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학위논문
저자정보

권정인 (서울시립대학교, 서울시립대학교 일반대학원)

지도교수
한인섭
발행연도
2022
저작권
서울시립대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수365

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

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산성광산배수는 유출 시 인근 유역과 생태계에 큰 피해를 주게되며, 현재 세계적으로도 상당한 문제를 일으키고. 산성광산배수는 황산, 철, 아연, 비소, 알루미늄, 납, 카드뮴, 구리와 같은 중금속이 높은 농도로 존재한다. 산성광산배수가 인근 하천 및 호수로 유출되는 경우 토양과 지하수 오염을 유발하고 광범위한 지역의 노출로 이를 처리하기 어려워 심각한 환경 피해를 초래할 수 있다. 현재 국내에서는 이를 예방하기 위한 많은 광해 복구 사업 연구를 진행중에 있다.
본 연구에서는 산성광산배수 내 주된 오염 성분인 중금속 중 납, 카드뮴, 구리를 제거하는 것을 목표로 하였으며, 인공폐수를 제조하여 중금속 흡착에 용이한 고분자 생물흡착제인 Alginate(ALG) 비드와 생물흡착제의 단점인 강도를 보완하기 위해 제조한 alginate/microcrystalline cellulose(ALG/MCC) 비드를 적용하여 중금속 물질을 제거하는 연구를 수행하였다.
BET, SEM, FT-IR, Micro-Fatigue Tester를 이용하여 두 흡착제의 특성을 분석하였다. SEM 분석 결과 ALG 및 ALG/MCC 비드의 흡착 전후 100배율에서 흡착제 표면 변화가 나타났으나 10,000배율에서는 표면의 변화가 확인되지 않았다. BET 분석 결과 ALG 및 ALG/MCC 비드의 비표면적은 각각 1.7453 m/g 및 4.46 m/g로 셀룰로오스를 추가한 ALG/MCC 비드에서 비표면적이 더 커짐을 확인할 수 있었다. 강도 분석 결과 ALG/MCC 비드가 ALG 비드보다 평균 2.26배 강도가 증가하였음을 확인하였다.
(20 ± 2) ℃에서 ALG 비드와 ALG/MCC 비드의 흡착용량을 비교한 실험을 수행하였다. 최적 pH는 5~6으로 도출되었으며, 납에 대한 흡착용량은 ALG/MCC에서 높았고, 카드뮴과 구리의 경우 ALG에서 높았음을 확인하였다. 세 물질이 공존하는 경우 경쟁흡착으로 납, 구리, 카드뮴 순으로 흡착량이 다르게 관찰되었다. 이후 공존인자 실험을 진행한 결과 Cl와 SO 등의 음이온과 난분해성 유기 물질인 Humic acid는 흡착에 영향을 주지 않았으나, Ca와 Mg 등의 양이온은 흡착에 대한 간섭 인자로 작용하였다.
각 고분자 생물흡착제의 최대 흡착용량은 납에서 ALG 346.7 mg/g, ALG/MCC 337.4 mg/g, 카드뮴에서 ALG 124.8 mg/g, ALG/MCC 119.5 mg/g, 구리에서 ALG 122.1 mg/g, ALG/MCC 102.2 mg/g으로 나타났다. 전 항목에서 두 비드의 흡착은 Langmuir 등온흡착식에 따랐으며, 흡착 반응속도 관찰 결과 납, 카드뮴, 구리 순으로 2시간 이내에 80 % 이상 제거됨을 확인하였다.
비드 재생 실험의 경우 3회 재생까지 비드의 흡착효율 변화가 없었으나 4회차 재생에서 카드뮴과 구리 이온의 효율이 소폭 감소하였고 5회차 재생에서 약 10 %의 효율 감소가 관찰되었다.
본 연구를 통해 폐수 내 다양한 pH 조건에서 ALG, ALG/MCC 비드의 적용이 가능하며, 광산 배수 내 다른 영향인자가 공존하는 경우에도 충분히 비드 적용이 가능할 것으로 판단된다. 또한 ALG/MCC 비드의 경우 강도의 증가로 이후 더 넓은 범위의 폐수 적용이 가능할 것으로 판단된다.

