[논문]활성탄에 의한 Reactive Orange 16 염료 흡착에 대한 공정 파라미터 연구

이종집

doi:10.5762/kais.2020.21.7.667

활성탄에 의한 Reactive Orange 16 염료 흡착에 대한 공정 파라미터 연구
Study on of Process Parameters for Adsorption of Reactive Orange 16 Dye by Activated Carbon 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.7, 2020년, pp.667 - 674

초록
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활성탄에 의한 reactive orange 16 (RO 16) 염료의 흡착은 흡착제의 양, pH, 초기 농도, 접촉시간과 온도를 흡착변수로 사용하여 실험하였으며, 분리계수, 속도상수, 율속단계, 활성화 에너지, 엔탈피, 엔트로피, 자유에너지와 같은 공정 파라미터에 대해 조사하였다. RO 16의 흡착은 활성탄 표면의 양이온 (H⁺)과 RO 16이 가지고 있는 설포네이트 이온 및 수산 이온사이의 정전기적 인력으로 인해 pH 3에서 흡착율이 가장 높았다. 등온자료는 Langmuir, Freundlich 및 Temkin 등온식을 적용하였다. Freundlich 상수(1/n=0.398~0.441)와 Langmuir 분리계수(R_L=0.459~0.491)에 의해 활성탄에 의한 RO 16의 흡착조작은 적절한 제거방법임을 확인하였다. Temkin 식의 흡착에너지 (B_T=0.293~0.576 kJ/mol) 값으로부터 이 흡착공정이 물리흡착공정이라는 것을 알았다. 흡착 동력학 실험은 RO 16의 흡착이 유사이차반응속도식에 잘 맞는 것으로 나타났다. 흡착공정의 율속단계는 입자 내 확산 단계인 것이 확인되었다. 양수값의 엔탈피 변화는 물리흡착임을 나타냈다. 음수값의 깁스 자유에너지 변화는 온도가 올라갈수록 -3.16<-11.60<-14.01 kJ/mol 순으로 작아졌다. 따라서 RO 16의 흡착공정의 자발성이 온도가 증가할수록 높아진다는 것을 보여주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The adsorption of reactive orange 16 (RO 16) dye by activated carbon was investigated using the amount of adsorbent, pH, initial concentration, contact time and temperature as adsorption variables. The investigated process parameters were separation coefficient, rate constant, rate controlling step, activation energy, enthalpy, entropy, and free energy. The adsorption of RO 16 was the highest at pH 3 due to the electrostatic attraction between the cations (H+) on the surface of the activated carbon and the sulfonate ions and hydroxy ions possessed by RO 16. Isotherm data were fitted into Langmuir, Freundlich and Temkin isotherm models by applying the evaluated separation factor of Langmuir (RL=0.459~0.491) and Freundlich (1/n=0.398~0.441). Therefore, the adsorption operation of RO 16 by activated carbon was confirmed as an appropriate removal method. Temkin's adsorption energy indicated that this adsorption process was physical adsorption. The adsorption kinetics studies showed that the adsorption of RO 16 follows the pseudo-second-order kinetic model and that the rate controlling step in the adsorption process was the intraparticle diffusion step. The positive enthalpy change indicated an endothermic process. The negative Gibbs free energy change decreased in the order of -3.16 <-11.60 <-14.01 kJ/mol as the temperature increased. Therefore, it was shown that the spontaneity of the adsorption process of RO 16 increases with increasing temperature.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Structure of reactive orange 16.
표 Table 1. Physical properties of activated carbon.
그림 Fig. 2. Effect of activated carbon dose for adsorption of RO 16.
그림 Fig. 3. Effect of pH for adsorption of RO 16.
그림 Fig. 4. Langmuir isotherms for adsorption of RO 16.
그림 Fig. 5. Freundlich isotherms for adsorption of RO 16.
그림 Fig. 6. Temkin isotherms for adsorption of RO 16.
그림 Fig. 7. PFO plots for adsorption of RO 16 at various concentration.
그림 Fig. 8. PSO plots for adsorption of RO 16 at various concentration.
표 Table. 2. Isotherm constans for adsorption of RO 16.
표 Table 3. Pseudo first order and Pseudo second order kinetic model parameters for adsorption of RO 16.
그림 Fig. 9. Intraparticle diffusion plots for adsorption of RO 16 by activated carbon at various temperatures.
그림 Fig. 10. Pseudo second order kinetic plots for adsorption of RO 16 by activated carbon at various temperature.
표 Table 4. Intraparticle diffusion parameters for adsorption of RO 16 by activated carbon at various temperarures.
표 Table 5. Pseudo second order kinetic model parameters for adsorption of RO 16 by activated carbon at various concentration.
표 Table 6. Thermodynamic parameters for adsorption of RO 16 by activated carbon

