제강 밀스케일 폐기물을 자성 나노흡착제(MNA)로 전환하고 구리(II) 제거 성능을 평가했습니다. 통상 분쇄와 고에너지 볼 밀링(HEBM) 3, 5, 7시간 후, 7시간 시료(MNA-7)는 결정성 Fe₃O₄ 상, 평균 입자 크기 11.2 nm, 비표면적 5.98 m²/g, 포화 자화 8.35 emu/g, 등전점 pH 5.4를 보였습니다. 최적 조건(pH 5.4, 0.05 g/L 흡착제, 120분 접촉 시간)에서 Cu(II) 흡착량 4.42 mg/g, 제거 효율 62.6% 달성. 흡착 데이터는 Temkin 등온선과 유사 2차 속도 모델(R²>0.99)에 최적 적합. 3회 재생 주기 후 초기 용량의 70.9% 유지. 이 저비용, 속효성 소재는 밀스케일 폐기물 고부가가치화와 구리 오염 수질 정화의 실용적 경로를 제공합니다.
수질은 생명의 핵심이지만 산업 성장은 중금속 오염, 특히 구리(II)(Cu²⁺)를 심화시켰습니다. 미량에서는 필수이나 높은 Cu²⁺ 농도는 심각한 건강 위험과 생태 피해를 초래해 엄격한 기준을 촉구합니다: WHO 2 mg/L, EPA 1.3 mg/L. 기존 정화법(침전, 이온교환, 막분리, 응집, 흡착)은 각기 단점 존재; 흡착은 단순성, 비용 효율성, 높은 제거 효율로 돋보입니다. 그러나 많은 기존 흡착제는 낮은 표면적, 약한 결합, 열악한 재생성으로 어려움을 겪습니다.
나노입자, 특히 자기 Fe₃O₄는 높은 표면적-부피비, 초상자성, 쉬운 자기 분리로 중금속 제거에 매력적입니다. 그러나 산업 폐기물 직접 유래 자성체의 활용은 미개척 영역입니다. 여기서는 고에너지 볼 밀링으로 제강 밀스케일 폐기물에서 자성 나노흡착제를 합성하고, Cu²⁺ 제거를 위한 구조적, 자기적, 흡착 특성을 체계적으로 조사했습니다.
밀스케일 칩은 말레이시아 제강 공장에서 입수. 질산구리(Cu(NO₃)₂·3H₂O)로 1000 ppm 스톡 용액 제조. 탈이온수(Milli-Q)와 0.1 M HCl/NaOH로 용액 제조. UV-Vis 분광광도계(λ=600 nm)로 Cu²⁺ 농도 정량.
원료 칩을 세척, 104°C 건조, <100 µm로 분쇄. 자기 분리(MST)로 비자성 불순물 제거, 퀴리 온도 분리(CTST)로 약자성 입자 폐기. 결과 미크론급 Fe₃O₄를 자연 건조 후 3, 5, 7시간 HEBM으로 나노 크기 자성체(MNA-3, MNA-5, MNA-7) 제조.
상 분석: XRD(Cu Kα, λ=0.154 nm)와 Debye-Scherrer 공식. 형태: HRTEM, FESEM-EDS. BET 분석(N₂ 흡착)으로 비표면적과 기공 크기. 제타 전위: Malvern ZS 제타 사이저. 자기 특성: VSM(0-13 kOe). FTIR(400-4000 cm⁻¹)로 표면 작용기 확인.
배치 흡착 테스트: 250 mL 플라스크에 100 mL Cu²⁺ 용액(10-50 mg/L). 흡착제 투여량 10-50 mg. 25°C, pH 5.4, 교반 조건. 제거율과 흡착량은 식 (1), (2)로 계산. 접촉 시간 최대 240분 평가.
시분해 Cu²⁺ 농도(0-50분)를 Lagergren 유사 1차, 유사 2차 모델(식 (3), (4))로 피팅. R²로 모델 적합도 평가.
흡착 후 MNA 자기 분리, 0.1 M HCl로 180분(26°C) 처리, 중성 pH까지 세척, 60°C 1시간 건조. 재생 흡착제 3회 연속 재사용; 재생 효율(RE)은 식 (5)로 계산.
데이터는 일원분산분석(SAS 9.4)과 Duncan 사후 검정(p<0.05)으로 분석.
XRD로 원료 폐기물이 CTST 후 순수 Fe₃O₄로 전환 확인. 7시간 HEBM 시료(MNA-7)는 특성 Fe₃O₄ 피크에 피크 브로드닝으로 나노결정 크기(평균 결정립 크기 ≈9.8 nm) 지시. HRTEM 이미지 불규칙 입자 평균 11.2 nm. 밀링 시간 증가에 따른 FWHM 증가는 결정립 크기 감소와 상관관계.
HRTEM에서 10-22 nm 입자 크기 분포, 짧은 밀링 시간에서 응집 감소로 더 작은 입자 생성. FESEM-EDS로 Fe:O 비율 ≈3:1 확인, 자철석과 일치.
