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ISSN : 1225-4517(Print)
ISSN : 2287-3503(Online)
Journal of Environmental Science International Vol.27 No.11 pp.1095-1104
DOI : https://doi.org/10.5322/JESI.2018.27.10.1095

Adsorption Characteristics of Bisphenol A Using Activated Carbon Based on Waste Citrus Peel and Surface-Modified with P2O5

Sang-Kyu Kam, Myeong-Chan Kim1), Min-Gyu Lee2)*
Department of Environmental Engineering, Jeju National University, Jeju 63243, Korea
1)Research Institute of Health & Environment, Jeju Special-Governing Province, Jeju 63142, Korea
2)Department of Chemical Engineering, Pukyong National University, Busan 48547, Korea
E-mail : mglee@pknu.ac.kr
*Corresponding author: Min-Gyu Lee, Department of Chemical Engineering, Pukyong National University, Busan 48547, Korea Phone : +82-51-629-6435
17/09/2018 09/10/2018 12/10/2018

Abstract


The adsorption characteristics of bisphenol A (BPA) were investigated using activated carbon based on waste citrus peel (which is abandoned in large quantities in Jeju Island), denoted as WCP-AC, and surface-modified with various P2O5 concentrations (WCP-SM-AC). Moreover, coconut-based activated carbon (which is marketed in large amounts) was surface-modified in an identical manner for comparison. The adsorption equilibrium of BPA using the activated carbons before and after surface modification was obtained at nearly 48 h. The adsorption process of BPA by activated carbons and surface-modified activated carbons was well-described by the pseudo second-order kinetic model. The experimental data in the adsorption isotherm followed the Langmuir isotherm model. With increasing P2O5 concentration (250-2,000 mg/L), the amounts of BPA adsorbed by WCP-SM-AC increased till 1,000 mg/L of P2O5; however, above 1,000 mg/L of P2O5, the same amounts adsorbed at 1,000 mg/L of P2O5 were obtained. With increasing reaction temperature, the reaction rate increased, but the adsorbed amounts decreased, especially for the activated carbon before surface modification. The amounts of BPA adsorbed by WCP-AC and WCP-SM-AC were similar in the pH range of 5-9, but significantly decreased at pH 11, and increased with increasing ionic strength due to screening and salting-out effects.



P2O5로 표면 개질한 폐감귤박 활성탄에 의한 Bisphenol A의 흡착 특성

감상규, 김명찬1), 이민규2)*
제주대학교 환경공학과, 1)제주특별자치도 보건환경연구원, 2)부경대학교 화학공학과

    1. 서 론

    환경 중으로 플라스틱 폐기물의 배출이 전세계적으로 크게 증가하여 이의 위해성이 큰 관심을 불러일으키고 있다. 플라스틱 자체도 상당한 오염원을 나타내며, 여기 에 가해지는 첨가물은 환경에 훨씬 더 유해하다(Acosta et al., 2018). 이 중 bisphenol A (BPA)는 2011년 생산 량은 5.5 × 106 톤이고 연 중 생산량의 100 톤 이상이 대 기중으로 배출되는 전세계적으로 가장 많이 분포하고 있는 화학물질의 하나로(Vandenberg et al., 2009;Rochester, 2013), 이는 폴리카보네이트, 폴리아크릴레이트, 에폭시 수지 같은 폴리머 생산에 주로 사용되며, 세안렌즈, CDs, DVDs, 개인용 컴퓨터, 전력기구, 스포츠 제품, 의료용 기, 식품 및 음료수 용기를 포함하여 상당한 범위의 제품 에서 검출되고 있으며, 이와 같은 계속적인 BPA의 노출 은 인간의 만성 질환의 심각한 원인이 된다고 보고되고 있다(Rezg et al., 2014).

