참깨 부산물의 중금속 흡착제로서 가능성을 검토하기 위해 $600^{\circ}C$에서 1시간동안 열분해 한 참깨 부산물 biochar를 이용하여 중금속 오염폐수 중의 중금속 흡착특성을 조사하였다. Biochar의 중금속 제거효율은 Pb>Cu>Cd>Zn 순으로 Pb의 흡착효율이 가장 높게 나타났다. 참깨 부산물 biochar를 이용한 흡착실험 결과를 Freundlich와 Langmuir 등온흡 착식에 적용하여 각각의 중금속 인자를 산출한 결과 Langmuir와 Freundlich 등온흡착식 모두에서 Pb의 흡착능력이 Cu, Cd 및 Zn에 비해서 우수한 것으로 나타났다. Pb의 경우는 Langmuir 등온흡착식이 Freundlich 등온흡착식에 비해 더 적합하였으나 Cu, Cd 및 Zn의 경우 저농도에서 약간 차이는 있었으나 두 등온흡착식 모두 적합하였다. 전자현미경 (SEM)을 이용하여 중금속 흡착 전 후의 biochar 표면을 관찰한 결과 중금속 흡착 후에 각각의 중금속이 흡착되어 있는 것을 관찰 할 수 있었다. FT-IR 분석결과 중금속은 주로 방향족 C=O ring stretching ($1160cm^{-1}$$1384cm^{-1}$ 및 $1621cm^{-1}$)에서 흡착되는 것으로 관찰되었다. 이상의 결과를 미루어 볼 때 참깨 부산물로 제조한 biochar는 중금속 흡착제로서의 활용 가능성이 높을 것으로 판단된다.
참깨 부산물의 중금속 흡착제로서 가능성을 검토하기 위해 $600^{\circ}C$에서 1시간동안 열분해 한 참깨 부산물 biochar를 이용하여 중금속 오염폐수 중의 중금속 흡착특성을 조사하였다. Biochar의 중금속 제거효율은 Pb>Cu>Cd>Zn 순으로 Pb의 흡착효율이 가장 높게 나타났다. 참깨 부산물 biochar를 이용한 흡착실험 결과를 Freundlich와 Langmuir 등온흡 착식에 적용하여 각각의 중금속 인자를 산출한 결과 Langmuir와 Freundlich 등온흡착식 모두에서 Pb의 흡착능력이 Cu, Cd 및 Zn에 비해서 우수한 것으로 나타났다. Pb의 경우는 Langmuir 등온흡착식이 Freundlich 등온흡착식에 비해 더 적합하였으나 Cu, Cd 및 Zn의 경우 저농도에서 약간 차이는 있었으나 두 등온흡착식 모두 적합하였다. 전자현미경 (SEM)을 이용하여 중금속 흡착 전 후의 biochar 표면을 관찰한 결과 중금속 흡착 후에 각각의 중금속이 흡착되어 있는 것을 관찰 할 수 있었다. FT-IR 분석결과 중금속은 주로 방향족 C=O ring stretching ($1160cm^{-1}$$1384cm^{-1}$ 및 $1621cm^{-1}$)에서 흡착되는 것으로 관찰되었다. 이상의 결과를 미루어 볼 때 참깨 부산물로 제조한 biochar는 중금속 흡착제로서의 활용 가능성이 높을 것으로 판단된다.
Little research has been conducted to explore the heavy metal removal potential of biochar. The adsorption characteristics of heavy metals by sesame waste biochar (pyrolysis at $600^{\circ}C$ for 1 hour) as heavy metal absorbent were investigated. The sesame waste biochar was characterize...
