[논문]해초 Biochar를 이용한 Cr6+과 As3+ 흡착 특성

김보라; 신우석; 김영기

doi:10.14478/ace.2015.1060

해초 Biochar를 이용한 Cr6+과 As3+ 흡착 특성
Adsorption Characteristics of Cr6+ and As3+ Using Seaweed Biochar 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.26 no.4, 2015년, pp.483 - 488

김보라 (국립한경대학교 해양과학기술연구센터) , 신우석 (국립한경대학교 해양과학기술연구센터) , 김영기 (국립한경대학교 해양과학기술연구센터)

초록
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본 연구에서는 제주도에서 채집한 Hizikia fusiformis biochar를 이용하여 수용액 상에서 $Cr^{6+}$과 $As^{3+}$ 중금속의 흡착 특성을 평가하였다. $Cr^{6+}$과 $As^{3+}$ 흡착에 있어서 최적 pH는 각각 pH 2와 pH 6이었다. 동역학적 실험 결과, 대부분의 중금속이 처음 100 min 동안 흡착이 되었으며, 300 min 이후 평형에 도달하였다. 또한, 해초 biochar의 $Cr^{6+}$과 $As^{3+}$ 중금속 흡착은 유사 1차 모델과 2차 모델에서 모두 잘 부합하고 있는 것으로 나타났다. 평형 흡착 실험 결과는 Langmuir 모델에 잘 부합했고, $Cr^{6+}$ (25.91 mg/g)이 $As^{3+}$ (16.54 mg/g)보다 흡착량이 높았다. 본 연구 결과를 통해, 오염된 환경에서 해초 biochar는 $Cr^{6+}$ 및 $As^{3+}$ 중금속의 효과적인 흡착제임을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study examined the adsorption characteristics of $Cr^{6+}$ and $As^{3+}$ in the aqueous solution by Hizikia susiformis biochar which was collected from Jeju Island. The optimal pH for $Cr^{6+}$ and $As^{3+}$ adsorption were 2 and pH 6, respectively. Kinetic data showed that the adsorption occurred during the first 100 min, and the most of heavy metals were bound to biochars within 300 min. Moreover, the kinetic data presented that the course of adsorption follows the Pseudo first and second order models. The equilibrium data were well fitted by the Langmuir model and the $Cr^{6+}$ adsorption capacity (25.91 mg/g) was higher than that of $As^{3+}$ (16.54 mg/g). From these results, the seaweed biochar was shown to be a efficient adsorbent for $Cr^{6+}$ and $As^{3+}$ metals in a contaminated environment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 흔히 구할 수 있는 H. fusiformis biochar를 이용하여 음이온 중금속(Cr⁶⁺ , As³⁺)의 흡착특성을 살펴보았고 다음과 같은 결과를 얻었다.
이에 본 연구에서는 한국, 중국, 그리고 일본의 지역 연안에서 쉽게 구할 수 있는 갈색조류 중 하나인 Hizikia fusiformis를 이용하여 양이온 중금속에 비해 비교적 연구가 덜 진행되어 있는 음이온 중금속인 Cr⁶⁺ 과 As³⁺ 에 대한 흡착 특성을 검토하고, 초기 오염 농도, 흡착제와의 반응시간, 초기 pH가 Cr⁶⁺ 과 As³⁺ 흡착 특성에 미치는 영향에 대해서 분석하여 실제 해양 퇴적물의 중금속 흡착에 적용시킬 수 있는 흡착제의 개발을 시도하였다.

제안 방법

6784 2504, Japan) 를 이용하여 여과하였고, 그 후 ICP-OES (Optima 8300, PerkinElmer, USA)를 이용하여 Cr6+과 As3+의 농도를 측정하였다. 만들어진 해초 biochar의 물리화학적 특성을 분석하기 위해 Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR, VERTEX 70; Bruker, Germany)와 Scanning electron microscopy (FE-SEM, S-3500N, Hitachi Co., Tokyo, Japan) 분석을 실시하였다.
모든 실험은 교반 후, 0.45 µm의 실린지 필터(Advantes No.6784 2504, Japan) 를 이용하여 여과하였고, 그 후 ICP-OES (Optima 8300, PerkinElmer, USA)를 이용하여 Cr6+과 As3+의 농도를 측정하였다.
해초 biochar를 이용한 Cr 6+ , As 3+ 중금속 흡착 능력을 알아보기 위해, 동역학적 흡착실험(Kinetic sorption test), 평형흡착실험(Equilibrium sorption test), 그리고 pH에 따른 흡착 실험을 진행하였다. 용액은 Cr 6+과 As 3+ 가 혼합된 1000 mg/L을 표준원액(Accustandard Inc.

대상 데이터

건조 후 그라인더(SM KA-4000, PN Co., Korea)를 이용하여 파쇄하였으며, 파쇄된 biomass는 35번과 18번 표준체(Testing sieve, CHUNG GYE SANG SA, Korea)를 이용하여 0.5∼1 mm 크기로 걸러내었다.
본 실험에서는 2014년 3월에 제주도에서 채집한 H. fusiformis를 사용하였으며, 수집된 biomass는 65 ℃에서 일주일 동안 건조하였다. 건조 후 그라인더(SM KA-4000, PN Co.
해초 biochar를 이용한 Cr 6+ , As 3+ 중금속 흡착 능력을 알아보기 위해, 동역학적 흡착실험(Kinetic sorption test), 평형흡착실험(Equilibrium sorption test), 그리고 pH에 따른 흡착 실험을 진행하였다. 용액은 Cr 6+과 As 3+ 가 혼합된 1000 mg/L을 표준원액(Accustandard Inc.)으로 사용 하였으며, 이를 각 실험 조건에 맞추어 희석하여 사용하였다. 동역학적 흡착 실험은 50 mL conical tube에 해초 biochar 0.

