[논문]음이온 교환수지를 이용한 포화 수산화칼슘 수용액 내 염소이온 및 황산이온 제거 특성 평가

이윤수; 진정심; 이한승

doi:10.11112/jksmi.2017.21.2.146

음이온 교환수지를 이용한 포화 수산화칼슘 수용액 내 염소이온 및 황산이온 제거 특성 평가
Performance Evaluation of Chloride and Sulfate Removal using Anion Exchange Resin in Saturated Ca(OH)2 Solutions 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.21 no.2, 2017년, pp.146 - 154

이윤수 (한양대학교 건축시스템공학과) , 진정심 (한양대학교 건축시스템공학과) , 이한승 (한양대학교 ERICA 건축학부)

초록
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최근에 구조물의 유지관리 및 보수에 관한 사안이 중요시되면서 콘크리트의 자기치유에 관한 연구가 진행되고 있다. 그러나 현재 진행되는 다수의 자기치유 콘크리트 연구는 콘크리트 유해이온의 침투경로인 내부 균열을 막는 방안에 초점을 맞추고 있다. 이와는 다르게 본 연구에서는 콘크리트 내부의 유해이온을 직접적이며 능동적으로 제어할 수 있는 소재인 이온교환수지의 적용 가능성을 보고자 한다. 이에 따라 이온교환수지를 시멘트 계 재료에 적용하기 이전에 이온교환수지의 성능평가는 배합설계 시 중요한 지표가 되기 때문에, NaCl 및 $Na_2SO_4$가 들어있는 포화 수산화칼슘 수용액 내에서 이온교환수지의 염소이온 및 황산이온 제거특성을 보았다. 본 연구에서는 음이온 교환수지를 사용하였고, 이온교환수지의 염소이온 및 황산이온 제거성능은 반응속도식과 등온흡착식을 적용하여 평가하였다. 결과적으로 포화 수산화칼슘 수용액에서 음이온 교환수지의 특성은 유사 1차 반응식과 Freundlich 등온흡착식보다 유사 2차 반응식과 Langmuir 등온흡착식에 상대적으로 더 적합하였다. 그리고 염소이온은 최대 약 1068 ppm, 황산이온은 최대 약 1314 ppm까지 제거할 수 있는 것으로 계산되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, self-healing concrete has been researched as maintenance and repair of concrete structures are important challenges we face. This paper focused on possibility of ion exchange resin as a novelty material directly and actively controlling harmful ions of concrete, whereas most self-healing concrete researches have been focused on methods to automatically filling and repairing internal crack of concrete. Because equilibrium properties between ion exchange resin and harmful ion is important before design of cement mixing proportion, it was conducted to remove chloride or sulfate in saturated $Ca(OH)_2$ solutions containing NaCl or $Na_2SO_4$. The removal performance was analyzed using kinetic equation and isothermal equation. Consequently, the removal properties of anion exchange resin were relatively more dependent on pseudo second reaction equation and Langmuir equation than pseudo first reaction equation and Freundlich equation. And it was concluded that each chloride and sulfate can be removed to the maximum 1068 ppm and 1314 ppm.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

특히, 시멘트계 재료와의 배합설계 이전에 염소이온 및 황산이온과 이온교환수지와의 반응의 평형 관계에 대한 평가가 우선적으로 진행되어야 할 필요성이 있기 때문에, 이를 등온흡착식 및 반응속도식을 이용해 분석하였다. 등온흡착식 및 반응속도식을 이용한 평가는 반응이 이루어지는 환경조건에 따라 달라질 수가 있지만, 본 논문에서는 시멘트계 재료 내의 환경을 고려하여 포화 수산화칼슘 수용액 내에서 이온교환수지의 염소이온 및 황산이온 제거능력에 대한 분석을 실시하였다.
본 연구에서는 시멘트계 재료 내 환경을 고려한 포화 수산화칼슘 수용액에서도 음이온 교환수지의 염소이온 및 황산이온 제거 능력을 확인하였다. 추가적으로 시멘트계 재료 내에서 음이온 교환수지의 염소이온 및 황산이온 제거 특성을 알아보기 위해서 추후 연구가 필요하며, 음이온 교환수지의 입도분포는 300~1000 μm이기 때문에 시멘트 모르타르의 잔골재를 일부 대체하여 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 염소이온 및 황산이온 수용액 내 음이온 교환수지의 반응속도 및 평형상태를 분석하였다. Table 2는 음이온 교환수지의 반응속도를 평가하기 위한 실험인자 및 수준이며, Table 3은 음이온 교환수지의 평형상태를 평가하기 위한 실험인자 및 수준이다.
본 연구의 목적은 이온교환수지(Ion Exchange Resin, IER)를 구조물의 내구성 향상에 기여할 수 있는 물질로써 활용할 수 있는 가능성을 제시하기 위해 우선적으로 수용액 내에서 이온교환수지의 염소이온 및 황산이온 제거 능력의 특성을 분석하는 것이다. 특히, 시멘트계 재료와의 배합설계 이전에 염소이온 및 황산이온과 이온교환수지와의 반응의 평형 관계에 대한 평가가 우선적으로 진행되어야 할 필요성이 있기 때문에, 이를 등온흡착식 및 반응속도식을 이용해 분석하였다.

