수용액에서 고정화된 이산화티타늄, 실리카, 알루미나에 대한 납이온(Ⅱ)의 흡착에 관한 연구

이용준, 김문선, 정재관

성균관대학교 화학공학과

Adsorption Study of Pb(II) Ion

on Immobilized Titanium Dioxide, Silica, and Alumina in Aqueous Solutions

Young Jun Lee, Moon-Sun Kim and Jaygwan G. Chung

Dept. of Chem. Eng., Sungkyunkwan Univ.

서론

최근 증가하고 있는 생활하수와 공장폐수의 무절제한 자연수로의 유입은 심각한 수질오염을 가져왔고 수질오염은 자연 생태계와 주거환경의 파괴를 유발시키는 원인이 되고 있다. 산업현장에서 많이 사용되는 중금속 중의 하나인 납(Pb+2)은 축전지, 철재 파이프, 건축자재 및 페인트 첨가제 등의 성분으로 널리 사용되고 있으며 수면장애, 신경마비, 변비, 빈혈, 복통 등 인체에 심각한 장애를 일으키고 있다[1]. 폐수처리에서는 광촉매를 이용한 유기물 분해가 각광을 받고 있으나[2] 아직까지 수용액에 잔존하고 있는 중금속은 흡착메카니즘을 이용하는 것이 가장 효율적인 방법으로 알려져 있다[3]. 저렴하게 얻을 수 있는 무기분체를 이용하여 고기능성 흡착제로 개발하는 것이 경제적이며 금속  이온 제거능력이 우수한 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 이산화티타늄(TiO2), 고령토, 활석 등을 대상으로 주로 연구되고 있다[4]. 기존에 주로 연구되고 있는 슬러리 상에서의 공정은 제거효율은 높지만 사용하고 남은 용액 속의 무기분체들을 다시 수용액과 분리시키는 공정이 추가로 필요하기 때문에[5] 이러한 문제점을 해결하기 위해 고정된 무기분체를 이용한 흡착연구가 요구되었다.

본 실험에서는 이산화티타늄, 실리카, 알루미나를 이용하여 수용액에 함유되어 있는 납이온의 효율적인 제거조건을 제시하기 위하여 고정상과 슬러리상 반응기에서의 흡착특성을 연구했으며 각 무기분체 간의 흡착특성을 비교했다.

이론

수용액에서 무기분체 표면에 대한 납이온의 흡착특성은 Langmuir와 Freundlich 흡착등온식을 이용하여 정량적으로 나타냈다[6,7].

(1) Langmuir 흡착등온식

[eqn: q_e = { Q_m K_L C_e} over {1+ K_L C_e } ``]

[eqn: q_e`] : 평형상태에서 흡착제 단위 질량당 흡착된 흡착질의 양

[eqn: C_e`] : 평형상태에서 용액에 남아 있는 흡착질의 농도

[eqn: Q_m`], [eqn: K_L`]: 실험 상수

(2) Freundlich 흡착등온식

[eqn: q_e = K_F`` C_e^1/n``]

[eqn: q_e`]: 평형상태에서 흡착제 단위 질량당 흡착된 흡착질의 양

[eqn: C_e`]: 평형상태에서 용액에 남아 있는 흡착질의 농도

[eqn: K_F`],[eqn: 1/n`]: 실험 상수

실험방법

흡착제로 사용한 이산화티타늄(R101, Dupont Co., U.S.A.), 실리카(K-88, Fuji Silysia Chem. Ltd., Japan), 알루미나(Samchung Chem. Co., Korea)는 각각 루타일형, 무정형, □형으로 순도가 높으며 평균입경(D50)은 각각 0.4±0.1 □, 0.65±0.25 □,  1.5±0.35 □로 형상은 Fig. 1과 같다. 수용액은 0.1 g의 납을 4 □의 6 N 질산 수용액에 넣고 60∼70 ℃로 용해한 다음 건조시켜 고형물을 만들며 다시 1 N 질산 수용액을 넣어 1000 mgPb+2/□의 수용액으로 제조했다. 응집현상을 방지하기 위하여  pH 2의 조건에서 보관하다가 10 mgPb+2/□의 수용액으로 희석해서 실험에 사용했다[8].

