철로 제조된 복합재료의 6가 크롬 흡착에 관한 연구

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 135(2023) 이 기사 인용

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산업공정에서 발생하는 고pH 폐수를 처리하기 위해 철 함유 폐수 펜톤 슬러지와 탄소 함유 고형폐기물 플라이애시를 이용하여 탄소열법으로 크롬 제거 기능을 갖는 새로운 흡착제를 합성하였다. 결과는 T = 273.15 K, pH = 10, t = 1200 min, C0 = 100 mg/L를 사용한 흡착제에서 Cr(VI) 제거율이 80% 이상이며 흡착 용량이 393.79에 도달할 수 있음을 보여주었습니다. mg/g. 특성 분석 결과, 합성된 메조포러스 질소 도핑 복합재료는 큰 비표면적과 메조포러스 구조를 갖고 있으며, 재료 표면에는 산소 함유 관능기와 활성 부위가 풍부하다는 것을 알 수 있다. 다른 연구에 비해 재료의 흡착 용량이 더 크며 이는 본 연구에서 Cr(VI)의 제거 효과가 더 우수함을 나타냅니다. 흡착 동역학 결과는 흡착이 의사 2차 동역학 모델을 따르고 흡착 과정이 전자 공유 또는 전자 교환을 포함하는 화학흡착임을 보여줍니다. 본 실험은 값싸고 쉽게 구할 수 있는 산업고형폐기물을 원료로 산업고형폐기물을 이용하여 메조다공성 질소 도핑 복합재료를 합성하는 간단한 방법을 고안하고, 폐수와 고형폐기물 내 중금속의 이중적 문제를 해결하여 산업고형폐기물에 대한 새로운 아이디어를 제시하였다. 2차 오염을 발생시키지 않으면서 Fenton 슬러지를 자원 활용합니다.

크롬과 그 화합물은 태닝, 직물, 전기도금, 염료, 연료 및 목재 보존에 널리 사용됩니다1. 크롬과 그 화합물의 사용은 급속한 경제 성장을 주도하는 동시에 필연적으로 일련의 오염을 야기했습니다. Cr(VI)은 물에서 가장 많이 발견되며 독성과 이동성이 높은 대표적인 오염물질이다. Cr(VI)은 다양한 pH에서 다양한 형태로 존재하며, 낮은 pH 조건에서는 HCrO4-가 우세하고 높은 pH 조건에서는 CrO42-가 우세합니다. Cr(VI)은 Cr(III)보다 독성이 500배 더 강하며, 국제적으로 인정된 3대 발암성 금속 중 하나입니다. 크롬은 수생생물과 인간의 건강에 심각한 위협이 되므로 폐수에서 크롬을 제거하는 것이 필요하고 시급합니다3. 많은 크롬 제거 기술 중에서 흡착은 높은 제거율, 높은 재생 가능성, 낮은 초기 비용, 단순한 설계 및 작동 용이성으로 인해 이제 효율적이고 경제적인 솔루션입니다4. 금속산화물, 활성탄, 생체재료 등 다양한 흡착제가 시중에 나와 있다. 이들 흡착제 중에서 탄소재료는 원료의 다양화와 저렴한 가격으로 인해 선호도가 높으며, 중금속 제거를 위한 가장 유망한 재료로 간주된다5. 그러나 현재 많은 흡착제는 흡착 용량이 낮고 흡착 속도가 느린 등의 특정 단점을 가지고 있어 흡착제의 적용 및 개발이 제한되므로 크롬 함유 폐수를 처리하기 위해 흡착 용량이 더 좋고 생산 비용이 낮은 흡착제를 개발해야 할 필요성에 부응합니다6 .

