[논문]키토산비드를 이용한 양이온/음이온의 흡착모델 적용

안병렬

doi:10.11001/jksww.2019.33.3.205

[국내논문] 키토산비드를 이용한 양이온/음이온의 흡착모델 적용
Applicability of adsorption kinetic model for cation/anion for chitosan hydrogel bead 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.33 no.3, 2019년, pp.205 - 213

안병렬 (상명대학교 건설시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Batch adsorption tests were performed to evaluate the applicability of adsorption kinetic model by using hydrogel chitosan bead crosslinked with glutaraldehyde (HCB-G) for Cu(II) as cation and/or phosphate as anion. Pseudo first and second order model were applied to determine the sorption kinetic property and intraparticle and Boyd equation were used to predict the diffusion of Cu(II) and phosphate at pore and boundary-layer, respectively. According to the value of theoretical and experimental uptake of Cu(II) and phosphate, pseudo second order is more suitable. On comparison with the value of adsorption rate constant (k), phosphate kinetic was 2-4 times faster than that of Cu(II) at any experimental condition indicating the electrostatic interaction between ${NH_3}^+$ and phosphate is dominated at the presence of single component. However, when Cu(II) and phosphate simultaneously exist, the value of k for phosphate was sharply decreased and then the difference was not significant. Both diffusion models confirmed that the sorption rate was controlled by film mass transfer at the beginning time (t 6 hr).

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AI 본문요약
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제안 방법

반응온도 20°C에서 100 rpm의 속도로 교반하였으며, 충분한 교반시간을 위해서 0, 0.5, 1, 3, 6, 12, 24, 48 h의 정해진 시간에 상등액을 채취하여 분석하였다.
본 연구는 구리이온(Cu(II))과 인산염(phosphate)의 키토산 비드를 이용한 흡착실험결과를 이용하여 1) 다양한 흡착 속도 모델을 적용시켜 동역학적 평가를 수행하고, 2) 각 모델의 적용성과 한계성에 대한 검토를 하며, 또한 3) 이를 바탕으로 각 이온의 흡착 메커니즘에 대한 연구를 진행하였다.
키토산 분말(flake)을 용해한 후 키토산 용액을 이용하여 입자상 형태의 비드를 준비하였다. 우선 2.5%(wt.%/wt.%) 키토산용액을 만들기 위해서, 5 g의 키토산 분말을 195 g의 1% HCl 용액에 첨가한다. 실온에서 최소 24시간의 충분한 교반과정을 통해 키토산 용액을 준비한다.
구형의 입자상 키토산 비드는 수처리에 사용하기 위해서 pH가 7~8이 될 때까지 증류수를 이용하여 표면의 OH-를 제거해 주어야 한다. 또한 물리적 강도를 높여 수처리 공정에 이용하기 위해서 키토산 분자간의 교차결합(crosslinking)을 추가적으로 진행한다. Glutaraldehyde (GA)를 이용하였으며, HCB-G로 명명한다.
HCB-G의 평균 크기와 질량은 400개의 샘플을 이용하여 평균값을 사용하였으며 GA에 의한 키토산 폴리머의 교차결합력을 실험하기 위해서 pH 1, 2, 3, 4 용액에 일주일 동안 HCB-G를 두고 HCB-G의 건조 질량 변화를 관찰하였다.
구리와 인산염의 흡착 속도를 결정하기 위해서 회분식 실험을 진행하였다. 초기 구리와 인산염의 농도는 각각 10, 15 mg/L로 하였으며, 구리와 인산염에 대해 개별 실험과 혼합 실험을 200 mL의 유리병에 ~0.
구리와 인산염의 흡착 속도를 결정하기 위해서 회분식 실험을 진행하였다. 초기 구리와 인산염의 농도는 각각 10, 15 mg/L로 하였으며, 구리와 인산염에 대해 개별 실험과 혼합 실험을 200 mL의 유리병에 ~0.2 g의 HCB-G를 이용하여 실험을 진행하였다. 반응온도 20°C에서 100 rpm의 속도로 교반하였으며, 충분한 교반시간을 위해서 0, 0.
구리와 인산염의 분석은 분석 키트를 이용하여 DR 3900 (HACH, USA) 과 HS-1000Plus (HUMAS, Korea)를 이용하여 각각 분석하였으며, 또한 ICP-OES (Optima 2000, USA)을 이용하여 분석값에 대한 검정도 실시하였다.
유사1차반응을 적용하였을 경우, 하나의 직선식을 구하는 것이 불가능하여, 초기 3시간(1구간)과 6시간 이후(2구간)로 구간을 나누어 반응속도 상수를 비교하였다. 모든 실험 조건에서 초기 3시간 구간에서 높은 반응속도 상수(k)값을 보여주고 있다.

