Adsorption Characteristics of Heavy Metals on Clay Minerals

This research was designed to investigate the removal of heavy metals, such as $Al^{3+}$, $Cu^{2+}$, $Mn^{2+}$, $Pb^{2+}$ and $Zn^{2+}$, by adsorption on clay minerals. Bentonite(Raw-Bentonite), $Ca^{2+}$ and $Na^+$ ion exchanged bentonite(Ca- and Na-Bentonite) and montmorillonite, such as KSF and K10 from Sigma Aldrich, were used as adsorbents. The component of five inorganic adsorbents was analyzed by XRF, and the concentration of metal ions was measured by ICP. The cation exchange capacity(CEC) and the particle charge of adsorbents were measured. The initial concentration range of metal ions was $10{\sim}100$ mg/L. From the experimental results, it was shown that the adsorption equilibrium was attained after $1{\sim}2$ hours. The maximum percentage removal of $Al^{3+}$, $Cu^{2+}$, $Pb^{2+}$ and $Zn^{2+}$ on Na-Bentonite were more than 98% and that of $Mn^{2+}$ was 66%. $Al^{3+}$ was leached out from KSF with the higher concentration of hydrogen ion. Percentage removals of $Pb^{2+}$ and $Zn^{2+}$ on KSF were 88% and 59%, respectively. In general, the percentage removal of metal ions was decreased with the higher initial concentration of metal ions. The adsorption capacity of metal ions on Na-Bentonite was $1.3{\sim}19$ mg/g. Freundlich equation was used to fit the acquired experimental data. As the results, the adsorption capacity of metal ions was in the order of Na-Bentonite$\gg$Raw-Bentonite$\cong$K10>Ca-Bentonite>KSF. Freundlich constant, K of Na-Bentonite was the largest for metal ions. The order K of Na-Bentonite was Al>Cu>Pb>Zn>Mn, and the adsorption intensity(1/n) was determined to be $0.2{\sim}0.39$.

점토광물에 의한 중금속 흡착 특성

본 연구에서는 여러 가지 점토광물의 흡착에 의한 $Al^{3+}$, $Cu^{2+}$, $Mn^{2+}$, $Pb^{2+}$ 및 $Zn^{2+}$와 같은 중금속 제거특성을 고찰하였다. 흡착제로는 원료 벤토나이트와 본 연구과정에서 제조한 칼슘 및 나트륨형 벤토나이트, 몬모릴로나이트계 광물인 KSF와 K10을 사용하였다. 이들 다섯 가지 점토광물의 조성은 XRF를 이용하여 분석하였으며 중금속의 농도는 ICP를 이용하여 측정하였다. 또한 각 점토광물의 양이온교환능력과 전하량을 측정하여 비교하였다. 실험결과, 흡착평형은 약 $1{\sim}2$시간 후에 도달하였다. $Na^+$ 치환형 벤토나이트는 $Mn^{2+}$을 제외한 모든 중금속에 대하여 최고 98% 이상의 높은 흡착효율을 나타내었으며 $Mn^{2+}$에 대해서는 최고 66%의 흡착효율을 보였다. KSF는 pH가 증가함에 따라 $Al^{3+}$이 용출되는 것으로 나타났지만 $Pb^{2+}$과 $Zn^{2+}$은 산성을 띠고 있는 KSF에 의하여 각각 최고 88%와 59%의 흡착효율을 나타냄으로써 수소이온농도에 크게 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 전반적으로 중금속의 초기 농도가 증가함에 따라 흡착효율은 감소하고 흡착능(흡착용량)은 증가하는 경향을 나타내었다. $Na^+$ 치환형 벤토나이트의 중금속 흡착능은 농도에 따라 $1.3{\sim}19$ mg/g 정도의 값을 나타내었다. 흡착제 1 g당 각 중금속들의 흡착량은 $Na^+$ 치환형 벤토나이트$\gg$원료 벤토나이트$\approx$K10>$Ca^{2+}$ 치환형 벤토나이트$\gg$KSF의 순서로 나타났다. 프런들리히 흡착등온선으로부터 K와 1/n값을 계산한 결과, $Na^+$ 치환형 벤토나이트의 K값이 모든 중금속에 대하여 가장 크게 나타났으며 1/n은 $0.2{\sim}0.39$ 범위로 나타나 중금속 흡착에 가장 적합한 점토광물임을 알 수 있었다. 또한 흡착능은 Al>Cu>Pb>Zn>Mn 순으로 나타났다.