[논문]스코리아/활성탄의 혼합 충전탑에서의 중금속 및 유기물의 흡착 거동

김승건; 문수형; 이호원

doi:10.14478/ace.2021.1001

스코리아/활성탄의 혼합 충전탑에서의 중금속 및 유기물의 흡착 거동
Adsorption Behavior of Heavy Metals and Organics in the Mixed Packed Column of Scoria/Activated Carbon 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.32 no.1, 2021년, pp.97 - 101

김승건 (제주대학교 생명화학공학과) , 문수형 (제주특별자치도개발공사 수자원연구팀) , 이호원 (제주대학교 생명화학공학과)

초록
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스코리아와 활성탄의 혼합 충전탑에서 중금속과 유기물의 흡착 특성, 스코리아의 물리화학적 특성과 관능기를 조사하였다. 스코리아의 혼합비율이 증가할수록 카드뮴, 니켈, 크롬, 납 이온의 평균제거율은 증가하였으나, 벤젠과 톨루엔의 평균 제거율은 감소하였다. 스코리아와 활성탄의 혼합 충전탑은 중금속과 유기물의 동시 제거에 효과적으로 사용될 수 있었다. 스코리아는 Si-H와 Si-O 작용기를 갖고 있으며, 이중 Si-O 관능기가 중금속의 흡착에 크게 기여함을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Adsorption properties of heavy metals and organics in the mixed packed column of scoria and activated carbon, as well as physicochemical properties and functional groups of scoria were investigated. As the mixing ratio of scoria increased, the average removal ratios of cadmium, nickel, chromium, and lead ions increased, but that of benzene and toluene decreased. The mixed packed column of scoria and activated carbon could be effectively used for the simultaneous removal of heavy metals and organics. Scoria has Si-H and Si-O functional groups, and it was confirmed that Si-O functional groups greatly contributed to the adsorption of heavy metals.

주제어

표/그림 (6)

표 Table 1. Composition of Scoria
그림 Figure 1. Breakthrough curve for cadmium ion (a), nickel ion (b), chromium ion (c), lead ion (d), benzene (e), and toluene (f) (● AC; ▲ scoria: 20%; ■ scoria: 40%; □ scoria: 60%; △ scoria: 80%; ○ scoria).
그림 Figure 2. Average removal ratio according to the mixing ratio of scoria.
그림 Figure 3. FTIR analysis of activated carbon. New: AC before cadmium adsorption; Dry: AC dried after adsorption.
그림 Figure 4. FTIR analysis of scoria. New: scoria before cadmium adsorption; Wet: wet scoria after adsorption; Dry: dried scoria after adsorption.
그림 Figure 5. FTIR analysis of scoria. New: scoria before adsorption of mixed solution; Wet: wet scoria after adsorption of mixed solution.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 스코리아와 활성탄의 혼합 충전탑을 중금속과 유기물의 동시 제거에 활용하기 위한 기초 연구이다. 이를 위하여 본 연구에서는 스코리아와 활성탄의 혼합비율에 따른 중금속과 유기물의 흡착 제거 특성, 스코리아의 물리화학적 특성과 관능기를 조사하였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구는 스코리아와 활성탄이 혼합 충전된 충전탑에서의 중금속과 유기물의 흡착 특성을 파악하여 필터소재로서 스코리아와 활성탄의 혼합 충전탑을 활용하기 위한 연구이다. 이를 위하여 본 연구에서는 스코리아와 활성탄의 혼합비율에 따른 중금속과 유기물의 흡착 제거 특성을 살펴보았고, 스코리아의 물리화학적 특성과 흡착에 관여하는 스코리아의 작용기를 규명하였다.
본 연구에서는 이에 대한 원인 규명을 위하여 ATR-FTIR (attenuated total reflectance-fourier transform infrared)을 사용하여 스코리아의 관능 기를 분석하였다. 시료에 흡수, 방출된 적외선 파장 스펙트럼은 화학 구조에 따라 고유하기 때문에 흡착 전⋅후의 ART-FTIR 분석을 통해서 시료의 화학적 특성을 파악할 수 있다.
혼합 충전탑을 활용하기 위한 연구이다. 이를 위하여 본 연구에서는 스코리아와 활성탄의 혼합비율에 따른 중금속과 유기물의 흡착 제거 특성을 살펴보았고, 스코리아의 물리화학적 특성과 흡착에 관여하는 스코리아의 작용기를 규명하였다.

