[논문]자동차 폐타이어로부터 발달된 탄소질 흡착제에 의한 Cd의 흡착

김연정; 우은정; 최종하; 홍용표; 김대익; 유건상

doi:10.5012/jkcs.2017.61.6.339

자동차 폐타이어로부터 발달된 탄소질 흡착제에 의한 Cd의 흡착
Adsorption of Cd on Carbonaceous Adsorbent Developed from Automotive Waste Tire 원문보기

대한화학회지 = Journal of the Korean Chemical Society, v.61 no.6, 2017년, pp.339 - 345

김연정 (안동대학교 공동실험실습관) , 우은정 (안동대학교 응용화학과) , 최종하 (안동대학교 응용화학과) , 홍용표 (안동대학교 응용화학과) , 김대익 (전남대학교 전기전자통신컴퓨터공학부) , 유건상 (안동대학교 응용화학과)

초록
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자동차 폐타이어 분말(WTP)을 질소분위기 하에서 2시간 동안 $400^{\circ}C$의 온도에서 열처리하여 탄소질 흡착제(CA-WTP)로 만들고, 이들에 대한 열 중량 분석, 에너지 변환 X-선 분석, 주사전자 현미경, 비표면적 측정, 적외선 분광기들을 통해 특성을 파악한 후, 수중의 Cd의 제거를 위한 흡착제로서 시험하였다. 열처리한 CA-WTP는 WTP보다도 매우 높은 비표면적과 총 세공부피 그리고 Cd에 대해 높은 흡착효율을 나타내었다. 흡착의 평형 데이터는 Freundlich와 Langmuir 흡착 등온선 모델을 이용하여 평가하였고, 위 두 흡착 등온선 모두 0.95보다 큰 상관계수($R^2$) 값을 나타내었다. 연구의 결과는 열처리 한 폐타이어 분말(CA-WTP)이 수중으로부터 Cd을 흡착하는데 효율적인 흡착제로 사용될 수 있다는 것을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Carbonaceous adsorbent (CA-WTP) was prepared by heat treatment at $400^{\circ}C$ for 2 h in N2 atmosphere using waste tire powder (WTP). WTP and CA-WTP were first characterized by thermo-gravimetric analysis (TGA), energy dispersive X-ray spectrometer (EDS), scanning electron microscopy (SEM), specific surface area analysis (BET) and FT-IR spectroscopy. Then, they were tested as adsorbents for removal of Cd in water. CA-WTP exhibited much higher specific surface area and total pore volume than WTP itself and showed higher adsorption capacity for Cd. Equilibrium data of adsorption were analyzed using Freundlich and Langmuir isotherm models. It was seen that both Freundlich and Langmuir isotherms have correlation coefficient $R^2$ value larger than 0.95. The results of studies indicate that CA-WTP developed from WTP by heat treatment could be used as efficient adsorbent for the removal Cd from water.

주제어

표/그림 (15)

그림 Figure 1. TG-DTA curve of WTP.
그림 Figure 2. TG-DTA curve of CA-WTP.
그림 Figure 3. EDS spectrum of WTP.
그림 Figure 4. EDS spectrum of CA-WTP.
그림 Figure 5. FT-IR spectra of WTP.
그림 Figure 6. FT-IR spectra of CA-WTP.
그림 Figure 7. Photography of SEM of WTP.
그림 Figure 8. Photography of SEM of CA-WTP.
표 Table 1. Atomic weight(%) of each element for XTP and CA-XTP
표 Table 2. BET, total pore volume, and pore size
그림 Figure 9. Adsorption efficiency of Cd by WTP with contact time and concentration.
그림 Figure 10. Adsorption efficiency of Cd by CA-WTP with contact time and concentration.
그림 Figure 11. Freundlich isothermal adsorption of Cd for CA-WTP.
그림 Figure 12. Langmuir isothermal adsorption of Cd for CA-WTP.
표 Table 3. Coefficient for isothermal adsorption of Cd

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구의 목적은 폐타이어를 적절한 온도로 열처리하여 탄소질 흡착제를 개발하고 이 흡착제를 이용하여 수중에 있는 Cd을 제거하는 것이다. 흡착 실험은 회분식 조작(batch operation)으로 진행하였으며 pH, 흡착제의 주입양, 흡착질의 농도, 그리고 교반 시간(agitation time)의 변화에 따른 실험 데이터를 흡착 등온선(adsorption isotherm)에 적용시켜 이 흡착제에 대한 Cd의 흡착특성을 평가하였다.

