표적 중금속 이온 흡착을 위한 표적 바이오 숯의 최적화

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 13662(2022) 이 기사 인용

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본 연구의 목적은 표적 중금속 이온에 적합한 표적 바이오 숯의 열분해 조건을 연구하고, 최적화된 표적 바이오 숯의 특성을 규명하며, 바이오 숯의 흡착 성능을 연구하는 것이다. Cu2+와 Zn2+를 대상 오염물질로 하여 열분해 온도, 열분해 시간, 가열 속도 등 준비 과정에 관련된 열분해 조건을 Box-Behnken Design(BBD), 반응 표면 방법론(RSM) 및 바람직함 함수를 통해 평가하고 최적화했습니다. Cu2+(Cu-BC) 및 Zn2+(Zn-BC)에 대한 목표 바이오 숯의 최적화된 열분해 조건이 얻어졌습니다. Cu-BC와 Zn-BC의 최적 열분해 변수는 열분해 시간 3.09시간과 2.19시간, 열분해 온도 425.27°C와 421.97°C, 가열 속도 19.65°C와 15.88°C/min이었다. 의사 2차 동역학 및 Langmuir 등온선 모델은 평형 데이터에 가장 적합한 것으로 입증되었으며, Langmuir 모델에 의해 피팅된 최대 흡착 용량(Qmax)은 Cu-BC에 의해 Cu2+에 대해 210.56 mg/g, 223.32 mg/g이었습니다. Zn-BC에 의한 Zn2+의 경우 이는 Cu2+(177.66mg/g) 및 Zn2+(146.14mg/g)에 대한 최적화되지 않은 바이오 숯(BC)의 Qmax보다 높았습니다. Cu-BC 및 Zn-BC의 물리적 특성, 화학 구조, 표면 화학 특성은 Zeta 전위 측정기, 에너지 분산형 X선 분광법(SEM-EDX)을 사용한 주사 전자 현미경, 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR), 및 X선 회절(XRD). 이 연구는 특수 환경 적용을 위한 목표 바이오 숯 생산을 최적화하기 위한 새로운 관점을 제시합니다.

산소 제한 조건에서 바이오매스의 열분해에 의해 생성된 높은 수준의 방향족화를 갖는 일종의 안정적인 탄소가 풍부한 물질인 Biochar. Biochar는 독특한 기공 구조, 큰 비표면적 및 복잡한 표면 활성 작용기뿐만 아니라 중금속 흡착 및 제거에 대한 큰 잠재력으로 인해 수역의 중금속 이온을 정화하는 데 널리 사용되었습니다3,4 . 그러나 실제 적용에서 중금속 이온에 대한 바이오 숯의 흡착 성능은 바이오매스 종, 준비 조건, pH, 바이오 숯의 투여량, 반응 시간, 중금속 이온의 유형 및 농도 등과 같은 많은 요인에 의해 영향을 받습니다. 따라서 바이오 숯의 중금속 흡착에 영향을 미치는 요인에 대한 연구는 실제 적용에 있어 흡착효과를 향상시키는데 유익할 것이다.

