Sn(IV) oxide/La(III) hydroxide와 PAN 복합체의 As 흡착 특성 평가 = A Study on the Adsorption Property of Arsenic ions on Sn(IV) oxide/La(III) hydroxide and Polyacrylonitrile Composite

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 고효율의 비소 선택적 흡착제를 개발하는데 그 목적을 두고 수행되었다. 이를 위해 본 연구에서는 비소 선택성 흡착제로 HSO-PAN 비드, 아민형 HSO-PAN 비드 및 La-PAN 비드를 제작하고, 각각의 비소 흡착특성을 회분식 흡착실험을 통해 평가하였다. 회분식 흡착실험은 pH, 비소 이온종, 접촉시간, 비소 농도, 경쟁 음이온이 비소 흡착에 미치는 영향을 포함한다.
HSO-PAN 비드는 As(V)보다 As(Ⅲ)에 대한 친화력이 훨씬 높았다. HSO의 As(III) 흡착은 pHeq 2.0~9.0에서 효율적이었다. HSO-PAN 비드의 As(III) 흡착 실험 데이터는 2차 흡착속도 모델과 Langmuir 흡착등온 모델과 잘 일치하였다. 단일층 최대 As(III) 흡착량은 HSO 분말의 경우 45.7 mg/g, HSO-PAN 비드의 경우 36.0 mg/g으로 밝혀졌다. 흡착에너지는 HSO 분말의 경우 3.65～12.13 kJ/mol, HSO-PAN 비드의 경우 6.24～10.89 kJ/mol로 이온교환과정이 주된 As(III) 흡착메커니즘이었음을 나타내었다. HSO에 의한 As(III) 흡착은 조사한 음이온 중 중탄산 이온을 제외하고는 경쟁 음이온에 의해 영향을 받지 않았다. 이는 HSO가 오염수로부터 As(III)를 선택적으로 제거하는데 사용될 수 있음을 시사하였다.
HSO-PAN 비드의 As(V) 흡착능은 바인더로 사용한 PAN을 아민화 시킴으로써 As(III)의 흡착능을 저하시키지 않고 개선할 수 있었다. 아민형 HSO-PAN 비드의 단일층 최대 흡착량은 As(III)의 경우 33.3 mg/g이었고, As(V)의 경우 18.2 mg/g으로 나타났다. 아민형 HSO-PAN 비드의 As(V) 흡착에너지는 14.23 kJ/mol로 이온교환과정이 주된 흡착메커니즘임을 나타내었다. 아민형 HSO-PAN 비드의 As(V) 흡착은 비드 표면에서의 필름확산에 의해 지배되는 반면 As(III)의 흡착은 비드의 기공을 통한 내부확산에 의해 지배되었다.
HSO-PAN 비드와 달리, La-PAN 비드는 As(III)보다 As(V)에 대한 친화력이 훨씬 높았다. 효과적인 As(V) 제거는 pHeq 3.6～8.6에서 이루어졌다. La-PAN 비드의 As(V) 흡착 실험 데이터는 2차 흡착속도 모델과 Langmuir 흡착등온 모델과 잘 일치하였다. 단일층 최대 As(V) 흡착량은 125.0 mg/g으로 밝혀졌다. As(V) 흡착에너지는 16.00～16.28 kJ/mol로 이온교환과정이 주된 흡착메커니즘임을 나타내었다. La-PAN 비드의 As(V) 흡착능은 인산염 이온을 제외하고는 경쟁 음이온에 의해 크게 영향을 받지 않았다. 이상의 결과는 As(V) 선택적 고효율 흡착제로 La-PAN 비드의 사용 가능성을 증명하고 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to develop a highly efficient arsenic selective adsorbent. In this study, hydrous stannic oxid-polyacrylonitrile(HSO-PAN) beads, aminated HSO-PAN beads, and lanthanum hydroxide(La)-PAN beads were fabricated, and their arsenic adsorption characteristics were evaluated by batch adsorption experiments. The batch adsorption experiments included the effects of pH, arsenic ionic species, contact time, initial arsenic concentration, and competing anions on arsenic adsorption.
HSO-PAN beads had much higher affinity for As(III) than As(V). Efficient As(III) removal by HSO was observed in the pHeq 2.0～9.0. The pseudo-second-order kinetic model and the Langmuir isotherm model described well the experimental data for As(III) adsorption of HSO-PAN beads. The maximum monolayer adsorption capacity was found to be 45.7 mg/g for HSO powder and 36.0 mg/g for HSO-PAN beads. The adsorption energies of 3.65～12.13 kJ/mol for HSO powder and 6.24～10.89 kJ/mol for HSO-PAN beads indicate an ion exchange process as primary adsorption mechanism. Excepting bicarbonate ion, other anions studied showed no adverse effect on As(III) adsorption by HSO, which indicates that HSO can be used to selectively adsorb As(III) from the contaminated water.
The As(V) adsorption capacity of HSO-PAN beads could be greatly improved by the amination of PAN used as a binder without reducing the As(III) adsorption capacity. The maximum monolayer adsorption capacity of aminated HSO-PAN beads was found to be 33.3 mg/g for As(III) and 18.2 mg/g for As(V). The As(V) adsorption energy of 14.23 kJ/mol for aminated HSO-PAN beads indicates an ion exchange process as primary adsorption mechanism. The adsorption kinetics of As(V) ions on the aminated HSO-PAN beads was controled by film diffusion at the external surface of the beads, whereas that of As(III) ions was controlled by intraparticle diffusion at the internal surface or pores of the beads.
Unlike the HSO-PAN beads, La-PAN beads had much higher affinity for As(V) than As(III). Efficient As(V) removal was observed in the pHeq 3.6～8.6. The pseudo-second-order kinetic model and the Langmuir isotherm model described well the experimental data for As(V) adsorption of La-PAN beads. The maximum monolayer adsorption capacity was found to be 125.0 mg/g. The As(V) adsorption energies of 16.00～16.28 kJ/mol indicate an ion exchange process as primary adsorption mechanism. The presence of competing anions, except for phosphate ion, did not significantly affect As(V) removal by La-PAN beads. The results of this study demonstrated the potential usability of La-PAN beads as an excellent As(V) selective adsorbent.

