[논문]염화아연으로 표면개질된 입상활성탄의 질산성질소 흡착속도의 모델링 연구

지민규; 정우식; 전병훈

염화아연으로 표면개질된 입상활성탄의 질산성질소 흡착속도의 모델링 연구
Modeling of the Nitrate Adsorption Kinetics onto $ZnCl_2$ Treated Granular Activated Carbon 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.13 no.3, 2008년, pp.21 - 26

지민규 (연세대학교 환경공학부) , 정우식 (연세대학교 환경공학부) , (연세대학교 환경공학부) , 전병훈 (연세대학교 환경공학부)

초록
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염화아연($ZnCl_2$)으로 표면개질된 코코넛 입상활성탄(Granular Activated Carbon, GAC)의 질산성질소 제거제로서의 적용가능성을 알아보기 위해 두 가지 질산성질소 농도(25 mg/L, 50 mg/L) 조건에서 수중에서의 질산성질소 흡착능력을 평가하였다. 표면개질된 코코넛 입상활성탄의 질산성질소 흡착은 반응초기에 빠르게 진행되어 10분 이내에 흡착율이 50%에 이르렀고 흡착평형에 소요된 시간은 1시간 이내였다. 염화아연으로 표면개질된 코코넛 입상활성탄의 질산성질소 흡착 원리를 조사하기 위해 네 가지 속도 모델들(유사 일차 모델, 유사 이차 모델, Weber & Morris의 입자내 확산 모델, 그리고 Bangham의 공극 확산 모델)을 각 모델의 속도 상수(k)에 따라 적용하였다. 그 결과, 본 연구의 흡착속도는 공극 확산 단계에 의하여 결정되는 것으로 사료되며 유사 이차 모델을 따르는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Nitrate adsorption from aqueous solutions onto zinc chloride ($ZnCl_2$) treated coconut Granular Activated Carbon (GAC) was studied in a batch mode at two different initial nitrate concentrations (25 and 50 mg/L). The rate of nitrate uptake on prepared media was fast in the beginning, and 50% of adsorption was occurred within 10 min. The adsorption equilibrium was achieved within one hour. The mechanism of adsorption of nitrate on $ZnCl_2$ treated coconut GAC was investigated using four simplified kinetic models : the rate parameters were calculated for each model. The kinetic analysis indicated that pseudo-second-order kinetic with pore-diffusion-controlled was the best correlation of the experimental kinetic data in the present adsorption study.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 입상활성탄의 질산성질소 흡착과정을 설명하기 위해 평형 연구와 속도론적 연구를 수행하였다.

가설 설정

흡착 메커니즘을 규명하기 위해 회분식 실험자료를 일반적인 네 종류의 흡착속도 모델에 적용하였다. 흡착속도 모델링 결과는 입상활성탄의 수처리 현장 적용 시 (i) 원수의 체류시간 및 흡착매질의 포화상태(파과곡선), (ii) 수처리 흡착설비 작동과 시스템 디자인의 기초적인 정보 제공에 도움을 줄 것이다.

제안 방법

이후 0.2 µm 크기의 필터(Versapor, Pall Co., USA)로 여과한 뒤 여과액의 질산성질소 농도는 이온크로마토그래피(Ion Chromatography, Dionex, DX-120)를 이용하여 분석하였다.
본 연구에서는 입상활성탄의 질산성질소 흡착과정을 설명하기 위해 평형 연구와 속도론적 연구를 수행하였다. 입상활성탄에 대한 질산성질소의 흡착에 미치는 여러가지 운전변수들의 영향을 접촉시간과 초기 질산성질소 농도의 함수에 따라 조사하였다. 흡착 메커니즘을 규명하기 위해 회분식 실험자료를 일반적인 네 종류의 흡착속도 모델에 적용하였다.
질산성질소의 최대 흡착량에 이르는 평형시간을 확인하고 흡착과정에서의 반응속도를 알기 위해 염화아연으로 표면개질된 코코넛 입상활성탄에의 질산성질소의 흡착량을 접촉시간에 따라 측정하였으며, 그 결과는 Fig. 1과 같다. 실험에 적용된 조건은 질산성질소 용액의 초기농도 25 mg/L, 50 mg/L, 흡착제(염화아연으로 표면개질된 코코넛 일상할성탄) 0.
C_o와 C_f는 각각 질산성질소의 초기농도(mg/L)와 마지막 농도(mg/L)이며, V는 질산성질소 용액의 부피(L)이고 m은 흡착제(염화아연으로 표면개질된 입상활성탄)의 양(g)이다. 흡착능에 대해서는 접촉시간과 질산성질소의 초기농도에 따른 상관관계를 분석하였다. 분석자료는 모든 그림에서 X축은 시간(t), Y축은 흡착량(q_e, mmol/g)의 관계로 나타내었다.
C)에서 회분식 실험의 형태로 연구되었다. 흡착제로 인한 시간에 따른 질산성질소의 흡착량을 알기 위해 마개로 닫혀진 50 mL 용량의 유리관 안에 두 가지 초기 농도(25 mg/L, 50 mg/L)의 질산성질소 용액 10 mL와 코코넛 일상활성탄의 0.1 g을 넣은 뒤 온도가 조절되는 교반기(Jeio Tech Co., SWB-20 Shaking Water Bath)에서 시간을 달리하여 교반시켰다. 이후 0.

