입상활성탄에 의한 합성폐수의 용존유기물질의 새로운 흡착등온 모델 및 운동학적 흡착 연구 Study of new adsorption isotherm model and kinetics of dissolved organic carbon in synthetic wastewater by granular activated carbon원문보기
본 논문은 입상활성탄에 의해서 합성폐수에서의 용존유기탄소의 흡착평형과 회분식 실험을 통해 흡착성질을 파악하고자 하였다. 흡착평형의 새로운 모델식을 제안하였고 이 식을 바탕으로 회분식 실험데이터를 모사하였다. 합성폐수의 유기성분은 Beef extract, Peptone, Humic acid, Tannic acid, Sodium lignin sulfonate, Sodium lauryle sulfate, Arabic gum powder, Arabic acid (polysaccharide), $(NH_4)_2SO_4$, $K_2HPO_4$, $NH_4HCO_3$, $MgSO_4{\cdot}7H_2O$ 등으로 구성되었다. 농도가 낮은 영역 (0~2.5 mg/L)에서는 선형적인 흡착평형을 보여주었고, 농도가 높은 영역 (2.5~6mgl/L)에서는 우호적인 흡착평형을 보여주었다. 사용되어진 생물학적 처리방법에서 나오는 유출수의 합성폐수는 알려진 양으로 준비되어졌다. 흡착평형 모델링은 Freundlich, Langmuir, Sips 및 하이브리드 식을 이용하여 모사하였다. 특히, 선형과 Sips를 이용한 하이브리드 흡착평형식은 낮은 농도와 높은 농도 역에서 매우 좋은 흡착평형식이었다. 용수 및 폐수처리에 활성탄 흡착에 있어서, 선형식과 Sips식을 합친 새로운 하이브리드 식은 새로운 흡착평형식이 될 수 있었다. 하이브리드 흡착평형식 (선형+Sips)을 이용하여 LDFA 운동학적식을 통하여 다양한 흡착제 양에 따른 회분식 반응조에서의 실험데이터를 잘 모사할 수 있었다.
본 논문은 입상활성탄에 의해서 합성폐수에서의 용존유기탄소의 흡착평형과 회분식 실험을 통해 흡착성질을 파악하고자 하였다. 흡착평형의 새로운 모델식을 제안하였고 이 식을 바탕으로 회분식 실험데이터를 모사하였다. 합성폐수의 유기성분은 Beef extract, Peptone, Humic acid, Tannic acid, Sodium lignin sulfonate, Sodium lauryle sulfate, Arabic gum powder, Arabic acid (polysaccharide), $(NH_4)_2SO_4$, $K_2HPO_4$, $NH_4HCO_3$, $MgSO_4{\cdot}7H_2O$ 등으로 구성되었다. 농도가 낮은 영역 (0~2.5 mg/L)에서는 선형적인 흡착평형을 보여주었고, 농도가 높은 영역 (2.5~6mgl/L)에서는 우호적인 흡착평형을 보여주었다. 사용되어진 생물학적 처리방법에서 나오는 유출수의 합성폐수는 알려진 양으로 준비되어졌다. 흡착평형 모델링은 Freundlich, Langmuir, Sips 및 하이브리드 식을 이용하여 모사하였다. 특히, 선형과 Sips를 이용한 하이브리드 흡착평형식은 낮은 농도와 높은 농도 역에서 매우 좋은 흡착평형식이었다. 용수 및 폐수처리에 활성탄 흡착에 있어서, 선형식과 Sips식을 합친 새로운 하이브리드 식은 새로운 흡착평형식이 될 수 있었다. 하이브리드 흡착평형식 (선형+Sips)을 이용하여 LDFA 운동학적식을 통하여 다양한 흡착제 양에 따른 회분식 반응조에서의 실험데이터를 잘 모사할 수 있었다.
In this study, we conducted the adsorption equilibrium and batch experiments of dissolved organic carbon (DOC) in the wastewater by granular activated carbon (GAC). The components of organic compound were Beef extract (1.8 mg/L), Peptone (2.7 mg/L), Humic acid (4.2 mg/L), Tannic acid (4.2 mg/L), Sod...
