폐 키토산 바이오차에 의한 비소 및 중금속 제거 및 토양 안정화 특성 평가 = Remediation of Arsenic and Heavy Metals and Soil Stabilization by Waste Chitosan based Biochar

국문 초록 (Abstract)

목적:본 연구에서는 미세조류가 흡착된 폐 키토산 흡착제를 바이오차로 전환하여 중금속 오염토양에 적용해 중금속을 안정화하고 토양의 질을 개선하기 위한 안정화제로 적용 가능성을 평가하고자 하였다.
방법:폐 키토산 흡착제를 무산소 질소환경에서 400℃에서 1시간동안 반응하여 파이로차를 생성하고 바이오매스 10g과 증류수 90mL을 열수오토클레이브 반응기를 이용하여 200℃에서 6시간 동안 반응하여 하이드로차를 생산하였다. 생성된 바이오차는 원소분석기, FT-IR, SEM 분석을 통하여 물리화학적 특성을 평가하고 비소 및 중금속 흡착 특성을 평가하였다. 바이오차의 토양 중 중금속 안정화 효율을 평가하기 위하여 비소 및 중금속으로 오염된 토양 10g에 대하여 2, 5, 10 wt%의 혼합비로 바이오차를 첨가한 후 일주일 동안 안정화를 진행한 후 TCLP 용출시험을 수행하였다.
결과 및 토의:폐 키토산으로부터 생산된 파이로차는 표면의 작용기가 거의 소실되고 pH 10.5의 알칼리성 다공성 구조의 특성을 나타내었다. 반면, 생성된 하이드로차는 표면에 수산화기 및 아민기 등 작용기를 가진 구형입자들이 응집되어 있는 형상으로 pH 5.8의 약산성을 나타내었다. 중금속 흡착 실험 시 파이로차가 하이드로차에 비해 양이온성 중금속에 대하여 높은 흡착량을 보여주었는데 이는 파이로차의 다공성구조에 의한 높은 표면적과 높은 pH에 의한 영향인 것으로 여겨진다. 반면, 바이오차를 토양에 안정화제로 적용 시 하이드로차가 파이로차에 비해 비소 및 중금속에 대해 높은 안정화 효율을 보여주었으며 이는 하이드로차 표면의 산소를 포함한 다양한 작용기가 중금속 안정화에 기여한 것으로 여겨진다. 토양 안정화 시 바이오차 혼합비가 중금속 안정화 효율에 영향을 주었으며, 5% 하이드로차 적용 시 모든 원소에 대해 10-64%의 안정화 효율을 나타내었다.
결론:미세조류가 흡착된 폐 키토산으로부터 생산된 바이오차가 토양 중 비소 및 중금속의 안정화에 효과적이며 적절한 양의 바이오차의 적용 함량이 토양의 중금속 안정화 효율에 영향을 주는 것을 확인 하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Objectives:This study aims to evaluate the feasibility of converting waste chitosan adsorbents, laden with microalgae, into biochar for application as a stabilizing agent to remediate heavy metal-contaminated soil and improve soil quality.
Methods:Waste chitosan adsorbents were converted into biochar through two processes: dry thermal carbonization at 400°C to produce pyrochar and hydrothermal carbonization at 200°C to produce hydrochar. The elemental compositions, surface functional groups, morphologies of the biochars were evaluated by elemental analyzer, FT-IR spectrometer, and SEM analysis. The arsenic and heavy metal adsorption characteristics of the produced biochars were assessed. Additionally, the produced biochars were applied as stabilizing agents to arsenic and heavy metal-contaminated soil with varying mixing ratios of 2, 5 and 10 wt%. After a one-week soil stabilization experiment, soil properties and TCLP(Toxicity Characteristic Leaching Procedure) leaching tests were conducted.
Results and Discussion:The pyrochar produced from waste chitosan exhibited a porous structure with high pH (pH 10) and minimal surface functional groups. The hydrochar consisted of spherical particles with functional groups such as hydroxyl and amine groups on the surface, exhibiting a slightly acidic pH of 5.8. Pyrochar has a higher adsorption capacity for cationic heavy metals compared to hydrochar due to its porous structure and high pH. On the other hand, when applied to soil, hydrochar demonstrated superior stabilization efficiency for arsenic and heavy metals. This is attributed to the diverse surface functional groups containing oxygen on the hydrochar. The stabilization efficiency was influenced by the biochar mixing ratio, with a 5% hydrochar application resulting in 10-64% stabilization efficiency for all elements.
Conclusion:This study confirmed that biochar produced from waste chitosan effectively stabilizes arsenic and heavy metals in soils. Additionally, the quantity of biochar used can impact its effectiveness in stabilization.