[논문]망간산화물이 코팅된 활성탄의 납 흡착특성에 관한 칼럼 실험

이명은; 이채영; 정재우

doi:10.14481/jkges.2014.15.8.39

망간산화물이 코팅된 활성탄의 납 흡착특성에 관한 칼럼 실험
Adsorption Characteristics of Pb(II) by Manganese Oxide Coated Activated Carbon in Fixed Bed Column Study 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.15 no.8, 2014년, pp.39 - 44

이명은 (Gyeongnam National University of Science and Technology) , 이채영 (Suwon University) , 정재우 (Gyeongnam National University of Science and Technology)

초록
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초임계 조건에서 제조된 망간산화물이 코팅된 활성탄($Mn_3O_4$/AC)에 의한 납 흡착특성을 규명하기 위해 칼럼실험을 통해 파과특성에 미치는 운전변수의 영향에 관해 실험하였다. 활성탄에 망간산화물을 코팅시킴으로써 물질전달대와 평형흡착량은 대략 2.8배 증가하는 것으로 나타났다. 흡착층 높이의 증가는 수용액이 흡착대에 체류하는 시간을 증가시켜 파과시간, 물질전달대와 평형흡착량을 증가시키는 것으로 나타났다. 칼럼으로 공급되는 유량이 증가함에 따라 수용액으로부터 흡착제로 납이 빠르게 전달되어 접촉되므로 파과시간과 물질전달대가 감소하였다. 유량 증가는 흡착대에서 납의 체류시간을 감소시켜 흡착경계면에서의 확산현상을 감소시키므로 평형흡착량을 감소시키는 것으로 나타났다. 칼럼으로 유입되는 납 농도가 증가하면 흡착제로 전달되는 납의 양이 증가하여 물질전달이 빠르게 완료되므로 파과시간과 물질전달대가 감소하는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Effects of operating parameters on the breakthrough properties of Pb(II) by $Mn_3O_4$ coated activated carbon prepared by supercritical technique were investigated through fixed-bed column experiments. The mass transfer zone and equilibrium adsorption capacity were enhanced about 2.8 times for Pb(II) by $Mn_3O_4$ coating onto activated carbon. Increase of bed height enhanced the residence time of Pb(II) in adsorption zone, giving the higher breakthrough time, mass transfer zone and equilibrium adsorption capacity. Increase of flow rate reduced the residence time and diffusion of Pb(II) in adsorption zone, therefore decreased the equilibrium adsorption capacity. The higher inlet concentration of Pb(II) decreased the breakthrough time and mass transfer zone through the promotion of Pb(II) transfer onto adsorbent.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 Mn₃O₄/AC를 흡착제로 사용하는 공정의 현장 적용성을 탐색하기 위해 칼럼실험을 수행하였으며 납의 파과특성에 미치는 주요 운전변수의 영향을 규명하고자 하였다.
본 연구에서는 초임계 조건에서 제조된 Mn₃O₄/AC에 의한 수용액 내의 납 흡착특성을 규명하기 위해 칼럼실험을수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
칼럼의 파과특성에 미치는 운전변수의 영향을 관찰하기 위해 위에서 실험조건별 물질전달대(△t)와 평형흡착량(q_e) 에 미치는 운전변수의 영향에 관해 고찰하였다. Table 2는 Mn₃O₄/AC의 파과특성을 AC와 비교하여 나타낸 결과이다.

제안 방법

2 ㎛ 필터(ADVANTEC, Japan)를 사용하여 여과시킨 후에 1 % 질산용액으로 희석하여 분석용 시료로 이용하였다. 납 농도를 분석하기 위해 유도결합 플라즈마질량분석기(ICP-OES, Optima 8300DV, Perkin Elmer, USA)를 이용하였다.
중금속 용액의 유량은 정량펌프를 사용 하여 1∼4 cm³/min의 범위에서 상향류 조건으로 반응기로 주입하였다. 일정한 시간 간격으로 유출구로부터 5 cm³의 시료용액을 채취하였으며 0.2 ㎛ 필터(ADVANTEC, Japan)를 사용하여 여과시킨 후에 1 % 질산용액으로 희석하여 분석용 시료로 이용하였다. 납 농도를 분석하기 위해 유도결합 플라즈마질량분석기(ICP-OES, Optima 8300DV, Perkin Elmer, USA)를 이용하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 흡착제는 입상활성탄(Norit GAC 1240)과 망간아세틸아세토네이트(manganese(III) acetylacetonate, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)를 280 ℃, 13 MPa의 초임계조건에서 제조한 망간산화물-활성탄 흡착소재(Mn₃O₄/AC) 이다. 고온 및 고압 상태의 초임계 조건은 많은 양의 망간 산화물이 균일하게 코팅된 Mn₃O₄/AC를 생성시키는 것으로 나타났다(Lee et al.
칼럼은 내경 2 cm의 유리관을 사용하여 흡착층의 높이를 조절할 수 있도록 제작하였다. 흡착제로 Mn₃O₄/AC 를 사용하였으며 활성탄(AC)을 사용하여 비교실험을 수행하였다. 칼럼의 높이는 18 cm이며 흡착층 높이(h_B)를 6∼12 cm 의 범위로 조절하여 실험하였으며 이때 투입된 흡착제의 양은 12.