제안 방법

공급용액의 공급은 펌프(BP-90361, WON Corporation, Korea)에 의해 10 mL/min로 일정하게 상향식으로 공급하였으며, 매 시간마다 충전 탑의 유출액을 샘플링하고, 이를 0.45 µm 실린지 필터로 여과한 후 여과액을 Inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-OES 720)와 GC/MS (6890, Agilent, USA)를 이용하여 중금속과 유기물을 각각 분석하였다.
또한 본 연구에서는 스코리아의 물리화학적 특성을 살펴보기 위하여 BET 비표면적 측정기(TriStar II 3020, Micromeritics, USA), XRD (X’Pert MPD, Philips) 및 X-선 형광분석기(Shimadzu, Japan)를 사용하여 스코리아의 BET 비표면적, 결정 구조 및 구성 성분을 각각 분석하였으며, ATR-FTIR (Attenuated total reflectance-fourier transform in- frared)을 사용하여 스코리아의 관능기를 분석하였다.
또한 파장분산형 X-선 형광분석기(Shimadzu, Japan)를 이용하여 스코리아의 구성성분을 분석하였다. 분석 결과 스코리아의 주요 구성성분은 SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO, MgO 등임을 확인하였으며, 이에 대한 정량 분석 결과를 Table 1에 나타내었다.
본 연구에서 사용한 스코리아는 제주 동광지역에서 채취한 스코리아로서 채취한 스코리아를 100~200 mesh (75~150 µm)로 일정하게 선별한 후에 TriStar II 3020 (Micromeritics, USA)를 이용하여 스코리아의 BET 비표면적을 측정하였다. 측정한 결과 스코리아의 BET 비 표면적은 8.
스코리아와 활성탄을 혼합하여 충전한 혼합 충전탑에서 중금속 및 유기물의 흡착특성을 파악하기 위하여 혼합 충전탑에서 중금속과 유기물이 혼합된 혼합용액의 연속 흡착 실험을 실시하였다.
제거에 활용하기 위한 기초 연구이다. 이를 위하여 본 연구에서는 스코리아와 활성탄의 혼합비율에 따른 중금속과 유기물의 흡착 제거 특성, 스코리아의 물리화학적 특성과 관능기를 조사하였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
300 mm의 크기로 제작하였다. 컬럼은 총 6개조를 이중관 형태로 제작하여 흡착 온도를 25 ± 1 ℃로 일정하게 유지되도록 하였고, 각각의 컬럼에는 스코리아와 활성탄을 혼합하여 충전하였다. 스코리아는 제주 동광지역에서 채취한 것을 사용하였으며, 활성탄(Jeilchemical Co.
흡착제의 상대적 흡착 특성을 비교 분석하기 위하여 10 mg/L의 카드뮴 용액에 8~30 mesh 크기의 활성탄과 스코리아를 각각 24 h 동안 넣어 흡착이 충분히 일어나게 한 후에 젖은 상태의 것(Wet로 표기) 과건조 상태의 것(Dry로 표기)을 각각 ART-FTIR로 분석하고, 그 결과를 흡착 전의 것(New로 표기)과 비교하였다.

대상 데이터

공급 용액은 카드뮴(Cd²⁺), 니켈(Ni²⁺), 납(Pb²⁺) 및 크롬 이온(Cr³⁺) 과 벤젠 및 톨루엔이 각각 0.5 mg/L인 혼합 용액을 사용하였다. 카드뮴, 니켈, 납 및 크롬 이온은 각각 Cd(NO₃)₂⋅4H₂O, Ni(NO₃)₂⋅6H₂O, Pb(NO₃)₂ 및 Cr(NO₃)₃⋅9H₂O을 탈이온수에 용해하여 사용하였으며, 본 연구에 사용한 시약은 모두 대정화금(Daejung Chemicals & Metals Co.
본 연구에 사용한 충전탑은 아크릴 관을 이용하여 내경이 10 mm, 길이가 300 mm의 크기로 제작하였다. 컬럼은 총 6개조를 이중관 형태로 제작하여 흡착 온도를 25 ± 1 ℃로 일정하게 유지되도록 하였고, 각각의 컬럼에는 스코리아와 활성탄을 혼합하여 충전하였다.
)은 야자각으로 만든 것으로서 비표면적은 약 1000 m²/g이다. 본연구에서는 스코리아와 활성탄을 표준체(8~30 mesh)로 각각 체질한 후, 0.6~2.36 mm의 일정 크기의 것만 사용하였다.
컬럼은 총 6개조를 이중관 형태로 제작하여 흡착 온도를 25 ± 1 ℃로 일정하게 유지되도록 하였고, 각각의 컬럼에는 스코리아와 활성탄을 혼합하여 충전하였다. 스코리아는 제주 동광지역에서 채취한 것을 사용하였으며, 활성탄(Jeilchemical Co.)은 야자각으로 만든 것으로서 비표면적은 약 1000 m²/g이다. 본연구에서는 스코리아와 활성탄을 표준체(8~30 mesh)로 각각 체질한 후, 0.
스코리아의 결정 구조를 분석하기 위하여 XRD (X’Pert MPD, Philips) 를 이용하였다. 그 결과 스코리아는 중성장석[(Ca, Na)(Al, Si)₄O₈], 휘석 [Ca(Mg, Fe)Si₂O₆], 마그네슘 감람석(Mg₂SiO₄), 자철석(Fe₂O₄), 적철석 (Fe₂O₃), 석영(SiO₂)의 결정 구조를 갖고 있음을 확인하였다.
유기물(벤젠과 톨루엔)의 농도변화를 나타낸 그림이다. 이때 공급용액은 카드뮴, 니켈, 납 및 크롬 이온과 벤젠 및 톨루엔이 각각 0.5 mg/L인 혼합 용액을 사용하였다.
5 mg/L인 혼합 용액을 사용하였다. 카드뮴, 니켈, 납 및 크롬 이온은 각각 Cd(NO₃)₂⋅4H₂O, Ni(NO₃)₂⋅6H₂O, Pb(NO₃)₂ 및 Cr(NO₃)₃⋅9H₂O을 탈이온수에 용해하여 사용하였으며, 본 연구에 사용한 시약은 모두 대정화금(Daejung Chemicals & Metals Co.)의 1급 시약을 사용하였다.

