철 (산수)산화물들 중 지표환경에서 가장 안정된 형태로 알려진 적철석의 비소에 대한 흡착제로서의 다양한 특성을 조사하고 비소와의 흡착특성을 규명하였다. 본 연구에서 합성된 적철석은 $31.8g\;m^2/g$의 비표면적을 가졌으며, 전위차 적정법(potentiometric titration)에 의해 측정된 영전하점(point of zero salt effect, PZSE)은 8.5로 비소에 대한 높은 흡착능은 이러한 적철석의 특성들에 기인한 것으로 판단된다. 동일한 수용상 농도와 pH 2.0~12 범위에서 3가 비소와 5가 비소의 적철석에 대한 흡착량을 비교한 결과 3가 비소가 5가 비소보다 큰 흡착량을 보였다. 그리고 pH에 따른 흡착경향은 3가 비소의 경우에는 pH 9.2까지 지속적으로 흡착량이 증가하다가 그 이상의 pH에서는 흡착량이 급격하게 감소한 반면, 5가 비소는 pH 2.0에서 가장 높은 흡착량을 나타내다가 pH가 증가하면서 지속적으로 감소하는 것으로 조사되었다. 이러한 pH에 따른 흡착특성은 pH에 따라서 적철석의 표면전하 특성과 비소 화학종의 존재형태가 변화하기 때문인 것으로 판단된다. 흡착 반응속도에 대한 실험 결과에 의하면, 두 비소 종 모두 20시간 이내에 평형 흡착에 도달하는 것으로 나타났다. 그리고 비소의 화학종과 관계없이 적철석과의 흡착반응속도를 가장 잘 모사하는 반응속도 모델로는 유사이차(Pseudo-second-order) 모델로 평가되었으며, 5가 비소가 3가 비소보다 반응속도상수가 크게 나타났다.
철 (산수)산화물들 중 지표환경에서 가장 안정된 형태로 알려진 적철석의 비소에 대한 흡착제로서의 다양한 특성을 조사하고 비소와의 흡착특성을 규명하였다. 본 연구에서 합성된 적철석은 $31.8g\;m^2/g$의 비표면적을 가졌으며, 전위차 적정법(potentiometric titration)에 의해 측정된 영전하점(point of zero salt effect, PZSE)은 8.5로 비소에 대한 높은 흡착능은 이러한 적철석의 특성들에 기인한 것으로 판단된다. 동일한 수용상 농도와 pH 2.0~12 범위에서 3가 비소와 5가 비소의 적철석에 대한 흡착량을 비교한 결과 3가 비소가 5가 비소보다 큰 흡착량을 보였다. 그리고 pH에 따른 흡착경향은 3가 비소의 경우에는 pH 9.2까지 지속적으로 흡착량이 증가하다가 그 이상의 pH에서는 흡착량이 급격하게 감소한 반면, 5가 비소는 pH 2.0에서 가장 높은 흡착량을 나타내다가 pH가 증가하면서 지속적으로 감소하는 것으로 조사되었다. 이러한 pH에 따른 흡착특성은 pH에 따라서 적철석의 표면전하 특성과 비소 화학종의 존재형태가 변화하기 때문인 것으로 판단된다. 흡착 반응속도에 대한 실험 결과에 의하면, 두 비소 종 모두 20시간 이내에 평형 흡착에 도달하는 것으로 나타났다. 그리고 비소의 화학종과 관계없이 적철석과의 흡착반응속도를 가장 잘 모사하는 반응속도 모델로는 유사이차(Pseudo-second-order) 모델로 평가되었으며, 5가 비소가 3가 비소보다 반응속도상수가 크게 나타났다.
Hematite has been known to be the most stable form of various iron (oxyhydr)oxides in the surface environments. In this study, its properties as an adsorbent were examined and also adsorption of arsenic onto hematite was characterized as well. The specific surface area of hematite synthesized in our...
Hematite has been known to be the most stable form of various iron (oxyhydr)oxides in the surface environments. In this study, its properties as an adsorbent were examined and also adsorption of arsenic onto hematite was characterized as well. The specific surface area of hematite synthesized in our laboratory appeared to be $31.8g\;m^2/g$ and its point of zero salt effect, (PZSE) determined by potentiometric titration was observed 8.5. These features of hematite may contribute to high capacity of arsenic adsorption. From several adsorption experiments undertaken at the identical solution concentrations over pH 2~12, the adsorption of As(III) (arsenite) was greater than that of As(V) (arsenate). As of pH-dependent adsorption patterns, in addition, arsenite adsorption gradually increased until pH 9.2 and then sharply decreased with pH, whereas adsorption of arsenate was greatest at pH 2.0 and steadily decreased with the increasing pH from 2 to 12. The characteristics of these pH-dependent adsorption patterns might be caused by combined effects of the variation in the chemical speciation of arsenic and the surface charge of hematite. The experimental results on adsorption kinetics show that adsorption of both arsenic species onto hematite approached equilibrium within 20 h. Additionally, the pseudo-second-order model was evaluated to be the best fit for the adsorption kinetics of arsenic onto hematite, regardless of arsenic species, and the rate constant of As(V) adsorption was investigated to be larger than that of As(III).