    BPA는 동·식물 그리고 인간의 정상적인 호르몬 작용 을 교란시키는 내분비계장애물질(Endocrine Disrupting Chemicals, EDCs)로 분류되고 있으며, 또한 낮은 생분 해성 및 화학적 분해에 매우 높은 저항성을 갖는 난분해 성 수중 오염물질로, 매립장 침출수에서는 17.2 mg/L까 지의 매우 높은 농도가 검출되었으며, 하천수에서는 12 μg/L, 먹는물에서는 0.1 μg/L 까지 검출되었다고 보고하 고 있다(Liu et al., 2009). BPA는 0.23 μg/L의 낮은 농 도의 배양액에서도 에스토로겐과 유사한 작용을 하여 DNA 손상을 촉진하는 것으로 알려져 있으며(Suzuki et al., 2004;Wetherrill et al., 2007), 많은 생체내 및 시험 관내 시험에서 불임, 생식기의 이상 및 유방암의 발생을 증가시킨다는 사실을 확인하였다(Howdeshell et al., 1999;Munoz-de-Toro et al., 2005). 따라서 수환경으 로부터 BPA를 제거하기 위한 효과적인 기술이 긴급히 요구되어 진다.

    수중으로부터 BPA를 제거하기 위해 흡착법(Koduru et al., 2016), 고급산화법(Rosenfeld and Linden, 2004;Pachamuthu et al., 2017), 오존산화법(Deborde et al., 2005), 삼투막 및 한외여과막법(Zhu and Li, 2013), 전 기화학적 산화법(Kuramitz et al., 2001)와 같은 물리화 학적 처리기술이 적용되고 있으나 활성탄에 의한 흡착법 이 BPA를 포함한 다양한 유기오염물질의 제거에 가장 효율적이고 광범위하게 적용되고 있는 방법의 하나로 보 고되고 있다(Choi et al., 2004;Bautista-Toledo et al., 2005;Liu et al., 2009). 활성탄을 사용하여 BPA의 흡 착 효율을 검토한 결과에 의하면 높은 비표면적 및 낮은 표면 극성을 가진 활성탄일수록 BPA의 흡착에 주된 인 자라고 보고하였으며 (Asada et al., 2004;Tsai et al., 2006), Bautista-Toledo et al.(2005)은 BPA의 흡착은 근본적으로 활성탄의 표면 성질과 용액의 화학적 성질에 기인한다고 보고하였으며, 이 외에도 활성탄에 의한 흡 착은 흡착질의 분자 특성에 의해서도 강하게 영향을 받 는다고 보고하고 있다(Lian et al., 2013). 그러나 목탄계 활성탄의 경우 사용탄(used activated carbon)의 비표면 적 및 세공부피가 신탄(virgin activated carbon)의 비표 면적 및 세공부피보다 크게 감소하였으나 nonylphenol 등의 환경호르몬의 흡착능은 오히려 증가하였는데, 이는 사용탄의 높은 P2O5 함량에 기인한다고 하였으며(Choi et al., 2004, 2005a, 2005b) 이에 대해 체계적인 연구가 수행되지 않았다.

    이에 저자들은 전보(Lee et al., 2015)에서 제주도에 서 다량으로 배출되는 biomass 자원인 폐감귤박으로부 터 제조한 활성탄(Kang, 2011)을 P2O5로 표면개질하여 특성분석을 통해 P2O5로 표면개질 전후의 활성탄의 C, H, N, 회분의 함량 및 무기물 조성의 변화, 비표면적, 세 공부피 및 세공분포, 그리고 표면특성을 검토하였고 BPA의 흡착능을 간단히 살펴보았다.

    본 연구에서는 폐감귤박으로부터 제조한 활성탄을 다 양한 농도의 P2O5로 개질하여 BPA의 흡착특성을 검토 하였다. 즉, P2O5로 표면개질한 폐감귤박 활성탄의 BPA 의 흡착평형시간, 흡착속도식 및 흡착등온해석에 대해 살펴보았고, 또한 표면개질한 활성탄의 흡착에 영향을 미치는 P2O5의 농도, 온도, pH 및 이온강도 등의 영향을 검토하였다. 또한 많이 시판되고 있는 야자계 활성탄을 P2O5로 표면개질하여 흡착 특성을 비교·검토하였다.

