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문제 정의
- 그러나 커피찌꺼기에 흡착된 은 이온을 효율적으로 탈착시켜 회수하는 연구는 거의 없다. 그래서 본 연구에서는 다양한 탈착제들을 이용하여 커피찌꺼기에 흡착된 은 이온을 효율적이고 경제적으로 회수할 수 있는 최적의 탈착제를 선정한 후, 최적의 탈착조건 및 그에 따른 은 이온의 탈착특성을 조사하고자 한다.
제안 방법
- 은 이온이 흡착된 일정량의 커피찌꺼기와 100mL의 탈착용매 혼합물은 250 rpm의 속도와 25 ℃의 온도로 유지된 회전교반 인큐베이터 (Rotary shaking incubator, JEIO TECH, SI-600R, Korea)내에서 24시간동안 반응되어졌으며 이 시간은 탈착반응의 평형에 도달하는데 충분한 시간으로 알려져 있다.9) 탈착공정이 평형에 이르렀을 때 4000 rpm의 속도를 가지는 원심분리기 (Gyrozen, Gyro 1236 MG, Korea)를 이용하여 커피찌꺼기를 분리한 후, 상등액에 남아있는 은 이온의 농도를 원소흡수 분광기 (Atomic Absorption Spectroscopy, Perkin-Elmer A Analyst 100/A Analyst 700, U.S.A)를 이용하여 분석하였고 아래의 식을 이용하여 은 이온에 대한 탈착율(%)을 계산하였다.9)
- 앞의 실험방법에서 언급한 것처럼, 커피찌꺼기에 흡착된 은 이온에 대한 최적의 탈착제를 선정하기 위하여 질산, ethylene diamine tetraacetic acid (EDTA), nitrilo triacetic acid (NTA) 등이 이용되어졌으며 모든 탈착제의 농도는 1.0 M로 동일하게 하고 S/L (Ratio of Solid and Liquid) 비는 1.0으로 하였다. Fig.
- 커피찌꺼기를 이용한 은 이온의 재생실험은 탈착되어진 커피찌꺼기를 증류수로 3번 세척한 후, 50 mg/L의 농도를 가지는 은 이온 용액에 재투입 하였으며 모든 흡착실험은 이전의 연구에서 수행되어진 방법과 동일한 조건하에서 이루어졌다.8) 커피찌꺼기를 이용한 은 이온에 대한 재생실험은 4번 연속으로 수행되어졌으며, 각각의 단계에서 흡착이 평형에 도달하였을 때 아래의 식에 의하여 재사용된 커피찌꺼기에 대한 은 이온의 흡착능을 계산하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용되어진 모든 시약은 분석용 등급 (Sigma Aldrich, U.S.A)이며 Milli-Q (Millipore, Bedford, MA, U.S.A)로부터 나오는 3차 증류수를 이용하여 모든 용액을 제조하였다. 탈착실험의 구체적인 과정은 다음과 같다.
데이터처리
- 8) 커피찌꺼기를 이용한 은 이온에 대한 재생실험은 4번 연속으로 수행되어졌으며, 각각의 단계에서 흡착이 평형에 도달하였을 때 아래의 식에 의하여 재사용된 커피찌꺼기에 대한 은 이온의 흡착능을 계산하였다.
- 는 은 이온을 함유한 폐수의 최종부피 (mL) 그리고 M은 커피찌꺼기의 투입양 (g) 이다. 본 연구에서의 모든 실험들은 3번 반복하여 수행되어졌으며 제시된 실험결과들은 평균값이다.
성능/효과
- 일반적으로 S/L비의 값이 작아질수록 탈착율은 증가하는 것으로 보고되어지고 있으며 그 이유는 상대적으로 탈착시키고자 하는 흡착제의 양에 비해서 많은 양의 탈착제가 이용되어지기 때문이다.10) Fig.3은 S/L비가 증가할수록 은 이온의 탈착율이 감소함을 보여주고 있으며 특히, S/L비가 1.0 이하일 때는 약 98~100%의 탈착율을 보여주었다. 그러나 S/L 비가 3.
- 일반적으로 양이온 금속이온의 탈착기작은 염산, 황산, 질산용액과 같은 강산용액의 수소이온에 의한 이온교환에 의해서 이루어지고, 또한, ethylene diamine triaceticacid (EDTA), nitrilotriaceticacid (NTA)와 같은 킬레이팅제들에 의해서 수행되어지기도 하며 NaOH와 CaCl2 용액내의 Na+ 나 Ca2+와 같은 양이온들의 이온교환에 의해서 이루어지기도 한다.2,3,4) 최적의 탈착제는 사용되어진 흡착제와 흡착된 금속의 물성이나 특성에 의해서 정해져야 하며 흡착제의 물성이나 구조의 변화 없이 흡착제의 표면에 존재하는 금속이온을 완전히 탈착시킬 수 있어야 하며 탈착 후 농축된 금속이온들은 다양한 회수방법에 의해서 쉽게 회수될 수 있어야 한다.5)
- 0M의 질산용액을 이용하였을 때 가장 효과적이었다는 결과와 일치한다.9) 실험결과로부터, 질산용액 의 최적농도는 경제성과 효율성면에서 97.8 %의 은 이온 탈착율을 보이는 1.0 M로 정하였으며 S/L 비와 시간에 대한 은 이온의 탈착율 실험에서도 이 농도를 적용하였다. S/L비는 앞에서 언급한 것처럼, 은 이온이 흡착된 커피찌꺼기의 양 (g)을 탈착에 이용한 탈착제의 부피 (L)로 나눈 값으로 정의되며 회분식 공정에서 매우 중요한 공정인자이다.
