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[국내논문] 박스-벤켄 설계법을 이용한 폐감귤박 활성탄에 의한 수용액 중의 항생제 Trimethoprim의 흡착 연구
Study on the Adsorption of Antibiotics Trimethoprim in Aqueous Solution by Activated Carbon Prepared from Waste Citrus Peel Using Box-Behnken Design 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.56 no.4, 2018년, pp.568 - 576  

이민규 (제주대학교 환경공학과) ,  감상규 (부경대학교 화학공학과)

초록
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폐감귤박으로 제조한 활성탄(WCAC, waste citrus peel based activated carbon)에 의한 항생제 trimethoprim (TMP)의 흡착 특성을 조사하기 위해 반응표면법(RSM, response surface methodology)을 사용하여 TMP 흡착에 대한 운전인자들의 영향을 조사하였다. 농도($X_1$: 50-150 mg/L), pH ($X_2$: 4-10), 온도($X_3$: 293-323 K), 흡착제 투여량($X_4$: 0.05-0.15 g)의 4가지 입력 파라미터를 가진 4-요인 Box-Behnken 실험 설계에 따라 회분식 실험을 수행하고, 얻어진 실험 결과를 다중 회귀 분석으로 2차 다항식에 맞추고 통계적 방법을 사용하여 검토하였다. 독립 변수 및 변수들 간의 교호 작용의 유의성은 ANOVAt-검정 통계기법으로 평가하였으며, 통계적 결과는 TMP 농도가 다른 요인들에 비하여 가장 많은 영향을 미치는 운전인자라는 것을 보여 주었다. 흡착공정은 유사 2차 속도식에 잘 부합하였으며, 등온흡착평형관계는 Langmuir 식이 Freundlich 식 보다 잘 부합하였다. Langmuir 등온식으로 부터 계산한 WCAC에 의한 TMP의 최대 흡착량은 293 K에서 144.9 mg/g이었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In order to investigate the adsorption characteristics of the antibiotics trimethoprim (TMP) by activated carbon (WCAC) prepared from waste citrus peel, the effects of operating parameters on the TMP adsorption were investigated by using a response surface methodology (RSM). Batch experiments were c...

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 폐감귤박의 재활용 방안의 일환으로 폐감귤박으로 제조한 활성탄인 WCAC를 흡착제로 사용하여 최근 환경문제로 대두되고 있는 수용액 중의 항생제 TMP에 대한 흡착특성을 알아보기 위하여 실험계획법 중 Box-Behnken 법(Box-Behnken design, BBD)으로 설계된 실험을 수행하고 TMP의 흡착에서 주요 인자들이 반응에 미치는 영향을 평가하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
항생물질이 자연환경에 노출되는 것의 문제점은 무엇인가? 최근 항생물질들을 인간의 질병예방과 치료 목적, 가축, 양식 어류의 질병구제 및 성장촉진 목적으로 남용한 결과로 인하여 항생물 질들이 다양한 경로를 통해 자연환경에 노출되고 있다. 이러한 항생물질들의 일부는 자연 중에서 분해되지 않고 그대로 잔류하며, 이렇게 잔류된 항생물질은 물질 자체의 독성으로 인한 피해뿐만 아니라 항생물질에 강한 내성을 가진 병원균들의 출현에 기여하면서 인간 및 자연 생태계를 위협하는 문제가 심각해지고 있다[1].
흡착이 항생물질을 수중에서 제거하는데 사용되는 가장 유망한 기술인 이유가 무엇인가? 이러한 항생물질을 수중에서 제거하는데 사용되는 가장 유망한 기술 중의 하나가 흡착이다[4]. 흡착법은 조작이 쉽고, 제거능이 우수하며, 유해 물질을 생성하지 않기 때문에 수용액 중의 오염물질 제거에 있어서 다른 수처리 기술에 비해 우수한 것으로 알려져 있다[5]. 흡착제로는 제올라이트, clay, 활성탄 및 이온교환 수지 등과 같은 다양한 흡착제가 사용되고 있으나 특히 항생제와 같은 소수성 오염물질을 제거하는데 있어서는 활성탄이 많은 관심을 받고있다[6].
Trimethoprim란 무엇인가? Trimethoprim (5-(3,4,5-trimethoxybenzyl)pyrimidine-2,4-diamine, TMP)은 디하이드로폴레이트(dihydrofolate)를 테트라하이드로폴레이트(tetrahydrofolate)로 변환하는 엽산대사경로에서 디히드로플레이트(dihydroflate) 환원효소의 활성을 억제하는 작용을 하는 매우 효과적인 항엽산 약제로써[2], 전 세계적으로 인간과 동물 의약품으로 사용되는 가장 중요한 합성 항생제 중의 하나이다[3].
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참고문헌 (32)

  1. Jo, J. H., Lim, D. H. and Seo, G. T., "A Study on the Adsorption of Sulfonamide Antibiotics on Activated Carbon Using Density Functional Theory," J. Kor. Soc. Environ. Eng., 35(7), 457-463(2013). 