Hematite has been known to be the most stable form of various iron (oxyhydr)oxides in the surface environments. In this study, its properties as an adsorbent were examined and also adsorption of arsenic onto hematite was characterized as well. The specific surface area of hematite synthesized in our laboratory appeared to be $31.8g\;m^2/g$ and its point of zero salt effect, (PZSE) determined by potentiometric titration was observed 8.5. These features of hematite may contribute to high capacity of arsenic adsorption. From several adsorption experiments undertaken at the identical solution concentrations over pH 2~12, the adsorption of As(III) (arsenite) was greater than that of As(V) (arsenate). As of pH-dependent adsorption patterns, in addition, arsenite adsorption gradually increased until pH 9.2 and then sharply decreased with pH, whereas adsorption of arsenate was greatest at pH 2.0 and steadily decreased with the increasing pH from 2 to 12. The characteristics of these pH-dependent adsorption patterns might be caused by combined effects of the variation in the chemical speciation of arsenic and the surface charge of hematite. The experimental results on adsorption kinetics show that adsorption of both arsenic species onto hematite approached equilibrium within 20 h. Additionally, the pseudo-second-order model was evaluated to be the best fit for the adsorption kinetics of arsenic onto hematite, regardless of arsenic species, and the rate constant of As(V) adsorption was investigated to be larger than that of As(III).
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문제 정의
본 연구는 자연 상에서 널리 존재하는 철 (산수)산화물들 중 적철석을 이용하여 비소와의 흡착 반응 특성을 알아보았다. 적철석은 Schwertmann and Cornell (2000)가 제안한 방법으로 실험실에서 합성하여 사용하였다.
본 연구에서 이용된 pH 범위 내에서 적철석이비소의 흡착제로서 안정한지를 평가하기 위하여 적철석의 용해도 실험을 실시하였다. 적철석의 용해도를 평가하기 위하여 배경용액을 0.
본 연구에서는 철 (산수)산화물의 일종인 적철석을 실험실에서 합성하여, 비소 화학종에 따른 적철석의 표면 흡착특성을 고찰하기 위하여 수행되어졌다. 실험실에서 합성한 적철석의 대표적인 광물학적, 물리화학적 특성을 분석하여 비소의 흡착반응을 해석하는 데 이용하였으며, 평형론과 반응론에 근거한 흡착실험을 수행하였다.
본 연구에서는 평형론적 관점과 반응속도론적 관점에서 적철석과 비소의 흡착특성을 규명하기 위하여 각각의 실험이 구성되었다. 먼저 평형실험을 흡착 등온식(adsorption isotherms)을 얻기 위한 실험과 pH에 따른 흡착 특성을 파악하기 위한 pHedge 실험을 이루어졌다.
또한 비소의 화학적 형태에 따른 적철석과의 반응특성을 규명하기 위하여 3가 비소(arsenite)와 5가 비소(arsenate)를 비교하여 연구하였다. 연구는 실험실에서 합성된 적철석의 다양한 광물학적, 물리학적 특성을 조사하여 비소의 흡착 특성을 해석하는 데 이용하였다. 흡착 실험은 흡착 등온식을 얻기 위한 평형실험(equilibrium), pH에 따른 흡착 특성을 파악하기 위한 pH-edge실험, 흡착 반응 속도론적 관점에서 비소와의 흡착 반응 특성을 알아보기 위하여 kinetic 실험을 진행하였다.
제안 방법
0으로 조절하여 수행하였다. 50 mL의 튜브에 적철석 0.05 g과 비소 배경용액 20 mL을 혼합(고액비 1 : 400)하여 24시간 동안 200 rpm으로 교반 후 여과하여 용액 내 비소의 농도를 분석하였다.
673 mM로 실험하였다. 5가 비소는 pH 2.0에서 최대 흡착이 일어나지만, 실제 자연 상태에서 너무 낮은 pH이기 때문에 본 연구에서는 pH 4.0에서 5가 비소의 흡착 반응속도를 조사하였다. 평형에 도달하는 시간을 관찰한 결과 3가 비소와 5가 비소 모두 유사하게 20시간 이내에 평형에 도달하였다.
