[논문]공침법에 의해 제조된 Magnetic Iron Oxide (MIO)를 이용한 수중 인 흡착 특성

이원희; 정진욱; 김종오

doi:10.11001/jksww.2015.29.6.609

공침법에 의해 제조된 Magnetic Iron Oxide (MIO)를 이용한 수중 인 흡착 특성
Characteristics of Phosphate Adsorption using Prepared Magnetic Iron Oxide (MIO) by Co-precipitation Method in Water 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.29 no.6, 2015년, pp.609 - 615

이원희 (한양대학교 건설환경공학과) , 정진욱 (삼성엔지니어링 R&D 센터) , 김종오 (한양대학교 건설환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study was carried out for characterization of MIO synthesized in our laboratory by co-precipitation method and applied isotherm and kinetic models for adsorption properties. XRD analysis were conducted to find crystal structure of synthesized MIO. Further SEM and XPS analysis was performed before and after phosphate adsorption, and BET analysis for surface characterization. Phosphate stock solution was prepared by KH2PO4 for characterization of phosphate adsorption, and batch experiment was conducted using 50 ml conical tube. Langmuir and Freundlich models were applied based on adsorption equilibrium test of MIO by initial phosphate solution. Pseudo first order and pseudo second order models were applied for interpretation of kinetic model by temperature. Surface area and pore size of MIO were found $89.6m^2/g$ and 16 nm respectively. And, the determination coefficient ($R^2$) value of Langmuir model was 0.9779, which was comparatively higher than that of Freundlich isotherm model 0.9340.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 co-precipitation method에 의하여 합성된 MIO의 특성을 파악하고 수중 인 흡착특성 평가를 위하여 흡착등온실험과 반응온도에 따른 흡착 kinetic 실험을 수행하였다. 제조된 MIO의 XRD 분석 결과 Fe₃O₄의 결정형을 확인할 수 있었고, MIO 표면에 인 흡착 여부를 검증하기 위하여 흡착 전과 흡착 후의 SEM과 XPS 측정을 실시하였다.

가설 설정

따라서 제조된 MIO의 최대흡착량은 약 15 mg P/g으로 확인되었다. 흡착등온선은 흡착제와 흡착질 간의 상호작용을 묘사할 때 사용되는데 우선 Langmuir 흡착등온선은 흡착제의 표면에 발생되는 단 분자층에 의하여 흡착이 일어난다고 가정하여 나타낸 것으로 eq. (5)와 같고, Freundlich 흡착등온식은 흡착 물질의 흡착이 비균질한 흡착제의 표면에서 일어난다는 가정하에 세워진 것으로 eq.