In this study, we conducted the adsorption equilibrium and batch experiments of dissolved organic carbon (DOC) in the wastewater by granular activated carbon (GAC). The components of organic compound were Beef extract (1.8 mg/L), Peptone (2.7 mg/L), Humic acid (4.2 mg/L), Tannic acid (4.2 mg/L), Sodium lignin sulfonate (2.4 mg/L), Sodium lauryle sulfate (0.94 mg/L), Arabic gum powder (4.7 mg/L), Arabic acid (polysaccharide) (5.0 mg/L), $(NH_4)_2SO_4$ (7.1 mg/L), $K_2HPO_4$ (7.0 mg/L), $NH_4HCO_3$ (19.8 mg/L), $MgSO_4{\cdot}7H_2O$ (0.71 mg/L), The adsorption characteristics of DOC in synthetic wastewater was described using the mathematical model through a series of isotherm and batch experiments. It showed that there was linear adsorption region in the low DOC concentration (0~2.5 mg/L) and favorable adsorption region in high concentration (2.5~6 mg/L). The synthetic wastewater used was prepared using known quantities of organic and/or inorganic compounds. Adsorption modelling isotherms were predicted by the Freundlich, Langmuir, Sips and hybrid isotherm equations. Especially, hybrid isotherm of Linear and Sips equation was a good adsorption equilibrium in the region of the both the low concentration and high concentration. In applying carbon adsorption for treating water and wastewater, hybrid adsorption equation plus linear equation with Sips equation will be a good new adsorption equilibrium model. Linear driving force approximation (LDFA) kinetic equation with Hybrid (linear+Sips) adsorption isotherm model was successfully applied to predict the adsorption kinetics data in various GAC adsorbent amounts.
In this study, we conducted the adsorption equilibrium and batch experiments of dissolved organic carbon (DOC) in the wastewater by granular activated carbon (GAC). The components of organic compound were Beef extract (1.8 mg/L), Peptone (2.7 mg/L), Humic acid (4.2 mg/L), Tannic acid (4.2 mg/L), Sodium lignin sulfonate (2.4 mg/L), Sodium lauryle sulfate (0.94 mg/L), Arabic gum powder (4.7 mg/L), Arabic acid (polysaccharide) (5.0 mg/L), $(NH_4)_2SO_4$ (7.1 mg/L), $K_2HPO_4$ (7.0 mg/L), $NH_4HCO_3$ (19.8 mg/L), $MgSO_4{\cdot}7H_2O$ (0.71 mg/L), The adsorption characteristics of DOC in synthetic wastewater was described using the mathematical model through a series of isotherm and batch experiments. It showed that there was linear adsorption region in the low DOC concentration (0~2.5 mg/L) and favorable adsorption region in high concentration (2.5~6 mg/L). The synthetic wastewater used was prepared using known quantities of organic and/or inorganic compounds. Adsorption modelling isotherms were predicted by the Freundlich, Langmuir, Sips and hybrid isotherm equations. Especially, hybrid isotherm of Linear and Sips equation was a good adsorption equilibrium in the region of the both the low concentration and high concentration. In applying carbon adsorption for treating water and wastewater, hybrid adsorption equation plus linear equation with Sips equation will be a good new adsorption equilibrium model. Linear driving force approximation (LDFA) kinetic equation with Hybrid (linear+Sips) adsorption isotherm model was successfully applied to predict the adsorption kinetics data in various GAC adsorbent amounts.
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문제 정의
본 연구에서는, 일반적으로 알려진 Langmuir, Freundlich, Sips 등 3종류, 하이브리드 등온식 3종류 linear+Freundlich, linear+Langmuir, linear+Sips 등의 총 6가지 모델을 DOC 흡착평형을 묘사하기 위해서 적용하였다.
이 연구는 입상활성탄에 의한 용존유기탄소의 흡착에 대해서 나타내었다. 이 연구의 목적은 하·폐수 처리에 있어서 용존유기탄소의 흡착을 다루었다.
이 연구의 목적은 하·폐수 처리에 있어서 용존유기탄소의 흡착을 다루었다.
이 모델과 회분식 반응조의 물질수지식을 합하여 운동학적 흡착을 해석할 수 있다. 이것은 수처리의 있어서 DOC의 다성분을 해석하기 위해서는 복잡한 수식보다는 단순한 확산모델을 적용하여 프로그램을 단순화시키고자 하였다. 회분식 전체 물질 수지식은 아래의 수식2와 같이 나타낼 수 있다[7,8].
입상활성탄에서의 DOC 흡착평형과 운동학적 흡착 실험을 연구하였다. 몇 가지의 결론을 아래와 같이 만들 수 있다.