  2. Dominguez-Vargas, J. R., Carrillo-Perez, V., Gonzalez-Montero, T. and Cuerda-Correa, E. M., "Removal of Trimethoprim by a Low-Cost Adsorbent: Influence of Operation Conditions," Water Air Soil Pollut., 223, 4577-4588(2012). 

  3. Pedrouzo, M., Borrull, F., Pocurull, E. and Marce, R. M., "Presence of Pharmaceuticals and Hormones in Waters from Sewage Treatment Plants," Water Air Soil Pollut., 217, 267-281(2011). 

  4. Fukahori, S., Fujiwara, T., Ito, R. and Funamizu, N., "pH-Dependent Adsorption of Sulfa Drugs on High Silica Zeolite: Modeling and Kinetic Study," Desalination, 275, 237-242(2011). 

  5. Dardouri, S. and Sghaier, J., "Adsorptive Removal of Methylene Blue from Aqueous Solution using Different Agricultural Wastes as Adsorbents," Korean J. Chem. Eng., 34(4), 1037-1043(2017). 

  6. Snyder, S., Westerhoff, P., Yoon, Y. and Sedlak, D. L., "Pharmaceuticals, Personal Care Products, and Endocrine Disruptors in Water: Implications for the Water Industry," Environ. Eng. Sci., 20, 449-469(2003). 

  7. Ternes, T. A., Meisenheimer, M., McDowell, D., Sacher, F., Brauch, H.-J., Haist-Gulde, B., Preuss, G., Wilme, U. and Zulei-Seibert, N., "Removal of Pharmaceuticals During Drinking Water Treatment," Environ. Sci. Technol., 36(17), 3855-3863(2002). 

  8. Putra, E. K., Pranowo, R., Sunarso, J., Indraswati, N. and Ismadji, S., "Performance of Activated Carbon and Bentonite for Adsorption of Amoxicillin from Wastewater: Mechanisms, Isotherms and Kinetics," Water Res., 43, 2419-2430(2009). 

  9. Chayid, M. A. and Ahmed, M. A., "Amoxicillin Adsorption on Microwave Prepared Activated Carbon from Arundo donax Linn: Isotherms, Kinetics, and Thermodynamics Studies," J. Environ. Chem. Eng., 3, 1592-1601(2015). 

  10. Mendez-Diaz, J. D., Prados-Joya, G., Rivera-Utrilla, J., Leyva-Ramos, R., Sanchez-Polo, M., Ferro-Garcia, M. A. and Medellin-Castillo, N. A., "Kinetic Study of the Adsorption of Nitroimidazole Antibiotics on Activated Carbons in Aqueous Phase," J. Colloid Interface Sci., 345, 481-490(2010). 

  11. Ocampo-Perez, R., Orellana-Garcia, F., Sanchez-Polo, M., Rivera-Utrilla, J., Velo-Gala, I., Lopez-Ramon, M. V. and Alvarez-Merino, M. A., "Nitroimidazoles Adsorption on Activated Carbon Cloth from Aqueous Solution," J. Colloid Interface Sci., 401, 116-124(2013). 

  12. Cahskan, E. and Gokturka, S., "Adsorption Characteristics of Sulfamethoxazole and Metronidazole on Activated Carbon," Sep. Sci. Technol., 45(2), 244-255(2010). 

  13. Aksu, Z. and Tunc,, O., "Application of Biosorption for Penicillin G Removal: Comparison with Activated Carbon," Process Biochem., 40, 831-847(2005). 

  14. Crisafully, R., Milhome, M. A. L., Cavalcante, R. M., Silveira, E. R., Keukeleire, D. De and Nascimento, R. F., "Removal of Some Polycyclic Aromatic Hydrocarbons from Petrochemical Wastewater Using Low-Cost Adsorbents of Natural Origin," Bioresour. Technol., 99(10), 4515-4519(2008). 