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 활성탄을 흡착제로 사용하여 RO 16을 흡착하는 공정을 대상으로 활성탄의 양과 pH가 흡착에 미치는 영향을 조사하고, 등온흡착결과로부터 Langmuir, Freundilch 및 Temkin 식의 흡착평형 파라미터를 평가하여 활성탄을 사용한 흡착조작이 효율적인지 판단해 보고자 하였다. 또한, 흡착속도 실험을 통하여 RO 16의 초기 농도와 흡착온도 들이 흡착 반응에 미치는 영향을 고찰하여 동력학 및 열역학 파라미터를 조사하여 흡착공정에 대한 메카니즘을 알아내고자 하였다.
본 연구에서는 활성탄을 흡착제로 사용하여 RO 16을 흡착하는 공정을 대상으로 활성탄의 양과 pH가 흡착에 미치는 영향을 조사하고, 등온흡착결과로부터 Langmuir, Freundilch 및 Temkin 식의 흡착평형 파라미터를 평가하여 활성탄을 사용한 흡착조작이 효율적인지 판단해 보고자 하였다. 또한, 흡착속도 실험을 통하여 RO 16의 초기 농도와 흡착온도 들이 흡착 반응에 미치는 영향을 고찰하여 동력학 및 열역학 파라미터를 조사하여 흡착공정에 대한 메카니즘을 알아내고자 하였다.

제안 방법

흡착온도에 따른 영향을 알아보기 위해 초기농도 100 mg/L의 RO 16 용액 100 mL를 유리병에 넣고, 활성탄을 500 mg 투입한 다음, 298, 308, 318 K로 각각 설정 하고 100 rpm의 속도로 24시간 동안 흡착하였다. 1시간 단위로 흡광도를 측정한 결과로부터 열역학적 파라미 터들을 알아보았다.
RO 16 염료의 흡착경향을 알아보기 위하여 농도를 100 mg/L로 고정시킨 후, 활성탄의 투입량을 변수로 하여 100〜800 mg 범위에서 100 mg 씩 차이를 두어 첨가하고 298 K에서 24시간 동안 항온 진탕한 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 활성탄 투입량 증가에 따라 RO 16의 흡착률도 증가하는데, 활성탄의 투입량이 100, 200, 300, 400, 500 mg일 때 제거율은 각각 63.
활성탄은 동양탄소에서 제조한 야자계 입상 활성탄으로 Table 1에 대표적인 물성을 나타내었다. RO 16의 농도는 자자외선-가시광선 흡수분광기 (Shimadzu, UV-1800P)로 494 nm에서 흡광도를 측정하여 분석하였다.
Reactive Orange 16 염료 용액 100 mL을 100 〜 700 mg/L 범위에서 100 mg/L 단위로 제조하여 각각 100 mL 광구병에 담고 활성탄 500 mg을 각각의 광구 병에 첨가하였다. 100 rpm의 왕복식 항온진탕기에서 온도를 298, 308, 318 K으로 각각 조절하여 24시간 동안 흡착하였다.
100 mg/L RO 16 용액 100 mL를 완충용액을 사용 하여 pH 3〜11로 조정한 후에 활성탄 300 mg과 함께 유리병에 넣고 298 K, 100 rpm 조건으로 24시간동안 항온 진탕하여 흡착하였다. 그 결과로부터 pH별 흡착특성을 조사하였다.
본 연구에서는 야자계 활성탄에 대한 RO 16의 흡착 특성과 메커니즘에 대한 정보를 얻기 위해 흡착평형 실험값들을 다음과 같은 Langmuir, Freundlich 및 Temkin 등온흡착식에 각각 적용하여 보았다.
용액의 농도에 따른 흡착의 영향을 알아보기 위해 초기농도 100, 200, 300 mg/L의 Reactive Orange 16 용액 100 mL에 활성탄 500 mg을 첨가한 후, 298 K,100 rpm의 왕복식 항온진탕기에서 흡착시키면서 흡착평형이 이루어질 때까지 24시간 동안 1시간 단위로 흡광도를 측정하였다. .
초기농도 100 mg/L인 RO 16 용액 100 mL에 대하여 100〜800 mg을 각각 다른 유리병에 100 mg 단위로 넣고, 왕복식 항온진탕기 (Jeio Tek, BS-21)에서 298 K, 100 rpm 조건으로 24시간 동안 흡착시킨 후 잔존 농도를 분석하여 활성탄의 투입량을 결정하였다.
활성탄에 의한 RO 16의 흡착실험 결과를 다음과 같은 유사일차속도반응식(pseudo first order kinetics model, PFO)과 유사이차속도반응식(pseudo second order kinetics model, PSO)에 적용하여 흡착과정을 동력학적으로 조사하였다.
흡착온도에 따른 영향을 알아보기 위해 초기농도 100 mg/L의 RO 16 용액 100 mL를 유리병에 넣고, 활성탄을 500 mg 투입한 다음, 298, 308, 318 K로 각각 설정 하고 100 rpm의 속도로 24시간 동안 흡착하였다. 1시간 단위로 흡광도를 측정한 결과로부터 열역학적 파라미 터들을 알아보았다.
100 rpm의 왕복식 항온진탕기에서 온도를 298, 308, 318 K으로 각각 조절하여 24시간 동안 흡착하였다. 흡착평형에 도달했을 때 RO 16 용액의 농도를 측정하고, 그 결과를 Langmuir, Freundlich, Temkin, 등온 흡착식에 적용하여 흡착등온선을 구하고 흡착평형인자파라미터 들을 평가하였다.