가설 설정
합성폐수속의 DOC와 흡착제간의 물질전달계수는 전체물질전달계수가 실험하는 동안 변하지 않는다는 가정 하에서 구할 수 있다. 수식3와 LDFA모델을 결합한 식을 수식 3에 나타내었다.
제안 방법
흡착평형이 도달한 후에, 각 삼각플라스크로부터 샘플을 채취하였다. 각각의 농도는 위에서 설명한 TOC 분석기를 이용하였다. 각각의 활성탄에 대한 흡착평형량은 아래식 (1) 물질수지식를 이용하여 계산하였다.
모든 샘플들은 DOC의 측정기준을 맞추기 위해서 측정하기 앞서서 0.45 μm CA Syring Filter로 입자가 큰 유기성분을 제거하고 측정하였다.
본 연구에서는, 유기성분과 무기성분이 함께 존재하는 합성폐수를 이용하여 흡착평형과 운동학적 실험을 진행하였다. 이 결과로부터 유기성분과 무기성분으로 이루어진 합성폐수는 선형적인 흡착성질과 우호적인 흡착성질을 동시에 가지고 있다는 것을 조사하였다.
방정식의 불연속화는 흡착 농도에 대한 시간 미분 상미 분 방정식 (ODE)의 집합의 결과로 공간 변수에 대해 이루어졌다. 상미분 방정식의 결과 세트는 서브 루틴 LSODA에 의해 마이크로소프트 포트란 스튜디오4.0를 사용하여 모델링 하였다[9,10].
0 프로그램을 사용하였다. 여기에 프로그램을 작성하여 각각의 알고자 하는 파라미터 값을 찾았다. 파라미터 값들이 많기 때문에 비선형식 방정식의 파라미터를 찾기 위해서 Minpack 패키지를 사용하였다.
이 연구는 합성폐수를 가지고 수행하였다. 합성폐수의 제조에 필요한 성분은 Table 1에 나타내었다.
흡착평형 데이터는 합성폐수의 다양한 활성탄의 양을 첨가하여 평형농도를 구하였다. 삼각플라스크를 이용하여 온도를 고정하기 위해서 인큐베이터를 이용하였다.
대상 데이터
사용되어진 흡착제는 상업적으로 이용되고 있는 F400(미국, Calgon)과 7440-44-0(동양탄소, 한국)을 사용하였다. 이러한 입상활성탄은 수처리에 있어서 유기성분을 흡착하는데 적당한 흡착제로 알려져 있다.
흡착평형 데이터는 합성폐수의 다양한 활성탄의 양을 첨가하여 평형농도를 구하였다. 삼각플라스크를 이용하여 온도를 고정하기 위해서 인큐베이터를 이용하였다. 일정한 온도 25℃ 유지하였으며 5일동안 진행하였다.
용존유기탄소를 분석하기 위한 측정기기는 일본제품으로 자동샘플러가 장착되어진 Shimadzu V-series, TOC-CHP 분석기를 사용하였다. 모든 샘플들은 DOC의 측정기준을 맞추기 위해서 측정하기 앞서서 0.
이론/모형
따라서, 이러한 문제점인 선형적인 흡착성질과 우호적인 흡착성질을 동시에 만족시키기 위해서 해결하기 위해서 우리는 3종류의 하이브리드(linear+Freundlich, linear+Langmuir, linear+Sips)등온식을 적용하였다.
회분식조에서의 운동학적 흡착 물질수지식을 풀기 위하여 직교배열법 (orthogonal collocation)을 사용하였다. 방정식의 불연속화는 흡착 농도에 대한 시간 미분 상미 분 방정식 (ODE)의 집합의 결과로 공간 변수에 대해 이루어졌다. 상미분 방정식의 결과 세트는 서브 루틴 LSODA에 의해 마이크로소프트 포트란 스튜디오4.
운동학적 흡착의 물질전달계수를 구하기 위해서 LDFA (linear driving force approximation) 모델을 적용하였다. 이 모델과 회분식 반응조의 물질수지식을 합하여 운동학적 흡착을 해석할 수 있다.
이 경우에 일반적으로 알려진 흡착등온식은 적용할 수 없었으며 본 연구에는 적용할 수 없었다. 이러한 선형적인 흡착 문제는 적절한 하이브리드 흡착등온식을 적용하여 해석하였다.
