수용액에서 □형 알루미나에 대한 니켈이온(Ⅱ)의 흡착에 관한 연구

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

홍교민, 김문선, 정재관

성균관대학교 화학공학과

Study of Adsorption of Ni(II) Ion

on □Type Alumina in Aqueous Solutions

Kyo-Min Hong, Moon-Sun Kim, and Jaygwan G. Chung

Dept. of Chem. Eng., Sungkyunkwan Univ.

서론

산업발전이 급속하게 진행됨에 따라 점점 증가하고 있는 산업폐수의 발생량은 자연 생태계를 오염시키는 주 원인이 되고 있으며 니켈, 구리, 크롬 등과 같은 중금속 들의 유해성은 유기폐수에 비해 훨씬 심각하고 장기간 잔류하기 때문에 환경분야 측면에서도 중금속 물질의 효과적인 제거는 매우 중요한 과제로 대두되고 있다[1]. 니켈은 표면 광택성과 내부식성이 우수하고 제어가 쉽기 때문에 국내에서도 크롬과 함께 도금소재로 가장 널리 사용되고 있으며 자성 및 전열 재료의 합금원료로도 사용되고 있다. 도금 및 전자소재 부품 공장에서 배출되는 폐수 중에 많이 함유되어 있는 니켈(Ⅱ)은 발암성 물질로 장시간 노출되면 폐부종을 일으켜 흡입시 초기에는 호흡곤란 증상을 유발하다가 심한 경우에는 가슴 압박감, 설사 등의 증상을 가져온다[2]. 이러한 유해성이 알려져 있음에도 불구하고 구리나 크롬과 같은 중금속 들과는 달리 국내 관련법규에는 대기 및 토양에 대한 니켈(Ⅱ) 규제규정만 있을 뿐 수질에 관한 규제규정은 아직 없는 상태이다. 그러나 수질환경에 대한 관심이 점차 고조되고 니켈(Ⅱ) 유해성에 대한 연구가 여러 분야에서 많이 진행되고 있어 짧은 기간 내에 수질 규제대상 성분에 포함될 전망이다.

니켈(Ⅱ)과 같은 대부분의 중금속 성분 제거는 침전법, 역삼투법, 증발 회수법 등으로 이루어지고 있으나 과다한 처리비용으로 생산공정에 직접 적용하기 어려운 실정이다. 이로 인하여 경제성과 효율성을 동시에 만족할 수 있는 폐수처리 시스템 및 응집제의 연구가 요구되고 있으며 최근 이와 관련된 연구들이 활발히 진행되고 있다[3]. 알루미나(Al2O3)는 표면의 흡착능이 우수하여 다양한 관능기를 결합시켜 기능성 충전제로 사용하거나 폐수정화 시스템의 응집제로 이용되고 있다[4]. 특히 □형 알루미나는 □형 알루미나에 비해 흡착능이 우수하여 흡착제 연구에 효과적이다[5].

따라서 본 실험에서는 수용액에서□형 알루미나를 흡착제로 이용하여 니켈(Ⅱ) 이온의 흡착등온식과 흡착속도식을 구했으며 pH, 온도, 조성 등의 변수가 니켈(Ⅱ)이온 흡착특성에 미치는 영향에 대하여 비교했다[6,7,8].

이론

알루미나에 대한 니켈(Ⅱ) 이온의 흡착특성은 흡착등온식과 흡착속도식을 이용하여 정량적으로 나타냈다. 흡착등온식은 Langmuir 식과 Freundlich 식[9]을 이용했으며 흡착속도식은 Lagergren 식[10]으로 나타냈다.

(1) Langmuir 흡착등온식

[eqn: q_e = { Q_m K_L C_e} over {1+ K_L C_e } ``]

[eqn: q_e`] : 평형상태에서 흡착제 단위 질량당 흡착된 흡착질의 양

[eqn: C_e`] : 평형상태에서 용액에 남아 있는 흡착질의 농도

[eqn: Q_m`], [eqn: K_L`]: 실험 상수

(2) Freundlich 흡착등온식

[eqn: q_e = K_F`` C_e^1/n``]

