점토의 중금속 흡착에 대한 통계모델링

정찬호,김수진 대한지질공학회 2003 지질공학 Vol.13 No.3

캐오리나이트, 일라이트, 녹리석의 중금속(Pb, Cu, Zn, Cd) 흡착에 다양한 실험적 변수의 영향을 박스-벤켄(Box-Benken)모델을 이용한 통계 모델링을 실시하였다 중금속 흡착에 미치는 변수로 pH, 중금속의 초기농도, HCO3 (혹은 K)농도를 변수로 하고, 각 실험변수의 농도를 3차원으로 설정하여 모델에 근거한 벳치실험과 3차원 통계모델링을 실시하였다. 아울러 일라이트에 한하여 pH변화에 따른 중금속의 흡착특성을 알아보았다. 통계적 해를 얻기 위하여 SAS 프로그램을 이용하여 표면반응 분석을 통하여 실시하였다 중금속의 흡착에 영향을 미치는 가장 큰 변수는 pH이며, 그다음 중금속의 초기 농도와 중탄산(혹은 K성분)의 농도가 실험적 조건에 따라서 서로 다른 영향력을 보인다. 점토광물에 따른 중금속 흡착능력의 차이는 크지 않지만 일라이트의 경우 중금속의 초기농도에 따라서 흡착율에 상당한 차이를 보인다. 일라이트의 중금속 흡착에 K 성분이 흡착경쟁에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 중금속간의 흡착경쟁은 Cu>Pb>>Zn>Cd의 순서를 보인다. 중금속 흡착에 점토광물의 광물학적 영향보다는 수용액의 화학적 조건이 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 통계모델에 근거한 흡착모델링은 흡착결과를 3차원으로 효과적으로 표현할 수 있으며, 실험적 노력을 경감할 수 있는 효과적인 방법으로 판단된다. The statistical modeling was introduced to satisfy various experimental conditions on the sorption of heavy metals (Pb, Cu, Cd, and Zn) by clay minerals, i.e. kaolinite, illite and chlorite. The Box-Behnken model designed statistically was applied to determine a relative impact among three variables such as pH, HCO3(or K) concentration and initial concentration of heavy metals. The SAS program was used to obtain the statistical solution by surface response analysis. The results of a statistical sorption modelling indicated that pH is a strong impact of the variables influencing the sorption of heavy metals. A relative effect between an initial concentration of heavy metals and bicarbonate(or K) concentration is dependent on solution condition. The sorption edge of heavy metals as function of pH shows sigmoidal curve, and a great increase in the range of pH 6~8. The sorption sequence among heavy metals is Cu>Pb>>Zn>Cd. The solution chemistry exerts greater influence on the sorption of heavy metals rather than the crystal chemistry of clay minerals. The potassium exerts some effect into a sorption competition with heavy metals. The research suggests that the statistical modeling is an effective method to demonstrate sorption results in three dimension and to reduce the effort of batch sorption experiment.

반응표면분석법을 이용한 석탄회에서의 Cd 흡착특성에 관한 연구

안상우(An Sangwoo),최재영(Choi Jaeyoung),차민환(Cha Minwhan),박재우(Park Jaewoo) 한국지반환경공학회 2010 한국지반환경공학회논문집 Vol.11 No.1

