선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 이 후 생산한 가시박 바이오차에 대한 물리 · 화학적 특성을 평가하였으며 대표적 항생물질인 tetracycline과 sulfamethazine에 대한 흡착 효율을 평가함으로써 유해식물의 자원화 가능성을 제시하고자 하였다.
제안 방법
- BM, BC300, BC700에 대한 표면 특성 관찰은 주사전자현미경 (SEM, scanning electron microscope) (S-4300, Hitachi, Japan)을 이용하여 실시하였으며, 입자크기 및 분포는 입도 분석기 (PSA, particle size analyzer) (Matersizer2000, UK)를 이용하여 측정하였다.
- BM, BC300, BC700에 대해 원소 분석기(Flash EA 1112, Thermo, USA)를 이용하여 탄소(C), 수소(H), 산소(O), 질소(N), 황(S)의 함량을 측정하였으며, 각 원소 함량에 기초하여 방향성(aromaticity) 및 극성(polarity)의 정도를 유추할 수 있는 H/C 및 O/C atomic ratio를 산출하였다 (Uchimiya 등, 2010b).
- BM, BC300, BC700의 pH는 시료와 증류수를 1:10 비율로 혼합하여 30분간 교반한 후 pH meter (Inolab pH 7110 BNC, WTW, Germany)로 측정하였다. Electrical conductivity (EC)는 pH 측정 후 혼탁액을 Whatman No.
- 교반 후 용액은 0.45 µm syringe filter로 여과하고 이 후 항생물질 분석을 위해 pore size가 2.7 µm, 내경이 3.0 mm, 길이가 150 mm인 컬럼(Poroshell 120 SB-C18, Agilent, USA)과 diode array detector (DAD)가 장착된 고성능액체크로마토그래프(HPLC, high performance liquid chromatograph) (1260 series, Agilent, USA)로 TC 및 SMZ를 분석하여 BM, BC300및 BC700의 항생물질 흡착 제거효율을 평가하였다.
- 그러므로 본 연구에서는 이에 대한 활용 방안 모색을 위해 하천변에서 수거된 가시박 바이오매스를 열분해하여 바이오차를 생산하였다. 이 후 생산한 가시박 바이오차에 대한 물리 · 화학적 특성을 평가하였으며 대표적 항생물질인 tetracycline과 sulfamethazine에 대한 흡착 효율을 평가함으로써 유해식물의 자원화 가능성을 제시하고자 하였다.
- 건조한 가시박은1 mm 이하로 분쇄한 후 제한적 산소 조건에서 열분해를 실시 하였다. 열분해 최고온도(HTT, highest treatment temperature)는 각각 300℃와 700℃로 설정하였고 분당 7℃의 승온속도로 최고온도에 도달하게 한 후 3시간을 유지하였다. 이 후 내부에서 12시간 방냉한 후 생산된 바이오차를 수집하였다.
- 이 후 반응용기에 TC 및 SMZ 표준용액 50 mL를 가한 후 BM, BC300 및 BC700을 0.1g씩 투입하고 25°C, 55 rpm으로 24시간 동안 교반하였다.
대상 데이터
- BM, BC300, BC700에 의한 수용액 중 항생물질 흡착 실험은 다음과 같이 수행되었다. TC와 SMZ 분말시약(Fluka Analytical Ltd., Switzerland)을 methanol에 녹여 TC와 SMZ의 표준용액(10 mg/L)을 제조하였다. 이 후 반응용기에 TC 및 SMZ 표준용액 50 mL를 가한 후 BM, BC300 및 BC700을 0.
- 가시박은 2012년 8월 서울시 영등포구 안양천 일대에서 채취하였고 실험실로 운반 후 지상부에 대해 60℃에서 48시간 동안 건조하였다. 건조한 가시박은1 mm 이하로 분쇄한 후 제한적 산소 조건에서 열분해를 실시 하였다.
- 이 후 내부에서 12시간 방냉한 후 생산된 바이오차를 수집하였다. 본 연구에 사용된 가시박 바이오매스 및 바이오차는 각각 BM (바이오매스), BC300 (300℃에서 생산된 바이오차), BC700 (700℃에서 생산된 바이오차)으로 명명하였다.
- 흡착실험의 대상 항생물질로는 국내 사용량이 높은 것으로 알려진 tetracycline계열과 sulfonamide 계열의 항생물질 중 tetracycline (TC)과 sulfamethazine (SMZ) 을 각각 선정하였으며 2종 항생물질의 화학적 특성은 Table 1과 같다(Tolls, 2001; KFDA, 2005; KEI, 2006; Seo 등, 2007).
이론/모형
- BM, BC300, BC700의 작용기 분석은 푸리에 변환 적외선 분광기(FT-IR, fourier transform infrared spectrometer) (FT-3000 MX, BIO-RAD, USA)를 이용하여 파장영역 4−4000 cm−1에 대해 resolution 4 cm−1, scan number 32로 측정하여 얻어진 스펙트럼을 Coates (2000) 의 방법에 준하여 해석하였다.
성능/효과
- BM, BC300 및 BC700의 pH는 각각 7.79, 10.54, 12.56이었으며, EC는 각각 5.82, 12.38, 33.83 dS/ m로 나타나 생산 온도가 상승할수록 바이오차의 pH와 EC가 증가하는 것으로 나타났다(Table 3). 이와 같은 결과는 바이오차 생산 시 열분해를 통해 가시박 바이오매스가 함유한 유기물질로부터 알칼리성 염(salt)이 분리되면서 바이오차 자체가 알칼리화된 것으로 판단된다(Shinogi와 Kanri, 2003; Ahmad 등, 2012a).
