[논문]활성탄에 의한 Acid Blue 40 흡착에 있어서 평형, 동력학 및 열역학적 특성

이종집

doi:10.5762/kais.2018.19.12.592

활성탄에 의한 Acid Blue 40 흡착에 있어서 평형, 동력학 및 열역학적 특성
Characteristics of Equilibrium, Kinetic and Thermodynamic for Adsorption of Acid Blue 40 by Activated Carbon 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.19 no.12, 2018년, pp.592 - 599

초록
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활성탄에 의해 수용액으로부터 acid blue 40을 흡착하는 과정을 통해 흡착평형, 동력학 및 열역학적 특성을 활성탄 양, pH, 온도, 접촉시간, 초기농도를 함수로 해서 알아내고자 하였다. 활성탄에 대한 acid blue 40의 흡착에 대한 pH별 흡착특성은 Sulfonate ion($SO_3{^-}$)과 amine ion($NH_2{^+}$)의 존재 때문에 pH 3과 pH 11에서 흡착률이 높아지는 욕조현상을 나타내었다. 활성탄에 대한 Acid Blue 40의 흡착평형관계를 흡착등온식에 적용해본 결과 Langmuir 식이 Freundlich 식과 Temkin 식보다 더 잘 맞는 것으로 나타났다. Langmuir 식과 Freundlich 식의 분리계수로 부터 활성탄에 의한 Acid Blue 40의 흡착처리가 유효한 흡착공정이 될 수 있음을 알았다. Temkin 식에 의해 구한 흡착에너지 값으로부터 흡착공정이 물리흡착공정이라는 것을 알았다. 활성탄에 대한 acid blue 40의 흡착공정에 대한 동력학적 해석을 통해 반응속도식의 적용결과는 유사이차반응속도식이 유사일차반응속도식에 비해 일치도가 높은 것으로 나타났다. 평가된 활성화 에너지 값은 42.308 kJ/mol이었으며, 엔탈피변화는 80.088 J/mol로 흡열반응의 특성을 가지는 것으로 판단되었다. 또한 자유에너지변화가 -0.0553~-5.5855 kJ/mol로 온도가 올라갈수록 흡착공정의 자발성이 더 높아진다는 것을 알았다.

Abstract ▼ AI-Helper

The kinetics and thermodynamics of the adsorption of acid blue 40 from an aqueous solution by activated carbon were examined as a function of the activated carbon dose, pH, temperature, contact time, and initial concentration. The adsorption efficiency in a bathtub was increased at pH 3 and pH 11 due to the presence of sufonate ions ($SO_3{^-}$) and amine ions ($NH_2{^+}$). The equilibrium adsorption data were fitted to the Langmuir, Freundlich and Temkin isotherms. The results indicated that the Langmuir model provides the best correlation of the experimental data. The separation factor of the Langmuir and Freundlich model showed that the adsorption treatment of acid blue 40 by activated carbon could be an effective adsorption process. The adsorption energy determined by the Temkin equation showed that the adsorption step is a physical adsorption process. Kinetics analysis of the adsorption process of acid blue 40 on activated carbon showed that a pseudo second order kinetic model is more consistent than a pseudo second order kinetic model. The estimated activation energy was 42.308 kJ/mol. The enthalpy change (80.088 J/mol) indicated an endothermic process. The free energy change (-0.0553 ~ -5.5855 kJ/mol) showed that the spontaneity of the process increased with increasing adsorption temperature.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Molecular structure of acid blue 40.
표 Table 1. Physical properties of activated carbon.
그림 Fig. 2. Effect of activated carbon dose for adsorption of acid blue 40.
그림 Fig. 3. Effect of pH for adsorption of acid blue 40.
그림 Fig. 4. Langmuir isotherm of acid blue 40 on activated carbon at different temperature.
그림 Fig. 5. Freundlich isotherm of acid blue 40 on activated carbon at different temperature.
그림 Fig. 6. Temkin isotherm of acid blue 40 on activated carbon at different temperature.
표 Table 2. Isotherm constants for adsorption of acid blue 40 on activated carbon.
그림 Fig. 7. Pseudo first order kinetic plots for adsorption of acid blue 40 by activated carbon at various concentration.
그림 Fig. 8. Pseudo second order kinetic plots for adsorption of acid blue 40 by activated carbon at various concentration.
표 Table 3. Pseudo first order and Pseudo second order kinetic model parameters for adsorption of acid blue 40 by activated carbon at various concentration.
그림 Fig. 9. Pseudo second order kinetic plots for adsorption of acid blue 40 by activated carbon at various temperature.
표 Table 4. Pseudo second order kinetic model parameters for adsorption of acid blue 40 by activated carbon at various concentration.
표 Table 5. Thermodynamic parameters for adsorption of acid blue 40 by activated carbon

