pH 및 용존산소 농도 등에 따라 2가 혹은 3가의 형태로 존재하게 된다. 실험에 사용한 염색폐수는 B공단에서 채취한 것이며, 원수의 주요 화학적 성상은 다음의 Table 1과 같다.
- 실험재료로 사용한 톱밥은 목재 제재소에서 얻은 것으로서, 재질은 향나무이며, 톱밥입경에 따라 KS 규격의 체를 이용하여 0∼0.3 mm, 0.3∼1.0 mm, 1.0∼2.0 mm의 세 부류로 분류하여 놓았고, 실험 전에 증류수로 충분히 이물질을 세척시킨 후 건조기에서 105℃조건에서 하루정도 완전건조시켜 실험에 사용하였다.
- 톱밥의 흡착성능을 확인하기 위하여 입상활성탄에 의한 흡착실험을 동일조건에서 수행하여 그 결과를 비교하였는데, 이때 사용된 입상활성탄은 국내 J사에서 제작된 코코넛 껍질 및 lignite coal을 원료물질로 하여 제조된 활성탄을 사용하였다. 이를 증류수로 충분히 세척하고 105℃ 조건에서 완전 건조시킨 후 사용하였다.
- 흡착에 의한 폐수처리시 분석항목으로는 SS, CODCr, 색도, 탁도, Fe(III)를 선정하였다. COD, SS, 색도 및 탁도는 염색폐수를 사용하여 흡착제거성능을 조사하였으며, 금속성분은 실험대상인 염색폐수의 금속농도가 매우 낮으므로 이의 제거효율을 알아보기 위하여 FeCl3를 원하는 농도만큼 첨가한 인공폐수를 제조하여 금속 성분의 제거효율도 함께 살펴보았다.
데이터처리
- 의 그래프로부터 B, Q 값을 세 가지의 입경별로 구하여 Table 2에 제시하였다. 또한, Sips 등 온흡착식은 흡착데이터를 POLYMATH(v. 4.02)를 이용하여 비선형 회귀분석하여 상수 값 및 r2을 획득하였다. 실험결과, Langmuir, Freundlich 및 Sips 등온흡착식은 r2값이 0.
이론/모형
- SS는 Standards Methods for the Examination of Water and Wastewater에 의거하여 측정하였으며,11) CODCr는 Standard Methods의 Closed Reflux, Colorimetric Method에 의거한 HACH사의 DR2010 spectrophoteometer 및 COD reactor를 이용하여 측정하였으며, 색도(color)는 UV/VIS Spectrophotometer를 이용하여 Standard Methods의 PtCo법에 의거하여 측정하였다. 탁도는 HACH사의 Turbidimeter(Model No.
- 는 Standard Methods의 Closed Reflux, Colorimetric Method에 의거한 HACH사의 DR2010 spectrophoteometer 및 COD reactor를 이용하여 측정하였으며, 색도(color)는 UV/VIS Spectrophotometer를 이용하여 Standard Methods의 PtCo법에 의거하여 측정하였다. 탁도는 HACH사의 Turbidimeter(Model No. 2100P)를 사용하였으며, Fe(III)의 분석은 Standards Methods의 Ferrover method에 의거하여 측정하였다.11,12)
성능/효과
- 1∼3) 활성탄과 톱밥의 흡착성능과 경제성을 평가해본 결과, 흡착성능은 활성탄이 톱밥의 8배가량 되지만, 그 경제성 측면에서는 톱밥이 활성탄에 비하여 매우 저렴하다.
- 1) 등온흡착 실험을 통하여 염색폐수의 톱밥에 의한 흡착현상이 유사한 상관관계 범위내에서 Langmuir, Freundlich 및 Sips 등온흡착식의 거동을 따름을 알 수 있었다.
- 10) 본 연구에서는 n값이 0.33∼1.247 범위의 값들을 가져 입경 0.0∼0.2 mm인 경우 다소 양호한 흡착능을 보이지만 그 이상의 톱밥입경에서는 그다지 양호한 흡착결과를 보이지는 않는다고 할 수 있었다.
- 2) 흡착탑을 통과시키는 연속흡착 실험을 통하여 6시간 연속 운전 후 SS 50.0% Fe(III) 25.0%, 탁도 79.4%, 색도 48.6% 그리고 COD 50.9%의 흡착처리 효율을 획득하였다.
- 3) 입상활성탄에 의한 흡착 결과와 비교하며 보면, COD 제거율 측면에서는 약 15%의 차이를 보인 반면, 색도제거율 측면에서는 40% 이상의 차이를 나타냈으며, 특히 COD 및 색도제거율 모두 입상활성탄에 의한 흡착결과에 비하여 안정적인 흡착성능을 나타내지 못하였다.
