[논문]활성탄을 이용한 Acid Green 27의 흡착평형, 동역학 및 열역학 파라미터의 연구

이종집

doi:10.9713/kcer.2017.55.4.514

활성탄을 이용한 Acid Green 27의 흡착평형, 동역학 및 열역학 파라미터의 연구
Adsorption Equilibrium, Kinetic and Thermodynamic Param 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.55 no.4, 2017년, pp.514 - 519

초록
AI-Helper

활성탄을 사용하여 흡착제의 양, pH, 초기농도, 접촉시간과 온도를 흡착변수로 acid green 27 염료의 흡착특성을 조사하였다. 흡착평형자료는 Freundlich와 Langmuir 등온식을 사용하여 해석하였는데, Freundlich 식이 더 좋은 일치도를 나타냈다. 평가된 Freundlich 분리계수(1/n=0.293~0.387)로부터 활성탄에 의한 acid green 27의 흡착조작이 효과적인 처리방법이 될 수 있음을 알았다. 흡착속도실험 결과는 유사이차 반응속도식에 잘 맞았으며, 유사이차속도상수($k_2$)값은 acid green 27 초기농도가 증가할수록 감소하였다. 활성화에너지값(10.457 kJ/mol)과 표준엔탈피변화값(76.946 kJ/mol)으로 흡착공정이 물리흡착이고 흡열반응임을 알았다. 298~318 K 범위에서 Gibbs 자유에너지값은 온도가 올라갈수록 감소하였기 때문에 흡착반응은 온도가 올라갈수록 더 자발적으로 일어났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Adsorption characteristics of acid green 27 dye using activated carbon were investigated as function of adsorbent dose, pH, initial concentration, contact time and temperature. Freundlich isotherm explained adsorption of acid green 27 dye very well and Freundlich separation factors (1/n=0.293~0.387) were found that this process could be employed as effective treatment method. Kinetic studies showed that the kinetic data were well described by the pseudo second-order kinetic model. Pseudo second rate constant ($k_2$) decreased with the increase in initial acid green 27 concentration. Activation energy (10.457 kJ/mol) and enthalpy (79.946 kJ/mol) indicated that adsorption process was physisorption and endothermic. Since Gibbs free energy decreased with increasing temperature, spontaneity of adsorption reaction increased with increasing temperature in the temperature range of 298 K~318 K.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 야자계 활성탄에 대한 AG 27 염료의 흡착에 있어서 흡착평형과 흡착동역학 및 열역학 파라미터들을 조사하여 얻은 결론은 다음과 같다.
따라서 AG 27에 대한 흡착실험과 흡착특성에 대한 조사가 필요하다고 판단하였다. 본 연구에서는 활성탄을 흡착제로 사용하여 AG 27을 흡착제거하는 과정을 대상으로 활성탄의 양과 pH가 흡착에 미치는 영향을 먼저 조사하고, 등온흡착실험을 통하여 Langmuir와 Freundlich식의 흡착평형인자를 평가하여 활성탄을 사용한 흡착조작의 유효성을 판단해 보고자 하였다. 흡착속도 실험을 통하여 AG 27의 초기농도와 흡착온도 등이 흡착반응에 미치는 영향을 고찰하여 동역학적인 해석과 함께 열역학적 파라미터를 조사하여 흡착반응의 자발성과 흡열 또는 발열 반응인지 해석하였다
본 연구에서는활성탄을 흡착제로 사용하여 아직까지 조사한 적이없는 AG 27 염료를 흡착제거하는 과정을 진행하였다. pH와 염료의 초기농도, 온도를 변수로 두고 Langmuir와 Freundlich 식의 흡착평형인자를 평가하여 흡착제로서 활성탄이 잘 맞는지 알아보고자 하였고, 흡착속도 실험을 통하여 AG 27의 초기농도, 흡착온도 등이 흡착반응에 미치는 영향을 고찰하고, 동력학적 데이터와 열역학적 파라미터를 조사하여 흡착공정을 해석하고자 하였다.

