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Adsorption of Pb and Cu from Aqueous Solution by β-Glucan Crosslinked with Citric Acid
베타글루칸과 구연산의 교차결합 바이오 폴리머 흡착제를 이용한 수용액내 납과 구리의 흡착
Econ. Environ. Geol. 2022 Aug;55(4):367-76
Published online August 30, 2022;  https://doi.org/10.9719/EEG.2022.55.4.367
Copyright © 2022 The Korean Society of Economic and Environmental Geology.

Han Gyeol Jeon, Kyoung-Woong Kim*
전한결 · 김경웅*

School of Earth Sciences and Environmental Engineering, Gwangju Institute of Science and Technology (GIST), Gwangju, 61005, Republic of Korea
광주과학기술원 지구환경공학부
Received August 5, 2022; Revised August 24, 2022; Accepted August 25, 2022.
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
 Abstract
One of biopolymer, β-glucan (BG) chains were crosslinked by citric acid under the heating condition for the adsorption of Pb and Cu ions in the aqueous solution. The variation of functional groups on BG itself and crosslinked β-glucan (CBG) with their surface adsorption characteristics were investigated by FTIR and SEM-EDX. Adsorption kinetic results showed that adsorption of Pb and Cu onto the CBG followed the pseudo-second-order kinetic model and intra-particle diffusion model. The Langmuir adsorption model was depicted better adsorption characteristics than the Freundlich model. The adsorption capacities of Pb and Cu onto the CBG estimated by the Langmuir model were 59.70 and 23.44 mg/g, respectively. This study suggested that CBG may act as an eco-friendly adsorbent for the adsorption of Pb and Cu in the aqueous solution.
Keywords : biopolymer, β-glucan, adsorption, Pb and Cu, crosslinking
Research Highlights
  • In order to fabricate an absorbent for Pb and Cu in the solution, β-glucan which is one of the biopolymer was crosslinked with citric acid. The pseudo-second-order kinetic model, intra-particle diffusion model, and Langmuir model were used to explain the adsorption characteristics of Pb and Cu onto the crosslinked β-glucan.

1. 서 론

지속적인 도시화와 산업화에 따라 다량의 유기오염물질, 방사성물질, 중금속 등이 포함된 폐수가 수계로 방출되고 있다(Walker et al., 2005). 이 중 일부 중금속은 높은 생물축적성(bioaccumulation)으로 인하여 먹이사슬을 따라 인간에게 노출될 시 신경계, 피부 및 뇌에 다양한 질환 및 암을 유발할 수도 있어 IARC(International Agency for Research on Cancer)에서는 일부를 발암물질로 지정하고 있다(Briffa et al., 2020).

이에 따라 납과 구리와 같은 중금속을 함유한 폐수는 수계에 방출되기 전 적절한 처리가 필수로 이루어져야 하며, 이를 위해 화학적 침전법(precipitation), 전기화학적(electrochemical) 및 분리막(membrane)을 이용한 분리(separation)방법, 흡착(adsorption)법 등의 다양한 처리법들이 개발되어 왔다(Yang et al., 2015; de Luna et al., 2015). 그러나 침전법의 경우 많은 화학약품이 필요하거나 저농도의 오염물질 처리에는 부적합하며, 분리기술의 경우 설비비용 및 제조단가가 높은 문제를 안고 있다(Palet al., 2017). 이에 반해 흡착법은 오염물질에 따라 적절한 흡착제를 사용하는 방법으로 상대적으로 사용이 간편하고 설계가 쉬운 장점이 있으며, 최근 친환경성과 경제성을 동시에 도모하기 위해 생분해성 폐기물(biodegradable waste)이나 바이오폴리머(biopolymer)를 기반한 생물흡착(biosorption)이 주로 연구되고 있다(Wang et al., 2022; Jeon et al., 2020; Ko et al., 2022).