대상 데이터

Acid blue 40(C₂₀H₁₇N₃Na₂O₁₁S₃), MW : 617.54 g/mol, )은 Sigma-Aldrich 사 제품으로 염료함량 70 wt % 이며, Fig. 1과 같은 구조를 가지고 있다. 갈색 플라스크에 1000 mg/L의 원용액을 만들어 두고 사용하였다.

이론/모형

다공성 흡착제의 경우 흡착된 분자 또는 이온이 기공 안으로 확산되는 공정에 적합한 동력학 모델을 선정해야 한다. 흡착공정의 흡착속도지배단계를 조사하기 위해 다음과 같은 입자 내 확산 모델식을 사용하였다.

성능/효과

1. R) 16이 가지고 있는 SO₃^- 와 OH^- 이온의 영향으로 인해 활성탄 표면이 +로 되는 산성영역에서 흡착률이 높았으며, pH 2에서 97.8%의 최대 흡착률을 나타내었다.
2. 흡착평형은 Freundlich<Temkin< Langmuir 순으로 일치하였으며, Langmuir 식이 가장 잘 맞아서 RO 16이 활성탄에 단일층으로 흡착되었다.
3. Temkin 식에 의해 구한 흡착에너지(0.293〜 0.5763 kJ/mol)와 Gibbs 자유에너지변화(-3.16 〜 -14.01 kJ/mol)로부터 RO 16의 흡착은 물리 흡착공정으로 나타났다.
4. 활성탄에 대한 RO 16의 흡착공정은 유사이차반응속도식이 유사일차속도반응속도식보다 일치도가 높았다.
5. 활성화 에너지는 13.31 kJ/mol로 비교적 낮았으며, 엔탈피변화는 157.43 kJ/mol로 흡열반응으로 나타났다. Gibbs 자유에너지변화는 온도가 상승할수록 -3.
흡착평형은 Freundlich<Temkin< Langmuir 순으로 일치하였으며, Langmuir 식이 가장 잘 맞아서 RO 16이 활성탄에 단일층으로 흡착되었다. Langmuir 식과 Freundlich 식의 분리계수로부터 활성탄에 의한 RO 16의 흡착이 유효한 처리공정이 될 수 있음을 알았다.
이들 그래프로부터 반응식의 파라미터 값들을 계산한 결과를 Table 3에 나타냈다. 두 속도식을 적용한 결과가 직선식으로 나타났으며, 식에 대한 상관계수(r²)은 유사 일차 속도식에서 0.959〜0.979, 유사 이차 속도식에서는 0.993〜0.999로 RO 16의 흡착공정은 유사 일차보다 유사 이차 반응 속도식에 더 적합한 것으로 판단되었다.
또한 본 연구에서의 Gibbs 자유에너지변화는 물리흡착의 Gibbs 자유에너지 변화인 –20〜0 kJ/mol에 해당되어 이 흡착반응이 물리 흡착이라는 것을 알았다[19].
2 %였고, 600 mg 이상부터는 100% 제거되었다. 실험 결과에 의하면 염료가 완전히 제거되지 않은 범위 내에서는 500 mg의 활성탄 투입이 흡착률이 가장 높아 활성탄의 투입량으로 결정했다,
2에 나타내었다. 활성탄 투입량 증가에 따라 RO 16의 흡착률도 증가하는데, 활성탄의 투입량이 100, 200, 300, 400, 500 mg일 때 제거율은 각각 63.2, 85.3, 90.1, 92.4, 96.2 %였고, 600 mg 이상부터는 100% 제거되었다. 실험 결과에 의하면 염료가 완전히 제거되지 않은 범위 내에서는 500 mg의 활성탄 투입이 흡착률이 가장 높아 활성탄의 투입량으로 결정했다,
활성탄에 대한 RO 16의 흡착에 있어서 반응온도가 미치는 영향을 조사하고자 온도별 흡착실험을 실시한 결과는 Fig. 10과 같이 유사 이차반응속도식에 잘 맞았다. Table 5에 나타낸 바와 같이 온도가 상승할수록 속도상 수와 평형흡착량이 큰 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현재 산업폐수 에서 염색공업 관련 업체가 치지하는 비중은?	현재 전체 산업 폐수 발생량에서 볼 때 염색공업 관련 업체는 총 폐수 배출업체 중 약 6%를 차지하고 있으며, 폐수배출량은 약 4.5%를 차지하고 있지만, 오염 부하량은 전체의 약 24%를 차지하고 있어 매우 큰 환경 문제를 일으키고 있으며, 특히 반응성 염료의 수요는 계속해서 증가하는 추세이다[1].