Little research has been conducted to explore the heavy metal removal potential of biochar. The adsorption characteristics of heavy metals by sesame waste biochar (pyrolysis at $600^{\circ}C$ for 1 hour) as heavy metal absorbent were investigated. The sesame waste biochar was characterized by SEM-EDS and FT-IR, and heavy metal removal was studied using Freundlich and Langmuir equations. The removal rates of heavy metals were higher in the order of Pb>Cu>Cd>Zn, showing that the adsorption efficiency of Pb was higher than those of any other heavy metals. Freundlich and Langmuir adsorption isotherms were used to model the equilibrium adsorption data obtained for adsorption of heavy metals on biochar produced from sesame waste. Pb, Cu, Cd and Zn equilibrium adsorption data were fitted well to the two models, but Pb gave a better fit to Langmuir model. Heavy metals were observed on the biochar surface after adsorption by scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). Main functional groups were aromatic C=O ring (at $1160cm^{-1}$, $1384cm^{-1}$ and $1621cm^{-1}$) by FT-IR analysis. Thus, biochar produced from sesame waste could be useful adsorbent for treating heavy metal wastewaters.
Little research has been conducted to explore the heavy metal removal potential of biochar. The adsorption characteristics of heavy metals by sesame waste biochar (pyrolysis at $600^{\circ}C$ for 1 hour) as heavy metal absorbent were investigated. The sesame waste biochar was characterized by SEM-EDS and FT-IR, and heavy metal removal was studied using Freundlich and Langmuir equations. The removal rates of heavy metals were higher in the order of Pb>Cu>Cd>Zn, showing that the adsorption efficiency of Pb was higher than those of any other heavy metals. Freundlich and Langmuir adsorption isotherms were used to model the equilibrium adsorption data obtained for adsorption of heavy metals on biochar produced from sesame waste. Pb, Cu, Cd and Zn equilibrium adsorption data were fitted well to the two models, but Pb gave a better fit to Langmuir model. Heavy metals were observed on the biochar surface after adsorption by scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). Main functional groups were aromatic C=O ring (at $1160cm^{-1}$, $1384cm^{-1}$ and $1621cm^{-1}$) by FT-IR analysis. Thus, biochar produced from sesame waste could be useful adsorbent for treating heavy metal wastewaters.
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문제 정의
따라서 본 연구는 중금속 오염폐수의 효과적인 처리를 위하여 참깨 부산물로 제조한 biochar의 중금속 (Pb, Cu, Cd 및 Zn) 흡착특성 및 biochar의 중금속 흡착 전·후의 표면 변화를 조사하여 참깨 부산물로 제조한 biochar의 중금속 흡착제로서의 이용 가능성을 조사하였다.
제안 방법
Biochar에 흡착된 중금속의 흡착형태를 관찰하기 위해서 전자현미경 (SEM, Hitachi, Japan)으로 관찰하였으며, 흡착 전·후의 biochar 표면의 무기원소 분석은 Energy Dispersive X-ray Spectrometer (EDS, Serial II, Noran, USA)로 분석하였다.
Biochar의 중금속 (Pb, Cu, Cd 및 Zn) 제거효율을 조사하기 위하여 단일중금속 농도가 100 mg L-1 인 용액 100 mL에 biochar 0.05 g을 첨가하여 실온 에서 24시간 160 rpm으로 교반 후 biochar의 각 중금속별 제거효율을 조사하였다. 각각의 중금속농도가 100 mg L-1인 용액의 초기 pH는 Pb 용액은 pH 6.
pH와 EC측정은 시료 5 g에 증류수 50 mL를 가하여 160 rpm에서 30분간 진탕 (JEIO TECH SK-760M) 한 후 pH, EC meter (Seven Multi, METTLER TOLEDO)로 측정하였다 (NIAST, 2000). Total carbon 측정은 시료 0.
05 g을 첨가하여 실온 에서 24시간 160 rpm으로 교반 후 biochar의 각 중금속별 제거효율을 조사하였다. 각각의 중금속농도가 100 mg L-1인 용액의 초기 pH는 Pb 용액은 pH 6.09, Cu 용액은 pH 6.19, Cd 용액은 pH 5.85, 그리고 Zn 용액은 pH 6.46인 조건에서 실험을 진행하였다.