특히 바이오폴리머는 생물체에 의해 유래한 고분자물질로 사람이 먹을 수 있을 정도로 안전하여 농업, 제약산업, 식품산업 등 다양한 산업군에서 널리 사용되고 있으며, 중금속 흡착이 가능하다고 알려진 하이드록실기(hydroxyl group)나 카르복실기(carboxylic group)를 다량 포함하여 이를 이용한 중금속 흡착제 개발연구가 활발히 이루어지고 있다(Chang et al., 2016; Ko et al., 2022). 그러나 바이오폴리머는 친수성 물질로 수용액에서 단독으로 사용할 시 오염물질을 흡착하더라도 회수가 불가능하여 폐수처리에 사용할 수 없으며, 이에 따라 교차결합(crosslinking)을 통한 수용액에서 불용화가 필요하다고 알려져 있다(Elella et al., 2019). 또한 현재 바이오폴리머를 이용한 흡착제 개발연구는 키토산(chitosan), 알긴산(alginate), 녹말(starch)을 이용한 연구에 머물러 있어 다양한 바이오폴리머를 적용한 흡착 연구가 필요한 실정이다(Dong et al., 2010; Zhao et al., 2020; Xu et al., 2021).

베타글루칸(β-glucan, BG)은 바이오폴리머의 일종으로 하이드록실기가 다량 포함된 D-글루코오스(C6H12O6) 단량체가 베타 글리코시드 결합(β glycosidic bond)을 이루고 있어 효과적인 중금속 흡착이 예상된다(Chang et al., 2016). 그러나 현재 이를 이용한 중금속 흡착 연구는 전무하며, 이에 따라 본 연구에서는 베타글루칸을 이용한 납과 구리 흡착제를 제조하고자 하였다. 또한 이를 수용액 내에서 불용화시키기 위해 교차결합제는 과일에서 유래하여 베타글루칸의 친환경성을 유지할 수 있는 구연산(citric acid, CA)을 이용하였다. 이후 교차결합과정을 거친 베타글루칸(crosslinked β-glucan, CBG)은 기초특성 및 흡착특성 평가를 진행하여 수용액 내 납과 구리 흡착제로서의 적용 가능성을 도출하고자 하였다.

2. 연구방법

2.1. 실험재료

CBG 합성에 사용한 베타글루칸은 분말형태로 ㈜글루칸에서 제조한 것을 사용하였으며, 구연산은 Sigma-Aldrich사에서 제조한 순도 99.5% 이상의 시약을 사용하였다. 흡착실험에 사용할 납과 구리 용액을 제조하기 위해 먼저 Pb(NO3)2 (Sigma-Aldrich, >99%)와 Cu(NO3)2 (Duksan, >99%)를 이용하여 각각 농도가 1000 mg/L인 1 L의 단일 표준용액을 제조하였다. 이를 다시 실험 조건에 따라 희석하였으며, 수용액 pH는 0.1 N HCl과 NaOH를 이용하여 조절하였다.

2.2. CBG 합성

BG과 CA의 교차결합 반응은 BG, CA, 증류수 비율을 각각 30 g: 10 g: 1 L로 한후 균질기를 이용해 13,000 rpm조건에서 완전히 혼합하였으며, 이후 BG와 CA를 혼합한 용액은 건조기에서 165℃ 조건으로 20분 동안 가열하였다. 이는 기존 연구에서 녹말과 CA의 교차결합 시 본합성조건에서 가장 높은 교차결합 정도를 보였기 때문이다(Yang et al., 1997; Bueno et al., 2013). 이후 가열한 혼합용액은 건조기에서 70℃ 조건으로 3일 동안 완전히 건조시켰으며, 건조된 CBG는 유발을 이용하여 분쇄한 후 20 mesh (840 μm) 간격의 눈금체를 이용해 체질하였다. 체를 통과한 CBG는 합성과정 중 교차결합이 되지 않은 BG를 제거하기 위해 증류수를 이용하여 3일 동안 세척과정을 거쳤으며, 이때 증류수는 8시간 간격으로 교체하였다. 세척한 CBG는 다시 건조기에서 하루 동안 70℃ 조건으로 완전히 건조한 후 PP재질의 밀폐용기에 보관하여 실험에 사용하였다(Fig. 1).

