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산화 및 알칼리 후처리의 땅콩 껍질 바이오차를 이용한 철과 크롬 제거에 미치는 영향
서혜린(Hye-Lin Seo),인태연(Tae-Yeon Yin),권오인(Oh-In Kwon),전강민(Kangmin Chon) 대한환경공학회 2020 대한환경공학회지 Vol.42 No.2
목적 : 본 연구의 주요 목적은 단순 열분해를 통해 생산된 땅콩 껍질 바이오차(PB), KMnO₄ 후처리를 한 바이오차(PB-Ox), KMnO₄와 KOH 후처리를 한 바이오차(PB-Ox-A)에 의한 3가 철과 6가 크롬의 제거효율을 비교하는 것이다. 방법 : PB, PB-Ox, PB-Ox-A에 의한 3가 철과 6가 크롬의 제거기작을 알아보기 위하여 반응 동역학 모델과 흡착등온식 모델을 적용하였다. 또한, 다양한 변수들이 3가 철과 6가 크롬 흡착에 미치는 영향을 알아보기 위하여 투입량(0.8 - 2.4 g/L), 온도(15 - 35℃) 및 이온강도(0.05 - 0.2 M NaNO₃) 조건을 변화시키면서 흡착실험을 수행하였다. 결과 및 토의 : PB-Ox-A는 PB와 PB-Ox보다 중금속 흡착에 연관된 표면 작용기(O/C of PB = 0.064; O/C of PB-Ox= 0.058; O/C of PB-Ox-A = 0.188)가 잘 발달되었고, 더 넓은 표면적(PB = 351.5 m²/g; PB-Ox = 344.0 m²/g; PB-Ox-A = 2121.5 m²/g)과 공극(PB = 0.15 cm³/g; PB-Ox = 0.15 cm³/g; PB-Ox-A = 0.96 cm³/g)으로 인해 3가 철과 6가 크롬의 제거율이 높았다. PB, PB-Ox, PB-Ox-A의 투입량이 증가할수록 대상 중금속들에 대한 높은 제거율을 나타냈고, PB-Ox-A가 PB와 PB-Ox보다 높은 제거율을 나타내었다. PB, PB-Ox, PB-Ox-A에 의한 3가 철과 6가 크롬 제거는 유사 1차 속도모델보다 유사 2차 속도모델에 적합한 것으로 보아 화학적 흡착에 대한 특성을 따르는 것으로 나타났으며, PB, PB-Ox, PB-Ox-A를 이용한 3가 철과 6가 크롬의 제거는 모두 Freundlich 등온흡착모델에 적합한 것으로 보아 다층 흡착을 따르는 것으로 판단된다. 온도변화에 따른 PB, PB-Ox, PB-Ox-A에 의한 3가 철과 6가 크롬의 제거율의 변화는 크지 않는 것으로 나타났다. 바이오차에 의한 3가 철의 제거는 이온강도변화에 크게 영향을 받지 않았지만, 6가 크롬의 경우 이온강도가 증가할수록 제거율이 감소하였다. PB, PB-Ox, PB-Ox-A를 비교하였을 때 3과 철과 6가 크롬의 제거에 대해 PB-Ox-A가 가장 좋은 흡착제라는 것을 확인할 수 있었다. 결론 : 본 연구는 KMnO₄(산화)및 KOH(알칼리) 후처리가 표면특성 개선을 통하여 땅콩 껍질 바이오차의 중금속 흡착효율을 향상시킬 수 있다는 것을 입증하였다. 또한, 다양한 조건에서 PB, PB-Ox, PB-Ox-A에 의한 중금속 흡착 메커니즘을 조사한 결과 중금속의 물리화학적 특성과 흡착제의 표면 특징들이 PB, PB-Ox, PB-Ox-A의한 3가 철과 6가 크롬의 흡착에 중요한 역할을 하는 것으로 나타났다. Objectives : The main goal of this study was to compare the removal efficiency of trivalent iron and hexavalent chromium by peanut shell biochars (i.e., PB), post-treated peanut shell biochars using KMnO₄ (i.e., PB-Ox), and secondary post-treated peanut shell biochars using KOH (i.e., PB-Ox-A). Methods : The adsorption mechanisms of trivalent iron and hexavalent chromium by PB, PB-Ox, and PB-Ox-A were investigated using two types of adsorption kinetic and isotherm models. Furthermore, the adsorption experiments were performed under different adsorbent dosages (0.8 - 2.4 g/L), temperatures (15 - 35℃) and ion strengths (0.05 - 0.2 M