칼슘-알지네이트 겔 비드를 이용한 가스상 톨루엔 제거: 흡수와 생분해 :Removal of gas-phase toluene using Ca-Alginate gel bead: Absorption and Biodegradation

곽채은

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자료유형: 학위논문

저자정보: 곽채은 (서울과학기술대학교 )

지도교수: 김대근

발행연도: 2023

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이용수65

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2023

칼슘-알지네이트 겔 비드를 이용한 가스상 톨루엔 제거: 흡수와 생분해

곽채은 환경공학과 2023.01 학위논문

2022

파라핀 오일 함유 칼슘-알지네이트 겔 비드의 가스상 톨루엔 흡수 특성

곽채은 , 김대근 실내환경 및 냄새 학회지 2022.06 학술저널

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본 연구는 휘발성유기화합물을 사용하는 산업현장의 배출가스와 작업 현장에서 검출되는 기체상 휘발성유기화합물의 효율적인 제어를 위하여 기체-가스 반응이 일어나도록 칼슘-알지네이트 겔을 제안하였으며, 각 현장의 특성을 고려해 흡수와 생분해 기작을 응용하였다. 산업용 배출가스의 고농도 휘발성유기화합물을 흡수·제어하기 위해 고형흡수제를 제조하였으며, 산업체 작업 현장의 저농도 휘발성유기화합물을 생물학적 처리를 통해 제거하기 위해 생체활성 흡착제를 제조하였다. 고형 흡수제는 칼슘-알지네이트 겔에 파라핀 오일을 첨가한 소재이며 비연속적 배출원에서 휘발성유기화합물의 부하완충을 목적으로 개발되었고, 생체활성 흡착제는 Pseudomonas putida와 분말활성탄(Powdered activated carbon, PAC)을 고정하여 추가 재생단계 없이 연속 운전이 가능한 흡착을 목적으로 하였다.
제조된 고형 흡수제는 주사전자현미경(Scanning electron microscope, SEM) 이미지 분석, 형광 이미지 분석을 통해 물리화학적 특성을 평가하였고, 컬럼실험을 통해 톨루엔 제거특성과 부하완충 가능성을 평가하였다. 고형 흡수제의 오일 함유량이 30% 일 때 약 4 ㎜ 직경의 균일한 크기의 구형 비드가 제조되었으며, 질량변화율이 62.7%로 다른 오일 농도 조건으로 제조한 고형 흡수제에 비해 기계적 안정성이 우수하였다. 연속식 반응기 실험 결과 30% 오일을 함유한 고형 흡수제의 톨루엔 흡수량은 497.60 mg/kg으로 오일을 함유하지 않은 비드의 흡착능에 비해 약 183배 높은 결과를 보여주었으며, 반복 흡수 재생 실험에서 유출부의 톨루엔 농도가 유입 대비 28.5%의 농도 수준으로 관찰되어 비연속적으로 배출되는 톨루엔을 효과적으로 완충할 수 있음을 확인하였다.
생체활성 흡착제의 경우 알지네이트 농도 2%, PAC 함량이 알지네이트의 10배, 겔화용액으로 10% 염화칼슘용액을 사용하였을 때 물리적 강도가 우수하고 고정된 미생물이 잘 생존하는 것을 확인했다. 위 조건으로 제조한 생체활성 흡착제의 외형은 구형이었으며, SEM 이미지 분석을 통해 흡착제 내부에 P. putida가 고정된 것을 확인하였다. 톨루엔 제거 실험을 통해 생체활성 흡착제의 흡착식을 조사한 결과, 미생물이 고정되지 않은 생체활성 흡착제는 Langmuir 등온흡착식에 적합했으며 미생물을 고정한 등온흡착식 보다는 미생물 동역학식인 Michaelis-Menten 식에 적합하였다. 회분식 실험결과 생체활성 흡착제의 흡착용량은 4.6 g/kg이었으며, 연속식 실험 시 21.2 mg/kg로 약 219배 낮게 나타났다. 흡착-재생 반복공정에서 초기 미생물 활성이 낮았으나, 시간이 경과할수록 미생물 활성이 증가하는 것을 확인하여 흡착과 생분해 기작을 모두 확인하였다.
본 연구에서는 칼슘-알지네이트 겔 비드를 이용하여 가스상오염물질의 기체-고체 반응을 유도하였다. 고형흡수제와 생체활성 흡착제는 다양한 소재를 이용하여 제조되었으며, 가스상 톨루엔을 성공적으로 제어하는 것을 확인하였다.

