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문제 정의
- 본 연구에서는 폐수 중에 존재하는 미량의 중금속 농도를 정밀하게 측정하였고 특히, 폐 소뼈로 제조한 담체를 폐수처리 분야에 적용하기 위하여 중금속제거 가능성을 분석 검토하고 납, 카드뮴 및 아연 등의 중금속에 대한 제거능력실험과 흡착관련 이론식을 적용하여 정량적 해석을 통해 새로운 담체 개발에 기초자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
- BET홉착장치 (Micromeritics ASAP 2000)를 사용하여 담체 입자의 미세 기공도를 측정하기 위해 기공의 크기 분포를 측정하여 Fig. 2와 Table 1에 나타내었다.
- 알려진 바와 같이 Sips식에서 불균일성에 대한 인자는 매개변수 n이다. 납, 카드뮴 및 아연에 대한 각 식의 매개 변수 값은 최소자승법을 이용해 Table 2에 정리하였고 단일성분의 흡착평형 데이터를 이용하여 흡착등온식을 결정하였다. 한편 납과 카드뮴의 2성분 제거량은 IAST이론으로 계산한 후 실험치와 비교한 내용을 Table 3에 정리하였고 카드뮴, 아연 및 납 3성분의 제거량에 대한 결과를 Table 4에 나타내었다.
- 본 연구에서는 단일 성분만의 실험 데이터를 이용하는 방법으로 이상흡착용액이론을 이용하여 다성분계의흡착 평헝량을 예측하였다. 흡착등온식은 2개의 파라미터를 갖는 Langmuir과 Freundlich식 및 3개의 파라미터를 갖는 Sips식을 사용하였고 각 파라미터들로부터 얻어진 중금속이온에 대한 흡착등온선을 구하여 실험값과 비교하였다.
- 본 연구에서는 육류가공 및 음식업소 등에서 대량 배출되고 있는 폐기물의 일종인 폐 뼈를 고온# 으로, 소결 처리하여 제조한 담체를 활용하여 납(Pb), 카드뮴(Cd), 아연 (Zn) 등, 중금속에 대한 흡착 제거 관련 실험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 필요하다. 산업폐수는 보통 황산이온을 포함하고 있기 때문에, 본연구에서는 각각의 시료에 실험중 묽은 황산용액을 이용해 pH=5.0으로 유지되도록 조정하였다. 중금속 물질로는 카드뮴, 구리 및 아연 등 3종으로 각 이온의 단일성분에 대한 제거실험의 경우 각 성분의 농도가 3 mol/m3, 다성분계 제거 실험에서는 각 성분의 총 농도의 합이 2mol/m3이 되도록 준비하여 중금속 시료로 사용하였다.
- 평형실험을 통해 오차 범위 내에서 이온의 농도가 일정하게 되는 시간을 측정하여 결정하였다. 이후 튜브를 통해 유출된 용액의 농도를 고성 능액 체 크로마토그래 피 (High Performance Liquid Chromatography, 이하 “HPLC”)에 디텍터와 서프레서를보강한 이온크로마토그래피를 사용하여 측정하였다 .
- 중금속 제거실험은 2(rc에서 항온 시킨 수조 내에서 진행되었다. 담체를 50ml 튜브에 충진 시키고 중금속 용액을 주입시켜 3시간의 접촉시간을 주었으며 이때 3 시간은 고체 흡착제와 용액상의 흡착질이 평형을 이루는 데 걸리는 시간이다.
- 담체를 50ml 튜브에 충진 시키고 중금속 용액을 주입시켜 3시간의 접촉시간을 주었으며 이때 3 시간은 고체 흡착제와 용액상의 흡착질이 평형을 이루는 데 걸리는 시간이다. 평형실험을 통해 오차 범위 내에서 이온의 농도가 일정하게 되는 시간을 측정하여 결정하였다. 이후 튜브를 통해 유출된 용액의 농도를 고성 능액 체 크로마토그래 피 (High Performance Liquid Chromatography, 이하 “HPLC”)에 디텍터와 서프레서를보강한 이온크로마토그래피를 사용하여 측정하였다 .