제안 방법

본 연구에서는활성탄을 흡착제로 사용하여 아직까지 조사한 적이없는 AG 27 염료를 흡착제거하는 과정을 진행하였다. pH와 염료의 초기농도, 온도를 변수로 두고 Langmuir와 Freundlich 식의 흡착평형인자를 평가하여 흡착제로서 활성탄이 잘 맞는지 알아보고자 하였고, 흡착속도 실험을 통하여 AG 27의 초기농도, 흡착온도 등이 흡착반응에 미치는 영향을 고찰하고, 동력학적 데이터와 열역학적 파라미터를 조사하여 흡착공정을 해석하고자 하였다.
등온흡착실험은 298, 308, 318 K에서 초기농도 100 mg/L인 AG27 50 mL에 침지 활성탄을 100~1,000 mg(이하 건조기준질량)의 범위에서 각각 유리병에 취한다음, 왕복식 항온진탕기에서 100 rpm의 속도로 24시간 동안 흡착시켰다. 농도별 흡착속도실험은 초기농도 50, 100, 150 mg/L인 AG 27 용액 50 mL에 침지활성탄 1,000 mg을 왕복식 항온진탕기에서 흡착평형에 도달 할 때까지 진탕해 주면서 매시간별로 여액의 농도를 측정하였다. 온도별 흡착속도실험은 298, 308, 318 K에서 초기농도 100 mg/L의 AG 27 용액 50mL에 침지활성탄 1,000 mg을 첨가한 후 진탕하면서 흡착시킨 후 1시간 간격으로 흡착속도를 분석하였다.
등온흡착실험은 298, 308, 318 K에서 초기농도 100 mg/L인 AG27 50 mL에 침지 활성탄을 100~1,000 mg(이하 건조기준질량)의 범위에서 각각 유리병에 취한다음, 왕복식 항온진탕기에서 100 rpm의 속도로 24시간 동안 흡착시켰다. 농도별 흡착속도실험은 초기농도 50, 100, 150 mg/L인 AG 27 용액 50 mL에 침지활성탄 1,000 mg을 왕복식 항온진탕기에서 흡착평형에 도달 할 때까지 진탕해 주면서 매시간별로 여액의 농도를 측정하였다.
염료의 흡착을 효과적으로 진행하기 위해서는 흡착제 단위질량당 염료의 흡착률이 높은 것이 필요하다. 따라서 활성탄의 첨가량이 1,000 mg이 넘으면 첨가량 대비 흡착백분율이 감소하는 것으로 나타난 점을 고려하여 활성탄투입량을 1,000 mg으로 선정하고 후속 실험을 수행하였다. 직선 형태로 흡착백분율이 증가하였다.
농도별 흡착속도실험은 초기농도 50, 100, 150 mg/L인 AG 27 용액 50 mL에 침지활성탄 1,000 mg을 왕복식 항온진탕기에서 흡착평형에 도달 할 때까지 진탕해 주면서 매시간별로 여액의 농도를 측정하였다. 온도별 흡착속도실험은 298, 308, 318 K에서 초기농도 100 mg/L의 AG 27 용액 50mL에 침지활성탄 1,000 mg을 첨가한 후 진탕하면서 흡착시킨 후 1시간 간격으로 흡착속도를 분석하였다.
활성탄의 투입량에 따른 Acid Green의 흡착백분율을 알아보기 위하여, 초기농도 100 g/mL인 AG 27 용액 50 mL에 대하여, 침지활성탄을 100~1,000 mg(건조기준 질량) 범위에서 각각 다르게 유리병에 넣고, 298 K의 왕복식 항온진탕기(Jeio Tek, BS-21)에서100 rpm의 속도로 24시간 동안 흡착시킨 후 잔류 농도를 UV-Vis 흡수분광기(Shimadzu, UV-1800)로 측정하여 흡착율을 결정하였다. pH에 의한 흡착실험은 100 mg/L의 AG 27 용액 50 mL를 NaOH와 HCl을 사용하여 각각 pH 3~11로 만든 후 유리병에 넣고 298 K,100 rpm으로 24시간 진탕하였다.
본 연구에서는 활성탄을 흡착제로 사용하여 AG 27을 흡착제거하는 과정을 대상으로 활성탄의 양과 pH가 흡착에 미치는 영향을 먼저 조사하고, 등온흡착실험을 통하여 Langmuir와 Freundlich식의 흡착평형인자를 평가하여 활성탄을 사용한 흡착조작의 유효성을 판단해 보고자 하였다. 흡착속도 실험을 통하여 AG 27의 초기농도와 흡착온도 등이 흡착반응에 미치는 영향을 고찰하여 동역학적인 해석과 함께 열역학적 파라미터를 조사하여 흡착반응의 자발성과 흡열 또는 발열 반응인지 해석하였다

