선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 자연계에 풍부하게 존재하는 천연고분자인 alginate를 중금속 흡착제로 사용하기 위해 상전이법을 이용하여 비드(bead)화 하였으며, 폐수 내에 존재하는 중금속 중 특히 존재량이 많은 니켈이온(Ni2+), 아연이온(Zn2+), 카드뮴이온(Cd2+)의 pH 변화에 따른 흡착평형 및 회분식 흡착속도 실험을 통하여 고정층이나 유동층과 같은 대규모 흡착공정에 대한 기초 자료를 얻고자 하였다.
제안 방법
- 1과 같은 Carberry형 흡착조를 제작하였으며, 내부에는 시료를 외부에는 항온수를 흐르게 하여 실험이 종결될 때까지 온도 (298 K)를 일정하게 유지하도록 하였다. 1 L의 이중원통형 비이커에 초기농도가 1.57 mol/m3인 단일 성분의 중금속 500 mL를 넣은 후 흡착제인 alginate bead의 투여량 변화에 대해 실험하였다. pH는 2N의 HCl과 NaOH 수용액을 이용하여 pH 5로 조정하여 실험하였다.
- Alginate bead를 이용하여 pH의 변화에 따른 단일성분의 Ni2+, Zn2+, Cd2+의 흡착등온식과 흡착용량을 알아보기 위하여 흡착평형실험을 수행하였다. 흡착평형 실험은 외부의 공기유입과 내부물질의 유출을 방지하기 위하여 250 mL 용량의 삼각플라스크에 단일성분인 Ni2+, Zn2+, Cd2+의 초기농도가 각각 1.
- Alginate bead에 대한 Ni2+, Zn2+, Cd2+의 흡착속도와 율속단계를 고찰하기 위하여 회분식 흡착실험을 행하였다. 이중원통형 비이커를 사용하여 Fig.
- 57 mol/m3이고 수용액의 반응온도가 298 K이고 pH 3일 때 각각의 중금속에 대한 흡착 평형량을 나타낸 그림이다. Alginate bead에 대한 단일성분인 니켈, 아연 그리고 카드뮴의 흡착등온 선은 흡착평형 data로부터 구하였다.
- pH는 2N의 HCl과 NaOH 수용액을 이용하여 pH 5로 조정하여 실험하였다. 교반속도는 200 rpm을 유지하면서 시간에 따른 흡착질 (Ni2+, Zn2+, Cd2+)의 농도 변화를 ICP를 이용하여 분석하였다. 농도의 측정은 약 3 시간 전후까지 실행하였으며, 흡착 초기에는 자주 그리고 흡착 후기에는 긴 간격을 두고 측정하였다.
- 그러나 보통 흡착반응은 그 속도가 매우 빨라 전체 흡착 속도에 큰 영향을 주지 않는다. 그러므로 물질 전달과 입자내 확산을 동시에 고려하는 흡착 모델로부터 물질전달계수와 확산계수를 구하여 전체 흡착현상의 율속단계를 결정할 수 있으며 흡착제 내부에서 물질전달 과정은 세공 벽을 따라 확산되는 표면확산과 세공 내에 채워져 있는 액체내의 확산인 세공확산의 두 모델을 적용할 수 있는데 일반적으로 확산모델로 구한 농도곡선과 실험 data에서 얻는 농도 곡선을 비교하여 결정한다. 그러므로 확산계수는 흡착제가 갖는 고유한 물성 이외에도 여러 가지 요인 즉, 입자내부에서 물질의 이동에 관련된 세공확산, 표면확산 등 종합적인 저항을 나타내는 유효확산계수가 사용된다.
- 교반속도는 200 rpm을 유지하면서 시간에 따른 흡착질 (Ni2+, Zn2+, Cd2+)의 농도 변화를 ICP를 이용하여 분석하였다. 농도의 측정은 약 3 시간 전후까지 실행하였으며, 흡착 초기에는 자주 그리고 흡착 후기에는 긴 간격을 두고 측정하였다.
- Alginate bead의 물성은 alginate의 원료, 응고제의 조성에 따라 결정되고, 비드의 형태는 alginate 용액의 점도에 상당히 의존한다. 따라서 본 연구에서는 구형의 alginate bead를 제조하기 위하여 sodium alginate를 phosphate buffer saline 용액에 3% (w/v)로 용해시켜 alginate 콜로이드(colloid)용액을 제조한 후 syringe pump를 이용하여 잘 교반되고 있는 3% (w/v)의 calcium chloride 용액에 떨어트려 일정한 크기의 구형인 alginate bead를 제조하였다. 이렇게 제조된 alginate bead는 2차 증류수를 이용해 수회 세척하여 실험에 사용하였다.