- 평헝량을 예측하였다. 흡착등온식은 2개의 파라미터를 갖는 Langmuir과 Freundlich식 및 3개의 파라미터를 갖는 Sips식을 사용하였고 각 파라미터들로부터 얻어진 중금속이온에 대한 흡착등온선을 구하여 실험값과 비교하였다. 세가지 흡착식에 대한 카드뮴의 흡착 등온선은 Fig.
- 흡착제를 이용한 물질의 분리는 대개 2성분 이상의 혼합용액을 다루게 되어 단일성분의 흡착등온식은 물론 다 성분의 흡착평형 데이터가 요구된다 단일성분 흡착에서 사용한 3가지 중금속을 3종류의 2성분(Pb/Cd, Cd/Zn, Pb/Zn)쌍 및 1종류의 3성분 (Pb/Cd/Zn>쌍을 만들어서 경쟁 흡착시키는 실험을 실시하였다. 또한, 다 성분 계에서도.
대상 데이터
- 그 후 소결 과정으로 전기로에서 고온인 800~850℃ 상태로 3시간 소성시켰다. 소성 과정에서 폐 뼈 속에 포함된 유기물질과 단백질 성분 등은 연소되고 비표면적인 향상 된 다공성 물질로 개선된 폐 소뼈(이하 '담체''라함)를 사용하였다.
- 본 연구에서 자원화 하고자 하는 대상 칼슘계 폐기물은 그 성분이 칼슘으로 구성되어 있고 육류가공 및 음식업계에서 대량 배출되며 앞으로 산업 및 수처리 분야에 널리 활용 될 수 있는 폐 뼈이다. 말, 소, 돼지 등가 축의 폐 뼈나 다랑어, 갑오징어 등 생선의 폐 뼈를 고온 - 고압에서 소결시켜 만든 담체는 탈취제, 탈색제 또는 제당공업의 정제용 등으로 널리 사용되어왔으나 중금속 제거제로는 아직 널리 사용되지 않고 있다.
- 0으로 유지되도록 조정하였다. 중금속 물질로는 카드뮴, 구리 및 아연 등 3종으로 각 이온의 단일성분에 대한 제거실험의 경우 각 성분의 농도가 3 mol/m3, 다성분계 제거 실험에서는 각 성분의 총 농도의 합이 2mol/m3이 되도록 준비하여 중금속 시료로 사용하였다.
이론/모형
- 단일성분의 평형데이터로부터 다성분 등온 흡착식을 얻기 위해 이상흡착용액이론(IAST ideal adsorbed solution theory)')을 이용하였다. 이 식은 저농도 다성분계의 평형 식으로 Prausnitz 등에 의해 발전되었다.
- 그러나 본 연구에서 사용된 담체는 탄소와 아파타이트기- 불균일하게 분포되어 있는 미세 표면 구조를 갖고 있기 때문에 단순히 Langmuir 식을 적용하기에는 무리가 있다고 할 수 있다. 따라서 이러한 구조를 잘 설명할 수 있는 Sips식을 적용하여 담체 표면의 불균일성을 고려하였다. 알려진 바와 같이 Sips식에서 불균일성에 대한 인자는 매개변수 n이다.
성능/효과
- 1) 담체의 주성분인 수산화아파타이트 결정중의 칼슘 성분이 폐수중의 중금속이온(Pb, Cd, Zn)과 쉽게 치환됨을 알 수 있었다.
- 2) 담체의 납, 카드뮴 그리고 아연의 흡착능력을 정량화하기 위해 Langmuir식, Freundlich싀 및 Sips 식을 사용하여 평형실험 데이터를 분석한 결과 단일성분 홉착평형은 Sips식이, 다성분계 흡착 제거는 IAST로 예측한 결과 실험치와 상관성이 우수한 것으로 분석되었다.
- 3) 담체에 대한 중금속의 흡착 친화도는 납>카드뮴> 아연 순이었으며, 이 연구결과를 응용하여 실제 산업폐수 처리 현장에 적용하면 새로운 중금속 처리제로서의 활용을 기대할 수 있을 것으로 판단할 수 있었다.
- 4) 본 연구에서 재활용 하고자 하는 칼슘계 폐기물인 소뼈는 그 배출량이 대량임에도 불구하고 지금까지 자원화 내지는 재활용되지 못한 실정이었으며, 이러한 폐기물을 재활용하면 폐기물처리 비용의 절감과 동시에 환경 친화적인 물질이기 때문에 토양 속의 중금속 제거제와 더불어 수처리제로서 일부분 대체 효과가 있을 것으로 판단 할 수 있었다.
