여러 가지 흡착제에 의한 C.I. Acid형 염료의 흡착특성

배영한, 최정균*, 유명호**, 이성식

동아대학교 공과대학 화학공학과

부산정보대학 환경화학계열*, 부산수질연구소**

Adsorption Characteristics of C. I. Acid Type dyes by various Adsorbents

Young-Han Bae·Jung-Gyun Choi*·Myung-Ho Yu**·Sung-Sik Lee

Department of Chemical Engineering, Dong-A University

Group Dept. of Envir. & Chemi., Pusan College of Information Technology*

Pusan Waterworks Headquarters, Water Quality Institute**

1. 서 론

여러 산업의 분야에서 사용되고 응용되어지는 합성염료는 크게 유기물과 유기무기복합체로 나누어지며, 특히 금속이 함유된 유기무기복합체로서의 금속함유 염료가 일반염료에 비해 색도나 견뢰도가 훨씬 우수하다. 이러한 금속함유염료가 용해된 산업폐수는 그 처리공정 및 후처리에 의해 산, 염기, 고체, 다양한 종류의 유기물과 유독물질, 착색 및 유해중금속 등이 함유되어 있어 그 조성이 너무 복잡하며, 또한 그 처리는 응집, 여과 및 침전 등의 일반적인 단일공정만으로는 그 처리가 어려우므로 효과적인 처리법의 개발이 되어 있지 않다. 특히, 함유금속 중 크롬은 그 색도특성에 의해 많은 염료에 사용되고 있어 생태계와 수환경에 막대한 영향을 미치며, 결국 인체 내 농축되어 중독을 일으키는 등 그 문제가 심각한 물질이다. 또한, 이들 원인물질이 물에 용해되어 있는 경우는 그 처리가 어려우며 합성염료는 그 용도에 따라 화학적 성분과 구조가 크게 다르고 복잡하며, 물 중에서 난분해성과 독성이 있는 물질이 많으므로 일반적인 처리방법으로 처리가 쉽지 않다. 일반적인 염료함유폐수의 처리법 중 응집침천법과 활성탄을 이용한 흡착법은 유기합성염료가 금속과 강하고 안정된 착체를 형성하며, 분자가 대단히 크므로 응집침전과 흡착법으로는 처리효과가 저조하다. 과산화수소, 오존 또는 자외선 등의 조사에 의한 분해처리는 대부분의 합성염료가 빛과 산화제 등에 안정한 난분해성이며, 또한 분해가 된다고 하여도 수중에는 독극물질인 크롬과 유기물이 그대로 존재하므로 효과적인 처리방법이 아니다. 비교적 널리 이용되는 활성오니법은 염료와 크롬에 대한 미생물에 대한 저항 때문에 처리 효율이 저조하고 비경제적이므로 이들 크롬함유 염료수용액의 크롬과 유기물질의 처리에 관한 연구와 기술개발이 시급히 요청된다.

본 연구는 일반 흡착제 및 이온교환수지를 이용하여 크롬함유 염료수용액에서 크롬과 난분해성 유기물을 경제적이며 효과적이고 또한 안정적으로 분리처리 하기 위한 기초자료로서, 크롬함유 염료수용액중의 크롬과 유기물에 대하여 화학적, 물리적으로 친화력이 우수한 흡착제를 선정을 위한 흡착평형실험을 행하고, 또한 평형인자를 각각 구하여 기초자료를 제시코자 한다.

2. 실 험

2.1 흡착제 및 흡착질

실험에 사용된 흡착제로는 Calgon 사제의 입상활성탄(granular activated carbon, GAC)와 Toyo 화학사제의 고실리카제올라이트(high silica zeolite, 이하 HSZ)를 14-20 메쉬로 분쇄시켜 증류수로 데칸테이션하여 부유물을 완전히 제거한 후, 건조기(383K)에서 24시간 건조 후 사용하였으며, Mitsubishi 화학사제의 약염기성 스티렌계 음이온 교환수지(Anion exchange resin of styrene system, 이하 AES), 강염기성 스티렌계 음이온 교환수지(strong basic anion exchange resin of styrene system, 이하 SBA)는 아무런 전처리 없이 데시게이터에 보관하여 사용하였다.

C.I. Acid Red 186

C.I. Acid Yellow 121

C.I. Acid Yellow 54

Fig. 1. Structures of adsorbates for C.I. Acid type dye.

흡착질로서는 Fluka 화학사제의 유기무기복합제로서 크롬함유 염료인 C. I. Acid Red 186 (C.I. 18810, AR 186), C. I. Acid Yellow 121 (C.I. 18690, AY 121), C. I. Acid Yellow 54 (C.I. 19010, AY 54)를 사용하였고, 각 구조는 fig.1에 나타내었다.

2.2 흡착 평형 실험

흡착평형실험은 일정농도의 흡착질(100mg)과 미리 준비된 일정량(0.2g)의 흡착제를 250□ 삼각플라스크에 넣고서 항온조에서 298K±1℃로 항온시키며 고-액이 충분히 접촉되는 시간인 48시간이상 흡착시켰다. 평형에 도달한 후, 그 수용액을 여과하여 흡착제를 분리시키고 흡착질의 잔류농도를 측정하여 초기농도와 비교하여 평형흡착량을 구하였다. 이때, 평형흡착량은 식(1)로부터 구하였다.

