분말활성탄에 의한 페놀흡착의 속도론, 등온흡착, 열역학적 특성을 규명하기 위해 회분식 실험을 수행하였다. 흡착실험에서 얻어진 데이터에 2차 반응속도 모델을 적용한 결과, 상관계수($R^2$)의 값이 0.999 이상으로 실험값과 이론적 예측값이 잘 일치하였다. 흡착반응의 속도상수($k_2$)는 흡착제 투입량에 따라 0.55~19.81 mg $mg^{-1}min^{-1}$의 범위를 가지는 것으로 나타났다. 페놀의 등온흡착 특성은 Langmuir 등온 흡착 모델을 따르는 것으로 나타나 페놀이 활성탄 표면에 단층으로 균일하게 흡착되는 것을 알 수 있었다. 283.15~323.15 K의 온도범위에서 열역학적 특성을 평가한 결과, 흡착반응의 활성화에너지는 17.44 kJ $mol^{-1}$, 표준자유에너지변화는 -2.89~-2.14 kJ $mol^{-1}$, 엔탈피 변화는 -8.26 kJ $mol^{-1}$, 엔트로피 변화는 -18.94 J $mol^{-1}K^{-1}$인 것으로 나타났다. 본 연구의 결과는 활성탄에 의한 페놀흡착은 Langmuir 방식의 물리적 흡착이고 자발적이며 발열반응임을 보여준다.
분말활성탄에 의한 페놀흡착의 속도론, 등온흡착, 열역학적 특성을 규명하기 위해 회분식 실험을 수행하였다. 흡착실험에서 얻어진 데이터에 2차 반응속도 모델을 적용한 결과, 상관계수($R^2$)의 값이 0.999 이상으로 실험값과 이론적 예측값이 잘 일치하였다. 흡착반응의 속도상수($k_2$)는 흡착제 투입량에 따라 0.55~19.81 mg $mg^{-1}min^{-1}$의 범위를 가지는 것으로 나타났다. 페놀의 등온흡착 특성은 Langmuir 등온 흡착 모델을 따르는 것으로 나타나 페놀이 활성탄 표면에 단층으로 균일하게 흡착되는 것을 알 수 있었다. 283.15~323.15 K의 온도범위에서 열역학적 특성을 평가한 결과, 흡착반응의 활성화에너지는 17.44 kJ $mol^{-1}$, 표준자유에너지변화는 -2.89~-2.14 kJ $mol^{-1}$, 엔탈피 변화는 -8.26 kJ $mol^{-1}$, 엔트로피 변화는 -18.94 J $mol^{-1}K^{-1}$인 것으로 나타났다. 본 연구의 결과는 활성탄에 의한 페놀흡착은 Langmuir 방식의 물리적 흡착이고 자발적이며 발열반응임을 보여준다.
The adsorption characteristics of phenol by the powdered activated carbon (PAC) were investigated by series of batch experiments. The pseudo-second-order model described the adsorption kinetics adequately with correlation coefficients over 0.999, indicating chemical adsorption as the rate-limiting s...
The adsorption characteristics of phenol by the powdered activated carbon (PAC) were investigated by series of batch experiments. The pseudo-second-order model described the adsorption kinetics adequately with correlation coefficients over 0.999, indicating chemical adsorption as the rate-limiting step. The kinetic rate constants were from 0.55 to 19.81 mg $mg^{-1}min^{-1}$. The adsorption isotherm followed the Langmuir isotherm, indicating the homogeneous mono-layer adsorption onto the surface of the adsorbent. The values of activation energy, enthalpy and entropy were 17.44 kJ $mol^{-1}$, -8.26 kJ $mol^{-1}$ and -18.94 J $mol^{-1}K^{-1}$, respectively. The Gibbs free energy was in the range of -2.89~-2.14 kJ $mol^{-1}$. The results show that the phenol adsorption is physical, spontaneous and exothermic reaction.
The adsorption characteristics of phenol by the powdered activated carbon (PAC) were investigated by series of batch experiments. The pseudo-second-order model described the adsorption kinetics adequately with correlation coefficients over 0.999, indicating chemical adsorption as the rate-limiting step. The kinetic rate constants were from 0.55 to 19.81 mg $mg^{-1}min^{-1}$. The adsorption isotherm followed the Langmuir isotherm, indicating the homogeneous mono-layer adsorption onto the surface of the adsorbent. The values of activation energy, enthalpy and entropy were 17.44 kJ $mol^{-1}$, -8.26 kJ $mol^{-1}$ and -18.94 J $mol^{-1}K^{-1}$, respectively. The Gibbs free energy was in the range of -2.89~-2.14 kJ $mol^{-1}$. The results show that the phenol adsorption is physical, spontaneous and exothermic reaction.