    2. 재료 및 방법

    2.1. 실험재료

    본 연구에서 사용된 활성탄은 폐감귤박을 원료로 제 조한 활성탄(WCP-AC)를 사용하였으며, 활성탄의 표면 개질은 먼저 활성탄 10 g을 함유하는 2 L의 비이커에 일 정농도의 P2O5 (Daejunghwageum Co., Korea, >97%) 수용액(250, 500, 1,000, 1,500 및 2,000 mg/L) 1 L를 넣고 300 rpm으로 24 hr 교반시켜 개질하였으며, 얻어 진 개질활성탄은 P2O5 농도에 따라 WCP-AC-P250, WCP-AC-P500, WCP-AC-P1000, WCP-AC-P1500, WCP-AC-P2000으로 명명하였으며, 140/200 mesh로 체분리하여 사용하였다. 활성탄 제조 및 표면개질의 세 부적인 내용은 전보((Lee at al., 2015)에 자세히 기재되 어 있다. 또한 이와 흡착특성을 비교하기 위하여 시판되 고 있는 야자껍질을 원료로 한 Calgon사의 활성탄 (C-AC)을 구입하여 WCP-AC와 동일하게 표면개질하 였다.

    BPA는 Dr. Ehrenstofer GmbH에서 생산된 순도 99.5%인 것을 구입하여 사용하였으며, 이 시약을 일정 량 취하여 소량의 HPLC용 methanol에 녹인 다음에 증 류수를 가하여 1,000 mg/L인 stock solution을 제조하 여 사용하였다.

    2.2. 실험방법

    활성탄 및 표면개질 활성탄의 BPA의 흡착실험은 회 분식으로 진행하였으며, 2 L 삼각플라스크에 20 ~ 80 mg/L의 BPA 용액 1 L를 넣고 여기에 활성탄 및 개질활 성탄 0.05 g을 가한 후 교반기에서 300 rpm으로 교반하 면서 일정한 시간(1 ~ 120시간) 후에 2 mL의 시료를 취 하여 syringe filter (0.20 μm, Mixed Cellulose Ester) 로 여과한 후 BPA의 분석에 사용하였다. 이 때 반응계의 온도는 항온조를 사용하여 25℃ 의 일정온도로 유지하였 다.

    활성탄 및 표면개질활성탄의 BPA 흡착에 미치는 pH, 반응온도 및 이온강도의 영향은 WCP-AC 및 WCP-AC-P1000을 사용하여 BPA 40 mg/L에 대해 48 시간동안 교반하면서 수행하였다. pH의 영향은 0.01 M 농도로써 초산완충액(pH 5), 인산완충액(pH 7) 및 암모 니아완충액(pH 9 및 11)을 사용하여 검토하였으며, 이 러한 완충용액이 흡착에 미치는 영향은 미미하였다(Liu et al., 2009). 온도의 영향은 25℃, 40℃ 및 55℃ 에서, 이온강도의 영향은 NaCl을 사용하여 0.01 ~ 0.5 mol/L 의 범위에서 검토하였다.

    용액 중의 BPA의 농도는 LC/MSD에 의하여 분석하 였는데, 이의 분석조건은 전보(Lee at al., 2015)에 자세 히 기술되어 있다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1. 흡착평형시간

