본 연구의 목적은 메조공극 흡착제(Meso-Porous Adsorbent, MPA)에 대한 흡착특성을 평가하고, 상수원수 내 맛 냄새유발물질인 geosmin에 대한 흡착제거 특성을 회분식 실험을 통해 평가하는데 있다. 등온흡착에 대한 실험결과는 일반적으로 적용되고 있는 Langmuir식과 Freundlich식을 이용하여 분석하였으며, MPA는 Langmuir식과 Freundlich식 모두 잘 따르는 것으로 나타났다. 그리고 흡착속도 평가를 위해 1차 속도식과 2차 속도식을 각각 적용하였다. 본 흡착특성 평가결과 MPA를 이용할 경우 기존 입상활성탄에 비해 최대 흡착량이 7배 가량 낮은 것으로 나타났으나 1차 속도식 기준으로 흡착속도는 11배 이상 빠른 것으로 나타났다. 따라서 MPA를 정수장에 적용할 경우 짧은 EBCT 조건에서도 효과적으로 상수원수 내 geosmin을 제거할 수 있을 것으로 판단되며, 활성탄 공정에 비해 재생주기가 짧을 것으로 판단된다.
본 연구의 목적은 메조공극 흡착제(Meso-Porous Adsorbent, MPA)에 대한 흡착특성을 평가하고, 상수원수 내 맛 냄새유발물질인 geosmin에 대한 흡착제거 특성을 회분식 실험을 통해 평가하는데 있다. 등온흡착에 대한 실험결과는 일반적으로 적용되고 있는 Langmuir식과 Freundlich식을 이용하여 분석하였으며, MPA는 Langmuir식과 Freundlich식 모두 잘 따르는 것으로 나타났다. 그리고 흡착속도 평가를 위해 1차 속도식과 2차 속도식을 각각 적용하였다. 본 흡착특성 평가결과 MPA를 이용할 경우 기존 입상활성탄에 비해 최대 흡착량이 7배 가량 낮은 것으로 나타났으나 1차 속도식 기준으로 흡착속도는 11배 이상 빠른 것으로 나타났다. 따라서 MPA를 정수장에 적용할 경우 짧은 EBCT 조건에서도 효과적으로 상수원수 내 geosmin을 제거할 수 있을 것으로 판단되며, 활성탄 공정에 비해 재생주기가 짧을 것으로 판단된다.
The objective of this study was to evaluate the characteristic of adsorption by using a meso-porous adsorbent (MPA), and investigate the removal efficiency of geosmin which taste and odor causing compounds in drinking water supplies through batch test. The results for the adsorption isotherm was ana...
The objective of this study was to evaluate the characteristic of adsorption by using a meso-porous adsorbent (MPA), and investigate the removal efficiency of geosmin which taste and odor causing compounds in drinking water supplies through batch test. The results for the adsorption isotherm was analyzed by using the Langmuir equation and Freundlich equation, generally being applied. And the study showed that the both Langmuir and Freundlich equation explains the results better. Both of pseudo-first-order model and pseudo-second-order model were respectively applied for evaluation of kinetic sorption property of geosmin onto MPA. The adsorption experiment results using MPA showed that maximum adsorption capacity of MPA was lower 7 times than that of GAC, and adsorption rate of MPA was faster 11 times than that of GAC, on the basis of pseudo-first-order model. Therefore, it was determined that MPA was effectively able to remove geosmin in drinking water supplies in short EBCT condition, but regeneration cycle in MAP process was shorter than that in conventional process.
The objective of this study was to evaluate the characteristic of adsorption by using a meso-porous adsorbent (MPA), and investigate the removal efficiency of geosmin which taste and odor causing compounds in drinking water supplies through batch test. The results for the adsorption isotherm was analyzed by using the Langmuir equation and Freundlich equation, generally being applied. And the study showed that the both Langmuir and Freundlich equation explains the results better. Both of pseudo-first-order model and pseudo-second-order model were respectively applied for evaluation of kinetic sorption property of geosmin onto MPA. The adsorption experiment results using MPA showed that maximum adsorption capacity of MPA was lower 7 times than that of GAC, and adsorption rate of MPA was faster 11 times than that of GAC, on the basis of pseudo-first-order model. Therefore, it was determined that MPA was effectively able to remove geosmin in drinking water supplies in short EBCT condition, but regeneration cycle in MAP process was shorter than that in conventional process.