X선 회절분석은 Siemens D5005 X-ray Diffractometer (40 kV, 35 mA, 주사속도 : 0.01 °/sec, 주사시간 : 4 h 43 min)를 사용하였으며, 일반적으로 사용되는 Cu-Kα 주사선은 철에 강하게 흡수되기 때문에 Co-Kα 주사선을 이용하였다.
모든 실험 및 분석에 사용된 적철석은 200 mesh체로 전처리하여 사용하였으며, 적철석의 대표적인 광물학적, 물리화학적 특성을 분석하였다. X선 회절분석을 수행하여 적철석의 합성여부와 불순물 포함여부를 확인하였으며, 합성된 적철석은 화학 조성과 형태상의 특성을 조사하기 위하여 주사전자현미경(SEM)과 에너지 분산분광기(EDS)를 이용하여 분석하였다. 그리고 흡착제로서의 주요한 특성인 적철석의 비표면적과 영전하점(Point of zero charge, PZC) 등을 측정하였다.
pH에 따른 평형흡착 특성을 파악하기 위하여 수행된 pH-edge 실험에서는 최소 0.133 mM에서 0.667, 1.335, 6.673 mM과 최대 13.347 mM로 비소 용액을 제조하고, pH는 2.0∼12 범위에서 총 11개 pH조건에서 실험을 수행하였으며, 그 외 실험방법은 위의 흡착등온식 실험과 동일하게 수행하였다.
이러한 과정을 걸쳐서 측정된 pH, 주입된 HCl 또는 NaOH의 농도와 주입량을 아래의 식에 대입하여 표면전하를 계산한다. 그리고 측정된 pH별 계산된 표면전하를 그래프로 도식화하였다. 이때 일정한 시간 간격으로 측정된 표면전하량 곡선들은 상이한 이온강도 하에 한 점에서 교차하게 된다.
X선 회절분석을 수행하여 적철석의 합성여부와 불순물 포함여부를 확인하였으며, 합성된 적철석은 화학 조성과 형태상의 특성을 조사하기 위하여 주사전자현미경(SEM)과 에너지 분산분광기(EDS)를 이용하여 분석하였다. 그리고 흡착제로서의 주요한 특성인 적철석의 비표면적과 영전하점(Point of zero charge, PZC) 등을 측정하였다. 비소 흡착실험에서 사용된 pH 범위에서 적철석이 흡착제로서 안정한 가를 검토하기 위하여 pH 변화에 따른 적철석의 용해도 실험을 실시하였다.
적철석은 Schwertmann and Cornell (2000)가 제안한 방법으로 실험실에서 합성하여 사용하였다. 또한 비소의 화학적 형태에 따른 적철석과의 반응특성을 규명하기 위하여 3가 비소(arsenite)와 5가 비소(arsenate)를 비교하여 연구하였다. 연구는 실험실에서 합성된 적철석의 다양한 광물학적, 물리학적 특성을 조사하여 비소의 흡착 특성을 해석하는 데 이용하였다.
마지막으로 비소와 적철석의 흡착 반응에 있어서 시간에 따른 경향성을 알아보기 위해 반응속도 실험을 실시하였다. 평형실험의 결과 3가 비소는 pH 9.
먼저 배경용액(stock solution)은 0.01 M NaCl 전해질 용액에 3가 비소(NaAsO2)와 5가 비소(Na2HAsO4·7H2O)를 사용하여 제조하였으며, 제조된 배경용액의 pH를 조절하기 위하여 0.1, 0.01, 0.001 M HCl과 NaOH 용액을 이용하였다.
본 연구에서는 평형론적 관점과 반응속도론적 관점에서 적철석과 비소의 흡착특성을 규명하기 위하여 각각의 실험이 구성되었다. 먼저 평형실험을 흡착 등온식(adsorption isotherms)을 얻기 위한 실험과 pH에 따른 흡착 특성을 파악하기 위한 pHedge 실험을 이루어졌다. 이러한 평형실험 결과를 바탕으로 적철석과 비소의 흡착반응속도를 고찰하기 위하여 반응속도(kinetic) 실험을 수행하였다.
45 µm 실린지 필터를 사용하여 여과하였다. 모든 분석시료는 경상대학교 공동실험실습관의 유도결합플라스마 분광기(ICP, OPTIMA 5300DV 모델, Perkin Elmer사, 미국)와 흑연로를 장착한 원자흡광광도계(AASGF, AA-6800 모델, Shimadzu사, 일본)를 이용하여 분석하였다.
