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문제 정의
- 이에 본 연구는 국내 발생량이 많은 폐자원으로 밤 부산물(율피)을 선정하고 이를 중금속 제거용 생물흡착제로 적용하고자 대표적인 중금속(Cu, Pb, Cd)에 대한 흡착 특성을 평가하였으며 기기분석을 통해 주요 흡착 메커니즘을 규명함으로써 향후 생물흡착공정 개발의 기초자료로 활용하고자 수행되었다.
제안 방법
- 공시생물흡착제를 이용한 중금속 흡착실험은 단일 중금속 시스템에서 각 중금속 종류별로 수행하여 등온흡착 특성을 평가하였다. 중금속 흡착실험에 사용한 시약은 Cd, Cu, Pb 에 디]해각각 Sigma-Aldlich 사의 AR급 cadmium nitrate tetrahydrate(Cd(NO3)24H2O)z copper(II) nitratehydrate (Cu(NQ?)2-5H2O)z lead(II)nitrate(Pb(NC)3)2)를 사용하였으며 중금속 농도는 0-200 ppm으로 조절한 인공폐수를 이용하였다.
- 5를 유지하였다. 반응 후상등액은 Whatman No. 42여과지를 통과 후 ICP-AES(Perkin-Elmer, Optima 3100XL)를 이용하여 Cd, Pb, Cu의 농도를 측정하였다. 중금속 흡착량(q)은 초기 인공폐수에 함유된 중금속 농도를 G로 평형 후의 농도를 Ce로 정의한 후식 (1)에 의해 산출하였다.
- 중금속 농도 변화에 따른 율피의 흡착량을 알아보기 위해 초기 중 금속 농도를 10-200 mg L-1까지 변화시키면서 등온흡착실험을 수행하였다. 실험 결과 3가지 중금속(Cd, Pb, Cu) 모두 초기 중금속의 농도 증가에 따라 흡착량이 증가하지만 이후 일정한 평형 상태에 도달하는 것으로 나타났다{Fig.
- 중금속 흡착 전 후 생물 흡착제의 표면 변화를 관찰하고 표면의 무기원소 함량과 조성 변화를 관찰하기 위하여 흡착 전 시료와 흡착 후 여지에 남은 시료를 수거하여 건조한 후 시료의 표면형상과 화학적 정보는 SEM-EDSQEOL, JSM-5410) 를 관능기의 분석은 FT-IR(Bio-Rad, FTS 3000MX)을 이용하여 각각 측정하였다.
- 흡착 모델은 율피0.2 g에 단일 중금속 농도를 10, 20, 40, 60, 100, 150, 200 ppm으로 조절한 용액 40 ml를 20℃ 항온수조에서 no rpm으로 교반 24시간 후 측정한 중금속 잔존농도를 이용식 (2)와 (3)에 제시된 Freundlich 모델 및 Langmuir 모델에 적용하여 r2 값이 높은 것으로 평가된 모델을 최적의 모델로 선정하였다. Freundlich 모델은 식 (2) 와 같이 표현된다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 밤 부산물은 밤 가공 공정에서 밤 알맹이(전분)를 제외한 부산물을 수거한 후탄닌 함량이 상대적으로 높은 것으로 보고된 속껍질인 율피만을 수거하여 이용하였다. 흡착 실험에 이용할 율피는 불순 눌을 제거한 후 분쇄기를 이용하여 파쇄 후 건조기에서 60℃로 3일간 건조 후 데시케이터에 보관하고 사용하였다.
- 중금속 흡착실험에 사용한 시약은 Cd, Cu, Pb 에 디]해각각 Sigma-Aldlich 사의 AR급 cadmium nitrate tetrahydrate(Cd(NO3)24H2O)z copper(II) nitratehydrate (Cu(NQ?)2-5H2O)z lead(II)nitrate(Pb(NC)3)2)를 사용하였으며 중금속 농도는 0-200 ppm으로 조절한 인공폐수를 이용하였다. 등 온흡착실험은 생물흡착제와 인공폐수의 비율을 1:200으로 설정하고 항온수조에서 20℃, 120rpm의 조건으로 평형시간인 24시간 동안 반응하였 다.
성능/효과
- 5사이에 존재할 때 피흡착제는 흡착이 용이한 것으로 알려져 있고 흡착상수K의 값이 크면 클수록 흡착제의 흡착능이 증가하는 것으로 알려져 있다12). 본 실험 결과를 Freundlich 모델에 적용한 결과 상관계수(r2) 값이 0.72, 0.73, 0.87 등으로 Langmuir 모델에 비해 상대적으로 낮아 상기 내용에 부합하지는 않는 것으로 판단되 었다(Table 1). 한편 Langmuir 등온 흡착식의 적용은 흡착 표면의 에너지 분포가 비교적 균일한 비 기능성 고분자 흡착제에 의한 흡착의 경우가 가장 적절하다고 알려져 있다 16).