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

문제 정의

Acid blue 40 200 mg/L 용액 50 mL를 pH 3〜11인 완충용액을 사용하여 각각의 pH로 만든 후 100 mL PE 병에 넣고 왕복식 항온진탕기에서 298 K, 100 rpm 조건으로 24시간동안 흡착하였다. 그 결과로부터 pH가 흡착에 미치는 영향을 조사하였다
본 연구에서는 활성탄을 흡착제로 사용하여 acid blue 40을 흡착제거하는 과정을 대상으로 Langmuir, Freundilch 및 Temkin 식의 흡착 평형 인자를 평가하여 흡착제로서 활성탄이 적합한지 흡착조작의 유효성을 판단해 보고자 하였다. 또한, 흡착속도 실험을 통하여 acid blue 40의 초기 농도와 흡착온도 들이 흡착 반응에 미치는 영향을 고찰하여 동력학적인 해석과 열역학적 파라미터를 조사하여 흡착공정에 대한 메카니즘을 알아내고자 하였다.
본 연구에서는 활성탄을 흡착제로 사용하여 acid blue 40을 흡착제거하는 과정을 대상으로 Langmuir, Freundilch 및 Temkin 식의 흡착 평형 인자를 평가하여 흡착제로서 활성탄이 적합한지 흡착조작의 유효성을 판단해 보고자 하였다. 또한, 흡착속도 실험을 통하여 acid blue 40의 초기 농도와 흡착온도 들이 흡착 반응에 미치는 영향을 고찰하여 동력학적인 해석과 열역학적 파라미터를 조사하여 흡착공정에 대한 메카니즘을 알아내고자 하였다.

제안 방법

흡착온도에 따른 영향을 알아보기 위해 100 mL 유리병에 초기농도 200 mg/L의 acid blue 40 용액 50 mL를넣고, 침지된 활성탄을 건조기준 질량으로 700 mg 투입한 다음, 288, 298, 308 K 각각의 온도에서 100 rpm의속도로 흡착하였다. 24시간 동안 1시간 단위로 용액을 채취하여 그 결과로부터 열역학적 파라미터들을 알아보았다.
Table 1에 활성탄의 대표적인 물성을 나타내었다. Acid blue 40의 농도는 UV-Visble spectrophotometer (Shimadzu, UV-1800P) 로 620 nm에서의 흡광도 측정값을 측정하여 분석하였다.
용액의 농도에 따른 흡착의 영향을 알아보기 위하여 왕복식 항온진탕기에서 298 K, 100 rpm 조건으로 100, 200, 300 mg/L 용액을 흡착하였다. 24시간 동안 1시간 단위로 용액의 상층액을 채취하여 acid blue 40의 흡광도를 측정하였다.
초기농도 200 mg/L인 acid blue 40 용액 50 mL에 대하여 70 ℃의 증류수로 24시간 침지한 활성탄을 100〜900 mg(건조기준 질량) 범위에서 각각 다른 PE 병에 넣고, 왕복식 항온진탕기 (Jeio Tek, BS-21)에서 298 K, 100 rpm 조건으로 24시간 동안 흡착시킨 후 잔류 농도를 분석하여 활성탄의 투입량을 결정하였다.
흡착온도에 따른 영향을 알아보기 위해 100 mL 유리병에 초기농도 200 mg/L의 acid blue 40 용액 50 mL를넣고, 침지된 활성탄을 건조기준 질량으로 700 mg 투입한 다음, 288, 298, 308 K 각각의 온도에서 100 rpm의속도로 흡착하였다. 24시간 동안 1시간 단위로 용액을 채취하여 그 결과로부터 열역학적 파라미터들을 알아보았다.

