인 흡착을 위한 Mill Scale 전처리 및 Magnetite 제조 연구

천현철(Hyun Cheol Chun),최영균(Young Gyun Choi) 大韓環境工學會 2015 대한환경공학회지 Vol.37 No.4

철강공장의 열연공정에서 발생하는 폐부산물인 mill scale을 원료로 하여 인흡착에 효율적인 무기흡착제인 magnetite를 생산하고자 하였다. Mill scale의 주요 구성성분은 wustite (FeO), magnetite (FeO), hematite (FeO)였으며, 산처리를 수행할 경우 대부분의 wustite가 magnetite와 hematite로 전환되었다. Mill scale의 산처리는 HCl과 H₂O₂를 이용하여, 염기처리는 NaOH이용하여, 산-염기 복합처리는 H₂SO₄와 NaOH를 이용하여 수행하였다. Oil 제거 및 DI water로 rinsing만 한 경우, 인 흡착용량은 0.28 mgP/g으로 나타난 반면, 염기처리를 한 경우 0.68, 산처리를 한 경우 1.19 mgP/g으로 인 흡착용량이 증가하였다. 산-염기 복합처리 과정을 통해 단일상의 magnetite 입자를 얻을 수 있었으며, 이 입자의 인 흡착용량은 3.11 mgP/g 이상인 것으로 파악되었다. 산화철의 인 흡착에 대한 동력학적 특성 분석결과 Freundlich와 Langmuir 두 등온 흡착모델 모두 magnetite의 인흡착 거동을 잘 모사하였다. Freundlich 모델의 흡착능(K)과 흡착강도(1/n)를 조사한 결과, 온도가 증가할수록 강한 흡착능을 보이는 것으로 나타났다. Langmuir 모델 적용결과 최대 흡착용량은 20℃에서 5.1 mgP/g인 것으로 파악되었다. In steel factory, hot roller cleaning process produces a lot of iron oxide particles called as mill scale. Major components of these particles are wustite (FeO), magnetite (Fe3O₄), and hematite (Fe₂O₃). In this study, we tried to produce pure magnetite from the mill scale because of the largest phosphate adsorption capacity of the magnetite. The mill scale was treated with acid (HCl+H₂O₂), base (NaOH), and acid-base (H₂SO₄+NaOH). Batch adsorption tests showed the acid and/or base treatment could increase the phosphate adsorption capacity of the iron oxides from 0.28 to over 3.11 mgP/g. Magnetite, which could be obtained by acid and base treatment of the mill scale, showed the best adsorption capacity. From the kinetic analysis, both Freundlich and Langmuir isotherm well described the phosphate adsorption behavior of the magnetite. In Langmuir model, maximum phosphate adsorption capacity was found to be 5.1 mgP/g at 20℃.

Polyallylamine hydrochloride로 처리한 수피를 이용한 수용액상의 인 제거

양경민,김하나,김영관 강원대학교 산업기술연구소 2007 産業技術硏究 Vol.27 No.A

본 연구는 목재로서 활용가치가 적은 수피(bark)를 활용하여 수질오염물질을 제거할 수 있는 여과 시스템에 대한 기초연구로서 소나무의 일종인 loblolly pine(Pinus taeda L.) 수피의 인(PO_(4)-P) 흡착특성을 연구하였다. 실험에 사용된 수피는 입상형태로서 polyallylamine hydrochloride로 전처리하여 회분식 등온 흡착실험을 수행하였다. 회분식 등온흡착실험은 수용액 pH 3~pH 8범위에서, 인의 농도별(10, 20, 30, 40 mg/L)로 수행하였다. PH 5에서 가장 높은 인 제거 효율을 나타냈으며, 수용액의 pH는 실험 후 pH 3으로 감소하였다. 이러한 감소는 수피에 의한 phosphate의 흡착이 Lewis acid-base 반응으로서 이 과정에서 H^(+)의 방출로 인하여 나타난 현상인 것으로 여겨지며, 주된 반응 메카니즘은 더 연구할 필요성이 있다. 인 흡착은 초기에 빠른 속도로 진행되었으며 대략 200분 이후에 평형에 도달하였고, 시간이 지날수록 흡착양이 증가하는 경향을 보였다. 인의 흡착특성결과는 Langmuir 등온흡착식과 Freundlich 등온흡착식으로 설명될 수 있으며, 등온흡착식 적용결과, 흡착제에 대한 최대 흡착능은 7.14mg/g이며 다른 흡착제와 비교하여 더 높았다. 실험결과와 모델에 의한 흡착능을 비교 하고자 pseudo second-order model을 적용하여 흡착 동역학 상수를 구하였다. 또한 EDXA분석으로 회분식 흡착실험 후 수피와 인이 결합되어있는 것을 확인할 수 있었다.

