Journal of the Korean GEO-environmental Society (한국지반환경공학회 논문집)

Korean Geo-Environmental Society (한국지반환경공학회)
권호 표지

Adsorption Characterization of Cd by Coal Fly Ash Using Response Surface Methodology (RSM)

반응표면분석법을 이용한 석탄회에서의 Cd 흡착특성에 관한 연구

  • 안상우 (한양대학교 건설환경공학과 대학원) ;
  • 최재영 (한국과학기술연구원 강릉분원) ;
  • 차민환 (한양대학교 건설환경공학과 대학원) ;
  • 박재우 (한양대학교 건설환경공학과)
  • Received : 2009.06.30
  • Accepted : 2009.11.16
  • Published : 2010.01.01
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

The batch experiments and response surface methodology (RSM) have been applied to the investigation of the cadmium (Cd) adsorption by coal fly ash (CFA). CFA having maximum Cd removal mass of 8.51 mg/g were calculated from Langmuir model. Cd removal reaction with different initial pH ranged from 4 to 9. When the initial pH was higher, Cd was removed more by adsorption and precipitation. These results suggest that the lower pH cause an increase of $H^+$ ion concentration which competed with Cd ions for exchange sites in CFA. Also, The Cd adsorption was mathematically described as a function of parameters initial Cd concentration ($X_1$), initial pH ($X_2$), and initial CFA mass ($X_3$) being modeled by use of the Box-Behnken methods. Empirical models were developed to describe relationship between the experimental variables and response. Statistical analysis indicates that tree factors ($X_1$, $X_2$, and $X_3$) on the linear term (main effects), and tree factors ($X_1X_2$, $X_1X_3$, and $X_2X_3$) on the non-linear term (Interaction effect; cross-product) had significant effects, respectively. In this case, the value of the adjusted determination coefficient (adjusted $R^2=0.9280$) was closed to 1, showing a high significance of the model. Statistical results showed the order of Cd removal at experimental factors to be initial initial pH > initial Cd concentration > initial CFA mass.

본 연구는 석탄회의 카드뮴에 대한 흡착특성을 조사하기 위하여 회분식 실험과 반응표면분석을 실시하였다. Langmuir model과 Chapman-Richards model로 산정된 석탄회의 카드뮴의 최대 제거량은 12.95mg/g와 12.99mg/g로 조사되었다. 또한 초기 pH 4에서 9까지의 카드뮴의 제거특성은 초기 pH에 따라 서로 다른 양상을 나타내었으며, pH가 증가 할수록 카드뮴의 제거량은 흡착과 침전에 의한 영향으로 증가하는 것으로 나타났다. 또한, pH에서 카드뮴의 제거량의 감소에 대한 결과는 $H^+$이온의 증가에 따른 카드뮴이온과의 경쟁적 반응에 의한 것으로 사료된다. 반응표면분석법 중 Box-Behnken법을 이용하여 초기 카드뮴 농도($X_1$), 초기 pH($X_2$), 그리고 초기 석탄회의 주입량($X_3$)을 독립변수로 선정하였으며, 종속변수인 석탄회의 카드뮴의 흡착특성을 수학적 모델로 도출하였다. 경험적 모델인 반응표면분석법을 이용하여 실험적 요인과 반응변수에 대한 관계를 도출하도록 반응모델식을 개발하였다. 통계학적 분석결과, 1차 선형효과(주효과)에서 초기 카드뮴 농도, 초기 pH, 초기 석탄회의 주입량과, 2차 비선형 효과(교호작용, 상호효과)에 대하여 유의한 것으로 조사되었다. 도출된 반응모델은 수정 결정계수가 0.928으로 1에 근사한 값을 갖는 것으로 나타났으며, 도출된 반응모델은 카드뮴 제거율에 매우 근접하게 결과를 도출할 수 있었다. 또한, 통계학적 분석결과 카드뮴 제거에 미치는 영향은 초기 pH > 초기 카드뮴 농도 > 초기 석탄회의 주입량 순으로 나타났다.