여기에 프로그램을 작성하여 각각의 알고자 하는 파라미터 값을 찾았다. 파라미터 값들이 많기 때문에 비선형식 방정식의 파라미터를 찾기 위해서 Minpack 패키지를 사용하였다. Minpack 패키지는 비선형 방정식을 풀기위한 포트란 서브프로그램이며 찾아야 하는 값들을 최적화시켜주는 프로그램이다.
이 모델은 흡착등온식으로 부터, 즉 이 연구에서는 하이브리드3, 흡착속도계수를 구할 수 있다. 회분식조에서의 운동학적 흡착 물질수지식을 풀기 위하여 직교배열법 (orthogonal collocation)을 사용하였다. 방정식의 불연속화는 흡착 농도에 대한 시간 미분 상미 분 방정식 (ODE)의 집합의 결과로 공간 변수에 대해 이루어졌다.
성능/효과
2와 Table 5에 나타내었다. 3가지의 하이브리드 흡착등온식중에서 선형식과 Sips식이 결합되어진 하이브리드 흡착등온식 3이 매우 만족할 만한 결과를 얻었다. 이 의미는 하·폐수 처리에 있어서 이러한 S자 형태의 흡착평형을 해석하기 위해서는 이식을 적용할 수 있다는 것을 의미하고 운동학적 실험결과를 예측할 수 있다는 것을 의미한다.
일정한 온도 25℃ 유지하였으며 5일동안 진행하였다. 용존유기탄소가 충분하게 활성탄에 흡착될 수 있도록, 즉 평형에 도달하기 위해서 충분한시간을 주어 평형에 도달하게 하였다. 흡착평형이 도달한 후에, 각 삼각플라스크로부터 샘플을 채취하였다.
본 연구에서는, 유기성분과 무기성분이 함께 존재하는 합성폐수를 이용하여 흡착평형과 운동학적 실험을 진행하였다. 이 결과로부터 유기성분과 무기성분으로 이루어진 합성폐수는 선형적인 흡착성질과 우호적인 흡착성질을 동시에 가지고 있다는 것을 조사하였다. 이 경우에 일반적으로 알려진 흡착등온식은 적용할 수 없었으며 본 연구에는 적용할 수 없었다.
흡착되어진 DOC의 양은 흡착제의 양이 증가할수록 증가하였다. 회분식 물질수지식과 하이브리드 흡착등온식3 (선형식과 Sips 흡착등온식 결합)과 함께하는 LDFA 운동학적 식에 의해서 성공적으로 예측되어짐을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
활성탄 입자의 불순물 제거를 위해 어떤 과정을 거쳐야하는가?
이러한 입상활성탄은 수처리에 있어서 유기성 분을 흡착하는데 적당한 흡착제로 알려져 있다. 우선 사용하기에 앞서서, 모든 활성탄 입자는 불순물을 제거하기 위해서 24시간 동안 증류수에서 가열되었고 세척되어졌다. 이러한 과정을 거친 다음에, 건조오븐(Drying Oven)에서 온도 103∼105 ℃의 하루동안 건조한 다음에 ,활성탄 입자들은 20 mesh를 통과하고 30 mesh(ASTM) 에 남겨진 활성탄을 사용하였다.
합성폐수는 어떤 성분으로 이루어졌는가?
이 합성폐수는 일반적으로 알려진 생물학적 방법으로 처리되어진 유출수의 성분이다[6]. 유기 성분은 tannic acid, peptone, sodium lignin sulfornate, sodium lauryle sulfate and arabic acid 등으로 이루어졌으며, 무기성분은 (NH4)2SO4, K2HPO4, NH4HCO3, MgSO4․7H2O 등으로이루어졌다.
흡착모델링 및 계산에서 흡착평형과 운동학적 데이터를 해석하기 위해 필요한 것은?
그래서, 물속의 용존유기탄소를 측정하여 모든 유기성분을 조사하여 농도를 결정하게 된다. 반면, 흡착모델링 및 계산에 있어서 흡착평형과 운동학적 데이터를 해석하기 위해서는 알려진 흡착제와 흡착질의 명확한 정보가 요구된다. 흡착평형과 회분식 실험에서의 운동학적 실험데이터 없는 흡착모델과 이론을 적용하기 힘들고 공정을 디자인하는 것은 불가능하다[4,5].
참고문헌 (10)
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