    활성탄 및 표면개질 활성탄의 BPA 흡착능을 비교하 기 위하여 먼저 흡착평형시간을 검토하였다. 이를 위해 40 mg/L BPA 용액 1 L를 2 L 삼각 플라스크에 취하고 여기에 100/140 mesh의 WCP-AC, WCP-AC-P1000, C-AC, C-AC-P1000 등 4개의 활성탄 및 표면개질 활성 탄 0.05 g을 가한 후 300 rpm으로 교반시키면서 총 5일 간에 걸쳐서 1시간, 2시간, 4시간, 6시간, 12시간, 24시 간, 48시간, 72시간, 96시간 120시간으로 시료의 상징액 을 채취하여 시간의 변화에 따른 BPA의 흡착량(qt, mg/g)을 측정하여, 그 결과를 Fig. 1에 나타내었다. 그림 에서 보여지는 바와 같이 활성탄 및 표면개질 활성탄의 종류에 관계없이 BPA에 대한 활성탄의 흡착은 초기 24 시간 동안 급격하게 진행되었고, 그 이후 서서히 흡착이 진행되며, 48시간 정도에 흡착평형에 도달함을 알 수 있 었는데, 이러한 결과는 Liu et al.(2009)에 의한 다양한 형태의 개질 활성탄에 의한 BPA의 흡착평형시간 72 ~ 192 시간보다는 매우 빠른편이며, Yamanaka et al. (2008)의 활성탄에 의한 BPA의 흡착평형시간 36시간 에 비해 12시간정도 느린편인데 이는 활성탄의 종류, 양 과 입자 크기, 교반속도 등의 차이로 인해 흡착평형 도달 시간의 차이를 보인 것으로 사료된다. 그림에서 나타나 지 않았으나 다른 BPA의 농도 및 다른 표면개질 활성탄 에 대해서도 비슷한 경향을 보였다.

    3.2 활성탄 및 표면개질 활성탄의 BPA에 대한 흡착 파라미터 산출

    3.2.1. 흡착속도 해석

    흡착공정의 설계하거나 해석하기 위해서는 흡착속도 가 고려되어야 한다. 흡착제에 의한 흡착질의 흡착속도 는 일반적으로 유사 1차 속도식과 유사 2차 속도식으로 표현된다.

    유사 1차 속도식은 Lagergern(1898)에 의해 소개된 모델(식 (1))로, 이를 적분하면 식 (2)와 같다.

    d q d t = k 1 ( q e q t )
    (1)

    ln ( q e q t ) = ln q e k 1 t
    (2)

    여기서 k1은 유사 1차 속도상수(1/h), qt는 흡착시간 t 에서의 흡착량(mg/g), qe는 평형 흡착량(mg/g)이다.

    유사 2차 속도식은 Ho and McKay(1999)에 의해 소 개된 모델(식 (3))로, 이를 적분하면 식 (4)와 같다.

    d q t d t = k 2 ( q e q t ) 2
    (3)

    t q t = 1 k 2 q e 2 + 1 q e t
    (4)

    여기서 k2는 유사 2차 속도상수(g/mg·h)이다.

    WCP-AC, WCP-AC-P1000, C-AC 및 C-AC-P1000 를 사용하여 BPA 농도 40 mg/L에 대해 흡착실험을 수 행하여 얻어진 Fig. 1의 결과를 이용하여, 식 (2)과 식 (4) 에 대입하여 도시한 결과를 각각 Fig. 2에 나타냈으며, 이들 속도식으로부터 구한 파라미터 값들을 Table 1에 나타내었다. Table 1에서 보듯이 BPA의 흡착속도 데이 터를 유사 1차 속도식에 적용한 결과 R2 값이 0.9437 ~ 0.9655 이었으며, 유사 2차 속도식에 적용하였을 때는 R2 값이 0.9906 ~ 0.9985으로, 활성탄 및 표면개빌 활성 탄의 BPA의 흡착은 유사 1차속도식보다는 유사 2차 속 도식에 더 잘 부합됨을 알 수 있었다. 이러한 결과는 다양 한 형태의 개질 활성탄에 의한 BPA의 흡착(Liu et al., 2009)에서도 동일한 결과를 얻었다.

