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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 바이오-숯을 활용한 중금속 제거에 있어 바이오-숯 분말 형태의 회수 및 재활용의 제한성을 개선하기 위해 다양한 제조조건에서 구형의 바이오-숯 비드를 제조하였고 반응 매질로서의 활용 가능성을 평가하였다.
제안 방법
- , 2013). Fig. 1에 나타난 바와 같이 바이오-숯 시료를 갈아서 0.5mm 이하의 탄가루를 체질한 후제조된 바이오-숯과 알지네이트 용액(1.5%)을 혼합하여 정량펌프를 이용하여 일정한 크기의 노즐을 통과시켜 염화칼슘 용액(3%)에서 칼슘과 나트륨의 이온교환이 충분히이루어지도록 12시간 동안 교반시켰다. 이후 증류수로 3 회 세정하여 상온조건에서 제조된 비드가 건조되도록 48 시간 건조한 다음 밀봉하여 보관한 후 물리화학적 특성규명 및 중금속 처리 실험에 사용하였다.
- 촬영하였다. 그리고 제조한 바이오-숯비드 표면의 관능기, 표면의 결정성 및 미네랄 형태에 대한 특성 분석을 위해 FT-IR (IFS 66/S) 및 XRD(WDS 2000) 분석을 실시하였다.
- 흡착은 교반조(shaking incubator, JEIO TECH SI-900R)를이용하여 25oC에서 150rpm의 속도로 수행하였다. 또한흡착평형에 도달할 때까지 카드뮴이온의 잔여 농도를 측정하기 위하여 시료를 30분, 1시간, 2시간, 4시간, 8시간, 12시간 단위로 일정량을 채취하였다. 채취한 시료는 원심분리기(한일과학, Comi514-R)를 이용하여 4, 000rpm으로 30분간 원심분리하였고 바이오-숯비드와 분리된 상등액을 0.
- 이후 증류수로 3 회 세정하여 상온조건에서 제조된 비드가 건조되도록 48 시간 건조한 다음 밀봉하여 보관한 후 물리화학적 특성규명 및 중금속 처리 실험에 사용하였다. 바이오-숯 비드제조의 최적 조건 선정을 위해 각 제조조건별 입경과 강도를 비교하였고 강도 비교를 위해 Digital Push-Pull Guage(FGJN-5, Shimpo)를 이용하여 비드가 파괴될 때까지 단위 체적을 측정하였다.
- 비드가 생성되는 최적의 조건을 결정하기 위하여 나트륨 알지네이트 용액과 (1.5, 2, 3%) 바이오-숯 분말(5, 10, 15, 20wt%)의 양을 달리 혼합하여 바이오-숯비드를 제조하였다. Fig.
- 5%)을 혼합하여 정량펌프를 이용하여 일정한 크기의 노즐을 통과시켜 염화칼슘 용액(3%)에서 칼슘과 나트륨의 이온교환이 충분히이루어지도록 12시간 동안 교반시켰다. 이후 증류수로 3 회 세정하여 상온조건에서 제조된 비드가 건조되도록 48 시간 건조한 다음 밀봉하여 보관한 후 물리화학적 특성규명 및 중금속 처리 실험에 사용하였다. 바이오-숯 비드제조의 최적 조건 선정을 위해 각 제조조건별 입경과 강도를 비교하였고 강도 비교를 위해 Digital Push-Pull Guage(FGJN-5, Shimpo)를 이용하여 비드가 파괴될 때까지 단위 체적을 측정하였다.
- 또한흡착평형에 도달할 때까지 카드뮴이온의 잔여 농도를 측정하기 위하여 시료를 30분, 1시간, 2시간, 4시간, 8시간, 12시간 단위로 일정량을 채취하였다. 채취한 시료는 원심분리기(한일과학, Comi514-R)를 이용하여 4, 000rpm으로 30분간 원심분리하였고 바이오-숯비드와 분리된 상등액을 0.45µm 멤브레인으로 여과한 후 여액을 4oC 이하에서 냉장 보관하면서 24시간 내로 여액 내의 잔류 카드뮴 농도를 측정하였다. 수용액 중의 카드뮴이온의 분석은 “수질공정시험법”에 의하여 0.
대상 데이터
- 바이오-숯비드의 중금속 흡착능력을 평가하기 위하여 98% 이상의 고순도 특급카드 뮴 시약(Cd 98%+, Sigma- Aldrich Co.)과 초순수(Milli-Q, Millpore)를 사용하여 1, 5, 10, 20, 30, 40mg/L의 카드 뮴 수용액을 제조하였다. 수용액의 초기 pH는 pH 6으로 일정하게 유지하였다.
- 바이오-숯은 경기도 야산에서 수집한 돼지풀(Ambrosia trifida L. var. trifida)를 수집하여 3일간 건조 후 1cm 크기이하로 분쇄한 후 세라믹 용기에 담아 산소가 차단된 상태에서 700oC 온도에서 4시간 동안 열분해를 통해 제조하였다. 700oC는 열분해온도별 바이오-숯의 중금속 제거실험을 통해 최적 온도 조건으로 선정됐다(Kalyan Yakkala et al.
이론/모형
- 45µm 멤브레인으로 여과한 후 여액을 4oC 이하에서 냉장 보관하면서 24시간 내로 여액 내의 잔류 카드뮴 농도를 측정하였다. 수용액 중의 카드뮴이온의 분석은 “수질공정시험법”에 의하여 0.45µm 멤브레인 필터(Advantec MFS Inc.)를 통과시킨 후 ICP-AES(Perkin Elmer Optima 3000XL)를 이용하였으며, 분석 조건은 RF Power 1, 300 Watt, Plasma Flow 1.5L/min, Coolant Flow 0.5L/min, Nebulizer Flow 0.8L/min이었다. ICP 분석시사용된 카드뮴 표준시약은 1,000mg/L저장용액을 희석하여 사용하였다.
