Applicability of Theoretical Adsorption Models for Studies on Adsorption Properties of Adsorbents(1)

Abstract

The objectives of this study were to evaluate the applicability of adsorption models for adsorption properties of adsor-bents. For this study, adsorption experiment of NO3-ion using anion exchange resin has been investigated under adsorption equilibrium and kinetic in bach process. Adsorption equilibrium experiment were carried out that two conditions is change of adsorbate concentration and change of adsorbent weight. Experiment results have been analyzed by adsorption isotherm models, energy models and kinetic models. Under the condition of change of adsorbate concentration was best described by Sips and Redlich-Perterson isotherm models. However case of change of adsorbent weight was described by Langmuir isotherm models. It seems reasonable to assume that isotherm model was dominated by multiple mechanism according to experiment condition. 요약 : 본 연구는 흡착제의 흡착특성을 이해하는데 이용되는 각종 흡착모델의 적용성을 평가하는데 목적이 있다. 이를 위해 상용의 음이온교환수지(PA-308)를 이용하여 NO3-에 대한 흡착특성을 회분식 실험을 통해 조사하였다. 흡착등온과 흡착속도 실험결과는 일반적으로 널리 이용되고 있는 다양한 흡착등온식과 반응속도식을 통해 모델화하였다. 흡착평형실험은 흡착등 온식을 적용하는데 있어 실험조건이 미치는 영향을 확인하기 위해 흡착제의 투여량을 일정한 값으로 고정하고 흡착질의 농 도변화에 따른 조건과 흡착질의 농도를 일정한 값으로 고정하고 흡착제의 투여량 변화에 따른 조건으로 나누어 수행하였다. 흡착질의 농도를 변화시키는 조건에서의 흡착평형은 Langmuir와 Freundlich 흡착등온식을 결합한 형태의 Sips 흡착등온식과 Redlich-Perterson 흡착등온식에 의해 수식화가 가능하였다. 한편, 흡착제의 무게를 변화시키는 조건에서의 흡착평형은 단층 흡착, 균일표면을 가정하는 Langmuir 흡착등온식과 잘 일치하는 경향을 보였다. 이상의 결과는 NO3-에 대한 음이온교환수지 의 흡착 메커니즘이 흡착실험 조건에 의해 달라질 수 있음을 시사한다. 주제어 : 흡착평형, 흡착등온, 음이온교환, 질산성 질소 1. 서 론 이온교환법과 흡착법은 질소․인 또는 중금속 등과 같은 이온성 물질의 동시제거가 가능하면서도 기후 및 농도에 관 계없이 처리효율이 비교적 일정하고, 부생독성물질을 생성 시킬 위험성이 없다는 장점을 가지고 있다. 1,2) 따라서 이온 교환법 또는 흡착법은 기존의 생물학적 처리공정과 연계한 고도처리형 hybrid system을 구축하는데 있어 가장 단순하 고 안정적인 단위공정의 하나가 되고 있다. 3,4) 이에 따라 현재 이온교환법은 정수시스템은 물론 하․폐 수 중의 중금속, 암모니아성 질소, 질산성 질소, 인산성 인 및 휘발성 유기화합물 등의 제거방법으로도 그 활용범위가 확대되고 있다. 따라서 효율성, 경제성 및 작업의 편리성 등 의 측면에서 가장 실용적이며 현실적으로 접근 가능한 흡 착공정을 보다 효율적으로 설계하고 운용하기 위해서는 흡 착메커니즘에 대해 체계적인 이해가 필요하다. 일반적으로 흡착제의 성능은 흡착평형을 기반으로 하는 흡착등온식을 이용하여 평가하고 있다. 흡착등온식은 일정 한 온도에서 흡착질의 평형농도와 흡착제의 단위 그램당 평 형흡착량의 관계를 나타내는 것으로 이를 이용하여 흡착메 커니즘을 규명하기 위하여 Langmuir, 5) Freundlich, 6) Elovich, 7) Sips, 8) Dubinin-Radushkevich, 9) Temkin 등온식 10) 등 수많은 모델이 개발, 제시되었다. 현재 이들 모델들은 흡착제 또는 흡착질의 흡착성능과 흡착메커니즘을 규명하는데 있어 필 수적으로 활용되고 있다. Hahn 등은 11) 활성탄에 의한 은의 흡착에 관한 연구에서 흡착질의 농도를 변화시켜 실험하고 그 결과를 Langmuir와 Freundlich 등온식을 적용하였고, 옥 등은 12) 활성탄에 의한 Cu, Zn, Cd 이온의 흡착특성에 관한 연구에서 흡착제의 투여량(무게)을 변화시키는 방법으로 흡착평형실험을 실시하고 그 결과가 Freundlich 등온식에 잘 적용된다는 결론을 얻었다. 또한 Rengaraj 등은 13) 이온교환 수지를 이용한 Cu 이온 제거에 관한 연구에서 흡착질의 농 도를 변화시키는 조건으로 실험하여 Temkin 등온식을 적 용하였고, Hamdaoui는 14) cedar sawdust와 crushed brick에 대