초음파 처리를 활용한 정수기 재활용 활성탄의 메틸렌 블루 흡착 성능 향상 연구

국문 초록 (Abstract)

목적 : 본 연구는 정수기 재활용 활성탄의 자원 재순환과 염색 폐수 처리를 목표로 재활용 활성탄의 초음파 개질을 통해 메틸렌 블루 제거 흡착제로서 가능성을 평가하였다.
방법 : 정수기 재활용 활성탄을 75-150 μm로 체거름한 후 흡착 성능 향상을 위해 초음파 처리를 활용하여 PCB-S를 제조하였다. 이후 SEM, XRD 및 BET 분석을 통해 특성을 평가하였다. PCB-S의 용량(0.05-0.6 g L<SUP>-1</SUP>), pH(2.0-10.0), 초기 메틸렌 블루의 농도(100 mg L <SUP>-1</SUP>), 반응 시간(1440 min), 온도(298 K)에서 흡착 실험을 진행하였다. 흡착 실험 결과는 유사 1차 및 2차 반응 속도식을 적용하여 흡착속도를 평가하였으며, 흡착등온 결과는 Langmuir, Freundlich 흡착등온식에 적용하여 비교하였다. 마지막으로 PCB-S와 메틸렌 블루 흡착공정의 흡열성과 자발성 등을 평가하기 위해 열역학적 특성을 평가하였다.
결과 및 토의 : PCB와 PCB-S의 표면 특성을 분석한 결과 초음파 처리는 활성탄의 세공 구조에 변화를 주어 활성탄의 비표면적(specific surface area)과 세공부피(pore volume)가 증가하는 것에 영향을 주었으며, XRD 분석결과, 초음파 처리가 활성탄의 결정질/비정질 구조에는 영향을 미치지 않았다. PCB-S는 세공구조 및 흡착능의 측면에서 PCB에 비해 높게 나타났으며, PCB-S 0.6 g L<SUP>-1</SUP>에서 메틸렌 블루 65%가 제거되었다. 반응속도는 유사 2차 반응 속도식을 따르며, 흡착등온식을 적용하였을 때 Langmuir 흡착등온식이 가장 적합하였다. Gibbs 자유에너지(-1.90~-1.32 kJ mol <SUP>-1</SUP>)와 엔탈피 변화량(7.44 kJ mol<SUP>-1</SUP>)을 통해 흡착반응이 흡열반응임을 확인하였다.
결론 : 본 연구를 통해 정수기 재활용 활성탄이 초음파 처리를 통해 염료 제거 흡착제로 우수한 효과가 있음을 확인하였다. 따라서 정수기 재활용 필터의 흡착제 활용 가능성은 자원 재순환을 활성화시켜 폐기물 처리 비용 절감에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Objectives : This study evaluated the potential of recycled activated carbon from household water purifiers as an adsorbent for removing methylene blue. It aimed to achieve resource recycling and dyeing wastewater treatment through the sonication modification of recycled activated carbon.
Methods : After sieving recycled activated carbon from water purifiers to a particle size of 75-150 μm, the material, in this paper referred to as PCB-S, was processed using sonication to enhance its adsorption capacity. The characteristics of PCB-S were analyzed using SEM, XRD and BET analysis. To evaluate its efficacy, adsorption experiments were carried out varying the following parameters: PCB-S dosage (0.05-0.6 g L<SUP>-1</SUP>), pH (2.0-10.0), initial concentration of methylene blue (100 mg L<SUP>-1</SUP>), reaction time (1440 min), and temperature (298 K). The data from these experiments were analyzed using first and second-order kinetic models to understand the reaction kinetics, and the adsorption efficiency was further compared using Langmuir and Freundlich isotherm models. Finally, the thermodynamic properties of the adsorption process between PCB-S and methylene blue were studied to determine its endothermic nature and spontaneity.
Results and Discussion : The analysis of the surface characteristics of PCB and PCB-S revealed that sonication significantly altered the pore structure of the activated carbon, leading to increases in both the specific surface area and pore volume. XRD analysis, indicated that sonication had no impact on the crystalline or amorphous structure of the activated carbon. PCB-S demonstrated superior porosity and adsorption capabilities compared to PCB. With a dosage of 0.6 g L<SUP>-1</SUP>, PCB-S was able to remove 65% of methylene blue from the solution. The adsorption kinetics were best described by a pseudo-second-order kinetic model, with the Langmuir adsorption isotherm fitting the data most accurately. The Gibbs free energy (-1.90~-1.32 kJ mol<SUP>-1</SUP>) and enthalpy change (7.44 kJ mol<SUP>-1</SUP>) confirmed that the adsorption reaction was endothermic.
Conclusion : This study confirmed that recycled activated carbon from water purifiers exhibits excellent effectiveness as a dye removal adsorbent when subjected to sonication treatment. Therefore, the possibility of utilizing recycled household water purifier filters as adsorbents is expected to contribute to reducing waste disposal costs by promoting resource recycling.