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문제 정의
- 본 연구의 목적은 흡착제로써 납석의 불소 흡착능과 흡착특성을 분석하는데 있다. 이를 위하여 열처리한 납석을 이용하여 동역학적 및 평형 흡착실험을 수행하였고, 불소흡착에 있어서 흡착제 주입량과 용액 pH의 영향 등을 살펴보았다.
제안 방법
- 납석의 광물 형태를 알아보기 위하여 XRD 분석(D8 Advance, Bruker, Germany)을 수행하였는데, 40 kV, 40mA, CuKα radiation (= 1.5406 Å)을 이용하여 분석하였다.
- 0 g의 흡착제를 10 mg/L 불소용액 30 mL에 넣고, 24시간 반응시킨 후 불소농도를 측정하였다. 동역학적 실험은 동일조건에서 1.0 g의 흡착제를 넣고, 1, 2, 3, 6, 9, 12, 24, 36, 48시간마다 불소용액의 농도를 측정한 후, 시간에 따른 불소의 흡착량을 산정하였다. 평형흡착실험도 다양한 불소농도에서 24시간 반응시킨 후 흡착량을 분석하였다.
- 이를 위하여 열처리한 납석을 이용하여 동역학적 및 평형 흡착실험을 수행하였고, 불소흡착에 있어서 흡착제 주입량과 용액 pH의 영향 등을 살펴보았다. 또한, 납석의 특성을 분석하기 위하여, X선 회절(X-ray diffractometer, XRD)분석과 Brunauer-Emmett-Teller (BET) 비표면적 분석을 수행하였다.
- 1 M HNO3를 이용하여 조절한 후(pH 3~11) 흡착량을 비교하였다. 모든 실험은 3반복(triplicate)으로 수행되었다.
- 본 연구에서는 열처리한 납석을 이용하여 불소 흡착실험을 수행하였다. 배치실험을 통해 흡착능을 비교한 결과, P-400의 불소 흡착능이 P-U보다 크게 나타났는데, 이는 열처리에 의한 비표면적 증가 때문으로 나타났다.
- 시료를 채취하기 전에 안정화를 위해서 1시간 정도 정치시킨 후, 현탁액을 0.45 µm 여과지에 여과하였으며, 불소이온전극(9617BNWP, Thermo, USA)을 이용하여 용액의 불소이온농도를 측정하였다.
- 실험결과를 바탕으로, P-400을 이용하여 다음 단계의 흡착실험, 즉, 흡착제의 주입량(dosage)에 따른 실험, 동역학적 실험(kinetic test), 평형 실험(equilibrium test) 그리고 용액 pH 영향 실험을 수행하였다. 흡착제의 주입량에 따른 실험은 0.
- 평형흡착실험도 다양한 불소농도에서 24시간 반응시킨 후 흡착량을 분석하였다. 용액의 pH에 따른 흡착실험의 경우, 용액의 pH를 0.1 M NaOH 또는 0.1 M HNO3를 이용하여 조절한 후(pH 3~11) 흡착량을 비교하였다. 모든 실험은 3반복(triplicate)으로 수행되었다.
- 본 연구의 목적은 흡착제로써 납석의 불소 흡착능과 흡착특성을 분석하는데 있다. 이를 위하여 열처리한 납석을 이용하여 동역학적 및 평형 흡착실험을 수행하였고, 불소흡착에 있어서 흡착제 주입량과 용액 pH의 영향 등을 살펴보았다. 또한, 납석의 특성을 분석하기 위하여, X선 회절(X-ray diffractometer, XRD)분석과 Brunauer-Emmett-Teller (BET) 비표면적 분석을 수행하였다.
- 실험에 사용된 불소용액은 멸균된 증류수에 적당량의 불화나트륨(NaF)을 녹여, 1,000 mg/L 불소 표준액을 제조한 후, 희석하여 사용하였다. 첫 번째로, 흡착제 P-U, P-400 그리고 P-600의 불소 흡착능을 비교하는 실험을 수행하였다. 0.
- 0 g의 흡착제를 넣고, 1, 2, 3, 6, 9, 12, 24, 36, 48시간마다 불소용액의 농도를 측정한 후, 시간에 따른 불소의 흡착량을 산정하였다. 평형흡착실험도 다양한 불소농도에서 24시간 반응시킨 후 흡착량을 분석하였다. 용액의 pH에 따른 흡착실험의 경우, 용액의 pH를 0.
- 이 때, 다른 이온들의 간섭을 피하기 위하여 이온강도조절 완충용액(58 g NaCl, 57 mL CH3COOH, 6M NaOH 용액 150 mL, 1,000 mL 용액)을 불소 시료용액과 1:1로 혼합하여 희석하였다. 흡착된 불소의 양은 질량보존의 법칙에 따라, 주입된 양에서 용액에 잔재하는 불소농도를 감하여 산정하였다.
- 실험결과를 바탕으로, P-400을 이용하여 다음 단계의 흡착실험, 즉, 흡착제의 주입량(dosage)에 따른 실험, 동역학적 실험(kinetic test), 평형 실험(equilibrium test) 그리고 용액 pH 영향 실험을 수행하였다. 흡착제의 주입량에 따른 실험은 0.2~2.0 g의 흡착제를 10 mg/L 불소용액 30 mL에 넣고, 24시간 반응시킨 후 불소농도를 측정하였다. 동역학적 실험은 동일조건에서 1.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 납석은 성산광산(해남)에서 공급된 것으로써, 100번 체(No. 100 mesh, US standard sieve)로 체질하여 입자의 크기가 0.15 mm 이하를 선별하여 실험에 사용하였다. 열처리한 납석은 400℃ (P-400)와 600℃ (P-600)의 전기로에서 3시간 열처리를 통해 얻은 후, 열처리하지 않은 납석(untreated pyrophyllite, P-U)과 함께 실험에 사용하였다.