VSM 데이터: 포화 자화 21-27 emu/g, 잔류 자화 1.5-6.6 emu/g, 보자력 200-270 G. MNA-7이 최고 Ms(27 emu/g) 보이며 초상자성 거동으로 자기 분리 용이.
밀링 시간 중 MNA-7이 최고 흡착량(4.41 mg/g)과 제거 효율(62.6%) 기록. 이는 최적 입자 크기, 표면적, 자기 특성 덕분.
MNA-7 BET 측정: 비표면적 5.98 m²/g, 기공 부피 0.011 cm³/g. N₂ 등온선 Type III 히스테리시스, 메조다공성 Fe₃O₄ 전형적인 약한 흡착제-흡착물 상호작용 지시.
흡착 전 EDS: Fe(78.3%), O(21.7%). 흡착 후 스펙트럼에 Cu(≈1.5%) 추가 확인, Cu²⁺ 흡착 입증.
Fe-O 신축 밴드 525, 576 cm⁻¹ 흡착 후 지속, 500-600 cm⁻¹ 새 피크와 3478 cm⁻¹ 브로드닝된 OH 밴드로 Cu²⁺가 표면 수산기에 배위됨 지시.
MNA-7 등전점 pH 5.4. pH>5.4에서 표면 음전하로 Cu²⁺ 정전기적 인력 증대, 이 pH에서 최적 제거 설명.
120분 내 평형 도달; 흡착량 최초 10분 급증 후 평탄. 최대 용량 4.41 mg/g, 120분 달성.
초기 Cu²⁺ 농도 증가(10-50 mg/L) 시 흡착량 증가, 더 높은 구동력과 활성 부위 점유 반영.
투여량 증가 시 흡착량 감소(응집, 단위 질량당 비표면적 감소), 제거 효율은 200 mL 용액당 0.05 g에서 피크.
제거 효율 pH 2에서 10.7% → 최적 pH 5.4에서 62.6% 상승, 고pH에서 경쟁 OH⁻ 이온으로 약간 하락.
유사 2차 모델 R²=0.999로 화학흡착(Cu²⁺와 Fe₃O₄ 표면 부위 간 전자 교환) 지시. 유사 1차 적합도 낮음(R²≈0.96).
Freundlich와 Temkin 플롯 모두 선형; Temkin 등온선 더 좋은 적합(R²=0.91), 피복도 증가에 따른 흡착열 감소와 흡착종 간 상호작용 지시.
0.1 M HCl로 3회 재생 주기 후 초기 용량 70.9% 유지, 3회차 후 10%만 손실, 우수한 재사용성 입증.
밀스케일 폐기물 고에너지 볼 밀링으로 11.2 nm 입자, 5.98 m²/g 표면적, 강한 자기 응답의 자성 나노흡착제(MNA-7) 제조. 최적 조건(pH 5.4, 0.05 g/L, 120분)에서 수용액 Cu²⁺ 62.6% 제거, 흡착량 4.41 mg/g 달성. 0.1 M HCl 재생으로 3주기 후 70.9% 용량 보존. MNA-7은 구리 제거용 저비용, 고효율, 재활용 가능 흡착제이며, 폐기물 고부가가치화와 수처리의 가치 있는 경로임 확인.
본 연구 생성 데이터셋은 합리적 요청 시 해당 저자로부터 제공 가능.
나노물질
초록 우리는 보호 없이 용액 내 GaN 나노와이어의 광발광(PL) 반응을 보고합니다. 뚜렷한 반응은 pH뿐만 아니라 동일한 pH에서의 이온 농도에 대해서도 나타납니다. 나노와이어는 pH 1까지 낮은 pH 값과 높은 이온 농도의 수용액에서 고도로 안정적으로 보입니다. 우리는 PL이 다양한 유형의 산성 및 염 용액과 가역적인 상호작용을 가짐을 보입니다. 나노와이어의 양자 상태는 외부 환경에 노출되어 음이온에 의존하는 직접적인 물리적 상호작용을 합니다. 이온 농도가 증가함에 따라 화학 종에 따라 PL 강도가 증가하거나 감소합니다. 반응은
밀 스케일의 발생, 수송 및 용도 밀 스케일은 열간 가공된 강철의 플레이크 표면으로, 재가열, 컨디셔닝, 열간압연, 열간 성형 조업 중 강철 표면 산화에 의해 형성된다. 제철소에서 발생하는 폐기물 중 하나로 생산 강재의 약 2%를 차지한다. 강철 가공 중 형성되는 여러 층의 산화철로 된 단단하고 부서지기 쉬운 코팅으로, 주로 산화철로 구성되며 다른 산화물, 스피넬, 원소, 미량 화합물을 다양한 양으로 포함할 수 있다. 강철 표면에서 쉽게 벗겨진다. 밀 스케일 특성 밀 스케일은 보통 압연 강재에 존재하며 파란색 프라이머로 오인되기 쉽