제안 방법

그 후, 침전된 MIO입자는 증류수를 사용하여 전기전도도 (<5μs/cm) 및 pH (5.85)가 변화하지 않는 지점까지 세척을 실시하였다.
, Germany)을 사용하여 결정구조를 확인하였다. 그 후, 흡착 전과 흡착 후의 MIO의 표면특성을 관찰하기 위하여 scanning electron microscopy (SEM, Sigma, Carl Zeiss Co., Germany)분석을 실시하였고, 흡착 전 후의 MIO 표면의 인 흡착 유무를 확인하기 위하여 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, VG ESCALAB 220i, VG scienta., Germany) 분석을 실시하였다. 그리고 흡착에 사용되는 MIO입자의 비표면적을 측정하기 위하여 surface area analyzer (BET, BELSORP-mini II, BEL Japan Inc.
또한 반응온도에 따른 kinetic modeling 실험을 위하여 pH 4.0으로 적정한 325 mg/L 의 phosphate 용액을 사용하여 273, 283, 293 그리고 303K의 온도하에서 실험을 실시하였다.
2015). 위와 같은 이유로 최근 수처리 기술로써 산화철을 이용한 방법들이 각광 받고 있기 때문에 (Lakshmanan et al. 2014; Yoon et al. 2014), 본 연구에서는 MIO 흡착제를 합성한 후 흡착제의 특성을 확인하고, 제조한 MIO를 이용하여 수중의 인 흡착특성을 평가하였다.
본 연구에서는 co-precipitation method에 의하여 합성된 MIO의 특성을 파악하고 수중 인 흡착특성 평가를 위하여 흡착등온실험과 반응온도에 따른 흡착 kinetic 실험을 수행하였다. 제조된 MIO의 XRD 분석 결과 Fe₃O₄의 결정형을 확인할 수 있었고, MIO 표면에 인 흡착 여부를 검증하기 위하여 흡착 전과 흡착 후의 SEM과 XPS 측정을 실시하였다. 그 결과 흡착 후의 MIO 표면에 인이 흡착됨을 확인할 수 있었다.
)를 증류수에 용해시켜 제조하였다. 최대흡착량을 알아보기 위하여 phosphate 농도를 165, 325, 490, 650, 815, 980, 1140, 1305, 1470 그리고 1630 mg/L로 제조한 후 1 M HCl을 사용하여 pH 4.0 으로 적정하였다. 또한 반응온도에 따른 kinetic modeling 실험을 위하여 pH 4.
합성한 MIO를 구성하는 물질의 조성을 알아보기 위하여 X-ray diffraction (XRD, D8-Advance, Bruker-AXS Co., Germany)을 사용하여 결정구조를 확인하였다. 그 후, 흡착 전과 흡착 후의 MIO의 표면특성을 관찰하기 위하여 scanning electron microscopy (SEM, Sigma, Carl Zeiss Co.
흡착실험을 실시한 시료는 0.45 μm syringe filter를 사용하여 여과를 실시하였고, 여과액은 UV-spectrophotometer (DR-3900, Hach, USA)를 이용하여 잔류 phosphate 성분을 측정하였다.

이론/모형

6. Experimental points and non-linear fitted Langmuir model and freundlich model for phosphate adsorption using MIO.
MIO의 인 흡착 시 반응온도에 따른 흡착반응속도에 대한 해석을 위하여 pseudo first order model과 pseudo second model을 사용하여 분석하였다. Pseudo first order model은 Largergren에 의하여 표현된 식으로 액체-고체상의 흡착을 운동학적 속도관계식으로 요약된 것으로 eq.
, Germany) 분석을 실시하였다. 그리고 흡착에 사용되는 MIO입자의 비표면적을 측정하기 위하여 surface area analyzer (BET, BELSORP-mini II, BEL Japan Inc., Japan)를 사용하였다.
본 연구에서 사용된 MIO 입자는 co-precipitation method에 의하여 제조되었다 (Yoon et al. 2014). MIO 는 Fe²⁺와 Fe³⁺이온이 OH와 반응하여 생성되며 다음의 메커니즘을 따른다.