- 그리고 이러한 사실과 Sips의 파라미터인 n 값이 1.994~4.057 사이에 있다는 것은 사용한 담체의 표면이 불균질 하다는 것을 의미하고 흡착등온선으로 보아 납, 카드뮴, 아연의 흡착은 양호한 경향을 보이는 것으로 판단할 수 있었다. 또한 지금까지의 많은 연구보고에서 비이상성이 크지 않은 많은 다성분 중금속 홉 착 계는 IAST로 잘 설명 할 수 있다고 보고하고 있다.
- 본 연구에서 사용한 담체의 화학적 특성을 살펴보면 X선 회절분석 결과 수산화아파타이트의 결정구조와 일치하고 있다. 합성한 아파타이트는 인산칼슘류의 대부분이 수분 존재 하에 수산화아파타이트로 변화하고 비화학양론성이라고 하는 성질이 있으며 화학양론조성 (Ca/P 몰비 =1.
- 한편 납과 카드뮴의 2성분 제거량은 IAST이론으로 계산한 후 실험치와 비교한 내용을 Table 3에 정리하였고 카드뮴, 아연 및 납 3성분의 제거량에 대한 결과를 Table 4에 나타내었다. 이로부터 다성분계로 확장하여도 다시 말해 여러 금속이온이 녹아있는 계에도 현상을 잘근 사하고 설명하는 것으로 말할 수 있었다.
- 이로부터 단일성분 흡착평형에서 Freundlich식이나 Langmuii식 보다 3개의 파라미터를 갖는 Sips식이 단일성분의 흡착평형 데이터를 잘 설명하고 있음을 알 수 있었다. 그리고 이러한 사실과 Sips의 파라미터인 n 값이 1.
- Doi4)등에 의하면 합성한 칼슘 아파타이트는 약 3#에서 211과 112 의 상대세기를 특징적으로 나타내고 있다. 이와 비교해본 연구에서 제조한 담체는 동일한 20값에서 약 210및 125정도임을 확인할 수 있고 이로부터 제조한 담체의 결정 구조 및 조직이 수산아파타이트와 매우 유사함을 확인하였다. CaHAp의 결정형이 금속이온이 녹아있지 않은 용액에서 pH의 변화에 따라 별 차이를 보이지 않지만 금속이온이 존재할 때 결정형이 변한다고 보고하였다.
후속연구
- Langmuir 등온흡착선은 고체 표면에 흡착 질이 단층을 이루고 균일한 상태의 표면흡착이라는 가정하에 유도된 식이고 중금속 제거 연구에 가장 많이 사용되고 있는 식으로 알려져 있다. 그러나 본 연구에서 사용된 담체는 탄소와 아파타이트기- 불균일하게 분포되어 있는 미세 표면 구조를 갖고 있기 때문에 단순히 Langmuir 식을 적용하기에는 무리가 있다고 할 수 있다. 따라서 이러한 구조를 잘 설명할 수 있는 Sips식을 적용하여 담체 표면의 불균일성을 고려하였다.
- 음식물 쓰레기인 폐뼈로 제조한 담체는 수산화 아파타이트로 구성이 되어있기 때문에 금속이 온의 치환에 의한 처리능력이 있는 것으로 판단된다. 따라서 분말 자체로 수처리제로서의 활용가능성은 충분하고 이 원료를 세라믹 담체로 사용하기 위해 펠렛으로 만들어 단위 수처리 공정으로 개발한다면 중금속의 제거와 미량의 유기화합물의 처리 등 수질정화 효과가 매우 클 것으로 기대된다.
- 이러한 상황으로 볼 때 날로 그 정도가 심해지는 수질오염을 경감 내지는 억제할 수 있는 효율적인 수처리 제의개발이 필요한 실정이다. 산업공정에서 생산되는 제품량의 증가에 따라 필수적으로 수반되는 산업폐기물의 자원화 또는 재활용이 가능하게 된다면 일석이조의 효과를 거둘 수 있을 뿐 아니라 우리나라 수질보전과 폐기물의 자원화에 의한 국가경쟁력 향상, 자원절약 그리고 환경보전에 이바지하게 될 것이다.
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