모든 실험 및 분석에 사용된 적철석은 200 mesh체로 전처리하여 사용하였으며, 적철석의 대표적인 광물학적, 물리화학적 특성을 분석하였다. X선 회절분석을 수행하여 적철석의 합성여부와 불순물 포함여부를 확인하였으며, 합성된 적철석은 화학 조성과 형태상의 특성을 조사하기 위하여 주사전자현미경(SEM)과 에너지 분산분광기(EDS)를 이용하여 분석하였다.
673 mM이었다. 반응속도 실험 동안 5, 10, 15, 30, 45, 60, 75, 90 min, 2, 6, 8, 12 h, 1, 2, 3 day로 총 15개 시점을 선정하여 상등액 시료를 채취하여 비소 농도 분석을 수행하였으며, 그 외 조건은 평형 및 pH-edge 실험들과 동일하게 수행하였다.
본 연구에서 사용된 적철석의 안정성을 평가하기 위하여 pH를 2∼11까지 변화시키면서 적철석의 용해도를 측정하였다.
그리고 흡착제로서의 주요한 특성인 적철석의 비표면적과 영전하점(Point of zero charge, PZC) 등을 측정하였다. 비소 흡착실험에서 사용된 pH 범위에서 적철석이 흡착제로서 안정한 가를 검토하기 위하여 pH 변화에 따른 적철석의 용해도 실험을 실시하였다. X선 회절분석은 Siemens D5005 X-ray Diffractometer (40 kV, 35 mA, 주사속도 : 0.
실험실에서 합성한 적철석의 대표적인 광물학적, 물리화학적 특성을 분석하여 비소의 흡착반응을 해석하는 데 이용하였으며, 평형론과 반응론에 근거한 흡착실험을 수행하였다. 뿐만 아니라 pH 변화에 따른 비소 화학종별 흡착특성을 조사하고, 흡착 등온식을 통해 적철석과 비소 사이에서 발생되는 표면 흡착특성을 평가하였다.
pH에 따른 적철석에 대한 비소의 흡착특성을 파악하기 위해서 수행된 pH-edge 실험 결과를 그림 5에 도시하였다. 실험 방법에서 소개하였듯이 농도에 따른 pH 영향을 살펴보기 위하여 저농도(0.133 mM)에서 고농도(13.347 mM)까지 나누어 실험을 수행하였다. 실험결과, 저농도와 고농도에서 모두 비슷한 경향을 나타내는데 먼저 3가 비소는 pH 9.
실험방법은 200 mesh 체로 전처리한 적철석 1 g을 각기 다른 이온강도 0.1, 0.01, 0.001 M의 NaCl수용액 100 ml와 혼합하고 막대자석으로 충분히 교반시킨다. 그런 다음 0.
본 연구에서는 철 (산수)산화물의 일종인 적철석을 실험실에서 합성하여, 비소 화학종에 따른 적철석의 표면 흡착특성을 고찰하기 위하여 수행되어졌다. 실험실에서 합성한 적철석의 대표적인 광물학적, 물리화학적 특성을 분석하여 비소의 흡착반응을 해석하는 데 이용하였으며, 평형론과 반응론에 근거한 흡착실험을 수행하였다. 뿐만 아니라 pH 변화에 따른 비소 화학종별 흡착특성을 조사하고, 흡착 등온식을 통해 적철석과 비소 사이에서 발생되는 표면 흡착특성을 평가하였다.
실험의 정확도와 신뢰성을 높이기 위하여 모든 실험은 이중시료를 이용하여 중복으로 수행되었으며, 시약은 분석용 등급을 사용하였고, 3차 초순수(18 MΩ)를 이용하여 모든 용액을 제조하였다.
먼저 평형실험을 흡착 등온식(adsorption isotherms)을 얻기 위한 실험과 pH에 따른 흡착 특성을 파악하기 위한 pHedge 실험을 이루어졌다. 이러한 평형실험 결과를 바탕으로 적철석과 비소의 흡착반응속도를 고찰하기 위하여 반응속도(kinetic) 실험을 수행하였다.
이렇게 제조한 상등액을 0.45 µm 실린지 필터로 여과하여 유도결합플라즈마분광계(ICP-OES, 4300, 5300DV, Perkin Elmer, USA)를 이용하여 철 농도를 분석하여 적철석의 용해도를 평가하였다.
적철석의 용해도를 평가하기 위하여 배경용액을 0.1 M NaOH와 0.1 M HCl을 사용하여 pH 범위를 2∼11까지 조절한 0.01 M NaCl 전해질 용액을 제조하였다.
적철석의 표면에 비소의 화학종에 따른 상대적인 흡착경향을 파악하기 위하여 3가 비소와 5가 비소의 흡착속도를 고찰하였다. pH-edge 실험결과를 바탕으로 3가 비소는 pH 9.
