Adsorption of Heavy Metal Ions from Aqueous Solution by Chestnut Shell

In Korea, large amounts of chestnut shell as by-products are produced from food industries. However, most of the by-products exist with no disposal options. Biosorption uses biomass that are either abundant or wastes from industrial operations to remove toxic metals from water. Objective of this research was to evaluate the feasibility of using chestnut shell as by-products for removal of metal ions(Pb, Cu and Cd) from aqueous solution. The chestnut shell was tested for its efficiency for metal removal by adopting batch-type adsorption experiments. The adsorption selectivity of chestnut shell for metals was Pb > Cu > Cd at solution pH 5.5. The Langmuir isotherm adequately described the adsorption of chestnut shell for each metal. Using The maximum adsorption capacity predicted using Langmuir equation was 31.25 mg $g^{-1}$ 7.87 mg $g^{-1}$ and 6.85 mg $g^{-1}$ for Pb, Cu and Cd, respectively. Surface morphology, functional group and existence of metals on chestnut shell surface was confirmed by FT-IR, SEM and EDX analysis. The chestnut shell showed an outstanding removal capability for Pb compared to various adsorbents reported in the literatures. The overall results suggested that chestnut shell might can be used for biosorption of Pb from industrial wastewater.

밤 부산물의 수용액 중 중금속 흡착 특성

본 연구는 탄닌 성분이 다량 함유된 율피를 사용하여 폐수 중 중금속 3종(Cd, Pb, Cu)에 대한 흡착특성을 알아보고 향후 폐수처리공정에서 생물흡착소재의 적응가능성을 평가하고자 수행하였다. 실험에 사용한 인공폐수에는 Cu, Pb, Cd을 첨가하여 10, 20, 40, 60, 100, 150, 200 mg $L^{-1}$ 오염시켰으며 pH 5.5에서 흡착실험을 진행하였다. 율피의 중금속 흡착량은 중금속 유형별로 차이를 나타내었으며 중금속 농도가 증가함에 따라 흡착량이 증가하다가 점차 증가율이 감소하여 일절한 평형에 도달하는 경향을 나타내었는데 이는 율피의 표면이 피흡착물질로 채워져 비어있는 흡착가능 영역이 감소하기 때문인 것으로 판단되었다. 상기 연구 결과를 Freundlich 및 Langmuir 모델에 적응한 결과 $r^2$값은 Langmuir 모델에서 Pb, Cu, Cd 3가지 중금속 모두 0.99 이상으로 높게 나타났으며 각 중금속에 대한 율피의 흡착친화도는 Pb>Cu>Cd 순으로 최대흡착량($q_m$)은 Pb 31.25 mg $g^{-1}$, Cu 7.87 mg $g^{-1}$, Cd 6.85 mg $g^{-1}$로 조사되었다. FT-IR 분석결과 율피는 1080 $cm^{-1}$에서 carbonyl group, hydroxyl group, carboxyl group과 1200 $cm^{-1}$에서 1700 $cm^{-1}$ 사이의 carboxylate group, carboxyl group, methylene group, ester group 등이 존재하는 것으로 조사되었다. SEM 분석 결과 중금속 이온 흡착 전에는 표면이 매끄럽게 안정된 모습이 관찰되었지만 중금속 흡착 반응 후 전자밀도가 높은 부분이 관찰되어 중금속 이온이 흡착되었을 것으로 판단되었고 EDS 분석을 수행한 결과 중금속 이온의 흡착 후 표면의 납 이온 피크가 관찰되었다. 이상의 결과로부터 율피에 의한 중금속 이온의 흡착은 물리적인 흡착보다는 관능기에 의한 화학적 흡착일 것으로 판단되었다.