본 연구는 석탄회의 카드뮴에 대한 흡착특성을 조사하기 위하여 회분식 실험과 반응표면분석을 실시하였다. Langmuir model과 Chapman-Richards model로 산정된 석탄회의 카드뮴의 최대 제거량은 12.95㎎/g와 12.99㎎/g로 조사되었다. 또한 초기 pH 4에서 9까지의 카드뮴의 제거특성은 초기 pH에 따라 서로 다른 양상을 나타내었으며, pH가 증가 할수록 카드뮴의 제거량은 흡착과 침전에 의한 영향으로 증가하는 것으로 나타났다. 또한, pH에서 카드뮴의 제거량의 감소에 대한 결과는 H?이온의 증가에 따른 카드뮴이온과의 경쟁적 반응에 의한 것으로 사료된다. 반응표면분석법 중 Box-Behnken법을 이용하여 초기 카드뮴 농도(X₁), 초기 pH(X₂), 그리고 초기 석탄회의 주입량(X₃)을 독립변수로 선정하였으며, 종속변수인 석탄회의 카드뮴의 흡착특성을 수학적 모델로 도출하였다. 경험적 모델인 반응표면분석법을 이용하여 실험적 요인과 반응변수에 대한 관계를 도출하도록 반응모델식을 개발하였다. 통계학적 분석결과, 1차 선형효과(주효과)에서 초기 카드뮴 농도, 초기 pH, 초기 석탄회의 주입량과, 2차 비선형 효과(교호작용, 상호효과)에 대하여 유의한 것으로 조사되었다. 도출된 반응모델은 수정 결정계수가 0.928으로 1에 근사한 값을 갖는 것으로 나타났으며, 도출된 반응모델은 카드뮴 제거율에 매우 근접하게 결과를 도출할 수 있었다. 또한, 통계학적 분석결과 카드뮴 제거에 미치는 영향은 초기 pH> 초기 카드뮴 농도> 초기 석탄회의 주입량 순으로 나타났다. The batch experiments and response surface methodology (RSM) have been applied to the investigation of the cadmium (Cd) adsorption by coal fly ash (CFA). CFA having maximum Cd removal mass of 8.51 ㎎/g were calculated from Langmuir model. Cd removal reaction with different initial pH ranged from 4 to 9. When the initial pH was higher, Cd was removed more by adsorption and precipitation. These results suggest that the lower pH cause an increase of H? ion concentration which competed with Cd ions for exchange sites in CFA. Also, The Cd adsorption was mathematically described as a function of parameters initial Cd concentration (X₁), initial pH (X₂), and initial CFA mass (X₃) being modeled by use of the Box-Behnken methods. Empirical models were developed to describe relationship between the experimental variables and response. Statistical analysis indicates that tree factors (X₁, X₂, and X₃) on the linear term (main effects), and tree factors (X₁X₂, X₁X₃, and X₂X₃) on the non-linear term (Interaction effect; cross-product) had significant effects, respectively. In this case, the value of the adjusted determination coefficient (adjusted R²=0.9280) was closed to 1, showing a high significance of the model. Statistical results showed the order of Cd removal at experimental factors to be initial initial pH > initial Cd concentration > initial CFA mass.

UV/TiO<SUB>2</SUB>/HAP 시스템에서 Sulfamethoxazole의 흡착과 광촉매반응에 대한 동역학적 및 통계적 해석

천석영(Chun, Suk-Young),장순웅(Chang, Soon-Woong) 한국지반환경공학회 2012 한국지반환경공학회논문집 Vol.13 No.5

항생제는 환경에 지속적인 노출과 저항성으로 인해 우려물질로 간주되고 있다. 항생제의 제한적인 생분해능에 따른 하수처리장에서의 불완전한 제거와 광범위한 사용으로 인해 상대적으로 많은 양이 환경에 방류되고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 다양한 촉매(Titanium dioxide; TiO2, Hydroxyapatite; HAP)를 통해 항생제의 하나인 sulfamethoxazole의 동역학적 흡착과 광촉매반응에 대해 연구하였으며, 부가적으로 통계적 분석방법인 반응표면법(RSM)을 이용하여 UV/TiO2/HAP 시스템에서의 운전인자의 영향을 살펴보았다. 동역학적 연구결과로 TiO2/HAP의 흡착반응은 유사 2차 반응을 따르는 것으로 나타났으며, 입자내 확산 모델의 적용 결과, 반응속도 상수는 각각 TiO2=0.0641min<SUP>-1</SUP>, HAP=0.2866min<SUP>-1</SUP>와 TiO2/HAP=0.3708min<SUP>-1</SUP>으로 나타났다. RSM의 결과로는 ANOVA에서의 회귀항의 유의성이 나타났으며(P-value<0.05) 높은 결정계수 값(R<SUP>2</SUP>=96.2%, R<SUP>2</SUP>Adj=89.3%)이 나타나 이차 회귀모델의 예측이 만족스러운 것으로 관찰되었다. 그리고 Y(SMX 제거율, %)에 대해 예측된 최적 조건들은 코드화된 인자 기준으로 각각 x1(SMX의 초기농도)=-0.7828, x2(촉매의 양)=0.9974 그리고 x3(반응시간)=0.5738로 나타났다. 입자내 확산 모델과 광촉매 산화 반응의 결과에 따르면 TiO2/HAP 공정이 일반적인 고도산화공정에 비해 효율적인 것으로 관찰되었다. Antibiotics have been considered emerging compounds due to their continuous input and persistence in environment. Due to the limited biodegradability and widespread use of these antibiotics, an incomplete removal is attained in conventional wastewater treatment plants and relative large quantities are released into the environment. In this study, it was determined the adsorption and photocatalysis kinetics of antibiotics (Sulfamethoxazole, SMX) with various catalyst (Titanium dioxide; TiO2, Hydroxyapatite; HAP) conditions under UV/TiO2/HAP system. In addition, the statistical analysis of response surface methods (RSM) was used to determine the effects of operating parameters on UV/TiO2/HAP system. TiO2/HAP adsorbent were found to follow the pseudo second order reaction in the adsorption. In the result of applied intrapaticle diffusion model, the constants of reaction rate were TiO2=0.0641min<SUP>-1</SUP>, HAP=0.2866min<SUP>-1</SUP> and TiO2/HAP=0.3708min<SUP>-1</SUP>, respectively.The result of RSM, term of regression analysis in analysis of variance (ANOVA) showed significantly p-value (p<0.05) and high coefficients for determination values(R<SUP>2</SUP>=96.2%, R<SUP>2</SUP>Adj=89.3%) that allowed satisfactory prediction of second order regression model. And the estimated optimal conditions for Y(Sulfamethoxazole removal efficiency, %) were x1(initial concentration of Sulfamethoxazole)=-0.7828, x2(amount of catalyst)=0.9974 and x3(reation time)=0.5738 by coded parameters, respectively. According to the result of intraparticle diffusion model and photocatalysis experiments, it was shown that the TiO2/HAP was more effective system than conventional AOPs(advanced oxidation processes, UV/TiO2 system).

