[논문]야자계 활성탄에 의한 Brilliant Blue FCF 염료의 흡착 동력학 및 열역학에 관한 연구

이종집

doi:10.9713/kcer.2015.53.3.309

야자계 활성탄에 의한 Brilliant Blue FCF 염료의 흡착 동력학 및 열역학에 관한 연구
Adsorption Kinetics and Thermodynamics of Brilliant Blue FCF Dye onto Coconut Shell Based Activated Carbon 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.53 no.3, 2015년, pp.309 - 314

초록
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야자계 활성탄을 사용하여 수용액으로부터 brilliant blue FCF 염료의 흡착에 대해 조사하였다. 회분식 실험은 흡착제의 양, 초기농도와 접촉시간과 온도를 흡착변수로 사용하여 수행하였다. 흡착평형자료는 Langmuir와 Freundlich 식을 사용하여 해석하였으며, Freundlich 식이 더 좋은 일치도를 나타냈다. 평가된 Freundlich 상수(1/n=0.129~0.212)로부터 활성탄에 의한 brilliant blue FCF의 흡착조작이 적절한 처리방법이 될 수 있음을 알았다. 흡착속도실험자료를 유사일차반응속도식과 유사이차반응속도식에 적용해 본 결과, 흡착동력학은 유사이차반응속도식에 잘 맞는 것으로 나타났다. 음수값의 Gibbs 자유에너지(-4.81~-10.33 kJ/mol)와 양수값의 엔탈피(+78.59 kJ/mol)는 흡착이 자발적이고 흡열공정으로 진행된다는 것을 나타낸다.

Abstract ▼ AI-Helper

Adsorption of brilliant blue FCF dye from aqueous solution using coconut shell based activated carbon was investigated. Batch experiments were carried out as function of adsorbent dose, initial concentration, contact time and temperature. The equilibrium adsorption data were analyzed by Langmuir and Freundlich model. The results indicate that Freundlich model provides the best correlation of the experimental data. Base on the estimated Freundlich constant (1/n=0.129~0.212), this process could be employed as effective treatment method. Adsorption kinetics experimental data were modeled using the pseudo-first-order and pseudo-second-order kinetic equation. It was shown that pseudo-second-order kinetic equation could best describe the adsorption kinetics. Base on the negative Gibbs free energy value (-4.81~-10.33 kJ/mol) and positive enthalpy value (+78.59 kJ/mol) indicate that the adsorption is spontaneous and endothermic process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이와 같은 연구에도 불구하고 아직까지 우수한 흡착능력을 가지고 있는 활성탄을 흡착제로 사용하여 타르색소인 brilliant blue FCF를 흡착한 연구는 이루어지지 않았다. 따라서 본 연구에서는 야자계 활성탄을 흡착제로 사용하여 brilliant blue FCF를 흡착제거하는 연구를 수행하여 흡착공정에 대한 기초자료를 얻고자 하였다. 먼저 등온 흡착실험을 통해 흡착평형인자를 평가하여 흡착조작의 타당성을 판단해 보고, 흡착속도 실험을 통하여 초기농도와 흡착온도 등이 흡착 반응에 미치는 영향과 함께 열역학 파라미터를 평가하여 흡착공정에 대한 해석을 해보았다.
본 연구에서는 야자계활성탄을 사용하여 brilliant blue FCF 염료를 흡착하는데 필요한 흡착평형과 흡착동역학 및 열역학 파라미터에 대하여 조사하였다.

가설 설정

Langmuir는균일한흡착제표면에있는한정된숫자의흡착부위에 흡착질이 단분자층을 형성하는 것에 의해 흡착이 일어난다고 가정하였으며, 다음과 같은 식을 제시하였다.

