[논문]에틸렌다이아민테트라아세트산으로 개질된 벤토나이트를 이용한 합성폐수 내 아연 이온 흡착

정명화; 권동현; 임연주; 안종화

doi:10.15681/kswe.2019.35.2.123

[국내논문] 에틸렌다이아민테트라아세트산으로 개질된 벤토나이트를 이용한 합성폐수 내 아연 이온 흡착
Adsorption of Zinc Ion in Synthetic Wastewater by Ethylenediaminetetraacetic Acid-Modified Bentonite 원문보기

한국물환경학회지 = Journal of Korean Society on Water Environment, v.35 no.2, 2019년, pp.123 - 130

정명화 (강원대학교 환경공학과) , 권동현 (강원대학교 환경공학과) , 임연주 (강원대학교 환경공학과) , 안종화 (강원대학교 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Ethylenediaminetetraacetic acid-modified bentonite (EMB) was used for adsorption of zinc ion (Zn) from aqueous solution, compared with unmodified bentonite (UB). Parameters such as dose (0.750 ~ 3.125 g/L), mixing intensity (10 ~ 150 rpm), contact time (0.17 ~ 30 min), pH (2 ~ 7), and temperature (298 ~ 338 K), were studied. Zn removal efficiency for EMB was 20 ~ 30 % higher, than that for UB, in all experiments. Thermodynamic studies demonstrated that adsorption process was spontaneous with Gibb's free energy (${\Delta}G$) values, ranging between -5.211 and -7.175 kJ/mol for EMB, and -0.984 and -2.059 kJ/mol for UB, and endothermic with enthalpy (${\Delta}H$) value of 9.418 kJ/mol for EMB and 7.022 kJ/mol for UB. Adsorption kinetics was found to follow the pseudo-second order kinetics model, and its rate constant was 3.41 for EMB and $2.00g/mg{\cdot}min$ for UB. Adsorption equilibrium data for EMB were best represented by the Langmuir adsorption isotherm, and calculated maximum adsorption capacity was 2.768 mg/g. It was found that the best conditions for Zn removal of EMB within the range of operation used, were 3.125 g/L dose, 90 rpm intensity, 10 min contact time, pH 4, and 338 K. Therefore, EMB has good potential for adsorption of Zn.

Keyword

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. (a) Images of field emission scanning electron microscope and (b) fourier transform infrared spectroscopy analysis of ethylenediaminetetraacetic acid-modified and unmodified bentonites.
그림 Fig. 2. Effect of adsorbent dose on zinc ion removal for ethylenediaminetetraacetic acid-modified and unmo-dified bentonites.
그림 Fig. 3. Effect of (a) mixing intensity and (b) contact time on zinc ion removal for ethylenediaminetetraacetic acid-modified and unmodified bentonites.
그림 Fig. 4. Effect of pH on zinc ion removal for ethylenedi-aminetetraacetic acid-modified and unmodified bentonites.
그림 Fig. 5. Effect of temperature on zinc ion removal for ethylenediaminetetraacetic acid-modified and unmodified bentonites.
표 Table 1. Equilibrium constants and thermodynamic parameters, in adsorption process for ethylenediaminetetraacetic-modified and unmodified bentonites
그림 Fig. 6. Langmuir and Freundlich isotherms of zinc ion removal for ethylenediaminetetraacetic acid-modified bentonite.
그림 Fig. 7. Pseudo-second order kinetics of zinc ion onto ethylenediaminetetraacetic-modified and unmodified bentonites.

AI 본문요약
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가설 설정

Langmuir 등온흡착식(식 5)은 일정 온도에서 흡착질과 흡착제가 평형 조건이 이루어졌다고 가정하여 유도한 식으로 단분자층 흡착(single-layer adsorption)이라고 하며 균일한 표면을 가정한다(Bae et al., 2018).

