[논문]입상 활성탄에 의한 Quinoline Yellow의 제거

이종집; 이창용

doi:10.7464/ksct.2010.16.3.206

입상 활성탄에 의한 Quinoline Yellow의 제거
Removal of Quinoline Yellow by Granular Activated Carbon 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.16 no.3 = no.50, 2010년, pp.206 - 212

초록
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본 연구에서는 입상활성탄에 의한 quinoline yellow의 흡착특성을 회분식 흡착과 충전층 흡착을 통해 조사하였다. Quinoline yellow에 대한 활성탄의 흡착능은 산성 pH영역과 보다 높은 흡착온도에 의해 크게 증가하였으며, $60^{\circ}C$, pH 3에서 초기농도(10 mg/L)의 97%를 제거할 수 있었다. 입상활성탄에 대한 quinoline yellow의 흡착평형은 $25{\sim}60^{\circ}C$범위에서 Freundlich의 흡착등온식에 잘 맞았다. 흡착등온식으로부터 평가된 k와 ${\beta}$ 값은 각각 38.71~166.60과 0.380~0.490이었다. 활성탄 충전층에서의 파과곡선은 초기농도, 충전층의 높이, 유입속도 등과 같은 설계변수의 영향을 받았다.

Abstract ▼ AI-Helper

The adsorption characteristics of quinoline yellow by granular activated carbon were investigated experimently in the batch adsorber and packed column. The adsorptivity of activated carbon for quinoline yellow were largely improved by acidic pH and higher temperature. When the pH was 3 at $60^{\circ}C$, quinoline yellowcould be removed 97 percent of initial concentration(10 mg/L). It was estabilished that the adsorption equilibrium of quinoline yellow on granular activated carbon was successfully fitted by Freundlich isotherm equation in the temperature range from $25^{\circ}C$ to $60^{\circ}C$. The estimated values of k and ${\beta}$ are 38.71~166.60, 0.380~0.490, respectively. The breakthrough curve of activated carbon-packed column depends on the design variables such as initial concentration, bed height, and flow rate.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 quinoline yellow의 흡착제거에 입상활성탄의 적합성을 평가하고자 하였다. 평가는 회분식 흡착실험을 통한 pH의 영향, 흡착등온선, 흡착 속도 결과와 연속식 충전층 실험을 통한 파과특성 자료를 분석하였다.
본 연구에서는 유해한 타르색소로서 식용색소와 염료로 사용되고 있는 방향족 잔텐화합물인 quinoline yellow (Food Yellow 13)를 효과적으로 제거하기 위해 입상 활성탄으로 회분식 및 충전층 흡착실험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 회분식 실험결과에서 얻은 최적조건을 토대로 하여, 실제로 폐하수의 처리에 많이 사용되고 있는 충전층 흡착 탑의 운전과 설계에 필요한 기초자료를 얻고자 충전층 흡착실험을 수행하여 그 결과를 Figures 7~9 및 Table 4에 나타내었다.