대상 데이터

수증기활성화법으로 제조한 야자계 입상활성탄(DY Carbon Co.)은 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).

이론/모형

활성탄에 대한 AG 27의 흡착기구를 찾기 위하여, 농도별 흡착속도실험 결과를 유사일차 반응속도식과 유사이차 반응속도식에 적용하여 보았다.

성능/효과

(1) 활성탄에 의한 AG 27 염료의 흡착은 AG 27 이 해리하여 말단기가 SO3− 의 음이온 상태가 되기 때문에 활성탄의 표면이 양이온 상태인 산성영역에서 흡착율이 향상되었다.
(2) 등온흡착실험 결과 Freundlich 식이 Langmuir 식보다 더 잘 맞으며, Freundlich 식의 평가된 흡착 상수 1/n 값은 0.293~0.387로 흡착조작이 아주 효과적인 범위인 1/n<0.5에 속하였다
(3) 흡착속도실험 결과는 AG 27의 초기농도가 증가할수록, 흡착온도가 높을수록 활성탄에 대한 평형흡착량이 증가하는 것으로 나타났다. 반응속도식의 적용결과는 유사이차 반응속도식이 유사일차 반응속도식보다 일치도가 높았으며, 식으로부터 계산된 평형 흡착량과 실험값 사이의 오차율도 더 작았다.
(4) 활성탄에 대한 AG 27 염료의 흡착반응에서 평가된 활성화에너지값(10.457 kJ/mol)과 엔탈피변화값(76.946 kJ/mol)으로부터 흡착공정이 물리흡착 및 흡열반응임을알았다. 298 K~318 K 범위에서 Gibbs 자유에너지값은 온도가 올라갈수록 작아졌기 때문에 흡착반응은 온도가 증가할수록 자발성이 더 높아졌다.
Table 5에서 알 수 있듯이 AG 27의 초기농도가 50, 100, 150mg/L일 때 유사일차 반응속도식에 의해 계산한 오차율은 각각 39.49%, 50.84%, 57.97% 이었고, 유사이차 반응속도식에 의해 계산한 평형흡착량은 25.96%, 13.07%, 8.50%로 나타났다. 따라서 본 실험조건에서는 유사이차 반응속도식이 유사일차 반응속도식보다 상대적으로 더 적합하다는 것을 알 수 있었다.
9%의 흡착백분율을 나타내었다. pH를 조정하지 않았을 때의 흡착백분율이 81.2%임을 감안하면 산성영역인 pH 3과 4에서 각각 8.7%와 0.8%의 흡착백분율이 향상된 것을 알 수 있었다. 산성영역에서의 흡착백분율이 높은 이유는 Acid Green 27은 물 속에서 해리하여 말단기가 SO₃^-의 음이온 상태가 되는데 반해 활성탄은 산성 영역에서 수소 이온을 흡착하여 흡착표면이 양이온성으로 되기 때문에 둘 사이의 정전기적 인력에 의해 흡착한다.
50%로 나타났다. 따라서 본 실험조건에서는 유사이차 반응속도식이 유사일차 반응속도식보다 상대적으로 더 적합하다는 것을 알 수 있었다. 현재 유사이차 반응속도식은 대부분의 흡착제-흡착질 시스템의 실험에서 실험데이터와 잘 맞아서 흡착시스템에서 널리 사용되어 지고 있다[14].
052 kJ/mol 로 작아지는 경향을 나타냈다. 따라서 온도가 올라 갈수록 흡착반응의 자발성도 커진다는 것을 알 수 있었다. 또한 활성탄에 의한 AG 27의 흡착공정의 Gibbs 자유에너지변화값이 일반적인 물리흡착의 영역인ΔG = −20~0 kJ/mol 범위에 속한다는 것을 확인하였다[16].
50%)의 범위에서 유사이차 반응속도식에 잘 맞는다는 것을 알 수 있다. 또한 흡착공정의 반응온도가 증가할수록 평형 흡착량과 속도상수가 증가하는 것으로 나타났다.