중금속 등온흡착식은 각각의 100 mg L -1 중금속 용액 100 mL에 biochar의 양을 달리 첨가한 후 24시간 160 rpm으로 교반시켜 흡착평형상태에서 중금속 잔존농도를 분석하여 중금속 흡착량을 산출하였다. 각각의 중금속 흡착량을 이용하여 Freundlich와 Langmuir 등온흡착식에 적용하여 각각의 인자를 계산하였다.
03 g을 분석용 도가니에 취하여 900℃에서 산화시켜서 발생되는 CO2 gas를 측정하는 방식의 Total organic carbon analyzer (TOC-V, SSM-5000A, Shimadzu, Japan)로 측정하였다. 중금속함량 (Pb, Cu, Cd 및 Zn) 분석은 일정량의 시료를 습식분해 (황산+과염소산)한 후 일부를 취하여 ICP (ICPE-9000, Shimadzu)로 측정하였다 (NIAST, 1996).
, 2005)등을 이용한 Pb, Cu, Cd 및 Zn 흡착제거 실험에서도 본 연구와 유사한 경향이었다. 참깨 부산물 biochar의 중금속 제거 특성을 이해하기 위해 Freundlich와 Langmuir 등온흡착 실험을 수행하였다.
참깨 부산물 biochar의 중금속 흡착 능력을 조사하기 위해 100 mg L-1 농도의 중금속 (Pb, Cu, Cd 및 Zn) 용액 100 mL에 biochar의 주입량을 달리하여 흡착 후 Freundlich와 Langmuir 등온흡착식에 적용하였다 (Table 2, Fig. 2-4). 각각의 중금속별 Freundlich식 (2)에서 도출한 직선식은 Fig.
참깨 부산물 biochar의 중금속 흡착능력을 예측하기에 적합한 최적 등온흡착식을 선정하기 위해 Table 2로부터 도출한 Freundlich와 Langmuir 등온흡착 일반식을 실제 흡착결과에 적용하였다. 참깨 부산물 biochar의 실제 흡착량과 Freundlich와 Langmuir 등온흡착 일반식을 Fig.
대상 데이터
공시재료의 화학적 특성은 Table 1에서 보는 바와 같다. 공시 폐수는 Pb(NO3)2, CuSO4, CdSO4 및 ZnSO4 를 각각의 중금속 농도로서 1,000 mg L-1 되게 조제한 표준용액을 이용하여 증류수로 희석 조제하여 사용하였다.
참깨를 수확하고 남은 참깨 부산물을 상온에서 건조시킨 후 산소가 없는 상태를 유지하며 600℃에서 1 시간 동안 가열하여 biochar를 제조하였으며, 제조된 biochar 를 1 ∼ 2 mm 크기로 분쇄하여 공시재료로 사용하였다.
이론/모형
Biochar에 흡착된 중금속의 흡착형태를 관찰하기 위해서 전자현미경 (SEM, Hitachi, Japan)으로 관찰하였으며, 흡착 전·후의 biochar 표면의 무기원소 분석은 Energy Dispersive X-ray Spectrometer (EDS, Serial II, Noran, USA)로 분석하였다. Biochar의 중금속 흡착 유무에 따른 biochar 표면의 작용기 변화를 관찰하기 위하여 KBr 가압정제법을 이용하여 FT-IR (FTIR 8700, Shimadzu, Japan) 스펙트럼을 분석하였다.
pH와 EC측정은 시료 5 g에 증류수 50 mL를 가하여 160 rpm에서 30분간 진탕 (JEIO TECH SK-760M) 한 후 pH, EC meter (Seven Multi, METTLER TOLEDO)로 측정하였다 (NIAST, 2000). Total carbon 측정은 시료 0.03 g을 분석용 도가니에 취하여 900℃에서 산화시켜서 발생되는 CO2 gas를 측정하는 방식의 Total organic carbon analyzer (TOC-V, SSM-5000A, Shimadzu, Japan)로 측정하였다. 중금속함량 (Pb, Cu, Cd 및 Zn) 분석은 일정량의 시료를 습식분해 (황산+과염소산)한 후 일부를 취하여 ICP (ICPE-9000, Shimadzu)로 측정하였다 (NIAST, 1996).