[eqn: q_e ={V(C_0 -C_e )} over W]     (1)

여기서, [eqn: q_e]는 평형흡착량 [mg/g], [eqn: V~]는 액량 [L], [eqn: C_0]는 초기농도 [mg/L], [eqn: C_e]는 평형농도, [eqn: W~]는 흡착제의 양 [g]이다.

분석은 크롬이온의 농도는 원자분광광도계(Atomic Absorption Spectrophoto- meter, Model SHIMADZU. AA-6501F)로 분석하고, 유기물의 농도는 총유기탄소 분석기(Total Organic Carbon, Model SHIMADZU. TOC-5000)로 각각 측정하였다.

3. 결과 및 고찰

C.I. AR186, AY121과 AY54 중의 크롬과 유기물의 효과적인 흡착처리를 위한 최적 흡착제를 선정하기 위하여 각 용액을 크롬염료 전체농도를 20ppm∼100 ppm의 농도범위에서 제조하여 그 초기 pH에서 여러 가지 흡착제(AES, SBA, HSZ, GAC)를 이용하여 항온조에서 298K±1℃로 항온하여 흡착평형실험을 하여 평형흡착량과 포화흡착량을 계산하여 얻어진 C.I. AR 186, AY 121과 AY 54에 대한 흡착능을 비교한 결과를 Fig. 2, 3과 4에 각각 나타내었다.

Fig.2. Adsorption isotherms of chromium in

AR 186 onto various adsorbents.

Fig.3. Adsorption isotherms of chromium

in AY 121 onto various adsorbents.

본 실험의 조건에서 크롬 염료 중의 크롬 및 유기물의 흡착능은 각각 염료의 종류에 따라 다르게 나타났으며, 실험의 결과는

AY 54의 경우  : AES > SBA > GAC > HSZ

AR 186의 경우 : AES > GAC > SBA > HSZ

AY 121의 경우 : AES > SBA > HSZ > GAC

의 순이 었으며, GAC는 크롬에 대한 흡착능은 작았으나 유기물에 대한 흡착능은 다소 우수하였으며, 염료분자의 크기가 작은 AY 54와 AR 186의 흡착능이분자가 큰 AY 121에 비하여 다소 큰 흡착능을 보였다. AES는 다른 흡착제에 비하여 크롬이온 및 유기물의 흡착능이 우수하였다.

Fig.4. Adsorption isotherms of chromium

in AY 54 onto various adsorbents.

또한, 기초 실험에서 크롬이온과 유기물에 최고의 흡착능을 가진 스티렌계 음이온성 교환수지(AES) 흡착제에 의한 크롬함유 염료수용액의 크롬과 유기물의 포화흡착량과 pH 변화에 따른 흡착능을 구하기 위한 흡착등온 실험결과를 Figure 5에 제시하였다.

AR 186의 경우, AES에 대한 포화흡착량([eqn: q_s])은 HSZ가 0.46 mg/L로 최소였으며 SBA가 0.52 GAC가 0.68 AES 0.89의 순으로 포화흡착량도 흡착능과 동일한 순서를 보였다.

AY 54의 경우, AES에 의한 크롬 이온의 흡착은 pH가 감소함에 따라 흡착능이 증가함을 보이며, 유기물의 흡착은 이와 비슷한 경향을 보이지만 그 영향은 다소 작음을 보인다.

흡착 평형실험에 의해 구해진 실험 결과와 흡착등온 모델식과의 적용성을 검토하기 위하여 curve fitting 법으로 모델식을 계산하여 AY 54의 크롬 이온의 결과를 Figure 6에 나타내었다. 또한 흡착탑 설계의 기초자료로서 사용할 수 있는 각 흡착 등온식의 인자를 구하였다.

최적 흡착제인 스티렌계 음이온 교환수지에 의한 크롬염료의 흡착처리의 이론모델식의 적용은 변수가 1개인 Henry식은 큰 오차를 보이며(AY 54, 그러나 AR 186은 잘 적용되었다), 변수가 2개인 식은 Freundlich식보다는 Langmuir식이 잘 맞았으며, 변수가 3개인 Toth식과 Redlich-Peterson식은 모두 실험치와 거의 일치하였다.

Fig.5. Adsorption isotherms of chromium

in AR 186 onto various adsorbents.

Fig.6. Adsorption isotherms of chromium of

pH3.9 in AY54 onto AES.

4. 결 론

여러 가지 흡착제를 이용한 크롬함유 염료수용액 중의 크롬 및 유기물의 흡착실험결과, 스티렌계 음이온 교환수지(AES)가 크롬 및 유기물의 흡착능이 가장 우수하였으며, 입상활성탄의 경우 흡착질의 특성에 따라 흡착능의 차이를 보였다.

각 흡착질의 경우

AY 54의 경우	:	AES > SBA > GAC > HSZ
AR 186의 경우	:	AES > GAC > SBA > HSZ
AY 121의 경우	:	AES > SBA > HSZ > GAC

의 실험결과를 얻었고, 모두 변수가 3개인 Toth식과 Redlich-Peterson식에 잘 적용되었다.

참 고 문 헌

1) M. Chanda and G. L. Rempel, Chromium(Ⅲ) Removal by Epoxy-Cross-Linked       Poly(ethyleneimine) used as Gel-coat on Silika, Ind. Eng. Chem. Res., 36, 2190       -2196 (1997)

2) 이성식, 유명호, 최금찬, 최대웅, 킬레이트수지 흡착제에 의한 구리프탈로시       아닌 염료수용액중 구리의 제거, J. of KSEE Vol.19,No.12,1-9 (1997)