인 제거를 위한 흡착제로서 란타늄-황토 복합체의 흡착특성

신관우(Gwan Woo Shin),추연덕(Yeon Duk Choo),김금용(Keum Yong Kim),류홍덕(Hong Duck Ryu),이상일(Sang Ill Lee) 大韓環境工學會 2011 대한환경공학회지 Vol.33 No.2

본 연구는 호소나 댐과 같은 닫힌 수계에서 부영양화의 주요물질인 인을 제거하기 위한 란타늄-황토 복합체 개발에 관한 것이다. 연구 결과 황토 1 g에 붙을 수 있는 최적 란타늄 양은 2.68 mg이었으며, 인 제거를 위한 최적 반응시간은 황토에 부착된 란타늄 양이 증가할수록 최적 반응시간은 단축되었다. 수중의 인 농도는 제조된 란타늄-황토 복합체의 주입량이 증가함에 따라 인 제거율이 증가하는 경향을 보였다. 본 연구에서 란타늄이 부착되지 않은 황토와 란타늄이 첨가된 복합체를 사용한 경우에서 인 제거 경향이 달랐다. 수중의 인을 완벽하게 제거하기 위해 소요되는 황토 및 란타늄-황토량은 후자가 전자보다 약 1.5~10배 적게 소요되었다. 란타늄-황토 복합체의 인 흡착 경향은 Freundlich 및 Langmuir 등온흡착식과 일치하는 것으로 관찰되었다. 수중의 인 제거시 제조된 복합체의 pH에 대한 영향은 넓은 pH범위(pH 5~8)에서 높은 제거율을 보임으로써 자연수계에 직접 적용할 수 있음을 확인하였다. 또한 제조된 복합체 살포시 침전시간은 30분 이내로 짧았다. 침전되는 동안 수중의 인을 흡착하면서 침전되며, 인 농도를 안정적으로 유지할 수 있을 것으로 판단된다. In this work, a composite formed by adding loess with lanthanium ("La-Loess") was proposed for effective removal of phosphate found in confined water bodies such as lake and reservoir. It was found that the theoretical maximum amount of lanthanum that can be attached to Loess was 2.68 mg La/g Loess. The phosphate removal was enhanced as an added amount of La-Loess composite increased. Furthermore, there was a noticeable difference in phosphate removal between Loess and La-Loess as the latter required 1.5 to 10 times less Loess than the former. Both Isotherm equations of Freundlich and Langmuir can be used to explain the phosphate adsorption characteristics in using La-Loess composites. The phosphate removal was very effective in the pH range of 5~8, which means that the proposed adsorbent can be directly applied to natural water without adjusting pH. Also, the La-Loess composites were well settled within 30 min without causing turbidity in water. Consequently, the proposed La-Loess can be strongly recommended for phosphate removal in confined water bodies.

인 제거를 위한 흡착제로서 황토의 흡착특성

임두일 ( Doo-il Lim ),김성진 ( Sung-jin Kim ),정정조 ( Cheong-jo Cheong ),이경동 ( Gyeong-dong Lee ),라덕관 ( Deog-gwan Ra ) 한국환경기술학회 2013 한국환경기술학회지 Vol.14 No.6

