폐감귤박으로 제조한 자성 활성탄을 이용한 2,4-디클로로페놀의 흡착특성 Adsorption Characteristics of 2,4-Dichlrophenol by Magnetic Activated Carbon Prepared from Waste Citrus Peel원문보기
폐감귤박으로 제조한 자성 활성탄(MAC, magnetic activated carbon)을 이용하여 수용액 중의 2,4-디클로로페놀(2,4-dichlorophenol, 2,4-DCP)을 제거하는 연구하였다. 접촉시간, MAC의 투여량, 용액의 온도, pH 및 2,4-DCP 농도를 변화시켜 MAC에 의한 2,4-DCP의 흡착특성을 조사하였다. 등온 흡착 실험결과는 Langmuir 등온 모델식에 의해 잘 설명되었으며, Langmuir 등온식으로부터 구한 최대 흡착량은 312.5 mg/g이었다. 흡착속도는 유사 2차 속도식에 의해 잘 기술되었으며, 입자 내 확산 모델 자료는 흡착 과정 동안 막 확산과 입자 내 확산이 동시에 일어나는 것을 말해 주었다. 열역학적 파라미터인 ${\Delta}H^o$와 ${\Delta}G^o$는 각각 양의 값과 음의 값을 가지므로 MAC에 의한 2,4-DCP의 흡착은 자발적이며 흡열반응으로 일어나는 것을 알 수 있었다. 흡착실험을 완료한 후 사용한 MAC는 외부에서 자석을 이용하여 쉽게 분리할 수 있었다.
폐감귤박으로 제조한 자성 활성탄(MAC, magnetic activated carbon)을 이용하여 수용액 중의 2,4-디클로로페놀(2,4-dichlorophenol, 2,4-DCP)을 제거하는 연구하였다. 접촉시간, MAC의 투여량, 용액의 온도, pH 및 2,4-DCP 농도를 변화시켜 MAC에 의한 2,4-DCP의 흡착특성을 조사하였다. 등온 흡착 실험결과는 Langmuir 등온 모델식에 의해 잘 설명되었으며, Langmuir 등온식으로부터 구한 최대 흡착량은 312.5 mg/g이었다. 흡착속도는 유사 2차 속도식에 의해 잘 기술되었으며, 입자 내 확산 모델 자료는 흡착 과정 동안 막 확산과 입자 내 확산이 동시에 일어나는 것을 말해 주었다. 열역학적 파라미터인 ${\Delta}H^o$와 ${\Delta}G^o$는 각각 양의 값과 음의 값을 가지므로 MAC에 의한 2,4-DCP의 흡착은 자발적이며 흡열반응으로 일어나는 것을 알 수 있었다. 흡착실험을 완료한 후 사용한 MAC는 외부에서 자석을 이용하여 쉽게 분리할 수 있었다.
The removal of 2,4-dichlorophenol (2,4-dichlorophenol, 2,4-DCP) in aqueous solution was studied using the magnetic activated carbon (MAC) prepared from waste citrus peel. The adsorption characteristics of 2,4-DCP by MAC were investigated by varying the contact time, MAC dose, solution temperature, p...
The removal of 2,4-dichlorophenol (2,4-dichlorophenol, 2,4-DCP) in aqueous solution was studied using the magnetic activated carbon (MAC) prepared from waste citrus peel. The adsorption characteristics of 2,4-DCP by MAC were investigated by varying the contact time, MAC dose, solution temperature, pH and 2,4-DCP concentration. The isothermal adsorption data were well explained by the Langmuir isotherm model equation and the maximum adsorption capacity calculated from the Langmuir isotherm equation was 312.5 mg/g. The adsorption kinetic data were well described by the pseudo-second-order reaction equation. The intraparticle diffusion model data indicated that both the film and intraparticle diffusion occur simultaneously during the adsorption process. The thermodynamic parameters of ${\Delta}H^o$ and ${\Delta}G^o$ have positive and negative values, respectively, indicating that the adsorption of 2,4-DCP by MAC is a spontaneous endothermic reaction. After the adsorption experiment was completed, the used MAC could be easily separated by an external magnet.