NaNO₃) to identify their effects on the adsorption of trivalent iron and hexavalent chromium by PB, PB-Ox, and PB-Ox-A. Results and Discussion : Trivalent iron and hexavalent chromium could be more effectively removed by PB-Ox-A than PB and PB-Ox because of its higher contents of oxygen containing functional groups (O/C of PB = 0.064; O/C of PB-Ox = 0.058; O/C of PB-Ox-A = 0.188), higher surface area (PB = 351.5 m²/g; PB-Ox = 344.0 m²/g; PB-Ox-A = 2121.5 m²/g), and greater pore volume (PB = 0.15 cm³/g; PB-Ox = 0.15 cm³/g; PB-Ox-A = 0.96 cm³/g). The removal efficiencies of trivalent iron and hexavalent chromium by PB, PB-Ox and PB-Ox-A were increased with increasing the adsorbent dosages (PB-Ox-A > PB-Ox > PB). The adsorption kinetic experiments demonstrated that the pseudo second order rate model was suitable for the removal of trivalent iron and hexavalent chromium by PB (R² of Fe<SUP>3+</SUP> = 0.99; R² of Cr<SUP>6+</SUP> = 0.99), PB-Ox (R² of Fe<SUP>3+</SUP> = 0.98; R² of Cr<SUP>6+</SUP> = 0.98), PB-Ox-A (R² of Fe<SUP>3+</SUP> = 0.99; R² of Cr<SUP>6+</SUP> = 0.99). Furthermore, the removal of trivalent iron and hexavalent chromium using PB, PB-Ox and PB-Ox-A was well fitted to the Freundlich isotherm absorption model (R² of Fe<SUP>3+</SUP> = 0.997 - 0.999;R² of Cr<SUP>6+</SUP> = 0.995 - 0.998). The changes of temperature did not show significant effects on the removal of trivalent iron and hexavalent chromium by PB, PB-Ox, and PB-Ox-A. The removal efficiency of trivalent iron by PB, PB-Ox and PB-Ox-A was not influenced by the ionic strength whereas the removal efficiency of hexavalent chromium by PB, PB-Ox and PB-Ox-A was considerably decreased with increasing the ionic strength. These observations are evident that PB-Ox-A is the most effective adsorbent for the removal of trivalent iron and hexavalent chromium. Conclusions : The proposed post-treatment procedures might improve the surface properties of peanut shell biochars intimately associated with the removal of trivalent iron and hexavalent chromium. The physicochemical properties of the heavy metals and the biochars were found to be key factors governing the adsorption mechanisms of trivalent iron and hexavalent chromium by PB, PB-Ox and PB-Ox-A.