제안 방법

Brilliant blue FCF 흡착에 영향을 주는 야자계 활성탄의 표면 작용기에 대하여 알아보기 위해 FT-IR 분석을 실시하였으며, 그 결과를 Fig. 3에 제시하였다. 흡착 전과 후의 FT-IR 분석결과를 비교해 본 결과, brilliant blue FCF를 흡착하기 전에는 1055 cm^-1(피크 7)에서 carbon-oxygen group(C-O), 1600 cm^-1(피크 6)에서 carbonyl group (C=O), 1760 cm^-1(피크 5) 에서 carboxy group(O=C-O), 2400 cm^-1 (피크 4) 에서 hydroxyl group(O-H), 2800 cm^-1 (피크 3)및 2900 cm^-1 (피크 2)에서 hydrocarbon group(C-H) 및 3500 cm^-1이상(피크 1)에서 나타난 hydroxyl group이 표면활성기로 존재함을 확인하였다.
농도별 흡착속도실험은 brilliant blue FCF의 초기농도를 10, 20, 30 mg/L로 조정한 상태에서 100 rpm으로 24시간 흡착을 실시하고 1시간 간격으로 농도를 측정하였다. 등온흡착속도실험은 313, 323 K에서 초기농도 30 mg/L의 용액 50 mL에 침지활성탄 500 mg을 첨가하여 같은 방법으로 흡착시킨 후 매시간별로 흡착속도를 분석하였다.
농도별 흡착속도실험은 brilliant blue FCF의 초기농도를 10, 20, 30 mg/L로 조정한 상태에서 100 rpm으로 24시간 흡착을 실시하고 1시간 간격으로 농도를 측정하였다. 등온흡착속도실험은 313, 323 K에서 초기농도 30 mg/L의 용액 50 mL에 침지활성탄 500 mg을 첨가하여 같은 방법으로 흡착시킨 후 매시간별로 흡착속도를 분석하였다.
등온흡착실험은 303, 313, 323 K에서 초기농도 30 mg/L인 brilliant blue FCF 용액 50 mL에 침지 활성탄을 100~1,000 mg(이하 건조기준질량)의 범위에서 각각 유리병에 넣고 왕복식 항온수조 (Jeiotec, BS-21)에서 100 rpm의 속도로 24시간 동안 흡착시켰다. 흡착이 끝나면 여과분리하여 여액의 농도를 UV-Vis 흡수분광기 (Shimadzu, UV-1800)를 이용하여 최대흡수파장 630 nm에서흡광도를 측정하여 결정하였다.
등온흡착평형실험은 303, 313, 323 K의 세 가지 온도에서 각각 실행하였다. brilliant blue FCF의 흡착공정에 대한 유효성과 메카니즘에 대한 정보를 얻기 위하여 실험값들을 Langmuir 와 Freundlich 등온흡착식에 적용한 결과는 각각 Fig.
흡착이 끝나면 여과분리하여 여액의 농도를 UV-Vis 흡수분광기 (Shimadzu, UV-1800)를 이용하여 최대흡수파장 630 nm에서흡광도를 측정하여 결정하였다. 또한 흡착전과 후의 표면활성기의 특성변화를 조사하기 위하여 FT-IR (Thermo Sientific Co. Nicolet 6700)을 사용 하여 분석하였다.
따라서 본 연구에서는 야자계 활성탄을 흡착제로 사용하여 brilliant blue FCF를 흡착제거하는 연구를 수행하여 흡착공정에 대한 기초자료를 얻고자 하였다. 먼저 등온 흡착실험을 통해 흡착평형인자를 평가하여 흡착조작의 타당성을 판단해 보고, 흡착속도 실험을 통하여 초기농도와 흡착온도 등이 흡착 반응에 미치는 영향과 함께 열역학 파라미터를 평가하여 흡착공정에 대한 해석을 해보았다.
5 mg으로 급격하게 감소한다. 활성탄의 투입량이 적을 때 단위질량당 흡착량은 크지만 흡착율이 낮기때문에 효율적인 측면을 고려하여 최적활성탄 첨가량을 500 mg으로 선정하고 후속 실험을 수행하였다.