제안 방법

Table 2를 보면, 음이온 교환수지의 반응속도를 평가하고자 염소이온 또는 황산이온이 들어간 증류수와 시멘트 경화체 내 공극수 환경을 고려하여 포화수산화칼슘 수용액 40 mL 내에서 실험을 진행하였다. 모든 수용액에서 염소이온 및 황산이온의 농도는 2000 ppm으로 동일하게 하였으며, 이온교환수지와의 반응시간을 1, 3, 10, 30, 60, 120분으로 달리하였다.
Table 3을 보면, 평형상태에서 음이온 교환수지의 수용력을 평가하고자 염소이온 또는 황산이온이 들어간 증류수와 시멘트 경화체 내 공극수 환경을 고려하여 포화수산화칼슘 수용액 40 mL 내에서 실험을 진행하였다. 추가적으로 염소이온과 황산이온이 1:1 비율로 존재하는 수용액 내에 각음이온의 선택성을 비교하였다.
Table 2를 보면, 음이온 교환수지의 반응속도를 평가하고자 염소이온 또는 황산이온이 들어간 증류수와 시멘트 경화체 내 공극수 환경을 고려하여 포화수산화칼슘 수용액 40 mL 내에서 실험을 진행하였다. 모든 수용액에서 염소이온 및 황산이온의 농도는 2000 ppm으로 동일하게 하였으며, 이온교환수지와의 반응시간을 1, 3, 10, 30, 60, 120분으로 달리하였다. 음이온 교환수지는 수용액 내에 1 g을 사용하였다.
염소이온과 황산이온이 공존하는 환경에서의 교환특성을 추가적으로 평가해보았다. Fig.
추가적으로, 포화 수산화칼슘 수용액 환경을 만들고자 Ca(OH)₂ (DAEJUNG, Siheung, Korea) 분말을 사용하였 다. 염소이온의 농도는 질산은 전위차적정기(Metrohm Titrator 808, Metrohm, Switzerland)를 이용하여 측정하였고 황산이온의 농도는 이온 크로마토그래피분석 장비(Thermo Scientific ICS-2100, Thermo Fisher Scientific, USA)를 이용하여 측정하였다.
추가적으로 염소이온과 황산이온이 1:1 비율로 존재하는 수용액 내에 각음이온의 선택성을 비교하였다. 음이온 교환수지를 각 음이온의 농도가 100, 250, 500, 1000, 2000 ppm으로 다른 수용액 내에서 평형상태에 이르기까지 반응을 진행하였으며, 모든 수용액 내에서 이온교환수지의 반응시간은 2시간으로 동일하게 하였다. 음이온 교환수지는 수용액 내에 1 g을 사용하였다.
각 조건에 맞는 반응이 끝난 후, 감압여과장치를 이용해 수용액 속 이온교환수지를 걸러냈다. 이온교환수지가 걸러진 수용액 내 음이온의 농도를 전위차 적정기 또는 이온 크로마토그래피분석 장비를 이용해 측정하였다.
Table 3을 보면, 평형상태에서 음이온 교환수지의 수용력을 평가하고자 염소이온 또는 황산이온이 들어간 증류수와 시멘트 경화체 내 공극수 환경을 고려하여 포화수산화칼슘 수용액 40 mL 내에서 실험을 진행하였다. 추가적으로 염소이온과 황산이온이 1:1 비율로 존재하는 수용액 내에 각음이온의 선택성을 비교하였다. 음이온 교환수지를 각 음이온의 농도가 100, 250, 500, 1000, 2000 ppm으로 다른 수용액 내에서 평형상태에 이르기까지 반응을 진행하였으며, 모든 수용액 내에서 이온교환수지의 반응시간은 2시간으로 동일하게 하였다.
본 연구의 목적은 이온교환수지(Ion Exchange Resin, IER)를 구조물의 내구성 향상에 기여할 수 있는 물질로써 활용할 수 있는 가능성을 제시하기 위해 우선적으로 수용액 내에서 이온교환수지의 염소이온 및 황산이온 제거 능력의 특성을 분석하는 것이다. 특히, 시멘트계 재료와의 배합설계 이전에 염소이온 및 황산이온과 이온교환수지와의 반응의 평형 관계에 대한 평가가 우선적으로 진행되어야 할 필요성이 있기 때문에, 이를 등온흡착식 및 반응속도식을 이용해 분석하였다. 등온흡착식 및 반응속도식을 이용한 평가는 반응이 이루어지는 환경조건에 따라 달라질 수가 있지만, 본 논문에서는 시멘트계 재료 내의 환경을 고려하여 포화 수산화칼슘 수용액 내에서 이온교환수지의 염소이온 및 황산이온 제거능력에 대한 분석을 실시하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 이온교환수지는 비드 형태의 음이온 교환수지(TRILITE SAR20 OH- form, Samyang)이다. Table 1은 본 연구에서 사용한 음이온 교환수지의 물리화학적 특성을 나타낸다.
음이온 교환수지의 평가를 위한 염소이온 및 황산이온 수용액 제조를 위해 NaCl(DAEJUNG, Siheung, Korea) 및 Na₂SO₄ (DAEJUNG, Seoul, Korea) 시약을 사용하였다. 각 유해이온 수용액은 증류수를 바탕으로 고체시약을 정량적으로 넣어 제조하였다.
각 유해이온 수용액은 증류수를 바탕으로 고체시약을 정량적으로 넣어 제조하였다. 추가적으로, 포화 수산화칼슘 수용액 환경을 만들고자 Ca(OH)₂ (DAEJUNG, Siheung, Korea) 분말을 사용하였 다. 염소이온의 농도는 질산은 전위차적정기(Metrohm Titrator 808, Metrohm, Switzerland)를 이용하여 측정하였고 황산이온의 농도는 이온 크로마토그래피분석 장비(Thermo Scientific ICS-2100, Thermo Fisher Scientific, USA)를 이용하여 측정하였다.

