유기 점토 흡착제를 이용한 Phenol 성분의 제거

송은지, 최상준, 전영웅

경북대학교 환경공학과

Romoval of Phenolic Compounds by HDTMA-Bentonite

Eun Jee Song, Sang June Choi, Young Woong Jeon

Department of Environmental Engineering, Kyungpook National University

서론

유기물 제거를 위해 입상활성탄이 흡착제로서 널리 사용되어오고 있지만 그 재생 과정에서 드는 비용이 고가이고 다른 유기물에 비해 특정 오염물에 대한 흡착능력이 떨어지므로 활성탄의 대체제로 천연 점토를 사용하는 방법이 연구 되고 있다(1,2,3). 흡착제로 사용가능한 점토는 다른 토양 물질에 비해 비표면적이 큰 smetite계 점토로 2:1 판상구조를 가지고 있고 이온 교환에 의해 유기 아민계 양이온을 치환시키므로서 유기성으로 개조될 수 있다. 개조된 유기 점토는 표면적에서도 활성탄과 큰 차이가 없을뿐더러 특정 오염물질에 대한 선별 분리가 가능하다(4,5).

예를 들어 Cadena(4)는 실험에서 TMA로 치환된 벤토나이트는 벤젠에 대한 흡착능력이 뛰어나고,  Mortland(2)등은 HDTMA로 치환된 벤토나이트가 chlorine기로 치환된 페놀류에 대한 흡착 능력이 뛰어나다고 기술하고 있다.

본 실험에서는 smetite계 점토인 bentonite에 유기 아민계 양이온인 HDTMA (Hexadecyltrimethylammonium chloride)를 치환시켜 유기성으로 개조하였다. 따라서 이 개조된 벤토나이트에 폐놀류를 흡착시켜 단성분과 이성분계 대한 제거 정도를 측정하고자 한다.

이론

단일 성분 흡착에서는 Freundlich 모델을 적용하였고 다성분 흡착거동을 예측하기 위해 Fritz 모델을 사용하였다. Fritz모델은 Freundlich 모델에서 결정된 상수를 이용하여 이성분 경쟁 흡착량을 예측하는 것으로 식은 다음과 같다.

[eqn: Y_1 = {a_1 x_1^{b+alpha_1} } over {x_1^ alpha_1 + beta_1 x_2 ^ gamma_1}]

[eqn: Y_2 = { a_2 x_2 ^ {b_2 +alpha_2 }} over{ x_2^ alpha_2 + beta_2 x_1 ^ gamma_2}]

여기서 Y1과 Y2는 이성분 흡착에서의 단위 질량당 흡착된 량이고 x1과 x2는 각각의 평형 농도를 나타낸다. 또 a와 b는 Freundlich모델식에서의 상수값을 나타내고 □,□□,□□는 흡착 매개 변수이다.

실험

이 실험에서 사용된 흡착제는 HDTMA로 코팅된 벤토나이트이고 흡착질로는 Phenol(PH), 4-nitrophenol(4-NP), 4-chlorophenol(4-CP), 2,4-dichlorophenol (24-DCP)을 사용했다. HDTMA벤토나이트는 CEC의 60%이온교환 시킨 것을 사용 하였다. 먼저 흡착 평형 시간을 결정하기 위해 코팅된 벤토나이트 0.5 g에 각각의 PH, 4-NP, 4-CP, 24-DCP 400 mg/L를 넣고 시간별로 sample을 채취하여 흡착평형시간을 4시간으로 결정하였다. 삼각플라스크에 HDTMA로 코팅된 벤토나이트를 0.5 g넣고 여러 농도(100, 200, 300, 500, 1000, 2000, 3000mg/L)의 유기 흡착질을 20 mL 넣는다. shaking incubator 에서 250 rpm, 25℃에서 4시간 동안 흡착 실험을 행하였다. 흡착이 끝난후 whatman지를 이용하여 거른후 UV-visible spectrophotometer을 이용하여 흡광도를 측정한다. 측정한 흡광도로 평형 농도를 산출하고 흡착량을 계산한다. 이성분 흡착도 단일 성분과 같은 방법으로 하였다.

결과 및 토론

HDTMA로 코팅된 벤토나이트의 각각의 페놀류에 대한 단성분 흡착 결과를 그림 1에 나타내었다.  흡착 친환도는 24-DCP > 4-CP > 4-NP > PH 의 순으로 나타났다. 이것은 각각의 분자의 크기와 용해도로 미루어 볼 때 어느정도 예측 할수 있었던 결과이다. 즉 물에 대한 용해도가 작을수록 물과의 경쟁력에서 우세하고 유기 점토와의 인력도 더 크게 작용하기 때문이다. 따라서 물에 대한 용해도가 작은 2,4-dichlorophenol이 다른 phenol 성분에 비해 많은 흡착량을 나타내었고 4-nitrophenol과의 이성분 흡착에서도 경쟁력 더 크다는 것을 알 수 있었다. 또한 단성분 흡착 데이터에 Freundlich모델을 적용한 결과 좋은 예측치를 보여주고 있다.

그림 2, 3, 4 는 페놀류의 이성분계 경쟁흡착을 나타낸다. 각 성분의 평형 흡착은 단성분에 비해 작아진 것을 알 수 있고, 단성분에서 많은 흡착량을 보인 물질이 이 성분에서도 높은 경쟁력을 보이는 것을 알 수 있다. 이성분 흡착 결과에 대해 Fritz모델을 적용 시킨 결과 비교적 좋은 예측치를 보여주고 있다. Fritz흡착매개 변수는 표 1, 2, 3에 나타내었다.

표.1.

	□	□	□	a	b
4-CP	0.4955	5.773	5.349e-11	1.6172	0.5938
4-NP	0.6014	1.8272	0.5	0.8819	0.6138

표.2.

	□	□	□	a	b
PH	0.8691	4.1778	0.5479	0.1997	0.72669
4-NP	0.36274	4.5	1.379e-11	0.8819	0.6138

표.3.

	□	□	□	a	b
24-DCP	0.2524	4.0638	4.0909e-11	3.7992	0.59481
4-NP	0.4449	1.2043	0.4	0.8819	0.6138

참고 문헌

1) James A. Smith Peter R. Jaffe, Environ. Sci. Technol., 25, 2054-2058,1991.

2) S.A. Boyd Max m.Mortland, and Cray T. Chiou, Soil Sci. Soc. Am. J. 52,     652-657,1988.

3) Max M, Mortland, Sun Shaobal, and S.A. Boyd, Clays and Clay Minerals,     34, 581-585, 1986.

4) Fernando Cadena, Member, ASCE,Environ, Eng, 115, 756-767, 1989.

5) Jiunn-Fwu Lee, James E. Crum, and Stephen A.Boyd,

Environ, Sci. Technol., 23, 2365-2373, 1989.