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문제 정의
- 본 연구에서는 가로수로 널리 활용되고 있는 왕벚나무(Prunus x yedoensis) 잎으로부터 제조된 바이오차의 중금속 흡착소재로서의 활용성을 평가하고자 수행되었다. 이를 위하여 왕벚나무 잎을 원료로 이용하여 바이오차를 제조하였으며 Pb(II)의 흡착의 동력학적 특성과 등온 흡착특성을 규명하고자 하였다.
제안 방법
- Pb(II) 흡착의 동력학적 특성을 규명하기 위해 약 100 mg/L의 초기농도 조건에서 흡착을 진행시키면서 5, 10, 20, 30, 60, 120, 300, 480, 1440, 2880분에 시료를 채취하여 수용액에 남아있는 Pb(II) 농도를 분석하였다. 등온흡착특성을 규명하기 위해 30~300mg/L 범위의 농도를 가진 Pb(II) 용액에 1 g/L의 흡착소재를 투입하여 48시간동안 흡착시켜 평형이 이루어진 후에 용액의 Pb(II) 농도를 분석하였다.
- Pb(II) 흡착의 동력학적 특성을 규명하기 위해 약 100 mg/L의 초기농도 조건에서 흡착을 진행시키면서 5, 10, 20, 30, 60, 120, 300, 480, 1440, 2880분에 시료를 채취하여 수용액에 남아있는 Pb(II) 농도를 분석하였다. 등온흡착특성을 규명하기 위해 30~300mg/L 범위의 농도를 가진 Pb(II) 용액에 1 g/L의 흡착소재를 투입하여 48시간동안 흡착시켜 평형이 이루어진 후에 용액의 Pb(II) 농도를 분석하였다.
- 수용액의 Pb(II) 농도를 분석하기 위해 0.45 μm의 필터를 장착한 시린지를 사용하여 약 2 mL의 시료를 채취하였으며 유도결합플라즈마 분광광도계(ICP-OES, Optima 8300DV, Perkin Elmer)를 사용하여 분석하였다.
- 실험에 사용된 흡착소재의 기본적인 물성을 관찰하기 위해 원소조성, pH, 표면형상을 분석하였다. 원소조성을 분석하기 위해 원소분석기(vario MACRO cube, Germany)를 사용하였다.
- 본 연구에서는 가로수로 널리 활용되고 있는 왕벚나무(Prunus x yedoensis) 잎으로부터 제조된 바이오차의 중금속 흡착소재로서의 활용성을 평가하고자 수행되었다. 이를 위하여 왕벚나무 잎을 원료로 이용하여 바이오차를 제조하였으며 Pb(II)의 흡착의 동력학적 특성과 등온 흡착특성을 규명하고자 하였다.
- 건조시킨 CL 5~10 g을 도가니에 넣고 약 2분간 질소로 퍼지시킨후에 전기로에 넣어 800℃의 불활성 분위기에서 90분간 탄화시켰다11),15). 탄화가 완료된 재료는 막자사발에 넣어 빻은 후에 32 mesh 체를 통과시켜 일정한 크기로 바이오차(CB)를 제조하였다.
- 회분식 흡착실험을 통해 CL과 CB의 Pb(II) 흡착특성을 관찰하였다. 흡착실험은 200 mL 삼각플라스크에 일정한 농도의 Pb(II) 수용액 100 mL를 넣고 흡착 소재인 CL과 CB를 각각 1 g/L 투입하여 25℃로 유지되는 회전식 진탕기(KSI-200FL, Koencon, Korea)에 넣어 200 rpm으로 교반시키면서 진행하였다.
대상 데이터
- 바이오차를 제조하기 위해 왕벚나무 잎(CL)을 채취하였다. 채취된 잎은 이물질을 제거하기 위해 증류수로 세척한 후에 150℃에서 24시간동안 건조시켰다.
이론/모형
- 흡착반응의 동력학적 거동을 관찰하기 위해 유사 1차 속도(pseudo-first-order)와 유사 2차 속도 모델들이 사용되었다17). 1차 반응과 2차 반응의 선형적인 형태는 식 (1)과 식 (2)로 표현된다.
- 흡착소재의 등온흡착특성을 규명하기 위해 Langmuir와 Freundlich 모델을 사용하였다18). 제한된 수의 동일한 흡착지점들을 가지고 있는 흡착제 표면으로의 단층 흡착을 설명하는데 적절한 Langmuir 모델은 다음과 같은 선형화된 식으로 표현된다.
- 흡착소재의 pH를 측정하기 위해 1 g의 흡착제를 20 mL의 증류수에 넣어 140 rpm으로 24시간 혼합시킨 후 용액의 pH를 측정하였다16). 흡착제의 표면 형상을 관찰하기 위해 FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope, JSM-6701F, JEOL)을 사용하였다.
성능/효과
- CL과 CB에 의한 Pb(II) 흡착반응의 속도는 2차 속도모델에 의해 적절하게 설명될 수 있는 것으로 나타나 흡착반응의 속도가 화학적 흡착에 의해 결정되는 것을 알 수 있었다. CB와 CL의 2차 반응 속도상수는 각각 0.00018 g/mg/min과 0.00082 g/mg/min으로 나타나 바이오차를 사용함으로써 빠른 흡착반응을 유도할 수 있는 것으로 나타났다. Pb(II)의 등온흡착 특성은 Freundlich 모델에 의해서도 적절하게 설명될 수 있으나 Langmuir 모델에 의해 보다 적절하게 설명될 수 있는 것으로 나타났다.
