[논문]표면개질된 소나무 수피를 이용한 수용액의 구리이온 흡착

박세근; 김영관

doi:10.11001/jksww.2019.33.2.131

표면개질된 소나무 수피를 이용한 수용액의 구리이온 흡착
Adsorption of copper ions from aqueous solution using surface modified pine bark media 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.33 no.2, 2019년, pp.131 - 140

Abstract ▼ AI-Helper

This study used a packed column reactor and a horizontal flow mesh reactor to examine the removal of copper ions from aqueous solutions using pine bark, a natural adsorbent prepared from Korean red pine (Pinus densiflora). Both equilibrium and nonequilibrium adsorption experiments were conducted on copper ion concentrations of 10mg/L, and the removals of copper ions at equilibrium were close to 95%. Adsorption of copper ions could be well described by both the Langmuir and Freundlich adsorption isotherms. The bark was treated with nitric acid to enhance efficiency of copper removal, and sorption capacity was improved by about 48% at equilibrium; mechanisms such as ion exchange and chelation may have been involved in the sorption process. A pseudo second-order kinetic model described the kinetic behavior of the copper ion adsorption onto the bark. Regeneration with nitric acid resulted in extended use of spent bark in the packed column. The horizontal flow mesh reactor allowed approximately 80% removal efficiency, demonstrating its operational flexibility and the potential for its practical use as a bark filter reactor.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구의 목적은 이와 같은 문제점을 해결하고 현장에 적용될 수 있도록 목재 성분을 흡착기능이 있는 여재(filter) 형태로서 사용하는 새로운 처리 시스템을 개발하고자 하였다. 이를 위하여 본 연구에서는 국내에는 목재로서의 경제성이 없으면서도 벌목 후 처분 또는 활용의 어려움으로 인하여 수종개량에 어려움을 겪고 있는 상황을 고려하여 다양한 목재 가운데 국내에 널리 분포되어 있으며 활용도가 높지 않은 소나무(Pinus densiflora) 수피를 가공하여 여재(filter)로 제작하고 중금속 성분 중에서 수용액의 구리 성분을 제거할 수 있는 가능성을 평가하였다.

제안 방법

특히, 본 논문에 서는 충진컬럼에서의 실험과 병행하여 개발된 흡착제의 현장 활용성을 확대하기 위한 수평형 흐름 반응조 시스템의 적용 가능성을 검토하였다. 그리고 회분식 흡착실험을 통하여 수피의 구리이온 흡착 특성을 비롯하여 알칼리 용액이 아닌 질산 용액으로 수피를 처리하였을 경우의 흡착능 개선 효과를 분석하였다.
본 연구의 목적은 이와 같은 문제점을 해결하고 현장에 적용될 수 있도록 목재 성분을 흡착기능이 있는 여재(filter) 형태로서 사용하는 새로운 처리 시스템을 개발하고자 하였다. 이를 위하여 본 연구에서는 국내에는 목재로서의 경제성이 없으면서도 벌목 후 처분 또는 활용의 어려움으로 인하여 수종개량에 어려움을 겪고 있는 상황을 고려하여 다양한 목재 가운데 국내에 널리 분포되어 있으며 활용도가 높지 않은 소나무(Pinus densiflora) 수피를 가공하여 여재(filter)로 제작하고 중금속 성분 중에서 수용액의 구리 성분을 제거할 수 있는 가능성을 평가하였다. 소나무를 비롯한 목재를 흡착제로 활용하기 위한 연구가 많이 수행되어왔으나 연구 결과가 현장에 반영된 사례는 찾아보기 어렵다.
본 연구에서는 실험실에서의 연구 결과를 현장에 반영하기 위한 자료를 제공하기 위하여 제작된 흡착제를 충진컬럼(packed column) 그리고 수평형 반응조(horizontal flow mesh system)에 설치하여 여재로 서의 가능성을 평가하고자 하였다. 특히, 본 논문에 서는 충진컬럼에서의 실험과 병행하여 개발된 흡착제의 현장 활용성을 확대하기 위한 수평형 흐름 반응조 시스템의 적용 가능성을 검토하였다. 그리고 회분식 흡착실험을 통하여 수피의 구리이온 흡착 특성을 비롯하여 알칼리 용액이 아닌 질산 용액으로 수피를 처리하였을 경우의 흡착능 개선 효과를 분석하였다.

대상 데이터

실험에 사용한 소나무(Pinus densiflora)는 건조중량 기준으로 68% carbohydrate, 12.4% crude lipid, 9.2% crude protein, 8.1% moisture, 그리고 기타 성분이 2.1%를 차지하고 있다 (Oh and Kim, 2006). 실험실에서 건조된 소나무 수피는 Wiley mill을 이용하여 분쇄하였으며 0.

이론/모형

15-mm 체에 걸러진 입자들을 실험에 사용하였다. 실험은 소나무(Pinus densiflora) 수피를 이용하여 수용액으로부터의 납을 제거하기 위한 연구(Oh and Kim, 2006)에서의 절차에 따라 진행하였다. 수피의 화학적 처리를 위하여 수피 시료 500g 을 1시간 동안 3% 질산 1,000mL에 넣은 후 증류수로 pH 5까지 세척한 후 50℃ 에서 24시간 동안 건조시킨 다음에 실험에 사용하였다 (이 시료는 본 논문에서 “acid-treated pine bark” 또는 “APB”로 표시).
흡착실험 결과를 분석하기 위하여 Freundlich 등온 흡착식과 Langmuir 등온 흡착식을 적용하였으며 Freundlich 흡착식은 다음과 같다 (Faust and Aly, 1998).
흡착실험 결과를 유사 2차 모델(pseudo second-order kinetic model) 에 적용시켜 동력학 상수를 구하였으며 적용한 동력학적 모델은 다음 식과 같다 (Ho and McKay, 2000).