제안 방법

100 mL PE병에 초기농도 10 mg/L인 quinoline yellow 용액 50 mL과 예비흡착실험에서 결정된 소정의 침지된 활성탄을 넣고, 완충용액을 사용하여 pH를 3~11까지 조정한 후 25℃에서 항온진탕기에서 100 rpm으로 12시간 진탕하여 흡착 평형에 도달했을 때 용액을 여과, 분리하여 여액 중에 남아있는 quinoline yellow의 농도를 측정하여 흡착제거율[100 - (잔존 농도/초기농도)⨯100]을 구하였다.
Quinoline yellow의 초기농도는 흡착 대상이 음료수인지 공업용수인지에 따라 달라질 수 있는데, 본 실험에서는 식품 및 염색폐수에서 발생 가능한 농도와 2차, 3차 처리시 대상이 되는 농도를 감안하여 10 mg/L로 하였다. 초기농도 10 mg/L인 quinoline yellow 용액 50 mL에 대하여 100℃의 순수로 2시간 침지한 활성탄을 0.
그림을 보면 pH의 조절이 없는 상태에서 시료용액의 pH는 7이었고, 활성탄 투입량 100 mg으로 시료용액중에 포함된 quinoline yellow의 72%를 제거하는 것으로 나타났다. 본 실험에서는 활성탄 투입량 100 mg이 pH, 온도, 교반속도 등의 변화에 따른 흡착제거율의 증가폭을 알기에 적당하다고 판단하여 기준흡착제 양으로 선정하였다.
Figure 2와 같이 내경 10 mm의 이중 jacket식 유리관에 활성탄을 10〜30 cm의 높이로 채운 다음 초기농도 500, 1000, 1500 mg/L인 quinoline yellow 용액을 각각 유리관 상부로부터 흘려 내려 보냈다. 시료용액의 유출속도는 peristaltic pump(EYELA, MP-A)을 사용하여 1〜5 cm³/min으로 조정하였으며, fraction collector (Toyo, SF-100K)로 10 mL씩 나누어 채취한 유출용액의 농도를 분석하여 파과시간(breakthrough time) 및 파과곡선(breakthrough curve)을 구하였다.
100 mL PE병에 초기농도 10 mg/L의 quinoline yellow 용액 50 mL를 넣고, 흡착제의 양 결정 실험을 통해 얻은 소정량의 침지된 활성탄을 첨가하고 25℃에서 항온진탕기로 진탕하였다. 진탕속도를 60~100 rpm범위에서 10 rpm의 간격으로 서로 다르게 진탕하면서 용액내의 농도를 시간별로 분석하여 물질이동이 무시될 수 있는 흡착속도와 흡착평형이 이루어지는 시간을 조사하였다.
초기농도 10 mg/L의 quinoline yellow 용액 50 mL에 침지된 활성탄을 100~300 mg 범위에서 서로 다르게 첨가한 후 항온진탕기에서 25, 40, 50, 60℃로 흡착온도를 달리하여 100 rpm의 속도로 12시간 진탕하였다. 흡착평형에 도달했을 때 용액을 여과, 분리하여 여액 중에 남아있는 quinoline yellow의 농도를 측정하여 흡착온도별로 흡착등온선을 분석하였다.
초기농도 10 mg/L인 quinoline yellow 용액 50 mL에 대하여 70℃의 순수로 12시간 침지한 활성탄을 0.1~1 g (건조기준 질량) 범위에서 소정의 비율로 각각 다르게 PE병에 넣고, 25℃의 항온진탕기(Jeio Tek, BS-21)에서 진탕속도를 100 rpm으로 하여 24시간 동안 흡착시킨 후 잔류 농도를 분석하여 활성탄의 투입량을 결정하였다.
본 연구에서는 quinoline yellow의 흡착제거에 입상활성탄의 적합성을 평가하고자 하였다. 평가는 회분식 흡착실험을 통한 pH의 영향, 흡착등온선, 흡착 속도 결과와 연속식 충전층 실험을 통한 파과특성 자료를 분석하였다.
따라서 90 rpm이상의 조건에서는 물질이동저항에 의한 흡착량 감소가 무시될 수 있는 조건으로 생각할 수 있다[10]. 후속실험에서는 여유를 생각해서 진탕속도 100 rpm의 조건에서 회분식 실험을 실행하였으며, 흡착시간도 11시간 이후에 흡착평형에 거의 도달하는 것을 고려하여 진탕시간을 12시간으로 하였다.
흡착질인 quinoline yellow의 용액의 농도분석은 UV-Visible spectrophotometer (Shimadzu, UV-160A)를 사용하여 고유 흡수파장 420 nm에서 검량선을 구하여 분석하였다.
초기농도 10 mg/L의 quinoline yellow 용액 50 mL에 침지된 활성탄을 100~300 mg 범위에서 서로 다르게 첨가한 후 항온진탕기에서 25, 40, 50, 60℃로 흡착온도를 달리하여 100 rpm의 속도로 12시간 진탕하였다. 흡착평형에 도달했을 때 용액을 여과, 분리하여 여액 중에 남아있는 quinoline yellow의 농도를 측정하여 흡착온도별로 흡착등온선을 분석하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 활성탄은 야자각을 원료로 하여 수증기활성화법으로 제조한 D사의 8×30 mesh(평균입경 1.638 mm) 크기의 입상활성탄이다.
실험대상으로 선정한 quinoline yellow는 Sigma Aldrich 사의 특급시약을 사용하였으며, Figure 1에 나타낸 바와 같이 C18H8NNa2O11S3의 분자식을 갖는 방향족 잔텐(Xanthene)계 화합물로, Food Yellow 13, FD & C Yellow No. 10, azobulin 등으로도 불리며, 주로 황색의 식용색소로 사용된다[9].