제안 방법

Cd에 대한 흡착능력을 조사하기 위해 Cd의 저장용액을 희석하여 5, 10, 25, 50 mg/L를 제조한 후 플라스크에 500 mL 용액 당 5.0 g의 WTP와 CA-WTP를 각각 넣고 마그네틱 바를 이용하여 실온에서 100 rpm의 속도로 교반하였다. 교반하는 동안 각 시료를 일정한 시간(10분, 30분, 1시간,2시간, 4시간 8시간)마다 25 mL씩 수거한 후 10분 동안 1500 rpm의 조건에서 원심 분리하였다.
WTP와 CA-WTP의 화학적 조성, 작용기 및 물리·화학적 특성들은 열 중량 분석기(TG-DTA, TG-8120, Rigaku, Japan),에너지분산형 X-선분광기(Energy Dispersive X-ray Spectrometer,VEGA II LMU, Tescan, Czech), 주사 전자현미경(SEM, JSM6300, Jeol, Japan), 비표면적 측정기(BET, ASAP-2010, USA),그리고 적외선 분광기 (FT-IR; Fourier-Transform Infrared Spectrometer, Infiniti 60MI, Mattson, USA)를 이용하여 분석하였다.
본 연구는 폐타이어 분말(WTP) 자체와 400 ^oC로 열처리한 폐타이어 분말(CA-WTP)을 이용하여 수중의 Cd을제거할 수 있는지 그 가능성을 탐구하였고 다음과 같은 결론을 얻었다.
CA-WTP의 회분 함량이 높은 것은 열 처리 시 수소, 유기 황, 휘발성 물질, 그리고 기름이 제거됨에 따라 CA-WTP가 거의 무기질 탄소와 회분만으로 구성된 시료라는 것을 의미한다. 특별이 CA-WTP의 열중량 분석을 통해 400 ^oC 근처에서 탄소가 가장 적게 감소된다는 것을 확인할 수 있었으며 이를 통해 폐타이어 분말을 400 ^oC에서 탄화시킨 CA-WTP를 Cd의 흡착을 위한 흡착제로 선정하였다.
본 연구의 목적은 폐타이어를 적절한 온도로 열처리하여 탄소질 흡착제를 개발하고 이 흡착제를 이용하여 수중에 있는 Cd을 제거하는 것이다. 흡착 실험은 회분식 조작(batch operation)으로 진행하였으며 pH, 흡착제의 주입양, 흡착질의 농도, 그리고 교반 시간(agitation time)의 변화에 따른 실험 데이터를 흡착 등온선(adsorption isotherm)에 적용시켜 이 흡착제에 대한 Cd의 흡착특성을 평가하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 자동차 폐타이어는 우선 전동드릴과 가위를 이용하여 잘게 만든 후 분쇄기(grinder)와 막자 사발에 넣어 갈아서 분말로 만들었다. 분말을 만드는 과정 중에 혼합되어 있는 강철과 직물은 핀셋을 이용해서 제거하였다.
시료의 균질화를 위해서 80~120 mesh 사이에 있는 자동차 폐타이어 분말(WTP; Waste Tire Powder)을본 연구의 실험 재료로 사용하였다. 본 연구의 흡착대상 물질은 Cd이며 Cd(NO₃)₂·4H₂O(삼천화학, 한국) 시약을 이용하여 100 mg/L의 Cd 저장용액을 제조한 후 희석시켜실험목적에 맞게 Cd의 농도를 조정하였다. Cd의 교정곡선(calibration curve)은 1,000 mg/L의 원자흡광 분석용 표준용액(Kanto Chemical CO.
분말을 만드는 과정 중에 혼합되어 있는 강철과 직물은 핀셋을 이용해서 제거하였다. 시료의 균질화를 위해서 80~120 mesh 사이에 있는 자동차 폐타이어 분말(WTP; Waste Tire Powder)을본 연구의 실험 재료로 사용하였다. 본 연구의 흡착대상 물질은 Cd이며 Cd(NO₃)₂·4H₂O(삼천화학, 한국) 시약을 이용하여 100 mg/L의 Cd 저장용액을 제조한 후 희석시켜실험목적에 맞게 Cd의 농도를 조정하였다.

이론/모형

WTP와 CA-WTP에 대한 Cd의 흡착 거동을 해석하기 위하여 평형상태에서 얻어진 흡착 실험의 결과들을 Friendlich와 Langmuir 흡착 등온식을 이용하여 평가하였다.
WTP와 CA-WTP에 대한 Cd의 흡착효율(adsorption efficiency)은 사용된 흡착제의 양과 용액의 부피에 따른 흡착능력의 변화를 표준화하기 위해 다음과 같은 식 (6)과 (7)의 계산법을 이용하여 구하였다.