목차 (Table of Contents)

• List of Tables ⅳ
• List of Figures ⅴ
• 초 록 ⅷ
• 제1장 서 론 1
• 제1절 연구배경 1
• 제2절 연구의 내용 및 목적 3
• 제2장 이론적 배경 4
• 제1절 비소 오염 현황 4
• 제2절 비소의 위해성 6
• 1. 비소의 발암성 7
• 2. 비소에 의한 심혈관 질환 발생 7
• 제3절 비소 제거 기술 8
• 1. 비소 제거 기술 현황 8
• 2. 흡착/이온교환 기술 10
• 제4절 흡착모델 12
• 1. Langmuir 흡착등온식 12
• 2. Freundlich 흡착등온식 13
• 3. Dübinin-Radushkevich 흡착등온식 14
• 4. Temkin 흡착등온식 14
• 5. 반응속도 15
• 6. 내부확산모델 16
• 제3장 실험재료 및 방법 17
• 제1절 실험재료 및 시약 17
• 제2절 실험방법 18
• 1. 흡착제의 제조 18
• 1) HSO-PAN 비드 흡착제 18
• 2) 아민형 HSO-PAN 비드 흡착제 18
• 3) La-PAN 비드 흡착제 18
• 2. 흡착실험 및 분석 19
• 1) 표면특성 관찰 19
• 2) 흡착성능 결과 평가 19
• 제4장 결과 및 고찰 20
• 제1절 HSO-PAN 비드 흡착제 20
• 1. HSO-PAN 비드 표면 및 내부 특성 20
• 2. HSO의 비소 흡착 특성 21
• 3. As(III) 흡착에 미치는 pH 영향 23
• 4. As(III) 흡착에 미치는 공존 음이온의 영향 24
• 5. As(III)의 흡착등온 25
• 6. As(III)의 흡착속도 30
• 제2절 아민형 HSO-PAN 비드 흡착제 35
• 1. 흡착특성 35
• 2. As(V)흡착에 미치는 공존 음이온의 영향 36
• 3. As(III)와 As(V)의 흡착등온 37
• 4. As(III)와 As(V)의 흡착속도 43
• 제3절 La-PAN 비드 흡착제 50
• 1. La-PAN 비드 표면 및 내부 특성 50
• 2. As(V)흡착에 미치는 pH 영향 50
• 3. As(V)흡착에 미치는 공존 음이온의 영향 52
• 4. As(V) 흡착등온 54
• 5. As(V) 흡착속도 59
• 제5장 결 론 64
• 참고문헌 67
• Abstract 76