pH 4와 10에서의 3가 비소와 Two-Line Ferrihydrite의 표면반응에 대한 X선 흡수 분광 연구

이우춘 ( Woo Chun Lee ),최선희 ( Sun Hee Choi ),조현구 ( Hyen Goo Cho ),김순오 ( Soon Oh Kim ) 한국광물학회 2011 광물과 암석 (J.Miner.Soc.Korea) Vol.24 No.2

본 연구에서는 자연에서 산출빈도가 높은 3가 비소(아비산염)와 two-line ferrihydrite와의 표면흡착 반응의 기작을 살펴보기 위하여 3가 비소를 흡착시킨 two-line ferrihydrite에 대한 X선 흡수분광 분석을 수행하였다. 연구에 사용된 two-line ferrihydrite는 실험실에서 합성하여 사용하였으며, 산성과 염기성 환경에서의 표면반응 기작을 비교하기 위하여 pH 4와 10에서 연구를 수행하였다. 또한 각 pH 조건별 3가 비소의 흡착농도에 따른 표면반응의 차이를 비교 평가하였다. X선 흡수분광 분석결과에서 얻은 EXAFS영역에서의 비소 3가에 대한 구조 변수들을 살펴보면 As-O 배위수는 3.1~3.3개, 거리는 1.74~1.79 Å으로 two-line ferrihydrite 표면에 흡착된 As(III) complex의 구조 단위체가 AsO3임이 확인되었다. As(Ⅲ)-Fe쌍은 주로 안정된 형태의 bidentate binuclear corner-sharing (2C)의 결합구조를 갖는 것으로 나타났으며, bidentate mononuclear edge-sharin g(2E)와 2C가 혼합된 결합구조도 공존하는 것으로 조사되었다. pH 4에서는 흡착 농도에 따라 다른 표면구조를 가지는 반면, pH 10에서는 흡착 농도에 상관없이 동일한 표면구조를 보이는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 3가 비소와 two-line ferrihydrite의 표면반응은 pH와 농도에 의해서 영향을 받는다는 거시적인(macroscopic) 흡착실험 연구결과가 미시적인(microscopic) X선 흡수분광 결과에 의해서 해석될 수 있음을 의미한다. X-ray absorption spectroscopy (XAS) study was conducted using arsenite-sorbed two-line ferrihydrite to investigate the mechanism of surface interactions between two-line ferrihydrite and As(III) (arsenite) which are ubiquitous in nature. The two-line ferrihydrite used was synthesized in the laboratory and the study was undertaken at pHs 4 and 10 to compare the difference in mechanisms of surface interaction between acidic and alkaline environments. The effect of arsenite-adsorbed concentrations on surface complexation was investigated at each pH condition as well. From the results of XAS analyses, the structural parameters of arsenite in the EXAFS revealed that the coordination number and distanceof As-O were 3.1~3.3 and 1.74~1.79 Å, respectively, which indicate that the unit structure of arsenite complex formed on the surface of two-line ferrihydrite is AsO3. The dominant structures of As(III)-Fe complex were examined to be bidentate binuclear corner-sharing (2C) and the mixture of bidentate mononuclear edge sharing (2E) and 2C appeared as well. At pH 4, arsenite complex showed different structures on the surface of two-line ferrihydrite, depending on the adsorbed concentrations. At pH 10, on the contrary, the surface structures of arsenite complexes were interpreted to be almost identical, irrespective of the adsorbed concentrations of arsenite. Consequently, this microscopic XAS results support the results of macroscopic adsorption experiments in which the surface interaction between arsenite and two-line ferrihydrite is significantly influenced by pH conditions as well as arsenite concentrations.

