[논문]티타늄과 실리콘 기반의 메조구조체를 이용한 수중의 인 제거

이승연; 최재우; 이상협; 이기봉; 홍석원

티타늄과 실리콘 기반의 메조구조체를 이용한 수중의 인 제거
Phosphate removal in water by mesostructure based on titanium and silica 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.25 no.5, 2011년, pp.725 - 730

이승연 (고려대학교 화공생명공학과) , 최재우 (한국과학기술연구원 국가기반기술연구본부 물환경센터) , 이상협 (한국과학기술연구원 국가기반기술연구본부 물환경센터) , 이기봉 (고려대학교 화공생명공학과) , 홍석원 (한국과학기술연구원 국가기반기술연구본부 물환경센터)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, it was investigated that the feasibility of utilizing inorganic mesostructures for removal of phosphate in water. The comparison of the efficiency for phosphate adsorption between inorganic mesostructures was conducted. X-ray diffraction(XRD) and Brunauer-Emmett-Teller(BET) methods were used to characterize these mesostructures. The efficiencies of silica and titanium mesostructures for the removal of phosphate from aqueous solution were investigated. Equilibrium data were analyzed using the Langmuir isotherm. The maximum adsorption capacities of mesostructure adsorbents were found to be 49.3 and 19.5 mg $g^{-1}$ for the titanium and silica mesostructures, respectively. The adsorption kinetics was described by a pseudo third-order kinetic model. The results from this study indicated that the titanium mesostructure has the potential to be utilized for the cost-effective removal of phosphate from wastewater.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

수행하였다. Potassium dihydrogen phosphate (K2HPO₄) 를 인 농도 조절용 시약으로 이용하였고 각기 합성된 메조구조체 0.1 g을 50 mg/L의 농도를 갖는 50 mL 인 용액에 주입하여 반응시켰다. 반응 이후 일정 시간 (30, 60, 90, 120, 180, 240, 360, 540, 720, 1440 min) 간격에 따라 수용액상의 인 농도를 측정하였다.
인 용액은 potassium dihydrogen phosphate (K2HPO₄) 를 이용하여 제조하였다. 각기 기능화된 메조기공구조체 0.1 g을 100, 250, 500, 1000 mg/L의 농도를 갖는 50 mL 인 용액에 주입하여 24 시간 동안 반응시켰다. 반응 이후 수용액 상의 구조체와 인 용액을 분리시키기 위하여 0.
1 g을 50 mg/L의 농도를 갖는 50 mL 인 용액에 주입하여 반응시켰다. 반응 이후 일정 시간 (30, 60, 90, 120, 180, 240, 360, 540, 720, 1440 min) 간격에 따라 수용액상의 인 농도를 측정하였다. 시료의 획득 방법과 농도의 측정 방법은 2.
본 연구에서는 실리카와 티타늄을 기반으로 한 메조 구조체의 합성과 다양한 농도와 시간에 따른 인 흡착 효율 및 흡착 양상을 확인하였으며, 각각의 다른 무기물 기반 메조 구조체의 흡착 효율을 비교하였다. 또한 다른 기반의 무기물 메조구조체를 이용한 인 흡착 연구는 실제 하수 인 제거에 적용할 수 있는 근거 자료로 활용될 것으로 판단된다.
시간에 따른 인 흡착 양상을 확인하기 위해 합성된 실리카와 티타늄 메조구조체의 인 비평형 흡착을 수행하였다. Potassium dihydrogen phosphate (K2HPO₄) 를 인 농도 조절용 시약으로 이용하였고 각기 합성된 메조구조체 0.
45 ㎛의 syringe filter를 이용하였다. 인의 농도는 ion chromatography (Dionex, USA)를 사용하여 측정하였다.
합성된 실리카와 티타늄 메조기공구조체의 인 흡착 능력을 알아보기 위하여 각기 다른 농도의 인 용액에 각각 기반이 다른 메조구조체를 넣고 인 평형 흡착 실험을 하였다. 인 용액은 potassium dihydrogen phosphate (K2HPO₄) 를 이용하여 제조하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 수중의 인 제거를 위해 실리카와 티타늄으로 구성된 메조구조 흡착제를 사용하였다. 티타늄 메조 구조체가 실리카 메조구조체에 비하여 효율적인 인 흡착능을 갖는 것을 확인하였다.
실리카 기반의 메조구조체(SM)를 합성하기 위해 micelle 을 형성하는 계면활성제 hexadecyl trimethyl ammonium bromide (CTAB), 실리카 전구체 silica sulfate (SiO₂-OSO₃H), 염화수소 (HCl)와 증류수를 사용하였다. 3.
하였다. 인 용액은 potassium dihydrogen phosphate (K2HPO₄) 를 이용하여 제조하였다. 각기 기능화된 메조기공구조체 0.
티타늄 기반 메조구조체(TM)의 합성은 계면활성제 hexadecyl trimethyl ammonium bromide (CTAB) 와 티타늄 전구체 titanium oxysulfatesulfuric acid complex hydrate (TiOSOqH? SO₄H₂O), 염화수소 (HCl)와 증류수를 사용하였고, 합성 방법은 상기 실리카 기반 메조구조체 (SM)와 동일한 과정이다.