페놀흡착의 등온흡착 특성을 관찰하기 위해 초기 페놀농도 10~500 mg/L의 범위에서 흡착실험을 수행하였으며 얻어진 데이터를 Langmuir(식 (3)) 및 Freundlich(식 (4)) 등온 흡착 모델에 적용하였다.11)
활성화에너지(Ea), 표준자유에너지 변화(ΔG0), 엔탈피 변화 (ΔH0), 엔트로피 변화(ΔS0)와 같은 페놀 흡착의 열역학적 특성을 규명하기 위해서 283.15~323.15 K의 온도조건에서 실험하였으며 얻어진 데이터는 식 (5)~(7)의 열역학적 관계들을 이용하여 분석하였다.
흡착실험은 회분식으로 진행하였으며 200 mL 삼각플라스크에 일정한 농도의 페놀수용액을 100 mL 넣고 분말활성탄을 투입한 후에 회전식 항온진탕기에 넣어 200 rpm으로 교반시켰다. 흡착실험의 분말활성탄 투입량은 초기 페놀농도 100 mg/L에서 0.2~2 g/L의 활성탄을 투입한 조건에서 시간에 따른 페놀제거 특성을 관찰한 후에 0.5 g/L로 결정하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 활성탄은 상용 입상활성탄(Norit GAC 1240, Netherland)을 pH변화가 없을때까지 약 3일간 세척하여 105℃에서 24시간 건조한 후에 분쇄한 분말활성탄이다. Table 1은 사용된 흡착제의 물리·화학적 특성을 나타내고 있다.
20 µm Syringe Filter (ADVANTEC, Japan)를 이용하여 여과한 후에 고성능액체크로마토그래피(High Performance Liquid Chromatography, Agilent Technologies 1200 Series)로 분석하였다. 이동상 용매로 물과 메탄올을 60 : 40 비율로 혼합하여 사용하였으며 264 nm의 파장에서 분석하였다.
흡착실험을 위해 순도 99%의 시약용 페놀(Samchun Chemical, Korea)을 이용하여 1,000 mg/L의 수용액을 제조한 후에 실험에 필요한 농도로 희석하여 사용하였다. 페놀수용액의 pH는 5.
이론/모형
페놀흡착의 속도론을 규명하기 위해 25℃ 조건에서 일정한 시간간격으로 시료를 채취한 후에 페놀농도를 분석하였으며 얻어진 데이터를 식 (1)과 (2)에 의해 주어지는 pseudo-firstorder 및 pseudo-second-order 속도 모델들에 적용하였다.9,10)
성능/효과
1) 활성탄으로의 페놀흡착은 2차 반응속도 모델을 적용할때, 상관계수(R2)가 0.999 이상으로 나타나 실험에서 얻어진 흡착속도를 잘 설명할 수 있었다. 흡착반응의 2차 반응 속도 상수(k2)는 흡착제 투입량에 따라 0.
1,2) 국내 산업폐수 중 페놀과 같은 유해유기물 등을 함유하고 있는 특정폐수는 하루에 약 200만톤 이상 배출되고 있다.3) 페놀은 벤젠고리를 가진 난분해성 성질을 지닌 물질로서 고농도로 존재할 경우, 기존의 생물학적 처리로는 제거가 어렵다.
2) 페놀의 등온흡착 특성은 Langmuir 모델을 따르는 것으로 나타나 활성탄 표면으로 단층의 균일한 페놀 흡착이 이루어지는 것을 예측할 수 있었다. 실험된 조건에서 Langmuir 등온흡착 특성을 나타내는 상수(RL)의 값은 0.
999 이상이며 실험에서 얻어진 흡착용량과 모델로부터 계산된 흡착용량이 비슷하게 얻어지는 것으로 나타났다. 2차 반응속도 모델을 적용하여 얻어진 흡착용량과 실험에서 얻어진 흡착용량의 차이를 나타내는 오차율은 흡착제 투입량에 따라 0.12~1.13%로 낮게 나타나 2차 반응속도 모델이 활성탄에 의한 페놀흡착을 매우 적절하게 설명할 수 있는 것으로 나타났다.
1,2) 국내 산업폐수 중 페놀과 같은 유해유기물 등을 함유하고 있는 특정폐수는 하루에 약 200만톤 이상 배출되고 있다.3) 페놀은 벤젠고리를 가진 난분해성 성질을 지닌 물질로서 고농도로 존재할 경우, 기존의 생물학적 처리로는 제거가 어렵다. 페놀은 0.
3) 흡착반응의 활성화에너지(Ea) 값은 17.44 kJ mol-1로 나타나 페놀 흡착의 주된 반응은 물리적 흡착임을 알 수 있었으며, 표준자유에너지변화(ΔG)가 음의 값을 가지므로 자발적인 반응임을 알 수 있었다. 흡착반응의 엔탈피변화(ΔH)가 음의 값(-8.