본 논문은 인 제거를 위한 흡착제로서 황토의 흡착특성을 실험적으로 검토한 결과이다. 황토의 성분은 SiO2가 45.3%, Al₂O₃가 22.1%, Fe₂O₃ 12.8%를 차지하였다. 황토의 입자 크기에 따른 인 제거율은 황토 주입량 20 g/L, 접촉시간 2시간에서 입경 0.15 mm이하의 경우 87.9%, 입경 0.15-0.5 mm에서 84.9%, 입경 0.5-0.85 mm에서 79.8%, 입경 0.85-1.0 mm에서 77.0%, 입경 1.0-2.0 mm에서 70.0%를 나타내었다. 황토입자의 크기가 작을수록 비표면적이 증가하고, 시료수와 접촉시간이 길어지고, 입자가 조밀한 구조를 갖추게 되기 때문에 인 제거율이 증가한다. 황토의 주입량과 접촉시간이 증가함에 따라 인 제거율이 증가하였다. 평형농도는 접촉시간 2시간에서 황토 10 g/L 주입시 6.53 mg/L, 황토 20 g/L 주입시 3.91 mg/L, 황토 40 g/L 주입시1.04 mg/L, 황토 60 g/L 주입시 0.34 mg/L를 나타내었다. 황토의 등온흡착 모델은 Freundich식 및 Langmuir식에 잘 적용되었고, Freundich식에서 구한 흡착지수 1/n= 0.28, Langmuir식에서 구한 정수 A=0.18, B=0.30로 나타났다. SEM 분석결과, 황토 표면에 생성되어 있는 다공성 공극은 인의 흡착에 유리하게 작용하여 공극내부까지 인이 흡착되어 질량에 비하여 훨씬 많은 양을 흡착할 수 있다. Several experiments were performed to find out the adsorption characteristic of loess as an adsorbent for phosphorus removal. Loess components were known as to be SiO₂ 45.3%, Al₂O₃ 22.1% and Fe₂O₃ 12.8%. On the experimental condition, loess dosage 20 g/L, contact time 2 hrs, the phosphorous removal efficiency was accomplished as blow on each loess particle size; 87.9% on below of 0.15 mm diameter, 84.9% on range of 0.15 to 0.5 mm, 79.8% on range of 0.5 to 0.85 mm, 77.0% on range of 0.85 to 1.0 mm and 70.0% on range of 1.0 to 2.0 mm. Phosphorus removal efficiency was increased with smaller loess particle size, Since it make to increase a ratio of surface area on each loess and the contact time on enlarged pore space. Equilibrium concentration was related to loess dosage like to 6.53 mg/L on 10 g/L, 3.91 mg/L on 20 g/L, 1.04 mg/L on 40 g/L, 0.34 mg/L on 60 g/L at the 2 hrs contact time. Adsorption equilibrium equation of loess was adaptable to Freundlich and Langmuir equation and their factor was determinate as 1/n=0.28 for Freundlich equation, A=0.18, B=0.30 for Langmuir equation, respectively. On the SEM images analysis, a lot of pores on surface of loess were supplied as an adsorption space against to soluble phosphate. Additionally, it was found out that the adsorbed phosphate was more than the used total mass of loess by activating adsorption into pores interior.

Mg-Fe 혼합금속산화물을 이용한 수중 인 제거

김재현 ( Jae-hyun Kim ),박정안 ( Jeong-ann Park ),윤서영 ( Seo-young Yoon ),최재우 ( Jae-woo Choi ),이상협 ( Sang-hyup Lee ),김성배 ( Song-bae Kim ) 한국농공학회 2013 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2013 No.-

수중의 인은 부영양화 및 녹조를 유발하는 주요 원인물질로서, 2012년부터 지역구분(I, II, III)에 따라 총인의 국내 방류수 수질 기준이 각각 0.2, 0.3, 0.5 mg/L로 강화되는 등 최근 들어 관리의 중요성이 강조되고 있다. 본 연구에서는 Mg-Fe 혼합금속산화물을 제조하여 수중의 인을 효율적으로 제거함으로써 호소 부영양화에 의한 녹조 발생을 사전에 예방하고자 하였으며, 이를 위하여 배치 실험을 통한 Mg-Fe 혼합금속산화물의 인 흡착 특성을 살펴보았다. 실험에 사용한 인 용액은 KH2PO4와 증류수를 이용하여 200 mgP/L 농도로 인공적으로 제조한 뒤 적절한 농도로 희석하여 사용하였으며, 수질오염공정시험기준(환경부, 2010)에 따라 시료 중의 인 농도를 측정하였다. 배치 실험에서는 dosage의 영향, 반응 시간의 영향 및 초기 용액 농도의 영향을 살펴보았으며 실험 결과는 회분식 동적 흡착 모델과 등온 평형 흡착식을 사용하여 분석하였다. 모델 분석 결과 회분식 동적 흡착 모델의 경우 Elovich 모델이 Mg-Fe 혼합금속물에서 인 제거를 가장 잘 모사하는 것으로 나타났으며, 등온 평형 흡착식은 Freundlich 등온식과 Redlich-Peterson 등온식이 모두 적합한 것으로 나타났다. Freundlich 등온식을 이용하여 구한 단위 질량 당 최대 인 흡착량은 21.52 mg/g 이었다.

