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활성탄을 이용한 Acid Yellow 14 흡착에 대한 평형, 동역학 및 열역학 파라미터의 연구
Equilibrium, Kinetic and Thermodynamic Parameter Studies on Adsorption of Acid Yellow 14 Using Activated Carbon 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.54 no.2, 2016년, pp.255 - 261  

이종집 (공주대학교 화학공학부)

초록
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활성탄을 사용한 Acid Yellow 14 염료의 흡착 실험은 흡착제의 양, pH, 초기농도, 접촉시간과 온도를 흡착변수로 사용하여 수행하였다. 흡착평형자료는 Langmuir, Freundlich 및 Temkin 등온식을 사용하여 해석하였는데, Freundlich 식이 가장 좋은 일치도를 나타냈다. 평가된 Freundlich 상수(1/n=0.129~0.212)와 Langmuir 분리계수($R_L=0.202{\sim}0.243$)로부터 활성탄에 의한 Acid Yellow 14의 흡착조작은 적절한 처리방법이 될 수 있음을 알았다. Temkin의 흡착열관련상수(B)는 5.101~9.164 J/mol로 평가되어, 흡착공정이 물리흡착임을 알았다. 흡착속도실험자료를 유사일차반응속도식과 유사이차반응속도식에 적용해 본 결과, 흡착동력학은 유사이차반응속도식에 잘 맞는 것으로 나타났다. Gibbs 자유에너지(-4.81~-10.33 kJ/mol)와 엔탈피(+78.59 kJ/mol)는 흡착이 자발적이고 흡열공정으로 진행된다는 것을 나타낸다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Adsorption experiments of Acid Yellow 14 dye using activated carbon were carried out as function of adsorbent dose, pH, initial concentration, contact time and temperature. The equilibrium adsorption data were analyzed by Langmuir, Freundlich and Temkin isotherm model. The experimental data were bes...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 야자계 활성탄을 사용하여 Acid Yellow 14 염료를 흡착하는데 필요한 흡착평형과 흡착동역학 및 열역학 파라미터에 대하여 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
  • 따라서 Acid Yellow 14에 대한 흡착실험과 흡착특성에 대한 조사가 필요하다고 판단하였다. 본 연구에서는 활성탄을 흡착제로 사용하여 Acid Yellow 14를 흡착제거하는 과정을 대상으로 활성탄의 양과 pH가 흡착에 미치는 영향을 먼저 조사하고, 등온흡착실험을 통하여 Langmuir와 Freundlich 식의 흡착평형인자를 평가하여 활성탄을 사용한 흡착조작의 유효성을 알아보고 Temkin 식의 파라미터를 해석하여 흡착공정이 물리흡착 또는 화학흡착인지 판단해 보고자 하였다. 흡착속도 실험을 통하여 Acid Yellow 14의 초기농도와 흡착온도 등이 흡착반응에 미치는 영향을 고찰하여 동역학적인 해석과 함께 열역학적 파라미터를 조사하여 흡착반응의 자발성과 흡열 또는 발열 반응인지 해석하였다.

가설 설정

  • Langmuir는 흡착에너지가 균일한 흡착제 표면에 흡착질이 단분자층을 형성하는 것에 의해 흡착이 일어나며 흡착된 분자사이에 상호작용은 없다고 가정하였으며, 다음과 같은 식을 제시하였다
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
본 실험에서 흡착제로 사용한 것은? 흡착제로 사용한 야자계 입상활성탄(DY Carbon Co.)은 전처리과정으로 순수로 수회 세척한 후 건조기로 378±1 K에서 12시간 건조한 것을 필요한 양만큼 취하여, 348 K의 순수에 24 시간 동안 침지시킨 후 사용하였다(이하 침지활성탄). 실험에 사용한 활성탄의 물리적 특성을 Table 1에 나타내었다.
야자계 활성탄을 사용하여 Acid Yellow 14 염료를 흡착하는 연구의 결과는 어떠했는가? (1) 활성탄에 의한 Acid Yellow 14 염료의 흡착은 Acid Yellow 14가 해리하여 SO3-, Cl- 등과 같이 음이온 상태로 되므로 활성탄의 표면이 양이온 상태로 되는 산성영역인 pH 3~5에서 약 7~10%의흡착율이 향상된 것을 알았다. (2) 등온흡착평형관계를 검토한 결과 Freundlich 식이 Langmuir 식과 Temkin 식 보다 더 잘 맞으며, Freundlich 식의 평가된 1/n 값(0.204~0.243)과 Langmur 식으로 구한 RL 값(0.016~0.018)으로 부터 활성탄에 의한 Acid Yellow 14 염료의 흡착조작이 아주 효과적으로 진행 될 수 있다는 것을 알았다. 평가된 Temkin 식의 흡착열관련상수(B)는 5.101~9.164 J/mol 로 물리흡착공정임을 알았다 (3) 흡착공정에대한동력학적해석을통해반응속도식의적용결과는유사이차반응속도식이유사일차반응속도식에비해일치도가높았으며,계산된평형흡착량은실험값과오차율은농도별흡착속도실험에서는15% 이내였고, 온도별 흡착속도실험에서는 9% 이내로 잘 맞았다. (4) 활성탄에 대한 Acid Yellow 14 염료의 흡착반응은 온도가 올라갈수록 Gibbs 자유에너지값이 감소하였기 때문에 자발성이 높아지는 것으로 나타났고, 엔탈피 변화는 양수 값(+78.59 kJ/mol)으로나타나서 흡열반응으로 진행됨을 알았다.
흡착제들 중에서 활성탄이 가지는 특성은? 흡착제로는 활성탄, 점토(Clay), 실리카, 제올라이트 등과 같은 물질들이 있으며 수용액 중에 존재하는 저농도의 염료를 제거할 수 있는 가능성에 대해 조사된 바가 있다[3,4]. 흡착제들 중에서 활성탄은 코코넛 껍질, 유연탄, 톱밥, 대나무, 초본류 등 다양한 원료로부터 만들 수 있으며, 미세한 기공구조, 넓은 비표면적과 큰 흡착 용량의 독특한 특성 때문에 액체와 기체 정화 모두에서 가장 많이 이용된다[5].
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참고문헌 (20)

  1. Zhao, X., Ma, S. Q. and Lu, G. Q., "VOC Removal: Comparison of MCM-41 with Hydrophobic Zeolites and Activated Carbon," & Fuels, 12(6), 1051-1504(1998). 