(3) 흡착속도실험 결과는 AG 27의 초기농도가 증가할수록, 흡착온도가 높을수록 활성탄에 대한 평형흡착량이 증가하는 것으로 나타났다. 반응속도식의 적용결과는 유사이차 반응속도식이 유사일차 반응속도식보다 일치도가 높았으며, 식으로부터 계산된 평형 흡착량과 실험값 사이의 오차율도 더 작았다.
값을 나타내었다. 본 실험의 K_F 값은 1.180~1.437 로 활성탄에 의한 AG 27의 흡착능력이 다른 흡착제를 사용한 AG 25와 크게 차이나지 않는 것을 알 수 있었다.
7이며, 각 반응온도에서의 평형흡착량과 속도상수를 계산한 결과는 Table 6과 같다. 세 온도에서 상관계수, r²≧0.990 이상이고, 평형흡착량도 실험값과 오차율 20%이내(19.00%, 15.13%, 12.50%)의 범위에서 유사이차 반응속도식에 잘 맞는다는 것을 알 수 있다. 또한 흡착공정의 반응온도가 증가할수록 평형 흡착량과 속도상수가 증가하는 것으로 나타났다.
속도식에 대한 일치도를 나타내는 상관계수(r2)값은 유사일차 반응속도식(0.956~0.979)>유사이차 반응속도식(0.984~0.995)로 활성탄에 의한 AG 27의 흡착공정은 유사이차 반응속도식이 상대적으로 더 잘 맞음을 알 수 있었다.
활성탄을 사용한 AG 27의 흡착에 있어서 pH가 흡착에 미치는 영향을 알아내기 위하여 실험한 결과는 Fig. 2와 같이 pH가 낮은 산성영역에서 흡착백분율이 높은 것으로 나타났으며, pH 3에서 89.9%의 흡착백분율을 나타내었다. pH를 조정하지 않았을 때의 흡착백분율이 81.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	활성탄이 액체 및 기체 정화에 잘 쓰이는 이유는?	현재 염색폐수의 처리방법에는 전기분해법, 오존산화처리, 응집처리, 생물학적 처리 등 여러 가지 방법이 있지만 대부분 처리 공정이 복잡하고, 비용이 많이 소요되어 경제적으로 효율성이 떨어진다. 활성탄은 미세한 기공구조를 가진 흡착제로 큰 비표면적에 기인한높은흡착용량응가지고있기때문에이와같은문제를보완하고유기미세오염물질의 효율적인 제거와 수 처리 과정의 비용을 절감할 수 있어서 액체와 기체 정화 모두에서 가장 많이 이용되고 있다[1-3]
	염색폐수의 처리방법은 어떤 방법이 있으며, 이들의 공통된 문제점은 무엇인가?	현재 염색폐수의 처리방법에는 전기분해법, 오존산화처리, 응집처리, 생물학적 처리 등 여러 가지 방법이 있지만 대부분 처리 공정이 복잡하고, 비용이 많이 소요되어 경제적으로 효율성이 떨어진다. 활성탄은 미세한 기공구조를 가진 흡착제로 큰 비표면적에 기인한높은흡착용량응가지고있기때문에이와같은문제를보완하고유기미세오염물질의 효율적인 제거와 수 처리 과정의 비용을 절감할 수 있어서 액체와 기체 정화 모두에서 가장 많이 이용되고 있다[1-3]
	AG 27의 흡착평형관계에 대해 Langmuir식보다 Freundlich식이 더 잘 맞는다는 것은 무엇을 의미하는가?	955으로활성탄에 의한 AG 27의 흡착평형관계는 Freundlich 식에 약간 더 잘 맞는 것으로 나타났다. 이것은 활성탄표면의 에너지 분포가 불균일하며, AG 27의흡착이 다분자층으로일 어날 가능성이 더 높다는 것을 의미한다[10].

