[논문]제주 스코리아로부터 합성한 제올라이트계 고정화 흡착제에 의한 Cu와 Cs 이온의 흡착 특성

이창한; 감상규; 이민규

doi:10.5322/jesi.2019.28.1.55

제주 스코리아로부터 합성한 제올라이트계 고정화 흡착제에 의한 Cu와 Cs 이온의 흡착 특성
Characteristics of Cu and Cs Ions adsorbed on an immobilized Adsorbent including Zeolite Synthesized from Jeju Scoria 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.28 no.1, 2019년, pp.55 - 64

이창한 (부산가톨릭대학교 환경행정학과) , 감상규 (제주대학교 환경공학과) , 이민규 (부경대학교 화학공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The adsorption properties of $Cs^+$ and $Cu^{2+}$ ions were evaluated by using a polysulfone scoria zeolite (PSf-SZ) composite with synthetic zeolite synthesized from Jeju volcanic rocks (scoria). In order to investigate the adsorption properties, various parameters, such as pH, contact time, reaction rate, concentration, and temperature in aqueous solutions, were evaluated by tests carried out in batch experiments. The adsorption capacities of $Cs^+$ and $Cu^{2+}$ ions increased between pH 2 but achieved equilibrium at pH 4 and above. The adsorption rate increased rapidly up to the initial 24 h, after which it plateaued ; the adsorption rate then sustained at equilibrium from 48 h. The adsorption kinetics of $Cs^+$ and $Cu^{2+}$ ions were described better by the pseudo-second-order kinetic model than the pseudo-first-order kinetic model. The Langmuir model fitted the adsorption isotherm data better than the Freundlich model. The maximum adsorption capacities of $Cs^+$ and $Cu^{2+}$ ions obtained from the Langmuir model were 53.8 mg/g and 84.7 mg/g, respectively. The calculated thermodynamic parameters showed that the adsorption of $Cs^+$ and $Cu^{2+}$ ions on PSf-SZ was feasible, spontaneous and endothermic reaction.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

Mao et al.(2006)은 PS로 활성탄을 고정화한 비드를 흡착제로 사용한 경우에 비스페놀-A를 효과적으로 제거할 수 있다고 하였으며, 본 연구자는 PS로 zeolite 4A를 고정화한 비드를 흡착제로 사용하여 수중의 Sr²⁺와 Cs⁺를 제거하는 실험을 하였다.
(2013)은 천연제올라이트를 이용한 Cu²⁺ 흡착에서 pH 2~4 까지는 흡착량이 증가하다가 pH 4 이상에서는 흡착량이 평형에 도달한다는 결과를 하여 본 연구의 결과와 유사하다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 Cs ⁺ 와 Cu ²⁺ 이 자유 이온 형태로 존재하는 pH 4~5범위에서 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 PSf 내에 스코리아로 합성한 제올라이트를 고정화시켜 새로운 복합체인 polysulfone scoria zeolite (PSf-SZ) 비드를 합성하였다. 합성한 복합체를 이용하여 Cu²⁺와 Cs⁺ 대한 흡착특성을 살펴보기 위하여 pH의 영향, 흡착속도, 흡착등온 그리고 공존이온의 존재에 따른 영향을 확인하여 고찰하였다.
실험은 회분식으로 수행하였으며, 500mL 삼각플라스크에 일정 농도의 Cs⁺와 Cu²⁺ 용액 200 mL와 PSf-SZ 비드 2g을 넣은 후 수평진탕기(Johnsam, JS-FS-2500)를 사용하여 180 rpm으로 교반하면서 일정시간 간격마다 1 mL의 시료를 채취하였다. Cs⁺와 Cu²⁺ 이온의 농도는 원자흡광광도계(Shinmadzu.
제주도의 화산 지역 특성으로 인해 다량으로 존재하는 Scoria를 이용하여 합성한 PSf-SZ 복합체를 이용하여 Cs⁺와 Cu²⁺의 흡착능력을 평가하였으며, 흡착능력은 흡착에서 Cs⁺와 Cu²⁺용액의 pH, 시간에 따른 반응속도, Cs+와 Cu2+의 농도, 온도에 따른 영향에 대해 연구하였다. Cs⁺ 이온은 pH 2~3에서 흡착량이 3.
본 연구에서는 PSf 내에 스코리아로 합성한 제올라이트를 고정화시켜 새로운 복합체인 polysulfone scoria zeolite (PSf-SZ) 비드를 합성하였다. 합성한 복합체를 이용하여 Cu²⁺와 Cs⁺ 대한 흡착특성을 살펴보기 위하여 pH의 영향, 흡착속도, 흡착등온 그리고 공존이온의 존재에 따른 영향을 확인하여 고찰하였다.
흡착 속도를 고려하기 위해 PSf-SZ 비드에 의한 Cs⁺와 Cu²⁺의 흡착속도를 알아보기 위하여 유사 1차 속도식과 유사 2차 속도식을 적용하여 비교하였다.

