건설폐기물인 순환골재를 이용한 수용액상에서의 혼합 중금속 제거 특성 Removal Characteristics of Mixed Heavy Metals from Aqueous Solution by Recycled Aggregate as Construction Waste원문보기
본 연구에서는 순환골재를 이용하여 수용액상에서 혼합중금속의 제거능을 평가하였다. 순환골재는 주요 성분인 CaO, $SiO_2$, $Al_2O_3$, $Fe_2O_3$가 약 95% 함유되어 흡착제로서 유리한 조성을 가지고 있다. 동적흡착결과를 유사 1차 모델과 유사 2차 모델로 분석한 결과 두 모델 모두 실험결과에 잘 부합하는 것으로 나타났다. 평형흡착 실험은 Langmuir 모델에 잘 부합했고, $Cu^{2+}$ > $Pb^{2+}$ > $$Zn^{2+}{\simeq_-}Ni^{2+}$$ > $Cd^{2+}$순으로 흡착량이 높았다. 용액의 pH가 6에서 10로 증가함에 따라서 흡착률은 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 순환골재의 양이 증가함에 따라서 중금속의 흡착률은 증가하였지만, 단위 질량당 흡착량은 감소하였다. 본 연구 결과를 통해 순환골재는 중금속을 효율적으로 제거할 수 있는 흡착제로 판단된다.
본 연구에서는 순환골재를 이용하여 수용액상에서 혼합중금속의 제거능을 평가하였다. 순환골재는 주요 성분인 CaO, $SiO_2$, $Al_2O_3$, $Fe_2O_3$가 약 95% 함유되어 흡착제로서 유리한 조성을 가지고 있다. 동적흡착결과를 유사 1차 모델과 유사 2차 모델로 분석한 결과 두 모델 모두 실험결과에 잘 부합하는 것으로 나타났다. 평형흡착 실험은 Langmuir 모델에 잘 부합했고, $Cu^{2+}$ > $Pb^{2+}$ > $$Zn^{2+}{\simeq_-}Ni^{2+}$$ > $Cd^{2+}$순으로 흡착량이 높았다. 용액의 pH가 6에서 10로 증가함에 따라서 흡착률은 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 순환골재의 양이 증가함에 따라서 중금속의 흡착률은 증가하였지만, 단위 질량당 흡착량은 감소하였다. 본 연구 결과를 통해 순환골재는 중금속을 효율적으로 제거할 수 있는 흡착제로 판단된다.
This study examined the removal rate of mixed heavy metals from aqueous solution using recycled aggregate. The recycled aggregate is favorable for the absorbent because it contains about 95% (CaO, $SiO_2$, $Al_2O_3$ and $Fe_2O_3$), which are major ingredient of adsor...
This study examined the removal rate of mixed heavy metals from aqueous solution using recycled aggregate. The recycled aggregate is favorable for the absorbent because it contains about 95% (CaO, $SiO_2$, $Al_2O_3$ and $Fe_2O_3$), which are major ingredient of adsorbent for heavy metal. The kinetic data presented that the slow course of adsorption follows the Pseudo first and second order models. The equilibrium data were well fitted by the Langmuir model and showed the affinity order: $Cu^{2+}$ > $Pb^{2+}$ > $$Zn^{2+}{\simeq_-}Ni^{2+}$$ > $Cd^{2+}$. The results also showed that adsorption rate slightly increased with increasing pH from 6 to 10. Moreover, this trend is similar to results obtained as function of loading amount of recycled aggregate. Meanwhile, an unit adsorption rate was slightly decreased. From these results, it was concluded that the absorbents can be successfully used the removal of the heavy metals from the aqueous solutions.
This study examined the removal rate of mixed heavy metals from aqueous solution using recycled aggregate. The recycled aggregate is favorable for the absorbent because it contains about 95% (CaO, $SiO_2$, $Al_2O_3$ and $Fe_2O_3$), which are major ingredient of adsorbent for heavy metal. The kinetic data presented that the slow course of adsorption follows the Pseudo first and second order models. The equilibrium data were well fitted by the Langmuir model and showed the affinity order: $Cu^{2+}$ > $Pb^{2+}$ > $$Zn^{2+}{\simeq_-}Ni^{2+}$$ > $Cd^{2+}$. The results also showed that adsorption rate slightly increased with increasing pH from 6 to 10. Moreover, this trend is similar to results obtained as function of loading amount of recycled aggregate. Meanwhile, an unit adsorption rate was slightly decreased. From these results, it was concluded that the absorbents can be successfully used the removal of the heavy metals from the aqueous solutions.