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문제 정의
신규 흡착물질에 대한 소재연구는 활발히 이뤄지고 있으나, 신규 흡착제를 현장에 적용하기 위한 기초 성능평가 및 설계인자 도출 등 에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 신규흡착물질 중 메조공극 팽창성 유기실리카 기반의 흡착제(MPA)를 이용해 흡착제의 기본 흡착성능을 규명하기 위한 등온흡착 평가와 동역학적 평가를 수행하였다.
가설 설정
두 흡착제의 흡착특성을 보다 상세하게 규명하기 위해 흡착질의 주된 확산경로를 아래와 같이 확인하였다. 흡착질의 확산경로는 크게 외부확산과 내부 확산으로 나눠진다. 이중 외부 확산 모델은 아래의 식 (9)로 제안된다.
제안 방법
본 연구에서는 메조공극 흡착제 중 하나인 MPA의 적용성 및 흡착특성을 규명하고, 기존 활성탄 공정의 대체 가능성을 평가하고자 흡착제의 특성이 잘 알려진 Norit GAC-1240과 함께 상수원수 내 주요 맛 · 냄새 유발물질인 geosmin에 대한 등온흡착 및 동역학적 평가를 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
본 실험에 사용한 메조공극 흡착제(MPA)는 흡착성능이 우수한 팽창성 메조공극 유기실리카 물질을 모래에 코팅시킨 제품이며(ABSMaterial, 미국), 본 흡착제와 비교 평가를 위해 Norit GAC 1240모델의 입상활성탄(GAC)을 선정하여 적용하였다. 본 실험을 통해 MPA의 GAC 대체 가능성을 확인하고자 두 흡착제 모두 입경 조절 없이 실험을 수행하였다.
본 실험에 사용한 오염물은 상수원수 내 대표적인 맛 · 냄새 유발물질인 geosmin (Wako, Japan)을 메탄올에 용해시켜 Stock 용액을 만들어 초순수(De-ionized distilled water)에 일정량을 주입하여 실험하였다. Geosmin 분석은 GC-MS (Gas chromatography-Mass spectrometry, GC : Agilent technologies 7890A, MS : Agilent technologies 5975C)기기를 사용하였으며, 분석조건은 위의 Table 2에 나타내었다.
데이터처리
흡착제의 흡착반응 속도 및 반응 완료 시간의 비교를 위해 동력학 실험을 진행하였으며, 시간에 따른 C/C0 결과를 Fig. 4에 나타내었다.
이론/모형
본 실험에 사용한 오염물은 상수원수 내 대표적인 맛 · 냄새 유발물질인 geosmin (Wako, Japan)을 메탄올에 용해시켜 Stock 용액을 만들어 초순수(De-ionized distilled water)에 일정량을 주입하여 실험하였다. Geosmin 분석은 GC-MS (Gas chromatography-Mass spectrometry, GC : Agilent technologies 7890A, MS : Agilent technologies 5975C)기기를 사용하였으며, 분석조건은 위의 Table 2에 나타내었다. 실험에서 사용한 geosmin의 농도가 미량이므로 SPME (Solid Phase Micro Extraction)으로 전처리를 진행하였다.
본 실험을 통해 도출된 데이터는 식 (4)와 (7)에 의한 유사 1차(pseudo-first-order) 및 유사 2차 (pseudo-second-order) 속도 모델을 적용하여 동역학적 흡착특성을 평가하였으며, 그리고 두 흡착제별 흡착질의 주된 확산경로 및 흡착특성을 규명하고자 동역학적 흡착평가로부터 도출된 데이터를 식 (9)와 (11)을 적용하여 외부확산 및 내부확산 특성을 각각 평가하였다.
본 실험을 통해 얻어진 데이터를 이용하여 MPA의 흡착 특성을 평가하기 위해 초기 geosmin 농도는 1~80 µg/L 범위에서 흡착실험을 수행하여 Langmuir식 및 Freundlich식의 등온흡착 모델에 적용하여 평가하였다.
Geosmin 분석은 GC-MS (Gas chromatography-Mass spectrometry, GC : Agilent technologies 7890A, MS : Agilent technologies 5975C)기기를 사용하였으며, 분석조건은 위의 Table 2에 나타내었다. 실험에서 사용한 geosmin의 농도가 미량이므로 SPME (Solid Phase Micro Extraction)으로 전처리를 진행하였다.
성능/효과
1) GAC가 MPA보다 geosmin에 대한 최대 흡착능력이 7배 높은 것으로 평가되었으며, 이런 최대 흡착량 차이는 GAC의 비표면적은 1,103 m2/g인 반면에 MPA는 0.52 m2/g 으로 두 흡착제간 비표면적 차이가 나타나기 때문이다. 이러한 비표면적 차이에도 불구하고 흡착량 차이가 7배로 나타난 이유는 MPA가 팽창(swell) 특성이 있어, 오염물을 흡착 후 추가적인 공극 팽창이 이뤄져 흡착 가능 표면적이 증가되었기 때문으로 사료된다.