The removal of 2,4-dichlorophenol (2,4-dichlorophenol, 2,4-DCP) in aqueous solution was studied using the magnetic activated carbon (MAC) prepared from waste citrus peel. The adsorption characteristics of 2,4-DCP by MAC were investigated by varying the contact time, MAC dose, solution temperature, pH and 2,4-DCP concentration. The isothermal adsorption data were well explained by the Langmuir isotherm model equation and the maximum adsorption capacity calculated from the Langmuir isotherm equation was 312.5 mg/g. The adsorption kinetic data were well described by the pseudo-second-order reaction equation. The intraparticle diffusion model data indicated that both the film and intraparticle diffusion occur simultaneously during the adsorption process. The thermodynamic parameters of ${\Delta}H^o$ and ${\Delta}G^o$ have positive and negative values, respectively, indicating that the adsorption of 2,4-DCP by MAC is a spontaneous endothermic reaction. After the adsorption experiment was completed, the used MAC could be easily separated by an external magnet.
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제안 방법
MAC에 의한 2,4-DCP의 흡착속도를 알아보기 위하여 유사 1차 속도식과 유사 2차 속도식에 적용하여 비교하였다.
MAC에 의한 2,4-DCP의 흡착특성을 살펴보기 위하여 2,4-DCP 농도 변화에 따른 영향, MAC의 투입량 변화에 따른 영향, 용액 pH 변화에 따른 영향을 검토하였으며, 흡착속도 및 흡착등온해석을 하였다.
따라서 본 연구에서는 제주도에 다량 발생하고 있는 농산폐기물인 폐감귤박으로 제조한 폐감귤박 활성탄(WCAC, waste citrus peel based activated carbon)을 이용하여 자성 활성탄(MAC, magnetic acti- vated carbon)을 합성하여 2,4-DCP 흡착 실험을 하였다.
본 연구에서는 제주 폐감귤박으로 제조한 활성탄을 이용하여 MAC 를 제조하였으며, 이를 이용하여 수중의 2,4-DCP을 제거하는 연구를 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 연구에서는 제주지역에서 생산되는 감귤 폐기물을 이용하여 제조한 WCAC를 이용하여 선행연구[22]에서와 같이 MAC를 합성하였다.
실험은 회분식으로 수행하였으며, 250 mL 삼각플라스크에 일정 농도의 2,4-DCP 용액 100 mL와 MAC 0.05 g을 넣은 후, 각각의 삼각플 라스크를 수평진탕기(Johnsam, JS-FS-2500)로 180 rpm으로 교반하면서 일정시간 간격마다 시료를 채취한 다음에 원심분리기(Eppendorf, Centrifuge 5415c)로 10,000 rpm에서 5 min 동안 원심 분리한 후 상등액만 채취하여 분광광도계(Shimadzu, UV-1240)로 2,4-DCP의 농도를 분석하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 WCAC을 사용하여 합성한 MAC를 흡착제로 사용하였다.
이론/모형
MAC에 의한 2,4-DCP의 흡착 실험 결과를 Langmuir 등온식과 Freundlich 등온식에 적용하여 검토하였다.
성능/효과
△Ho는 양수 의 값을 가지므로 흡착 반응이 흡열 반응이며, △So도 양수의 값이므로 용액과 흡착제의 접점에서 무질서도가 증가함을 확인할 수 있다.
또한 △Go는 음수의 값을 가지므로 흡착 반응이 자발적인 반응이며, 또한 온도가 높아질수록 △Go가 낮아지므로 높은 온도에서 흡착이 더 잘 일어남을 알 수 있었다.