역전기 투석 기반 염분차 발전 시스템의 유기성 막 오염 거동: 원수특성 및 운전조건이 출력밀도 및 압력강하에 미치는 영향
김상원 ( Sangwon Kim ),신재관 ( Jaegwan Shin ),이용구 ( Yong-gu Lee ),전강민 ( Kangmin Chon ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-
산업혁명 이후 화석연료 사용의 증가로 인해 지구온난화 및 기후변화 현상이 가중됨에 따라 무한한 자원인 해수와 담수의 염분차를 이용해 CO<sub>2</sub> 배출 없이 재생 가능한 에너지를 얻을 수 있는 역전 기투석 공정이 크게 주목을 받고 있다. 전 세계적으로 강물과 바다가 만나는 지점에서 이론적인 전력생산량이 2.4 TW에 이르며, 이는 전 세계의 전기에너지 소비량과 비슷한 양이다. 또한, 염분차 발전은 태양광, 풍력 등의 지역적인 기후 특성에 제한을 받는 에너지원과 비교했을 때 상시 발전이 가능한 장점이 있어 상용화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 역전기 투석은 이온교환막을 이용하여 이온들의 확산을 통해 전기를 생산하기 때문에 압력지연삼투 방식 보다 상대적으로 막 오염 경향이 낮은 장점이 있다. 하지만 다른 막 기반 기술처럼 막 오염 발생을 조절하는 것이 상용화에 있어 가장 중요하고, 막 오염이 발생하는 경우 출력밀도를 낮추고, 유지관리 비용을 증가시킬 수 있다. 최근 Susanto et al. (2017)가 원수에 포함된 유기물의 종류 및 농도에 따른 역전기 투석의 막 오염 거동 변화에 대한 연구결과를 발표하였지만, 아직 수질 특성 및 운전조건이 역전기 투석의 막 오염에 미치는 영향에 대한 연구는 부족한 편이다. 본 연구에서는 해수와 담수의 염분차 등의 원수 특성 및 운전조건이 역전기 투석의 유기성 막 오염에 미치는 영향을 조사하였다. 유기성 막 오염 유발물질로 Aldrich Humic acid, Sodium Alginate, Bovine Serum Albumin (BSA)을 이용하였고, 인공해수 및 인공담수에 포함된 유기물질들의 양을 변화시키면서 역전기 투석의 출력밀도 및 압력강하를 모니터링 하였다. 출력밀도의 경우 유기물질의 종류, 농도, 원수에 포함된 위치에 따라 조금씩 달라지기는 했지만, 그 차이가 매우 작아 영향을 미치지 않은 것으로 나타났다. 압력강하의 경우 BSA에서는 큰 변화가 나타나지 않았지만, Sodium Alginate의 경우 고농도(200 mg/L)로 해수에 포함되어 있을 때 가장 큰 압력강하(0.1 Bar)가 발견되었고, Aldrich Humic acid의 경우 고농도로 해수에 포함되어 있을 때 운전압력이 0.1 Bar에서 0.8 Bar로 크게 상승하였다. 학회발표에서는 역전기 투석에서 인공해수 및 인공담수의 염분차이, 온도, 칼슘 및 마그네슘이 유기성 막 오염에 미치는 영향에 대한 더 추가적인 연구결과를 제시할 예정이다.
열분해 온도가 NaOH로 전처리된 소나무 톱밥 바이오차에 의한 Carbamazepine과 Ibuprofen 흡착에 미치는 영향
곽진우(Jinwoo Kwak),박상우(Sangwoo Park),신재관(Jaegwan Shin),전강민(Kangmin Chon) 대한환경공학회 2020 대한환경공학회지 Vol.42 No.2
목적 : 본 연구에서는 열분해 온도가 소나무 톱밥을 NaOH로 전처리하여 제조한 Biochar를 이용한 의약품(i.e., ibuprofen (IBF) and carbamazepine (CBZ)) 제거에 끼치는 영향에 대해서 평가하였다. 방법 : 본 연구에서는 600℃와 800℃에서 열분해한 Biochar들(PB-600, PB-800)에 의한 의약품의 제거 기작을 조사하기 위해 2가지 동역학 모델과 2가지 흡착 등온식 모델을 이용하였다. 또한, 다양한 조건들을 조절하면서(adsorbent doses: 5 - 40 mg/L; 20 - 160 mg/L; temperature: 15 - 45℃; ionic strength: 0 - 0.5 M) 변수들이 의약품 제거에 미치는 영향을 알아보았다. 결과 및 토의 : PB-800은 PB-600에 비해 더 넓은 비표면적(PB-600 = 408.70 m²/g; PB-800 = 472.92 m²/g)과 공극부피(PB-600 = 0.336 cm³/g; PB-800 = 0.658 cm³/g), 공극크기(PB-600 = 4.63 nm; PB-800 = 6.25 nm)를 가졌기 때문에 CBZ과 IBF에 대해 더 높은 제거효율을 가지는 것으로 판단된다. 이를 통해, PB-600과 PB-800의 물리적 특성이 CBZ과 IBF의 제거에 대하여 크게 기여하는 것을 알 수 있었다. 