PAN 기반 아크릴계 섬유와 DETA 및 $AlCl_3{\cdot}6H_2O$를 반응시켜 아민기($-NH_2$)를 가진 이온교환섬유 PADD를 합성하였다. 개발된 섬유상 소재는 FT-IR과 SEM을 이용하여 그 특성을 확인해 보았다. 회분식 실험으로 수행된 PADD를 이용한 크롬제거 실험 결과는 Langmuir 등온흡착모델에 잘 적용되었으며, 이때 계산된 이론적 최대흡착능 ($Q_{max}$)은 6.93 mmol/g으로 나타났다. 한편 동적흡착실험은 Lagergren 유사이차속도모델에 잘 부합되었다. PADD의 크롬 흡착능은 pH 2에서 가장 높은 값인 4.11 mmol/g을 나타내었고 pH 변화에 많은 영향을 받는 것으로 확인되었다. 또한, 인산과 비소(V)에 대한 공존이온 실험을 통해 PADD가 크롬에 대한 높은 선택성을 갖고 있음을 확인할 수 있었다. 산-염기 역적정으로 구한 PADD의 총이온교환능 (4.70 mmol/g)을 통해 소재의 선택적 제거 가능성을 검증하였다.
PAN 기반 아크릴계 섬유와 DETA 및 $AlCl_3{\cdot}6H_2O$를 반응시켜 아민기($-NH_2$)를 가진 이온교환섬유 PADD를 합성하였다. 개발된 섬유상 소재는 FT-IR과 SEM을 이용하여 그 특성을 확인해 보았다. 회분식 실험으로 수행된 PADD를 이용한 크롬제거 실험 결과는 Langmuir 등온흡착모델에 잘 적용되었으며, 이때 계산된 이론적 최대흡착능 ($Q_{max}$)은 6.93 mmol/g으로 나타났다. 한편 동적흡착실험은 Lagergren 유사이차속도모델에 잘 부합되었다. PADD의 크롬 흡착능은 pH 2에서 가장 높은 값인 4.11 mmol/g을 나타내었고 pH 변화에 많은 영향을 받는 것으로 확인되었다. 또한, 인산과 비소(V)에 대한 공존이온 실험을 통해 PADD가 크롬에 대한 높은 선택성을 갖고 있음을 확인할 수 있었다. 산-염기 역적정으로 구한 PADD의 총이온교환능 (4.70 mmol/g)을 통해 소재의 선택적 제거 가능성을 검증하였다.
Ion exchange fiber, PADD was synthesized by the reaction between PAN based acrylic fiber and DETA with $AlCl_3{\cdot}6H_2O$, and was analyzed by FT-IR and SEM to investigate its characteristics. The experimental results of Cr(VI) removal by PADD were better fitted with Langmuir adsorption...
Ion exchange fiber, PADD was synthesized by the reaction between PAN based acrylic fiber and DETA with $AlCl_3{\cdot}6H_2O$, and was analyzed by FT-IR and SEM to investigate its characteristics. The experimental results of Cr(VI) removal by PADD were better fitted with Langmuir adsorption isotherm, and the maximum uptake value ($Q_{max}$) was calculated to be 6.93 mmol/g. The kinetic data can be well described by Lagergen pseudo-second order rate model. The Cr(VI) adsorption capacity of PADD was 4.11 mmol/g at pH 2, which shows the effect of pH changes on the removal of Cr(VI). The adsorption selectivity of Cr(VI) was higher than phosphate and As(V). Total ion exchange capacity of PADD was 4.70 mmol/g, which was measured by acid-base back titration.
Ion exchange fiber, PADD was synthesized by the reaction between PAN based acrylic fiber and DETA with $AlCl_3{\cdot}6H_2O$, and was analyzed by FT-IR and SEM to investigate its characteristics. The experimental results of Cr(VI) removal by PADD were better fitted with Langmuir adsorption isotherm, and the maximum uptake value ($Q_{max}$) was calculated to be 6.93 mmol/g. The kinetic data can be well described by Lagergen pseudo-second order rate model. The Cr(VI) adsorption capacity of PADD was 4.11 mmol/g at pH 2, which shows the effect of pH changes on the removal of Cr(VI). The adsorption selectivity of Cr(VI) was higher than phosphate and As(V). Total ion exchange capacity of PADD was 4.70 mmol/g, which was measured by acid-base back titration.
본 연구에서는 수중의 6가 크롬을 처리하기 위한 아크릴계 섬유의 표면개질을 통한 이온교환체를 합성하고, 이를 이용하여 크롬 제거 효율을 평가하고자 한다. 또한, 폐수 내존재할 수 있는 공존 이온 및 유입 폐수의 성상에 따른 pH 변화가 처리 효율에 미치는 영향도 함께 고찰해 보았다.
본 연구에서는 수중의 6가 크롬을 처리하기 위한 아크릴계 섬유의 표면개질을 통한 이온교환체를 합성하고, 이를 이용하여 크롬 제거 효율을 평가하고자 한다. 또한, 폐수 내존재할 수 있는 공존 이온 및 유입 폐수의 성상에 따른 pH 변화가 처리 효율에 미치는 영향도 함께 고찰해 보았다.
제안 방법
아크릴계 섬유를 DETA와 AlCl3･6H2O를 이용하여 화학 적으로 개질한 이온교환섬유 PADD를 수용액 내 6가 크롬제거에 적용하여 등온흡착 및 동적흡착 특성과 pH 및 공존음이온의 영향을 확인한 결과 다음과 같은 결론을 얻을수 있었다.
