A Comparative Study on the Removals of 1-Naphthol by Natural Manganese Oxides and Birnessite

In this study, four natural Mn oxides ($NMO_1-NMO_4$) was characterized using x-ray diffraction, scanning electron microscopy, and their removal efficiency for 1-naphthol (1-NP) in aqueous phase, using batch reactor, was investigated. The results were compared with one another and a synthetic manganese oxide, birnessite. The NMOs have a various Mn minerals including pyrolusite (${\beta}-MnO_2$), cryptomeltane (${\alpha}-MnO_2$) as well as birnessite (${\delta}-MnO_2$) depending on their sources, which results in different removal efficiencies (removals, kinetics) and reaction types (sorption or oxidative-transformation). The comparative study showed that $NMO_1$ (electrolytic Mn oxide) have a higher removal efficiency for 1-NP via oxidative-transformation compared to birnessite. The 1-NP removals by NMOs were followed by pseudo-first order reaction, and the surface area-normalized specific rate constants ($K_{surf},\;L/m^2$ min) determined were in order of $NMO_1(3.31{\times}10^{-3})$>${\delta}-MnO_2(1.48{\times}10^{-3}){\fallingdotseq}NMO_3(1.46{\times}10^{-3})$>$NMO_2(0.83{\times}10^{-3})$>$NMO_4(0.67{\times}10^{-3})$. From the solvent extraction experiments with the Mn oxide precipitates after reaction, it was observed that the oxidative-transformation rates of 1-NP were in order of $NMO_1{\fallingdotseq}{\delta}-MnO_2$>$NMO_3$>$NMO_4{\gg}NMO_2$ and the analysis of HPLC chromatogram and UV-Vis. absorption ratios ($A_{2/4}$, $A_{2/6}$) on the supernatant confirmed that the reaction products were oligomers formed by oxidative-coupling reaction. Results from this study proved that natural Mn oxide (except $NMO_2$) used in this experiment can be effectively applied for the removal of naphthols in aqueous phase, and the removal efficiencies are depending on the surface characters of the Mn oxides.

천연망간산화물과 버네사이트에 의한 1-Naphthol의 제거 특성 비교

본 연구에서는 망간원석을 포함한 4종의 천연망간산화물($NMO_1\;NMO_4$)을 대상으로 물질특성(결정상, 표면형태)과 1-naphthol (1-NP)에 대한 제거반응 특성을 회분식 실험을 통하여 수행하였고, 그 결과를 버네사이트에서의 결과와 비교 분석하였다. 천연망간산화물은 출처에 따라 버네사이트(${\delta}-MnO_2$)외에도 크립토멜란(${\alpha}-MnO_2$), 연망간석(${\beta}-MnO_2$) 등의 다양한 표면 특성을 동시에 가지고 있었으며, 이러한 표면 특성으로 인해 제거효율(제거율, 반응속도) 및 제거반응(흡착 또는 산화-변환제거)에서 차이를 보였다. 특히, $NMO_1$(전해망간산화물)은 버네사이트에 비교해서도 우수한 1-NP의 산화-변환 제거효율을 보임을 알 수 있었다. 망간산화물에 의한 1-NP의 제거는 모두 유사-일차속도 식을 따랐으며, 각 망간산화물의 비표면적으로 표준화하여 얻은 속도상수($k_{surf},\;L/m^2$ min) 값은 $NMO_1(3.31{\times}10^{-3})$>${\delta}-MnO_2(1.48{\times}10^{-3}){\fallingdotseq}NMO_3(1.46{\times}10^{-3})$>$NMO_2(0.83{\times}10^{-3})$>$NMO_4(0.67{\times}10^{-3})$의 순이었다. 또한, 반응후 침전층에 대한 용매추출실험을 통해 평가한 1-NP의 산화-변환 반응효율은 $NMO_1{\fallingdotseq}{\delta}-MnO_2$>$NMO_3$>$NMO_4{\gg}NMO_2$의 순이었으며, 반응산물은 반응여액(상등액)에 대한 HPLC 크로마토그램, UV-vis. 흡광도비($A_{2/4}$, $A_{2/6}$) 분석을 통해 버네사이트에서와 같이 1-napthol의 산화-결합 반응에 의한 것임을 확인하였다. 이상의 결과로부터 본 실험에 사용한 천연망간산화물($NMO_2$ 제외)은 1-NP의 제거에 효과적으로 적용될 수 있으며, 반응효율은 망간산화물의 출처에 따른 표면특성에 따라 차이가 있음을 확인하였다.