[논문]커피 슬러지 바이오차의 Cu와 Cd 흡착제거 특성 연구

김병문; 강창환; 양재규; 나정균; 정종암; 정형진; 임진환; 고경민; 김완희; 장윤영

doi:10.7857/jsge.2012.17.2.047

커피 슬러지 바이오차의 Cu와 Cd 흡착제거 특성 연구
Cu and Cd Sorption of the Biochar Derived from Coffee Sludge 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.17 no.2, 2012년, pp.47 - 53

김병문 (광운대학교 환경공학과) , 강창환 (광운대학교 환경공학과) , 양재규 (광운대학교 교양학부) , 나정균 (광운대학교 환경공학과) , 정종암 (광운대학교 환경공학과) , 정형진 (광운대학교 환경공학과) , 임진환 (광운대학교 환경공학과) , 고경민 (광운대학교 환경공학과) , 김완희 (광운대학교 환경공학과) , 장윤영 (광운대학교 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the adsorption of $Cu^{2+}$ and $Cd^{2+}$ from aqueous solution on the biochar derived from used coffee grounds at different pyrolysis temperatures has been investigated as a potential low-cost treatment method for heavy metal-containing waters. Three biochar samples prepared by heating coffee sludge at temperature of $300^{\circ}C$ (B300), $500^{\circ}C$ (B500), and $700^{\circ}C$ (B700) were tested for the adsorption capacity and kinetics of Cd and Cu. Also the influencing factor of heavy metal removal by ion exchange in terms of cation exchange capacity (CEC) of each biochar was measured. Adsorption of Ca and Cu by biochar produced at higher pyrolysis temperature showed higher adsorption capacity but the optimal pyrolysis temperature based on performance and economy was known as $500^{\circ}C$. Sorption of Cu and Cd by biochar followed a Langmuir model at pH 6~6.5, attributing mainly to surface sorption. The biochar was more effective in Cu and Cd sorption than activated carbon (AC), with BC 500 being the most effective, which indicates that sorption of Cd and Cu by coffee sludge biochar is partly influenced by chemical sorption on surface functional group as well as physical sorption.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 커피음료를 제조하고 부산물로 남는 폐 커피슬러지를 열분해하여 제조한 바이오차를 대상으로 수용상의 Cu와 Cd과 같은 중금속의 흡착성능을 알아보았으며, 실험결과를 토대로 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 바이오매스를 열분해하여 다양한 기능을 나타내는 바이오차(biochar)의 중금속 흡착능력을 알아보기 위하여 일반 커피전문점에서 얻은 커피슬러지를 세라믹 용기에 담고 뚜껑을 닫은 후 질소가스로 산소유입을 차단한 전기로(Thermolyne 48000)에 주입하여 열분해를 개시하였다. 열분해 온도는 전기로를 10°C min⁻¹의 속도로 승온하여 각 300, 500, 700°C 조건에서 4시간 동안 열분해를 진행하였다.

제안 방법

(3))와 pseudo-second-order(Eq. (4)) 반응속도 식을 이용하여 B500과 활성탄의 Cu 흡착제거 기작을 좀 더 알아보았다.
각 바이오 차의 pH는 증류수에 바이오차의 양을 1:5 wt/wt 비율로 주입한 후 완전 교반하여 1 hr 동안 정치시킨 후 pH 미터(Orion 720)를 사용하여 측정하였으며, 바이오 숯의 CEC(Cation Exchange Capacity)는 modified NH4–C acetate compulsory displacement method를 사용하여 측정하였다.
–C acetate compulsory displacement method를 사용하여 측정하였다. 각 바이오차의 수율 값은 주입된 원재료의 건조 질량대비 열분해 후 얻어진 바이오차의 건조 질량을 측정하여 계산하였다.
중금속 제거실험은 각 온도조건 300, 500, 700°C에서 열 분해하여 제조된 각 바이오 차를 대상으로 각 실험조건에서 50 mL polypropylene conical tube (Falcon)에 대상오염 물질이 포함된 인공 오염수와 바이오차 혼합용액 50 mL를 채우고 rotator (FINEPCR)를 사용하여 3 rpm 속도로 일정기간 교반하며 흡착 제거실험을 수행하였다. 반응기간 일정 pH를 유지하기 위한 실험에서는 각 pH의 완충용액 (SAMCHUN)을 첨가하여 반응을 진행하였다. 반응이 끝난 혼합용액은 0.
반응이 끝난 혼합용액은 0.45 µm syringe filter(SmartPor)로 고형물을 여과한 후 중금속의 침전을 방지하기 위하여 몇 방울의 5M 질산을 주입한 후 용액중 오염물질의 잔류농도를 분석하였다.
열분해 온도는 전기로를 10°C min−1의 속도로 승온하여 각 300, 500, 700°C 조건에서 4시간 동안 열분해를 진행하였다.
제조된 바이오차의 Cd과 Cu의 최대흡착능 및 흡착 강도를 알아보기 위하여 실험에서 얻어진 흡착 결과를 Langmuir와 Freundlich 모델식에 적용하여 각 모델식의 일치여부를 비교하여 보았다. Langmuir와 Freundlich 모델식은 각각 식 (1)과 (2)와 같다.
중금속 제거실험은 각 온도조건 300, 500, 700°C에서 열 분해하여 제조된 각 바이오 차를 대상으로 각 실험조건에서 50 mL polypropylene conical tube (Falcon)에 대상오염 물질이 포함된 인공 오염수와 바이오차 혼합용액 50 mL를 채우고 rotator (FINEPCR)를 사용하여 3 rpm 속도로 일정기간 교반하며 흡착 제거실험을 수행하였다.