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문제 정의
본 연구에서는 건설폐기물인 순환골재를 이용하여 혼합 중금속(Zn2+, Ni2+, Cd2+, Cu2+, Pb2+)의 제거특성을 살펴보았고 다음과 같은 결과를 얻었다.
이에 본 연구에서는 해양환경퇴적물 내 혼합 중금속 제거를 위해 순환골재의 중금속 제거 특성의 기초자료를 알아보고자 건설폐기물 부산물인 순환골재를 이용하여 혼합 중금속 용액에서의 중금속 제거 특성을 살펴보았다. 이를 위하여 평형 및 동적 흡착실험을 수행하였고, pH에 의한 흡착 특성과 순환골재 주입량에 따른 중금속 제거 가능성을 평가하기 위하여 혼합 중금속 제거 실험을 수행하였다.
제안 방법
농도에 따른 평형 혼합 중금속 흡착실험은 5, 10, 25, 50, 75, 100 mg/L의 혼합 중금속 용액농도에서 동역학적 흡착실험과 동일한 조건으로 24 h 교반 후 분석하였다. pH에 의한 중금속 흡착 특성을 살펴보기 위해서 50 mg/L의 혼합 중금속 용액을 1 M HNO3와 1 M NaOH로 pH를 6, 8, 10로 조절하였고, 교반 시간, 흡착제 주입량 및 용액의 부피는 평형 흡착과 동일한 조건으로 실험을 수행하였다. 흡착제 주입량에 의한 실험은 순환골재를 0.
교반 후 모든 시료는 3 µm 정량여과지(Advantes No. 6, Japan)로 여과 후 희석하여 ICP-MS (Agilent 7500 Series, USA)로 측정하였다.
5 g의 흡착제와 50 mg/L의 혼합 중금속 용액(pH 4) 30 mL를 50 mL 튜브에 넣고 25 oC, 100 rpm의 조건으로 10, 30, 60, 120, 360, 720min 교반 후 농도를 분석하였다. 농도에 따른 평형 혼합 중금속 흡착실험은 5, 10, 25, 50, 75, 100 mg/L의 혼합 중금속 용액농도에서 동역학적 흡착실험과 동일한 조건으로 24 h 교반 후 분석하였다. pH에 의한 중금속 흡착 특성을 살펴보기 위해서 50 mg/L의 혼합 중금속 용액을 1 M HNO3와 1 M NaOH로 pH를 6, 8, 10로 조절하였고, 교반 시간, 흡착제 주입량 및 용액의 부피는 평형 흡착과 동일한 조건으로 실험을 수행하였다.
0 mm 크기로 체가름 후 사용하였다. 순환 골재의 물리화학적 특성을 분석하기 위해 X-ray fluorescence spectrometry (XRF, XRF-1700, Shimadzu Co., Kyoto, Japan)와 Fast fourier spectroscopy (FT-IR, VERTEX 70; Bruker, Germany), Scanning electron microscopy (FE-SEM, S-3500N, Hitachi Co., Tokyo, Japan)분석을 실시하였다.
순환골재를 이용한 중금속 원소들의 흡착특성을 조사하기 위하여 사용한 용액은 Pb2+, Cu2+, Ni2+, Zn2+ 및 Cd2+ (1000 mg/L; Accustandard Inc.) 표준원액용액을실험농도에맞게증류수로희석및혼합하여 사용하였다. 시간에 따른 혼합중금속의 동역학적 흡착 실험은 0.
) 표준원액용액을실험농도에맞게증류수로희석및혼합하여 사용하였다. 시간에 따른 혼합중금속의 동역학적 흡착 실험은 0.5 g의 흡착제와 50 mg/L의 혼합 중금속 용액(pH 4) 30 mL를 50 mL 튜브에 넣고 25 oC, 100 rpm의 조건으로 10, 30, 60, 120, 360, 720min 교반 후 농도를 분석하였다. 농도에 따른 평형 혼합 중금속 흡착실험은 5, 10, 25, 50, 75, 100 mg/L의 혼합 중금속 용액농도에서 동역학적 흡착실험과 동일한 조건으로 24 h 교반 후 분석하였다.