등온흡착 실험의 결과, PB-600에 의한 IBF의 흡착은 단층 흡착의 특성을 가진 Langmuir 등온식이 더 적합하였고, PB-600에 의한 CBZ의 흡착과 PB-800에 의한 IBF과 CBZ의 흡착은 다층 흡착의 특성을 가진 Freundlich 등온식이 더 적합하였다. PB-600과 PB-800에 의한 CBZ 의 흡착은 온도의 영향을 크게 받지 않는 것으로 나타났으나, IBF의 흡착은 온도가 증가하면 약한 상호 작용력이 발생하여 제거효율이 감소하였다. 이온강도가 PB-600과 PB-800에 의한 CBZ과 IBF의 제거에 끼치는 영향에 대하여, IBF의 흡착은 이온강도가 증가할수록 제거효율이 증가하는 것으로 나타났으나, CBZ의 흡착에는 영향을 상대적으로 적게 끼치는 것으로 나타났다. 결론 : 본 연구는 높은 열분해 온도가 Biochar에 의한 대상 의약품의 제거효율을 향상시킬 수 있다는 것을 입증하였다. 또한, 대상 의약품에 대한 Biochar들의 흡착 메커니즘은 비표면적, 공극부피와 공극크기에 의존하는 것으로 사료된다. Objective : The main purpose of this study was to examine the impacts of the pyrolysis temperature on the removal of pharmaceuticals (i.e., ibuprofen (IBF) and carbamazepine (CBZ)) using NaOH pre-treated biochars produced from pine sawdusts. Methods : Two different types of kinetic and isotherm models were applied to investigate the adsorption mechanisms of IBF and CBZ by the NaOH pre-treated biochars produced at 600℃ (PB-600) and 800℃ (PB-800). In addition, the removal efficiencies of IBF and CBZ by PB-600 and PB-800 were compared under various conditions (adsorbent doses: 5 - 40 mg/L; 20 - 160 mg/L; temperature: 15 - 45℃; ionic strength: 0 - 0.5 M) to assess their feasibility as an alternative adsorbent for the removal of pharmaceuticals. Results and Discussion : PB-800 could more effectively remove CBZ and IBF than PB-600 because of its larger specific surface area (PB-600 = 408.70 m²/g; PB-800 = 472.92 m²/g), pore volume (PB-600 = 0.336 cm³/g; PB-800 = 0.658 cm³/g), and pore size (PB-600 = 4.63 nm; PB-800 = 6.25 nm). The Langmuir isotherm was more suitable for adsorption of IBF by PB-600 and the Freundlich isotherm was well fitted to the adsorption of CBZ by PB-600 and adsorption of CBZ and IBF by PB-800. The adsorption of CBZ by PB-600 and PB-800 was not affected by temperature while the removal efficiency of IBF was decreased with increasing the temperature due to the increased repulsive interaction between IBF and the biochars. Furthermore, the effects of the ionic strength on the adsorption of IBF were more pronounced than that of CBZ due to the differences in the surface charge properties. Conclusions : The higher pyrolysis temperature can improve the physicochemical properties of the NaOH pre-treated pine sawdust biochars associated with the removal of the pharmaceuticals (i.e., CBZ and IBF). Moreover, the adsorption mechanisms of CBZ and IBF by the biochars were strongly influenced by their specific surface area, pore volume and pore size.