    유사 2차 속도식으로부터 구한 BPA의 속도상수 k2는 WCP-AC, WCP-AC-P1000, C-AC 및 C-AC-P1000 에 대해 각각 0.00076 g/mg·h, 0.00093 g/mg·h, 0.00021 g/mg·h, 0.00040 g/mg·h로, 표면개질 활성탄 (WCP-AC-P1000, C-AC-P1000)은 기존의 활성탄 (WCP-AC, C-AC)보다 속도상수 k2값이 각각 1.22배, 1.9배 증가하였는데, 이는 활성탄의 표면이 P2O5로 개질 됨에 따라 흡착속도가 증가하는 것으로 판단된다.

    3.2.2. 흡착 등온식

    본 실험에서 사용한 활성탄 및 표면개질 활성탄에 의 한 BPA 흡착 실험결과를 Langmuir 등온식 및 Freundlich 등온식에 적용하여 검토하였다.

    Langmuir 등온식은 보통 흡착분자간에 상호작용 없 이 단분자 흡착의 가정 하에서 얻어진 식으로서 식 (5)와 같이 표현된다(Langmuir, 1918).

    q e = q maxn b C e 1 + b C e
    (5)

    식 (5)을 선형식으로 나타내면 식 (6)과 같이 된다.

    1 q e = 1 q max b 1 C e + 1 q max
    (6)

    여기서 qmax 는 최대 흡착량(mg/g), b는 Langmuir 상 수, qe 및 Ce는 각각 평형 흡착량(mg/g) 및 평형 흡착농 도(mg/L) 이다.

    Freundlich 등온식은 불균일한 표면을 가진 흡착제에 잘 적용되며 흡착제와 흡착질 분자 사이의 다분자층 흡 착을 설명해주며 식 (7)과 같이 나타내어진다 (Freundlich, 1906).

    q e = k F C e 1 n
    (7)

    식 (7)의 양변에 대수를 취하면 식 (8)과 같다.

    log q e = log K F + 1 n log C e
    (8)

    여기서 KF 는 흡착량과 관계되는 Freundlich 상수 (mg/g)(L/mg)1/n이고, 1/n은 흡착강도를 나타내는 상수 이다.

    BPA 흡착특성을 살펴보기 위하여 WCP-AC, WCP-AC-P1000, C-AC, C-AC-P1000 4종의 활성탄 각 0.05 g을 20 ~ 80 mg/L로 단계적으로 조절한 BPA 용액에 넣어 각 활성탄의 평형 흡착량(qe)을 측정하였고, 그 결과를 식 (6)와 식 (8)에 적용하여 그 결과를 각각 Fig. 3에 도시하였으며, 이들로부터 구한 각 흡착등온식 의 파라미터는 Table 2과 같다.

    Table 2에서 보듯이 BPA의 흡착데이터를 Langmuir 등온식에 적용한 결과 R2 값이 0.9661 ~ 0.9945 이었으 며, Freudlich 등온식에 적용하였을 때는 R2 값이 0.9067 ~ 0.9530으로 활성탄 및 표면개질 활성탄의 BPA의 흡착은 Langmuir 식이 보다 나은 적합성을 보임 을 알 수 있었다.

    Langmuir식에서 WCP-AC, WCP-AC-P1000, C-AC 및 C-AC-P1000에 대한 BPA 의 qmax(최대흡착량)은 각각 526.23 mg/g, 666.67 mg/g, 392.39 mg/g, 586.31 mg/g으로, 활성탄 종류 사이에서는 WCP-AC-P1000 > C-AC-P1000 > WCP-AC > C-AC의 순으로 감소함을 알 수 있었고, P2O5로 표면개질한 활성탄(WCP-AC -P1000, C-AC-P1000)은 기존의 활성탄(WCP-AC, C-AC)에 비해 각각 약 1.3배, 1.5배 높게 흡착됨을 알 수 있었다. 이러한 결과는 전보(Lee at al., 2015)에서 언 급한 바와 같이 P2O5로 표면개질함에 따라 비표면적 및 총세공부피가 감소하였지만 활성탄에 P2O5의 흡착은 P 와 O사이의 π 결합이 활성탄과 방향족 화합물의 π-π 분 산 상호작용(Coughlin and Ezra, 1968)을 더욱 증가시 키는 것으로 판단된다.