- 0으로 하였다. Fig.1에 나타난 것처럼, 질산용액을 사용하였을 때 은 이온에 대한 탈착율이 약 97.8 %로서 NTA와 EDTA를 이용하였을 때의 각각의 탈착율인 83.1 과 82.4 %와 비교하여 상대적으로 높은 탈착율을 보여주었다. Yurtsever 등(2012)은 valonia tannin resin에 흡착된 은 이온을 1.
- 본 연구에서는 약 45.89 mg/g의 은 이온을 흡착한 커피찌꺼기가 탈착실험에 이용되어졌으며 은 이온의 흡착에 이용된 최적의 커피찌꺼기 선정과 전처리 과정 및 물리적 특성은 앞선 선행연구의 결과에 잘 나타나 있다.8)
- 0의 S/L비에서는 각각 약 70 과 55 %의 낮은탈착율을 보여주었다. 실험결과로부터 1.0의 S/L비내에서는 커피찌꺼기가 흡착된 은 이온을 1.0 M의 질산용액을 이용하여 효율적으로 탈착시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 4에 나타내었다. 실험결과로부터 시간이 증가함에 따라서 탈착율 또한 증가함을 확인할 수 있었으며 60분이 지난 후부터는 은 이온의 제거율이 거의 변함이 없었다. 이 결과는 커피찌꺼기에 흡착된 은 이온의 대부분은 1.
- 실험결과로부터 시간이 증가함에 따라서 탈착율 또한 증가함을 확인할 수 있었으며 60분이 지난 후부터는 은 이온의 제거율이 거의 변함이 없었다. 이 결과는 커피찌꺼기에 흡착된 은 이온의 대부분은 1.0 M의 질산용액에 의해서 60분 내에 탈착이 이루어지고 있음을 보여주고 있으며, 일반적인 탈착공정의 시간인 120분과 비교하였을 때에도 약 60분 정도 더 빨리 은 이온이 빠르게 탈착됨을 보여 준다.11)
- 본 연구에서도 동일한 커피찌꺼기를 이용하여 은 이온에 대한 4번의 재생 흡착능력을 실험하였으며 그 결과는 Table 2에 나타내었다. 재생전의 커피찌꺼기를 이용하였을 때의 은 이온에 대한 흡착능은 앞선 연구에서 제시하였듯이 약 45.9 mg/g 이었으며 2번의 흡착 및 탈착을 반복한 후 다시 재사용된 커피찌꺼기의 은 이온에 대한 흡착능은 43.9 mg/g로서 재생전의 흡착능에 비해서 감소율이 4.4 %로 비교적 낮아 여전히 높은 흡착능을 유지하였다. 그러나 3번의 흡착 및 탈착을 반복 한 후의 커피찌꺼기를 시용한 경우에는 은 이온에 대한 흡착능이 34.
- 지금까지의 모든 결과를 종합하여 볼 때, Table 1에서 나타낸 것처럼, 은 이온을 함유한 실제폐수로 부터 은 이온을 회수하기 위하여 커피찌꺼기에 의한 은 이온의 흡착과 1.0 M의 질산용액을 이용하면 AgNO3 형태의 질산은 용액을 약 90%정도 회수할 수 있다.
- 0 M의 질산용액에 의해서 60분 내에 빠르게 탈착이 이루어졌다. 특히, 2번의 흡착 및 탈착을 반복한 후 다시 재사용된 커피찌꺼기의 은 이온에 대한 흡착능은 43.9 mg/g로서 재생전의 흡착능에 비해서 감소율이 4.4 %로 비교적 낮아 여전히 높은 흡착능을 유지하였다. 결론적으로 폐기물인 커피찌꺼기를 흡착제로 사용할 때 다른 흡착제와 비교하여 폐기물을 흡착제로 재활용한다는 측면에서 볼 때 경제성 측면에서 우수한 장점을 가지며 또한, 흡착된 은 이온은 질산을 이용하여 효과적으로 탈착시킬 수 있으므로 향후, 실제적으로 은 이온 폐수처리공정의 흡착/회수에 충분히 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 0 M의 질산용액을 이용하여 약 96 % 탈착시킬 수 있음을 보고한 바 있다.8,9) 그래서 본 연구에서는 가장 높은 탈착율을 보인 질산용액을 최적의 탈착제로 선정하였으며 향후 모든 탈착실험에 사용하였다.
- 4 %로 비교적 낮아 여전히 높은 흡착능을 유지하였다. 결론적으로 폐기물인 커피찌꺼기를 흡착제로 사용할 때 다른 흡착제와 비교하여 폐기물을 흡착제로 재활용한다는 측면에서 볼 때 경제성 측면에서 우수한 장점을 가지며 또한, 흡착된 은 이온은 질산을 이용하여 효과적으로 탈착시킬 수 있으므로 향후, 실제적으로 은 이온 폐수처리공정의 흡착/회수에 충분히 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 그 이유는 3번째 재생에 사용되어진 커피찌꺼기의 은 이온에 대한 탈착율이 감소와 여러번의 탈착제 사용으로 인한 커피찌꺼기의 물성이나 구조가 손상되거나 변형되었기 때문인 것으로 판단된다. 실험결과로부터 페기물인 커피찌꺼기를 흡착제로 사용하여 은 이온을 흡착/회수 할 때, 원료 자체만으로도 다른 흡착제에 비해서 경제 성면에서 우수한 장점을 가질 뿐만 아니라 우수한 재생 능력까지 있어 향후 은 이온 함유 산업폐수에서 은 이온만을 선택적으로 회수할 수 있는 흡착제로서 충분히 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
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