바이오 숯의 흡착 성능에 영향을 미치는 요소는 많지만, 고정 바이오매스 및 고정 중금속 이온의 경우 준비 조건이 가장 중요한 요소 중 하나가 됩니다. 바이오 숯의 준비 조건에는 주로 열분해 온도, 열분해 시간 및 가열 속도가 포함되며, 이러한 조건 중에서 열분해 온도는 바이오 숯의 성능에 중요한 영향을 미칩니다5,6,7. 열분해 온도는 바이오 숯의 원소 조성, 양이온 교환 용량, 표면 산소 함유 작용기, 방향족화 정도, 비표면적, 기공 구조 및 알칼리성에 영향을 미칩니다6,8. 연구에 따르면 열분해 온도가 증가하면 바이오 숯의 수소, 황, 질소 및 기타 원소의 함량과 산소 함유 표면 작용기의 수가 감소하고 양이온 교환 용량이 감소하며 방향족화 정도가 증가하는 것으로 나타났습니다. 이러한 변화는 바이오 숯의 중금속 이온 흡착에 유리하지 않습니다. 온도가 증가함에 따라 바이오 숯의 비표면적, 기공 구조 및 알칼리도가 증가하여 중금속 이온의 흡착에 도움이 됩니다7,8,9,10,11. 열분해 시간은 주로 바이오 숯의 조성, 비표면적 및 기공 구조에 영향을 미치는 반면, 가열 속도는 주로 바이오 숯의 수율에 영향을 미칩니다. 바이오 숯의 이러한 특성은 바이오 숯의 흡착 성능에 영향을 미치지만 이러한 특성은 해당 장비로 특성화해야 합니다. 전통적인 바이오 숯 생산 공정은 열분해, 특성화, 최종 적용입니다. 특성화의 역할은 주로 바이오 숯의 성능을 평가하는 데 사용됩니다. 현재 바이오 숯 흡착 성능 평가는 주로 작용기, 표면 구조, 다공성, 비표면적 등에 초점을 맞추고 있습니다15,16. 이러한 특성은 바이오 숯의 흡착 성능을 평가하는 데 좋지만, 이러한 특성을 분석하려면 고급 장비가 필요합니다. 모든 준비 조건에서 생산된 바이오 숯을 특성화하면 분석 비용이 너무 높고 경제적으로 타당하지 않습니다. 따라서 흡착 성능을 판단하기 위해서는 작동하기 쉽고, 특성화 시간이 짧고, 비용이 저렴하고, 오염 물질에 대한 바이오 숯의 흡착 용량을 직접 반영할 수 있는 지표를 찾는 것이 필요합니다. 중금속 이온을 흡착하기 위한 바이오 숯의 적용에서, 바이오 숯의 기능은 중금속 이온을 흡착하고 제거하는 것입니다. 따라서 특정 중금속 이온을 대상 오염물질로 삼는 경우, 대상 오염물질에 대한 바이오 숯의 흡착능을 바이오 숯의 제조 조건을 조사하는 지표로 삼는다. 우리는 가장 강한 흡착 능력을 가진 바이오 숯만을 특성화하여 특성화된 샘플 수를 줄이고 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 바이오 숯의 표적 오염 물질 흡착 능력을 보다 직관적으로 반영하고 최종적으로 최고의 흡착 능력을 가진 바이오 숯을 얻습니다. 이런 종류의 중금속 이온. 다른 중금속 이온은 다른 특성을 가지고 있습니다. 따라서 특정 바이오 숯의 경우 다양한 중금속 이온에 대한 흡착 성능이 다릅니다. 동일한 바이오 숯의 경우 물 속의 중금속 이온을 흡착할 수 있지만 다양한 중금속 이온의 흡착 성능이 다르기 때문에 일부 중금속 이온의 흡착 용량이 제한되고 흡착 선택성이 낮습니다4. 따라서 우리는 표적 중금속 이온에 대한 표적 바이오 숯의 개념을 제안했다. 저자의 이전 연구에서는 Cd2+와 Pb2+의 흡착능에 따라 바이오 숯의 최적 제조 조건을 조사한 결과, 서로 다른 중금속 이온이 서로 다른 바이오 숯 제조 조건에 해당한다는 사실이 밝혀졌으며 이를 목표 바이오 숯이라고 합니다17,18 . 이러한 견해의 정확성을 더욱 입증하기 위해 본 연구에서는 Cu2+ 및 Zn2+를 대상 오염물질로, 부레옥잠을 바이오 숯의 바이오매스 재료로 사용하고 반응 표면 방법론(RSM)을 채택하여 준비 조건(열분해 온도, 열분해 시간 및 열분해 시간)을 최적화했습니다. 바이오 숯의 흡착 성능에 영향을 미치는 가열 속도)와 목표 바이오 숯인 BC-Cu(biochar for Cu2+)와 BC-Zn(biochar for Zn2+)을 각각 얻었다. BC-Cu 및 BC-Zn만 특성화하면 특성화 샘플 수와 생산 비용이 크게 절감됩니다. 표적 중금속 이온에 대한 표적 바이오 숯의 흡착 동역학 및 등온선을 연구했습니다. 본 연구는 목표 오염물질을 제거하기 위한 목표 바이오 숯 제조에 대한 이론적, 기술적 지원을 제공한다. 제안된 표적 바이오 숯으로 표적 중금속 이온을 제거하는 방법은 바이오 숯 생산을 위한 바이오매스, 시간, 비용을 절약할 수 있을 뿐만 아니라, 표적 바이오 숯의 특성만을 분석하여 특성화 횟수를 줄여 특성화 비용을 절감할 수 있다. 더 중요한 것은 최종 제거 효과 측면에서 목표 중금속 이온이 목표 바이오 숯에 해당하며 이는 기존 바이오 숯 제조 방법에 비해 더 나은 제거 효과를 갖는다는 것입니다. 따라서 본 연구는 바이오 숯의 "오염물질의 정밀한 제어"를 위한 이론적 지침과 기술적 지원을 제공한다.