제안 방법

본 연구에서는 벤토나이트(대정화금) 10 g에 0.025 mol EDTA-2Na 표준용액(대정화금) 20 mL를 유리시험관에 넣고 볼텍스 믹서(vortex mixer, KMC-1300v, VISION)로 1분 동안 교반 후 건조기(ON-22GW, 제이오텍)를 사용하여 105°C에 24시간 건조하였다.
하지만">2018). 하지만 EDTA로 개질한 벤토나이트(EDTA modified bentonite, EMB)를 사용한 선행 논문(De Castro et al., 2018)은 제한적이며 아연을 대상으로 한 논문은 찾을 수가 없어 일반 벤토나이트(unmodified bentonite, UB)와 비교를 통해 아연 제거효율을 비교 평가하였다.
pH 조절을 위해 NaOH (97 %, 대정화금), HCl (35 %, 대정화금)을 1 N로 제조하여 사용하였다. 1 L의 비이커(유효용량: 400 mL)에 흡착제를 투여한 후 jar-tester (SF6, M-Tops, 대한민국)로 실험하였다. 후)운전인자는">운전 인자는 흡착제 투여량(0.75 ~ -3.125 g/L), 교반강도(10 ~ 150 rpm), 반응시간(0.17 ~ 30분), pH (2 ~ 7), 온도(298 ~ 338 K) 등을 조절하여 아연 제거율을 측정하였다. 본">2012). 본 실험에서 사용한 EMB와 UB의 표면적 차이를 알아보기 위하여 시료를 시편코팅기(specimen coater, Leica EM ACE600)로 전처리를 한 후 전계방사형주사전자현미경(field emission scanning electron microscope, S-4300/ HITACHI)으로 측정하였다. 중금속 본 실험에서 사용한 EMB와 UB의 표면적 차이를 알아보기 위하여 시료를 시편코팅기(specimen coater, Leica EM ACE600)로 전처리를 한 후 전계방사형주사전자현미경(field emission scanning electron microscope, S-4300/ HITACHI)으로 측정하였다. 중금속 제거효율에 큰 영향을 미치는 기능기와 그 종류를 알아보기 위해 적외선분광기(fourier transform infrared spectroscopy, PerkinElmer FT-IR Spectrophotometer, UK)를 사용하여 분석하였다.
후)바꾸어가며">바꾸어 가며 접촉할 때 얻어진다. 본 연구는 초기농도를 고정하고 흡착제 투여량을 달리하여 제거효율을 측정한 후데이터를 Langmuir, Freundlich 등온흡착식을 적용하여 EMB의 흡착성능을 확인하였다.
EMB와 UB의 아연 이온 흡착속도를 비교하기 위하여 유사 1차 속도식과 유사 2차 속도식을 적용하여 인자들을 비교, 분석하였다(Lee et al., 2017).

대상 데이터

실험에 사용한 합성폐수는 아연 표준용액(대정화금) 1,000 mg/L을 희석(5 mg Zn/L)하여 사용하였다. pH 조절을 위해 NaOH (97 %, 대정화금), HCl (35 %, 대정화금)을 1 N로 제조하여 사용하였다.
후)아연표준용액(대정화금)">아연 표준용액(대정화금) 1,000 mg/L을 희석(5 mg Zn/L)하여 사용하였다. pH 조절을 위해 NaOH (97 %, 대정화금), HCl (35 %, 대정화금)을 1 N로 제조하여 사용하였다. 1 L의
이론/모형
- 후)µm)로">µm) 로 여과하고 20 mL씩 분취하였다. 이후 Standard Method (3500-Zn)에 따라 자외선-가시광선분광광도계(UV-Vis spectrophotometer, Libra S60, Biochrom, US)를 이용하여 620 nm에서 흡광도를 측정하여 아연 농도를 구하였다(APHA, 2012). 본 실험에서 사용한 EMB와 UB의 표면적 차이를 알아보기 위하여 시료를 시편코팅기(specimen coater, Leica EM ACE600)로 전처리를 한 후 전계방사형주사전자현미경(field emission scanning electron microscope, S-4300/ HITACHI)으로 측정하였다.
- 벤토나이트의 물리ㆍ화학적 흡착에 대한 열역학적 특성을 보다 구체적으로 확인하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화량(ΔG, J/mol)을 Van't Hoff 방정식(식 1 ~ 3)을 통해 산출할 수 있다(Hwang et al., 2015; Van't Hoff 1884).