중금속 등온흡착식은 각각의 100 mg L -1 중금속 용액 100 mL에 biochar의 양을 달리 첨가한 후 24시간 160 rpm으로 교반시켜 흡착평형상태에서 중금속 잔존농도를 분석하여 중금속 흡착량을 산출하였다. 각각의 중금속 흡착량을 이용하여 Freundlich와 Langmuir 등온흡착식에 적용하여 각각의 인자를 계산하였다. Freundlich 등온흡착식은 다음과 같이 표현 된다 (Freundlich, 1906).
성능/효과
Biochar의 중금속 흡착 작용기에 대한 연구를 위하여 중금속 흡착 전후의 biochar의 FT-IR을 찍은 결과 (Fig. 6) 제조된 참깨부산물 biochar는 IR 스팩트럼상에서 중금속 이온과 치환될 수 있을 것으로 예상되는 functional group을 확인 할 수 있었는데 730 cm-1 에서의 -CH, 1050 cm-1 에서의 C-OH (Lu et al., 2012), 1160 cm-1 1384 cm-1 및 1621 cm-1 에서의 C=O stretching (Bae and Koh, 2011; Lu et al., 2012; Regmi et al., 2012), 3420 cm-1 에서의 R-O-H stretching (Lu et al., 2012) 등의 peak를 가지고 있었다.
2에 나타내었으며, 직선식으로 부터 식 (1)을 이용하여 각각의 중금속의 K 값과 1/n 값을 구하여 Table 2에 나타내었다. Pb, Cu, Cd 및 Zn의 흡착능력 (K)은 각각 294.2, 47.1, 49.7 및 35.6으로 다른 중금속에 비해서 Pb가 흡착능력이 큰 것으로 나타났다. 본 연구에서 Pb, Cu, Cd 및 Zn의 흡착강도 (1/n)는 각각 0.
각 중금속의 농도가 100 mg L-1 인 용액 100 mL에 biochar 0.05 g을 첨가한 결과 전체적으로 중금속 제거효율은 Pb > Cu > Cd > Zn 의 순으로 특히 Pb의 제거효율이 99%로 다른 중금속에 비해 높았다.
2012년 국내 참깨 생산량은 약 9,700 ton으로 국내에서 많이 생산되는 작물이고, 수확물에 비해서 부산물의 비율이 상당히 많이 발생한다. 또한 biochar로 제조 되었을 때 다공성 육각구조를 형성하고 있어서 중금속 흡착에도 상당히 유리할 것으로 판단된다.
6으로 다른 중금속에 비해서 Pb가 흡착능력이 큰 것으로 나타났다. 본 연구에서 Pb, Cu, Cd 및 Zn의 흡착강도 (1/n)는 각각 0.08, 0.09, 0.02 및 0.03으로 모든 중금속의 흡착강도 (1/n) 값이 1 이하로 Langmuir 형의 흡착등온특성을 가지고 있는 것을 알 수 있었다.
실제 Cu, Cd 및 Zn의 흡착량은 40 mg L-1 이하의 낮은 농도에서 약간의 차이는 있었으나 전반적으로 Langmuir와 Freundlich 등온 흡착식 모두 적합하였다. 본 연구에서 참깨 부산물 biochar는 전반적으로 Langmuir 등온흡착식에 잘 일치하였다. 일반적 으로 Langmuir 등온흡착식은 균일한 흡착에너지를 갖는 흡착제와 비극성 흡착물질의 경우에 잘 적용되는 것으로 알려져 있다 (Ruthven, 1984; Yang, 1987; Choi et al.
, 2012). 이에 비해서 본 연구에서 사용된 참깨부산물 biochar 는 다른 부산물 biochar에 비교하여 흡착효율이 상당히 높은 것으로 나타났다. 특히 Pb 흡착의 경우는 인공제올라이트에 의한 중금속 흡착효율 (Pb 350.