대상 데이터

Acid blue 40(C₂₂H₁₆N₃NaO₆S), MW : 473.43 g/mol)은 Sigma-Aldrich 사 제품으로 Figure 1과 같은 구조를 가지고 있다. 증류수에 녹여 1000 mg/L의 원용액을 만들어 필요한 농도로 희석하여 사용하였다.
흡착제로 사용한 활성탄은 동양탄소에서 제조한 8×30 mesh 크기의 야자계 입상 활성탄(GAC)을 70 ℃의 증류수로 24시간 침지 후 건조하여 사용하였다.

이론/모형

본 연구에서는 야자계 활성탄에 대한 acid blue 40의 흡착 반응에 대한 성질과 메커니즘에 대한 정보를 얻기 위해 흡착평형 실험값들을 흡착 등온식인 Langmuir, Freundlich 및 Temkin식에 각각 적용하여 보았다.
활성탄에 대한 Acid Blue 40의 흡착반응을 속도론적으로 알아보기 위해 다음과 같은 유사일차속도반응식 (pseudo first order kinetics model)과 유사이차속도반응식(pseudo second order kinetics model)에 적용하여 보았다. 이 두 식은 아래와 같이 나타낸다.

성능/효과

1. Acid blue 40의 pH 별 특성은 pH 7을 최소기점으로 하여 점점 높아지는 욕조형 현상을 보이면서 염기성인 pH 11과 산성인 pH 3 양쪽에서 최대 흡착률을 나타내었다.
2. 활성탄에 대한 Acid Blue 40의 흡착평형관계를 흡착등온식에 적용해본 결과 Langmuir 식이 Freundlich 식과 Temkin 식보다 더 잘 맞는 것으로 나타났다. Langmuir 식과 Freundlich 식의 분리 계수로부터 활성탄에 의한 Acid Blue 40 의 흡착 처리가 유효한 흡착공정이 될 수 있음을 알았다.
3. Temkin 식에 의해 구한 흡착에너지가 2.003〜 2.393 J/mol인 것과 표준자유에너지변화가 -0.0553〜-5.5855 kJ/mol로 흡착공정이 물리흡착공정이라는 것을 알았다
4. 활성탄에 대한 Acid Blue 40의 흡착공정에 대한 동력학적 해석을 통해 반응속도식의 적용결과는 유사이차반응속도식이 유사일차속도반응속도식에 비해 일치도가 높은 것으로 나타났으며, 유사이차속도반응속도식으로부터 구한 평형흡착량은 실험 값과 오차율 11.6% 이하로 잘 맞았다.
5. 평가된 활성화 에너지 값은 42.308 kJ/mol이었으며, 엔탈피변화 값이 80.088 J/mol로 흡열반응의 특성을 가지는 것으로 판단되었고, 또한 표준자유 에너지변화가 -0.0553〜-5.5855 kJ/mol로 물리 흡착공정임이면서 온도가 올라갈수록 흡착공정의 자발성이 더 높아진다는 것을 알았다.
946으로 나타났다. Acid blue 40의 흡착평형 관계는 Langmuir 등온식이 가장 적합함을 알 수 있었다. 따라서 활성탄에 의한 acid blue 40의 흡착은 단일층으로 흡착되는 것으로 판단되었다[8].
활성탄에 대한 Acid Blue 40의 흡착평형관계를 흡착등온식에 적용해본 결과 Langmuir 식이 Freundlich 식과 Temkin 식보다 더 잘 맞는 것으로 나타났다. Langmuir 식과 Freundlich 식의 분리 계수로부터 활성탄에 의한 Acid Blue 40 의 흡착 처리가 유효한 흡착공정이 될 수 있음을 알았다.
그 결과, 유사일차속도반응식은 초기농도 100, 200, 300 mg/L에 따라 각각 27.97, 19.45, 18.35 %로 평균 21.92%의 오차율이 나타났고 유사이차반응식의 오차율은 초기농도에 따라 각각 3.76, 10.97, 18.74 %로 평균 11.16%의 오차율이 나타났다. 따라서 유사이차반응식에 더 잘 따르는 것으로 판단된다.