이론/모형

이온교환수지의 이온교환 반응은 분자가 탈착 및 흡착되는 과정과 같이 일종의 화학반응이라 볼 수가 있다. 따라서 본 연구에서는 이온교환수지의 반응속도 평가를 위해서 식 (1) 유사 일차 반응식(Pseudo first order reaction equation)과 식 (2) 유사 이차반응식(Pseudo second order reaction equation)을 적용 하였다.
실험결과를 유사 일차 반응식과 유사 이차 반응식을 적용하여 평가하였고, 이 결과의 주요 변수 및 결정계수(R²)를 Table 4에 나타냈다. 유사 일차반응 및 유사 이차반응의 속도 상수 K₁ 및 K₂는 증류수에서 보다 포화 수산화칼슘 수용액에서 더 작았다.
앞선 반응속도 평가실험에서는 음이온 교환수지의 반응속도에 관한 관점에서 평가를 진행하였다면, 평형상태 평가는 수용액 내에서 음이온 교환수지가 충분히 반응이 이루어진 조건하에서 실험이 진행되었으며 식 (3) Langmuir 등온흡착식과 식 (4) Freundlich 등온흡착식을 적용하여 평가하였다.

성능/효과

1) 증류수 조건보다 시멘트계 재료 내 환경에 가까운포화 수산화칼슘 수용액 내에서 음이온 교환수지가 평형상태에 도달하는데약 30분 늦어졌다. 이는 포화 수산화칼슘 수용액 내의 많은 수산화 이온이 염소이온 및 황산이온이 교환되는 과정에서 경쟁이온으로써 주요하게 작용된 결과로 판단된다.
2) 포화 수산화칼슘 수용액 내에서 이온교환수지 1g 당 염소 이온은 1068 ppm, 황산이온은 1314 ppm의 최대교환용량을 나타내었으며, 황산이온이 염소이온보다 pH 변화 및 칼슘이온의 영향을 더 많이 받는 결과를 나타냈다.
3) 음이온교환수지의 염소이온 및 황산이온 제거 특성은 유사 1차반응식 및 Freundlich 등온흡착식 보다 유사 2차반 응식 및 Langmuir 등온흡착식에 더 적합한 경향을 나타냈다. 이는 음이온 교환수지의 표면 단층에서 반응이 주로 일어나며, 음이온 간의 교환반응에서 물리적 결합보다 화학적 결합이 주요하게 작용하는 것으로 판단된다.
결론적으로 식 (1)과 식 (2)의 적합성을 결정계수로 판단한 결과, 증류수 내에서는 유사 일차반응과 유사 이차반응이 큰 차이를 나타내지 않는 것으로 보아 염소이온이 이온교환수지 표면으로의 흡착과 동시에 이온교환도 이루어지는 반응을 나타내는 것으로 판단된다. 그러나 포화 수산화칼슘 수용액에서는 염소이온이 이온교환수지 표면에서의 이온교환 반응이 과정에서 이온교환 시 필요한 활성화 에너지의 영향이 더 주요하게 작용할 것으로 판단된다.
결론적으로 식 (1)과 식 (2)의 적합성을 결정계수로 판단한 결과, 증류수와 포화수산화칼슘 수용액 환경에서 모두 유사 이차 반응의 적합성이 더 높은 것으로 나타났으며, 이는 황산 이온과 이온교환수지의 표면부의 흡착과정보다 교환되는데 필요한 활성화 에너지의 영향이 더 큰 것으로 판단된다.
7은 염소이온과 황산이온이 각각 1000 ppm 씩 존재하는 증류수조건에서 제거된 각 이온의 양을 나타낸다. 앞선 결과의 Langmuir 곡선과 비교했을 때 염소이온은 약 150 ppm, 황산이온은 약 195 ppm 감소한 것을 확인할 수 있다. 이 결과는 황산이온과 염소이온 사이에서 경쟁반응이 이루어진 것을 보여준다.
