별 불가사리(Asterina Pectinifera) 바이오차를 이용한 수용액 내 중금속(Pb2+, Zn2+, Cu2+, Cd2+) 이온 흡착 능력 평가

Abstract

Heavy metal pollution is a major environmental problem facing modern times which could cause potential ecosystem imbalances and health threats. Heavy metals show acute toxicity to aquatic and terrestrial organisms and can accumulate without decomposition, especially when entering the human body, causing a variety of diseases and disorders, which require appropriate treatment. Adsorption is the most commonly known remediation technique from an economic standpoint, and researchers are working hard to find cost-effective and readily available adsorbents. In this study, starfish (Asterina Pectinifera, AP), a natural waste resource, was prepared to produce a biochar through the pyrolysis process (APB500), and chemical modification treatment was also implemented to improve the biochar’s adsorption ability (NAPB500, KAPB500, OAPB500). Subsequently, physical properties and surface properties were evaluated through SEM, BET, TGA, XRD, FT-IR analysis, and elemental analysis. In addition, batch experiments were conducted to evaluate optimal biochar adsorption conditions, models and adsorption ability. The APB500 has been confirmed by XRD analysis to be in the form of CaCO3, Ca(OH)2, and CaO. Additionally, NAPB500, KAPB500, and OAPB500 were observed and identified as Dolomite (CaMg(CO3)2), Portlandite (Ca(OH)2), Whewellite (C2CaO4·H2O), respectively. In addition, FT-IR, SEM, and BET analysis on the samples confirmed increased surface area with various functional groups and pores affecting adsorption on the surface. The batch experiment results indicated that the maximum adsorption of APB500 was 434.8, 270.3, 153.8 and 147.1 mg/g (for Pb, Zn, Cu and Cd, respectively), and each heavy metal was confirmed to conform to similar secondary equations and Langmuir models. Next, batch tests for NAPB500, KAPB500 and OAPB500 were conducted to evaluate chemical modification performance. As a results, the removal rate and adsorption amount of NAPB500 increased 1.2 times for Cu, 1.5 times for Cd, and 1.2 times for Zn as compared to APB500. In addition, the removal rate and adsorption amount of KAPB500 increased 1.8 times for Cu, 1.2 times for Cd, and 1.2 times for Zn, and the removal rate and adsorption amount of OAPB500 increased 5.3 times for Cu. After adsorption of the heavy metals, XRD and SEM analyses were performed on residues of APB500. Each heavy metal was confirmed to have been precipitated on the surface of APB500, NAPB500, KAPB500, OAPB500 in the form of Pb3(OH)2(CO3)2, Zn5(CO3)2(OH)6, CuO, Cu(OH)2, Cd(OH)2 and CdCO3. In this study, it was confirmed that heavy metal removal follows a complex mechanism of adsorption through the precipitation of surface complex formation such as electrostatic interaction and ion exchange. APB500 is likely to be available as an eco-friendly adsorbent as a natural waste resource. However, further research on APB500 will be needed in the future, such as continuous extraction methods to determine the impact of various variables (adsorbent amount, pH, temperature, etc.) and the certainty of heavy metal removal mechanisms.|중금속 오염은 생태계 불균형과 건강 위협을 야기할 수 있는 현대가 직면한 주요 환경 문제이다. 중금속은 수생 및 육상 생물에 급성 독성을 나타내며 특히 인체로 유입 시 분해되지않고 지속적으로 축적되어 다양한 질병 및 장애를 유발한다. 이에 적절한 중금속 처리 기술이 필요하다. 흡착은 경제적 관점에서 가장 일반적으로 널리 알려진 처리 기술이며, 연구자들은 비용 효율적이고 쉽게 사용할 수 있는 흡착제를 찾기 위해 노력하고있다. 이에 본 연구에서는 천연 폐자원인 별 불가사리(Asterina Pectinifera, AP)를 무산소 조건에서 500℃의 열분해 과정을 통해 바이오차로 제조하였다. (APB500) 또한 바이오차의 흡착 능력을 개선시키기 위한 APB500을 화학적으로 개질하였다 (NAPB500, KAPB500, OAPB500). 이후 물리적 특성 및 표면 특성을 평가하기 위해 SEM, BET, TGA, XRD, FT-IR, 원소 분석을 진행하였고, 흡착체의 최적 흡착 조건, 흡착 능력 등을 평가하기 위해 batch 실험을 수행하였다. APB500은 XRD 분석을 통해 CaCO3, Ca(OH)2 및 CaO를 주성분으로 함을 확인하였으며, 개질된 NAPB500, KAPB500 및 OAPB500은 CaCO3, Ca(OH)2 및 CaO 이외에Dolomite (CaMg(CO3)2), Portlandite (Ca(OH)2), Whewellite (C2CaO4·H2O)이 추가적으로 확인되었다. 또한 FT-IR, SEM, BET 분석을 통해 흡착에 영향을 줄 수 있는 다양한 작용기와 공극 및 표면적이 증가한 것을 확인하였다. 이후 배치 실험 결과 APB500의 최대 흡착량은 434.8, 270.3, 153.8 및 147.1 mg/g (Pb, Zn, Cu 및 Cd) 임을 확인하였고 각 중금속 모두 유사 이차 방정식 및 Langmuir 모델에 부합하는 것으로 확인되었다. 다음으로, 화학적 개질을 통한 NAPB500, KAPB500 및 OAPB500의 흡착 능력 개선을 확인하기 위해 batch 실험을 수행하였다. 그 결과, APB500 보다 NAPB500의 제거율 및 흡착량은 Cu의 경우 1.2배, Cd의 경우 1.5배, Zn은 1.2배 증가했다. 또한, KAPB500의 제거율 및 흡착량은 Cu의 경우 1.8배, Cd의 경우 1.2배, Zn의 경우 1.2배 증가했으며, OAPB500의 제거율 및 흡착량은 Cu의 경우 5.3배 증가했다. 다음으로 흡착 실험 후, 표면에 흡착된 중금속의 존재 형태를 관찰하기 위해 XRD 및 SEM 분석을 진행하였다. 분석 결과, APB500, NAPB500, KAPB500, OAPB500의 표면에는 Cu는 CuO, Cu(OH)2, Cd는 Cd(OH)2, CdCO3, Pb는 Pb3(OH)2(CO3)2, Zn은 Zn5(CO3)2(OH)6의 광물형태로 표면에 침전된 것으로 확인되었다. 이에 본 연구에서 APB500은 중금속과의 정전기 상호작용, 이온 교환 및 표면 복합체 형성 등 흡착과 침전의 복합적인 메커니즘을 따르는 것으로 확인되었다. 이에 APB500은 천연폐자원으로써 친환경 흡착제로 사용할 수 있을 것으로 판단되며 향후 APB500을 활용하여 다양한 조건(흡착량, pH, 온도 등)의 추가적인 실험 및 중금속 보유 메커니즘의 확실성 파악을 위한 연속 추출법 등의 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.