전위차 적정법(potentiometric titration)을 이용하여 적철석의 영전하점(point of zero salt effect, PZSE)을 측정한 결과를 그림 3에 도시하였으며, 측정된 적철석의 PZSE 값을 대표적인 철 (산수)산화물, 점토광물, 석영 등의 PZSE 값들과 비교하여 표 2에 정리하였다. 자연 상에 존재하는 대부분의 고형물은 pH에 따라서 표면 전하 특성이 달라진다.
01 °/sec, 주사시간 : 4 h 43 min)를 사용하였으며, 일반적으로 사용되는 Cu-Kα 주사선은 철에 강하게 흡수되기 때문에 Co-Kα 주사선을 이용하였다. 합성된 적철석의 조직 특성과 화학적 조성 분석은 SEM (philips XL30S FEG, Netherlands)과 EDS (Jeol JSM-6380LV, Japan)를 이용하여 수행하였다. 그리고 적철석의 비표면적은 미세 기공 물리흡착 분석기(micro pore physisorption analyzer, ASAP-2020M모델, Micromertitics, 미국)를 이용하여 분석하였다.
연구는 실험실에서 합성된 적철석의 다양한 광물학적, 물리학적 특성을 조사하여 비소의 흡착 특성을 해석하는 데 이용하였다. 흡착 실험은 흡착 등온식을 얻기 위한 평형실험(equilibrium), pH에 따른 흡착 특성을 파악하기 위한 pH-edge실험, 흡착 반응 속도론적 관점에서 비소와의 흡착 반응 특성을 알아보기 위하여 kinetic 실험을 진행하였다.
대상 데이터
비소와 적철석의 평형흡착 특성을 이해하기 위하여 수행된 흡착등온식을 얻기 위한 평형실험에서는 3가와 5가 비소가 동일하게 0.013, 0.067, 0.133, 0.267, 0.400, 0.667, 1.335, 2.669, 4.004, 5.339, 6.673 mM 등의 농도를 갖는 용액이 이용되었다. 이때 pH는 2.
데이터처리
시간에 따른 비소의 흡착 양상을 평가하기 위해서 지금까지 널리 알려진 6가지 흡착반응속도 모델의 결정계수(R2)값을 표 4에 정리하고 회귀분석 하였다. 각 모델들의 상관계수를 비교해 본 결과, 먼저 흡착반응속도 모델의 상관계수 값을 비교한 결과 적철석과 비소의 흡착반응속도를 가장 잘 모사하는 모델로는 3가 비소가 pseudo-second-order 와 Power Function 모델이 가장 적합한 것으로 나타났으며, 5가 비소는 pseudo-first-order와 pseudo-second-order 모델이 가장 적합한 것으로 조사되었으나, 3가 비소와 5가 비소 두 비소 종에 가장 적합한 흡착반응속도 모델로는 Pseudo second order로 평가되었다.
적철석과 각 비소 화학종간의 평형흡착 실험의 결과를 Langmuir, Freundlich, BET 및 Temkin의 흡착 등온식(adsorption isotherm)을 사용해 회귀분석을 했으며, 그 결과가 표 3에 나타나 있다. 먼저 각 흡착 등온식의 상관계수를 살펴보면, 두 비소종 모두 Langmuir 흡착 등온식이 가장 높은 상관계수를 나타내었으며, Langmuir 흡착 등온식에 비해 Freundlich 흡착 등온식의 상관계수가 비교적 낮게 나타나는데, 이를 통해 두 비소종과 흡착제인적철석이 주로 단분자층으로 흡착이 이루어지는 것을 알 수 있다.
이론/모형
합성된 적철석의 조직 특성과 화학적 조성 분석은 SEM (philips XL30S FEG, Netherlands)과 EDS (Jeol JSM-6380LV, Japan)를 이용하여 수행하였다. 그리고 적철석의 비표면적은 미세 기공 물리흡착 분석기(micro pore physisorption analyzer, ASAP-2020M모델, Micromertitics, 미국)를 이용하여 분석하였다.
모든 실험에서 비소의 흡착제로 사용된 적철석은 앞에서 상술한 바와 같이 Schwertmann & Cornell(2000)가 제안한 방법으로 실험실에서 합성하여 완전 건조시킨 후 200 mesh로 체 걸음하여 사용하였다.
본 연구에 사용된 순수한 적철석의 합성은 Schwert-mann and Cornell (2000)이 제안한 방법을 이용하여 실험실 내 25℃의 조건에서 합성되어졌다. 500 mL 용량 플라스크에 0.
