Adsorptive Removal of Cesium Ions Using Prussian Blue Immobilized Coffee Ground Biochar

Youngsu Lim; Dongwoo Kim; Jiseon Jang; Bolam Kim; Dae Sung Lee

Adsorptive Removal of Cesium Ions Using Prussian Blue Immobilized Coffee Ground Biochar

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프러시안 블루를 담지한 커피박 바이오차의 세슘 흡착 제거

Type: Academic journal

Author: Youngsu Lim (경북대학교) Dongwoo Kim (환경시설관리) Jiseon Jang (한국원자력환경공단) Bolam Kim (경북대학교) Dae Sung Lee (경북대학교)

Journal: Korean Society Of Environmental Engineers Journal of Korean Society of Environmental Engineers Vol.43 No.5 KCI Accredited Journals

Published: 2021.5

Pages: 336 - 346 (11page)

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Adsorptive Removal of Cesium Ions Using Prussian Blue Immobilized Coffee Ground Biochar

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Objectives: Among various radioactive contaminants, radioactive cesium is one of the most harmful radionuclides that causes human health issues due to its high emission of gamma-ray, high solubility, high mobility, high fission yield, and long half-life. Different kinds of adsorbents have been developed for the removal of cesium from radioactive wastewater. Especially, biochar has attracted great attention as a potential adsorbent in the treatment of pollutants and for water purification. In addition, Prussian blue is a cubic lattice structure that contains a cage size similar to the hydrated cesium ionic radius, indicating it can selectively remove cesium ions. Therefore, the aim of this study is to investigate the cesium adsorption performance of synthesized Prussian blue-immobilized coffee ground biochar (PB-CGBC) under various experimental conditions for cesium removal from radioactive wastewater.
Methods: After wasted coffee ground was washed and dried, it was heated at 400℃ with 10℃/min of heating rate and 5 h of retention time in a furnace with little or no available air. The PB-CGBC was synthesized using a facile co-precipitation method. Fourier transform-infrared spectroscopy, X-ray diffractometer, field emission-transmission electron microscope, Brunauer-Emmett-Teller, and zeta potential analyzer were used to analyze physico-chemical characteristics and surface structure of the synthesized adsorbents. The kinetic and equilibrium experiments of cesium adsorption on PB-CGBC were carried out and the effect of pH, temperature, initial cesium concentration, and contact time were also investigated in a batch system.
Results and Discussion: The characteristic analysis clearly confirmed the successful synthesis of PB-CGBC, indicating its abundant functional groups and special surface structure. In the batch study, it was found that the cesium adsorption onto the PB-CGBC was exothermic nature. The Elovich kinetic model and Temkin isotherm also provided a good correlation with the cesium adsorption reaction onto the PB-CGBC. The maximum adsorption capacity of PB-CGBC for cesium was 129.57 mg/g at 15℃ and pH 8 at 40 mM of an initial cesium concentration, which was one of the highest values among those of previously reported adsorbents.
Conclusions: In this study, the PB-CGBC was synthesized by immobilizing Prussian blue to the surface of coffee ground biochar and successfully applied for the adsorptive removal of cesium ions. Based on the experimental results, the synthesized PB-CGBC can be served as a great adsorbent for treatment of wastewater polluted with radioactive cesium.

목적: 방사성 세슘은 높은 감마선 방출량, 높은 용해성, 높은 이동성, 높은 핵분열율과 긴 반감기 때문에 인체에 가장 큰 악영향을 주는 방사성핵종 가운데 하나로 분류된다. 현재까지 다양한 흡착제가 액체 방사성폐기물 내 세슘을 제거하기 위해 개발되었다. 특히, 바이오차는 오염물질 처리와 수질 정화에 탁월한 흡착제로서 많은 주목을 받고 있다. 또한, 프러시안 블루는 면심입방구조체로서 수화된 세슘이온과 비슷한 크기의 격자구조를 가지고 있어 선택적인 세슘 제거가 가능하다. 따라서, 본 연구에서는 액체 방사성 폐기물 내 세슘 제거를 위해 다양한 실험 조건에서 프러시안 블루로 담지된 커피박 바이오차(PB-CGBC)의 세슘 흡착 성능을 조사하고자 한다.
방법: 폐기된 커피박을 세척하고 건조시킨 후 10℃/min의 열분해 속도와 5시간의 체류시간, 공기가 없는 400℃ 조건에서 열분해하였다. PB-CGBC는 간단한 공침법을 이용하여 합성하였다. 적외선/근적외선 분광광도계, X선 회절분석기, 전계방사형 투과전자현미경, 비표면적 및 기공도 측정기, 제타전위 분석기를 사용하여 흡착제의 물리 · 화학적 특성과 표면 구조를 분석하였다. 회분식 실험을 바탕으로 PB-CGBC의 세슘 흡착에 대한 흡착속도와 평형실험을 수행하였고 pH, 온도, 초기 세슘 농도 및 반응시간에 대한 영향인자 실험도 함께 진행하였다.
결과 및 토의: PB-CGBC의 특성 분석 결과로부터, PB-CGBC 표면에 풍부한 기능기 그룹이 존재하고 독특한 표면구조를 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 회분식 흡착 실험에서 PB-CGBC의 세슘 흡착이 발열반응이며 Elovich 속도식과 Temkin 등온식이 PB-CGBC에 대한 세슘 흡착반응을 잘 나타냄을 확인할 수 있었다. PB-CGBC의 최대흡착량은 15℃, 초기 세슘 농도 40 mM, pH 8에서 129.57 mg/g으로 나타났는데 이는 선행 연구된 흡착제들과 비교했을 때, 가장 큰 값이었다.
결론: 커피박 바이오차 표면에 프러시안 블루을 담지하여 PB-CGBC를 합성하였으며, 이를 세슘 흡착제거에 성공적으로 적용할 수 있었다. 실험결과로부터 PB-CGBC는 방사성 세슘으로 오염된 폐수를 처리하기 위한 훌륭한 흡착제로서 사용할 수 있을 것이다.

#Radioactive Cesium #Biochar #Prussian Blue #Adsorption #방사성 세슘 #바이오차 #프러시안 블루 #흡착

1. 서론
2. 실험방법
3. 결과 및 고찰
4. 결론
References

References (45)

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H. A. Alamudy, K. Cho, Selective adsorption of cesium from an aqueous solution by a montmorillonite-prussian blue hybrid, Chem. Eng. J., 349, 595-602(2018).

J. P. Ahn, M. H. Lee, Sorption efficiency of the bamboo charcoal to remove the cesium in the contaminated water system, Econ. Environ. Geol., 51(2), 87-97(2018).

J. Wang, S. Zhuang, Removal of cesium ions from aqueous solutions using various separation technologies, Rev. Environ. Sci. Biotechnol., 18, 231-269(2019).

J. H. Lee, J. E. Kang, W. S. Kim, Removal of radioactive cesium in secondary wastewater after soil-washing process, J. Korean Soc. Environ. Eng., 42(8), 405-413(2020).

J. S. Jang, D. S. Lee, Enhanced adsorption of cesium on PVA-alginate encapsulated prussian blue-graphene oxide hydrogel beads in a fixed-bed column system, Bioresour. Technol., 218, 294-300(2016).

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