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적니와 유기성 폐기물의 공동열분해를 통한 금속 바이오차의 제조 및 활용
윤광석 ( Kwangsuk Yoon ),장희진 ( Heejin Jang ),송호철 ( Hocheol Song ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2021 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2021 No.-
적니(red mud)는 알루미늄 생산을 위해 보크사이트(bauxite)를 Bayer 공정(전 세계적으로 95% 이상 사용)을 통해 처리하는 과정에서 필연적으로 발생하는 고체 폐기물이다. 이 적니는 생산과정에서 알루미늄 1톤당 약 1-1.5 톤이 발생한다. International Aluminium Institute(IAI)에 따르면, 전 세계적으로 2020년에 연간 약 1억3천4백만 톤의 알루미늄을 생산되었으며, 이 생산에 의해 발생된 적니는 약 1억3천4백만-2억1백만 톤으로 추정된다. 이 막대한 양의 적니는 대부분 매립 부지를 조성하여 매립 후 복토하는 방법으로 처리하고 있다, 하지만, 이는 부지의 부족 문제뿐만 아니라 독성 및 높은 알칼리성(> pH 11), 높은 금속 함량(예, Fe 및 Ti, Al 등) 때문에 심각한 생태계 및 환경적 문제를 야기할 수 있다. 이에 따라 많은 연구자들은 매립 후 복토에 대한 대처 방안을 위해 많은 노력을 시도하고 있다. 예를 들어, 건설 재료(시멘트 및 벽돌 등)로의 재이용 및 토양 개량, 중금속 흡착, 중화제, 철 회수, 탄소 광물화 등의 다양한 연구를 수행하고 있다. 하지만, 매년 막대한 양의 발생에 비해 처리할 수 있는 기술은 한계가 있다. 따라서 더 다양한 처리 연구 및 기술이 필요하며, 본 연구에서는 적니와 유기성 폐기물(리그닌 및 톱밥, 오렌지 껍질 등)을 혼합하여 공동열분해(co-pyrolysis)를 금속 바이오차를 제조하고 이를 환경(흡착 및 환원) 및 에너지(촉매) 분야에 활용하는 연구를 수행하였다.
오렌지껍질 및 적니의 공동-열분해를 통한 금속-탄소 복합체 제조 및 이를 활용한 비소(V) 및 니켈(II)의 동시 처리
윤광석 ( Kwangsuk Yoon ),권기훈 ( Gihoon Kwon ),송호철 ( Hocheol Song ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2020 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2020 No.-
본 연구는 N<sub>2</sub>와 CO<sub>2</sub> 환경에서 산업폐기물인 적니와 음식물 쓰레기인 오렌지 껍질의 열분해를 통해 금속-탄소 복합체(N<sub>2</sub>C 및 CO<sub>2</sub>C)를 새롭게 제조하였다. 이 복합체의 제조 과정 중 합성가스(syngas) 발생량을 비교하였으며, 제조된 복합체를 활용하여 비소(V)와 니켈(II)의 공동-흡착 실험을 수행하였다. 열분해 과정 중 발생한 합성가스는 N<sub>2</sub> 환경보다 CO<sub>2</sub> 환경에서 더 많은 CO를 발생시킬 수 있다는 이점을 확인하였다. 또한, 제조된 복합체의 특성분석(Fe-SEM 및 BET, XRD, FT-IR) 결과, 두 종류의 복합체의 형상은 큰 차이가 없었지만, 적니 내의 철(Fe)상이 변한 것을 확인하였다(적니: Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, N<sub>2</sub>C: Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub> 및 Fe<sup>0</sup>, CO<sub>2</sub>C: Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>). 흡착 실험의 경우 공동-흡착량과 비교하기 위해 비소(V)와 니켈(II)의 단일 흡착 실험도 함께 수행하였다. 단일 흡착 결과, 두 복합체의 흡착능은 유사했으며(N<sub>2</sub>C - As(V): 7.5 mg g<sup>-1</sup>, Ni(II): 16.2 mg g<sup>-1</sup>, CO<sub>2</sub>C - 비소(V): 5.6 mg g<sup>-1</sup>, 니켈(II): 15.1 mg g<sup>-1</sup>), 공동-흡착도 두 복합체의 흡착량은 유사했다. 하지만, 단일 흡착보다 공동-흡착에서 더 향상된 흡착능을 보여주었다. 예를 들어, CO<sub>2</sub>C의 경우 13.4 mg g<sup>-1</sup> 비소(V)와 17.6 mg g<sup>-1</sup> 니켈(II)의 흡착능이 관찰되었다. 이는 니켈(II)와 비소(V)가 복합화(complexation)에 의해 추가적인 제거가 일어난 것으로 추정된다. 따라서 본 연구의 전반적인 결과를 통해 CO<sub>2</sub> 열분해는 폐기물을 효율적인 환경 매체로 전환할 수 있는 실행 가능한 플랫폼을 제공할 수 있으며, CO<sub>2</sub> 열분해를 통해 제조된 복합체는 폐수 처리에서 실용적으로 큰 의미를 갖는 양이온성 및 음이온성 중금속을 동시에 처리 가능하다는 것을 증명하였다.
김소현,송진영,윤광석,강은미,송호철,Kim, Sohyun,Song, Jinyoung,Yoon, Kwangsuk,Kang, Eunmi,Song, Hocheol 한국지하수토양환경학회 2017 지하수토양환경 Vol.22 No.5
This work presents the adsorption capability of green tea and ginseng leaves to adsorb heavy metals such as Cd(II), Cu(II), and Pb(II) in aqueous solution. FT-IR analysis indicates the presence of oxygen containing functional groups (carboxyl groups) in two kinds of leaves. High pH condition was favorable to the adsorption of heavy metal ions due to the enhanced electrostatic attraction and the precipitation reaction of metal ions. The adsorption of Cd(II), Cu(II), and Pb(II) reached equilibrium within 10 min, achieving high removal efficiencies of 80.3-97.5%. The adsorption kinetics data of heavy metal ions were fitted well with the pseudo-second-order kinetic model. The maximum adsorption amounts of Cd(II), Cu(II), and Pb(II) ions were 8, 3.5, and 15 mg/g, respectively, in the initial concentration range from 0.15 to 0.75 mM. Based on the fitting data obtained from isotherm models, heavy metal adsorption by green tea and ginseng leaves could occur via multi-layer sorption.