[논문]녹차잎과 인삼잎의 중금속 흡착능 평가 연구

김소현; 송진영; 윤광석; 강은미; 송호철

doi:10.7857/jsge.2017.22.5.128

녹차잎과 인삼잎의 중금속 흡착능 평가 연구
Adsorption of Heavy Metals by Natural Adsorbents of Green Tea and Ginseng Leaves 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.22 no.5, 2017년, pp.128 - 134

김소현 (세종대학교 환경에너지융합학과) , 송진영 (세종대학교 환경에너지융합학과) , 윤광석 (세종대학교 환경에너지융합학과) , 강은미 ((주)야다) , 송호철 (세종대학교 환경에너지융합학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This work presents the adsorption capability of green tea and ginseng leaves to adsorb heavy metals such as Cd(II), Cu(II), and Pb(II) in aqueous solution. FT-IR analysis indicates the presence of oxygen containing functional groups (carboxyl groups) in two kinds of leaves. High pH condition was favorable to the adsorption of heavy metal ions due to the enhanced electrostatic attraction and the precipitation reaction of metal ions. The adsorption of Cd(II), Cu(II), and Pb(II) reached equilibrium within 10 min, achieving high removal efficiencies of 80.3-97.5%. The adsorption kinetics data of heavy metal ions were fitted well with the pseudo-second-order kinetic model. The maximum adsorption amounts of Cd(II), Cu(II), and Pb(II) ions were 8, 3.5, and 15 mg/g, respectively, in the initial concentration range from 0.15 to 0.75 mM. Based on the fitting data obtained from isotherm models, heavy metal adsorption by green tea and ginseng leaves could occur via multi-layer sorption.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 농업폐기물인 녹차와 인삼잎을 흡착제로 사용하여 중금속(Cd, Cu, Pb)을 제거하기 위한 흡착능을 비교평가하는 것이 목적이다. 이를 위해 동역학적인 흡착실험(Kinetic adsorption)과 등온흡착평형 실험(Adsorption isotherm)을 수행하였다.
본 연구에서는 흡착제로서의 녹차와 인삼잎의 중금속 제거 흡착능을 평가하였다. 또한, 계면활성제 조건에서 흡착능을 평가하여 화장품 내 흡착제 활용 가능성을 확인하였다. 중금속(Cd, Cu, Pb)은 녹차와 인삼잎에 존재하는 카르복실기 및 하이드록실기와 착화물을 형성하는 흡착반응을 통해 제거되었으며, 용액의 초기 pH 변화에 따른 최종 pH는 두 흡착제에서 비슷한 양상을 나타내었다.
본 연구에서는 흡착제로서의 녹차와 인삼잎의 중금속 제거 흡착능을 평가하였다. 또한, 계면활성제 조건에서 흡착능을 평가하여 화장품 내 흡착제 활용 가능성을 확인하였다.

제안 방법

계면활성제에 따른 흡착능을 비교하기 위해 10%의 계면활성제와 0.2 mM Cd, Cu, Pb을 포함한 용액에 흡착제 5 g L−1를 주입하는 실험을 수행하였다.
녹차와 인삼잎의 흡착능 평가를 위한 흡착실험은 동역학적인 흡착실험(Kinetic sorption)과 등온흡착평형 실험(Adsorption isotherm)을 진행하였다. 모든 실험은 실온(25 ± 2^oC)에서 수행하였고, 용액의 초기pH를 조정하기 위해 5 M HNO₃와 5 M NaOH를 사용하였다.
2 mM의 중금속(Cd, Cu, Pb) 용액 20 ml에 주입한 후 최대 360분까지 시간경과에 따라 반응시켰다. 등온흡착평형 실험은 Cd, Cu, Pb의 초기 농도를 각각 0.15~0.75 mM 범위에서 일정한 양으로 변화시킨 용액에 흡착제 0.2 g을 주입한 다음 6시간 동안 반응시켰다.
2 mM Cd, Cu, Pb을 포함한 용액에 흡착제 5 g L⁻¹를 주입하는 실험을 수행하였다. 또한, 대조군으로 계면활성제를 미포함한 0.2 mM Cd, Cu, Pb을 용액에 동일양의 흡착제를 주입하는 실험도 수행하였다. 계면활성제는 음이온성 계면활성제(ionic surfactant)인 sodium lauryl sulfate(SLS)와 양성(amphoteric) 계면활성제인 cocamidopropyl betaine(CAB)를 사용하였다.
이를 위해 동역학적인 흡착실험(Kinetic adsorption)과 등온흡착평형 실험(Adsorption isotherm)을 수행하였다. 또한, 최근 화장품 원료로 녹차와 인삼잎의 사용 빈도가 증가하고 있으므로 계면활성제 조건에서의 흡착실험을 통해 화장품 내에 흡착제로의 적용 가능성을 평가하였다.
또한, 흡착반응을 일정하게 교반시키기 위해 Orbital shaker(Stuart, UK)를 사용하였으며, 흡착 반응 후 시료는 0.45 µmsyringe filter(Whatman, USA)로 여과한 후 ICP-OES(ICAP 6000 series, Thermo Scientific, USA)을 사용하여 중금속 농도를 측정하였다.
마지막으로 계면활성제의 존재 여부에 따른 녹차와 인삼잎의 중금속 흡착능 평가실험을 실시하였다. 10%의 계면활성제와 0.
따라서, 본 연구에서는 농업폐기물인 녹차와 인삼잎을 흡착제로 사용하여 중금속(Cd, Cu, Pb)을 제거하기 위한 흡착능을 비교평가하는 것이 목적이다. 이를 위해 동역학적인 흡착실험(Kinetic adsorption)과 등온흡착평형 실험(Adsorption isotherm)을 수행하였다. 또한, 최근 화장품 원료로 녹차와 인삼잎의 사용 빈도가 증가하고 있으므로 계면활성제 조건에서의 흡착실험을 통해 화장품 내에 흡착제로의 적용 가능성을 평가하였다.
흡착제 표면의 작용기를 확인하기 위해 Fourier transform infrared spectroscopy(FT-IR, Perkinelmer Spectrum 100, USA) 분석을 실시하였고, 흡착제의 형상을 알아보기 위해 field emission scanning electron microscopy(FE-SEM, Hitachi S-4700, Japan)을 사용하였다.