석탄비산재로 합성한 제올라이트 X에 의한 수중의 Cs 이온 흡착에 반응표면분석법 적용

이창한(Chang-Han Lee),이민규(Min-Gyu Lee) 한국청정기술학회 2017 청정기술 Vol.23 No.4

화력발전소에서 발생되는 석탄비산재로부터 합성한 제올라이트 X를 이용한 Cs 흡착의 회분식 실험 및 반응표면분석법(Response Surface Methodology, RSM)을 적용하여 결과를 분석하였다. Cs 흡착 실험에 적용된 회귀 방정식은 반응변수의 함수로 나타낼 수 있었다. 결정계수(r²)가 0.9630으로서 이 모델은 높은 상관성을 가졌다. pH > Cs 농도 > 온도와 같은 실험적 요인의 순서로 Cs의 제거효율에 영향을 준다는 것을 통계적인 결과로부터 확인하였다. 흡착속도는 유사 2차 모델에 의해 보다 정확하게 표현되었다. Langmuir 등온선 모델로부터 계산된 최대 흡착용량은 293 K에서 151.52 mg g<SUP>-1</SUP>이었다. 또한, Vant Hoff 식에 의해 계산된 열역학 파라미터에 의거하여 흡착반응이 흡열반응이며, 자발적인 과정임을 확인할 수 있었다. The batch experiments and response surface methodology (RSM) have been applied to the investigation of the Cs adsorption with zeolite X synthesized using coal fly ash generated from the thermal power plant. Regression equation formulated for Cs adsorption was represented as a function of response variables. The model was highly relevant because the decision coefficient (r²) was 0.9630. It was confirmed from the statistical results that the removal efficiency of Cs was affected by the order of experimental factors as pH > Cs concentration > temperature. The adsorption kinetics were more accurately represented by a pseudo second-order model. The maximum adsorption capacity calculated from the Langmuir isotherm model was 151.52 mg g<SUP>-1</SUP> at 293 K. Also, according to the thermodynamic parameters calculated from Vant Hoff equation, it could be confirmed that the adsorption reaction was an endothermic reaction and a spontaneous process.

석탄비산재로 합성한 제올라이트 X에 의한 수중의 Cs 이온 흡착에 반응표면분석법 적용

이창한,이민규 한국청정기술학회 2017 청정기술 Vol.25 No.4

The batch experiments and response surface methodology (RSM) have been applied to the investigation of the Cs adsorption with zeolite X synthesized using coal fly ash generated from the thermal power plant. Regression equation formulated for Cs adsorption was represented as a function of response variables. The model was highly relevant because the decision coefficient (r2) was 0.9630. It was confirmed from the statistical results that the removal efficiency of Cs was affected by the order of experimental factors as pH > Cs concentration > temperature. The adsorption kinetics were more accurately represented by a pseudo second-order model. The maximum adsorption capacity calculated from the Langmuir isotherm model was 151.52 mg g-1 at 293 K. Also, according to the thermodynamic parameters calculated from Vant Hoff equation, it could be confirmed that the adsorption reaction was an endothermic reaction and a spontaneous process. 화력발전소에서 발생되는 석탄비산재로부터 합성한 제올라이트 X를 이용한 Cs 흡착의 회분식 실험 및 반응표면분석법(Response Surface Methodology, RSM)을 적용하여 결과를 분석하였다. Cs 흡착 실험에 적용된 회귀 방정식은 반응변수의함수로 나타낼 수 있었다. 결정계수(r2)가 0.9630으로서 이 모델은 높은 상관성을 가졌다. pH > Cs 농도 > 온도와 같은 실험적 요인의 순서로 Cs의 제거효율에 영향을 준다는 것을 통계적인 결과로부터 확인하였다. 흡착속도는 유사 2차 모델에 의해보다 정확하게 표현되었다. Langmuir 등온선 모델로부터 계산된 최대 흡착용량은 293 K에서 151.52 mg g-1이었다. 또한, Vant Hoff 식에 의해 계산된 열역학 파라미터에 의거하여 흡착반응이 흡열반응이며, 자발적인 과정임을 확인할 수 있었다.