- 5와 같다. BM, BC300 및 BC700의 적용은 수용액 내 TC와 SMZ 항생물질을 효과적으로 감소시키는 것으로 나타났다. BM, BC300 및 BC700의 초기농도 대비 TC 제거효율은 각각 38, 95, 99%였으며, SMZ에 대한 제거효율은 각각 6, 7, 35%로 나타났다.
- BM, BC300 및 BC700의 적용은 수용액 내 TC와 SMZ 항생물질을 효과적으로 감소시키는 것으로 나타났다. BM, BC300 및 BC700의 초기농도 대비 TC 제거효율은 각각 38, 95, 99%였으며, SMZ에 대한 제거효율은 각각 6, 7, 35%로 나타났다. 가시박은 바이오매스에서 바이오차로의 변환을 통해 TC와 SMZ에 대한 흡착제거 효율이 증가되는 것으로 나타났으며, 생산 시 열분해 온도가 높은 BC700에서 가장 높은 제거효율을 보였다.
- C 함량은 BM 46.87%, BC300 68.37%, BC700 78.07%였으며 생산 온도가 상승함에 따라 증가하는 것으로 나타났다(Table 3). 바이오차 생산 시 탄화(carbonization) 의 정도는 생산 온도가 상승할수록 증가하는 것으로 알려져 있으며 본 결과도 이와 동일한 경향을 나타내었다(Novak 등, 2009; Ahmad 등, 2012a).
- FT-IR을 통한 작용기 분석결과 열분해 온도가 증가함에 따라 스펙트럼 상에서 작용기 특성 peak들이 완만해지는 것을 관찰할 수 있었다(Fig. 2). 이는 열분해에 의한 작용기들의 감소에 의한 것으로 판단된다.
- Fig. 4는 BM, BC300 및 BC700의 입자크기의 분포를 나타낸 것으로서 입자크기 79 µm 이하의 분포는 BM, BC300 및 BC700이 각각 8.34, 10.38, 10.42%로, 550 µm 이하의 분포는 각각 61.72, 77.45, 68.06%로써 대체적으로 바이오매스에서 바이오차로 변환됨에 따라 미세 입자의 비율이 증가하는 것으로 나타났다.
- BM, BC300 및 BC700의 초기농도 대비 TC 제거효율은 각각 38, 95, 99%였으며, SMZ에 대한 제거효율은 각각 6, 7, 35%로 나타났다. 가시박은 바이오매스에서 바이오차로의 변환을 통해 TC와 SMZ에 대한 흡착제거 효율이 증가되는 것으로 나타났으며, 생산 시 열분해 온도가 높은 BC700에서 가장 높은 제거효율을 보였다. 항생물질 별로는 TC에 대한 흡착제거효율이 SMZ보다 높은 것으로 나타났다.
- 한편, BM, BC300 및 BC700의 스펙트럼 상에서 1650 cm−1 부근의 amine NH peak, 1390 cm−1 부근의 -COOH peak, 1242 cm−1와 871 cm−1 부근의 aromatic CH peak 및 1057 cm−1 부근의 ester기(C-O-C) peak가 존재하였다. 대부분의 스펙트럼 내 -OH, CH 등의 작용기 특성 peak들은 열분해 온도가 증가함에 따라 점차 감소되어 BC700에서는 매우 완만한 스펙트럼이 나타났다. 이는 원소 분석결과에서 열분해 온도가 증가할수록 감소되는 H, O, N 및 H/C, O/C atomic ratio의 감소경향과 일치하며 이를 통해 바이오차의 방향성 구조의 형성이 증진되고, 극성작용기는 감소한 것으로 판단된다(Table 3)(Ahmad 등, 2012a).
- 수득률은 BC300 50.07%, BC700 29.66%로 나타나 생산 온도가 상승함에 따라 감소하는 경향을 보였다 (Table 3). 이와 유사하게 Novak 등(2009)은 계분을 포함한 4종의 바이오매스로부터 생산한 바이오차의 특성을 분석한 결과 상대적으로 낮은 열분해 온도조건에서 생산한 바이오차가 수득률이 높으며, 이는 원료에 함유된 지방족 화합물의 열분해에 의한 축합반응과 함께 CH4, H2, CO의 손실이 저온에서 상대적으로 낮음에 기인하는 것으로 보고하였다.
- 이 같은 선행연구들을 고려할 때 본 연구결과에서 생산된 바이오차와 항생물질 구조에 함유된 방향성이 TC와 SMZ간 흡착제거에 영향을 주었을 것으로 판단된다. 특히, TC와 SMZ는 분자 내에 각각 4개 및 2개의 방향성 구조를 포함하고 있어 4개의 방향성 구조로 이루어진 TC가 SMZ에 비해 바이오차와의 흡착반응이 더 우수하여 TC에 대한 제거효율이 매우 높게 나타난 것으로 사료된다. 이와 함께 열분해 온도상승에 따른 항생물질 흡착제거효율 증대의 경우, 고온에서 생산 시 바이오차 내 방향성 구조의 비율이 증가되는 것에 기인한 결과로 판단된다.
- 회분 함량은 BM 16.82%, BC300 31.24%, BC700 54.29%로 생산 온도가 상승함에 따라 증가하였다. Shinogi와 Kanri (2003)는 하수슬러지 등 4종의 바이오매스를 원료로하여 바이오 차를 생산하였으며, 800°C까지는 열분해 온도의 증가에 따라 회분 함량이 증가함을 보고하였다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.