이론/모형

3333px;">2는 유사 2차 반응 속도 상수(g/mg/min)이다. 등온 흡착 실험결과는 Freundlich model과 Langmuir model을 이용하여 분석하였다.
해초 biochar의 동역학적 흡착실험결과는 유사 1차 모델(Pseudo first-order model)과 유사 2차 모델(Pseudo second-order model)을 이용하여 분석하였다[27,28].

성능/효과

1. Cr⁶⁺ 인 경우는 pH 2에서 26.22 mg/g의 흡착 특성을 보였고 As³⁺인 경우에는 pH 6에서 30.53 mg/g의 높은 흡착 특성을 보였다.
2. Cr⁶⁺ 과 As³⁺ 중금속에 대한 평형흡착은 모두 300 min 경과 후 도달하였으며, 유사 1차 모델에서는 Cr⁶⁺ , As³⁺가 각각 21.96, 10.72 mg/g 의 흡착량을 보였으며, 유사 2차 모델에서는 각각 23.71, 11.13 mg/g 의 흡착량을 보여 두 모델에서 모두 Cr⁶⁺ 의 흡착능력이 뛰어남을 알 수 있었다.
3. Cr6+ 과 As3+ 중금속의 흡착에 있어서 적합성(R 2 )은 Freundlich 모델이 0.888∼0.951을 나타내었고, Langmuir 모델이 0.951∼0.980을 나타내고 있어 Langmuir 모델에 더 잘 부합하고 있음을 알 수 있었다.
4. Cr⁶⁺ 과 As³⁺ 의 흡착량은 타 흡착제와의 비교에서 비교적 좋은 흡착 특성을 보였고, 특히 흡착 강도를 나타내는 b는 타 흡착제들보다 높은 값을 나타내고 있어 Cr⁶⁺과 As³⁺ 의 흡착제로서 유용하다고 판단된다.
해초 biochar의 흡착 능력은 다른 여러 종류의 흡착제들과 비교해볼 수 있다(Table 3). Cr⁶⁺ 의 경우 Undaria pinnatifida, Sargassum fulvellum 그리고 Cystoseira indica를 제외한 타 흡착제들에 비해 높은 흡착량을 보였으나, As³⁺ 의 경우에는 타 흡착제에 비해 흡착량은 다소 떨어지는 경향을 보였다. 한편 흡착강도 b값은 Cr⁶⁺과 As³⁺ 에서 모두 다른 소재들에 비해 매우 뛰어난 것을 알 수 있는데, 이는 중금속 용액에서 흡착제와 흡착물질 간의 높은 친화력을 형성하는데 기여한다.
해초 biochar의 시간에 따른 음이온중금속 흡착 특성을 Figure 4, 유사 1차 모델과 2차 모델을 이용한 분석 파라메타 결과를 Table 1에 나타내었다. 실험 결과 약 300 min 경과 후 평형에 도달하는 것을 알 수 있으며, 특히 처음 100 min에서는 약 90% 이상의 대부분의 중금속이 빠르게 흡착되는 것을 알 수 있다(Figure 4). 해초 biochar의 유사 1차 모델과 2차 모델의 적절성(R 2 )을 살펴보면, 모두 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	흡착제 개발 연구에서 활성탄이 가장 큰 주목을 받은 이유는 무엇인가?	따라서 이를 보완할 수 있는 친환경적이고 경제적인 흡착 방법이 주목받고 있다[11,12]. 활성탄, 실리카, 그리고 그래핀 등의 물질이 흡착제로서 사용되어 졌는데[13], 이 중 활성탄은 500에서 1500 m2/g에 이르는 높은 비표면적과 다공성 구조, 그리고 표면 작용기의 넓은 스펙트럼으로 인해 가장 활발한 연구가 이루어진 흡착제이다[14]. 하지만 활성탄은 제조과정에서의 고비용의 큰 단점이 있다.
	As의 인체에 대한 유해성은 어떠한가?	Cr3+ 은 비교적 용해되지 않고 유동성이 없는 반면, Cr6+은 용해성을 가지며, CrO42- 의 형태로 유동성을 갖게 된다[3]. 유사하게, As는 대게 H2As4- , HAsO42- 그리고 AsO43- 의 형태로 존재하게 되는데[4], 이들은 강한 독성 때문에 기관지염, 아토피, 폐암 등을 유발할 뿐만 아니라 눈, 피부, 신장, 간에도 악영향을 미칠 수 있는 유해한 물질이다. 따라서 많은 국가들은 Cr과 As를 먹는 물에서의 허용치를 정하고 있는데 우리나라의 경우, As의 먹는 물 관리법의 먹는 물 수질기준은 0.
	Cr과 As의 제거에 흡착 방법이 주목받는 것은 기존 방법의 어떤 문제점을 보완하기 위함인가?	지난 수년간 Cr과 As를 제거하기 위한 연구는 광범위하게 이루어지고 있으며 전기 화학적 침전, 이온교환, 막여과, 역삼투 등의 방법이 사용된다[6-9]. 그러나 이 방법들은 많은 비용과 에너지를 요구하며, 또한 독성이 있는 슬러지나 다른 부산물들을 발생시킨다[10]. 따라서 이를 보완할 수 있는 친환경적이고 경제적인 흡착 방법이 주목받고 있다[11,12].

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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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