Figure 1. Images of (a) β-glucan (BG) and (b) crosslinked β-glucan (CBG).

2.3. 특성평가

제조된 CBG는 FTIR (Fourier-transform infrared spectroscopy; Vertex 70v, Bruker, USA)을 이용하여 표면에 존재하는 작용기를 확인하고자 하였으며, SEM (Scanning Electron Microscope; S-4800, Hitachi, Japan)를 이용하여 BG와 CBG의 표면형태를 관찰하고자 하였다. 또한 CBG에 납과 구리를 흡착시킨 것을 건조하여 SEM-EDX(Energy-dispersive X-ray spectroscopy; EMAX, Horiba, Japan) 분석을 실시하였다.

2.4. 흡착특성 평가

수용액 pH 변화에 의한 CBG의 흡착량 변화를 관찰하기 위해 표준용액을 이용하여 pH가 2~6으로 조절된 50 mg/L의 각각의 납과 구리 용액을 제조하였다. 이후 제조한 용액100 mL와 CBG 0.05 g을 300 mL 삼각플라스크에 투입하여 12시간 동안 150 rpm, 25℃조건으로 항온 진탕하였다. 반응이 종료된 샘플은 PTFE 재질의 공극이 0.45 μm 크기인 시린지(syringe) 필터를 이용하여 여과를 진행하였고, 여과된 용액은 ICP-OES (ICAP 7400 DUO, Thermo Scientific, USA)를 사용하여 농도를 측정하였다. 측정된 농도는 식 (1)을 통하여 흡착량을 산정하였으며, 이 때 q는 흡착량(mg/g), C0와Ce는 납과 구리의 초기농도 와 평형농도(mg/L), V와 m은 용액의 용량(L)과 흡착제의 투입량(g)을 의미한다. 또한 본 실험과 이후 모든 흡착특성 평가는 3회 반복한 것의 평균값을 적용하였다.

q=C0CeVm

CBG의 흡착속도 평가를 위해 먼저 표준용액을 이용하여 납과 구리의 농도가 각각 50 mg/L, pH가 5인 2 L의 용액을 제조하였다. 각각의 제조한 용액 2 L는 CBG 1 g과 함께 2 L 비커에 담아 23~25℃의 실내조건에서 교반기를 이용하여 12시간 교반하였으며, 일정 시간에서 약 4 mL씩 분취하였다. 분취한 용액은 위와 동일한 방법으로 여과 및 분석을 진행한 후 측정된 농도는 식 (1)을 통해 시간별 흡착량을 계산하였다.

등온흡착 실험은 제조한 표준용액을 이용하여 납과 구리가 10~400 mg/L, pH 5로 조절된 용액을 각각 제조한 후 삼각플라스크에 제조한 용액 100 mL와 CBG 0.05 g을 투입하여 12시간 동안 150 rpm, 25℃조건으로 항온진탕하였다. 이후 실험방법은 이전 실험과 동일하게 진행되었으며, 측정된 농도를 이용하여 평형조건에서의 흡착량을 산출하였다.

3. 결과 및 토의

3.1. CBG 특성평가

FTIR을 이용한 적외선 분광법은 분자 내 적외선을 투과하여 특정 공유결합에 의한 진동을 측정할 수 있게 하는 방법으로 BG와 CBG에 대한 분석결과를 Fig. 2에 나타내었다. 분석결과, BG와 CBG 모두 1019 cm-1, 1639 cm-1, 3426 cm-1에서 –OH에 의한 피크가 관측되었으며, 1160 cm-1, 1413 cm-1, 2930 cm-1에서 각각 C-O, CH2, C-H에 의한 피크를 보였다(Wang et al., 2008; Limberger-Bayer et al., 2014; Hu et al., 2020). 그러나 CBG에서 단독으로 1712 cm-1에서 에스터와 카복실산에 의한 C=O 피크가 관찰되었다. 이는 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 BG와 CA 혼합물을 고온에서 가열하면 CA는 탈수반응에 의해 무수물이 형성된 이후 에스테르화(esterification)를 통한 교차결합이 이루어지고 CA에 포함된 카복실산이 추가되기 때문이다(Xie et al., 2004; Srikaeo et al., 2019). 따라서 BG는 CA에 의해 교차결합이 되면 하이드록실기 뿐만 아니라, 식 (2)에서 나타낸 바와 같이 형성된 카복실기가 중금속 흡착에 작용할 것으로 예상되며(Bartczak et al., 2018), Wang et al.(2022)은 카복실기는 중금속 흡착 시 가장 중요한 작용기라 보고하여 BG는 구연산과 교차결합 후 효과적인 중금속 흡착이 가능할 것으로 판단하였다.