    3.3. 표면개질 활성탄의 BPA 흡착능에 미치는 영향인자

    3.3.1. 활성탄의 표면개질시 P2O5 농도의 영향

    활성탄을 표면개질 시킬때의 P2O5의 농도가 WCP -AC를 대상으로 BPA의 흡착능에 미치는 영향을 알아 보기 위해, P2O5 농도를 250 mg/L, 500 mg/L, 1000 mg/L, 1500 mg/L, 2000 mg/L으로 단계적으로 변화시 켜 개질된 활성탄 0.05 g을 40 mg/L BPA 용액 1 L에 가하여 흡착실험을 수행하여 평형흡착량(qe)에 대한 결 과를 Fig. 4에 나타내었다.

    Fig. 4에보이는바와 같이 WCP-AC, WCP-AC-P250, WCP-AC-P500, WCP-AC-P1000, WCP-CA-P1500, WCP-AC-P2000에 대해 평형 흡착량(qe)은 각각 510 mg/g, 548 mg/g, 614 mg/g, 636 mg/g, 637 mg/g, 638 mg/g 으로 1000 mg/L 까지의 P2O5 농도로 개질시킨 활 성탄에 대해서는 흡착량이 증가하였으나 이 이상의 농도 에 대해서는 더 이상 증가하지 않음을 알 수 있었다. 이는 활성탄에 P2O5의 농도를 증가시키더라도 1000 mg/L 이 상에서는 P2O5가 활성탄의 표면에 더 이상의 흡착되지 않은 것으로 사료된다.

    3.3.2. 온도의 영향

    온도가 활성탄 및 표면개질 활성탄의 BPA의 흡착에 미치는 영향을 검토하기 위하여 0.05 g의 WCP-AC와 WCP-AC-P1000을 대상으로 40 mg/L의 BPA에 대해 온도를 25℃, 40℃, 55℃ 로 변화시켜 검토하였으며, 각 온도에서의 BPA의 흡착량을 유사 2차속도식에 적용하 여 그 결과를 Table 3에 평형흡착량(qe)를 Fig. 5에 나타 내었다.

    Table 3에서 보여 지는 바와 같이 온도가 증가함에 따 라 WCP-AC 및 WCP-AC-P1000에 대해 BPA의 유사 2차 흡착속도가 증가함을 알 수 있는데, 이는 온도의 증 가로 용액의 점도가 감소되어 질량전달과 BPA 분자의 확산을 촉진하기 때문인 것으로 사료된다(Khezami and Capart, 2005). 그러나 Fig. 5에 보여지는 바와 같이 온 도가 증가함에 따라 평형흡착량은 WCP-AC는 510 mg/g에서 460 mg/g으로 크게 감소하였으나, WCP -AC-P1000은 636 mg/g에서 628 mg/g으로 소량 감소 하였다. 이러한 결과는 낮은 온도가 선택된 활성탄에서 BPA의 흡착이 더 용이함을 보여주고 있다. 온도변화에 따른 흡착반응을 이해하기 위하여 식 (9)와 같은 Arrhenius식에 대입하여 활성화에너지를 계산하였다.

    ln k 2 = ln A E a R T
    (9)

    여기서 Ea는 흡착반응의 활성화에너지(kJ/mol), k2는 유사 2차 속도상수(g/mg·h), A는 Arrhenius의 빈도상 수, R은 기체상수(8.314 J/mol·K), T는 온도의 절대온 도(K)이다.