성능/효과

(1) AC와 Mn₃O₄/AC의 칼럼 파과특성은 활성탄에 망간을 코팅시킴으로써 실험조건에서 파과시간(t_b)이 1.5 h에서 7.0 h로 증가하였으며 물질전달대(△t)와 평형흡착량(q_e)은 대략 2.8배 이상 증가하는 것으로 나타나 Mn₃O₄/AC가 수중의 납을 제거하기 위해 유용하게 활용될 수 있는 것으로 나타났다.
(2) 흡착층 높이(h_B)의 증가는 수용액이 흡착대에 체류하는 시간을 증가시켜 t_b, △t와 q_e를 증가시키는 것으로 나타났다. 6∼12 cm의 범위에서 h_B가 증가함에 따라 t_b는 0.
(1)과 Eq. (2)에 의해 계산된 q_e는 각각 10.47 mg/g과 29.33 mg/g으로 나타나 활성탄에 망간산화물을 코팅시킴에 의해 △t와 q_e가 대략 2.8배 이상 증가하는 것으로 나타났다.
(3) 동일한 납 농도를 가진 수용액이 칼럼으로 유입될 때, 유량이 증가함에 따라 수용액으로부터 흡착제로 납이 빠르게 전달되어 접촉되므로 t_b와 △t가 감소하는 것으로 나타났다. 유량의 증가는 흡착대에서 납의 체류시간을 감소시킴으로써 흡착경계면에서의 확산현상을 감소 시키므로 q_e를 감소시키는 것으로 나타났다.
(4) 칼럼으로 유입되는 유량이 일정할 때, 유입되는 납 농도(C₀)가 증가하면 납이 흡착제로 전달되는 양이 증가하여 물질전달이 빠르게 완료되므로 t_b와 △t가 감소하는 것으로 나타났다. 실험이 진행된 기간의 실험조건별 온도차이로 인해 C₀의 증가에 따라 q_e는 감소하는 것으로 나타났다.
본 연구팀에 의해 수행된 사전연구에서 화학침전법(Chemical precipitation), 수열법(Hydrothermal method), 초임계법(Supercritical method)에 의해 제조된 망간산화물-활성탄 흡착소재 (Mn₃O₄/AC)의 중금속 흡착특성을 비교한 결과, 초임계법, 수열법, 화학침전법의 순으로 납과 구리의 흡착용량이 증가하는 것으로 나타났으며 이는 제조과정에서 사용된 열과 압력의 영향으로 나타났다(Lee et al., 2014b). 또한 Mn₃O₄/AC 의 중금속 흡착특성을 회분식 실험으로 실험한 결과, 활성탄(AC)에 비해 망간산화물의 코팅으로 인해 비표면적이 크게 감소함에도 불구하고 납과 구리의 흡착용량이 각각 2.
와 △t가 감소하는 것으로 나타났다. 실험이 진행된 기간의 실험조건별 온도차이로 인해 C₀의 증가에 따라 q_e는 감소하는 것으로 나타났다.
와 △t가 감소하는 것으로 나타났다. 유량의 증가는 흡착대에서 납의 체류시간을 감소시킴으로써 흡착경계면에서의 확산현상을 감소 시키므로 q_e를 감소시키는 것으로 나타났다.
5에 나타내었다. 유량이 1, 2, 4 cm³/min으로 증가함에 따라 파과시간은 28.0, 7.0, 2.3 h로 감소하고 유입농도가 50, 100, 300 mg/L로 증가함에 따라 파과시간은 32.0, 7.0, 2.0 h로 감소하였다.
8은 칼럼으로 유입되는 수용액의 납 농도가 △t와 q_e에 미치는 영향을 나타내고 있다. 유입되는 납 농도가 50, 100, 300 mg/L로 증가함에 따라 △t는 각각 165.0, 75.0, 33.0 h로 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 유입농도가 높을수록 납이 흡착제로 빠르게 전달되어 물질전달이 완료되기 때문인 것으로 판단된다.
, 2014b). 제조된 Mn₃O₄/AC의 표면적, 공극크기, 공극부피는 각각 457.63 m²/g,0.57 nm, 0.30 cm³/g로 나타나 AC의 1,069.3 m²/g, 0.41 nm, 0.58 cm³/g임을 고려할 때, 활성탄에 망간산화물을 코팅함으로써 비표면적과 공극부피가 크게 감소하는 것으로 나타났다(Lee et al., 2014a).
36 mg/g의 범위에서 증가하는 경향이 나타났다. 평형흡착량은 h_B가 일정한 값 이상에서는 큰 차이를 보이지 않으므로 흡착제 활용의 효율성 측면에서 최적의 값이 존재하는 것으로 나타났다.
이러한 결과는 유입농도가 높을수록 납이 흡착제로 빠르게 전달되어 물질전달이 완료되기 때문인 것으로 판단된다. 평형흡착량은 유입농도가 증가함에 따라 물질전달의 추진력인 농도차이가 증가함에도 불구하고 감소하는 현상이 관찰되었다. 흡착반응의 추진력은 흡착제와 수용액 사이의 흡착질의 농도차이다(Aksu & Gönen, 2004; Padmesh et al.
3은 납 농도가 300 mg/L인 수용액이 2 cm³/min의 속도로 공급되는 조건에서 Mn₃O₄/AC를 흡착제로 사용할 때, 납의 흡착특성에 미치는 흡착층 높이(h_B)의 영향을 나타내고 있다. 흡착층의 높이를 6, 8, 10, 12 cm로 증가시킴에 따라 파과시간이 0.49, 0.83, 2.00, 2.40 h로 증가하는 것으로 나타났다.