성능/효과

Fig. 3(a)는 전체범위의 binding energy 하에서의 XPS 분석결과로 공통적으로 Fe, O 그리고 C가 검출되었으며, 흡착 후에는 미세한 P peak가 존재하는 것이 확인되었다. Fig.
6에 나타내었고, Table 1에는 MIO의 인 흡착 시 Langmuir와 Freundlich 흡착등온 정수를 나타내었다. 결과적으로 제조된 MIO는 Langmuir model에 더 적합하다고 할 수 있으며, 이는 고농도 흡착에 적합한 흡착제임을 나타낸다. 또한 Freundlich 등온식에서도 상관계수 값이 0.
다양한 철 산화물 중에서 강자성을 가지는 Fe3O4 (JCPDSNo. 86-1354)의 peak만 검출된 것을 알 수 있었다.
초기 phosphate 농도가 증가할수록 MIO의 흡착량은 증가하는 경향을 보였으며, 1140 mg/L의 초기 phosphate 농도부터 흡착평형이 나타나는 것을 알 수 있다. 따라서 제조된 MIO의 최대흡착량은 약 15 mg P/g으로 확인되었다. 흡착등온선은 흡착제와 흡착질 간의 상호작용을 묘사할 때 사용되는데 우선 Langmuir 흡착등온선은 흡착제의 표면에 발생되는 단 분자층에 의하여 흡착이 일어난다고 가정하여 나타낸 것으로 eq.
86-1354)의 peak만 검출된 것을 알 수 있었다. 따라서 제조한 시료가 magnetite의 결정구조를 갖는 것이 확인되었다. Fig.
Table 2는 반응 온도에 따른 pseudo first order model와 pseudo second model의 kinetic 정수를 나타낸 표이다. 상관계수 값이 두 모델 전부 0.99 이상으로 전반적으로 잘 맞는 편이며 반응온도가 283K와 293K인 경우에는 pseudo first order model에 273K와 303K인 경우에는 pseudo second order model에 조금 더 적합하였다.
4(a)에 나타내었다. 제조된 MIO의 비표면적은 89.6 m²/g로 측정되었으며, 등온선의 형태가 non-porous의 형태를 갖는 II형과 meso-porous를 갖는 IV형 등온선의 중간형태로 나타났다. 등온선의 형태로 미루어 볼 때 제조한 MIO는 일부 meso-porous를 가지고 있는 것으로 나타났고, Fig.
6 m²/g의 비표면적을 가지고 있는 것을 확인하였고, 질소 흡탈착 등온선을 통해 II형과 IV형 등온선의 중간 형태라는 것을 확인할 수 있었고, 이를 통하여 일부 메조기공이 있다는 것을 알 수 있었으며, BJH plot을 통하여 약 16 nm 직경의 메조기공이 존재함을 확인하였다. 제조된 MIO의 흡착등온 해석결과 Langmuir model이 Freundlich model 보다 MIO의 인 흡착을 잘 설명하고 있음을 알 수 있었고, kinetic 해석결과 pseudo first order model과 pseudo second order model 전부 인 흡착 시의 kinetic model을 잘 설명하고 있음을 알 수 있다.
5에 나타내었다. 초기 phosphate 농도가 증가할수록 MIO의 흡착량은 증가하는 경향을 보였으며, 1140 mg/L의 초기 phosphate 농도부터 흡착평형이 나타나는 것을 알 수 있다. 따라서 제조된 MIO의 최대흡착량은 약 15 mg P/g으로 확인되었다.
합성한 100 μm 이하의 MIO 입자의 BET 측정결과 제조된 MIO가 89.6 m2/g의 비표면적을 가지고 있는 것을 확인하였고, 질소 흡탈착 등온선을 통해 II형과 IV형 등온선의 중간 형태라는 것을 확인할 수 있었고, 이를 통하여 일부 메조기공이 있다는 것을 알 수 있었으며, BJH plot을 통하여 약 16 nm 직경의 메조기공이 존재함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	많은 양의 인이 하천에 방류되면 어떤 문제가 생기는가?	2013). 인은 수중에서 조류성장에 필요한 영양소로 작용하고 있으며, 다량의 인이 하천으로 방류 될 경우 조류의 급속 성장에 의하여 부영양화가 발생되게 된다 (Yang et al.2014). 부영양화에 의한 조류의 급속 번식으로 인하여 수질의 투명도가 저하되고 수중으로 공급되는 햇빛이 차단되어 용존산소량이 감소하게 되면서 무산소 지역이 발생되어 물고기가 폐사하는 현상이 발생하게 된다 (Huang et al. 2015). 또한 물고기가 부패하면서 악취가 발생하고 추가적인 수질오염으로 하천에 심각한 문제를 야기시키기 때문에 수질악화와 수생태 파괴와 같은 환경 문제가 발생된다 (Rout et al. 2014). 그러나 현재 인을 처리하는 기술이 전무하기 때문에 하수와 합병하여 처리하는 방식을 채택하고 있지만, 하수처리장에 오염물질의 과부하가 발생되는 심각한 문제가 유발된다.
	이온교환 기술의 문제점은?	따라서 이러한 단점을 극복하기 위하여 이온교환, microorganism, 금속산화물을 이용한 인 흡착 기술 등 많은 연구가 이루어져 왔다. 하지만 이온교환 기술의 경우 NH4+ , Mg2+ , PO43-를 등몰비로 반응시켜야 하므로 폐수 내의 각 부족한 성분을 보충하여야 하기 때문에 다량의 화합물이 첨가되어야 하며, 또한 struvite로 침전 시 딱딱하게 굳어 관이 막히게 된다는 단점이 있다 (Cheng et al. 2009).
	MIO의 수중 인 흡착 반응은 온도에 따라 흡착성능이 어떻게 달라졌는가?	MIO가 수중 인 흡착 시 흡착 속도는 온도, 초기농도 등 운전인자에 따라서 조금씩 다르게 발생하지만 흡착 평형에 도달하는 시간은 빠르기 때문에 운전인자가 달라져도 큰 차이가 없다. 흡착반응 후 보통 15~30분 사이에 흡착평형에 도달하게 되며 273K의 온도에서는 약 53%의 인 제거율을 보였지만 303K의 온도에서는 약 64% 정도로 11%정도 흡착능이 증가한 것을 알 수 있다. Table 2는 반응 온도에 따른 pseudo first order model와 pseudo second model의 kinetic 정수를 나타낸 표이다.