성능/효과

후)흡착연구에서">흡착 연구에서 중요한 변수이다. 흡착제 투여량에 따른 제거효율(고정인자: pH 3.4, 교반강도 60 rpm, 교반시간 15분) 은 흡착제량의 증가에 따라 흡착율이 증가하였다(Fig. 2). 이는 흡착제 투여량이 증가함에 따라 표면적의 가용성이 증가하기 때문이다(Rao et al.
투여량">2008). 투여량 3.125 g/L에서 EMB의 효율이 100 %에 도달했고 EMB 와 UB의 제거효율의 차이가 16.8 %로 나타났다.
후)아연이온의">아연 이온의 제거효율(고정인자: 흡착제 1.250 g/L, pH 3.4, 교반시간 15분)은 교반강도(10 ~ 150 rpm)에 따라 제거효율을 분석한 결과 두 흡착제 모두 60 ~ 90 rpm에서 평형에 도달하였다(Fig. 3). 60 rpm에서는 EMB 는 90.
교반시간에 따른 제거효율(고정인자: 흡착제 1.250 g/L, pH 3.4, 교반강도 60 rpm)은 교반시간(0.17 ~ 30분)에 따라 아연의 제거율을 측정한 결과 EMB와 UB 모두 10분에서 평형상태에 도달하였다(Fig. 3). 벤토나이트를 사용한 선행 논문에서도 4). pH 4에서 제거효율은 EMB는 87.0 %, UB는 74.0로 나타났고, pH 4를 전후로 제거효율이 감소하였다. pH 4 이하에서는 pH가 낮아질수록 EMB와 UB의 후)등온 흡착식과">등온흡착식과 비슷해진다. 이번 실험에서 n값은 5.807로 흡착이 잘 일어난다는 것을 확인할 수 있다(Fig. 6). 식 본 실험에서는 최대 흡착량은 Langmuir 2.767 mg/g로 나타났다. R² 값을 비교해본 결과, Langmuir 본 실험에서 아연제거효율이 UB에 비하여 EMB 흡착제에서 20 ~ 30 % 가량 제거효율이 향상되었으며, 산성에서 차이가 더 컸다. EMB는 UB에 비해 후)온 도의">온도의 영향을 적게 받았으며 교반강도는 두 흡착제 모두 중요하게 작용하였다. EMB의 아연 흡착은 모두 자발적이고 흡열반응으로 진행되었으며 Langmuir 흡착형태와 유사 2차 속도식에 더 적합하였다. 본 후)흡착 형태와">흡착형태와 유사 2차 속도식에 더 적합하였다. 본 실험범위를 기준으로 EMB의 아연 제거효율은 투여량 3.125 g/L, 교반강도 90 rpm, 교반시간 10분, pH 4, 온도 338 K에서 최적효율을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에틸렌다이아민테트라아세트산이란?	에틸렌다이아민테트라아세트산(ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA)은 킬레이트로 두 개 이상의 배위자가 고리를 형성하여 금속과 만든 화합물이다. EDTA는 두 개의 아민과 네 개의 카르복실기 작용기를 이용하여 주로 금속 양이 온에 결합한다(Aoudj et al.
	기존의 중금속 처리방법은?	기존의 중금속 처리방법으로는 침전, 이온교환, 역삼투, 흡착 등이 있다. 그 중 흡착법은 분자 상호간의 인력, 즉반데르 발스 힘(van der waals force)에 의한 물리적인 흡착과 고체표면의 기능성 기와 흡착질 이온 간의 결합에 의한 화학적인 흡착으로 작용하며, 탄화수소 등을 포함한 유기물에 대해 우수한 흡착성능을 갖는다(Lee et al.
	산업폐수에 많이 포함되어 있는 아연의 부작용은?	이 중 아연은 주로 도금, 배터리, 합금 생산 공정에서 발생하는 폐수에 다량 함유되어 있으며 아연이 함유된 폐수가 하천이나 바다로 방류될 경우, 식용조 류에 의해 흡수되고 먹이사슬에 유입되어 인간에게도 영향이 미친다. 아연은 인체에서 효소 반응의 전자 이동역할을 담당하는 필수 미량원소이지만, 장기복용 혹은 잘못된 복용 으로 인한 중독 시 신경과민, 식욕저하, 메스꺼움 등을 유발할 수 있다(Nemeth et al., 2016).

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표제어: PCR

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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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