- 실험에 사용되는 시약들은 Sigma Aldrich에서 구매하였다. 실험에 사용된 불소용액은 멸균된 증류수에 적당량의 불화나트륨(NaF)을 녹여, 1,000 mg/L 불소 표준액을 제조한 후, 희석하여 사용하였다.
- 실험에 사용되는 시약들은 Sigma Aldrich에서 구매하였다. 실험에 사용된 불소용액은 멸균된 증류수에 적당량의 불화나트륨(NaF)을 녹여, 1,000 mg/L 불소 표준액을 제조한 후, 희석하여 사용하였다. 첫 번째로, 흡착제 P-U, P-400 그리고 P-600의 불소 흡착능을 비교하는 실험을 수행하였다.
- 15 mm 이하를 선별하여 실험에 사용하였다. 열처리한 납석은 400℃ (P-400)와 600℃ (P-600)의 전기로에서 3시간 열처리를 통해 얻은 후, 열처리하지 않은 납석(untreated pyrophyllite, P-U)과 함께 실험에 사용하였다. 납석의 광물 형태를 알아보기 위하여 XRD 분석(D8 Advance, Bruker, Germany)을 수행하였는데, 40 kV, 40mA, CuKα radiation (= 1.
이론/모형
- 5406 Å)을 이용하여 분석하였다. 그리고, BET 비표면적은 N2가스 흡착-탈착 기법(ASAP 2010, Micromeritics, USA)을 이용하여 측정하였다.
- 동역학적 흡착실험결과는 다음 유사 1차 모델(pseudo firstorder model)과 유사 2차 모델(pseudo second-order model)을 이용하여 분석하였다:
- 여기에서 S는 단위 질량의 흡착제 당 흡착된 불소의 양 (mg/g), C는 평형상태에서 액상의 불소의 농도(mg/L), KL은 결합 에너지와 관계된 Langmuir 흡착상수(L/mg), Qm은 단위 질량의 흡착제 당 불소의 최대 흡착량(흡착 용량) (mg/g), KF는 분배계수(L/g), 그리고 n는 Freundlich 상수이며, KL, Qm, KF, 그리고 n은 실험 결과에 Langmuir 모델과 Freundlich 모델을 적용하여 값을 구하였다.
- 평형 흡착실험결과는 Langmuir와 Freundlich 모델을 이용하여 분석하였다:
성능/효과
- 특히, 불소 이용은 치아우식증(dental caries) 예방법 가운데 가장 필수적이고 효과적인 방법으로 인정을 받고 있다.1) 이에 따라, 세계 각국의 보건당국은 수돗물이나 소금 등 다양한 방법으로 불소 이용을 확대하고 있다. 일반적으로, 불소는 음용수 속에 소량 존재할 경우 치아우식증을 예방하는 긍정적인 효과를 나타낸다.
- P-U, P-400 그리고 P-600의 불소 흡착능 차이는 열처리에 의한 흡착제의 특성변화 때문이다. BET분석 결과를 보면, P-400의 단위질량당 비표면적은 1.673 m2/g으로써, P-U의 비표면적(1.342 m2/g)보다 약 25% 큰 것으로 나타났다(Table 1). P-U, P-400 그리고 P-600의 XRD 결과를 Fig.
- 본 연구에서는 열처리한 납석을 이용하여 불소 흡착실험을 수행하였다. 배치실험을 통해 흡착능을 비교한 결과, P-400의 불소 흡착능이 P-U보다 크게 나타났는데, 이는 열처리에 의한 비표면적 증가 때문으로 나타났다. P-600은 비표면적의 증가에도 불구하고 P-U나 P-400에 비하여 흡착능이 크게 감소하였는데, 이는 열처리과정에서 불소 흡착에서 주된 역할을 하는 엽납석 성분이 사라졌기 때문이었다.
- 2 mg/g)에 비하여 작게 나타났는데, 이는 실험에 사용된 흡착제 입자의 크기나 용액조건의 차이 때문으로 보인다. 본 실험에서 얻어진 불소 흡착능은 기존 문헌에서 제시한 점토/기능성 점토(카올리나이트, 몬몰리로나이트, 벤토나이트 등)의 불소 흡착능(0.045~4.24 mg/g)과 비교할 때, 중간 정도인 것으로 나타났다.14)
- 0 g). 실험결과에 의하면, pH 4~10 범위에서 납석의 불소 흡착능은 0.273~0.287 mg/g으로, 불소의 흡착은 용액의 pH 변화에 민감하지 않았다. 하지만, pH 3에서의 불소 흡착능은 0.
- P-400의 동역학적 실험결과, 불소의 흡착은 24시간 경과 후에 평형에 도달하였다. 평형 실험결과, P-400의 불소의 최대 흡착능은 0.957 mg/g으로 나타났다. 용액 pH의 영향을 분석한 결과, pH 4-10 범위에서 불소의 흡착은 pH 변화에 민감하지 않았다.
후속연구
- 용액 pH의 영향을 분석한 결과, pH 4-10 범위에서 불소의 흡착은 pH 변화에 민감하지 않았다. 본 연구에 의하면, 납석은 저가흡착제로써 용액상의 불소를 제거하는데 이용될 수 있을 것으로 판단된다.
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