Figure 2. FTIR spectra of BG and CBG.
Figure 3. Reaction scheme of citric acid under the heating condition with β-glucan, R represents β-glucan (Hashem et al., 2005).

2RCOOH+Me2+ RCOO 2Me2++2H+

이후 SEM을 이용하여 BG와 CBG의 표면을 관찰하였다(Fig. 4). 분석 결과, BG의 경우 대부분이 20 um 이하의 크기를 가진 불규칙적인 다각형 형태를 가진 입자거나 이러한 입자가 결합된 100 um 이하의 크기를 가진 집합체로 관찰되었다. CBG의 경우 에스테르화에 의한 교차결합으로 인하여 입자 크기가 매우 조대해짐을 관찰하였다. 그러나 교차결합 이후 전체적인 표면 형태는 크게 변화하지 않았으며, 이는 CA와 가열에 의한 교차결합은 BG의 형태 변화에 악영향을 미치지 않았음을 의미한다(Luo et al., 2009).

Figure 4. SEM images of (a) BG and (b) CBG and EDX spectra of CBG after (c) Pb adsorption and (b) Cu adsorption.

추가적으로 CBG에 납과 구리를 흡착시킨 것을 다시 건조하여, SEM-EDX 분석을 실시하였다(Fig. 4). 반응 후 CBG 표면에서 납과 구리를 흡착한 것을 확인하였으며, 이때 CBG의 형태는 유지하는 경향을 보여 향후 CBG의 수용액에서 오염물질을 흡착 후 재이용 가능성을 확인하였다.

3.2. pH에 의한 흡착량 변화

수용액 pH는 흡착제의 표면 전하에 영향을 미칠 뿐만 아니라 수용액에서 피흡착질의 종 변화에도 관여하기 때문에 흡착공정에서 최적 pH를 선정하는 것은 매우 중요하다(Yan et al., 2018). 이에 수용액 내 pH 변화에 따른 흡착량 변화 실험을 수행하였으며, 납과 구리는 pH 6 이상에서 침전이 시작되므로 실험은 pH 6 이하에서 진행되었다(He et al., 2017). 실험결과, CBG는 pH 2~6 조건에서 납과 구리의 흡착량은 각각 2.09~57.80 mg/g, 1.25~23.60 mg/g으로 나타났으며, pH가 낮아질수록 흡착량이 감소하는 경향을 보였다(Fig. 5). 이러한 결과는 수용액 내 pH가 감소함에 따라 수용액 내 Pb2+과 Cu2+이온과 경쟁하는 수소이온이 증가하고(Huang et al., 2009), 카르복실기와 같이 중금속 흡착에 관여하는 산소 함유작용기(oxygenated functional group)는 낮은 pH에서 다량의 수소이온에 의해 탈수소화가 방해되어 흡착제의 흡착능을 저하시킬 수 있기 때문이다(Ahmad et al., 2021). 또한 납과 구리 흡착량은 pH 3 조건에서 급격히 감소함을 보였다. 이러한 결과는 Chen et al.(2003)의 CA와 교차결합한 땅콩껍질의 구리 흡착 연구결과와도 유사하였으며, Chen et al.(2003)는 흡착제의 산해리 상수(pKa)가 약 4임에 따라 pH 3 조건에서 구리 흡착량이 급격히 감소하였다고 보고하였다. 따라서 CBG를 납과 구리 흡착제로 이용할 시 수용액 pH는 4~6가 가장 적합할 것으로 보이며, 상대적으로 낮은 pH에서 본 흡착제를 적용할 시 알칼리물질을 이용한 pH 조절이 필요할 것으로 판단된다.