- 85로 증가하였으며 안정된 공극구조를 만드는 것으로 나타났다. CL과 CB에 의한 Pb(II) 흡착반응의 속도는 2차 속도모델에 의해 적절하게 설명될 수 있는 것으로 나타나 흡착반응의 속도가 화학적 흡착에 의해 결정되는 것을 알 수 있었다. CB와 CL의 2차 반응 속도상수는 각각 0.
- 5와 Table 3에 나타내었다. CL과 CB의 Pb(II) 흡착은 Freundlich 모델에 의해서도 적절하게 설명될 수 있으나 Langmuir 모델에 의해 보다 잘 설명할 수 있는 것으로 나타났다. Langmuir 모델을 적용할 때 결정계수는 0.
- 실험에 사용된 흡착소재인 CL과 CB의 원소분석 결과와 pH 측정 결과를 Table 1에 나타내었다. CL은 탄소 47.34%, 수소 6.29%, 질소 0.61%, 황 0.39%, 산소 38.25%의 조성을 가지며 CB는 탄소 51.43%, 수소 1.13%, 질소 0.97%, 황 0.53%, 산소 14.79%의 조성을 가지는 것으로 나타났다. 바이오차를 생성하는 탄화과정에서 탄소 함량이 약 4% 증가하였으며 수소와 산소 함량이 크게 감소하고 질소와 황은 약간 증가하는 것으로 나타났다.
- 이러한 결과는 동력학적 실험에서 나타난 결과와 마찬가지로 흡착소재로의 Pb(II) 흡착과정에 화학적 흡착의 중요성을 보여주는 결과이다. Langmuir 상수, Q0에 의해 설명되는 최대흡착용량은CL이 37.31 mg/g, CB가 94.34 mg/g으로 나타나 왕벚나무 잎을 탄화시켜 바이오차를 제조함으로써 약 2.5배 증가하는 것으로 나타났다. 흡착의 친화성을 나타내는 b의 값은 CL(0.
- 00082 g/mg/min보다 낮게 나타나며 이는 바이오차로의 흡착반응이 더 빠르게 일어나고 있음을 나타낸다. 동력학적 실험에서 얻어진 평형흡착량은 CB가 CL보다 2배 가까이 높은 것으로 나타났다. 이러한 사실은 왕벚나무잎을 탄화시켜서 만든 바이오차를 사용할 때 Pb(II)의 흡착속도와 흡착용량이 동시에 증가함을 보여준다.
- 79%의 조성을 가지는 것으로 나타났다. 바이오차를 생성하는 탄화과정에서 탄소 함량이 약 4% 증가하였으며 수소와 산소 함량이 크게 감소하고 질소와 황은 약간 증가하는 것으로 나타났다. 일반적으로 탄화과정은 유기성분들이 다환 방향족 탄소로 전환되는 과정에서 OH 작용기들의 점진적인 탈수소화로 인해 탄소 함량이 증가할 수 있다19).
- 왕벚나무 잎(CL)울 탄화시켜 바이오차(CB)를 제조할 때, 탄소함량은 약 4% 증가하였으며 수소와 산소함량은 각각 5.15%와 23.46%가 감소하였다. 탄화에 의해 pH는 4.
- 5배 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 결과들은 바이오차를 사용함으로써 Pb(II) 흡착반응 속도를 높이고 흡착용량 증가시킬 수 있음을 보여준다.
- 5의 범위내의 값을 가지는 것으로 나타났다. 이상과 같은 결과들은 CL과 CB의 Pb(II) 흡착은 수월하게 일어나며 왕벚나무 잎은 수계 및 토양에서 존재하는 납의 제거나 고정화에 활용할 수 있는 잠재성을 가지고 있음을 나타낸다. 특히 바이오차는 Pb(II)의 빠른 흡착과 높은 흡착용량을 유도할 수 있는 좋은 흡착소재로 활용할 수 있음을 보여준다.
- 이러한 결과는 동력학적 실험에서 나타난 결과와 마찬가지로 흡착소재로의 Pb(II) 흡착과정에 화학적 흡착의 중요성을 보여주는 결과이다. Langmuir 상수, Q0에 의해 설명되는 최대흡착용량은CL이 37.31 mg/g, CB가 94.34 mg/g으로 나타나 왕벚나무 잎을 탄화시켜 바이오차를 제조함으로써 약 2.5배 증가하는 것으로 나타났다. 흡착의 친화성을 나타내는 b의 값은 CL(0.
- 46%가 감소하였다. 탄화에 의해 pH는 4.84에서 12.85로 증가하였으며 안정된 공극구조를 만드는 것으로 나타났다. CL과 CB에 의한 Pb(II) 흡착반응의 속도는 2차 속도모델에 의해 적절하게 설명될 수 있는 것으로 나타나 흡착반응의 속도가 화학적 흡착에 의해 결정되는 것을 알 수 있었다.
- 이러한 흡착특성은 중금속 성분의 흡착과정에서 전형적인 관찰되는 현상이다23). 흡착반응은 대략 24시간이 경과하면 평형에 도달하였으며 48시간이 경과했을 때 얻어진 단위흡착량은 CL이 40.93 mg/g, CB가 79.03 mg/g인 것으로 나타났다.
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