성능/효과

• 바이오차의 제조 온도가 높을수록 중금속과 같은 양이온들을 치환할 수 있는 바이오차의 CEC 값은 증가하는 것으로 나타났으며 500℃ 이후에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
• 흡착반응속도에 있어서는 Cu와 Cd 모두 pseudo-second order kinetic model에 잘 맞는 것으로 나타났으며 대부분 2시간이내에 흡착반응이 평형상태에 도달하는 빠른 흡착반응속도를 보여주었다.
각 온도조건에서 제조된 바이오차의 Cd 과 Cu의 흡착 선형 상수 값을 비교해보면 흡착실험결과가 Freundlich isotherm보다는 Langmuir model식에 모두 더 잘 표현되는 것으로 나타났으며(r2 for Langmuir » r2 for Freundlich), B300, B500, and B700의 최대 흡착량은 Cd의 경우에 각각 2.674, 3.745, 2.833이고 Cu의 경우에 2.088, 7.874, 7.042인 것으로 나타나 대체적으로 Cu에 대해 흡착능이 높은 것으로 나타났다.
등온 흡착실험에서 Cu의 경우가 Cd에 비하여 높은 흡착제거효율을 보여주었으며, 바이오차 온도조건별 중금속 흡착성능을 보면 500℃에서 제조된 B500이 가장 높은 중금속 제거효율을 보여주었다. 본 장에서는 pseudo-first-order(Eq.
또한 q_e 값은 실험값보다 작음을 알 수 있다. 따라서 Cu 흡착반응은 pseudo-first order 반응속식을 완전하게 따르지는 않는 것으로 판단되며 보다 높은 차수의 반응속도식이 적용되어야 함을 알 수 있었다.
또한 온도조건별 제조된 바이오차의 중금속 흡착능을 보면 500℃에서 제조된 바이오차의 경우가 가장 높은 흡착능을 보여주었으며, 상업용 활성탄과 유사한 흡착능을 나타내었다. 또한 Cd과 Cu의 흡착능을 보면 Cu의 경우가 Cd에 비하여 더 효율적인 제거가 가능함을 알 수 있었다. Langmuir식의 상수 a는 흡착에너지와 연관되어있는데 Table 2에 나타난 결과를 보면 B300은 B500과 B700에 비하여 Cd와 Cu 모두 훨씬 적은 결합에너지를 나타내고 있음을 알 수 있다(Cu:0.
세 가지 온도조건에서 열분해시켜 얻은 바이오차의 양이온교환용량(CEC) 및 제조수율을 Table 1에 정리하였다. 열분해온도를 300℃에서 500℃로 증가시킴에 따라 바이오차의 알카리도 및 양이온교환용량(CEC)의 증가가 뚜렷이 나타났다. 그러나 500℃에서 700℃로 증가시켰을 때에는 앞의 온도변화에서와 비교시 알카리도 및 CEC 값의 변화폭이 적었다.
원재료의 중량에 비해서 열분해온도를 증가시킴에 따라 잔류 바이오매스의 중량은 감소하였는데, 열분해 온도 300℃에서는 바이오차의 수율이 33%, 500℃에서는 바이오차의 수율이 25%, 700℃에서는 바이오차의 수율이 24%로 얻어졌는데, 500℃ 이후에는 바이오매스 함량의 변화가 둔화되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바이오 숯은 어떻게 생성되는가?	바이오 숯은 모든 바이오매스 즉 임목, 농수산물, 축산물 자체 또는 부산물을 열분해과정을 통하여 생성되는 것으로 공기공급이 제어되는 조건하에서 산화반응의 발열에 의해서 탄소화가 진행되는데, 이때 반응에 의해 오일같은 액체와 탄소함량이 많은 고체의 탄화수소 혼합물인 바이오차가 생성된다.
	폐광산이나 군 사격장 등의 독성 중금속이 토양에 노출되어 있는 경우, 적절한 확상 방지를 위한 기술이 필요한 이유는 무엇인가?	폐광산이나 군 사격장 등 구리나 카드뮴과 같은 독성 중금속들이 토양에 노출되어 있는 경우에는 강우에 의해 지하수나 주변하천으로 용출되어 주변 생태계에 악영향을줄 수 있는 위험성이 존재한다. 따라서 적절한 확산 방지를 위한 기술개발이 요구된다.
	바이오매스에서 생성되는 가연성가스, 타르, 탄화물의 생성 비율에 영향을 주는 요소는 무엇인가?	일반적으로 열분해는 상압, 400~600oC에서 진행되며 기체인 가연성가스, 액체인 타르, 고체인 탄화물이 생성된다. 이들의 생성 비율은 열분해 온도, 가열속도, 목재의 입경 등에 의존한다(이수민, 2011). 바이오차는 표면의 견인력과 흡착력에 의해 수중에 존재하는 유기물질을 제거한다.

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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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