5와 같다. 전반적으로 중금속을 흡착하지 않은 biochar 는 표면이 약간 울룩불룩하면서도 미끈한 형태를 가지고 있었으나, 각각의 중금속을 흡착한 biochar 표면에는 많은 electron dense particles들이 형성되었음을 알 수 있었다. 또한 biochar 표면의 electron dense particles의 구성성분 들을 정확하게 확인하기 위해서 전자현미경에 부착된 EDS 를 통해서 electron dense particles를 확인한 결과 각각의 중금속인 Pb, Cu, Cd 및 Zn 등이 biochar 표면에 결합되어 있는 것을 알 수 있었다 (Say et al.
05 g을 첨가한 결과 전체적으로 중금속 제거효율은 Pb > Cu > Cd > Zn 의 순으로 특히 Pb의 제거효율이 99%로 다른 중금속에 비해 높았다. 참깨 부산물 biochar에 의한 Cu의 제거효율은 67.2%이었고, Cd의 제거효율은 53.2%이었으며, Zn의 제거 효율은 37.5%로 Zn의 제거효율이 다른 중금속에 비해 가장 낮았다. 이러한 결과는 배추 biochar (Bae and Koh, 2011), 천연제올라이트와 제강전로슬래그 (Kim and Yim, 2012), 미생물 (Kim et al.
, 2012) 등의 peak를 가지고 있었다. 참깨부산물 biochar에 각각의 중금속을 흡착시킨 후의 IR 스팩트럼을 확인한 결과 각각의 중금속별 특정 peak가 커지는 것이 확인되었다. Pb 흡착 후에는 730 cm-1 에서의 -CH, 1160 cm-1 1384 cm-1 및 1621 cm-1 에서의 C=O stretching이 변화가 큰 것으로 확인되었다.
후속연구
(2012)에 의해 biochar가 함유하고 있는 극성 관능기는 수중의 중금속 이온에 대한 흡착능력이 뛰어난 것으로 보고된 바 있다. 또한 농업부산물을 이용하여 중금속 흡착능력이 뛰어난 biochar를 제조한다면 환경오염적인 측면뿐만 아니라 폐자원을 재활용하기 때문에 어떠한 중금속 흡착제보다 경제적일 것으로 판단된다. 2012년 국내 참깨 생산량은 약 9,700 ton으로 국내에서 많이 생산되는 작물이고, 수확물에 비해서 부산물의 비율이 상당히 많이 발생한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이온교 환법의 특징은 무엇인가?
, 2005; Kim and Yim, 2012). 이온교 환법은 이온교환수지가 고가이고 단일 이온성분만을 대상으로 할 경우 재이용이 가능하나 대부분의 중금속 폐수는 여러 종류의 양이온을 대상으로 하기 때문에 재이용이 힘들기 때문에 비경제적이다 (Say et al., 2001).
응집침전법의 단점은 무엇인가?
응집침전법은 가장 널리 이용되고 있는 중금속 제거 기술 중의 하나로 비교적 간단한 반응공정으로 안정적이고 높은 처리효율을 얻을 수 있다. 하지만 비교적 낮은 농도의 금속이온 제거 시 낮은 처리효율을 보이며 (Say et al., 2001), 다량의 응집제 사용으로 인한 비경제성 및 폐수처리 후 발생 되는 슬러지의 2차 오염 등의 단점을 가지고 있다 (Choi et al., 2005; Kim et al.
응집침전법은 무엇인가?
물리적인 방법에는 침전법, 막분리법 등이 있고, 화학적인 방법에는 응집침전법, 이온교환법, 흡착법 등이 있다. 응집침전법은 가장 널리 이용되고 있는 중금속 제거 기술 중의 하나로 비교적 간단한 반응공정으로 안정적이고 높은 처리효율을 얻을 수 있다. 하지만 비교적 낮은 농도의 금속이온 제거 시 낮은 처리효율을 보이며 (Say et al.
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