이에 본 연구에서는 해양환경퇴적물 내 혼합 중금속 제거를 위해 순환골재의 중금속 제거 특성의 기초자료를 알아보고자 건설폐기물 부산물인 순환골재를 이용하여 혼합 중금속 용액에서의 중금속 제거 특성을 살펴보았다. 이를 위하여 평형 및 동적 흡착실험을 수행하였고, pH에 의한 흡착 특성과 순환골재 주입량에 따른 중금속 제거 가능성을 평가하기 위하여 혼합 중금속 제거 실험을 수행하였다.
대상 데이터
순환골재는 경기도 화성 시에 있는 (주)다원환경에서 생산된 순환골재를 사용하였다. 실험에 사용된 순환골재는 실험 전 증류수에3회 세척하여 불순물을 제거하고, 105의 오븐에서 24시간 건조 후, 해양오염퇴적층에 피복소재로 이용 시 인의적인 이벤트(예를 들어, 태풍, 홍수,해일 등)가 발생하더라도 피복소재들이 재 부유되거나 쓸림 현상이 일어나지 않도록 하기 위해서 35번과 10번 체로 체질하여 입경분포가 1.
순환골재는 경기도 화성 시에 있는 (주)다원환경에서 생산된 순환골재를 사용하였다. 실험에 사용된 순환골재는 실험 전 증류수에3회 세척하여 불순물을 제거하고, 105의 오븐에서 24시간 건조 후, 해양오염퇴적층에 피복소재로 이용 시 인의적인 이벤트(예를 들어, 태풍, 홍수,해일 등)가 발생하더라도 피복소재들이 재 부유되거나 쓸림 현상이 일어나지 않도록 하기 위해서 35번과 10번 체로 체질하여 입경분포가 1.0~2.0 mm 크기로 체가름 후 사용하였다. 순환 골재의 물리화학적 특성을 분석하기 위해 X-ray fluorescence spectrometry (XRF, XRF-1700, Shimadzu Co.
이론/모형
KF, n, KL, Qm은 실험 결과에 Freundlich model과 Langmuir model을 적용하여 값을 구하였다.
등온 흡착 실험결과는 Freundlich model과 Langmuir model을 이용하여 분석하였다.
순환골재의 동역학적 흡착실험결과는 유사 1차 모델(Pseudo firstorder model)과 유사 2차 모델(Pseudo second-order model)을 이용하여 분석하였다(Ho[1999a], Ho[1999b]).
혼합 중금속의 평형흡착실험은 Fig. 4 같이 Freundlich 모델과 Langmuir 모델을 적용하였다. Table 3에서와 같이 Freundlich 모델에서 순환골재의 분배계수(K)는 Ni2+ (0.
성능/효과
1. 혼합 중금속(Zn2+, Ni2+, Cd2+, Cu2+, Pb2+)에 대한 평형흡착은 모두 360분 후 도달 하였다. 유사 1, 2차 모델 결과 Cu2+, Pb2+ > Zn2+ > Ni2+, Cd2+순으로 0.
2. 혼합 중금속 용액의 각각 중금속은 순환골재를 이용한 흡착에 있어서 상관계수(R2)가 Freundlich 모델(0.802~0.937)보다 Langmuir 모델(0.871~0.960)이 높게 나타내고 있어 Langmuir 모델에 잘 부합하고 있음을 시사하고 있다.
3. pH변화에 따른 실험결과 Cu2+와 Pb2+에서는 pH 변화에서도 흡착량은 거의 동일한 경향을 나타냈지만, Zn2+, Ni2+, Cd2+의 경우에는 pH 6에서 10으로 변화함에 따라 흡착량은 Zn2+(1.8 mg/g), Ni2+(2.384 mg/g), Cd2+(2.326 mg/g) 흡착량 변화가 각각 뚜렷하게 나타났다.
4. 순환골재는 주입량의 증가에 따른 중금속의 제거율은Zn2+(92.8%), Cd2+(91.9%), Ni2+(91.5%), Cu2+(71.8%), Pb2+(37.6%) 순으로 증가를 나타냈으나 단위질량당 흡착량은 Pb2+(8.450 mg/g), Cu2+(3.329 mg/g), Ni2+(0.383 mg/g), Cd2+(0.322 mg/g), Zn2+(0.176 mg/g) 순으로 각각 감소가 나타났다.
