수중 환경에서 PVC 유래 흡착제를 이용한 유기 오염물질의 흡착 제거 = Adsorptive Removal of Organic Pollutants by PVC-derived Adsorbents in Aqueous Systems

국문 초록 (Abstract)

유기염료나 과불화화합물은 고유의 특성들로 인해서 다양한 산업에서 활용되고 있다. 환경에 유출될 경우 물에 대한 용해도로 인해서 높은 이동성을 가지기 때문에 광범위한 장소에 존재하게 된다. 이들의 화학구조로 인해서 자연적으로 정화되기 어려우며, 독성 및 생물축적으로 인해서 인간 건강과 생태계에 문제를 일으킨다. 유출된 오염물질은 고도 산화 공정이나 광촉매 등으로 제거하는 연구가 있으나 가혹한 실험 조건 및 부산물 생성으로 인한 2차 오염의 문제점이 있다. 흡착 공정의 경우 간단한 공정 및 비용 효율적인 이점으로 인해서 수계오염물질을 제거하기 위한 유망한 방법이다. 오염물질을 제거하기 위해서 다양한 전구체들로부터 활성탄, 바이오차르, 점토, 레진 등이 흡착제로써 생산된다. 특히 폐기물로부터 유래된 차르 기반 흡착제는 폐기물로 인해서 발생되는 문제점을 해결할 뿐만 아니라 지속가능한 친환경 흡착제로 사용될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 수계에 존재하는 오염물질을 제거하기 위해서 폐기물 유래 흡착제를 제조하였다. 오염물질은 흡착제를 통해서 제거되었으며, 흡착제의 표면에서 발생되는 흡착 메커니즘에 대해서 분석을 진행하였다.
유기염료는 폐PVC에서 유래된 활성탄을 통해서 성공적으로 제거가 되는 것을 확인하였다. 폐PVC의 열분해 공정에서 LDH의 도입을 통해서 탄소가 풍부한 전구체를 높은 수율로 회수 할 수 있었다. 전구체는 화학적 활성화를 통해서 1495.4 m2 g⁻1의 높은 비표면적을 지닌 흡착제를 생산했다. 흡착제는 양이온성 염료인 메틸렌 블루에 대해서 흡착 성능 평가가 진행되었다. 메틸렌 블루는 최대 486.8 mg g⁻1 제거되었다. 양이온과 음이온 염료에 대한 동시 제거 성능 평가에서는 양이온성 염료인 메틸렌 블루를 3분 이내에 99% 제거하였으며, 시간이 지남에 따라서 음이온성 염료인 메틸 오렌지도 97% 제거하였다. 따라서 폐기물 유래 흡착제는 양이온성 염료와 음이온성 염료에 대해서 모두 유효한 성능을 보였으며 특히 메틸렌 블루에 대해서 높은 제거 성능을 보였다.
폐기물 유래 흡착제는 열분해된 차르 형태로도 잔류성 오염물질인 과불화화합물을 제거할 수 있었다. 이들은 특히나 탄소와 불소의 강한 결합력으로 인해 화학적 분해가 어려워 흡착 공정을 사용한 연구가 진행되고 있다. 그럼에도 불구하고 단쇄 과불화화합물은 장쇄 과불화화합물에 비해 낮은 흡착효율로 인해서 문제가 되고 있다. 본 연구에서는 흡착제 표면 젖음성을 조절하여 단쇄 과불화화합물에 대해서도 흡착효율을 개선하였다. 강한 소수성(접촉각 > 120°)을 보이는 열분해된 차르는 장쇄 과불화화합물에 대해서 높은 흡착량(2905 μg g-1)을 보였지만 단쇄 과불화화합물에 대해서는 낮은 흡착량 (1204 μg g-1)을 보였다. 그러나 아민화를 통해서 표면 소수성이 감소(접촉각 < 100°)된 아민화된 차르는 단쇄 과불화화합물에 대해서 1934 μg g-1으로 제거용량이 개선되었다. 흡착제의 비표면적은 아민화 이후 감소하지만 높아진 흡착성능은 표면 젖음성이 단쇄 과불화화합물을 제거하는데 주요한 인자임을 시사한다. 과불화화합물을 제거하기 위해서 사용된 흡착제는 메탄올을 통해서 재생되었으며 탈착용매에 함유된 과불화화합물은 비양성자성 용매환경에서 분해되었다.
본 연구에서는 폐기물에서부터 흡착제를 제조하고 유기염료와 과불화화합물을 제거하는 것을 통해서 수질 오염을 해결할 수 있는 효과적이고 지속 가능한 기술을 입증했다. 특히 각 오염물질과 흡착제의 상호작용은 흡착제의 표면 전하 및 젖음성에 의존하는 것이 확인되었다. 이러한 결과는 수계에서 발생되는 복잡한 흡착과정에 대해서 이해하는데 기여할 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1. 1. Background 1
• 1. 2. The importance of remediating detrimental chemicals from water 4
• 1. 2. 1. Organic dyes 4
• 1. 2. 2. Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) 5
• 1. 3. Waste management: Adsorbent production 7
• 1. 4. Adsorption process 8
• 1. 4. 1. Adsorption kinetic models 8
• 1. 4. 2. Adsorption isotherm models 9
• Chapter 2. Upcycling of PVC waste to high-value sorbent with KOH-activation for efficient removal of organic dyes 10
• 2. 1. Introduction 10
• 2. 2. Materials and methods 13
• 2. 2. 1. Materials 13
• 2. 2. 2. Synthesis of CuAl LDH 13
• 2. 2. 3. Preparation of pyrolyzed chars 14
• 2. 2. 4. KOH activation of pyrolyzed chars into adsorbents 14
• 2. 2. 5. Characterization 15
• 2. 2. 6. Adsorption and regeneration experiments 15
• 2. 3. Results and Discussions 18
• 2. 3. 1. Scheme design of overall work 18
• 2. 3. 2. LDH synthesis and the effect of pyrolysis on PVC 20
• 2. 3. 3. Characterization of chars and effect of KOH activation 26
• 2. 3. 4. Adsorption behavior and characteristics of adsorbents 34
• 2. 4. Conclusion 42
• Chapter 3. Enhanced removal of short-chain perfluoroalkyl substance via aminated waste-derived sorbent 43
• 3. 1. Introduction 43
• 3. 2. Materials and methods 47
• 3. 2. 1. Materials 47
• 3. 2. 2. Preparation of LDH@cellulose 47
• 3. 2. 3. Fabrication of PVC/LDH@cellulose bead 48
• 3. 2. 4. Co-pyrolysis of PVC/LDH@cellulose bead 48
• 3. 2. 5. Characterization 49
• 3. 2. 6. PFAS adsorption kinetics 49
• 3. 2. 7. PFAS adsorption isotherms 50
• 3. 2. 8. Regeneration process 50
• 3. 2. 9. PFAS destruction in eluate-like solution 51
• 3. 3. Results and Discussions 52
• 3. 3. 1. Preparation of the PVC/LDH@cellulose bead 52
• 3. 3. 2. Co-pyrolysis of PVC with LDH@cellulose and their decomposition behavior 58
• 3. 3. 3. Characterization of PVC-derived sorbents and PFAS adsorption performance 63
• 3. 3. 3. 1. Surface wettability of sorbents and their adsorption kinetics for the PFAS 63
• 3. 3. 3. 2. The isothermal models by sorbents and their post-processing 69
• 3. 4. Conclusion 76
• Chapter 4. Summary 77
• References 79
• Abstract 101