Fig. 1의 SEM 측정결과에서 나타나듯이 GAC 표면은 다양한 입자들이 부착되어 있고 또한 거친 표면특성이 나타난 반면, MPA는 표면이 매우 매끄럽고 표면에 부착된 입자가 거의 없는 것으로 평가되었다. 그리고 Table 1에서 제시된 BET Surface area and Pore size Analyzer (BET; Belsorp Max, Bel Japan Inc.
2) MPA와 GAC의 동역학적 실험 데이터를 유사 1차 및 2차 속도론 모델에 적용하였으며, 두 흡착제는 유사 1차와 2차 속도론 모델 모두를 따르는 것으로 나타났다. MPA 및 GAC의 각각의 1차 속도반응 속도상수(k ad )는 6.
3) MPA의 경우 주로 외부확산을 통해 흡착이 이뤄지며, 내부 확산에 의한 흡착량은 미미한 것으로 나타났다.
4) MPA를 기존 활성탄을 대신하여 맛 · 냄새유발 물질 제거를 위해 정수장에 적용할 경우, MPA의 빠른 흡착속도 특성에 기인하여 기존 시설에 비해 공상접촉시간(EBCT)을 줄일 수 있다. 또한 활성탄에 비해 총 흡착용량은 7배 낮지만 흡착속도는 11배 높으므로, 짧은 EBCT 조건에서 흡착제가 가지고 있는 흡착용량 전체를 활용 가능할 것으로 판단된다.
) 평가 결과 GAC에 비해 MPA의 표면적이 2,000배 이상 작은 것을 확인 할 수 있었다. MPA의 표면적이 작은 이유는 현장 적용성을 증대시키기 위해 일반 여과모래표면에 메조공극 유기실리카 물질을 코팅하여 사용하였기 때문이며, 또한 MPA는 팽창성 유기실리카 물질로 코팅되어 있어 오염물과 접촉 시 팽창이 이뤄져 추가적인 공극을 형성하게 되지만 BET 평가 시에는 팽창된 상태의 MPA의 공극 측정은 불가능하여 비팽창된 MPA의 표면적만 측정된 것으로 판단되었다. 그리고 Energy Dispersive X-ray Spectrometer (EDS; GENESIS 2000, EDAX, USA: Linescan of Calcium and Phosphorus)를 이용한 각 흡착제의 원소조성분석결과 GAC는 탄소, 산소, 알루미늄, 실리카 등 다양한 물질로 구성된 반면, MPA는 주로 실리카, 산소, 그리고 탄소가 주성분으로 구성되어 있음을 확인할 수 있었다.
동력학 실험 결과 MPA의 경우 15분이내에 흡착 반응이 거의 완료되었으며, 본 결과를 통해 GAC 보다 MPA의 흡착반응이 상대적으로 빠른 것으로 판단된다. 결과적으로 대조군인 GAC에 비해 MPA의 흡착반응이 월등히 빠른 것으로 판단되며, 이는 MPA의 공극 및 소재의 특성에 의한 것으로 여겨진다. GAC의 경우 분산에 의해 오염물질이 미세공극으로 들어가 흡착되는데 오랜 시간이 걸리나, MAP는 메조공극형태를 지님으로써 오염물 질의 공극으로의 분산이 보다 빠른 특성을 지닌다.
MPA의 표면적이 작은 이유는 현장 적용성을 증대시키기 위해 일반 여과모래표면에 메조공극 유기실리카 물질을 코팅하여 사용하였기 때문이며, 또한 MPA는 팽창성 유기실리카 물질로 코팅되어 있어 오염물과 접촉 시 팽창이 이뤄져 추가적인 공극을 형성하게 되지만 BET 평가 시에는 팽창된 상태의 MPA의 공극 측정은 불가능하여 비팽창된 MPA의 표면적만 측정된 것으로 판단되었다. 그리고 Energy Dispersive X-ray Spectrometer (EDS; GENESIS 2000, EDAX, USA: Linescan of Calcium and Phosphorus)를 이용한 각 흡착제의 원소조성분석결과 GAC는 탄소, 산소, 알루미늄, 실리카 등 다양한 물질로 구성된 반면, MPA는 주로 실리카, 산소, 그리고 탄소가 주성분으로 구성되어 있음을 확인할 수 있었다.
