초록
본 연구는 흡착과정의 열역학적 특성을 이해하는데 이용되는 각종 흡착모델의 적용성을 평가하는데 목적이 있다. 이를 위해 다양한 실험조건(상이한 흡착질 초기농도, 흡착제 투여량, 온도)에서 구한 질산성 질소에 대한 상용 음이온교환수지의 흡착등온자료를 열역학 상수 및 흡착에너지 평가에 이용하였다. 흡착과정의 Gibbs의 자유에너지(${\Delta}G^0$)는 비록 실험조건에 따라 그 값이 달라지지만 Langmuir 상수 또는 Ships 상수, $b_M$를 이용하여 계산할 수 있었다. Gibbs의 자유에너지(${\Delta}G^0$)는 물론 표준 엔탈피(${\Delta}H^0$), 표준 엔트로피(${\Delta}S^0$)와 같은 열역학적 상수들은 다른 온도조건에서 얻은 흡착실험자료를 이용하여 계산할 수 있다. 다만 이를 위해서는 실험자료가 Langmuir 등온식을 따라야 하고 각 반응온도에서 산출한 Langmuir 상수($lnb_M$)와 반응온도(1/T)의 관계가 직선으로 수렴되어야 한다. 이를 만족하지 못할 경우 Langmuir상수 대신 흡착평형상태에서 $q_e/C_e$로 정의되는 실험적 평형상수(K)를 이용한 열역학적 상수의 평가는 매우 유용한 대안이 될 수 있다. 다양한 조건에서 얻은 흡착실험 결과들을 D-R모델과 Temkin모델에 적용하여 흡착에너지를 평가한 결과, D-R 등온식이 Temkin 등온식에 비해 적용성이 높았으며, Temkin 모델의 경우 실험조건에 따라 그 적용성이 크게 제한됨을 알 수 있었다. D-R 등온식으로부터 얻은 흡착에너지는 실험조건에 따라 상당히 다른 값을 나타내었지만 흡착반응이 흡열반응이고 이온교환반응임을 증명하는데 충분하였다.
The aim of this study is to evaluate the applicability of adsorption models for understanding the thermodynamic properties of adsorption process. For this study, the adsorption isotherm data of $NO_3$-N ion onto a commercial anion exchange resin obtained at various experimental conditions, i.e. different initial concentrations of adsorbate, different dosages of adsorbent, and different temperatures, were used in calculating the thermodynamic parameters and the adsorption energy of adsorption process. The Gibbs free energy change (${\Delta}G^0$) of adsorption process could be calculated using the Langmuir constant $b_M$ as well as the Sips constant, even though the results were significantly dependant on the experimental conditions. The thermodynamic parameters such as standard enthalpy change (${\Delta}H^0$), standard entropy change (${\Delta}S^0$) and ${\Delta}G^0$ could be calculated by using the experimental data obtained at different temperatures, if the adsorption data well fitted to the Langmuir isotherm model and the plot of ln b versus 1/T gives a straight line. As an alternative, the empirical equilibrium constant(K) defined as $q_e/C_e$ could be used for evaluating the thermodynamic parameters instead of the Langmuir constant. The results from the applications of D-R model and Temkin model to evaluate the adsorption energy suggest that the D-R model is better than Temkin model for describing the experimental data, and the availability of Temkin model is highly limited by the experimental conditions. Although adsorption energies determined using D-R model show significantly different values depending on the experimental conditions, they were sufficient to show that the adsorption of $NO_3$-N onto anion exchange resin is an endothermic process and an ion-exchange process.