- Langmuir 모델에서 qm 값은 흡착 친화도를 나타내며 이 값이 클수록 흡착 친화도가 크다는 것을 의미한다.상기 연구 결과를 Langmuir 모델로 나타낸 결과 Pb, Cu, Cd 3가지 중금속에서 모두 상관계수(r2) 값이 0.99 이상으로 매우 높게 나타나 모델 적용이 바람직한 것으로 판단된다(Fig. 2, Table 2). 이상의 결과로부터 율피의 흡착은 Langmuir 등온 흡착식에 적합하여 단분자층에서 발생하는 화학흡착으로 결론지을 수 있었으며15) 각 중금속에 대한 율피의 최대 흡착량(qm)은 Pb 31.
- 수행하였다. 실험 결과 3가지 중금속(Cd, Pb, Cu) 모두 초기 중금속의 농도 증가에 따라 흡착량이 증가하지만 이후 일정한 평형 상태에 도달하는 것으로 나타났다{Fig. 1).
- 일반적으로 중금속 흡착능이 가장 뛰어난관능기는 carboxyl group 이라고 알려져 있는데 carboxyl groupe 수용액 속에서 -COO와 H+로 해리되며, 일정 pK 값 이상에서 대부분-COO형대가 되어 양이 온성 중금속이 효율적으로 흡착되는 것으로 보고된 바 있다7,22). 율 피의 표면에서 중금속 이온의 흡착유, 무상태를 확인하기 위해 SEM-EDS 분석을 실시한 결과 중금속 이온 흡착전에는 표면이 매끄럽게 안정된 모습이 관찰되었으나 흡착 후에는 전자밀도가 높을 것으로 판단되는 부분이 나타났다(Fig. 4). 이러한 변화가 중금속이온의 흡착으로 인한 것인지를 확인하기 위해 EDS 분석을 수행한 결과 중금속이온의 흡착 전에는 중금속 이온의 피그가 나타나지 않았으나 흡착 후에는 납이 온의 피크가 나타나 율피에 중금속이온이 흡착됨을 직접적으로 확인할 수 있었다.
- 율피의 FT-IR 분석 결과 스펙트럼상에서 중금속 이온과 치환이나 결합이 될 것으로 판단되는 관능기들을 확인할 수 있었다(Fig. 3).이 중 3400 cm-1에서의 hydroxyl groupe 증류수의 FT-IR 분석 결과 나타나는 수분에 의한 관능기이며이에 따라율피의 스펙트럼 결과를 해석함에 있어 제외하였다.
- 4). 이러한 변화가 중금속이온의 흡착으로 인한 것인지를 확인하기 위해 EDS 분석을 수행한 결과 중금속이온의 흡착 전에는 중금속 이온의 피그가 나타나지 않았으나 흡착 후에는 납이 온의 피크가 나타나 율피에 중금속이온이 흡착됨을 직접적으로 확인할 수 있었다. 구리와 카드뮴의 경우 납과 비교하여 흡착량이 낮았기 때문에 EDS 분석 결과 상에 이온 피크가 나타나지 않은 것으로 사료된다.
- 구리와 카드뮴의 경우 납과 비교하여 흡착량이 낮았기 때문에 EDS 분석 결과 상에 이온 피크가 나타나지 않은 것으로 사료된다. 이상의 결과로부터 율피에의한 중금속 이온 흡착은 물리적인 흡착보다는 관능기에 의한 화학적 흡착일 것으로 판단되었다 끼.
- 2, Table 2). 이상의 결과로부터 율피의 흡착은 Langmuir 등온 흡착식에 적합하여 단분자층에서 발생하는 화학흡착으로 결론지을 수 있었으며15) 각 중금속에 대한 율피의 최대 흡착량(qm)은 Pb 31.25 mg g'1, Cu 7.87 mg g-1, Cd 6.85 mg g-1으로 산줄되었다 (Table 2).이러한 흡착량의 차이는 중금속이온의 분자크기, 친화력 및 전기음성도 차이에 기인한다고 보고되었는데17,18) 조 등(2004)은 생물흡착 소재의 중금속 흡착이 생물흡착 소재가 지닌 관능기의 중금속 선택성에 기인하기 때문에 특정 중금속을 효율적으로 제거할 수 있는 것으로 보고한 바 있다.
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