대상 데이터

질산성질소(1000 mg/L) 표준용액은 탈이온수(De-ionized Water)에 NaNO₃(Oriental Chemical Industries, South Korea)를 용해시켜 준비하였다. 실험에 사용된 질산성질소 초기농도는 25 mg/L와 50 mg/L이며 질산성질소 표준용액을 탈이온수로 희석시켜 준비하였다.
실험에 사용된 질산성질소 초기농도는 25 mg/L와 50 mg/L이며 질산성질소 표준용액을 탈이온수로 희석시켜 준비하였다. 코코넛 입상활성탄은 자연과학산업(주)으로부터 구입하였다. 염화아연으로 표면개질된 활성탄은 코코넛 입상활성탄(Granular Activated Carbon, GAC)과 염화아연(ZnCl₂) 용액을 200%의 화학적 무게비율(wt%)로 반응시킨 후 500^oC에서의 소성을 통해 준비하였다(지민규 등, 2007).
입상활성탄에 대한 질산성질소의 흡착에 미치는 여러가지 운전변수들의 영향을 접촉시간과 초기 질산성질소 농도의 함수에 따라 조사하였다. 흡착 메커니즘을 규명하기 위해 회분식 실험자료를 일반적인 네 종류의 흡착속도 모델에 적용하였다. 흡착속도 모델링 결과는 입상활성탄의 수처리 현장 적용 시 (i) 원수의 체류시간 및 흡착매질의 포화상태(파과곡선), (ii) 수처리 흡착설비 작동과 시스템 디자인의 기초적인 정보 제공에 도움을 줄 것이다.
흡착속도 자료를 Bangham 방정식의 견지에서 분석하였다. Bangham의 방정식은 식 (5)와 같다(Aharoni and Ungarish, 1977).

이론/모형

본 연구에서는 염화아연으로 표면개질된 입상활성탄의 질산성질소 흡착 메커니즘을 조사하기 위해 회분식 실험결과를 여러 모델들 중 일반적인 모델로 알려진 유사 일차 모델(pseudo-first-order), 유사 이차 모델(pseudo-second-order), Weber & Morris 모델, 그리고 Bangham의 모델 등 네 가지 모델에 적용하였다.
이외에 확산 원리를 이해하기 위해 다른 확산모델들(Weber & Morris의 모델과 Bangham의 모델)을 본 연구에 적용하였다.
흡착속도 자료를 Weber & Morris에 의해 제안된 입자 내 확산 모델(intra-particle diffusion)(Weber and Morris, 1963)의 견지에서 분석하여 Fig. 4에 나타내었다.