- 4) 톱밥에 의한 흡착시 SS물질이 고농도로 존재하면 흡착층의 폐색을 일으켜 안정적인 운전을 방해하였고, 톱밥 고유의 색도 및 유기성분이 색도 및 COD 값의 처리율 저하에 영향을 미치므로, 이의 사전적인 처리가 필요할 것으로 사료되었다.
- 6%의 범위에서 다소간의 변동을 일으키면서 유지되는 경향을 나타내고 있다. COD는 초기 COD 값이 438 mg/L이었으나, 최초 흡착탑 통과 후 COD 값이 1,300 mg/L로 값이 상승하였다가, 그 이후에는 점차 안정되어 3시간 경과이후부터는 215 mg/L의 값을 나타내어 50.9%의 제거율을 나타내었다. 이와 같이 색도가 낮은 제거율을 보이고, 초기 COD값이 원 COD보다도 상승하는 것은 흡착제로 사용한 톱밥에 의해 발생되는 색도 및 유기물질에 의한 COD 값이 각각 270 PtCo unit, 865 mg/L로서, 이에 기인한 것이라 여겨진다.
- 고정상에서의 톱밥흡착 성능을 조사하기 위하여 Table 1과 같은 성상을 갖는 염색폐수에 Fe(III) 이온을 인위적으로 첨가하여 12 mg/L가 되도록 제조하고 7시간의 연속고정상 흡착실험을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다. Fig. 4에서 보면, 초기 탁도, SS, Fe(III) 제거율은 각각 98.3%, 100%, 100%이었으나, 시간이 경과할수록 그 흡착 성능이 감소하여 6시간 경과후에는 각각 79.4%, 50.0%, 25.0%로 감소하였다.
- Fig. 5의 톱밥흡착에 의한 COD 및 색도 제거 결과와 Fig. 6의 입상활성탄에 의한 흡착 결과를 비교하며 보면, COD 제거율의 경우 입상활성탄에 의해서 65.0%가 제거된 반면, 톱밥흡착에 의해서는 50.9%의 제거율을 보였고, 특히 색도제거율 측면에서는 그 차이가 커서, 입상활성탄이 89.4%의 색도를 안정적으로 제거하였지만, 톱밥에 의해서는 30.1∼48.6%대의 불안정한 색도제거율을 보여주었다.
- 6에 나타내었다. 그 결과, COD는 초기농도가 446 mg/L이었던 것이, 시간이 경과함에 따라 서서히 감소하여 6시간 후에는 65.0%가 감소한 156 mg/L을 나타내었고, 색도성분은 실험개시 최초 30분 경과 후 초기 색도값이 752 PtCo unit이었던 것이 89.4%가 흡착제거되어 80 PtCo unit으로 감소한 후 일정한 수준을 유지하는 경향을 나타내었다.
- 그 결과, Fig. 3에서 보는 바와 같이 입경이 작을수록 흡착성능도 증가하여 1.0∼3.0 mm일 때와 0.0∼0.2 mm일 때를 비교하면 1.8∼2.4배의 흡착능을 나타냄을 확인할 수 있었고, 주입량이 증가할수록 흡착량도 증가함을 알 수 있었다.
- 그리고, 입상활성탄에 의한 흡착시에는 유기물 혹은 색도 성분의 초기 유출에 의한 일시적인 증가현상도 없이 안정적인 흡착성능을 확인시켜주었다. 그러나, 톱밥에 의한 흡착을 경제성 측면과 함께 고려한다면, 효율적인 흡착제가 될 것으로 사료되었다.
- 그리고, 입상활성탄에 의한 흡착시에는 유기물 혹은 색도 성분의 초기 유출에 의한 일시적인 증가현상도 없이 안정적인 흡착성능을 확인시켜주었다. 그러나, 톱밥에 의한 흡착을 경제성 측면과 함께 고려한다면, 효율적인 흡착제가 될 것으로 사료되었다.
- 실험결과, Langmuir, Freundlich 및 Sips 등온흡착식은 r2값이 0.8860∼0.9504의 범위에서 유사한 상관관계를 나타내는 반면, BET 등온흡착식의 r2값은 0.2594∼0.8442로서 상대적으로 그 상관관계가 다소 떨어졌다.
- 8442로서 상대적으로 그 상관관계가 다소 떨어졌다. 즉, 톱밥에 의한 Fe(III) 흡착 거동은 유사한 수준의 상관관계 범위내에서 Langmuir, Freundlich 등온흡착식, 그리고 이 두 가지 등온흡착식을 결합시켜놓은 Sips 등온흡착식을 따른다고 할 수 있었다. AlMansi,8) Asfour 등10)의 연구에서는 톱밥의 폐수흡착처리에서는 Langmuir의 등온흡착식을 따른다고 하였다.
후속연구
- 종합적으로, 톱밥 원래의 색도 및 유기물질의 사전적인 제거 등 보다 심층적인 연구가 진행된다면, 경제적 측면 및 최종처분 측면뿐만 아니라, 양호한 흡착제로 활용이 가능함을 확인하였다.
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