  2. Yoshida, H., Okamoto, A. and Kataoka, T., "Adsorption of Acid Dye on Cross-Linked Chitosan Fibers: Equilibria," Chem. Eng. Sci. 48(12), 2267-2272(1993). 

  3. Fernandes, J., Kiwi, J., Lizama, C. Freer, J., Baeza, J. and Mansilia, H., "Fractoria Experimental Design of Orange II Photocatalytic Discoloration," J. Photochem. Photobiol. A151, 213-219(2002). 

  4. Samiey, B. and Toosi, A., "Kinetics and Thermodynamics Adsorption of Congo Red on Cellulose," Central Eur. J. Chem., 8, 906-912(2010). 

  5. Ismadji, S., Sudaryanto, Y., Hartono, S. B., Setiawan, L. E. K. and Ayucitra, A. "Activated Carbon from Char Obtained from Vacuum Pyrolysis of Teak Sawdust: Pore Structure Development and Characterization," Bioresour. Technol. 96, 1364-1369(2005). 

  6. Ashraf, M. A., Hussain, M., Mahmood, K., Wajid, A., Alias, M. Y. Y. and Yusoff, I., "Removal of Acid Yellow-17 Dye from Aqueous Solution Using Eco-Friendly Biosorbent," Desalin. Water Treat., 51(22-24), 4530-4545(2013). 

  7. Porselvi, E. and Krishnamoorthy, P., "Removal of Acid Yellow by Agricultural Waste Porselvi E," J. Mater. Environ. Sci., 5(2), 408-415(2014). 

  8. Lun, Y. K., Fung, L. K., Fong, M. S., Kwong, C. W., Nok, N. T. and Xinqing, C., "Assessment of Sericin Biosorbent for Selective Dye Removal," Chin. J. Chem. Eng., 20(3), 426-432(2012). 

  9. Malik, P. K., "Use of Activated Carbons Prepared from Sawdust and Rice-husk for Adsorption of Acid Dyes: a Case Study of Acid Yellow 36," Dye. Pig., 56(3), 239-249(2003). 

  10. Alkan, M., Demirbas, O. and Dogan, M., "Removal of Acid Yellow 49 from Aqueous Solution by Adsorption," Fresen. Environ Bull., 13(11a), 1112-1121(2004). 

  11. Iqbal, J. Wattoo, F. H., Wattoo, M. H. S, Malik, R., Tirmizi, S. A., Imran, M. and Ghangro, A. B., "Adsorption of Acid Yellow Dye on Flakes of Chitosan Prepared from Fishery Wastes," Arab. J. Chem., 4, 389-395(2011). 

  12. Ciobanu, G., Harja, M., Rusu, L., Mocanu, A. M. and Luca, C., "Acid Black 72 Dye Adsorption from Aqueous Solution by Hydroxyapatite as Low Cost Adsorbent," Korean J. Chem. Eng., 31(6), 1021-1027(2014). 

  13. Lee, J. J., "Isotherm, Kinetic and Thermodynamic Characteristics for Adsorption of Congo Red by Activated Carbon," Korean Chem. Eng. Res., 53(1), 1-7(2015). 

  14. Durala, M. U., Cavasa, L., Papageorgiouc, S. K. and Katsarosc, F. K., "Methylene Blue Adsorption on Activated Carbon Prepared from Posidonia Oceanica(L.) Dead Leaves: Kinetics and Equilibrium Studies," Chem.l Eng. J., 168, 77-85(2011). 

  15. Sivakumar, P. and Palanisamy, P. N., "Adsorption Studies of Basic Red 29 by a Non Conventional Activated Carbon Prepared from Euphorbia Antiquorum L," Int. J. Chem. Tech. Res, 1(3), 502-510(2009). 

  16. Lee, J. J., "Adsorption Kinetics and Thermodynamics of Adsorption Brilliant Blue FCF Dye onto Coconut Shell Based Activated Carbon," Korean Chem. Eng. Res., 53(3), 309-314(2015). 

  17. Monika, J., Garg, V. and Kadirvelu. D K., "Chromium (VI) Removal from Aqueous Solution, Using Sunflower Stem Waste," J. Hazard. Mater., 162, 365-372(2009). 

  18. Mital, A., "Adsorption Kinetics of Removal of a Toxic Dye, Malachite Green, from Wastewater by Using Hen Feathers," J. Hazard. Mater. B133, 196-201(2006). 

  19. Sulak, M. T. Demirbas, E. and Kobya, M., "Removal of Astrazon Yellow 7GL from Aqueous Solutions by Adsorption onto Wheat Bran," Bioresour. Technol., 98, 2590-2598(2007). 

  20. Ngah, W. S. W. and Hanafiah, M. A. K. M., "Adsorption of Copper on Rubber (Hevea Brasiliensis) Leaf Powder: Kinetic, Equilibrium and Thermodynamic Studies," Biochem. Eng. J., 39, 521-530(2008). 

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