대상 데이터
이온교환섬유를 합성하기 위한 원료섬유로는 ㈜동양/한일합섬의 아크릴계 섬유 HANILON을 사용하였다. 준비된 섬유를 에탄올을 이용하여 실온에서 하루 동안 세척하여 불순물을 제거한 후, 진공 건조하였다.
데이터처리
Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy (GX model, Perkin Elmer, USA)은 합성 후 섬유(PADD)의 구조 및 개질된 정도를 확인하기 위해 사용되었다. 섬유의 표면 형태는Field emission scanning electron microscope (FESEM, Quanta 250 FEG, FEI, USA)을 통해 관찰하였으며, 흡착 후 섬유 표면의 크롬 이온은 Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) mapping을 통해 확인하였다.
Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy (GX model, Perkin Elmer, USA)은 합성 후 섬유(PADD)의 구조 및 개질된 정도를 확인하기 위해 사용되었다. 섬유의 표면 형태는Field emission scanning electron microscope (FESEM, Quanta 250 FEG, FEI, USA)을 통해 관찰하였으며, 흡착 후 섬유 표면의 크롬 이온은 Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) mapping을 통해 확인하였다. 크롬 제거 실험에서의 반응 전후 수용액 내 크롬 농도는 Inductively coupled plasma-optical emission spectrometry (ICP-OES, Prodigy ICP, Teledyne Leeman Labs, USA)로 분석하였다.
섬유의 표면 형태는Field emission scanning electron microscope (FESEM, Quanta 250 FEG, FEI, USA)을 통해 관찰하였으며, 흡착 후 섬유 표면의 크롬 이온은 Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) mapping을 통해 확인하였다. 크롬 제거 실험에서의 반응 전후 수용액 내 크롬 농도는 Inductively coupled plasma-optical emission spectrometry (ICP-OES, Prodigy ICP, Teledyne Leeman Labs, USA)로 분석하였다.
성능/효과
1) 원료섬유와 합성된 이온교환섬유를 FT-IR로 분석한 결과, 합성 후 섬유의 C≡N (nitrile)기 피크가 작아짐을 확인할 수 있었고, 합성 이후 섬유의 평균 직경이 증가하였다.산-염기 역적정법을 통해 구한 PADD의 총이온교환능은 4.70 mmol/g으로 비교적 높은 수치임을 확인할 수 있었다.
2) Cr(VI) 제거 등온흡착실험 결과 Langmuir 등온흡착모 델이 Freundlich 모델보다 더 적합한 것으로 나타나 단분자 흡착을 통한 이온교환 반응이라는 것을 확인하였다. Langmuir 모델로부터 도출된 PADD의 크롬 최대 흡착량은 6.
3) Cr(VI) 제거 동적흡착실험 결과를 Lagergren 유사일차및 유사이차 속도모델에 적용한 결과 유사이차속도모델에더 잘 모사되었으며, 반응 초기 빠른 흡착을 통해 대부분의 흡착이 이루어짐을 알 수 있었다.
4) Cr(VI), 인산, As(V) 이온의 pH 변화에 의한 제거실험을 통해 pH에 따른 이온의 화학종 변화가 PADD의 음이온 교환능에 영향을 미치는 것을 확인하였으며, 다른 두 음이 온에 비해 Cr(VI)의 선택성이 높게 나타났다.
후속연구
상기 결과를 종합해 볼 때 본 연구에서 개발한 PADD 소재는 Cr(VI) 제거에 높은 성능이 있음을 확인할 수 있었으며, 향후 재생실험, 연속흐름실험 및 현장폐수와의 적용성 실험을 통해 그 효율 및 특성을 파악하고 최적 조건을 설계하여 실제 크롬 폐수 처리 공정에서 PADD의 활용 가능성을 확인해 볼 필요성이 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
크롬의 특징과 활용처는 무엇인가?
크롬은 높은 내식성과 경도를 가지며, 도금, 스테인레스강 제조, 안료, 가죽 무두질 등의 산업에서 다양하게 사용 된다.1,2) 한편, 다양한 산화상태를 가지는 크롬은 수중에서 주로 3+, 6+의 산화수로 존재한다.
3가 크롬의 특징은 무엇인가?
1,2) 한편, 다양한 산화상태를 가지는 크롬은 수중에서 주로 3+, 6+의 산화수로 존재한다. 3가 크롬은 수용액 상에서 양이온으로 존재하며, 중성 pH에서는 낮은 수용성을 가지는 Cr(OH) 3 형태로 나타낸다. 6가 크롬은 수용액 상에서 pH와 농도에 따라 HCrO4- , CrO42- , Cr2O72- 의 형태를 가지며, 수용성과 이동성이 높아 3가 크롬에 비해 10~100배이상 독성이 높다.
6가 크롬이 인체에 미치는 악영향은 무엇인가?
6가 크롬은 수용액 상에서 pH와 농도에 따라 HCrO4- , CrO42- , Cr2O72- 의 형태를 가지며, 수용성과 이동성이 높아 3가 크롬에 비해 10~100배이상 독성이 높다.1,2) 6가 크롬은 체내 유입시 강한 산화력 으로 간 및 신장손상, 체내 출혈, 호흡기 장애, 피부염 등을 발생시킬 수 있으며, 만성독성으로 발암성을 가진다. 3) 따라서 적절한 처리 없이 6가 크롬이 자연수계에 유입되면 환경을 오염시키고 동식물이나 미생물 등 생물체에 유해한 영향을 미칠 수 있다.
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