    물리흡착 및 화학흡착은 Ea에 의해 어느 정도 구분할 수 있으며, Ea가 5 ~ 40 kJ/mol 이면 물리흡착을, 40 ~ 800 kJ/mol이면 화학흡착을 나타낸다(Hameed, 2007). Table 3의 유사 2차 반응속도상수(k2) 결과를 lnk2로 환 산하고 이를 식 (9)의 1/T에 대해 도시하여 구한 Ea를 Table 3에 나타내었다(WCP-AC의 경우 25.9 kJ/mol, WCP-AC-P1000은 48.5 kJ/mol). 이 결과를 상기 물리 흡착 및 화학흡착에 적용하면, WCP-AC 및 WCP-AC -P1000의 BPA의 흡착은 각각 물리흡착, 화학흡착에 의 해 일어남을 알 수 있었다. 즉, WCP-AC에 의한 BPA의 흡착은 흡착열이 낮고 가역적으로 일어나므로 온도가 증 가할 때 흡착제로부터 쉽게 탈착되어 흡착량이 크게 감 소하고, WCP-AC-P1000에 흡착된 BPA는 흡착열이 크 고 비가역적으로 일어나므로 온도변화에 따른 흡착량의 변화는 미미하다고 할 수 있다(Ruthven, 1984;Yang, 1987). 이러한 결과는 일반 활성탄에 의한 오염물질의 흡착은 주로 물리흡착에 의해 일어나고, 표면개질 활성 탄에 의한 흡착은 주로 화학흡착에 의해 일어난다는 Kim (2003)의 연구결과와 일치한다.

    3.3.3. pH의 영향

    용액의 pH가 활성탄 및 표면개질 활성탄의 BPA의 흡착에 미치는 영향을 검토하기 위하여 WCP-AC와 WCP-AC-P1000을 대상으로 40 mg/L의 BPA에 대해 반응용액의 pH를 완충용액을 사용하여 5 ~ 11로 변화시 켜 pH의 변화에 따른 평형흡착량(qe)를 측정하여 그 결 과를 Fig. 6에 나타내었다.

    그림에서 보여지는 바와 같이 pH 5~9 사이에서는 평 형흡착량이 WCP-AC 및 WCP-AC-P1000에 대해 500 ~ 510 mg/g, 628 ~ 638 mg/g 으로서 비슷한 흡착량을 보였으나, pH 11에서는 각각 423 mg/g, 451 mg/g으로 서 크게 감소함을 알 수 있었다. 이러한 결과는 Liu et al. (2009)의 활성탄 및 열처리 개질 활성탄에 의한 BPA의 흡착량의 변화, Lee et al.(2012)이 활성탄에 의한 eosin Y의 흡착량의 변화 등과 동일하였다. 이는 용액의 pH에 따른 활성탄의 표면 전하밀도와 BPA의 전하에 기인하 는데, 용액의 pH가 활성탄의 전하 제로점의 pH에 접근 하면, 활성탄의 표면 전하밀도는 0에 가깝고, 또한 BPA 가 중성을 띠고 있으면 활성탄과 BPA 사이의 π-π 분산 상호 작용이 강하게 되어 pH변화에 따른 흡착량의 변화 는 없는 것으로 사료된다. pH 11에서 WCP-AC 및 WCP-AC-P1000의 BPA의 흡착량이 크게 감소하는 것 은 이들 활성탄의 표면이 (-) 전하를 띄고, BPA 역시 (-) 전하를 띠어 정전기적 반발력이 작용하기 때문인 것으로 사료된다.

    3.3.4. 이온강도 변화에 따른 영향

    용액의 이온강도가 활성탄 및 표면개질 활성탄의 BPA 흡착에 미치는 영향을 검토하기 위하여 WCP-AC 및 WCP-AC-P1000을 대상으로 40 mg/L의 BPA에 대 해 NaCl의 농도를 0~0.5 mol/L로 변화시켜 NaCl의 농 도에 대한 평형흡착량(qe)을 Fig. 7에 나타내었다.