산업 공정에서 발생하는 폐기물과 부산물은 저렴한 흡착제7의 원천 중 하나로 간주됩니다. 플라이애시는 폐기물 오염 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라 메조다공성 질소 도핑 복합재 제조 비용을 크게 절감할 수 있습니다. 플라이애시는 석탄 화력 발전 과정에서 다양한 유기 및 무기 성분이 1200~1700°C의 온도에서 연소되어 생성되는 산업 고형 폐기물의 일종입니다. 전 세계 플라이애시의 연간 생산량은 약 4억 5천만 톤이고, 중국의 연간 생산량은 약 1억 톤입니다. 현재의 처리방식은 주로 비축형이며, 부적절한 처리는 대기, 수질, 토양 오염을 유발하여 환경과 생태에 유해할 수 있습니다8. 펜톤 슬러지는 펜톤 공정에서 생산되는 유해 폐기물의 일종으로 주로 철 이온으로 구성되어 있어 적절한 처리가 필요합니다. 주로 소각이나 매립으로 처리되나, 2차 환경오염을 일으키게 됩니다. 철 함량이 높아 잠재적인 자원으로 여겨지며, 2차 활용을 위한 자원으로 전환하기 위한 많은 연구가 진행되어 왔습니다. Ye 등9은 열분해를 이용하여 펜톤 슬러지를 자성 슬러지 기반 바이오 숯으로 전환시켰으며, 이는 폐수에서 메틸렌 블루를 제거하기 위한 과산화수소를 활성화시키는 촉매로 사용되었으며, 본 연구에서는 제조된 촉매의 촉매 용량이 88.13%를 유지하고 3분 이내에 100mg/L의 메틸렌블루를 98.56% 분해할 수 있었는데, 이는 비용 효율적이고 환경 친화적이었습니다. Tong et al.10은 Fenton 슬러지를 사용하여 1단계 열수법으로 수소 아미드 탄소를 합성하고 이를 사용하여 Pb2+를 흡착했으며 흡착 용량이 359.83 mg/L에 도달하여 좋은 결과를 얻을 수 있음을 발견했습니다. 본 연구는 플라이애시와 펜톤 슬러지의 자원 활용 방안을 제시합니다. 기존의 활성탄 합성은 혐기성 탄화를 위해 탄소가 풍부한 공급원료를 사용하고, 고형 폐기물 기반 메조포러스 질소 도핑 복합재는 반복적으로 가열된 탄소를 사용하여 철 화합물과 탄소 함유 화합물을 재생합니다. 높은 비용과 환경 위험 문제로 인해 기존 방법의 개발이 제한됩니다. 메조다공성 질소 도핑 복합재는 저렴한 비용과 환경적 이점으로 인해 크롬 함유 폐수 처리를 위한 연구 핫스팟 중 하나가 되었습니다. 그리고 Fenton 슬러지는 철 함량이 높아 메조다공성 질소 도핑 복합재 제조를 위한 철 공급원을 제공할 수 있으며, 사용된 플라이애시는 탄소 함량이 높으며 복합재 제조를 위한 탄소 공급원을 제공할 수 있습니다. 재료; 따라서 펜톤 슬러지와 비산회를 사용하여 메조다공성 질소 도핑 복합재를 제조하는 것이 이론적으로 가능합니다.

6.5, CrO42− is the main form. The decrease of removal rate from pH = 6 to pH = 8 is because the surface of NMC-2 is rich in oxygen-containing functional groups, which can form hydrogen bonds with HCrO4−, and it has lower adsorption free energy than CrO42−, and is easily adsorbed; secondly, due to the acidic environment, the surface –COOH and -OH of NMC-2 can be protonated with H+, forming positively charged functional groups –OH2+, –COOH2+, which can bind the anions HCrO4− and CrO42− through electrostatic interaction, resulting in higher adsorption of Cr(VI)14,18,23,24. When the pH was increased from 6 to 8, the alkalinity was strengthened and HCrO4− was gradually converted to CrO42−, which bound more oxygen-containing functional groups than HCrO4− and reduced the adsorption, while OH– in the solution was easily bound to the acidic functional groups on the surface of NMC-2, which reduced the uptake of CrO42−23. When pH = 8 to pH = 10 the removal rate of Cr(VI) gradually increased from 68.81 to 80.36%. Due to the large presence of CrO42− at increasing pH, at the same time a part of Cr(VI) was adsorbed and another part of Cr(VI) reacted with Fe0 and Fe2+ would form Cr(III) with a large amount of OH−, and Cr(III) and OH− further formed precipitation. According to the above results, the optimal pH value for the experiment is pH = 10./p> pseudo-first-order kinetic model > Elovich model according to the decision coefficient R2. The pseudo second kinetic model gives the best fit (R2 > 0.9). It can be seen that the correlation coefficient R2 obtained by fitting the pseudo second kinetic model is 0.90658, which is closer to 1. Meanwhile, the maximum saturation adsorption amount calculated is 73.74 mg/L, respectively, which is less different from the experimentally obtained adsorption saturation adsorption value, and the pseudo second kinetic model has the best correlation with the NMC-2 removal of Cr(VI) system. It indicates that the kinetics of Cr(VI) adsorption by NMC-2 is more consistent with the pseudo second kinetic model. Therefore, it indicates that the kinetics of Cr(VI) adsorption by NMC-2 is more consistent with the pseudo second kinetic model, which further indicates that the process is a chemisorption process involving electron sharing or electron exchange, and the adsorption rate is controlled by chemisorption29,30,31. Also, this conclusion is in agreement with those obtained by other scholars using other adsorbents for Cr(VI) removal19,21,32. The adsorption reaction is a chemisorption accompanied by physical adsorption./p>