- 본 연구에서는 2개의 매개변수(parameter)를 갖는 Langmuir식과 Freundlich식 그리고 3개의 매개변수를 갖는 Sips식으로 흡착등온선을 나타내었다. 흡착등온 식의 매개변수는 실험 data를 이용하여 최소자승법으로 구하였으며, 오차 값은 평형식이 예측하는 흡착량과 실험값의 절대오차를 실험값으로 나눈 상대오차 평균값으로 표기하였으며, 그 식은 다음과 같다.
- Alginate는 2가 금속 이온에 대한 높은 친화력과 선택성을 가진 천연 고분자이지만, alginate 분말은 비 다공성 시료로 낮은 내부 표면적은 중금속 이온들이 alginate 내부의 흡착 site로의 이동을 제한하고 중금속 이온의 흡착용량과 흡착속도를 아주 낮게 한다. 본 연구에서는 분말 형태인 sodium alginate를 상전이법을 이용하여 구형의 alginate bead를 제조하였다. Alginate bead의 물성은 alginate의 원료, 응고제의 조성에 따라 결정되는데 bead의 형태는 alginate 용액의 점도에 상당히 의존한다.
- Alginate bead의 물성은 alginate의 원료, 응고제의 조성에 따라 결정되는데 bead의 형태는 alginate 용액의 점도에 상당히 의존한다. 본 연구에서는 상전이법을 이용하여 구형의 algiate bead를 제조하였으며, 제조된 비드의 비표 면적 등 물리적 특성을 파악하기 위하여 질소흡탈착측정기(Autosorb-1, Quntachrome)로 총 세공부피, 평균세공반경 및 세공크기 분포 등을 측정하였다. 본 연구에 사용된 Alginate의 평균직경은 2.
- 본 연구에서는 자연계에 풍부하게 존재하는 천연고 분자 흡착제인 alginate bead를 이용하여 니켈, 아연, 카드뮴의 흡착평형 및 회분식 실험을 통해 alginate bead와 중금속 이온 사이의 흡착용량과 물질전달 현상을 연구한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 흡착제 외벽에서의 경막 물질전달 저항은 확산저항에 비하여 무시될 수 있으나 정량적인 해석을 위해 그 크기를 비교해 볼 필요가 있다. 본 연구에서는 흡착 개시 후 300초 이내의 초기 농도 변화로부터 구하였다. 회분식 흡착 초기에는 대개 입자내의 확산 저항이 무시될 수 있고 표면에서의 농도가 거의 0에 가깝기 때문에 다음과 같은 물질수지식을 세울 수 있다.
- 의 흡착속도와 율속단계를 고찰하기 위하여 회분식 흡착실험을 행하였다. 이중원통형 비이커를 사용하여 Fig. 1과 같은 Carberry형 흡착조를 제작하였으며, 내부에는 시료를 외부에는 항온수를 흐르게 하여 실험이 종결될 때까지 온도 (298 K)를 일정하게 유지하도록 하였다. 1 L의 이중원통형 비이커에 초기농도가 1.
- 57 mol/m3인 용액을 100 mL 취하고 여기에 일정량의 alginate bead를 주입한 후 밀봉하여 수행하였다. 항온이 유지되는 shaker에서 교반속도 200 rpm으로 48시간 동안 교반한 후 용액 중의 흡착질 (Ni2+, Zn2+, Cd2+)의 잔류농도를 ICP (Inductively Coupled Plasma)로 측정하였고 평형 흡착량(q)을 다음의 물질 수지식으로부터 구하였다.
- 의 흡착등온식과 흡착용량을 알아보기 위하여 흡착평형실험을 수행하였다. 흡착평형 실험은 외부의 공기유입과 내부물질의 유출을 방지하기 위하여 250 mL 용량의 삼각플라스크에 단일성분인 Ni2+, Zn2+, Cd2+의 초기농도가 각각 1.57 mol/m3인 용액을 100 mL 취하고 여기에 일정량의 alginate bead를 주입한 후 밀봉하여 수행하였다. 항온이 유지되는 shaker에서 교반속도 200 rpm으로 48시간 동안 교반한 후 용액 중의 흡착질 (Ni2+, Zn2+, Cd2+)의 잔류농도를 ICP (Inductively Coupled Plasma)로 측정하였고 평형 흡착량(q)을 다음의 물질 수지식으로부터 구하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 Alginate의 평균직경은 2.1×10-2 m(21 mm) 이었으며, 비표면적은 2.5×104 m2/kg (25 m2/g), 그리고 세공반경은 4.049×10-9 m (4.049 nm)이었다.