슬래그 여재에 의한 인 흡착 : 모델 분석

이창구 ( Chang-gu Lee ),김재현 ( Jae-hyun Kim ),강진규 ( Jin-kyu Kang ),최재우 ( Jae-woo Choi ),이상협 ( Sang-hyup Lee ),김성배 ( Song-bae Kim ) 한국농공학회 2013 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2013 No.-

본 연구에서는 호소 부영양화에 의해 발생하는 녹조를 원천적으로 예방하기 위하여 영양물질 중 제한인자로 널리 알려진 인을 효과적으로 제거 할 수 있는 슬래그 여재의 인 흡착 특성을 모델 분석을 통해 살펴보았다. 이를 위해 회분식 동적 흡착 모델로 Pseudo first-order, Pseudo second-order, Elovich 모델을 이용하였으며, 등온 평형 흡착식으로는 Langmuir, Freundlich, Redlich-Peterson 모델을 사용하였다. 칼럼 흡착 실험 데이터의 경우 고정상 동적 흡착 모델로 Bohart-Adams, Clark, modified dose-response model을 이용하여 설계인자들을 분석하였다. 모델 분석 결과 회분식동적 흡착 모델의 경우 Pseudo first-order 모델이 슬래그 여재에서 인 제거를 가장 잘 모사하는 것으로 나타났으며, 이때 단위 여재 질량당 인 제거량은 99.84 mg/kg, 반응속도 상수는 0.111 /hr의 값을 보였다. 등온 평형 흡착식은 Freundlich 등온식이 가장 적합하였으며, Freundlich 상수는 각각 K_F=0.126 L/g, 1/n=0.607로 나타났다. 고정상 동적 흡착 모델의 경우 modified dose-response 모델이 칼럼 유출 곡선을 가장 잘 모사하였으며, modified dose-response 상수 값은 3 m/hr의 선속도에서는 1.371, 4 m/hr의 선속도에서는 1.579의 값을 보였다. 이때 동적 흐름 상태에서 단위 여재 질량당 인 제거량은 3 m/hr의 선속도에서는 2.63 mg/kg, 4 m/hr의 선속도에서는 0.98 mg/kg로 나타났다.

수처리용 담체의 물리적 성상 분석(II) : 질소와 인의 흡착효율

배수현 ( Su-hyun Bae ),유찬서 ( Chan-seo You ),김영규 ( Young-kyu Kim ),정정조 ( Cheong-jo Cheong ),라덕관 ( Deog-gwan Ra ) 한국환경기술학회 2018 한국환경기술학회지 Vol.19 No.4