참고문헌 (18)

Robinson, T., Chandran, B. and Nigam, P., "Removal of Dyes from a Synthetic Textile Dye Effluent by Biosorption on Apple Pomace and Wheat Straw," Water Res. 36, 2824-2830(2002).

상세보기
Qi, J., Li, Z., Guo, Y. and Xu, H., "Adsorption of Phenolic Compounds on Micro- and Mesoporous Rice Husk-Based Active Carbons," Mater. Chem. Phys. 87, 96-101(2004).

상세보기
Attia, A. A., Girgis, B. S. and Fathy, N. A., "Removal of Methylene Blue by Carbons Derived from Peach Stones by $H_3PO_4$ Activation: Batch and Column Studies," Dyes Pigments, 76, 282-289(2008).

상세보기
Secula, M. S., Cagnon, B., Crettescu, I., Diaconu, M. and Petrescu, S., "Removal of an Acid Dye from Aqueous Solutions by Adsorption on a Commercial Granular Activated Carbon: Equilibrium, Kinetic and Thermodynamic Study," St. Cerc. St. CICBIA, 12(4), 307-322(2011).
Hammed, B. H., Ahmad, A. A. and Aziz, N., "Isotherms, Kinetics and Thermodynamics of Acid Dye Adsorption on Activated Palm Ash," Chem. Eng. J. 133, 195-203(2007).

상세보기
Jailkumar, V., "Effect of Biosorption Parameters Kinetics Isotherm and Thermodynamics for Acid Green dye Biosorption from Aqueous Solution by Brewery Waste," Int'l. J. Chem. 1, 1 (2009).

상세보기
Ansari, R. and Seyghali, B., "Application of Wood Sawdust Modified with Cationic Surfatants for Efficient Removal of Acidic Dyes from Aqueous Solutions: Kinetic and Themodynamic Studies," Eur. Chem. Bull., 2, 499-506(2013).
R. Parimalam, Raj, V., and Sivakumar, P., "Removal of Acid Green 25 from Aqueous Solution by Adsorption, J. Chem., 9(4), 1683-1698(2012).
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).

상세보기
Lee, J. J., "Isotherm, Kinetic and Thermodynamic Characteristics for Adsorption of Congo Red by Activated Carbon," Korean Chem. Eng. Res., 53(1), 64-70(2015).

원문보기 상세보기
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).

상세보기
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. Eng. J., 168, 77-85(2011).

상세보기
Lee, J. J., "Equilibrium, Kinetic and Thermodynamic Parameter Studies on Adsorption of Acid Yellow 14 Using Activated Carbon," Korean Chem. Eng. Res., 54(2), 255-261(2016).

원문보기 상세보기
Vargas, A. M. M., Cazetta, A. L., Martins, A. C., Moraes, J. C. G., Garcia, E. E., Gauze, G. F., Costa, W. F., and Almedia, V. C., "Kinetics and Equilibrium Studies : Adsorption of Food Dyes Acid Yellow 6, Acid Yellow 23, and Acid Red 18 on Acitivated Carbon from Flamboyant Pods," Chem. Eng. J., 181-182, 243-250(2012).

상세보기
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).

상세보기
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).
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).

상세보기
Peng, X. HU, X. Fu, D. and Lam, F. L. Y., "Adsorption Removal of Acid Black 1 from Aqueous Solution Using Ordered Mesoporous Carbon," Appl. Surf. Sci., 294, 71-80(2014).

상세보기

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증