무기분체들은 다음과 같은 방법으로 유리판에 고정시켰다. 증류수 80 □, 에탄올 20 □의 혼합액에 폴리비닐알콜 5 □을 넣고 만든 에멀젼 용액에 무기분체를 10 wt% 넣고 초음파 분산처리를 했으며 20∼30 cP의 점도가 되도록 하는 것이 고정화 상태가 가장 좋았다.  담그기 도포(dip coating) 방법으로 무기분체를 고정화시킨 유리판을 90 ℃ 30 min의 조건에서 예열처리한 다음 200 ℃에서 1 h동안 충분히 건조시켰다. 납이온의 흡착실험은 Fig. 2와 같이 분체를 평균 0.25±0.5 mg/□ 고정화시킨 유리판(가로 25 mm, 세로 75 mm) 3 개를 1 □ 용량의 반응기에 설치하고 실시했다.

실험에서 채취된 시료들의 농도는 A.A. spectrophotometer(Model Z-6100 Hitachi, Co., Japan)로 측정했다[9].

결과 및 토론

이산화티타늄, 실리카, 알루미나를 1□의 수용액에 넣고 중량별로 흡착능을 실험한  결과 Fig. 3과 같이 이산화티타늄은 30 g/□, 실리카는 85 g/□, 알루미나는 35 g/□의 농도에서 가장 높았으며(Fig. 3) pH에 따른 흡착량을 비교한 결과 Fig. 4와 같이 pH 2∼4 범위에서는 pH가 증가함에 따라 흡착량이 급격히 증가했으며 pH 5 이상의 범위에서는 미세한 증가 내지 정체 상태가 관찰되었다.

이산화티타늄과 알루미나에 대한 Langmuir와 Freundlich 흡착등온식은 Table 1과 같으며 실리카에 대한 실험은 현재 진행중이다.

참고문헌

1. Niesink, R. J. M., Vries, J. D. and Hollinger, M. A.: "Toxicology Principles and       Applications", CRC Press, New York, N.Y.(1996).

2. Byrne, J. A., Eggins, B. R., Brown, N. M. D., McKinney, B. and Rouse, M.:            Appl. Catal., B17, 25(1998).

3. Reddy, K. R. and Chinthamreddy, S.: Waste Management, 19, 269(1999).

4. Kim, M. S. and Chung, J. G.: J. Colloid Interface Sci., 233, 31(2001).

5. Kim, M. S., Lee, S. C. and Chung, J. G.: Korean Ind. Chem. Eng., 12(1),             83(2001).

6. Atin, O., Ozbelge, H. O. and Dogu, T.: J. Colloid Interface Sci., 198, 130             (1998).

7. Yadava, K. P., Tyagi, B. S., Panday, K. K. and Singh, V. N.: Environ. Technol.       Lett., 8. 225(1987).

8. Hitachi Ltd.,: "Analysis Guide for Polarized Zeem Atomic Absorption Spectropho-      tometry", Hitachi Ltd., Tokyo(1987).

9.  Nowack, B. and Sigg, L.: J. Colloid Interface Sci., 177, 106(1996).

10. Lee, Y. J., Kim, M. S., Lee, S. C., Kim, J. K. and Chung, J. G.: HWAHAK           KONGHAK, 39(2), 190(2001).

Table 1. Adsorption isotherms of Pb(Ⅱ) on TiO2 and Al2O3

Adsorption isotherms	TiO2	Al2O3
Langmuir
Freundlich

in aqueous solutions

(a)                            (b)                          (c)

Fig. 1. SEM images of TiO2(a), SiO2(b), and Al2O3(c)(magnification: 10,000).

Fig. 2. Schematic diagram of an experimental reactor with immobilized         particles.

Fig. 3. Adsorptivity of Pb+2 with        Fig. 4. Adsorption amount of Pb+2

TiO2(●), SiO2(▲), and Al2O3(■)       on TiO2(●), SiO2(▲), and

concentrations.                         Al2O3(■) with pH.