성능/효과

(1) 에너지 변환 X-선 분석기를 통해 WTP와 CA-WTP의조성은 주로 C와 O가 대부분을 차지하였다.
(2) 비표면적, 총세공부피, 세공크기의 분석을 통해 WTP는기공이 전혀 발달하지 못해 비표면적은 매우 낮은 2.87 m²/g을 보였다. 그러나 CA-WTP는 열처리를 통해 기공이 형성되고 확장되어 총기공의 부피가 0.
(3) CA-WTP에 대한 Cd의 흡착거동은 Freundlich와 Langmuir 등온 흡착모델 모두에 잘 적용되었으며, Cd에 대해서 Freundlich 등온 흡착식의 계수 K_F와 n은 5.75과 1.90, 그리고 Langmuir 등온 흡착식의 계수 q_m과 K_L에 대해서는 34.33과 0.25을 나타내었다.
Table 3은 Cd의 CA-WTP에 대한 등온 흡착결과를 위의 2가지 흡착 등온식에 적용하여 산정한 계수를 나타낸다. CA-WTP에 대한 중금속의 흡착 능력을 나타내는 Freundlich 흡착 등온식의 K_F와 Langmuir 흡착 등온식의 q_m 상수 값은 Cd에 대해서 각각 5.75 mg/g과 34.33 mg/g을 보였다.
그림에서 보듯, 5 mg/L의 Cd 농도에서 시간이 1시간에 이르렀을 때 흡착평형에 도달하였고 이러한 경향은 10, 25, 50 mg/L 농도에서도 유사하게 나타났다. Cd의 흡착효율은 농도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다. 예를 들어, 1시간의 흡착평형 후에 각 농도의 흡착효율은 52.
5와 6에 나타내었다. FTIR 분석 결과, WTP와 CA-WTP 모두 표면에 어떠한 화학적 작용기가 확인되지 않았으며 본 연구에서 킬레이트 착물에 의한 Cd의 흡착은 이루어지지 않을 거라 판단된다.
4% 정도의 흡착효율을 나타내어 WTP와는 달리 Cd의 흡착능력이 상당히 높은 수준을 보였다. 결과적으로 열처리를 시행한 폐타이어는 활성화된 기공이 발달하여 비교적 비표면적이 높아 흡착성능이 증가됨을 알 수 있었다.
8에서와 같이 CA-WTP는 WTP보다 그 표면이 부드러워져 있으며 기공이 발달해 있다는 것을 확인 할 수 있었다. 결론적으로 열처리로 인하여 WTP의 구조가 변화되고 비표면적은 증가하였다.
WTP는주로 고무로 형성되어 있기 때문에 기공이 발달되어 있지 않아 비표면적은 예상한대로 매우 낮은 값을 보였다. 그러나 CA-WTP의 경우 WTP보다 기공이 발달하여 무려 20배 정도로 비표면적이 증가되었고 이외에도 총세공부피, 세공크기도 상당히 향상되었음을 알 수 있었다.
7에서 처럼 일반 폐타이어 입자의 표면은 고무를 형성하고 하고 있는 성분들이 산재해있고 또한 기공이 발달하지 않은 것을 볼 수 있었다. 이러한 결과를 고찰해 볼 때 폐타이어 자체에 의한 어떤 물질의 물리적 흡착은 기대하기 어렵다는 것으로 판단된다. 그러나 Fig.