이러한 페놀류는 생태계에서 생물학적으로 축척되고 지속되는 경향이 있으므로 효율적인 관리가 필요하다.5) 현재 우리나라의 페놀 기준은 먹는 물, 농업용수, 생활용수는 0.005 mg/L, 공업용수는 0.01 mg/L 로 지정되어 있다. 미국 EPA (Environmental Protection Agency)는 폐수의 페놀 농도를 1 mg/L 이하로 방류 할 것을 권고하고 있다.
Table 1은 사용된 흡착제의 물리·화학적 특성을 나타내고 있다. SEM-EDS (Scanning Electron Microscopy-Energy Dispersive X-ray Spectrometer, Jeol, Japan)를 사용하여 원소조성을 분석한 결과, 분말활성탄은 탄소(94.21%)와 산소(5.79%)로 구성되어 있는 것으로 나타났다. 입자-공극 분석시스템(ASAP2010, Micromeritics, USA)을 사용하여 77 K 질소상태에서 분석한 분말활성탄의 Brunauer-Emmett-Teller (BET) 비표면적은 1069.
또한 ΔG의 값은 온도가 감소할수록 더 큰 음의 값을 가지는 것으로 나타나 흡착반응의 자발성이 온도증가에 따라 감소하는 것으로 나타났다.
Table 2는 흡착제의 투입량에 따라 1차 반응속도 및 2차 반응속도 모델을 적용할 때 얻어진 속도상수, 흡착용량, 상관계수를 나타내고 있다. 모든 조건에서 2차 반응속도 모델을 적용할 때 상관계수(R2)의 값이 0.999 이상이며 실험에서 얻어진 흡착용량과 모델로부터 계산된 흡착용량이 비슷하게 얻어지는 것으로 나타났다. 2차 반응속도 모델을 적용하여 얻어진 흡착용량과 실험에서 얻어진 흡착용량의 차이를 나타내는 오차율은 흡착제 투입량에 따라 0.
2) 페놀의 등온흡착 특성은 Langmuir 모델을 따르는 것으로 나타나 활성탄 표면으로 단층의 균일한 페놀 흡착이 이루어지는 것을 예측할 수 있었다. 실험된 조건에서 Langmuir 등온흡착 특성을 나타내는 상수(RL)의 값은 0.022로 나타나 페놀흡착이 수월함을 알 수 있었으나, 평형상수인 b의 값이 0.089로 페놀농도가 낮게 존재하는 경우 흡착에 의한 제거가 저조할 것으로 나타났다.
58 cm3/g이었다. 입상활성탄과 분말활성탄의 화학적 조성과 물리적인 특성이 다소 차이가 있는 것으로 나타났으나 무시할만한 것으로 나타났다.
9%의 페놀이 흡착되는 것으로 나타났다. 활성탄으로의 페놀흡착은 초기에는 빠르게 진행되지만 시간이 경과하면 흡착지점이 포화됨에 따라 느리게 진행되어 대략 24시간이 경과하면 평형조건에 도달하는 것으로 나타났다.
44 kJ mol-1로 나타나 페놀 흡착의 주된 반응은 물리적 흡착임을 알 수 있었으며, 표준자유에너지변화(ΔG)가 음의 값을 가지므로 자발적인 반응임을 알 수 있었다. 흡착반응의 엔탈피변화(ΔH)가 음의 값(-8.26 kJ mol-1)이며 온도가 감소할수록 ΔG의 값이 더 큰 음의 값을 가지는 것으로 나타나 활성탄으로의 페놀 흡착반응이 발열반응인 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
페놀은 어디에 포함되어있는가?
페놀은 의학, 석유화학, 제지, 목재가공 등 다양한 산업분야에서 배출되는 폐수에 포함되어 있다.1,2) 국내 산업폐수 중 페놀과 같은 유해유기물 등을 함유하고 있는 특정폐수는 하루에 약 200만톤 이상 배출되고 있다.
우리나라 유해유기물 중 페놀의 기준은?
이러한 페놀류는 생태계에서 생물학적으로 축척되고 지속되는 경향이 있으므로 효율적인 관리가 필요하다.5) 현재 우리나라의 페놀 기준은 먹는 물, 농업용수, 생활용수는 0.005 mg/L, 공업용수는 0.01 mg/L 로 지정되어 있다. 미국 EPA (Environmental Protection Agency)는 폐수의 페놀 농도를 1 mg/L 이하로 방류 할 것을 권고하고 있다.
유해유기물 배출량은 하루에 얼마나 되는가?
페놀은 의학, 석유화학, 제지, 목재가공 등 다양한 산업분야에서 배출되는 폐수에 포함되어 있다.1,2) 국내 산업폐수 중 페놀과 같은 유해유기물 등을 함유하고 있는 특정폐수는 하루에 약 200만톤 이상 배출되고 있다.3) 페놀은 벤젠고리를 가진 난분해성 성질을 지닌 물질로서 고농도로 존재할 경우, 기존의 생물학적 처리로는 제거가 어렵다.
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