성능/효과

◆ 염화아연으로 개질된 활성탄의 질산성질소 흡착 실험결과에 대해 여러가지 속도모델 들을 적용한 결과, 본 연구의 흡착시스템은 공극으로의 확산이 조절된 유사 이
차 속도 모델을 따르는 것으로 나타났다.
시간(t)에 대한 log(q_e − q) 곡선의 기울기와 절편은 유사 일차 속도상수(k_f)와 모델을 이용하여 평형상태의 흡착된 질산성질소 양에 대한 계산 값(q_e(cal))을 결정하기 위해 사용되었으며 상관계수(R²)와 함께 Table 1에 나타내었다. 두 초기농도의 연구결과에 대한 유사 일차 속도 모델의 상관계수는 모두 0.99보다 낮고, 또한 유사 일차 모델로 계산된 q_e 값은 회분식실험의 q_e 값과 많은 차이를 보였다. 이러한 결과는 본 연구의 흡착시스템이 유사 일차 속도모델을 따르지 않음을 의미한다.
99 이상의 좋은 상관계수(R₂)가 보여져 공극확산 모델을 따르는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구의 흡착과정은 유사 이차 속도 모델과 Bangham의 모델에 의해 가장 잘 모사되어질 수 있다.
시료의 pH는 실험 전과 후에 각각 측정되었는데, 두 질산성질소 용액(25 mg/L, 50 mg/L)의 초기 pH는 6.3 ± 0.5였으나 염화아연으로 개질된 활성탄 첨가 후에 pH 5.5로 약간 감소하였다.
t에 관한 t/q_t 곡선의 기울기와 절편은 유사 이차 속도상수(k_s)와 모델을 이용하여 계산된 평형상태에서의 흡착량(q_e(cal))을 결정하기 위해 사용되었으며 상관계수(R²)와 함께 Table 1에 나타내었다. 실험결과를 적용한 결과, 유사 이차 속도모델의 상관계수는 0.99보다 높았으며, 모델에 의해 계산된 q_e(cal)값이 회분식 실험의 q_e(exp)값과 잘 맞았다. 이와 유사한 결과들이 활성탄, 해포석, 염산과 슬래그에 의해 활성화된 해포석 그리고 염화아연으로 개질된 코코넛 껍질을 이용한 질산성질소 흡착연구에서 다른 연구자들(Öztürk and Bekta , 2004; Namasivayam and Sangeetha, 2005)에서도 보고된 바 있으며, 본 연구의 유사 이차 속도상수 값과 비교시 비슷한 수치를 나타낸다.
5에 나타내었다. 연구의 흡착속도 자료들을 적용한 결과 0.99 이상의 좋은 상관계수를 보였으며, 이러한 선형도는 본 흡착 연구에서 Bangham 모델의 적용력을 확인시켜 주며, 흡착제 공극 안으로의 확산이 흡착 과정을 조절한다는 것을 의미하는 결과이다.
이상과 같이 네 가지의 속도론적 모델링을 통하여 유사 이차 속도 모델의 값이 0.99 이상의 좋은 상관계수(R₂)와 실험 값(q_e(exp))에 잘 맞음을 알 수 있었고, 흡착확산 모델들을 적용한 결과 Bangham의 모델에서 0.99 이상의 좋은 상관계수(R₂)가 보여져 공극확산 모델을 따르는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구의 흡착과정은 유사 이차 속도 모델과 Bangham의 모델에 의해 가장 잘 모사되어질 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	음용수에 존재하는 고농도의 질산성질소의 작용은?	음용수에 존재하는 고농도의 질산성질소는 유아기때 산소전달을 방해하여 청색증(Blue-baby syndrome)을 유발하며, 밤암물질로 알려진 니트로사민이란(Nitrosamine) 화합물을 형성할 수 있는 잠재력을 가지고 있다(Chiu et al., 2007).
	흡착기술이 다른 폐수처리기술들에 비해 더 많이 적용되는 이유는?	일반적으로 흡착기술은 저가의 경비, 간단한 디자인의 시스템 그리고 운전의 용이성 등의 이유로 다른 폐수처리기술들에 비해 더 많이 적용된다. 또한, 입상활성탄은 수용액의 다양한 오염물질 제거를 위한 흡착제로 그 성능이 입증된 바 있다.
	염화아연으로 표면개질한 코코넛 입상활성탄을 이용하여 질산성질소의 흡착에 관해 평형연구와 속도론적 모델링 연구를 수행한 결론은?	◆ 실험결과, 코코넛 입상활성탄의 질산성질소 흡착은 10분 이내에 흡착율이 50%에 이르렀고 흡착평형에 소요된 시간은 1시간 이내였다. ◆ 질산성질소의 초기 농도가 25 mg/L와 50 mg/L 일때, 염화아연으로 표면개질한 코코넛 입상활성탄의 흡착량은 각각 0.0339 mmol/g과 0.0548 mmol/g인 것으로 나 타났다. ◆ 염화아연으로 개질된 활성탄의 질산성질소 흡착 실험결과에 대해 여러가지 속도모델 들을 적용한 결과, 본 연구의 흡착시스템은 공극으로의 확산이 조절된 유사 이 차 속도 모델을 따르는 것으로 나타났다.

참고문헌 (31)

국제인구행동연구소(PAI) : Sustaining Water(Population and the Future Renewable Water Suppies), 1993
김탁수, 이용미, 김문선, 김성연, 신해철, 최경호, 정문호, 2004, 일부 농촌지역의 오염원 현황과 먹는물 수질에 관한 조사연구, 한국환경위생학회지, 30(2), 98-103
연경호, 문승현, 1999, 전기투석과 전기탈이온법에 의한 음용수에서의 질산성질소 제거, 대한환경공학회, 21(1), 87-99
연경호, 이승학, 이관용, 박용민, 강상윤, 이재원, 최용수, 이상협, 2007, 메조기공 실리카에 부착된 영가철을 이용한 질산성질소의 환원, 상하수도학회지, 21(1), 139-147
이용주, 민지희, 김종호, 김한승, 2006, 이온교환수지와 나노여과 막을 이용한 질산성질소의 제거특성 비교, 대한상하수도학회한국물환경학회 공동추계학술발표대회 논문집, 2006, pp. 171-176
지민규, 최양훈, 정우식, 이상훈, 김선준, 민부기, 아밋바트나가, 김성헌, 정형근, 전병훈, 강준원, 2007, 염화아연으로 표면 개질된 입상활성탄의 질산성질소 흡착연구, 한국지구시스템공학회지, 44(6), 492-499