대상 데이터

키토산 분말(flake)을 용해한 후 키토산 용액을 이용하여 입자상 형태의 비드를 준비하였다. 우선 2.
또한 물리적 강도를 높여 수처리 공정에 이용하기 위해서 키토산 분자간의 교차결합(crosslinking)을 추가적으로 진행한다. Glutaraldehyde (GA)를 이용하였으며, HCB-G로 명명한다.

이론/모형

구리와 인산염의 흡착 동력학적 해석을 위해서, HCB-G를 이용한 구리와 인산염의 흡착반응속도는 초기 농도와 반응이 평형에 도달한 농도의 비(C/C₀)와 시간에 대한 비교를 통해 실험을 진행하였으며, 대표적인 모델인 유사1차(pseudo first) 반응속도식과 유사2차(pseudo second) 반응속도식을 이용하여 분석하였다.
HCB-G를 이용해서 BET실험을 통한 HCB-G의 표면적의 값이 필요하지만, 천연유기고분자인 키토산의 경우 BET실험을 통한 표면적을 얻기가 불가능하기 때문에 본 연구에서는 Boyd모델(Boyd et al., 1947)을 사용하여 공극과 필름 사이의 속도결정단계인 외부확산 모델에 대한 연구를 진행 하였다. 일반적으로 낮은 농도, 부족한 혼합, 그리고 작은 입자의 경우에는 막 확산이 속도 결정단계이고, 반대의 실험조건, 즉 높은 농도, 강한 혼합, 그리고 큰 입자의 경우는 내부확산이 흡착의 속도를 결정한다 (Garcia-Reyes and Jose, 2010; Kumar and Gaur, 2011).
내부확산 모델은 Weber and Morris (1962)에 의해 제안 되었으며 식(10)과 같이 제안되었다.
내부확산 모델의 값에서 초기의 제거는 막확산에 의한 것으로 나타내고 있으며, 이를 증명하기 위한 외부확산(film) 모델 중 하나인 Boyd 외부확산 모델을 이용하였으며, 속도결정단계를 외부확산 또는 내부확산에 의한 것인지를 결정하기 위함이다.

성능/효과

강한 산성인 pH 1에서는 비드의 겉보기 색깔 변화가 나타나고 있으며, pH 3부터 겉보기 색깔의 변화는 나타나고 있지 않다. 실험 전과 후의 질량을 측정한 결과 pH 1, 2, 3에서 16, 9.0, 11%의 질량이 각각 감소하였으나, pH 4에는 3.2%의 질량의 변화를 나타내고 있다. 교차결합 없이 준비된 키토산 비드의 경우, pH가 1과 2에서는 입자상 키토산 비드가 전부 키토산 용액의 형태로 되돌아 가는 것과 비교하였을 경우, 10% 정도만의 비드가 녹는 것은 대부분의 키토산 폴리머가 GA와 강한 결합을 유지하고 있는 것을 나타내고 있다.
이는 초기의 흡착 속도가 빠름을 나타내고 있다. 실제값과 이론값의 비교에서 1구간의 편차는 20% 이하인 반면, 2구간의 경우는 최고 80%이상의 편차가 발생하였다. 이는 2구간에서(6시간 이후)에서는 초기 반응과 다른 흡착 메커니즘에 의한 구리와 인산염의 제거가 이루어 지고 있다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	키토산이란?	키토산은 새우나 게 등의 갑각류에서 추출되어진 키틴을 탈아세틸화(deacetylation)하여 얻어진 결과물로 물리화학적으로 독특한 특징을 가지고 있다 (An et al., 2015).
	흡착제의 제거능은 어떻게 결정되는가?	이상과 같은 미세공극을 가지고 있는 흡착제의 제거능은 흡착제의 물리화학적 특징, 표면의 넓이, 공극의 크기, 친수성/소수성 여부 등에 결정이 되며, 흡착 평형식에 의해서 그 값을 결정할 수 있다. 오염물질의 제거 속도는 고체와 액체의 경계면에서 발생하는 반응 경로와 제거 메커니즘을 설명하기 위한 중요한 인자이며, 흡착공정 설계에 있어서 공탑유체속도(Superficial Liquid Velocity: SLV)와 공탑체류시간(Empty Bed Contact Time: EBCT)을 결정하기 위한 필요한 요소이다.
	키토산의 아민기를 용해시키는 방법은?	키토산의 아민기는 중성이나 염기성에서는 아미노기(NH2)로 존재하고 있기 때문에 분자사슬 사이의 수소결합이 끊어지지 않아서 용해되지 않는다(Oliver and Carey, 1976; Muzzarelli, 1977). 그러나 산성 조건에서는 양이온으로 전하를 띄는 아미노기(NH3+)에 의해서 고분자 간에 정전기적 반발력에 의해서 물분자의 침투가 용이해서 용해가 가능하다.