목차

List of Tables ⅳ
List of Figures ⅴ
1. 서 론 1
2. 이론적 배경 3
2.1 산성광산배수 3
2.2 중금속 7
2.2.1 중금속 제거 필요성 7
2.2.2 산성광산배수 처리 공법 10
2.3 흡착 12
2.3.1 흡착 이론 12
2.3.2 흡착 형태 12
2.3.3 등온흡착식 14
2.3.3.1 Langmuir 등온흡착식 15
2.3.3.2 Freundlich 등온흡착식 16
2.3.4 흡착동역학 17
2.3.4.1 1차속도방정식모델 17
2.3.4.2 2차속도방정식모델 18
2.4 생물흡착제 19
2.4.1 알긴산 19
2.4.2 셀룰로오스 20
2.4.3 생물흡착제를 이용한 중금속 제거 국내?외 사례 22
3. 연구 방법 24
3.1 실험재료 24
3.1.1 중금속 및 간섭 인자 시료 24
3.1.2 흡착제 합성 25
3.1.2.1 Alginate beads(ALG) 제조 26
3.1.2.2 Alginate/Microcrystallin Cellulose(ALG/MCC) beads 제조 26
3.2 실험방법 및 조건 28
3.2.1 pH에 따른 흡착 28
3.2.2 공존 물질의 유·무에 따른 흡착 30
3.2.3 중금속 이성분 공존에 따른 선택적 흡착 30
3.2.4 등온흡착식 30
3.2.5 흡착동역학 30
3.2.6 흡착제 재생 31
3.3 분석 방법 32
3.3.1 중금속 분석 32
3.3.2 ALG 및 ALG/MCC 특성 분석 33
4. 결과 및 고찰 35
4.1 ALG 및 ALG/MCC 특성 분석 결과 35
4.1.1 SEM 분석 결과 36
4.1.2 비표면적 분석 결과 39
4.1.3 FT-IR 분석 결과 40
4.1.4 강도 분석 결과 42
4.2 중금속 흡착 실험 44
4.2.1 최적 pH 도출 44
4.2.2 공존 물질 유·무에 따른 흡착량 변화 47
4.2.3 중금속 이성분 공존에 따른 선택적 흡착 52
4.2.4 등온흡착 53
4.2.4.1 Langmuir 등온흡착식 56
4.2.4.2 Freundlich 등온흡착식 57
4.2.5 흡착동역학 58
4.2.5.1 흡착속도 58
4.2.5.2 1차반응속도모델 60
4.2.5.3 2차반응속도모델 62
4.2.6 흡착제 재생 64
5. 결 론 67
References 71
Abstract 79
List of Tables
Table 2.1 Distribution of areas where leachate occurs 4
Table 2.2 Mineral waste stockpiling leachate contamination
level evaluation result (23 places) 6
Table 2.3 Treatment of acid mine drainage 11
Table 3.1 Reagents used to analyze bio-adsorbents and heavy metals 24
Table 3.2 Adsorption test conditions according to pH change 28
Table 4.1 Specific surface area properties of ALG and ALG/MCC beads 39
Table 4.2 Physical strength of ALG and ALG.MCC beads 43
Table 4.3 Parameters calculated from Lanmuir isotherm
model in this study 57
Table 4.4 Parameters calculated from Freundlich isotherm
model in this study 58
Table 4.5 Parameters of the pseudo-first-order kinetic model 60
Table 4.6 Parameters of the pseudo-second-order kinetic model 62
List of Figures
Fig. 2.1 Molecular structure of alginic acid 20
Fig. 2.2 Structure of cellulose 22
Fig. 3.1 Adsorbent(beads) synthetic device 25
Fig. 3.2 Freeze dryer 26
Fig. 3.3 ALG and ALG/MCC beads synthesis procedure 27
Fig. 3.4 Inductively coupled plasma optical emission spectrometer 32
Fig. 4.1 SEM images magnification 100 × 37
Fig. 4.2 SEM images magnification 10000 × 38
Fig. 4.3 FT-IR spectra of ALG beads before and after metal ions adsorption 41
Fig. 4.4 FT-IR of ALG/MCC beads before and after metal ions adsorption 41
Fig. 4.5 Effect of pH on Pb(II) ions adsorption 45
Fig. 4.6 Effect of pH on Cd(II) ions adsorption 46
Fig. 4.7 Effect of pH on Cu(II) ions adsorption 46
Fig. 4.8 Effect of chlorine ions interference on adsorption capacity 48
Fig. 4.9 Effect of sulfate ions interference on adsorption capacity 49
Fig. 4.10 Effect of calcium ions interference on adsorption capacity 49
Fig. 4.11 Effect of magnesium ions interference on adsorption capacity 50
Fig. 4.12 Effect of TOC on adsorption capacity 51
Fig. 4.13 Selective adsorption in multiple heavy 53
Fig. 4.14 Effect of intial Pb ions concentrations 54
Fig. 4.15 Effect of intial Cd ions concentrations 55
Fig. 4.16 Effect of intial Cu ions concentrations 55
Fig. 4.17 Effect of contact time on adsorption efficiency
of ALG beads onto metal ions 59
Fig. 4.18 Effect of contact time on adsorption efficiency
of ALG/MCC beads onto metal ions 59
Fig. 4.19 Linear PFO kinetics plots for metal ions adsorption
onto ALG beads 61
Fig. 4.20 Linear PFO kinetics plots for metal ions adsorption
onto ALG/MCC beads 61
Fig. 4.21 Linear PSO kinetics plots for metal ions adsorption
onto ALG beads 63
Fig. 4.22 Linear PSO kinetics plots for metal ions adsorption
onto ALG/MCC beads 63
Fig. 4.23 Adsorption-desorption cycles for the lead ions
adsorption onto ALG and ALG/MCC beads 65
Fig. 4.24 Adsorption-desorption cycles for the cadmuim ions
adsorption onto ALG and ALG/MCC beads 66
Fig. 4.25 Adsorption-desorption cycles for the copper ions
adsorption onto ALG and ALG/MCC beads 66

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