이론/모형

2의 평형 흡착 실험 결과와 동일하게 인과의 친화도가 높은 TM에 의한 흡착량이 SM 보다 빠르게 일어나는 것을 확인 하였다. 두 가지 메조구조체 모두 120 분 이내에 인 흡착 평형에 도달 하였고, 1440 분 후의 비평형 흡착 결과값은 합성된 두 가지 메조구조체의 시간에 따른 흡착 양상을 예측하기 위한 pseudo-third-order model 에 적합하게 적용되었다. 또한 상기 모델을 이용하여 구득한 파라미터 가운데 third-order reaction constant (k)의 값을 비교하였을 때, 수중의 인에 대한 초기 반응 속도 역시 TM이 빠르다는 것을 확인할 수 있었다.
시간에 따른 인의 흡착 양상에 대해 파악하기 위하여 가장 일반적으로 이용되고 있는 pseudo-third-order kinetic model이 이용되었으며, equation은 다음과 같다.
실리카와 티타늄 메조구조체의 인에 대한 최대 흡착능을 구하기 위하여 Langmuir equilibrium sorption model을이용하였으며, equation은 다음과 같다.
합성된 TM과 SM의 물질 특성을 확인하기 위하여 X-ray diffraction(XRD)와 Brunauer-Emmett-Teller (BET)를 이용하였다. XRD는 X선을 물질과 충돌하게 하면 일부가 회절을 일으키게 되는데, 그 회절각과 강도는 물질의 구조상 고유한 것으로서 이 회절 X선을 이용하여 물질의 종류와 특성에 대한 정보를 확인할 수 있는 방법이다.