성능/효과

이용하였다. 그 결과 스코리아는 중성장석[(Ca, Na)(Al, Si)₄O₈], 휘석 [Ca(Mg, Fe)Si₂O₆], 마그네슘 감람석(Mg₂SiO₄), 자철석(Fe₂O₄), 적철석 (Fe₂O₃), 석영(SiO₂)의 결정 구조를 갖고 있음을 확인하였다.
중금속에 대한 스코리아의 흡착능은 니켈 < 카드뮴 < 크롬 < 납 이온의 순서로 증가하였다. 납 및 크롬 이온의 평균제거율은 모두 95% 이상으로서 스코리아의 혼합비에 관계없이 모두 높게 나타났으며, 니켈과 카드뮴 이온은 스코리아의 혼합비가 증가함에 따라 평균 제거율이 크게 증가하는 경향을 나타났다.
따라서 스코리아의 Si-O 관능기가 중금속 이온의 흡착에 관여함을 확인할 수 있었다.
0%이었고, 벤젠과 톨루엔의 제거율은 모두 100%이었다. 따라서 활성탄과 스코리아의 혼합 충전탑은 중금속과 유기물의 동시 제거에 효과적으로 사용될 수 있음을 확인할 수 있었다.
1%이었다. 또한 활성탄 충전 탑에서의 크롬, 카드뮴 및 니켈 이온의 제거율은 각각 94.8, 95.1, 19.1 및 20.0%이었고, 벤젠과 톨루엔의 제거율은 모두 100%이었다. 따라서 활성탄과 스코리아의 혼합 충전탑은 중금속과 유기물의 동시 제거에 효과적으로 사용될 수 있음을 확인할 수 있었다.
따라 급격히 감소하였다. 스코리아 충전탑에서의 납, 크롬, 카드뮴 및 니켈 이온의 제거율은 각각 99.9, 98.6, 87.6 및 76.7%이었고, 벤젠과 톨루엔의 제거율은 각각 20.2 및 22.1%이었다. 또한 활성탄 충전 탑에서의 크롬, 카드뮴 및 니켈 이온의 제거율은 각각 94.
활성탄과 스코리아의 혼합 충전탑은 중금속과 유기물의 동시 제거에 효과적으로 사용될 수 있었다. 스코리아는 Si-H 와 Si-O 작용기를 갖고 있으며, 이 중 Si-O 관능기가 중금속의 흡착에 관여함을 확인할 수 있었다.
스코리아의 혼합비율이 증가할수록 중금속(카드뮴, 니켈, 크롬, 납이 온)의 파과점은 길어졌으며, 제거율은 증가하였다. 반면에 벤젠과 톨루엔의 흡착에 있어서 스코리아의 혼합비율이 60%보다 작은 경우에 벤젠과 톨루엔은 거의 흡착되어 11 h 경과 후에도 파과점에 도달하지 않았으나, 스코리아의 혼합비율이 80% 이상인 경우에는 1 h 이내에 파 과점에 도달하였다.
중금속에 대한 스코리아의 흡착능은 니켈 < 카드뮴 < 크롬 < 납 이온의 순서로 증가하였고, 스코리아의 혼합비율이 증가할수록 카드뮴, 니켈, 크롬, 납 이온의 평균제거율은 증가하나, 벤젠과 톨루엔의 평균 제거율은 감소하였다. 활성탄과 스코리아의 혼합 충전탑은 중금속과 유기물의 동시 제거에 효과적으로 사용될 수 있었다.
감소하였다. 활성탄과 스코리아의 혼합 충전탑은 중금속과 유기물의 동시 제거에 효과적으로 사용될 수 있었다. 스코리아는 Si-H 와 Si-O 작용기를 갖고 있으며, 이 중 Si-O 관능기가 중금속의 흡착에 관여함을 확인할 수 있었다.

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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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