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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.
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