- 제조한 바이오-숯비드의 비표면적 미세기공크기는 BET(Brunauer Emmett Teller)법 (Micrometrics, ASAP 2010)으로 측정하였으며 바이오-숯비드의 전자현미경 사진은 SEM(JSM 5410LV, Japan)을 이용하여 촬영하였다. 그리고 제조한 바이오-숯비드 표면의 관능기, 표면의 결정성 및 미네랄 형태에 대한 특성 분석을 위해 FT-IR (IFS 66/S) 및 XRD(WDS 2000) 분석을 실시하였다.
- 제조한 비드의 비표면적 미세기공 크기는 BET(Brunauer Emmett Teller)법 (Micrometrics, ASAP 2010)으로 측정하였다. 바이오-숯 분말과 비드의 비표면적을 비교하였을경우 바이오-숯 분말의 경우 최대 비 표면적은 279.
성능/효과
- 73mg/g을 나타냈고 GAC, PAC 에 비해 약 3배 정도 높은 흡착능을 보였고 Zeolite보다는 떨어지는 것으로 나타났다. 또한 분말 형태의 바이오-숯에 비해 Cd(II)에 대한 흡착능력이 떨어지기는 하나 중금속 제거 특성을 유지하면서 분말 형태의 단점인 회수 및 재이용 성을 개선할 수 있었다.
- 바이오-숯 분말과 비드의 비표면적을 비교하였을경우 바이오-숯 분말의 경우 최대 비 표면적은 279.8m2/g 으로 나타났고 비드의 경우 최대 비 표면적은 206.5m2/g 으로 나타났다. 바이오-숯 분말을 구형의 비드 형태로 만들어도 비교적 높은 비표면적이 유지되었으며 수처리 여과재로 사용되는 데 있어 바이오-숯 분말과 비교해도 흡착능이 크게 떨어지지 않고 유용한 여과재로 활용성이 높을것으로 판단된다.
- 바이오-숯 분말의 함량이 높을수록 강도는 감소하는 경향을 나타내고 있으나 흡착제로서 비표면적 및 비드 입경을 만족시킬 수 있는 최적 제조 조건은 1.5% 알지네이트 용액에 용액대비 20% 바이오-숯 분말 함량이 가장 적합한 것으로 나타났다.
- , 2013). 바이오-숯 비드를 사용하여 얻어진 카드뮴 흡착능 9.73 mg/ge 바이오-숯 분말을 사용한 카드뮴의 제거능에 비해 떨어지는 결과를 보였으나 중금속 제거 특성을 유지하면서 분말 형태의 단점인 회수 및 재이용성을 높일 수 있는 점 때문에 반응 매질로서의 활용 가능성이 높은 것으로 판단된다. 실험 결과를 Langmuir와 Freundlich의 흡착 등 온 식에 적용한 결과 Table 2와 같이 Freundlich 등온식의 r 2이 0.
- 바이오-숯비드에 의한 중금속 최대흡착량을 타 흡착제와 비교하여 Table 2에 정리하였다. 바이오-숯비드에 의한 Cd(II)의 제거량을 동일 pH에서 제올라이트, GAC 그리고 PAC에 의한 제거량과 비교한 결과, 바이오-숯비드는 활성탄보다 약 3배가량 크게 얻어졌으나 제올라이트보다는 떨어지는 것으로 나타났다. 이는 바이오-숯비드의 넓은 비표면적과 비표면적이 대부분 Micropore로 이루어진 점, 양이온중금속과 착화물을 형성할 수 있는 관능기를 가지고 있기 때문으로 판단된다.
- 바이오-숯비드의 물성 분석 결과 비표면적은 206.5m2/ g을 보였고 FT-IR을 통해 방향족 관능기(aromatic func- tional group)가, XRD 분석을 통해 난층 카본 구조 및 셀룰로오스 결정구조가 관찰 되었다.
- 본 연구 결과 중금속 제거에 있어 회수 및 재이용 할수 있는 투수성 반응 벽체의 반응매질 및 수처리 여과제로써 구형태의 바이오-숯비드의 활용 가능성은 매우 높은것으로 판단된다.
- 4의 결과에 서 나타나듯이 비표면적의 대부분이 Micropore에 의한 것으로 측정되었다. 제조된 비드의 전체 기공 중 미세기공의 분율을 계산한 결과 53.8%를 나타내고 있어 비교적 고른 기공부피를 가지고 있다고 판단된다. Fig.
- 중금속 흡착능력을 평가하기 위해 카드뮴 흡착실험을 실시한 결과 흡착능이 9.73mg/g을 나타냈고 GAC, PAC 에 비해 약 3배 정도 높은 흡착능을 보였고 Zeolite보다는 떨어지는 것으로 나타났다. 또한 분말 형태의 바이오-숯에 비해 Cd(II)에 대한 흡착능력이 떨어지기는 하나 중금속 제거 특성을 유지하면서 분말 형태의 단점인 회수 및 재이용 성을 개선할 수 있었다.
후속연구
- 5m2/g 으로 나타났다. 바이오-숯 분말을 구형의 비드 형태로 만들어도 비교적 높은 비표면적이 유지되었으며 수처리 여과재로 사용되는 데 있어 바이오-숯 분말과 비교해도 흡착능이 크게 떨어지지 않고 유용한 여과재로 활용성이 높을것으로 판단된다. Table 1 및 Fig.
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