반응표면분석법을 이용한 제올라이트의 다중 중금속 흡착인자 최적화

하승한(Seunghan Ha),송진수(Jinsu Song),안종화(Johnghwa Ahn) 대한환경공학회 2022 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2022 No.11

논문 : 일본 묘기광산 벤토나이트의 물리화학적 성질 및 U, Th, Ce 및 Eu 흡착특성

송민섭 ( Min Sub Song ),고상모 ( Sang Mo Koh ),김원사 ( Won Sa Kim ) 한국광물학회 2005 광물과 암석 (J.Miner.Soc.Korea) Vol.18 No.3

세라믹 센서의 현상과 장래동향

박춘배,송민종 한국전기전자재료학회 1994 電氣電子材料學會誌 Vol.7 No.5

인류는 지금 2차석기시대를 맞이하고 있으며 이 시대는 인공으로 만들어지는 돌인 세라믹이 단순히 용기나 도구로 사용되는 것 이외에 정보화사회에 있어서 기술의 관건이 될 지능소자로서 사용되고 있다. 세라믹은 내열성, 내식성, 내마모성이라는 특성으로 인해 많이 이용되어 왔지만 이러한 특성 이외에도 전자적 기능, 광학기능, 화학기능 등 "두뇌"도 우수한 재료라 할 수 있다. 더구나 세라믹은 인간을 대신하여 감지하는 것이 가능한 각종 센서로서도 폭넓게 이용되고 있다. 인간에 있어서 눈, 코, 귀, 혀, 피부 등 오감이 센서이며, 눈은 물체를 식별하는 것으로 빛을 검출하고 귀는 소리를 듣는 것으로 압력과 음파를 검출하고, 코는 냄새로 가스나 온도를 검출하고, 혀는 맛으로 미각을 검출하고, 피부는 촉각에 의한 압력, 온도, 습도를 검출하며, 인간의 오감에 대응되지 않는 것으로 세라믹 센서는 자기장을 감지할 수 있다. 이와같이 센서는 용도에 따라 수많은 센서가 개발되어 그 종류가 대단히 많기 때문에 모든 센서에 대해서 기술한다는 것은 어렵다. 그러므로 여기서는 센서중에서 기본적인 가스센서와 습도센서에 대해 소개하기로 한다. 소개하기로 한다.

모노리스 NH₃-SCR 반응기 내에서의 NH₃ 흡ㆍ탈착 특성에 대한 연구

왕태중(Taejoong Wang),백승욱(Seungwook Baek),정명근(Myunggeun Jung),여권구(Gwonkoo Yeo) 한국자동차공학회 2006 한국 자동차공학회논문집 Vol.14 No.3

Transient kinetics of NH₃ adsorption/desorption and of SCR (selective catalytic reduction) of NO with NH₃ were studied over vanadium based catalysts, such as V₂O?/TiO₂ and V₂O?-WO₃/TiO₂. In the present catalytic reaction process, NO adsorption is neglected while NH₃ is strongly chemisorbed on the catalytic surface. Accordingly, it is ruled out the possibility of a reaction between strongly adsorbed NH₃ and NO species in line with the hypothesis of an Eley-Rideal mechanism. The present kinetic model assumes; (1) non-activated NH₃ adsorption, (2) Temkin-type NH₃ coverage dependence of the desorption energy, (3) non-linear dependence of the SCR reaction rate on the NH₃ surface coverage. Thus, the surface heterogeneity for adsorption/desorption of NH₃ is taken into account in this model. The present study extends the pure chemical kinetic model based on a powdered-phase catalytic system to the chemico-physical one applicable to a realistic monolith reactor.