본 연구는 자연 상에서 널리 존재하는 철 (산수)산화물들 중 적철석을 이용하여 비소와의 흡착 반응 특성을 알아보았다. 적철석은 Schwertmann and Cornell (2000)가 제안한 방법으로 실험실에서 합성하여 사용하였다. 또한 비소의 화학적 형태에 따른 적철석과의 반응특성을 규명하기 위하여 3가 비소(arsenite)와 5가 비소(arsenate)를 비교하여 연구하였다.
전위차 적정법(Potentiometric titration)을 이용하여 적철석의 영전하점을 측정하였다. 전위차 적정법은 서로 다른 이온강도 하에서 pH를 변화시키면서 H+와 OH-의 흡착량을 측정해서 최종적으로 흡착제의 표면전하를 측정한다(Stumm, 1992; Kraepiel et al.
성능/효과
그리고 pH에 따른 두 비소종의 흡착 경향을 살펴보면, 3가 비소는 pH 9.2에서 가장 높은 흡착량을 보이고, pH 11에서 흡착량이 현저하게 감소하는 것으로 나타났다(그림 4-A).
0에서부터 pH가 증가함에 따라서 흡착이 지속적으로 감소하는 것으로 나타났다. 3가 비소의 최대흡착량은 저농도와 고농도에서 각각 0.053 mmol/g와 0.345 mmol/g으로 나타났으며, 5가 비소의 최대 흡착량은 저농도에서 0.059 mmol/g, 고농도에서 0.296 mmol/g으로 나타났다.
2보다 높은 pH에서 흡착량이 현저하게 감소하는 것으로 나타났다. 5가 비소는 pH 2에서 가장 높은 흡착량을 보였으며, pH가 증가할수록 흡착량이 현저하게 감소하는 것으로 조사되었다. 적철석에 대한 비소의 흡착반응소도를 알아보기 위해 kinetic연구를 수행한 결과 12∼20시간 사이에서 최대흡착량에 도달하였으며, 두 화학종과 자철석의 흡착 반응속도를 가장 잘 모사하는 모델로는 pseudo-second-order로 조사되었다.
평형흡착실험 결과 3가 비소가 5가 비소보다 적철석에 대한 친화도가 더 큰 것으로 나타났으며, Langmuir 등 온식이 비소 화학종에 관계없이 적철석에 대한 비소의 흡착을 잘 모사하는 것으로 나타났다. pH에 따른 비소의 흡착 특성을 살펴본 결과, 3가 비소는 pH 9.2에서 가장 높은 흡착량을 보였으며, pH 9.2보다 높은 pH에서 흡착량이 현저하게 감소하는 것으로 나타났다. 5가 비소는 pH 2에서 가장 높은 흡착량을 보였으며, pH가 증가할수록 흡착량이 현저하게 감소하는 것으로 조사되었다.
)값을 표 4에 정리하고 회귀분석 하였다. 각 모델들의 상관계수를 비교해 본 결과, 먼저 흡착반응속도 모델의 상관계수 값을 비교한 결과 적철석과 비소의 흡착반응속도를 가장 잘 모사하는 모델로는 3가 비소가 pseudo-second-order 와 Power Function 모델이 가장 적합한 것으로 나타났으며, 5가 비소는 pseudo-first-order와 pseudo-second-order 모델이 가장 적합한 것으로 조사되었으나, 3가 비소와 5가 비소 두 비소 종에 가장 적합한 흡착반응속도 모델로는 Pseudo second order로 평가되었다. 이와 같은 회귀분석을 통하여 각 비소 종에 적합한 흡착반응속도 모델과 흡착속도상수를 알아낼 수 있고 이러한 결과를 이용하여 반응속도를 예측하거나 임의의 반응시간에서의 평형농도 및 흡착농도 등을 예측할 수 있다.
2, 5가 비소는 pH 2에서 주로 상관계수가 높게 나타나는데 이는 pH에 따른 비소 종과 흡착제의 표면 전하의 변화에 따라서 다분자층으로도 흡착이 가능하다는 것을 지시한다. 그리고 Lang-muir와 Freundlich의 주요 상수값을 살펴보면, Lang-muir 흡착 등온식의 최대흡착량(Q0)과 Freundlich 흡착 등온식의 흡착능력(K)을 나타내는 상수값 모두 3가 비소는 pH 9.2에서 가장 높고 pH 2에서 가장 낮게 나타났으며, 5가 비소의 경우 pH 2에서 최대흡착량이 가장 높고 pH가 증가함에 따라 순차적으로 최대흡착량이 감소하여 평형흡착실험 결과와 일치하게 나타났다(그림 4-A, B). 이러한 흡착 등온식에 대한 회귀 결과는 각 비소 종의 임의의 농도에서의 흡착량과 최대 흡착량을 예측하는 데 사용될 수 있을 뿐만 아니라 앞에서도 언급했듯이 단층 또는 다층의 흡착과 같은 흡착특성을 이해하는데 도움을 줄 수 있다.