9956로 나타났다. 두 식의 r² 값을 비교하면 유사일차속도반응식이 큰 값을 나타내기 때문에 활성탄에 대한 Acid Blue 40의 흡착반 응은 유사일차속도반응식을 더 잘 따르는 것을 알 수 있었다. 그리고 각 모델의 속도 상수값 k_{또한 실험조건에서 엔탈피변화가 일정하다고 가정한 상태에서 298, 308, 318K에서의 표준자유에너지변화는 온도가 증가할수록 감소한 결과를 나타냈다. 따라서 온도가 증가할수록 활성 탄에 대한 Acid Blue 40흡착 공정의 자발성이 더 높아진다는 것을 알 수 있었다. 일반적으로 물리흡착의 자유에너지변화 변화는 -20〜0 kJ/mol이고, 화학흡착의 자유에너지변화는 -80〜-400 kJ/mol로 알려져 있다[12].}
088 J/mol)을 갖는 것으로 볼 때 활성탄에 대한 Acid Blue 40의 흡착 반응은 흡열반응임을 알 수 있다. 또한 실험조건에서 엔탈피변화가 일정하다고 가정한 상태에서 298, 308, 318K에서의 표준자유에너지변화는 온도가 증가할수록 감소한 결과를 나타냈다. 따라서 온도가 증가할수록 활성 탄에 대한 Acid Blue 40흡착 공정의 자발성이 더 높아진다는 것을 알 수 있었다.
본 연구에서의 자유에너지변화값은 –0.0553〜-5.5855 kJ/mol로 흡착반응이 물리흡착이라는 것을 나타내준다 [13].
세 개의 식에 대한 적합성을 상관계수(r2 )로부터 비교해 본 결과, Langmuir 식은 0.8857〜0.9922 이고, Freundlich 식은 0.7261〜0.9633, Temkin 식은 0.7632〜0.946으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	염색공정에서 발생하는 폐수를 처리하기 어려운 이유는 무엇인가?	염색공정으로부터 발생하는 폐수는 넓은 색도를 가지고 복잡한 방향족 분자 구조의 유기 화합물로 매우 안정하여 자연적으로 분해되기 어려운 특징 때문에 처리하기가 어렵다. 흡착법은 적은 비용과 간단한 설계, 쉬운 조작으로 오염물질을 제거하는데 효과적인 방법이며, 2차오염물질을 생성하지 않는 장점을 가지고 있다[1,2].
	염색공정의 폐수 제거를 위한 흡착법은 어떤 장점이 있는가?	염색공정으로부터 발생하는 폐수는 넓은 색도를 가지고 복잡한 방향족 분자 구조의 유기 화합물로 매우 안정하여 자연적으로 분해되기 어려운 특징 때문에 처리하기가 어렵다. 흡착법은 적은 비용과 간단한 설계, 쉬운 조작으로 오염물질을 제거하는데 효과적인 방법이며, 2차오염물질을 생성하지 않는 장점을 가지고 있다[1,2].Acid blue 40은 안트라퀴논계 염료로 아조염료 다음으로 중요한 상업적 염료이다.
	Acid blue 40이 섬유산업에서 폭 넓게 사용되는 이유는 무엇인가?	Acid blue 40은 안트라퀴논계 염료로 아조염료 다음으로 중요한 상업적 염료이다. 좋은 안정성과 선명한 색상을 발현하는 특징을 가지고 있기 때문에 섬유산업에서 폭 넓게 사용되고 있다. 반면에 여러 가지 심각한 환경문제를 일으킬 수 있기 때문에 폐수 처리 시 반드시 제거 해야 하는 물질이다[3].

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].

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