이론/모형

등온흡착실험 결과를 가지고 흡착처리의 효과성을 평가해 보고자 Freundlich 흡착등온식을 적용해 보았다. 흡착제와 흡착질 사이의 흡착평형관계를 나타내는 Freundlich 등온선은 다음의 식(1)로 표현된다[12].

성능/효과

1) pH를 조절하는 것에 의해 활성탄에 대한 quinoline yellow의 흡착량을 높일 수 있었는데, 음전하 상태로 해리된 quinoline yellow는 활성탄 표면이 양전하로 되는 pH 3에서 100 mg의 활성탄으로 초기농도 10 mg/L의 quinoline yellow용액에 대해 pH를 조절하지 않았을 때의 약 72% 제거율보다 크게 향상된 약 91% 제거율을 나타내었다.
2) 흡착온도별 등온흡착실험 결과 흡착평형관계는 Freundlich 식에서 상관계수 r ≧ 0.980로 비교적 잘 맞았다. 흡착온도가 높아질수록 quinoline yellow의 흡착량이 증가하였는데, 60℃, pH 3에서 초기농도 10 mg/L의 97%를 제거하였다.
3) 고정층 흡착실험 결과로부터 흡착탑에 유입되는 quinoline yellow의 농도가 높거나 유입속도가 빨라지면 파과시간이 빨라지고, 파과곡선의 흡착대가 짧아지는 현상이 나타나며, 충전층의 높이는 흡착대의 크기에 변화가 거의 없이 일정한 폭으로 파과시간이 증가하였기 때문에 실제 흡착조작 시에는 이들을 설계 및 운전인자로 잘 고려할 필요가 있음을 알았다.
활성탄에 대한 흡착에 있어서 흡착질의 물질이동저항이 큰 영향을 미치는데, 교반속도가 느리면 물질이동저항이 작용하여 총괄물질이동계수와 입자 내 확산계수 등이 작아지므로 흡착량의 감소가 일어난다. 본 실험의 결과를 보면 진탕속도가 90 rpm이 되면 흡착속도 곡선이 거의 일치하고 있다. 따라서 90 rpm이상의 조건에서는 물질이동저항에 의한 흡착량 감소가 무시될 수 있는 조건으로 생각할 수 있다[10].
이러한 관점에서 실험결과를 분석해 보면 흡착온도 25~60℃ 범위에서 전체적으로 흡착등온선의 기울기가 0.380~0.490이므로 활성탄에 의한 quinoline yellow의 흡착처리가 효과적일 수 있음을 알 수 있다. 활성탄과 quinoline yellow 사이의 상호작용의 크기를 나타내는 k 값은 흡착온도가 25℃에서 60℃로 상승함에 따라 8.