성능/효과

수피의 산 처리 결과 초기 흡착속도가 75% 까지 증가 하였으나 평형상태에서 최대 흡착량은 초기 흡착속도 만큼 큰 차이를 보이지 않았다. 구리이온의 흡착 거동은 유사 2차 동역학적 모델(pseudo second-order kinetic model)로 잘 설명될 수 있었으며, 이 모델식으로 부터 구한 동역학적 상수들은 실험으로부터 구한 값들과 유사하였다. 충진컬럼에서 사용된 수피 흡착제는 재생회수가 증가되면서 흡착능이 감소하지만 질산으로 재생 시 활용횟수를 늘릴 수 있을 것이다.
회분식 동역학적 실험결과, 구리이온의 제거는 Langmuir 등온식과 Freundlich 등온 흡착식으로 잘 설명되었다. 수피의 산 처리 결과 초기 흡착속도가 75% 까지 증가 하였으나 평형상태에서 최대 흡착량은 초기 흡착속도 만큼 큰 차이를 보이지 않았다. 구리이온의 흡착 거동은 유사 2차 동역학적 모델(pseudo second-order kinetic model)로 잘 설명될 수 있었으며, 이 모델식으로 부터 구한 동역학적 상수들은 실험으로부터 구한 값들과 유사하였다.
본 연구에서는 국내에 널리 분포되어 있는 소나무 (Pinus densiflora) 수피의 구리 이온 흡착제로서의 잠재적 활용 가능성에 대해서 실험을 수행하였다. 회분식 동역학적 실험결과, 구리이온의 제거는 Langmuir 등온식과 Freundlich 등온 흡착식으로 잘 설명되었다. 수피의 산 처리 결과 초기 흡착속도가 75% 까지 증가 하였으나 평형상태에서 최대 흡착량은 초기 흡착속도 만큼 큰 차이를 보이지 않았다.

후속연구

이러한 처리효율은 이 시스템의 운전의 용이성과 저비용을 고려할 때, 현장에서 1차 처리의 개념으로서 적절한 반응조로 사용될 수 있는 가능성을 보여주었다. 그러나 수평흐름반응조의 처리효율을 추가적으로 증가시키기 위해서는 처리유량, 필요한 그물망의 개수, 그물망의 교체 시점과 같은 운전인자를 얻기 위하여 확대된 규모의 실험이 필요할 것이다.
충진컬럼에서 사용된 수피 흡착제는 재생회수가 증가되면서 흡착능이 감소하지만 질산으로 재생 시 활용횟수를 늘릴 수 있을 것이다. 수평흐름 반응조의 경우, 구리이온의 제거율은 거의 80%에 달하였으며 이 시스템을 현장에서 사용하고자 할 경우 에는 처리효율을 개선할 필요가 있을 것이며 이를 위해서는 처리유량, 필요한 그물망의 개수, 그물망의 교체 시점과 같은 운전인자를 얻기 위하여 확대된 규모의 실험이 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수용액으로부터 중금속 성분을 제거하는 기존의 방법은 한계는?	, 2003) 등이 있다. 그러나 이러한 방법들은 많은 처리 비용으로 인하여 현장 적용 시 배제되는 경우가 많았으며 (Babel and Kurniawan, 2003), 이러한 이유로 저비용의 흡착제에 대한 관심과 함께 흡착제 개발에 많은 연구가 진행되었다 (Choi and Yu, 2019; Ahmad and Danish, 2018; Dhir and Kumar, 2009; Garcia et al., 1988).
	아연의 특성은 무엇인가?	, 1974). 동물이나 식물을 비롯하여 미생물에게도 미량 영양물질인 아연은 일일 100~500mg 섭취 시 독성을 나타낸다 (Barceloux, 1999). 개발도상 국가의 경우 중금속에 의한 문제점은 더욱 심각하게 나타나는데 문제해결에 필요한 폐수처리 비용은 수질오염에 대한 예방을 어렵게 하고 있다.
	흡착제로 사용될 수 있는 저비용의 농업부산물에는 무엇이 있는가?	목재를 비롯한 농업 부산물의 중금속 흡착능은 종류에 따라 큰 차이를 나타내지만 흡착 효과 및 비용을 고려하여 중금속의 농도를 1mg/L 이하까지 제거하기 위한 대안으로 오래전부터 관심을 받아왔다 (Chong and Volesky, 1995). 흡착제로 사용될 수 있는 저비용의 농업부산물에는 히코리나무 수피 (Ding et al., 2016), 녹차와 커피 폐기물 (Orhan and Buyukgunor, 1993), 땅콩껍질(Johnson et al., 2002), 소나무 수피 (Oh and Kim, 2006;Palma et al., 2003; Vazquez et al., 1994; Freer et al., 1989), 톱밥 (Ayyappan et al., 2005), 전나무 추출 섬유 (Min et al., 2004), 개질된 셀루로스 물질 (Acemioglu and Alma, 2001), 바나나 껍질 (Ahmad and Danish, 2018) 등이 있다. Ding et al.

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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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