Sorption Efficiency of the Bamboo Charcoal to Remove the Cesium in the Contaminated Water System

The cesium (Cs) removal from the contaminated water system has been considered to be difficult because the cesium likes to exist as soluble phases such as ion and complexes than the solid in water system. Many researches have focused on developing the breakthrough adsorbent to increase the cesium removal efficiency in water. In this study, the laboratory scale experiments were performed to investigate the feasibility of the adsorption process using the bamboo charcoal for the Cs contaminated water system. The Cs removal efficiency of the bamboo charcoal were measured and the optimal adsorption conditions were determined by the adsorption batch experiments. Total 5 types of commercialized bamboo charcoals in Korea were used to identify their surface properties from SEM-EDS and XRD analyses and 3 types of bamboo charcoals having large specific surface areas were used for the adsorption batch experiment. The batch experiments to calculate the Cs removal efficiency were performed at conditions of various Cs concentration (0.01 - 10 mg/L), pH (3 - 11), temperature ($5-30^{\circ}C$), and adsorption time (10 - 120 min.). Experimental results were fitted to the Langmuir adsorption isotherm curve and their adsorption constants were determined to understand the adsorption properties of bamboo charcoal for Cs contaminated water system. From results of SEM-EDS analyses, the surfaces of bamboo charcoal particles were composed of typical fiber structures having various pores and dense lamella structures in supporting major adsorption spaces for Cs. From results of adsorption batch experiments, the Cs-133 removal efficiency of C type bamboo charcoal was the highest among those of 3 bamboo charcoal types and it was higher than 75 % (maximum of 82 %) even when the initial Cs concentration in water was lower than 1.0 mg/L, suggesting that the adsorption process using the bamboo charcoal has a great potential to remove Cs from the genuine Cs contaminated water, of which Cs concentration is low (< 1.0 mg/L) in general. The high Cs removal efficiency of bamboo charcoal was maintained in a relatively wide range of temperatures and pHs, supporting that the usage of the bamboo charcoal is feasible for various types of water. Experimental results were similar to the Langmuir adsorption model and the maximum amount of Cs adsorption (qm:mg/g) was 63.4 mg/g, which was higher than those of commercialized adsorbents used in previous studies. The surface coverage (${\theta}$) of bamboo charcoal was also maintained in low when the Cs concentration in water was < 1.0 mg/L, investigating that the Cs contaminated water can be remediated up with a small amount of bamboo charcoal.

오염수계 내 세슘 제거를 위한 대나무 활성탄의 흡착효율 규명

세슘은 물속에서 고상보다는 이온이나 착염 등 용존 형태로 존재하는 특성이 강하여, 오염 수계로부터 세슘 제거가 어려운 것으로 알려져 있다. 최근 많은 연구들이 수계 내에서 세슘의 제거효율이 높은 흡착제를 개발하는데 집중하고 있다. 본 연구에서는 대나무 활성탄을 흡착제로 사용하여 수계 내에 존재하는 세슘을 효과적으로 제거하는 실내실험을 실시하였다. 수용액으로부터 대나무 활성탄의 세슘 제거효율을 측정하고, 최적의 세슘 제거능을 가지는 흡착 조건을 도출하고자 다양한 조건에서 흡착 배치실험을 수행하였다. 국내에서 유통되고 있는 5 종류의 대나무 활성탄의 표면 특성을 SEM-EDS와 XRD 분석으로 규명하였으며, 이 중에서 비표면적이 큰 3 종류의 대나무 활성탄을 대상으로 세슘 제거 배치실험을 실시하였다. 다양한 초기 세슘 농도를 가지는 인공수(0.01~10 mg/L 범위)를 대상으로 대나무 활성탄에 의한 수용액 내 세슘 제거량을 측정하여 제거효율을 계산하였고, 두 종류의 흡착 등온식들을 흡착 배치실험 결과에 대응시켜 흡착 상수값을 결정함으로서, 대나무 활성탄의 세슘 흡착 특성을 규명하였다. FE-SEM 분석 결과, 대나무 활성탄은 표면이 다수의 기공을 포함하는 대나무의 섬유질 조직을 그대로 유지하는 입자들로 구성되어, 이들 섬유질 조직 내 다양한 형태의 기공들과 엽상조직 표면들이 주요 세슘 흡착공간인 것으로 밝혀졌다. 흡착 배치실험 결과, C type 대나무 활성탄의 세슘 제거효율이 가장 높았는데, 특히 수용액의 세슘 초기 농도가 1.0 mg/L 이하인 경우에도 75 % 이상(최고 82 %)을 나타내어, 원전사고 등에 의해 오염된 현장 지하수나 지표수(해수 포함)의 세슘농도가 대부분 1.0 mg/L 이하임을 고려하면, 실제 오염수 정화 가능성이 높을 것으로 밝혀졌다. 수용액의 온도는 $5-15^{\circ}C$ 범위, pH는 3-11 범위에서 높은 세슘 제거효율이 일정하게 유지되는 것으로 나타나 다양한 오염수에 적용할 수 있을 것으로 판단되었다. 흡착 배치실험 결과는 Langmuir 흡착모델과 유사하였으며, C type 대나무 활성탄의 최대흡착농도($q_m:mg/g$)값은 63.4 mg/g으로 기존의 상용화된 흡착제 값보다 높았고, 수용액의 초기 세슘 농도가 1.0 mg/L이하인 경우 표면흡착률(surface coverage) 값도 낮게 유지되어, 적은 양의 세슘으로 오염된 수계를 효과적으로 정화할 수 있음을 입증하였다.