후속연구

그러나 높은 온도에서 적은 양의 흡착제로 높은 제거율을 얻을 수 있기는 하지만 온도가 증가할수록 흡착량의 증가폭은 적어지고 있고, 같은 온도에서도 활성탄의 첨가량이 150 mg 이상이 되면 흡착량의 증가폭이 아주 미미하다. 따라서 효과적으로 quinoline yellow를 흡착처리하려면 흡착온도, 활성탄의 첨가량 등을 동시에 고려해 주어야 할 것으로 판단된다.
이러한 결과를 바탕으로 볼 때 활성탄의 첨가량과 pH 및 흡착온도 등을 조절하는 것을 경제적 관점에서 접근한다면 quinoline yellow의 효과적인 흡착처리에 유용한 자료로 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
이상의 결과를 종합하면 충전탑에 유입되는 흡착질의 농도가 높거나 유입속도가 빨라지면 파과시간이 빨라지며, 흡착대가 짧아지는 현상이 나타나므로 실제 흡착조작 시에는 이들을 운전변수로 고려해 줄 필요가 있으며, 충전층의 높이는 흡착용량을 결정하는데 사용할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Quinoline yellow는 무엇에 사용되어 왔는가?	Quinoline yellow는 노란색의 합성염료로 원래 섬유류의 착색을 목적으로 개발된 것이지만 식품 및 화장품 등의 착색에도 사용되어 왔다. 우리나라에서는 식용색소로 사용을 허가하고 있으나, 쥐에 대한 경구투여 치사량(LD50)이 2000 mg/kg인 유해한 물질로서 소화효소의 작용을 저해하고 간이나 위에 장해를 일으키며, 두드러기나 발진 및 피부염이 발생할 수 있어 일부 국가에서는 사용을 금지하고 있다[1, 2].
	quinoline yellow를 효과적으로 제거하기 위해 입상 활성탄으로 회분식 및 충전층 흡착실험을 수행한 결과로 얻은 결론은 무엇인가?	1) pH를 조절하는 것에 의해 활성탄에 대한 quinoline yellow의 흡착량을 높일 수 있었는데, 음전하 상태로 해리된 quinoline yellow는 활성탄 표면이 양전하로 되는 pH 3에서 100 mg의 활성탄으로 초기농도 10 mg/L의 quinoline yellow용액에 대해 pH를 조절하지 않았을 때의 약 72% 제거율보다 크게 향상된 약 91% 제거율을 나타내었다. 2) 흡착온도별 등온흡착실험 결과 흡착평형관계는 Freundlich 식에서 상관계수 r ≧ 0.980로 비교적 잘 맞았다. 흡착온도가 높아질수록 quinoline yellow의 흡착량이 증가하였는데, 60℃, pH 3에서 초기농도 10 mg/L의 97%를 제거하였다. 그러나 활성탄의 흡착능력을 나타내는 k값은 흡착온도가 25℃에서 60℃로 상승함에 따라 38.71<81.61<114.61<166.60으로 커졌으나 활성탄 양의 증가에 따른 흡착질의 농도 감소를 나타내는 기울기(β)는 오히려 흡착온도가 낮아질수록 0.490>0.437>0.397>0.380과 같이 작아졌기 때문에 실제적 흡착처리에서는 k와 β 값 및 에너지비용 등을 적절히 감안해서 효과적인 영역을 선택할 필요성이 있다고 판단되었다. 3) 고정층 흡착실험 결과로부터 흡착탑에 유입되는 quinoline yellow의 농도가 높거나 유입속도가 빨라지면 파과시간이 빨라지고, 파과곡선의 흡착대가 짧아지는 현상이 나타나며, 충전층의 높이는 흡착대의 크기에 변화가 거의 없이 일정한 폭으로 파과시간이 증가하였기 때문에 실제 흡착조작 시에는 이들을 설계 및 운전인자로 잘 고려할 필요가 있음을 알았다.
	유해작용이 있는 색소류 제거에 대한 선행연구로는 무엇이 있는가?	이와 같이 유해작용이 있는 색소류 제거에 대한 선행연구로 Jain 등[5]이 저가의 흡착제인 charcoal과 왕겨를 이용하여 indigocarmin을 흡착제거하는 실험을 통하여 운전변수인 흡착제의 양과 흡착질의 농도, 입자크기와 pH 및 접촉시간과 온도의 영향에 대하여 조사한 바가 있으며, Sivakumar와 Palanisamy[6]는 Euphorbia antiquorum wood로부터 제조한 활성탄을 이용하여 Basic Red 29에 대한 흡착 평형관계를 Langmuir, Freundlich, Tempkin 등의 흡착등온식에 적용하여 보았으며, Zhang 등[7]은 Mn 첨착활성탄을 이용하여 Neutral Red를 흡착제거하는 실험을 통해 흡착동력학적 해석을 시도하였다. Gupta 등[8]은 bottom-ash와 deoiled soya를 흡착제로 사용하여 quinoline yellow와 수용성 염료에 대한 흡착특성을 조사하여 pH, 흡착질의 농도, 체눈금크기, 흡착제량, 접촉시간 및 온도 등의 영향에 대해 조사하였다. 그럼에도 불구하고 아직까지 저렴한 흡착제인 활성탄을 이용하여 quinoline yellow를 흡착제거에 관한 연구는 부족한 실정이다.

참고문헌 (13)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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