대상 데이터

실험에 사용한 활성탄의 물리적 특성을 Table 1에 나타내었다. brilliant blue FCF는 C₃₇H₃₁O₉ N₂S₃Na₂ (M.W. 792.88 g/mol)의 분자식을 가지며, 오정상사(주)의 함량 85% 시판용 식용색소를 시료로 사용하였다. 3,000 mg/L의 표준원액을 만들어 두고 어두운 곳에 보관한 후 필요시 희석하여 사용 하였다.
흡착제로 사용한 야자계 입상활성탄(DY Carbon Co.)은 전처리 과정으로 순수로 수회 세척한 후 건조기로 378±1 K에서 12시간 건조한 것을 필요한 양만큼 취하여, 373 K의 순수로 2시간 동안 침지 시킨 후 사용하였다(이하 침지활성탄).

이론/모형

995)로 야자계 활성탄에 의한 brilliant blue FCF의 흡착공정은 유사이차반응속도식에 더 잘 맞는 것으로 나타났다. 또한 (3)식의 절편값과 (4)식의 기울기로부터 계산한 평형흡착량(q_e,cal) 값들을 실험값(q_e,exp)들과 비교해 보기 위해 (6)식을 사용하여 오차백분율(error percent)을 구하였다.

성능/효과

(1) 등온흡착평형관계를 검토한 결과 Langmuir 식보다 Freundlich 식이 더 잘 맞으며, Freundlich 식의 1/n 값(0.153~0.274)은 야자계 활성탄에 의한 흡착조작에 의해 brilliant blue FCF를 적절하게 처리할 수 있다는 것을 알려 주었다.
(2) 흡착공정에 대한 동력학적 해석을 통해 반응속도식의 적용결과는 유사이차반응속도식이 유사일차반응속도식에 비해 일치도가 높았으며, 계산된 평형흡착량은 실험값과 오차율 20% 이내로 잘 맞았다.
(3) 야자계 활성탄에 대한 brilliant blue FCF의 흡착반응은 온도가 올라갈수록 Gibbs 자유에너지값이 감소하였기 때문에 자발성이 높아지는 것으로 나타났고, Gibbs 자유에너지값의 크기로 부터 물리흡착공정임을 알았다. 이 흡착공정은 양수 값의 엔탈피 변화(+78.
Table 3에서 알 수 있듯이 brilliant blue FCF의 초기농도가 10, 20, 30 mg/L일 때 유사일차반응속도식에 의해 계산한 평형흡착량과 실험값에 대한 오차율은 각각 42.48%, 125.31%, 159.94%이었고, 유사이차반응속도식에 의해 계산한 평형흡착량은 17.15%, 12.27%, 18.15%로 나타났다. 따라서 본 실험조건에서는 오차율 20% 이내를 나타낸 유사이차반응속도식이 유사일차반응속도식보다 더 적합하다 것을 알 수 있었다.
15%로 나타났다. 따라서 본 실험조건에서는 오차율 20% 이내를 나타낸 유사이차반응속도식이 유사일차반응속도식보다 더 적합하다 것을 알 수 있었다.
5 라고 하였다. 본 실험에서 평가된 분리계수(1/n) 값은 0.153~0.274로 아주 효과적인 흡착조작이 가능하다는 사실을 알 수 있었다[11].
속도식에 대한 일치도를 나타내는 r2 값은 유사일차반응속도 식(0.880~0.960)<유사이차반응속도식(0.993~0.995)로 야자계 활성탄에 의한 brilliant blue FCF의 흡착공정은 유사이차반응속도식에 더 잘 맞는 것으로 나타났다.
67%에서 100%의 흡착율을 나타냈다. 실험결과에 의하면 활성탄을 900 mg 투입시 brilliant blue FCF를 100% 제거할 수 있지만 활성탄 첨가량 대비 흡착량 증가효과는 500 mg(흡착률 81.4%)까지는 직선적으로 가파른 기울기를 보이지만 그 이후의 기울기가 완만해져서 첨가량 대비 흡착률은 감소하는 것으로 나타났다. 또한 석탄계 활성탄 단위질량당의 흡착량은 활성탄의 투입량이 100 mg에서 500 mg으로 증가함에 따라 2.
야자계 활성탄에 의한 brilliant blue FCF의 흡착공정은 흡착온도가 303, 313, 323 K로 증가할수록 Gibbs 자유에너지변화값이 -4.81>-7.11>-10.33 kJ/mol 순으로 낮아졌기 때문에 흡착반응의 자발성은 온도가 올라 갈수록 더 높아진다는 것을 알 수 있었다.