4에 나타내었다. 동력학 실험 결과 MPA의 경우 15분이내에 흡착 반응이 거의 완료되었으며, 본 결과를 통해 GAC 보다 MPA의 흡착반응이 상대적으로 빠른 것으로 판단된다. 결과적으로 대조군인 GAC에 비해 MPA의 흡착반응이 월등히 빠른 것으로 판단되며, 이는 MPA의 공극 및 소재의 특성에 의한 것으로 여겨진다.
85 µg/g으로 평가되었다. 두 흡착제 모두에 대한 등온흡착모델은 실측값과 모델값의 상관계수인 R값 비교결과 Freundlich 모델과 Langmuir 모델의 상관계수가 0.94 이상으로 평가되어 두 모델 모두 실측값을 잘 설명하는 것으로 나타났다.
따라서 초기 10분을 경계로 내부확산 속도의 차이가 극명히 나타나는 MPA의 흡착반응은 막확산이 주된 흡착 기작으로 지속적인 내부 확산은 미미한 것으로 사료된다. 반면에 GAC의 경우 흡착속도와 내부 확산속도가 MPA에 비해 상대적으로 느렸으며, 또한 GAC는 표면뿐만 아니라 내부 세공도 잘 발달되었기 때문에 실험시간 동안 일정하게 오염물이 제거되는 것으로 나타났으며 내부 확산속도 역시 실험시간 동안 변화가 미미하게 나타났다.
RL 0보다 작은 경우 흡착반응은 비가역적이며, 0 < RL < 1일 경우 반응성이 높은 경우로 흡착처리가 적합함을 의미하고 RL이 1보다 큰 경우에는 반응성이 낮으므로 흡착처리가 적합하지 않음을 의미한다. 본 실험을 통해 얻은 MPA와 GAC의 RL은 각각 0.230과 0.126으로 나타나 MPA와 GAC를 이용해 geosmin을 흡착처리 하는 것이 적절한 것으로 평가되었다. 그리고 Freundlich 식으로부터 산정된 흡착능에 대한 척도를 나타내는 KF는 크면 클수록 흡착능력이 우수함을 나타내고, 1/n은 흡착강도를 나타내며 본 값이 0~1 사이에 있으면 흡착이 잘 이뤄지고 2 이상일 경우는 흡착이 불량하다고 알려져 있다.
후속연구
4) MPA를 기존 활성탄을 대신하여 맛 · 냄새유발 물질 제거를 위해 정수장에 적용할 경우, MPA의 빠른 흡착속도 특성에 기인하여 기존 시설에 비해 공상접촉시간(EBCT)을 줄일 수 있다. 또한 활성탄에 비해 총 흡착용량은 7배 낮지만 흡착속도는 11배 높으므로, 짧은 EBCT 조건에서 흡착제가 가지고 있는 흡착용량 전체를 활용 가능할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
맛 · 냄새 유발물질에는 무엇이 있는가?
맛 · 냄새 유발물질인 geosmin, 2-MIB의 제거를 위한 국내 고도처리공정은 주로 산화공정과 활성탄 흡착공정을 조합하여 적용하고 있으며, 흡착공정과 산화공정을 동시에 적용하기 때문에 과도한 운영비 및 시설비가 투입되고 있다. 또한 활성탄 재생 시에는 900~1,000℃의 고온 조건이 필요하므로 이에 따른 운영비 증대 문제 등이 나타나고 있어, 이러한 기존 공정의 한계를 극복할 수 있는 새로운 고도처리공정 필요성이 대두되고 있다.
GAC가 MPA보다 최대 흡착능력이 7배 높게 나타난 이유는 무엇인가?
52 m2/g 으로 두 흡착제간 비표면적 차이가 나타나기 때문이다. 이러한 비표면적 차이에도 불구하고 흡착량 차이가 7배로 나타난 이유는 MPA가 팽창(swell) 특성이 있어, 오염물을 흡착 후 추가적인 공극 팽창이 이뤄져 흡착 가능 표면적이 증가되었기 때문으로 사료된다.
기존 공정의 한계를 극복하고자 개발되고 있는 것은 무엇인가?
기존 공정의 한계를 극복하기 위해 활성탄을 개질하여 고기능성 및 선택성이 우수한 활성탄을 개발하거나, 신규 흡착 소재개발을 통해 이온교환수지, 탄소나노튜브, 메조공극 물질, 그래핀 등이 개발되고 있다.4) 이러한 신규 흡착제 중 메조공극 기반의 흡착제의 경우 높은 표면적, 우수한 공극 구조 등으로 인해 다양한 적용이 이뤄지고 있으며, 메조공극의 특성으로 흡착속도를 기존 활성탄에 비해 크게 증대시킬 수 있다.
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