Keywords

References

  1. 구소연, 조경숙 (2006), 중금속 오염 토양의 식물상 복원에 있어 식물과 근권세균의 상호작용, 한국미생물생명공학회, Vol. 34, No. 2, pp. 83-93.
  2. 권용삼, 이기호, 박준범 (2003), 굴패각과 플라이애쉬에 대한 중금속의 흡착특성, 한국폐기물학회, Vol. 20, No. 4, pp. 337-345.
  3. 류완호, 이원묵, 홍필선, 양천회, 안재영, 백일현, 이병노(2003), 석탄회를 이용한 제올라이트의 합성과 중금속 흡착 특성, 한국화학공학회, Vol. 41, No. 5, pp. 655-660.
  4. 류재춘, 김영호, 양현수, 곽두원, 유성준 (2005), 다공성 석탄회 담체를 이용한 연속류식 고정 생물막 공정의 폐수 처리 특성, 한국공업화학회, Vol. 16, No. 2, pp. 200-205.
  5. 박준규, 주소영, 김광렬 (2005), 화학활성법에 의해 제조한 비산회 흡착제의 흡착특성, 한국폐기물학회, Vol. 22, No. 2, pp. 130-137.
  6. 박종범 (2008), 카드뮴에 오염된 토양에서 생장한 애기장대의 식물기관에 축적된 카드뮴 농도, 한국환경과학회지, Vol. 17, No. 9, pp. 1015-1021.
  7. 백미화, 김동수 (2006), 폐타이어를 흡착제로 한 카드뮴 함유 폐수 처리 특성, 한국물환경학회, Vol. 22, No. 3, pp. 498-503.
  8. 송원용과 장순웅 (2009), UV공정을 이용한 NDMA처리 통계적 최적화 연구, 한국물환경학회, Vol. 25, No. 1, pp. 96-101.
  9. 심영숙, 이우근 (2002), 소각비산재를 이용한 흡착제 제조 및 중금속 흡착 특성, 한국폐기물학회, Vol. 19, No. 1, pp. 115-121.
  10. 양재규, 이남희, 이승목 (2008), pH를 달리하여 제조한 3가철 첨착 활성탄에 의한 구리 제거특성평가, 대한환경공학회, Vol. 30, No. 3, pp. 345-351.
  11. 윤성욱, 백승환, 박진철, 이정훈, 유찬 (2007), 시멘트와 산업부산물을 이용한 아연과 카드뮴으로 오염된 토양의 고형화 공법 적용성 검토, 농업생명과학연구, Vol. 41, No. 3, pp. 69-78.
  12. 이경미, 조영민 (2008), 화학처리된 흡착제의 이산화탄소 흡착 특성에 관한 연구, 한국공업화학회, Vol. 19, No. 5, pp. 533-538.
  13. 이규호, 최선경, 문희수, 이상훈 (1997), 영월 화력발전소에서 배출된 석탄회의 광물학적, 지화학적 특성, 자원환경지질, Vol. 30, No. 5, pp. 443-450.
  14. 주소영, 연익준, 박상찬, 조병렬, 황동건, 김광렬 (2007), 비산회를 이용한 피혁슬러지의 고형화시 무기첨가제의 영향, 한국폐기물학회, Vol. 24, No. 3, pp. 203-210.
  15. 조규성, 노열, 정덕호 (2007), 당진화력발전소의 석탄회 연안매립과 중금속 원소의 용출에 대한 생지화학적 연구, 한국지구과학회, Vol. 28, No. 1, pp. 112-122.
  16. 조일형, 이내현, 장순웅, 안상우, 윤영한, 조경덕 (2006), 실험계획법 중 Box-Behnken(박스-벤켄)법을 이용한 반응성 염료의 광촉매 산화조건 특성 해석 및 최적화, 대한환경공학회, Vol. 28, No. 9, pp. 917-925.
  17. 조일형, 이내현, 장순웅, 안상우, 윤영한, 조경덕 (2007), 화학적 응집공정에서 요인배치 중심합성설계법을 이용한 축산폐수의 COD 제거특성 평가 및 최적화 연구, 한국물환경학회, Vol. 23, No. 1, pp. 111-121.
  18. Annadurai, G., Ling, L.Y. and Lee, J.F. (2008), Statistical Optimization of Medium Components and Growth Conditions by Response Surface Methodology to Enhance Phenol Degradation by Pseudomonas Putida, Journal of Hazardous Materials, Vol. 151, pp. 171-178. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2007.05.061
  19. Hong, J.K., Jo, H.Y. and Yun, S.T. (2009), Coal Fly Ash and Synthetic Coal Fly Ash Aggregates as Reactive Media to Remove Zinc from Aqueous Solutions, Journal of Hazardous Materials, Vol. 164, pp. 235-246. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2008.08.001