3에 제시하였다. 흡착 전과 후의 FT-IR 분석결과를 비교해 본 결과, brilliant blue FCF를 흡착하기 전에는 1055 cm^-1(피크 7)에서 carbon-oxygen group(C-O), 1600 cm^-1(피크 6)에서 carbonyl group (C=O), 1760 cm^-1(피크 5) 에서 carboxy group(O=C-O), 2400 cm^-1 (피크 4) 에서 hydroxyl group(O-H), 2800 cm^-1 (피크 3)및 2900 cm^-1 (피크 2)에서 hydrocarbon group(C-H) 및 3500 cm^-1이상(피크 1)에서 나타난 hydroxyl group이 표면활성기로 존재함을 확인하였다. 흡착 후에는 피크 2(2800 cm^-1)와 3(2900 cm^-1)의 hydrocarbon group (C-H)이 소멸한 대신 피크 1(3500 cm^-1 이상)의 hydroxyl group과 피크 5(1600 cm^-1)의 carbonyl group(C=O) 및 피크 6(1760 cm^-1)의 carboxy group(O=C-O)이 아주 큰 변화를 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 논문에서 야자계활성탄을 사용하여 brilliant blue FCF 염료를 흡착하는데 필요한 흡착평형과 흡착동역학 및 열역학 파라미터에 대해서 조사를 통해 얻은 결과 3가지는?	(1) 등온흡착평형관계를 검토한 결과 Langmuir 식보다 Freundlich 식이 더 잘 맞으며, Freundlich 식의 1/n 값(0.153~0.274)은 야자계 활성탄에 의한 흡착조작에 의해 brilliant blue FCF를 적절하게 처리할 수 있다는 것을 알려 주었다. (2) 흡착공정에 대한 동력학적 해석을 통해 반응속도식의 적용결과는 유사이차반응속도식이 유사일차반응속도식에 비해 일치도가 높았으며, 계산된 평형흡착량은 실험값과 오차율 20% 이내로 잘 맞았다. (3) 야자계 활성탄에 대한 brilliant blue FCF의 흡착반응은 온도가 올라갈수록 Gibbs 자유에너지값이 감소하였기 때문에 자발성이 높아지는 것으로 나타났고, Gibbs 자유에너지값의 크기로 부터 물리흡착공정임을 알았다. 이 흡착공정은 양수 값의 엔탈피 변화(+78.59 kJ/mol)를 나타냈기 때문에 흡열반응으로 진행됨을 알았다.
	현재 식품첨가물로 허용되고 있는 색소는?	합성색소는 타르계와 비타르계로 나뉘며, 합성착색료로 많이 사용하고 있는 타르색소는 석탄 타르 중에 함유된 벤젠핵이나 나프탈렌핵으로부터 합성된 물질이다. 현재 식품첨가물로 허용되고 있는 것은 모두 산성 타르색소로써 화학구조에 따라 아조계(azo type), 크산틴계(xanthene type), 트리페닐메탄계(triphenylmethane type), 및 인디고계(sulfonated indigo type)로 분류되고 있다[1].
	합성색소란?	합성색소는 타르계와 비타르계로 나뉘며, 합성착색료로 많이 사용하고 있는 타르색소는 석탄 타르 중에 함유된 벤젠핵이나 나프탈렌핵으로부터 합성된 물질이다. 현재 식품첨가물로 허용되고 있는 것은 모두 산성 타르색소로써 화학구조에 따라 아조계(azo type), 크산틴계(xanthene type), 트리페닐메탄계(triphenylmethane type), 및 인디고계(sulfonated indigo type)로 분류되고 있다[1].

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표제어: PCR

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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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