대상 데이터

Cs+와 Cu2+용액은 CuSO4 ·5H2O(Samchun, EP)와 CsCl(Samchun, EP)를 초순수(Milli-Q Millipore 18.2 Mcm-1 conductivity) 에 녹여 1,000 mg/L의 stock solution을 제조하여 사용하였다.
425 mm이하로 체분리된 시료를 110℃에 24 hr 건조한 시료를 제올라이트 합성에 사용하였다. Polysulfone (PSf)은 Sigma-Aldrich에서 구입하여 사용하였으며, 용매는 1-methyl-2-pyrrolidone(NMP, Samchun, EP)를 사용하였다. Cs⁺와 Cu²⁺용액은 CuSO₄ ·5H₂O(Samchun, EP)와 CsCl(Samchun, EP)를 초순수(Milli-Q Millipore 18.
8로 혼합하여 550℃에서 1 hr 동안 용융시키고, 소성된 시료를 수용액에서 교반하면서 숙성 및결정화 과정을 거쳐 제올라이트를 제조하였으며, 탈이온 수로 수차례 세척하고 105℃에서 2 hr 건조한 후 실험에 사용하였다. 제조한 제올라이트는 분쇄하여 170 mesh 이상인 것을 사용하였다. PSf-SZ 비드의 제조는 선행연구(Lee et al.
제주도 한림읍의 스코리아 광산에서 적갈색의 스코리아를 채취 및 분쇄하여 0.425 mm이하로 체분리된 시료를 110℃에 24 hr 건조한 시료를 제올라이트 합성에 사용하였다. Polysulfone (PSf)은 Sigma-Aldrich에서 구입하여 사용하였으며, 용매는 1-methyl-2-pyrrolidone(NMP, Samchun, EP)를 사용하였다.

이론/모형

PSf-SZ 비드에 의한 Cs⁺와 Cu²⁺의 등온 평형 실험 결과를 Langmuir와 Freundlich 흡착 등온식에 적용하여 검토하였다.
제조한 제올라이트는 분쇄하여 170 mesh 이상인 것을 사용하였다. PSf-SZ 비드의 제조는 선행연구(Lee et al., 2015a)와 동일한 방법으로 수행하였다. NMP 10.
열역학적 파라미터인 엔탈피(ΔH°)와 엔트로피(ΔS°) 는 다음과 같은 Van‘t Hoff 식을 이용하여 구할 수 있다.