  20. Jo, M.S., Rene, E.R., Kim, S.H. and Park, H.S. (2008), An Analysis of Synergistic and Antagonistic Behavior during BTEX Removal in Batch System using Response Surface Methodology, Journal of Hazardous Materials, Vol. 152, pp. 1276-1284. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2007.08.002
  21. Kumar, R., Singh, R., Kumar, N., Bishnoi, K. and Bishnoi, N.R. (2009), Response Surface Methodology Approach for Optimization of Biosorption Process for Removal of Cr(VI) Ni(II) and Zn(II) Ions by Immobilized Bacterial Biomass sp. Bacillus Brevis, Chemical Engineering Journal, Vol. 146, pp. 401-407. https://doi.org/10.1016/j.cej.2008.06.020
  22. Lodeiro, P., Cordero, B., Bariada, J.L., Herreo, R. and Sastrede Vicente, M.E. (2005), Biosorption of Cadmium by Biomass of Brown Marine Macroalgae, Bioresource Technology, Vol. 96, pp. 1796-1803. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2005.01.002
  23. Li, Y.H., Wang, S., Luan, Z., Ding, J., Xu, C. and Wu, D. (2003), Adsorption of Cadmium(II) from Aqueous Solution by Surface Oxidized Carbon Nanotube, Carbon, Vol. 41, pp. 1057-1062. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(02)00440-2
  24. Natale, F.D., Natale, M.D., Greco, R., Lancia, A., Laudante C. and Musmarra, D. (2008), Groundwater Protection from Cadmium Contamination by Permeable Reactive Barriers, Journal of Hazardous Materials, Vol. 160, pp. 428-434. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2008.03.015
  25. Papandreou, A., Stournaras, C.J. and Panias, D. (2007), Copper and Cadmium Adsorption on Pellets Made from Fired Coal Fly Ash, Journal of Hazardous Materials, Vol. 148, pp. 538-547. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2007.03.020
  26. Richard, F.J. (1959), A Flexible Growth Function for Empirical Use, Journal of Experimenatal Botany, Vol. 10, pp. 290-300. https://doi.org/10.1093/jxb/10.2.290
  27. Soco, E. and Kalembkiewicz, J. (2007), Investigations of Sequential Leaching Behaviour of Cu and Zn from Coal Fly Ash and Their Mobility in Environmental Conditions, Journal of Hazardous Materials, Vol. 145, pp. 482-487. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2006.11.046
  28. Wang, C., Li, J., Sun, X., Wang, L. and Sun, X. (2009), Evaluation of Zeolites Synthesized from Fly Ash as Potential Adsorbents for Wastewater Containing Heavy Metals, Journal of Environmental Sciences, Vol. 21, pp. 127-136. https://doi.org/10.1016/S1001-0742(09)60022-X
  29. Xuea, Y.J., Houa, H.B. and Zhua, S.J. (2009), Competitive Adsorption of Copper(II), Cadmium(II), Lead(II) and Zinc(II) onto Basic Oxygen Furnace Slag, Journal of Hazardous Materials, Vol. 162, pp. 391-401. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2008.05.072