적철석의 비소 흡착에 대한 평형흡착 실험 결과를 그림 4에 나타내었다. 먼저 3가 비소와 5가 비소의 흡착을 비교해 보면, 3가 비소와 5가 비소의 최대 흡착량이 유사하게 나타는 것을 알 수 있다. 그리고 pH에 따른 두 비소종의 흡착 경향을 살펴보면, 3가 비소는 pH 9.
적철석과 각 비소 화학종간의 평형흡착 실험의 결과를 Langmuir, Freundlich, BET 및 Temkin의 흡착 등온식(adsorption isotherm)을 사용해 회귀분석을 했으며, 그 결과가 표 3에 나타나 있다. 먼저 각 흡착 등온식의 상관계수를 살펴보면, 두 비소종 모두 Langmuir 흡착 등온식이 가장 높은 상관계수를 나타내었으며, Langmuir 흡착 등온식에 비해 Freundlich 흡착 등온식의 상관계수가 비교적 낮게 나타나는데, 이를 통해 두 비소종과 흡착제인적철석이 주로 단분자층으로 흡착이 이루어지는 것을 알 수 있다. BET 흡착 등온식에서 3가 비소는 pH 9.
SEM 분석결과, 합성된 적철석은 반자형의 전형적인 형태를 보이는 것을 관찰할 수 있었다(그림 2-A). 비소 흡착 전후의 적철석에 대한 EDS 분석 결과, 흡착 전후 공통적으로 철(Fe), 산소(O), 코팅에 사용한 금(Au)에 대한 피크가 확연히 보이는 것을 확인할 수 있으며, 흡착 후 비소(As) 피크를 보임으로써 비소의 흡착이 잘 된것을 알 수 있었다(그림 2-B, C).
347 mM)까지 나누어 실험을 수행하였다. 실험결과, 저농도와 고농도에서 모두 비슷한 경향을 나타내는데 먼저 3가 비소는 pH 9.0까지는 흡착량이 지속적으로 증가하다가 그 이상의 pH에서 흡착량이 현저히 감소하는 것으로 나타났다. 이에 비해 5가 비소의 경우 초기 pH 2.
연구 결과 영전하점은 8.5로 다른 철(산수)산화물들과 비교해서 가장 높게 나타난 반면 비표면적은 31.8 m2/g으로 비교적 낮게 나타났다. 적철석의 다양한 특성 중 특히 이러한 특성들에 의해서 적철석에 대한 비소의 흡착특성이 다른 철(산수)산화물과 다르게 나타나는 것으로 판단된다.
적철석에 대한 비소의 흡착반응소도를 알아보기 위해 kinetic연구를 수행한 결과 12∼20시간 사이에서 최대흡착량에 도달하였으며, 두 화학종과 자철석의 흡착 반응속도를 가장 잘 모사하는 모델로는 pseudo-second-order로 조사되었다.
적철석에 대한 비소의 흡착반응소도를 알아보기 위해 kinetic연구를 수행한 결과 12∼20시간 사이에서 최대흡착량에 도달하였으며, 두 화학종과 자철석의 흡착 반응속도를 가장 잘 모사하는 모델로는 pseudo-second-order로 조사되었다. 적철석에 대한 비소의 흡착특성을 고찰하기 위한 거시적인(macroscopic) 본 연구를 통해 비소의 화학적 존재형태, 적철석의 다양한 특성(영전하점, 표면전하, 비표면적), 그리고 주변 pH 등이 적철석에 대한 비소의 흡착 특성을 좌우하는 것으로 확인되었다. 이러한 거시적인 연구결과는 X선 흡수 분광(X-ray Absorption Spectroscopy, XAS) 분석과 같은 미시적인(microscopic) 연구결과와 함께 종합적으로 해석되어야 흡착 메카니즘을 규명할 수 있으며 그 외 다양한 흡착 특성을 나타내는 원인을 밝힐 수 있을 것으로 생각된다.
산음이온(oxyanion)으로 존재하는 비소의 흡착은 pH가 PZSE보다 낮은 조건에서 잘 일어난다. 적철석의 PZSE 분석결과, 8.5으로 측정되었는데 본 실험실에서 선행 연구되어진 다른 철 (산수)산화물들과 비교했을 때 가장 높은 PZSE값으로 나타났으며, 특히 점토광물과 규산염광물들보다는 훨씬 높게 나타났다. 이렇게 높은 적철석의 PZSE는 비소와 같이 음이온 형태로 존재하는 흡착질(adsorbate)을 제거하는 데 있어서 다른 철 (산수)산화물들이나 점토광물, 규산염광물들보다 유리한 값이라고 할 수 있다.