	염색폐수의 특징은 무엇인가?	5%를 차지하고 있지만, 오염 부하량은 전체의 약 24%를 차지하고 있어 매우 큰 환경 문제를 일으키고 있으며, 특히 반응성 염료의 수요는 계속해서 증가하는 추세이다[1]. 이렇게 배출된 염색폐수는 고농도의 색도와 자연분해가 어려운 난분해성 물질 및 자연환 경과 인간의 보건학적 측면에서 위해가 되는 물질을 다량 함유하고 있기 때문에 처리가 무엇보다 중요하다.
	흡착 메카니즘 어떠한 방식으로 이루어지는가?	3을 보면 중성영역인 pH 3을 최소기점으로 pH 가 높아질수록 흡착률이 감소하는 현상을 나타내고 있다. 먼저 활성탄은 산성영역에서 표면이 양자화되어 + 전하를 띠게 되는데 RO 16은 물에 해리되어 음이온인 SO3-와 OH- 이온을 가지고 있기 때문에 다음 반응식들과 같이 염료분자의 음이온과 활성탄 표면의 양이온 사이에 강한 정전기적인 인력이 발생하여 흡착이 일어나게 된다[9].

참고문헌 (20)

I. H. Jo, N. H., Lee, S. W. Jang, S. W., Ahn, Y. H. Youn, K. D. Jo, "Analysis of Characteristics and Optimization of Photo-degradation Condition of Reactive Orange 16 Using a Box-behnken Method, " Korean Society of Environmental Engineers, 28, no. 9, pp. 917-925, Sep. 2006.
S. W. Won, S. B. Choi, YS. Yun, "Performance and Mechanism in Binding of Reactive Orange 16 to Various Types of Sludge, "Biochemical Engineering Journal, 28, no. 2, pp. 208-214, Feb. 2006.

상세보기
N. F. Cardoso, E. C. Lima, T. Calvete, I. S. Pinto, C. V. Amavisca, T. H. M. Fernandes, R. B. Pinto, W. S. Alencar, "Application of Aqai Stalks as Biosorbents for the Removal of the Dyes Reactive Black 5 and Reactive Orange 16 from Aqueous Solution, "Journal Chemical Engineering Data, 56, no. 5, pp. 1857-1868 mAR. 2011.

상세보기
T-K. Kim, J-W. Lee, S-Y. Cho, "Application of Residual Brewery Yeast for Adsorption Removal of Reactive Orange 16 from Aqueous Solution, "Advanced. Powder Technology, 26, no. 1, pp. 267-274 Jan. 2015.

상세보기
F. Marrakchi, W. A. Khanday, M. Asif, B. H. Hameed, "Cross-linked Chitosan/Sepiolite Composite for the Adsorption of Methylene Blue and Reactive Orange 16, "International Journal of Biological. Macromolecules, 95, part A, pp. 1231-1239, Dec. 2016.
M. Wasim, S. Sagar, A. Sabir, M. Shafiq, T. Jamil, "Decoration of Open Pore Network in Polyvinylidene fluoride/MWCNTs with Chitosan for the Removal of Reactive Orange 16 dye, "Carbohyddrate. Polymers. 174, no. 15, pp. 474-483, Oct. 2017.