후속연구

따라서 유입되는 납 농도가 증가하여 흡착반응의 추진력이 증가함에도 불구하고 흡착반응이 진행된 온도가 감소함으로써 q_e가 감소한 것으로 사료된다. 이러한 현상을 명확하게 규명하기 위해 열역학적 특성에 관한 추가의 연구가 필요할 것으로 판단된다. 이와 더불어 칼럼 흡착실험에서 오염물질의 파과특성은 물질전달 특성, 흡착, 침전 등의 물리･화학적 현상에 의해서 영향을 받게 되므로 다양한 요소의 영향을 받을 수 있으므로 흡착소재의 적용을 위해서는 보다 명확한 운전인자의 규명을 위한 노력이 필요할 것으로 사료된다.
이러한 현상을 명확하게 규명하기 위해 열역학적 특성에 관한 추가의 연구가 필요할 것으로 판단된다. 이와 더불어 칼럼 흡착실험에서 오염물질의 파과특성은 물질전달 특성, 흡착, 침전 등의 물리･화학적 현상에 의해서 영향을 받게 되므로 다양한 요소의 영향을 받을 수 있으므로 흡착소재의 적용을 위해서는 보다 명확한 운전인자의 규명을 위한 노력이 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	급속한 산업화로 인해 무엇이 증가하고 있는가?	급속한 산업화로 인해 생태계로 유입되는 중금속의 양이 증가하는 추세이다. 토양의 중금속 오염현상은 폐광산이나 산업단지 지역 외에도 놀이터 등의 주거지역에서도 일부 조사된 바 있다.
	망간산화물-활성탄 흡착소재의 중금속 흡착특성을 회분식 실험으로 실험한 결과는?	, 2014b). 또한 Mn3O4/AC 의 중금속 흡착특성을 회분식 실험으로 실험한 결과, 활성탄(AC)에 비해 망간산화물의 코팅으로 인해 비표면적이 크게 감소함에도 불구하고 납과 구리의 흡착용량이 각각 2.2배와 6.1배 증가하며 이는 개질된 표면의 음전하 증가와 입자 사이의 확산저항(resistance of intraparticle diffusion)의 감소로 인한 것으로 나타났다(Lee et al., 2014a).
	토양의 중금속 오염현상은 어디서 발견되는가?	급속한 산업화로 인해 생태계로 유입되는 중금속의 양이 증가하는 추세이다. 토양의 중금속 오염현상은 폐광산이나 산업단지 지역 외에도 놀이터 등의 주거지역에서도 일부 조사된 바 있다. 중금속으로 유발된 환경오염은 주거환경을 악화시키고 있으며, 먹이사슬을 따라 생체에 축적되는 경향으로 인해 인간의 건강을 위협하고 있다(Zhao et al.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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