대상 데이터

2 mM Cd, Cu, Pb을 용액에 동일양의 흡착제를 주입하는 실험도 수행하였다. 계면활성제는 음이온성 계면활성제(ionic surfactant)인 sodium lauryl sulfate(SLS)와 양성(amphoteric) 계면활성제인 cocamidopropyl betaine(CAB)를 사용하였다.
모든 실험은 실온(25 ± 2oC)에서 수행하였고, 용액의 초기pH를 조정하기 위해 5 M HNO3와 5 M NaOH를 사용하였다.
본 연구에서 흡착제로 쓰인 녹차는 전남 보성에서 수확한 잎과 잔가지 부분을 사용하였으며, 인삼잎은 수경 재배한 인삼의 잎과 가지를 사용하였다. 녹차와 인삼잎은 이물질 제거를 위해 3차 증류수로 세척하고 80^oC에서 72시간 동안 건조시킨 다음 데시케이터에 방냉보관하였다.

데이터처리

녹차와 인삼잎의 표면 형태를 확인하기 위해 FE-SEM 분석을 시행하였다. Fig.

이론/모형

동역학적 흡착실험의 결과를 분석하기 위해 유사1차(pseudo-first-order, PFO) 및 유사2차(pseudo-second-order, PSO) 모델을 사용하였다.
등온흡착평형의 특성을 분석하기 위해 Langmuir, Freundlich 및 Redlich-Peterson 모델을 적용하였다. Langmuir 모델은 단분자층의 흡착을, Freundlich 모델은 다분자층의 흡착을 전제로 한 경험식이다.
흡착데이터는 PFO와 PSO 모델을 적용하여 평가하였으며 모델식을 통해 얻은 동역학적 변수들은 Table 1에 나타내었다. 실험값과 이론값의 일치 정도를 나타내는 R²(상관계수)을 비교해 볼 때, 녹차의 경우 PSO을 적용한 상관계수(R2=0.