상세보기
F. Marrakchi, M. J. Ahmed, W. A. Khanday, M. Asif, B. H. Hameed, "Mesoporous Carbonaceous Material from Fish Scales as Low-cost Adsorbent for Reactive Orange 16 Adsorption, "Journal of the. Taiwan Institute of Chemical Engineers, 71, no. 2, pp. 47-54, Feb. 2017.

상세보기
K. Pandiselvi, S. Thambidurai, "Synthesis of Porous Chitosan-Polyaniline/ZnO Hybrid Composite and Application for Removal of Reactive Orange 16 dye, "Colloids and Surfaces B; Biointerfaces, 108, no. 1, pp. 229-238, Aug. 2013.

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M. A. Aseel, N. A. Abbas, FA Ayad, "Kinetics and Equilibrium Study for the Adsorption of Textile Dyes on Coconut Shell Activated Carbon, "Arabian Journal of. Chemistry, 10, no. 9, pp. 3381-3393, Sep. 2017.

상세보기
J. J. Lee, "Characteristics of Equilibrium, Kinetic and Thermodynamic for Adsorption of Acid Blue 40 by Activated Carbon, "Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, 19, no. 12, pp. 592-599, Dec. 2018.
S. Nethaji, A. Sivasamy, G. Thennarasu, S. Saravanan, "Adsorption of Malachite Green Dye onto Activated Carbon Derived from Biorassus aethiopum flower biomass", "Journal of Hazardous. Materials., 181, no. 1-3, pp. 271-280, Sep. 2010.

상세보기
J. J. Lee, "Adsorption kinetic and Thermodynamic Parameter and Isosteric Heat for Adsorption of Crystal Violet by Activated Carbon, "Applied Chemistry of Engineering, 28, no. 2, pp. 206-213, Mar. 2017.
I. Belbachir, B. Makhoukhi, "Adorption of Bezathrern Dyes onto Sodic Bentonite from Aqueoes Solutions, "J. Taiwan Inst. Chem. Eng. 75, 105-111 (2017).

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P. Sivakumar, P. N. Palanisamy, "Adsorption Studies of Basic Red 129 by a Non Conventional Activated Carbon Prepared from Euphorbia Antiquorum L, "International Journal of ChemTech Research, 1, no. 3, pp. 502-519, Jul. 2009.
M. Ghasemi, M. Nushad, N. Ghasemi, Y. Khosravifard, "Adsorption of Pb(II) from Aqueous Solution Using New Adsorbents Prepared from Agricultural Waste: Adsorption Isotherm, and Kinetic Studies, "Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 20, no. 4, pp. 2193-2199, Jul. 2014.

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M Pan, X. Lin, J. Vie, X. Huang, "Kinetic, Equilibrium and Thermodynamic Studies for Phosphate Adsorption on Aluminum Hydroxide Modified Palygorskite Nano-composites, "Royal Society of Chemistry, 7, no. 9, pp. 4492-4500, 2017.
E. H. Lee, K. Y. Lee, K. W. Kim, H. J. Kim, I. S. Kim, D. Y. Chung, J. K. Moon, J. W. Choi, "Removal of I by Adsorption with AgX (Ag-impregnated X zeolite) from High-radioactive Sea Water Waste, "Journal of Nuclear Fuel. Cycle and Waste Technology., 14, no. 3, pp. 223-234, Jul. 2016.

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S. Kaur, S. Rani, R. K. Mahajan, M. Asif, V. K. Gupta, "Synthesis and Adsorption Properties of Mesoporous Material for the Removal of Dye Safranin : Kinetics, Equilibrium and Thermodynamics, "Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 22, no. 25, pp. 19-27, Feb. 2015.

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W. Hamza N. Dammak, H. B. Hadjitaief, M. Eloussaief, M. Benzia, "Sono-assisted Adsorption of Crystal Violet Dye onto Tunisian Smectite Clay: Characterzation, Kinetics and Adsorption Isotherms, "Ecotoxicology and Environmental Safety, 163. no. 15, pp. 363-371, Nov. 2018.
G. Bayramoglu, MY. Arica, "Adsorption of Congo Red Dye by Native Amine and Carboxyl Modified Biomass of Funalia Trogil: Isotherms, Kinetics and Thermodynamics Mechanisms, "Korean Journal of Chemical Engineering, 35, no. 2, pp. 1303-1311, Apr. 2018.

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용어 설명 출처 목록 (6)

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