Figure 5. Effect of initial solution pH on (a) Pb adsorption and (b) Cu adsorption onto CBG.

3.3. 흡착속도

평형조건에서의 흡착량 산정은 흡착제의 성능을 판단할 수 있는 가장 중요한 정보이며 흡착공정에서 필수적으로 고려해야 하는 사항이다(Yari et al., 2015). 그러나 흡착제의 최적 반응시간을 도출하는 것 또한 효과적인 흡착공정 운용을 위해 필요한 인자 중 하나이며 흡착속도실험을 통해 피흡착질의 확산메커니즘을 도출할 수 있다고 알려져 있다(Tanan et al., 2020). 따라서 본 연구에서는 CBG를 이용한 납과 구리 흡착속도 실험을 진행하였으며, 이후 도출한 데이터는 유사 1차 반응속도식(pseudofirst-order-kinetic model, PFO, 식 (3))과 유사 2차 반응속도식(pseudo-second-order kinetic model, PSO, 식(4))을 이용하여 Wang and Guo(2019)가 제시한 바와 같이 비선형(non-linear) 그래프로 나타내었다.

qt=qe1expk1t

qt=qe2k2t1+qek2t

위 식에서 qe는 평형조건에서 흡착량, qt는 t 시간에서의 흡착량이며 k1과 k2는 각각 속도상수이다. Fig. 6은 CBG의 납과 구리 흡착속도 실험결과와 이를 다시 PFO와 PSO를 이용하여 비선형으로 나타낸 것이며, Table 1에 PFO와 PSO을 통해 도출한 파라미터를 정리하였다. Table 1에서 PFO와 PSO의 결정계수(R2) 값은 납에서 각각 0.988과 0.992, 구리에서 각각 0.866와 0.934으로 나타나 PSO가 PFO보다 본 흡착과정에 잘 맞는 것을 알 수 있다. 또한 Fig. 6에서 납과 구리 흡착량은 PSO에서 도출된 qe,cal값 대비 60~120분에서 각각 78.8~84.3%, 88.8~92.4%의 흡착량을 보인 후 느린 흡착속도를 보였다. 따라서 본 CBG를 실제 납과 구리 폐수에 적용 시 1~2시간의 처리시간이 적절할 것으로 판단된다.

Table 1 . Kinetic parameters of Pb and Cu onto CBG derived from kinetic models.

ParametersAdsorbates
PbCu
Pseudo 1st-orderqe, cal (mg/g)64.1616.77
K1 (1/min)0.0360.063
R20.9880.959
Pseudo 2st-orderqe, cal (mg/g)70.73118.066
K2 (1/min)0.00060.005
R20.9920.986
Intra-particle diffusionKid (mg/g·min0.5)8.0931.753
B-5.0062.628
R20.9860.920

Figure 6. Adsorption kinetic simulation for absorbed (a) Pb and (b) Cu onto CBG.

이와 같이 PFO와 PSO에서 도출된 파라미터 및 그래프는 흡착속도 및 흡착량을 예상할 수 있게 한다. 그러나 두 식은 모두 경험식으로 피흡착질의 확산메커니즘은 파악할 수 없다(Wang and Guo, 2019). 따라서 본 연구에서는 내부확산식(intra-paritcle diffusion model, IPD)을 이용하여 확산메커니즘을 확인하였다.