성능/효과

9 mg/g으로 가장 높은 흡착량을 보였다. Cs⁺와 Cu²⁺의 농도를 100~400 mg/L 으로 조절한 용액에 PSf-SZ 복합체에 의한 Cs⁺와 Cu²⁺의시간에 따른 흡착량은 초기 24 hr까지는 흡착이 빠르게 일어나 급격한 흡착량 변화를 보이지만 시간이 지날수록 흡착 속도가 감소하고, 48 hr부터는 평형에 도달하였다. Cs⁺와 Cu²⁺의 흡착속도는 유사 1차 속도 모델식보다 유사 2차 속도 모델식에 잘 적용되었으며, 흡착등온은 Cs⁺와 Cu²⁺은 모두 Freundlich 등온식보다는 Langmuir 등온식 더 잘 만족하는 것으로 나타났다.
Cs⁺와 Cu²⁺의 농도를 100~400 mg/L 으로 조절한 용액에 PSf-SZ 복합체에 의한 Cs⁺와 Cu²⁺의시간에 따른 흡착량은 초기 24 hr까지는 흡착이 빠르게 일어나 급격한 흡착량 변화를 보이지만 시간이 지날수록 흡착 속도가 감소하고, 48 hr부터는 평형에 도달하였다. Cs⁺와 Cu²⁺의 흡착속도는 유사 1차 속도 모델식보다 유사 2차 속도 모델식에 잘 적용되었으며, 흡착등온은 Cs⁺와 Cu²⁺은 모두 Freundlich 등온식보다는 Langmuir 등온식 더 잘 만족하는 것으로 나타났다. 293 K의 조건에서 Langmuir 등온식으로부터 구한 Cs⁺와 Cu²⁺의 최대 흡착량(q_m)은 각각 53.
5와 Fig 6은 293K, 308K, 그리고 323K의 온도 조건에서 흡착 등온 실험결과를 나타내었고, 이 결과를 식(5)와 (6)에 적용하여 구한 흡착 등온 파라미터를 Table 2에 나타내었다. Fig. 5에서 보듯이 293K인 조건 에서 Cs⁺와 Cu²⁺의 흡착량을 Langmuir와 Freundlich 흡착 등온식에 의한 예측치와 비교하면 Langmuir 흡착 등온식에 의해 더 잘 예측된다는 것을 확인할 수 있었다. Table 2에 나타낸 것과 같이 Cs²⁺에서 Langmuir와 Freundlich 흡착 등온식의 결정계수(r2)가 각각 0.
9876로 나타났다. 두 이온에서 모두 Freundlich 흡착 등온식보다는 Langmuir 흡착 등온식 더 잘 만족하는 것으로 나타났다. PSf-SZ 복합체에 의한 Cs⁺와 Cu²⁺의 흡착은 물리적인 흡착 보다는 이온교환 등의 화학흡착에 의해 진행되는 것으로 사료된다.
9994로서 유사 2차 속도식에 잘 맞다는 것을 알 수 있었다. 또한, Cu²⁺에서도 유사 1차와 2차 속도식의 결정계수(r²)은 각각 0.8373~ 0.9538과 0.9948~0.9995로서 Cs⁺ 흡착의 경향과 유사하게 유사 2차 속도식에 더 적합하였다. 유사 2차 속도식에 의한 Cs⁺와 Cu²⁺ 흡착량을 살펴보면 각각 24.
또한, G°가 Cs+와 Cu2+에서 음수를 나타내어 흡착 반응이 자발적인 반응으로 진행된다는 것을 확인할 수 있었다.
이 결과는 PSf-SZ상에서 Cs⁺와 Cu²⁺가 흡착시 흡열반응으로 진행됨을 알 수 있다. 또한, 온도가 증가할수록 합성 제올라이트의 공극뿐만이 아니라 PSf-SZ 복합체의 작용기의 화학흡착으로 활성점이 증가하여 흡착량이 증가하는 것으로 사료된다.
8(b)는 용액과 PSf-SZ 비드에 금속이온의 분배 정도를 알아보기 위해 K⁺, N⁺, Mg²⁺, Ca²⁺ 및 Cu²⁺에 대하여 분배계수(K_d)를 사용하여 나타낸 것이다. 실험결과, 단일 성분계의 Cu²⁺의 흡착량이 가장 많았고 공존양이온이 Cu²⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺인 순서로 흡착량이 많음을 볼 수 있었다. Na⁺은 흡착량이 오히려 감소하여 용액속의 초기 Na⁺농도보다 높은 값이 나왔다.
7 mg/g으로 실험값과 거의 유사한 값을 얻었다. 온도의 영향에 대한 실험에서 Cs⁺와 Cu²⁺의 흡착은 자발적인 흡열반응으로써 온도가 증가할수록 흡착량은 많아지는 것을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선진국을 중심으로 많은 나라들이 에너지 공급원으로 사용하는 것은 무엇인가?	선진국을 중심으로 많은 나라들이 에너지 공급원으로 원자력 발전을 이용하고 있다. 하지만, 이 과정에서 발생하는 방사능 오염물질은 토양이나 지하수 그리고 해수로 유입될 경우 생태계 및 인간에게 치명적인 피해를 줄 수 있다.
	흡착제로 스코리아를 사용하기 어려운 이유는 무엇인가?	천연 물질인 스코리아는 제주도 전 지역 특히 기생화산 지역에 널리 산재해 있는 천연 부존자원으로 화산의 폭발시 분출된 다양한 물질 가운데 다공질의 화산암, 화산모래, 화산재 등이 혼합되어 이루어진 약알카리성의 화산성토이며, 미생물 또는 다른 물질이 부착할 수 있는 충분한 표면적을 지니고 있다(Yoon, 1995). 또한 가격이 저렴하여 일반적인 흡착제의 구비조건을 충족시킬 수 있을 것으로 판단되나 폐수 중의 중금속 등 다양한 오염 물질 제거에 많이 활용되고 있는 천연 제올라이트 등 다른 흡착제와 비교해서 중금속 흡착능이 현저히 낮기 때문에 흡착제로 스코리아를 사용하기에 어려운 실정이다 (Kam et al., 1999).
	제올라이트를 폐수와 잔여물로부터의 회수 및 재사용을 위해 수행되고 있는 연구는 무엇인가?	, 2014). 따라서 이러한 문제를 보완하기 위해 분말 형태의 흡착제를 공유결합, 가두기, 캡슐화 등과 같은 방법으로 고정화하여 수중의 금속이온을 제거하는 다양한 연구가 수행되고 있다. 이와 같이 제올라이트를 고분자 물질에 고정화하여 사용하면 제올라이트를 분말로 사용하는 것보다 흡착제의 회수가 용이하고 압력강하와 같은 문제를 보완할 수 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

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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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