참고문헌 (22)

10.1016/j.jhazmat.2015.02.029 An, B. , Kim, H. , Park, C. , Lee, S.H. and Choi, J.W. (2015). Preparation and characterization of an organic/inorganic hybrid sorbent (PLE) to enhance selectivity for As (V), J. Hazad. Mater., 289, 54-62.

상세보기
Blanchard, G. Maunaye, M. and Martin, G. (1984). Removal of heavy metals from waters by means of natural zeolites, Water Res., 18, 1501-1507.
Boyd, G.E. , Adamson, A.W. and Myers, L.S. (1947). The exchange adsorption of ions from aqueous solutions by organic zeolites. II: Kinetics, J. Am. Chem. Soc., 69, 2836-2848.
10.1021/i100006a008 Clifford, D. (1982). Multicomponent ion-exchange calculations for selected ion separations, Ind. Eng. Chem. Fundam., 21, 141-153.

상세보기
Garcia-Reyes, R.B. and Jose, R.R.M. (2010). Adsorption kinetics of chromium(III) ions on agro-waste materials, Bioresour. Technol., 101, 8099-8108.
10.1016/j.jhazmat.2007.06.079 Ghodbane, L. , Nouri, N. , Hamdaoui, O. and Chiha, M. (2008). Kinetic and equilibrium study for the sorption of cadmium(II) ions from aqueous phase by eucalyptus bark, J. Hazard. Mater., 152, 148-158.

상세보기
Gilcreas, F.W. , Tarars, V. and Ingols, R.S. (1965). Standard methods for the examination of water and wastewater, American Public Health Association (APHA) Inc., New York.
10.1016/j.jhazmat.2005.11.062 Hamdaoui, O. (2006). Batch study of liquid-phase adsorption of methylene blue using cedar sawdust and crushed brick, J. Hazard. Mater., 135, 264-273.

상세보기
10.1016/j.jhazmat.2007.09.019 Hameed, B.H. and El-Khaiary, M.I. (2008). Kinetic and equilibrium studies of malachite green adsorption on rice straw-derived char, J. Hazard. Mater., 153, 701-708.

상세보기
Ho, Y.S. and McKay, G. (1998). The kinetics of sorption of basic dyes from aqueous solution by sphagnum moss peat, Can. J. Chem. Eng., 76, 822-827.
Karthikeyan, T. , Rajgopal, S. and Miranda, L.R. (2005) Chromium(VI) adsorption from aqueous solution by Hevea brasilinesis sawdust activated carbon, J. Hazard. Mater., 124, 192-199.
Kumar, D. and Gaur, J.P. (2011). Chemical reaction- and particle diffusion-based kinetic modeling of metal biosorption by a Phormidium sp.-dominated cyanobacterial mat, Bioresour. Technol., 102, 633-640.
Lagergren, S. (1898). About the theory of so-called adsorption of soluble substances, K. Sven. Vetenskapsakad. Handl. 24, 1-39.
Lee, C. (2005). Characterization of humin extracted from peat moss and adsorption of heavy metals, Master Thesis, Seoul National University of Science and Technology.
10.1016/j.jece.2018.01.009 Magdy, Y.H. and Altaher, H. (2018). Kinetic analysis of the adsorption of dyes from high strength wastewater on cement kiln dust, J. Environ. Chem. Eng., 6. 834-841.

상세보기
Muzzarelli, R.A.A. (1977). Chitin, Pergamon Press, Oxford. U.K.
10.4491/KSEE.2011.33.11.804 Na, C.K. and Park, H.J. (2011). Applicability of theoretical adsorption models for studies on adsorption properties of adsorbents(II), J. Korean Soc. Environ. Eng., 33(11), 804-811.

원문보기 상세보기
Oliver, G.G. and J.H. Carey. (1976). Acid solubilization of sewage sludge and ash constituents for possible recovery, Water Res., 10, 1077-1081.
10.1016/0009-2509(75)80023-6 Spahn, H. and Schlunder, U. (1975). The scale-up of activated carbon columns for water purification based on results from batch test. I. Theoretical and experimental determination of adsorption rates of single organic solutes in batch test, Chem. Eng. Sci., 30, 529-537.

상세보기
10.1021/es00015a016 Sengupta, A.K. , Zhu, Y. and Hauze, D. (1991). Metal(II) in binding onto chelating exchangers with nitrogen donor atoms: some new observations and related implications, Environ. Sci. Technol., 25, 481-488.

상세보기
10.1061/JSEDAI.0000430 Weber, W.J. and Morris, J.C. (1962). Kinetics of adsorption on carbon from solution, J. Sanit. Eng. Div., 89, 31-59.

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10.1016/j.apsusc.2015.05.118 Wu, Q. , Chen, F. , Xu, Y. and Yu, Y. (2015). Simultaneous removal of cations and anions from waste water by bifunctional mesoporous silica, Appl. Surf. Sci., 351, 155-163.

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