성능/효과

또한, 납 이온은 15 mg/g을 상회하는 가장 높은 흡착량을 보였다. Freundlich 모델식을 적용하여 피팅(fitting)한 결과, Langmuir 모델식에 비해 모든 중금속 흡착에서 녹차와 인삼잎 모두 0.9586-0.9932 범위의 높은 상관계수 값(R²) 를 보이는 것으로 나타났다. 이는 중금속 흡착이 주로 다층흡착(multilayer sorption)반응에 의해 일어난 것으로 판단된다.
계면활성제가 없는 용액에서 녹차와 인삼잎의 Cd, Cu, Pb 제거율은 80.1~985%인데 반해, SLS를 주입한 용액에서의 제거율은 19.1~86.9%, CAB를 주입한 용액에서는 38.5~94.1%로 낮아지는 경향을 보였다. 이는, 임계농도(critical micelle concentration, CMC)를 초과한 계면활성제가 교질입자(micelle)들을 형성하여 흡착제와 오염물질 간의 반응을 저해한 것으로 추정된다(Marcolongo and Mirenda, 2011).
녹차와 인삼잎의 작용기를 확인하기 위해 FT-IR 분석한 결과(Fig. 2), 녹차는 1031, 1231, 1368, 1516, 1627, 2853, 2922 및 3303cm−1에서, 인삼잎은 1023, 1238, 1371, 1536, 1625, 2921, 2852 및 3288 cm−1에서 피크가 관찰되었으며 두 물질의 피크는 매우 유사한 형태를 보인다.
또한, 흡착 속도를 평가하기 위해 PFO 및 PSO 모델을 적용한 결과, 두 흡착제 모두 PFO보다 PSO에 더 부합하였다. 또한, 계면활성제가 존재할 때 흡착제의 흡착능은 비교적 낮게 측정되었으나 38.5~94.1%의 중금속 제거율을 보이므로 화장품 내에 흡착제로의 적용가능성을 확인할 수 있었다.
7로 나타났다. 또한, 두 흡착제 모두 흡착반응시간이 10 분일 때, 흡착평형에 도달했으며 녹차는 약 80.3~97.5%, 인삼잎은 약 81.9~90.4%의 제거율을 보였다.
9528)보다 더 높게 나타났다. 또한, 인삼잎 역시 PSO을 적용한 상관계수(R²=0.9999, 0.9999, 1.0000)이 PFO를 적용한 상관계수(R²=0.7644, 0.8427, 0.8455)에 비해 더 높게 나타났다. 따라서, 녹차와 인삼잎에 의한 Cd, Cu, Pb의 흡착은 유사1차 모델식보다 유사2차 모델식에 더 부합하며 화학적 흡착에 기인한다(Dinu and Dragan, 2010).
4%이었다. 또한, 흡착 속도를 평가하기 위해 PFO 및 PSO 모델을 적용한 결과, 두 흡착제 모두 PFO보다 PSO에 더 부합하였다. 또한, 계면활성제가 존재할 때 흡착제의 흡착능은 비교적 낮게 측정되었으나 38.
반응시간 변화에 따른 흡착능을 평가하기 위해 0.2 mM Cd, Cu, Pb을 포함하는 용액에 흡착제 5 g L−1를 주입하는 실험을 수행하였다(Fig. 3) 초기pH를 5.8로 설정하여 실험한 결과, 두 흡착제의 최종pH는 5.4~5.7로 나타났다.
흡착데이터는 PFO와 PSO 모델을 적용하여 평가하였으며 모델식을 통해 얻은 동역학적 변수들은 Table 1에 나타내었다. 실험값과 이론값의 일치 정도를 나타내는 R²(상관계수)을 비교해 볼 때, 녹차의 경우 PSO을 적용한 상관계수(R2=0. 9998, 1.0000, 1.0000)가 PFO를 적용한 상관계수(R²=0.4784, 0.6399, 0.9528)보다 더 높게 나타났다. 또한, 인삼잎 역시 PSO을 적용한 상관계수(R²=0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	친환경적 생흡착제로 활성탄을 대체하기 위한 연구의 예시에는 어떤 것들이 있는가?	, 2010). 예를 들면, 농업폐기물(Kurniawan et al. 2006), 계란 껍질과 산호 분말(Ahmad et al., 2012), 해초(Kratochvil et al., 1988), 산림 폐기물(Cutillas-Barreiro et al., 2016), 조류(Kapoor and Viraraghavan, 1995) 등과 같은 폐기물 또는 부산물들을 흡착제로 사용하기 위한 연구들이 수행되고 있다.
	흡착 공정의 장점은 무엇인가?	중금속으로 오염된 수질을 복원하기 위해 흡착이나 침전, 이온교환, 멤브레인 여과, 전기화학적 처리와 같은 다양한 정화공법들이 사용되고 있다. 최근에는 다른 공법들에 비해 공정이 간단하고 적은 비용이 소모되며 환경에 유해한 부산물을 생성하지 않는 흡착 공정이 중금속 제거에 가장 접합한 정화기법으로 대두되고 있다(Ahmed and Ahmaruzzaman, 2016, Kurniawan et al., 2006).
	활성탄의 단점은 무엇인가?	전통적이고 일반적으로 가장 많이 사용되는 흡착제는 활성탄이다. 그러나 가격이 상대적으로 비싸고 재생이 불가능하다는 단점 때문에 최근에는 활성탄을 대체할 수 있고 경제적이며 친환경적인 생흡착제(biosorbent)가 각광받고 있다(Farooq et al., 2010).

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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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