초기 염소이온의 농도가 높아질수록 제거된 염소 이온의 양이 많아지는 것을 볼 수 있다. 앞선 반응속도 평가에서처럼 증류수 보다 포화 수산화칼슘 수용액에서 음이온의 제거성능이 낮아졌다. Langmuir 등온흡착식을 적용하여 구한 흡착용량(Q_max)은 증류수에서 1225 ppm, 포화 수산화칼슘 수용액에서 1068 ppm이 나왔다.
01 높게 나왔다. 이 결과는 이온교환수지를 이용한 염소이온 제거특성이 증류수 및 포화 수산화칼슘 수용액에서 모두 Langmuir 흡착모델에 더 부합하는 것으로 나타났다. 즉, 이온 교환수지의 이온교환반응은 이온교환수지 표면의 단층에서 진행된다고 볼 수 있고 염소이온 교환 반응이 이루어진 위치에서 추가적인 염소이온이 교환되어 축적되지 않는 반응이며, 이온교환수지 작용기에 붙어 있는 수산화이온과 염소이온이 1:1로 교환되는 반응이라 볼 수 있다.
Langmuir 등온흡착식을 적용하여 구한 흡착용량(Q_max)은 증류수에서 2075 ppm, 포화 수산화칼슘 수용액에서 1314 ppm으로 계산되었다. 증류수 조건보다 포화 수산화칼슘 수용액 조건에서 황산이온의 제거율은 약 36% 감소된 결과를 나타냈는데, 이는 약 12% 감소된 염소이온에 비해 높은 감소율을 나타낸다. 이는 앞서 언급했듯이 pH 가 높은 조건 및 석고의 생성이 발생할 수 있기 때문으로 판단된다.

후속연구

추가적으로 시멘트계 재료 내에서 음이온 교환수지의 염소이온 및 황산이온 제거 특성을 알아보기 위해서 추후 연구가 필요하며, 음이온 교환수지의 입도분포는 300~1000 μm이기 때문에 시멘트 모르타르의 잔골재를 일부 대체하여 사용할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철근 보강된 콘크리트 구조물의 단점은?	그러나 콘크리트와 같은 세라믹 재료는 일반적으로 취성파괴가 일어나는 특성이 있기에 철근과 같은 연성이 있는 재료를 보강하여 사용하게 된다. 철근이 보강됨으로써 콘크리트 구조물은 구조적 성능이 향상될 수 있으나 철근의 부식 문제로 오히려 구조적 및 내구적 성능의 저하를 일으킬 수 있다.
	콘크리트의 열화원인인 유해 이온을 능동적으로 제어할 수 있는 소재에 관한 연구는 어떤 것들이 있는가?	철근콘크리트 구조물에 있어서 주요 유해이온으로 염소 이온(Cl-), CO2로부터 유래한 탄산 또는 중탄산 이온(CO32- 또는 HCO32-), 황산 이온(SO42-)이 있으며, 현재 이들을 능동적으로 제어할 수 있는 소재에 대한 연구가 진행되고 있다. 이에 관련한 연구는 층상이중수화물(Layered Double Hydroxide, LDH)을 이용하여 염소 이온 고정(Yoon et al., 2014; Chen et al., 2015) 및 탄산화 저항성(Duan et al., 2013)에 관한 것이 있다.
	대부분의 자기치유 콘크리트가 주안점을 두고 있는 방안은?	자기치유 콘크리트의 대부분은 콘크리트 내 균열부를 통해 침투하는 콘크리트 열화 유발인자의 주요 매개물질인 물이나 공기의 침투성이 증가하는 것을 억제하는 방안에 주안점을 두고 있다. 균열 너비에 따라 유체의 침투성이 무시될 수도 큰 영향을 줄 수도 있으나(Yue et al.

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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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