데이터처리
- 본 연구에서는 2개의 매개변수(parameter)를 갖는 Langmuir식과 Freundlich식 그리고 3개의 매개변수를 갖는 Sips식으로 흡착등온선을 나타내었다. 흡착등온 식의 매개변수는 실험 data를 이용하여 최소자승법으로 구하였으며, 오차 값은 평형식이 예측하는 흡착량과 실험값의 절대오차를 실험값으로 나눈 상대오차 평균값으로 표기하였으며, 그 식은 다음과 같다.
성능/효과
- 1. Alginate bead를 이용하여 단일성분의 니켈, 아연, 카드뮴에 대한 흡착용량은 pH가 증가함에 따라 증가하였으며, 흡착용량은 Cd2+ > Zn2+ > Ni2+ 순으로 나타났다.
- 2. Alginate bead를 이용한 니켈, 아연, 카드뮴 이온의 흡착평형은 비교적 간편한 등온식인 Langmuir 식으로 잘 모사할 수 있었다.
- 3. Alginate bead를 이용한 니켈, 아연, 카드뮴의 회 분식 실험으로부터 경막물질전달계수(kf), 세공확산계수(Dp) 그리고 표면확산계수(Ds)를 구할 수 있었으며, 경막물질전달계수와 유효확산계수가 전체흡착의 율속 단계임을 알 수 있었다.
- 57 mol/m3이고 수용액의 반응온도가 298 K 이고 pH 5일 때 각각의 중금속에 대한 흡착 평형량을 나타낸 그림으로 alginate bead 에서 Cd2+의 흡착용량이 Zn2+과 Ni2+에 비해 더 큼을 확인할 수 있었다. Fig. 2와 3을 비교하여 보면 중금속 수용액의 온도가 298 K로 동일할 때 수용액의 초기 pH가 3에서 5로 증가함에 따라 흡착량도 증가함을 확인할 수 있었다. 이러한 이유로서는 alginate bead 내에 존재하는 functional group인 carboxyl group의 해리 상수 값 (pKa)은 3.
- 수용액의 pH 변화에 따른 Langmuir, Freundlich 그리고 Sips의 흡착 등온식에 대한 parameter 값을 각각 구하여 Table 2에 정리하여 나타내었다. Table 2에서 보는 바와 같이 온도가 298 K이고 수용액의 pH가 5일 때 alginate bead 단분자층에 대한 중금속 이온의최대 흡착량 (qm)은 Ni2+의 경우 1.28, Zn2+의 경우 1.32, 그리고 Cd2+의 경우 1.49 mol/kg으로 Ni2+, Zn2+에 비해 Cd2+의 흡착용량이 더 큼을 확인 할 수 있었으며, 그리고 비교적 파라미터가 작은 Langmuir 식으로도 흡착등온선을 잘 모사할 수 있었다.
- alginate bead의 투여량 변화에 따른 니켈, 아연, 카드뮴의 흡착속도 실험값이 비교적 세공확산 모델에 잘 모사됨을 볼 수 있으며, bead의 투여량이 증가할수록 동일 조건에서 Cd2+ > Zn2+ > Ni2+ 순으로 흡착속도가 증가함을 알 수 있었다.
- alginate bead의 투여량 변화에 따른 니켈, 아연, 카드뮴의 흡착속도 실험값이 비교적 세공확산 모델에 잘 모사됨을 볼 수 있으며, bead의 투여량이 증가할수록 동일 조건에서 Cd2+ > Zn2+ > Ni2+ 순으로 흡착속도가 증가함을 알 수 있었다. 또한 bead의 투여량이 많을수록 평형에 도달하는 시간은 빨랐으며 2.0 g/L의 경우 2시간 이내에 평형농도에 도달 하였다. alginate bead의 투여량이 2.
- Alginate bead의 투여량에 따른 니켈, 아연, 카드뮴의 경막물질전달계수, 세공확산계수와 표면확산계수를 Table 3에 정리하여 나타내었다. 이 중 세 금속 이온중 카드뮴의 경막물질전달계수, 세공확산계수, 표면확산계수가 모두 가장 높게 나타났으며, 니켈의 계수 값이 모두 낮게 나타남을 알 수 있었다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.