성능/효과

3.2의 평형 흡착 실험 결과와 동일하게 인과의 친화도가 높은 TM에 의한 흡착량이 SM 보다 빠르게 일어나는 것을 확인 하였다. 두 가지 메조구조체 모두 120 분 이내에 인 흡착 평형에 도달 하였고, 1440 분 후의 비평형 흡착 결과값은 합성된 두 가지 메조구조체의 시간에 따른 흡착 양상을 예측하기 위한 pseudo-third-order model 에 적합하게 적용되었다.
50 mg/g) 보다 높은 값을 나타내고 있음을 확인할 수 있었다 (Urano, 1991; Chen, 2002; Penn, 2011). 또한 비교된 모든 메조구조체에서 기존 물질보다 인에 대한 높은 흡착능이 나타나는 것으로 미루어 볼 때, 메조구조체가 흡착제로서 우수한 특성을 갖고 있음을 알 수 있었다.
두 가지 메조구조체 모두 120 분 이내에 인 흡착 평형에 도달 하였고, 1440 분 후의 비평형 흡착 결과값은 합성된 두 가지 메조구조체의 시간에 따른 흡착 양상을 예측하기 위한 pseudo-third-order model 에 적합하게 적용되었다. 또한 상기 모델을 이용하여 구득한 파라미터 가운데 third-order reaction constant (k)의 값을 비교하였을 때, 수중의 인에 대한 초기 반응 속도 역시 TM이 빠르다는 것을 확인할 수 있었다.
결과와 파라미터를 나타내고 있다. 본 결과를 통해 티타늄 메조구조체가 실리카 기반의 메조구조체 보다 높은 인 흡착능을 갖고 있는 것을 확인하였다. 특히 티타늄 메조 구조체 단위 질량당 (g) 약 49.
비평형 흡착 결과는 pseudo-third-order model을 이용하여 실측치와 모델치를 비교하였으며, 각 자료에 모델이 높은 적용성을 나타냈다. 본 연구를 통해 티타늄 메조구조체는 상대적으로 낮은 가격과 높은 인 흡착 능력을 지닌 물질이며, 초기 반응 흡착 속도가 매우 빠르게 때문에 수중의 인 제거에 있어 시간적, 경제적으로 효율적인 흡착제임을 확인하였고 실제 하수에 경제적인 흡착제로 사용될 수 있을 것으로 사료된다. 또한 티타늄 메조 구조체를 이용하여 반응기 내에서의 다양한 운전조건에 대한 영향성 평가를 추가적으로 고찰해 볼 필요가 있다.
흡착제로 많이 사용된다. 본 연구에서 합성된 실리카와 티타늄 메조구조체의 넓은 비표면적은 수중에 존재하는 분자 또는 촉매 표면과 반응할 수 있는 면적을 증가시켜주고 다양한 기공의 크기와 균일한 기공의 형상은 반응하는 분자들의 확산을 용이하게 해줄 수 있다. SM과 TM의 BET 비표면적 값은 각각 910 과 950 m2g-1이다.
3mg/g으로나타났다. 비평형 흡착 결과는 pseudo-third-order model을 이용하여 실측치와 모델치를 비교하였으며, 각 자료에 모델이 높은 적용성을 나타냈다. 본 연구를 통해 티타늄 메조구조체는 상대적으로 낮은 가격과 높은 인 흡착 능력을 지닌 물질이며, 초기 반응 흡착 속도가 매우 빠르게 때문에 수중의 인 제거에 있어 시간적, 경제적으로 효율적인 흡착제임을 확인하였고 실제 하수에 경제적인 흡착제로 사용될 수 있을 것으로 사료된다.
5 g 의 silica sulfate를 강하게 교반 하여 계면활성제가 용해되어 있는 수용액에 떨어뜨린 후 2 시간 동안 반응시킨다. 실리카 전구체는 반응과 동시에 계면활성제 수용액과 반응하여 흰색 침전이 형성되는 것을 확인하였다. 반응시킨 불투명한 혼합물을 363 K autoclave에서 48 시간 동안 수열합성 시킨 후 계면활성제를 제거하기 위하여 에탄올과 증류수로 반복 세척한다.
본 결과를 통해 티타늄 메조구조체가 실리카 기반의 메조구조체 보다 높은 인 흡착능을 갖고 있는 것을 확인하였다. 특히 티타늄 메조 구조체 단위 질량당 (g) 약 49.3 mg의 인이 흡착되었으며, 결함에너지(G를 통해 저농도에서의 흡착효율이 실리카 메조 구조체보다 높은 경향을 나타고 있음을 확인하였다. 이는 티타늄이 산화되면서 인과 친화도가 높은 티타늄 옥사이드를 형성하고, 이는 인과 착물 형태로 부착되어 높은 흡착능을 이루는 것으로 판단된다.
구성된 메조구조 흡착제를 사용하였다. 티타늄 메조 구조체가 실리카 메조구조체에 비하여 효율적인 인 흡착능을 갖는 것을 확인하였다. 평형 흡착 결과는 Langmuir sorption isotherm에 적절하게 대응 되었고, 이를 통해 구득한 SM 과 TM의 최대 흡착량은 각각 19.
티타늄 메조 구조체가 실리카 메조구조체에 비하여 효율적인 인 흡착능을 갖는 것을 확인하였다. 평형 흡착 결과는 Langmuir sorption isotherm에 적절하게 대응 되었고, 이를 통해 구득한 SM 과 TM의 최대 흡착량은 각각 19.5mg/g과 49.3mg/g으로나타났다. 비평형 흡착 결과는 pseudo-third-order model을 이용하여 실측치와 모델치를 비교하였으며, 각 자료에 모델이 높은 적용성을 나타냈다.

후속연구

흡착 효율을 비교하였다. 또한 다른 기반의 무기물 메조구조체를 이용한 인 흡착 연구는 실제 하수 인 제거에 적용할 수 있는 근거 자료로 활용될 것으로 판단된다.
본 연구를 통해 티타늄 메조구조체는 상대적으로 낮은 가격과 높은 인 흡착 능력을 지닌 물질이며, 초기 반응 흡착 속도가 매우 빠르게 때문에 수중의 인 제거에 있어 시간적, 경제적으로 효율적인 흡착제임을 확인하였고 실제 하수에 경제적인 흡착제로 사용될 수 있을 것으로 사료된다. 또한 티타늄 메조 구조체를 이용하여 반응기 내에서의 다양한 운전조건에 대한 영향성 평가를 추가적으로 고찰해 볼 필요가 있다.

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