    그림에서 보여지는 바와 같이 활성탄의 종류와 무관 하게 NaCl의 농도가 증가함에 따라 평형흡착량(qe)이 증 가함을 알 수 있는데, 이러한 결과는 Liu et al.(2009)의 활성탄 및 열처리 활성탄에 의한 BPA의 흡착결과와 동 일하였다. 이는 이온강도가 증가함에 따라 활성탄과 BPA 사이의 π-π 분산 상호작용을 용이하게 하는 표면전 하의 차폐효과(screening effect)를 일으켜 흡착량을 증 가시키는 것으로 사료되며(Lopez-Ramon et al., 2002;Newcombe and Drikas, 1997), 이외에 이온강도의 증 가는 부가적으로 염석효과(salting out effect)를 일으켜 활성탄 및 표면개질 활성탄의 BPA의 흡착량을 증가시 키는 것으로 판단된다.

    4. 결 론

    제주도에서 다량으로 배출되는 biomass 자원인 폐감 귤박으로부터 제조한 활성탄을 다양한 농도의 P2O5로 표면개질하여 BPA의 흡착특성을 검토하였다. 또한 많 이 시판되고 있는 야자계 활성탄을 이용하여 동일한 방 법으로 표면개질하여 BPA의 흡착특성을 비교·검토하 였다.

    활성탄 및 표면개질 활성탄에 의한 BPA의 흡착평형 은 48시간 부근에서 도달하였고, 흡착속도는 유사 1차 속도식보다는 유사 2차 속도식에 더 잘 부합되었으며, 흡 착등온식은 Freundlich 식보다 Langmuir 식이 보다 나 은 적합성을 보였다.

    폐감귤박 활성탄의 표면개질시 P2O5의 농도가 증가함 에 따라 BPA의 흡착량은 증가하였으나 P2O5 농도 1000 mg/L 이상에서는 영향은 미미하였다.

    폐감귤박 활성탄 및 표면개질 활성탄의 BPA의 흡착 에서 반응온도가 증가함에 따라 반응속도는 증가하였으 나 평형흡착량은 감소하였으며, 특히 표면개질 전의 활 성탄은 크게 감소하였다. 그리고 폐감귤박 활성탄 및 표 면개질 활성탄의 BPA의 흡착량은 pH 5 ~ 9의 범위에서 는 비슷하였으나 pH 11에서는 크게 감소하였고, 이온 강도가 증가함에 따라 차폐효과 및 염석효과에 의해 증 가하였다.

    Figure

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    Adsorption of BPA onto various activated carbons at 25℃ and pH 7 (conc. of BPA : 40 mg/L; amount of activated carbons : 0.05 g).

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    Plots of (a) pseudo-first-order and (b) Pseudo-second-order kinetics for the adsorption of BPA onto various activated carbons at 25℃ and pH 7 (conc. of BPA : 40 mg/L).

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    Plots of (a) Langmuir isotherms and (b) Freundlich isotherms of BPA for various activated carbons at 25℃ pH 7.

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    Comparison of adsorptivity of BPA for surface modified activated carbons prepared using different P2O5 concentrations at 25℃ and pH 7 (conc. of BPA : 40 mg/L, amount of activated carbons : 0.05 g).

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    Effect of temperature on the adsorptivity of BPA at WCP-AC and WCP-AC-P1000 at pH 7.0 (conc. of bisphenol A : 40 mg/L, amount of WCP-AC and WCP-AC-P1000 : 0.05 g).

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    Effect of pH on the adsorptivity of BPA onto WCP-AC and WCP-AC-P1000 at 25℃ (conc. of BPA : 40 mg/L, amount of WCP-AC and WCP-AC-P1000 : 0.05 g).

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    Effect of ionic strength on the adsorptivity of BPA onto WCP-AC and WCP-AC-P1000 at 25℃ and pH 7 (conc. of BPA : 40 mg/L, amount of WCP-AC and WCP-AC-P1000 : 0.05 g).

    Table

    Kinetic parameters obtained for the adsorption of BPA (40 mg/L) onto various activated carbons

    Langmuir and Freudlich parameters for the adsorption of BPA onto various activated carbons

    Effect of temperature on pseudo-second-order rate constants and activation energy obtained from each pseudo second-order rate constants for the adsorption of BPA onto WCP-AC and WCP-AC-P1000 at pH 7.0

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