철 개질 자기 바이오차 나노복합체로 중금속 제거 최적화

초록

자기 바이오차 나노복합체를 상용 바이오차에 영가 철 함침으로 제조하였다. 접촉 시간, Cd(II), Co(II), Zn(II), Pb(II) 초기 농도, 흡착제 투여량, 용액 pH, 온도 영향 조사. 실험 결과 360분 후 평형 도달, 최적 흡착제 용량 5 g dm⁻³, pH 5, 295 K. 동역학 데이터 가성 2차 모델 최적 적합, 랑뮤어 등온선 평형 정확히 기술. 열역학 분석(ΔH⁰, ΔS⁰, ΔG⁰)은 발열, 자발적, 물리적 흡착 공정 지시. 0.1 mol dm⁻³ HNO₃ 재생으로 97% 탈착 수율 달성. FTIR, SEM, XRD, XPS, TG 특성화로 성공적 철 탑재와 Fe(0) 존재 확인. 바이오차 pH_PZC와 pH_IEP 결정.

배경

농업 잔재물(개암 껍질, 옥수수 줄기, 쌀 껍질, 감자 껍질, 사탕무 부산물 등)은 매립 또는 소각되어 지하수와 대기질 위험 초래. 이 잔재물은 열분해로 바이오차 생산 가능, 저비용 고다공성 고표면적 흡착제. 바이오차는 토양 비옥도 향상뿐 아니라 Cu(II), Cd(II), Cr(VI), Pb(II), Ni(II) 등 중금속 수중 제거. 그러나 사용 후 바이오차 분리가 문제. 자기 철 나노입자 통합으로 외부 자기장으로 흡착제 회수 가능, Fe, Fe₂O₃, Fe₃O₄ 개질로 입증.

이전 연구에서 목화, 오렌지 껍질, 유칼립투스 잎 유래 자기 바이오차는 비산염, 인산염, 펜타클로로페놀, 각종 중금속 흡착 가능. 영가 철(Fe⁰) 코팅은 유기 오염물질과 금속 이온 모두에 높은 반응성 및 친화성 제공. 본 연구는 FeSO₄:NaBH₄ 비율(1:1, 1:2) 다른 두 자기 바이오차 변형(MBC1, MBC2) 제조하여 Cd(II), Co(II), Zn(II), Pb(II) 대상 성능 평가로 기반 구축.

방법

흡착제 제조

기저 바이오차(Coaltec Energy, USA)는 가스화 바이오매스, 탄소 풍부 재료. 영가 철 코팅: 0.18 mol dm⁻³ FeSO₄·7H₂O 100 cm³ 물에 용해, 5 g 바이오차 첨가, NaBH₄로 Fe²⁺를 Fe⁰로 환원(1:1 또는 1:2 몰비). 결과 나노복합체 MBC1, MBC2 여과, 세척, 오븐 건조.

시약

분석급 시약(Avantor) 사용. Cd(NO₃)₂·4H₂O, CoCl₂·6H₂O, ZnCl₂, Pb(NO₃)₂ 스톡 용액(1000 mg dm⁻³) 제조. pH 조절 1 mol dm⁻³ HCl 또는 NaOH.

흡착 및 동역학 연구

배치 시험: 0.1 g 흡착제, 20 cm³ 금속 이온 용액(50-200 mg dm⁻³), 180 rpm 교반, pH 5, 295 K, 최대 360분 접촉 시간. 잔류 농도 원자흡수분광법(AAS) 측정. 평형 용량 계산: q_e = ((C_0 – C_e) V) / m

흡착제 용량 실험: 흡착제 양(5-10 g dm⁻³) 변화. pH 연구: 2-6 범위. 등온선 데이터 50-600 mg dm⁻³, 온도 295, 315, 335 K 수집. 열역학 매개변수 유도: ΔG⁰ = –RT ln K_d (2), ΔG⁰ = ΔH⁰ – T ΔS⁰ (3), K_d = C_s / C_e (4), ln K_d = (ΔH⁰ / RT) + (ΔS⁰ / R) (5).

