한국지하수토양환경학회 춘계학술발표회 2013년 4월 11일-12일 한화리조트 제주
유·무기 하이브리드소재를 이용한 수용액 내 중금속 흡착
최선미1․이채영2․정재우3․김수홍4․강석태1*
1경희대학교, 2수원대학교, 3경남과학기술대학교, 4SGR tech
*e-mail : [email protected]
Abstract
In this study, Manganese-oxide-dopped Expanded Graphite(Mn/EG) was synthesized from Expanded Graphite(EG). The results of SEM and XRD analysis showed that Mn3O4 was successfully immobilized on EG without a notable change in EG structure. Batch experiments for the adsorption of Pb and Ni on Mn/EG were conducted. Pb, Ni adsorption capacities of Mn/EG are 133.33 mg/g, 22 mg/g, respectively.
Parallel experiments using columns filled with Mn/EG were performed and found that the adsorption capacity was lower than that obtained from the batch study. In all tests the Mn/EG adsorption capacity was much better than EG. The results of this study indicated that the hybrid material of Mn oxide and EG can be an excellent adsorbent for the treatment of the media contaminated with heavy metals.
Key words : Adsorption, Graphite, Nanocomposite, Fixed-bed column
1. 서론
최근 국내에서는 많은 산업폐수가 발생하고 있으며 이 산업폐수는 중금속 등 유해폐기물들이 함유되어 있 다. 이러한 중금속은 생활 및 자연환경에 배출되어 인간이나 동물의 체내에 유입시 잘 배설되지 않고 축적되 어 생물권을 순환하면서 먹이연쇄에 의해 고농도로 축적된다. 또한 생물학적 처리법, 이온교환법, 막 분리법으 로는 제거가 어렵기 때문에 흡착 및 여러 가지 공정을 사용하여 처리할 수 있는 공정에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 중 흡착공정에 널리 사용되는 활성탄은 유기물질, 맛, 냄새 등을 제거하는데 탁월하다는 장 점을 가지고 있지만 중금속 등 무기물질을 제거하는 능력은 낮다는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 팽창 흑연과 Mn(III) acetylacetonate를 이용하여 유·무기 하이브리드소재를 제작하였으며, 제조한 하이브리드소재로 회분식 흡착실험, 연속흡착실험을 수행하여 중금속에 대한 흡착량을 고찰하였다.
2. 실험재료 및 방법
본 연구에서 사용된 Mn/EG는 자연상 흑연(EXP-527, 50 mesh)을 산 처리 후, 고온에서 팽창시켜 제조한 EG를 지지체로 이용하여, Mn(III) acetylacetonate를 초임계 상태에서 반응시켜 Mn 산화물을 생성시킴과 동시 에 EG에 고정화한 Mn/EG를 제조하였다. 대상 중금속 오염물은 Pb, Ni (Sigma Aldrich)로 하여 각각 200 mg/L로 제조한 후, 회분식 실험을 통해 Mn/EG 소재로의 흡착량을 평가하였다. 아울러 중금속의 연속제거 능 력을 평가하기 위하여 지름 2 cm, 유효높이 3 cm (총 부피 56.54 cm3)의 원통형 유리관을 이용하여 컬럼실험 을 수행하였다. 컬럼실험은 유량 1.5 ml/min, 중금속 농도 200 mg/L로 실험을 수행하였다. 시간에 따라 채취 한 샘플은 ICP(ICP-OES, 5300DV, Perkin Elmer, USA)를 이용하여 Pb, Ni 및 Mn 농도를 측정하였다.
3. 결과 및 고찰
회분식 실험과 연속흐름식 컬럼 실험에 의해 얻어진 Mn/EG의 Pb, Ni 흡착량을 Table. 1에 나타내었다.
회분식 실험 결과 Pb와 Ni 흡착량은 각각 133.33 mg/g, 22.99 mg/g으로 Pb 흡착능이 Ni보다 흡착능이 좋다 는 것을 확인할 수 있었다. 이는 흡착제에 대한 중금속의 친화도 때문이라고 판단된다. 또한 컬럼실험 결과를 아래 Fig. 1에 나타내었다. Pb의 경우 초기에 Mn이 용출됨에 따라 Pb과 Mn의 이온교환에 의해 흡착이 일어 나고 유출수의 Pb농도가 처음에는 증가하지 않다가 시간이 지남에 따라 증가하는 것은 Pb에 대한 Mn/EG의 흡착능이 크기 때문이라고 판단된다. Ni의 경우 10분경과 후부터 유출수의 Ni 농도가 증가하는 것은 Ni에 대 한 Mn/EG의 흡착능이 작기 때문이라고 판단된다.
Table 1. HMs adsorption capacity of Mn/EG.
HMs Adsorption capacity(mg/g)
Batch experiment Column experiment
Pb 133.33 61.55
Ni 22.99 9.47
0 100 200 300 400 500 0
50 100 150 200 250 300
Conc.(mg/L)
Time(min)
Pb Mn Ni Mn
Fig.1. Breakthrough curves for heavy metal in column experiment.
4. 결론
1) 회분식 실험 결과 Pb 133.33 mg/g, Ni 22.99 mg/g으로 Pb이 Ni보다 높은 흡착능을 나타내었다.
2) 컬럼실험결과 Pb의 경우 340분에 모두 파과 되었고 Ni의 경우 120분에 파과 되었다.
사 사
본 연구는 환경부 “ 토양·지하수오염방지기술개발사업“ 의 일환으로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.
참고문헌
1. 박수진, 김기석, 팽창흑연의 오일 흡착특성에 관한 연구, 화학공학회지, 제 42권, 제 3호, pp. 362~367(2004).
2. R. M. McKenzie, The Adsorption of Lead and Other Heavy Metals on Oxides of Manganese and Iron, Aust.J.Soil Res, 18, pp. 61-73(1980).
3. S. Karaca, Adsorption of cationic dye from aqueous solutions by activated carbon, Microporous and Mesoporous Materials, 115, pp. 376-382(2008).