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환경부, 2007, 2006년 지하수 수질측정망 운영결과
환경부, 환경백서, 452-458, 2003
Aharoni, C. and Ungarish, M., 1977, Kinetics of activated chemisorption Part 2.- Theoritical models, J. Chem. Soc. Faraday I., 73, 456-464

상세보기
Chiu, H.-F., Tsai, S.-S., and Yang, C.Y., 2007, Nitrate in drinking water and risk of death from bladder cancer: An ecological case-control study in Taiwan, J. Toxicol. Environ. Hlth., Part A, 70, 1000-1004

상세보기
Dore, M., Simon, Ph., Deguin, A., and Victot, J., 1986, Removal of nitrate in drinking water by ion exchange-Impact on the chemical quality of treated water, Water Res., 20, 221-232

상세보기
Haribabu, E., Upadhya, Y.D., and Upadhyay, S.N., 1993, Removal of phenols from effluents by fly ash, Int. J. Environ. Studies, 43, 169-176

상세보기
Ho, Y.S. and McKay, G., 1999, The sorption of lead(II) ions on peat, Water Res., 33, 578-584

상세보기
Ho, Y.S., Ng, J.C.Y. and McKay, G., 2001a, Removal of lead(II) from effluents by sorption on peat using second-order kinetics, Sep. Sci. Technol., 36, 241-261

상세보기
Ho, Y.S. and Chiang, C.C., 2001b, Sorption studies of acid dye by mixed sorbents, Adsorption, 7, 139-147
Ho, Y.S. and McKay, G., 1999, Pseudo-second order model for sorption processes, Process Biochem., 34, 451-465

상세보기
Huang, Y.H. and Zhang, T.C., 2004, Effects of low pH on nitrate reduction by iron powder, Water Res., 38, 2631-2642

상세보기
Kumar, M. and Chakraborty, S., 2006, Chemical denitrification of water by zero-valent magnesium powder, J. Hazard. Mater., B135, 112-121
Lagergren, S., 1898, About the theory of so-called adsorption of soluble substances, K. Svenska Vetenskapsakad Handl., 24, 1-39
Mohanty, K., Jha, M., Meikap, B.C., and Biswas, M.N., 2005, Preparation and characterization of activated carbons from terminalia arjuna nut with zinc chloride activation for the removal of phenol from wastewater, Ind. Eng. Chem. Res., 44, 4128-4138

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Mohanty, K., Jha, M., Meikap, B.C., and Biswas, M.N., 2005, Removal of chromium(VI) from dilute aqueous solutions by activated carbon developed feom Terminalia arjuna nuts activated with zinc chloride, Chem. Engg. Sci., 60, 3049-3059

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Namasivayam, C. and Sangeetha, D., 2005, Removal and recovery of nitrate from water by $ZnCl_2$ activated carbon from coir pith, an agricultural solid waste, Ind. J. Chem. Technol., 12, 513-521
Ozturk, N. and Bekta , T.E., 2004, Nitrate removal from aqueous solution by adsorption onto various materials, J. Hazardous Mat., B112, 155-162
Panday, K.K., Prasad, G., and Singh, V.N., 1985, Copper(II) removal from aqueous solutions by fly ash, Water Res., 19, 869-873

상세보기
Pintar, A., Batista J., and Levec, J., 2001, Catalytic denitrification: direct and indirect removal of nitrates from potable water, Catalysis Today, 66, 503-510

상세보기
Periasamy, K. and Namasivayam, C., 1994, Process development for removal and recovery of cadmium from wastewater by a low-cost adsorbent: Adsorption rates and equilibrium studies, Ind. Eng. Chem. Res., 33, 317-320

상세보기
Schoeman, J.J. and Steyn, A., 2003, Nitrate removal with reverse osmosis in a rural area in South Africa, Desalination, 155, 15-26

상세보기
Soares, M.I.M., 2000, Biological denitrification of groundwater, Water. Air. Soil Pollut., 123, 183-193

상세보기
Tutem, E., Apak, R., and Unal, C.F., 1998, Adsorptive removal of chlorophenols from water by bituminous shale, Water Res., 32, 2315-2324

상세보기
US Environmental Protection Agency, 2000, Drinking water standards and health advisories, US Environmental Protection Agency, Office of Water, 822-B-00-001
Weber Jr., W.J. and Morris, J.C., 1963, Kinetics of adsorption on carbon from solution, J. Sanit. Engg. Div., ASCE 89 (SA2), pp. 31-59

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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