750 mg/g의 흡착량 감소의 경향을 나타내었다. Ni2+, Zn2+, Cu2+, Pb2+, Cd2+ 모두에서 순환골재의 주입량이 증가함에 따라서 제거율은 증가하였지만, 단위 질량당 흡착량은 감소하였다.
유사 1차 모델과 2차 모델을 이용한 분석 파라메타 결과를 Table2에 나타낸 결과를 보면, 유사 1차 모델과 유사 2차 모델의 경우 Cu2+ ≅Pb2+ > Zn2+ > Ni2+ ≅Cd2+, Cu2+ ≅Pb2+ > Zn2+ > Ni2+ ≅Cd2+순으로 각각 평형 흡착량을 나타냈으며, 유사 1, 2차 모델의 반응속도는 Cu2+ ≅ Cd2+ ≅ Pb2+ > Ni2+ > Zn2+, Zn2+ > Ni2+ > Cd2+ ≅ Pb2+ > Cu2+의 순서로 반응속도가 빠르게 나타났다. 순환골재의 유사 1차 모델과 유사 2차 모델의 상관계수(R2)는 Cd2+을 제외한 나머지 중금속에서는 비교적 잘 부합하고 있음을 알 수 있었다(Table 2).
6에 나타냈다. 순환골재의 주입량이 0.1 g에서 2 g으로 증가함에 따라 Ni2+의 총 제거율은 7.5%에서 99%로 증가하였고 단위 질량당 흡착량은 1.133 mg/g에서 0.750 mg/g으로 감소하였다. Zn2+의 경우는 6.
혼합 중금속 용액의 pH 변화에 따른 중금속 흡착특성 실험 결과 Fig. 5에서와 같이 pH 6에서 Cu2+와 Pb2+의 흡착량은 각각 2.997mg/g, 2.978 mg/g으로 흡착량이 높게 나타났다. 한편 pH가 8로 증가함에 따라서, Cu2+와 Pb2+의 흡착량은 2.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해양퇴적물 정화 기술 중 자연정화의 장단점은?
해양퇴적물 정화 기술로는 크게 자연정화(Monitored Natural Recovery), 현장 피복 공법(In-Situ Capping)과 준설(Dredging)이 있다(EPA[2005]). 자연정화는 친환경적인 정화기술이지만, 장기적인 처리 기간과 비교적 낮은 농도의 중금속 오염지역에 적용되는 한계점을 갖고 있으며, 준설은 제거율이 높은 반면에 준설, 수송, 매립을 기반으로 하고 있어 비용이 많이 소요된다. 한편 현장 피복공법은 자연정화방법이나 준설 등에 비해 상대적으로 짧은 기간에 오염된 퇴적물을 해양환경에서 고립시킬 수 있다는 장점이 있다.
현재 우리나라의 해양오염퇴적물의 정화 실정은?
이뿐만 아니라 결국에는 인간에게도 위험을 줄 수 있는 잠재적인 문제이다. 그러나 이런 이유에도 불구하고 해양오염퇴적물 정화 기술은 아직까지도 선진국일부 나라에서 집중적으로 연구되고 있을 뿐, 현재 우리나라에서는 해양오염퇴적물의 정화는 대부분 준설(Dredging)에 의한 외해 투기 및 육상 매립에 의존하고 있는 실정이다. 하지만 런던 의정서에 의해 2012년도부터 외해 투기가 사실상 금지가 되었기 때문에 해양오염퇴적물의 정화를 위한 기술 개발은 매우 중요하게 인식되고 있지만, 해양오염퇴적물에 대한 적절한 관리 및 처리방법은 부족한 실정이다.
해양퇴적물 정화 기술 중 현장 피복 공법의 장점은?
자연정화는 친환경적인 정화기술이지만, 장기적인 처리 기간과 비교적 낮은 농도의 중금속 오염지역에 적용되는 한계점을 갖고 있으며, 준설은 제거율이 높은 반면에 준설, 수송, 매립을 기반으로 하고 있어 비용이 많이 소요된다. 한편 현장 피복공법은 자연정화방법이나 준설 등에 비해 상대적으로 짧은 기간에 오염된 퇴적물을 해양환경에서 고립시킬 수 있다는 장점이 있다. 게다가 이 현장피복 성능을 극대화 시키기 위해서 피복시공기술과 더불어 피복 소재의 중요성이 인식되고 있다.
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