후속연구

5 wt%)로 구성되어 있다. 따라서 폐타이어에 들어 있는 높은 함량의 카본 블랙과 고무를 열처리하게 되면 기존의 상업적으로 사용되는 활성탄과 같은 흡착제로서의 사용이 가능하리라 본다. 국외에서는 중금속을 제거하기 위한 매질로 폐타이어를 이용한 연구가 있었으나 아직 국내에서는 이에 관한 연구가 거의 없는 실정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Cd는 어디에 활용되고 있는가?	Cd은 주로 니켈-카드뮴 2차 전지, 강철의 부식 방지를 위한 도금, 다양한 색의 안료, 플라스틱 안정제, 합금 등의 재료로 사용되고 있다. 이렇게 광범위하게 산업체에서 사용되고 있는 Cd은 여러 중금속 중에서도 독성이 매우 크다고 알려져 있다.
	폐타이어의 성분은 어떤 것들로 구성되어 있는가?	일반적으로 폐타이어의 성분은 스티렌과 부타디엔의고무 중합체(copolymer)로 되어 있는 합성고무(45~47 wt%),카본 블랙(5~22 wt%), 강철(16.5~25 wt%), 직물(5.5 wt%),산화아연(1~2 wt%), 황(1.0 wt%), 그리고 이산화타이타늄과 이산화규소의 첨가물(5~7.5 wt%)로 구성되어 있다. 따라서 폐타이어에 들어 있는 높은 함량의 카본 블랙과 고무를 열처리하게 되면 기존의 상업적으로 사용되는 활성탄과 같은 흡착제로서의 사용이 가능하리라 본다.
	카드뮴이 인체에 어떤 영향을 미치는가?	이렇게 광범위하게 산업체에서 사용되고 있는 Cd은 여러 중금속 중에서도 독성이 매우 크다고 알려져 있다. Cd은 공기나 물 또는 오염된 식품을 통해 인체에 유입되어 간이나 신장에 축적되며 특히 신장의 여과기능을 손상시킨다. 이외에도 생식 기능의 저해로 인한 불임, 중추 신경계와 면역계의 손상, 정신 질환,고혈압, 암 등을 초래한다. 일본에서 발병된 이타이 이타이 병(한국어로 아프다 아프다)은 카드뮴 중독에 의해서 생긴 대표적인 사례 중의 하나이다.

참고문헌 (20)

Alexandre-Franco, M.; Fernandez-Gonzalez, C.; Alfaro-Dominguez, M.; Gomez-Serrano, V. J. Environ. Manage. 2011, 92, 2193.

상세보기
Gupta, V. K.; Ganjali, M. R.; Nayak, A.; Bhushan, B. Agarwal, S. Chem. Eng. J. 2012, 197, 330.

상세보기
Nieto-Marquez, A.; Pinedo-Flores, A.; Picasso, G.; Atanes, E.; Kou, R. S. J. Environ. Chem. Eng. 2017, 5, 1060.

상세보기
LIanos, J.; Camarillo, R.; Perez, A.; Canizares, P. Purif. Technol. Sep. 2010, 73, 126.

상세보기
Kwon, J. S.; Yun, S. T.; Lee, S. O.; Kim, H. Y.; Jo, J. J. Hazard. Mater. 2010, 174, 307.

상세보기
Imyim, A.; Sirithaweesit, T.; Ruangpornvisuti, V. J. Environ. Manage. 2016, 166, 574.

상세보기
7. Kim, J. K.; Hwang, S. H.; Lee, S. H.; Jung, J. H. J. Kor. Inst. Res. Recycling 2003, 12, 28.
Lee, J. Y. J. Korea Tire Manufactures Association 2005, 1, 41.
Ayanoglu, A.; Yumrutas, R. Energy 2016, 103, 456.

상세보기
Aoudia, K.; Azem, S.; Hocine, N. A.; Gratton, M.; Pettarin, V.; Seghar, S. Waste Manage. 2017, 60, 471.

상세보기
Lu, Q.; Alves de Toledo, R.; Xie, Fei.; Li, J.; Shim, H. Sci. Tot. Environ. 2017, 583, 88.

상세보기
Luo, S.; Feng, Y. Energy Conver. Manage. 2017, 136. 27.

상세보기
Lian, Fei.; Huang, F.; Chen, W.; Xing, B.; Zhu, L. Environ. Pollu. 2011, 159, 850.

상세보기
Acevedo, B.; Carmen, B. Fuel Process Technol. 2015, 134, 275.

상세보기
Troca-Torrado, C.; Alexandre-Franco, M.; Fernandez Gonzalez, C.; Alfaro-Dominguez, M.; Gomez-Serrano, V. Fuel Process Technol. 2011, 92, 206.

상세보기
Gupta, V. K.; Nayak, A.; Agawal, S.; Tyagi, I. J. Colloid Inter. Sci. 2014, 417, 420.

상세보기
Acosta, R.; Fierro, V.; Martinez de Yuso, A.; Nabarlatz, D.; Celzard, A. Chemosphere 2016, 149, 168.

상세보기
Makrigianni, V.; Giannakas, A.; Deligiannakis, Y.; Konstantinou, I. J. Environ. Chem. Engineer. 2015, 3, 574.

상세보기
Jeong, Y. K.; Min, D. K.; O, H. J. J. Kor. Soil Soc. 1986, 6, 34.
Lee, Y. D.; Ko, D. Y. Environ. Eng. Res. 2007, 29. 357.

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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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