This study proposed two different types of Ca-alginate gel beads to control the control of volatile organic compounds (VOCs). The first one is a composite bead with Ca-alginate and paraffin oil as a solid absorbent (SA) which enabled polishing the fluctuation of VOCs emission in the field. The other one is a Ca-alginate gel bead immobilized with Pseudomonas. putida and powdered activated carbon (PAC), which can be applied as a bioactive adsorbent (BA) to remove VOCs consistently without any regeneration steps. The prepared alginate-based adsorbents of SA and BA were characterized by a scanning electron microscope (SEM) and a fluorescence image analyses, and their reaction properties were explored on toluene removal.
SA was fabricated using paraffin oil in order to mitigate VOCs emission because most off-gases contaminated with VOCs have variable flow rates, a wide range of concentrations, and transient loadings which limit the handing efficiency of the control process. SA had a spherical shape with 4 mm of diameter and excellent mechanical stability when the oil content of 30% with weight variation ratio (WV). The dynamic column test results of SA on toluene removal showed the toluene absorption capacity of 497.60 mg/kg, which was 183 times higher than the adsorption capacity of beads without oil. The experimental observations revealed that SA can be employed as the buffering unit to mitigate the VOCs fluctuations effectivley.
BA was proposed for simultaneous reactions of biodegradation and adsorption in VOCs control, which was established by immobilizing Pseudomonas.putida and PAC by ion gelation method. The physical strength of BA was found to be maximum when alginate concentration was 2% with alginate:PAC content of 1:10 and 10% calcium chloride solution prepared as a gelling solution. The appearance of BA prepared under optimal conditions had a black color with an average diameter of 4.26 mm and P. putida was well fixed on the porous structure inside BA in the SEM analysis. In the batch test, the adsorption capacity of BA was 4.6 g/kg.
The Langmuir isotherm well explained the adsorptive behavior of BA without immobilized microorganisms, but not with BA. BA with immobilized microorganisms had biological activity, which well explained by Michaelis-Menten kinetics.
In the column test, the adsorption capacity of BA was 21.2 mg/kg, and microbial activity was maintained even without toluene loadings, confirming the possibility of continuous operation of BA. The prepared BA exhibited for simultaneous reactions of biodegradation and adsorption in VOCs control, It is recommended the obtained result can be up-scaled in the field application.

#VOCs #Ca-alginate gel bead #Adsorbent #Absorbent #Gas-solid reaction

목 차
요약 ⅰ
표목차 ⅳ
그림목차 ⅳ
I. 서 론 1
1. 연구 배경 1
2. 연구 목적 2
II. 이론적 고찰 3
1. 휘발성유기화합물(VOCs) 3
1.1 VOCs 특징 3
1.2 VOCs 제어기술 4
1.2.1 흡수 5
1.2.2 흡착 6
1.2.3 생물학적 처리 7
2. 칼슘-알지네이트 겔 비드 8
2.1 물질 전달 시스템: 기체-고체 반응 8
2.2 알지네이트 겔 비드의 특징 9
III. 칼슘-알지네이트 겔 비드를 이용한 고형흡수제 개발 11
1. 개요 11
2. 실험방법 13
2.1 시약 및 재료 13
2.2 알지네이트-오일 에멀젼 및 겔화용액 제조 13
2.3 SA 제조 14
2.4 SA 물리화학적 특성 평가 14
2.5 SA 톨루엔 제어 특성 평가: 연속식 반응기 실험 15
3. 결과 및 고찰 17
3.1 SA 물리화학적 특성 17
3.2 SA 표면 특성 19
3.3 SA 톨루엔 제어 특성 21
4. 결론 24
IV. 칼슘-알지네이트 겔 비드를 이용한 생체활성 흡착제 개발 25
1. 개요 25
1.1 연구 배경 25
1.2 연구 목적 28
2. 실험방법 29
2.1 시약 및 재료 29
2.2 미생물 배양 29
2.3 BA 제조 30
2.4 BA 제조 조건 최적화 31
2.5 BA 물리화학적 특성 관찰 31
2.6 톨루엔 제어 속도식 산출 32
2.6.1 등온흡착식 32
2.6.2 미생물 생장 동역학 33
2.7 BA 톨루엔 제어 특성 평가: 반응기 실험 33
3. 결과 및 고찰 35
3.1 BA 제조조건 최적화 35
3.1.1 합성재료 조성비 35
3.1.2 알지네이트 농도 37
3.1.3 겔화용액 38
3.2 SA 물리화학적 특성 40
3.2.1 형태학적 분석 40
3.2.2 미생물 활성 분석 40
3.2.2 표면 특성 분석 41
2.3 BA 톨루엔 제어 특성 43
2.3.1 비드 타입별 흡착용량 43
2.3.2 BA 톨루엔 제어식 44
2.3.3 톨루엔 흡착-재생 실험 결과 47
4. 결론 49
V. 결 론 51
참고문헌 52
영문초록(Abstract) 61

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