  15. Xu, X., Cao, X. and Zhao, L., "Comparison of Rice Husk-and Dairy Manure-Derived Biochars for Simultaneously Removing Heavy Metals from Aqueous Solutions: Role of Mineral Components in Biochars," Chemosphere, 92(8), 955-961(2013). 

  16. Baccar, R., Sarra, M., Bouzid, J., Feki, M. and Blanquez, P., "Removal of Pharmaceutical Compounds by Activated Carbon Prepared from Agricultural By-Product," Chem. Eng. J., 211-212, 310-317(2012). 

  17. Flores-Cano, J. V., Sanchez-Polo, M., Messoud, J., Ocampo-Perez, R. and Rivera-Utrilla, J., "Overall Adsorption Rate of Metronidazole, Dimetridazole and Diatrizoate on Activated Carbons Prepared from Coffee Residues and Almond Shells," J. Environ. Manage., 169, 116-125(2016). 

  18. Wan, S., Hua, Z., Sun, L., Bai, X. and Liang, L., "Biosorption of Nitroimidazole Antibiotics onto Chemically Modified Porous Biochar Prepared by Experimental Design: Kinetics, Thermodynamics, and Equilibrium Analysis," Process Safety Environ. Protection, 104, 422-435(2016). 

  19. Kam, S. K., Kang, K. H. and Lee, M. G., "Characterisitics of Activated Carbon Prepared from Waste Citrus Peel by KOH Activation," Appl. Chem. Eng., 28(6), 649-654(2017). 

  20. Lee, C. H., Kam, S. K. and Lee, M. G., "Adsorption Characteristics Analysis of 2,4-Dichlorophenol in Aqueous Solution with Activated Carbon Prepared from Waste Citrus Peel Using Response Surface Modeling Approach," Korean Chem. Eng. Res., 55(5), 723-730(2017). 

  21. Kam, S. K. and Lee, M. G., "Response Surface Modeling for the Adsorption of Dye Eosin Y by Activated Carbon Prepared from Waste Citrus Peel," Appl. Chem. Eng., 29(3), 270-277(2018). 

  22. Alam, Z., Muyibi, S. A. and Toramae, J., "Statistical Optimization of Adsorption Processes for Removal of 2,4-Dichlorophenol by Activated Carbon Derived from Oil Palm Empty Fruit Bunches," J. Environ. Sci., 19, 674-677(2007). 

  23. Saadat, S. and Karimi-Jashni, A., "Optimization of Pb(II) Adsorption onto Modified Walnut Shells Using Factorial Design and Simplex Methodologies," Chem. Eng. J., 173, 743-749(2011). 

  24. Kim, D. S. and Park, Y. S., "Disinfection of E. coli Using Electro-UV Complex Process: Disinfection Characteristics and Optimization by the Design of Experiment Based on the Box-Behnken Technique," J. Environ. Sci. Int., 19(7), 889-900(2010). 

  25. Park, H. E. and Row, K. H., "Optimization of Synthesis Condition of Monolithic Sorbent Using Rsponse Surface Methodology," Appl. Chem. Eng., 24(3), 299-304(2013). 

  26. Lee, S. E., Kim, J. K., Han, S. K., Chae, J. S., Lee, K. D. and Koo, K. K., "Optimization of a Crystallization Process by Response Surface Methodology," Appl. Chem. Eng., 26(6), 730-736(2015). 

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  28. Lagergren, S., "About the Theory of So-Called Adsorption of Soluble Substances," Kunglia Svenska Vetenskapsa-kademiens Handlingar, 24, 1-39(1898). 

  29. Ho, Y. S. and McKay, G., "The Kinetics of Sorption of Basic Dyes from Aqueous Solution by Sphagnum Moss Peat," Can. J. Chem. Eng., 76, 822-827(1998). 

  30. Langmuir, I., "The Adsorption of Gases on Plane Surface of Glass, Mica and Platinum," J. Am. Chem. Soc., 40, 1361-1403(1918). 

  31. Freundlich, H. M. F., "Over the Adsorption in Solution," J. Phys. Chem., 57, 385-470(1906). 

  32. Kim, S. H., Shon, H. K. and Ngo, H. H., "Adsorption Characteristics of Antibiotics Trimethoprim on Powdered and Granular Activated Carbon," J. Ind. Eng. Chem., 16, 344-349(2010). 

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