[eqn: q_e`]: 평형상태에서 흡착제 단위 질량당 흡착된 흡착질의 양

[eqn: C_e`]: 평형상태에서 용액에 남아 있는 흡착질의 농도

[eqn: K_F`],[eqn: 1/n`]: 실험 상수

(3) Lagergren 흡착속도식

Log(qe-q)= Log(qe)-(kads/2.303)×t

[eqn: q_e`]: 평형상태에서 흡착제 단위 질량당 흡착된 흡착질의 양

[eqn: q] : 시간(t)에서 흡착제 단위 질량당 흡착된 흡착질의 양

kads : 흡착속도 상수

실험방법

흡착제로 사용된 □형 알루미나(Al203)는 Fig. 1과 같은 고순도 제품(Baikalox, Baikow- ski Co., France, Purity: 99.99 % 이상)을 사용했으며 평균입경은 50∼80 nm, 비표면적은 100∼120 m2/g이다. 실험에 사용한 니켈 수용액은 정제된 니켈분말(Stream Chemicals, Inc., U.S.A.)을 강산에 용해해서 제조했다. 1 g의 니켈을 질산(HNO3)에 용해한 다음 건조시켜 질산니켈염을 만들었다. 여기에 다시 염산을 5 □ 첨가하여 용해시킨 다음 건조시키고 최종적으로 0.1 N의 묽은염산과 섞어서 1000 mgNi+2/□의 니켈 수용액을 만들었다[11]. 이렇게 제조된 니켈 수용액은 pH 2의 강산 조건으로 보관하다가 10 mgNi+2/□의 농도로 희석시켜 실험에 사용했다.

실험에서 채취된 시료는 A. A. spectrophotometer (Model Z-6100 Hitachi, Co., Japan)로 측정했으며 검량선을 이용한 간접적인 방법으로 알루미나 표면에 흡착된 니켈(Ⅱ) 이온의 농도를 결정했다[1].

실험은 Fig. 2와 같이 재질이 유리인 원통형의 반응기(높이: 480 mm, 내경.: 260 mm)에서 진행했으며 균일한 분산을 위해 임펠러를 이용하여 3000∼4000 rpm의 조건으로 교반시켰다.

결론

알루미나 2 g을 100 □의 니켈 수용액에 넣고 측정한 흡착평형 실험결과는 Fig. 3과 같았다. 알루미나를 흡착제로 사용하는 경우 1 h에 초기 니켈농도의 60%가 제거되었으며 25 h에 초기 농도의 90%가 제거되었다. 이와 같이 급격히 흡착되다가 50 h에 평형상태에 도달한 것으로 관찰되었으며 이상적인 평형상태가 이루어졌다고 생각되는 96 h동안 흡착시킨 후에 흡착량을 측정하여 흡착등온식과 흡착속도식을 구했다.

알루미나 농도에 따른 흡착량은 Fig. 4와 같다. 알루미나는 10 g/□에 0.06 mgNi+2/g의 흡착능이였으며 45 g/□에서 가장 높은 흡착능을 갖는 것으로 관찰되었다. 이 조건에서의 흡착능은 0.22 mgNi+2/g였다. 그러나 45 g/□ 이후의 농도에서는 알루미나의 농도 증가에 따라 점차 흡착능이 감소하는 경향을 보였다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

참고문헌

1. Artola, A., Martin, M., Balaguer, M,. and Rigola, M.: J. Colloid Interface Sci.,         232, 64(2000).

2. Kadirvelu, K., Thamaraiselvi, K., and Namasivayam, C.: Separation and Purifi-        cation Tech., 24, 497(2001).

3. Ricordel S., Taha, S., Cisse, I., and Dorange, G.: Separation and Purification          Tech., 24, 389(2001).

4. Lee, Y. J., Kim, M. S., and Chung, J. G.: J. Korean Ind. Eng. Chem., 12(7),           744(2001).

5. Baumgarten, E. and Dick, P.: J. Colloid Interface Sci., 209, 16(1999).

6. Shafei, G. M. S. El., Moussa, N. A., and Philip, C. A.: J. Colloid Interface Sci,        228, 105(2000).

7. Regalbuto, J. R. Navada, A., Shafei, S., Bricker, M. L., and Chen, Q.: J. Cata-        lysis, 184, 335(1999).

8. Kim, M. S. and Chung, J. G.: J. Colloid Interface Sci., 233, 31(2001).

9. Atin, O., Ozbelge, H. O., and Dogu, T.: J. Colloid Interface Sci., 198, 130(1998).

10. Yadava, K. P., Tyagi, B. S., Panday, K. K., and Singh, V. N.: Environ. Technol.              Lett., 8. 225(1987).

11. Hitachi Ltd.: "Analysis Guide for Polarized Zeem Atomic Absorption Spectropho-        tometry", Hitachi Ltd., Tokyo(1987).

(a)                                          (b)

Fig. 1. SEM images of Al2O3(magnification: 10,000(a) and 20,000(b)).

Fig. 2. Schematic diagram of a experimental reactor.

Fig. 3. Relationships between Ni+2           Fig. 4. Variation of adsorptivity

concentration and time on Al2O3.             with Al2O3 concentration.