본 연구에서 측정한 적철석의 비표면적과 다른 대표적인 철 (산수)산화물 비표면적을 비교하여 표 1에 정리하였다. 적철석의 비표면적 측정 결과, 31.8(m2/g)의 값으로 다른 대표적인 철 (산수)산화물들과 비교해보았을 때, 자연 상태에서 빈번하게 산출되는 침철석과 자철석 등과 같은 광물들보다는 높으며 비결정질의 ferrihydrite와 lepidocrocite 보다는 상대적으로 낮은 값으로 나타났다.
마지막으로 비소와 적철석의 흡착 반응에 있어서 시간에 따른 경향성을 알아보기 위해 반응속도 실험을 실시하였다. 평형실험의 결과 3가 비소는 pH 9.2, 5가 비소는 pH 2에서 수행하였으며 이때의 비소 배경용액 농도는 1.067, 6.673 mM이었다. 반응속도 실험 동안 5, 10, 15, 30, 45, 60, 75, 90 min, 2, 6, 8, 12 h, 1, 2, 3 day로 총 15개 시점을 선정하여 상등액 시료를 채취하여 비소 농도 분석을 수행하였으며, 그 외 조건은 평형 및 pH-edge 실험들과 동일하게 수행하였다.
0에서 5가 비소의 흡착 반응속도를 조사하였다. 평형에 도달하는 시간을 관찰한 결과 3가 비소와 5가 비소 모두 유사하게 20시간 이내에 평형에 도달하였다.
적철석의 다양한 특성 중 특히 이러한 특성들에 의해서 적철석에 대한 비소의 흡착특성이 다른 철(산수)산화물과 다르게 나타나는 것으로 판단된다. 평형흡착실험 결과 3가 비소가 5가 비소보다 적철석에 대한 친화도가 더 큰 것으로 나타났으며, Langmuir 등 온식이 비소 화학종에 관계없이 적철석에 대한 비소의 흡착을 잘 모사하는 것으로 나타났다. pH에 따른 비소의 흡착 특성을 살펴본 결과, 3가 비소는 pH 9.
후속연구
적철석에 대한 비소의 흡착특성을 고찰하기 위한 거시적인(macroscopic) 본 연구를 통해 비소의 화학적 존재형태, 적철석의 다양한 특성(영전하점, 표면전하, 비표면적), 그리고 주변 pH 등이 적철석에 대한 비소의 흡착 특성을 좌우하는 것으로 확인되었다. 이러한 거시적인 연구결과는 X선 흡수 분광(X-ray Absorption Spectroscopy, XAS) 분석과 같은 미시적인(microscopic) 연구결과와 함께 종합적으로 해석되어야 흡착 메카니즘을 규명할 수 있으며 그 외 다양한 흡착 특성을 나타내는 원인을 밝힐 수 있을 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전위차 적정법은 무엇인가?
전위차 적정법(Potentiometric titration)을 이용하여 적철석의 영전하점을 측정하였다. 전위차 적정법은 서로 다른 이온강도 하에서 pH를 변화시키면서 H+와 OH-의 흡착량을 측정해서 최종적으로 흡착제의 표면전하를 측정한다(Stumm, 1992; Kraepiel et al., 1998; Singh and Uehara, 1998; Jain et al.
비소의 거동에 영향을 미치는 광물 종들은 무엇이 있는가?
비소의 거동에 영향을 미치는 광물 종들은 주로 알루미늄, 철 (산수)산화물[iron (oxyhydr)oxides], 망간(수)산화물, 방해석, 황화물, 카올리나이트, 그리고 몬몰리오나이트와 같은 다양한 고형물이 비소의 거동에 가장 큰 영향을 미친다고 알려져 있다(La Force et al., 2000).
본 실험에서 적철석의 영전하점을 측정하기 위해 어떤 과정을 거쳤는가?
실험방법은 200 mesh 체로 전처리한 적철석 1 g을 각기 다른 이온강도 0.1, 0.01, 0.001 M의 NaCl수용액 100 ml와 혼합하고 막대자석으로 충분히 교반시킨다. 그런 다음 0.5, 0.05 M HCl과 0.5, 0.05 M NaOH를 일정한 시간 간격으로 일정량을 주입하여 pH를 조정한다. 이러한 과정을 걸쳐서 측정된 pH, 주입된 HCl 또는 NaOH의 농도와 주입량을 아래의 식에 대입하여 표면전하를 계산한다. 그리고 측정된 pH별 계산된 표면전하를 그래프로 도식화하였다. 이때 일정한 시간 간격으로 측정된 표면전하량 곡선들은 상이한 이온강도 하에 한 점에서 교차하게 된다.
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