크롬착염료 수용액의 오존접촉 및 흡착특성

우효정, 최정균*, 양종규*, 이성식

동아대학교 화학공학과

부산정보대학 환경화학계열*

Ozone treatment and Adsorption Characteristics of Chromuiun contain dyes

Hyo-Jung Woo·Jung-Gyun Choi*·Jong-Gyu Yang*·Sung-Sik Lee

Department of Chemical Engineering, Dong-A University

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

1. 서 론

합성염료가 함유된 산업폐수는 산, 염기, 고체, 다양한 종류의 유기물과 유독물질, 착색 및 유해중금속 등이 함유되어 있어 그 조성이 너무 복잡하여 합성염료함유폐수 처리의 중요성에 비하여 효과적인 처리법이 아직도 개발되어 있지 않다. 금속함유염료가 용해된 산업폐수는 그 처리공정 및 후처리에 의해 산, 염기, 고형물, 다양한 종류의 유기물과 유독 물질, 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 색도 특성에 의해 많은 염료에 사용되고 있어 생태계와 수 환경에 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 독성 물질인 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 일반적인 방법에 의해 처리가 불가능한 크롬함유 염료수용액중의 크롬과 유기물을 오존접촉 및 흡착법으로 경제적이며 효과적으로 동시에 처리하기 위한 기초 연구로 크롬과 유기물에 대하여 물리화학적 친화력이 우수한 흡착제를 선정하였으며,  오존접촉이 흡착에 미치는 영향을 실험 조사하였다.

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 figure 1에 나타내었다.

2.2 흡착평형 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.

2.3 오존접촉

오존발생은 오존발생기(CHEmet KIT OZONE K-7402, CHE Metrics, Inc.)에서 일정한 간격 (30 min/L)으로 오존과 충분한 접촉이 가능하도록 1시간 접촉 시켜으며 오존 발생량은 1.66 ppm이다.

Fig. 2. Adsorption isotherms of chromium

in AR 186 onto various adsorbents.

Fig. 3. Adsorption isotherms of chromium

in AY 121 onto various adsorbents.

Table 1. the sequence of adsorptivity for dyes

Material Dye	Chromium ion	TOC
AR 186	AES > GAC > SBA > HSZ	AES > GAC > SBA > HSZ
AY 54	AES > SBA > HSZ > GAC	AES > SBA > GAC > HSZ
AY 121	AES > SBA > HSZ > GAC	AES > SBA > GAC > HSZ

3. 결과 및 고찰

3.1 크롬과 유기물의 동시 흡착을 위한 최적 흡착제의 선정

크롬과 유기물을 동시에 흡착처리 하기 위한 흡착제의 선정을 위하여 C.I. Acid type dye 수용액을 초기 pH를 일정하게 한 후 batch bottle법으로 여러 가지 흡착제를 이용하여 흡착등온 실험하였다.

Figure 2 과 3은 각각  여러 가지 흡착제에 의한 염료 C.I. AR 186와 AY 121 흡착능을 나타낸 대표적인 결과이다.

Figure 2의 평형에서의 일정한 값은 각 흡착제의 최대흡착능,(qmax)으로 AES, SBA, HSZ 및 GAC의 값은 각각 0.89, 0.68, 0.52 및 0.46 [mg/L]이였다.

Fig. 4. Adsorption isotherms of chromium

of pH3.9 in AY54 onto AES.

스틸렌계 음이온수지흡착제(AES)가 크롬과 TOC를 동시 흡착능이 가장 우수 하였다. 그러나 고실리카 제올라이트는 흡착능이 저조하였다. 각흡착에 의한 염료중의 크롬과 TOC의 흡착능의 크기를 Table 1에 비교하였다..

Figure 4는 AES에 의한 C.I. Acid 형 염료의 흡착등온 데이타인 Figure 2와 Figure 3의 데이터를 모델식인 Henry, Freundlich, Langmuir, Toth 그리고 Redlich-Peterson식에 각각 적응시킨 결과이다. 그 결과는 Freundlich와 Redlich-Peterson식에 잘 일치하였다.

3-2. 흡착에 미치는 오존접촉의 영향

여러 pH 조건 하에서 C.I. Acid 형 염료 수용액을 AES에 의하여 흡착 처리 시 오존의 접촉이 흡착에 미치는 영향을 실험하여 Figure 5와 Figure 6에 나타내었다.

전 오전처리가 AES에 의한 크롬과 TOC의 흡착능을 증가시킴을 알 수 있다. 크롬의 흡착은 pH의 영향의 영향을 받았으나 TOC는 pH의 영향을 크게 받지 않았다.

Fig. 5. Adsorption isotherms of chromium ion in C. I. Yellow 54 onto AES with and without ozonation.

Open symbol : without ozonation

Closed symbol : with ozonation

Fig. 6. Adsorption isotherms of TOC in C. I. Yellow 54 onto AES with and without ozonation.

Open symbol : without ozonation

Closed symbol : with ozonation

4. 결 론

C.I. Acid형 크롬염료 수용액의 흡착특성 및 오존접촉이 흡착에 미치는 영향을 실험 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 스틸렌계음이온교환수지 흡착제가 크롬과 TOC를 동시 흡착처리능이 가장       우수하였다.

2. 오존의 접촉이 크롬과 TOC의 흡착능을 크게 증가 시켰다.

3. 착평형과 흡착속도 데이터로 흡착평형 및 흡착속도 인자를 각각 구하여         제시하였다.

참고문헌

1. Sung-Sik Lee, Myung-Ho Yu, Kum-Chan Choi, Dai-Ung Choi, Removal of Copper in Copper Phthalocyanine Dye Solution by the Chelate Resin Particles. Journal of Korean Society of Environmental Engineers, Vol.19, No.12 (1997).

2. 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)

3. Yaou-Huei Huang, Chuh-Yung Chen and Jen-Feng Kuo, □Extraction of chromium (Ⅵ) from acid solution by tri-iso-octylamine□, J. of Chem. Eng. of Japan., Vol. 24, No.2 1499 (1991)