재생 시험

Cd 탑재 MBC2를 20 cm³ 증류수 또는 HNO₃(0.1-5 mol dm⁻³)로 360분 교반. 탈착 수율 계산: %탈착 = (C_des / (C_0 – C_e)) × 100 (6).

장치 및 분석

358A 쉐이커(Elpin Plus) 사용. pH pHM82 미터 측정. AAS(Spectr AA 240 FS) 금속 이온 정량. FTIR(Cary 630) 650-4000 cm⁻¹ 범위. SEM(Quanta 3D FEG) 형태 관찰. XRD(PANalytical Empyrean) 결정상 확인. XPS(Prevac) 표면 화학 조사. TG/DTG(TA Q50 TGA) 열 안정성 평가. 제타 전위 Zetasizer Nano-ZS90 측정, 표면 전하 밀도 계산: σ_0 = ΔV C F / (S_w m) (7).

결과 및 논의

흡착 동역학

최고 농도(200 mg dm⁻³)에서 최초 60분 내 급속 흡착, ~240분 후 평형 도달. 가성 2차 모델(R²>0.97) 동역학 최적 기술, 화학흡착이 속도 결정 단계 확인. 속도 상수는 초기 농도 증가 시 감소, 활성 부위 포화 지시.

흡착제 용량 효과

흡착제 용량 5→10 g dm⁻³ 증가 시 단위 중량당 용량 감소, 최대 효율 위한 최적 용량 5 g dm⁻³ 확인.

초기 pH 효과

pH 2→5에서 흡착 급격 증가 후 정체, 표면 작용기 양성자화 상태 및 지배적 Cd²⁺ 종 반영. 최적 조건 pH 5 선택.

흡착 등온선

랑뮤어 피팅(R²>0.95) 단분자층 피복 지시, Cd(II) 최대 용량(q_m) MBC1 20.65 mg g⁻¹, MBC2 23.55 mg g⁻¹. 온도 의존성 고온에서 낮은 용량 드러내, 발열 흡착과 일치.

열역학

음수 ΔH⁰ 값(<40 kJ mol⁻¹) 물리흡착 확인. ΔG⁰ 값 -20~0 kJ mol⁻¹ 사이로 자발적 흡착 지시, 저온에서 더 자발적.

소모 흡착제 재생

0.1 mol dm⁻³ HNO₃ 97% 탈착 수율 달성. 탈착 ~180분 후 정체, 효율적 재생 및 반복 사용 잠재력 입증.

특성 분석

FTIR 스펙트럼 금속 흡착 후 수산기, 카르복실기, C=O 밴드 이동 보여 표면 착물화 지시. SEM 이미지 잘 분산된 Fe(0) 나노입자 드러냄, MBC2 작은 입자 높은 용량과 상관. XRD 석영, 방해석, 백운석, Fe(0) 피크 확인. XPS C, O, Fe, Mg, Si, Al, P, Ca, Cd, K 확인, 성공적 철 함침 검증. TG/DTG 곡선 1273 K까지 ~35% 중량 손실, 열 안정성 반영.

표면 전하

전위차 적정으로 pH_PZC 10.5, 등전점 pH_IEP <3 산출. 제타 전위 측정 pH 범위 전반 음값, 콜로이드 안정성 지지.

결론

두 철 개질 자기 바이오차 나노복합체(MBC1, MBC2)가 수용액에서 Cd(II), Co(II), Zn(II), Pb(II) 효과적 제거. 주요 운전 매개변수(접촉 시간, 흡착제 용량, pH, 온도) 성능 유의미 영향. 더 높은 환원제 함량 MBC2가 우수한 친화도와 자기 회수성 나타냄. 희석 질산 재생으로 >97% 탈착, 반복 사용 가능. 특성화 Fe(0) 혼입, 열 내성, 유리한 표면 전하 확인, 수처리 응용 잠재력 강조.