수계의 조류발생 원인물질인 질소와 인을 제거할 목적으로 수처리용 담체를 제조한 후, 질소와 인의 흡착특성에 대하여 검토하였다. 담체의 질소, 인에 대한 흡착효율(평균값)은 평형흡착시간 24시간, 소성온도 700 ℃의 조건에서 점토 담체의 경우 19.7∼46.7(30.2) %와 16.4∼81.1(42.2) %, 제올라이트 담체의 경우 37.9∼91.5(67.8) %와 23.9∼49.0(31.7) %, 질석 담체의 경우 16.7∼50.8(31.4) %와 23.2∼71.0(42.6) %, 활성탄 담체의 경우 19.7∼54.1(34.5) %와 18.9∼72.4(40.8) %로 나타났다. 담체의 질소, 인에 대한 흡착특성은 Freudlich 흡착등온식으로 표현이 가능하였고, 흡착효율은 소성온도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타냈다. 담체의 질소에 대한 흡착효율은 제올라이트 담체 > 활성탄 담체 > 질석 담체 > 점토 담체 순으로 높게 나타났다. 제올라이트 담체가 질소의 흡착효율이 높은 이유는 NH₄⁺-N 에 대한 양이온 교환능력이 크기 때문이다. 인의 흡착효율은 질석 담체 > 점토 담체 > 활성탄 담체 > 제올라이트 담체 순으로 크게 나타났다. A water treatment media was prepared for the purpose of removing nitrogen and phosphorus which cause the algae in the water system. The adsorption characteristics of nitrogen and phosphorus on the media were as follows. The adsorption efficiencies(average value) of nitrogen and phosphorus for the prepared media on the condition of 24 hours equilibrium adsorption time and 700 ℃ calcination temperature were measured as 19.7~46.7(30.2) % and 16.4~81.1(42.2) % on clay media, 37.9~91.5(67.8) % and 23.9∼49.0(31.7) % on zeolite media, 16.7∼50.8(31.4) % and 23.2∼71.0(42.6) % on vermiculite media, 19.7∼54.1(34.5) % and 18.9∼72.4(40.8)% on active carbon media, respectively. Adsorption characteristics of nitrogen and phosphorus for madia could be expressed by Freudlich ‘adsorption isotherm. The nitrogen and phosphorus adsorption efficiencies of each media showed a tendency to decrease with increasing calcination temperature. The adsorption efficiency of nitrogen was higher in order of zeolite media> activated carbon media> vermiculite media> clay media. The reason for the high nitrogen adsorption efficiency of the zeolite media was that the cation exchange capacity for NH₄⁺ -N was large. In addition, adsorption efficiency of phosphorus was increased in order of vermiculite media> clay media> activated carbon media> zeolite media.

활성 백토를 이용한 수중의 인산성 인(PO4 3--P) 흡착에 관한 연구

Ji Young Hwang,Ye Ji Jin,유건상 대한화학회 2021 대한화학회지 Vol.65 No.3

In this study, activated clay treated with H2SO4 (20% by weight) and heat at 90 o C for 8 h for acid white soil was used as an adsorbent for the removal of PO4 3 -P in water. Prior to the adsorption experiment, the characteristics of activated clay was examined by X-ray Fluorescence Spectrometry (XRF) and BET surface area analyser. The adsorption of PO4 3--P on activated clay was steeply increased within 0.25 h and reached equilibrium at 4 h. At 5 mg/L of low PO4 3--P concentration, roughly 98% of adsorption efficiency was accomplished by activated clay. The adsorption data of PO4 3--P were introduced to the adsorption isotherm and kinetic models. It was seen that both Freundlich and Langmuir isotherms were applied well to describe the adsorption behavior of PO4 3--P on activated clay. For adsorption PO4 3--P on activated clay, the Freundlich and Langmuir isotherm coefficients, KF and Q, were found to be 8.3 and 20.0 mg/g, respectively. The pseudo-second-order kinetics model was more suitable for adsorption of PO4 3--P in water/activated clay system owing to the higher correlation coefficient R2 and the more proximity value of the experimental value qe,exp and the calculated value qe,cal than the pseudo-first-order kinetics model. The results of study indicate that activated clay could be used as an efficient adsorbent for the removal of PO4 3 -P from water. 본 연구에서, 산성 백토를 황산(무게 비로 20%)와 90 o C의 온도로 8시간 동안 가열하여 처리 한 활성 백토를 수중의 인산성 인(PO4 3--P)의 제거를 위한 흡착제로서 사용하였다. 흡착 실험에 앞서 X-선 형광분광기와 표면적 분석기로 활성 백토의 특성을 조사하였다. 활성 백토에 의한 PO4 3--P 흡착은 0.25 시간 이전에 가파르게 증가하였고 4시간에 이르렀을 때 평형에 도달하였다. 5 mg/L의 낮은 PO4 3--P 농도에서, 대략 98%의 흡착효율이 활성 백토에 의해 성취되었다. PO4 3--P의 흡착 데이터를 흡착 등온선과 반응속도 모델에 도입하였다. 활성 백토에 의한 PO4 3--P 흡착거동은 Freundlich와 Langmuir 등온선 모두에 잘 적용되었다. 활성 백토에 의한 PO4 3--P 흡착에 관해서 Freundlich와 Langmuir의 등온선 계수인 KF와 Q는 각각 8.3과 20.0 mg/g이 되는 것으로밝혀졌다. 물과 활성 백토 계에서의 PO4 3--P 흡착은 더 높은 상관계수 R2 와 실험값 qe,exp과 계산값 qe,cal의 근접으로 인해서 유사일차 보다는 유사 이차 반응속도식에 적합하였다. 연구의 결과들은 활성 백토가 수중으로부터 인을 제거하는데 효율적인 흡착제로 사용될 수 있다는 것을 보였다.