회분식 흡착실험 결과를 유사 1차 속도식과 유사 2차 속도식에 적용하여 검토한 결과 유사 2차 속도식에 잘 부합하였으며, intraparticle 모델식에 적용하여 검토한 결과 흡착은 흡착제 표면에서의 흡착 뿐만이 아니라 세공 내 확산도 동시에 일어나며 흡착이 진행됨에 따라 점진적으로 세공 입자확산 이 지배적인 흡착단계가 일어난다는 것을 보여 주었다.
MAC의 양이 0.02 g에서 0.07 g으로 증가함에 따라 2,4-DCP의 제거율은 53.91%에서 93.8%로 증가하였으나, 2,4-DCP의 흡착량은 271.65 mg/g에서 136.11 mg/g으로 감소하였다.
Table 1에서 보듯이 유사 1차 속도식의 경우에 결정계수(r2) 값은 0.8807~0.9293이었으며, 유사 2차 속도식의 경우에는 r2 값이 0.9988~0.9993으로 MAC에 의한 2,4-DCP의 흡착 속도는 유사 1차 속도식보다 유사 2차 속도식에 잘 만족하였다.
Table 3에서 보듯이 본 연구 에서 수행한 농도범위 내에서는 MAC에 의한 2,4-DCP의 제거는 Langmuir 등온식(r2 = 0.9973~0.9980)을 잘 만족하였으며, 최대 흡착량은 293 K에서 312.5 mg/g이었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
사용한 후에 분말상의 활성탄을 수용액에서 분리해야하는 문제점을 해결하기 위한 방안은 무엇인가?
그러나, 이들 활성탄을 수처리에서 사용할 경우 입자 크기가 작기 때문에 사용한 후에 분말상의 활성탄을 수용액에서 분리하는 것이 어려우며[8], 여과 및 원심 분리와 같은 공정을 필요로 한다. 이러한 문제를 해결하는 방안으로 Schwickardi 등[18]은 활성탄에 자성을 부여한 자성 활성탄을 사용하면 외부에서 자석을 이용하여 액상에서 쉽게 분리할 수 있다고 하였다. 따라서 자성 흡착제는 다루기가 용이하고 쉽게 분리 가능하기 때문에 최근 수용액 중에서 염료나 다른 오염물질들을 제거하는 연구가 되고 있다[19-21].
클로로페놀류의 생물학적 문제점은 무엇인가?
특히, 페놀이 염소와 반응하여 생성된 2,4-디클로로페놀(2,4-DCP)과 같은 클로로페놀류는 플라스틱, 염료, 농약, 살충제 등의 합성 중간체로 광범위하게 사용되고 있으며, 이러한 물질들은 독성이 크고 암과 기형을 유발하고 소각 처리 시 다이옥신의 전구물질로 알려져 있다[1]. 이러한 물질은 생물학적으로 분해가 잘되지 않아 환경 내에서 지속적으로 축적되게 되어 수생 생물과 인체 건강에 심각한 위험을 초래한다[2].
활성탄이 흡착제로 널리 사용되는 이유는 무엇인가?
수용액 중의 페놀류 화합물을 제거하기 위해 막 여과[3], 생물학적 분해[4], 전기 화학적 산화[5], 광촉매 분해[6], 흡착[1,7] 등과 같은 다양한 방법이 검토되고 있으나, 이 방법들 중에서 흡착이 오염 물질들을 효과적으로 제거할 수 있고, 설계 및 운전이 용이하여 가장 보편적으로 널리 사용되고 있다. 폐수 중에서 오염 물질을 흡착 제거하는데 있어서 흡착제로는 활성탄이 넓은 비표면적과 미세 다공성 구조를 가지고 있고 흡착 속도가 빠르고 흡착능이 크기 때문에 가장 널리 사용되고 있다[8,9]. 그러나 활성탄을 대규모 수처리에 사용하는 경우에는 생산 비용과 처리 비용이 높다는 단점이 있다[10].
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