참고문헌 (13)

Cheng, X., Huang, X., Wang, X., Zhao, B., Chen, A. and Sun, D. (2009). Phosphate adsorption from sewage sludge filtrate using zinc-aluminum layered double hydroxides, J. Hazard. Mater., 169(1), 958-964.

상세보기
Huang, W., Chen, J., He, F., Tang, J., Li, D., Zhu, Y. and Zhang, Y. (2015). Effective phosphate adsorption by Zr/Al-pillared montmorillonite: insight into equilibrium kinetics and thermodynamics, Appl. Clay Sci., 104, 252-260.

상세보기
Kim, S.H., Seol, J.W., Lee W.C. and Kim, S.W. (2013). Removal of aqueous arsenic via adsorption onto Si slag, Econ. Environ. Geol., 46(6), 521-533.

원문보기 상세보기
Lakshmanan, R., Okoli, C., Boutonnet, M., Jaras, S., and Rajarao, G. K. (2014), Microemulsion prepared magnetic nanoparticles for phosphate removal: Time efficient studies. Journal of Environmental Chemical Engineering, Vol 2, pp. 185-189.

상세보기
Li, G., Chen, D., Zhao, W. and Zhang, X. (2015). Efficient adsorption behavior of phosphate on La-modified tourmaline, J. Environ. Chem. Eng., 3(1), 515-522.

상세보기
Maeng, M.S., Lee, H.G. and Dockko, S. (2013). Phosphate removal using novel combined Fe-Mn-Si oxide adsorbent, Journal of Korean Society of Water and Wastewater, 27(5), 631-6397.

원문보기 상세보기
Na, C.K., Jeong, J.H. and Park, H.J. (2011). Applicability of Theoretical Adsorption Models for Studies on Adsorption Properties of Adsorbents (I), J Kor Soc Environ Eng., 33(8), 606-616.

원문보기 상세보기
Na, C.K., Jeong, J.H. and Park, H.J. (2011). Applicability of Theoretical Adsorption Models for Studies on Adsorption Properties of Adsorbents (II), J Kor Soc Environ Eng., 33(11), 804-811.

원문보기 상세보기
Rout, P.R., Bhunia, P. and Dash, R.R. (2014). Modeling isotherms, kinetics and understanding the mechanism of phosphate adsorption onto a solid waste: Ground burnt patties, J. Environ. Chem. Eng., 2(3), 1331-1342.

상세보기
Yang, M., Lin, J., Zhan, Y. and Zhang, H. (2014). Adsorption of phosphate from water on lake sediments amended with zirconium-modified zeolites in batch mode, Ecol. Eng., 71, 223-233.

상세보기
Yim, S.B. (2010). Removal Characteristics of Nitrogen and Phosphorus by Struvite Crystallization using Converter Slag as a Seed Crystal, Journal of the Korean Society of
Yoon, S.Y., Lee, C.G., Park, J.A., Kim, J.H., Kim, S.B., Lee, S.H. and Choi, J.W. (2014). Kinetic, equilibrium and thermodynamic studies for phosphate adsorption to magnetic iron oxide nanoparticles, Chem. Eng. J., 236, 341-347.

상세보기
Zelmanov, G. and Semiat, R. (2015). The influence of competitive inorganic ions on phosphate removal from water by adsorption on iron (Fe+ 3) oxide/hydroxide nanoparticles-based agglomerates, J. Water Process Eng., 5, 143-152.

상세보기

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증