인 제거를 위한 코팅 발포질석 적용 가능성 연구

김석구(Seogku Kim),이태윤(Taeyoon Lee) 한국지반환경공학회 2014 한국지반환경공학회논문집 Vol.15 No.12

본 연구에서는 발포질석을 글리세롤로 코팅하여 인에 대한 흡착력을 높인 발포질석 흡착제 제조 및 인 제거능력을 평가하였다. 발포질석과 4 mol%의 황산을 포함한 글리세롤을 1:4 비율로 혼합 후 380, 580, 780 ℃로 가열하여 다공성 탄소층을 발포질석표면에 부착하였다. 380 ℃로 가열한 질석의 경우 비표면적인 53.1 m2/g을 나타내었으며, TGA 분석을 통해 탄소성분의 산화로 인한 질량손실이 가장 큰 것으로 분석되었다. 380 ℃로 제조된 코팅 발포질석을 이용한 수용액 속의 인 제거를 흡착모델에 적용해보니 Langmuir 모델에 더 적합하며 여기로부터 구한 최대제거량은 710.3 mg/kg으로 기존 점토광물을 이용한 인 흡착연구결과보다 더 흡착용량이 뛰어난 것을 알 수 있었다. In this study, exfoliated vermiculite (EV) coated with glycerol was tested for its abiility to remove phosphorus in aqueous solution. The glycerol modified vermiculite (GS) was prepared with EV/glycerol ratio of 1/4 where glycerol contained 4 mol% H2SO4 and heated until designated temperature. GS heated at 380 ℃ showed that the specific surface area was 53.1 m2/g and mass loss due to oxidation of carbon was maximum from TGA analysis. Removal of phosphorus using GS heated at 380 ℃ was well explained by Langmuir isotherm model and maximum sorption capacity of 710.3 mg/kg is comparable or greater than those of other clay orignated sorbents for phosphorus.

퇴적물에서 인 용출 차단을 위한 열 활성화된 동죽조개의 피복소재로의 적용

이연진,박성직 한국퇴적환경준설학회(구 한국환경준설학회) 2022 한국환경준설학회 학술대회논문집 Vol.2022 No.11

물과 가정용 및 산업용 하수구에 의해 운반되는 높은 수치의 인은 호수와 강과 같은 지표수역으로 배출된다. 강과 호수로 배출되는 고농도의 인은 부영양화를 일으키며, 하천 퇴적토 또한 오염시킨다. 이에 따라 지표수역으로 배출되기 전에 폐수에서 인을 허용 가능한 수준으로 제거할 필요가 있다. 인을 제거하기 위한 다양한 방법 중 흡착은 효율이 높고 경제적이라는 장점이 있다. 본 연구에서는 동죽조개 껍질을 재활용하여 열 활성화를 통해 인 흡착능력을 증가시켜 인 흡착능력을 평가하였다. 열 활성화 온도 조건은 100, 300, 500, 700, 800, 900℃이며, 800 ℃와 900 ℃에서 29.96mg/g, 29.95 mg/g으로 가장 높은 흡착능력을 보였다. 또한 전계방출 주사현미경을 통해 열 활성화 온도별 동죽조개 껍질(MVS)의 표면을 관찰하고 XRD, XRF 분석을 통해 동죽조개껍질 열 활성화 온도별 특성분석을 시행하였다. 열 활성화 온도가 높아질수록 MVS의 기공이 증가하며 800 ℃에서 가장 큰 기공이 관찰되었으며, 원소 조성 결과 Ca 함량이 증가하고, C 함량이 감소함을 보였습니다.