내부확산식은 Weber and Morris(1963)에 의해 제안된 식으로, 용액에서부터 피흡착질의 확산과정은 먼저 흡착제의 외부표면에서의 확산(external diffusion), 두번째로 흡착제의 공극 내부에서의 확산(intraparticle diffusion), 마지막으로는 내부확산속도가 감소하는 평형 단계를 가진다고 가정한다. 이 때 확산과정에서 내부확산이 지배할 시 흡착제의 흡착량(q)은 시간(t)의 제곱근에 비례한다 하였다(식 (5)).

qt=Kidt1/2+B

이때 qt는 시간(min)에서의 흡착량(mg/g), kid는 속도상수(mg/g·min1/2), B는 표면(film)경계의 두께를 나타내며, 만약 B값이 0임에 따라 직선식이 원점을 지나면 내부확산이 속도결정단계(rate controlling step)임을 나타낸다. IPD를 적용하기 위해 시간 변화(t1/2)에 따른 CBG의 납과 구리 흡착량 변화 그래프를 Fig. 7에 나타내었으며, 납과 구리 모두 60분을 기준으로 흡착량이 감소함을 보였다. 이는 위에서 언급한 가정과 같이 흡착시간 60분에서 수용액의 농도 또는 흡착제 내 흡착점(adsorption site)이 감소됨에 따라 평형단계로 진입한 것으로 판단된다. 이에 60분을 기준으로 확산단계를 두단계로 분리하였고, 평형 단계 이전인 60분 이전의 값만 식에 적용하였다. 적용 결과, 납과 구리에 대한 IPD의 결정계수 값은 각각 0.986, 0.920로 나타났고 직선식은 모두 원점을 지나지 않았다(Table 1). 따라서 CBG에 의한 납과 구리의 확산 과정은 내부확산이 지배하지 않음을 알 수 있으며, 많은 연구에서 직선식이 원점을 통과하지 않을 경우, 내부확산과 외부확산 모두 속도결정단계에 영향을 미친다고 보고하였다(Wu et al., 2013; Tanan et al., 2020).

Figure 7. Intra particle diffusion plots for absorbed (a) Pb and (b) Cu onto CBG.

3.4. 등온흡착

평형조건에서 액상의 피흡착질이 흡착제로 분리되는 형태는 등온흡착 실험과 등온흡착식 적용을 통해 도출될 수 있으며, Freundlich과 Langmuir식은 가장 대표적인 등온흡착식으로 알려져있다(Tran et al., 2016). 이 중 Freundlich식은 비균질한 흡착제의 표면에서 비포화상태의 흡착을 가정하며, Langmuir식은 동일한 에너지를 가지는 제한된 개수의 흡착점에서 단층(monolayer)흡착과 가역적(reversible)인 흡착과정을 가정하는 식으로 각각 식 (6)와 식 (7)에 나타내었다(Freundlich, 1906; Langmuir, 1918).

qe=KFCe1/n

qe=QmKLCe1+KLCe

RL=11+KLC0

여기서 KF와 1/n은 각각 오염물질에 대한 흡착능과 흡착강도, Qm과 KL는 CBG의 최대흡착량(mg/g)과 흡착상수(L/mg) 이며, 식에서 도출된 비선형 그래프는 Fig. 8에, 파라미터는 Table 2에 나타내었다. Table 2에서 Freundlich식과 Langmuir식의 결정계수 값은 납에서 각각 0.931과 0.968, 구리에서 각각 0.866과 0.934로 계산되었다. 따라서 Langmuir식이 평형조건에서 CBG의 납과 구리 흡착형태를 더 잘 설명하는 것을 알 수 있다. 흡착평형 값이 Langmuir식에 부합할 시 Hall et al.(1966)은 분리계수(partition coefficient, KL, 식 (8))를 산출할 수 있다고 보고하였으며, 이때 분리계수가 1보다 클 시 흡착공정에 적합하지 않고(unfavorable), 0< KL< 1일 때 적합(favorable), 0일 때 비가역적, 1일 때 선형적이라 하였다. 분리계수식 적용결과(Table 2), 납과 구리는 분리계수가 각각 최대 0.291과 0.362로 나타나 모두 흡착공정에 적합한 것으로 나타났다. 또한 Langmuir식에서 도출한 납과 구리의 최대흡착량은 각각 59.70, 23.44 mg/g으로 계산되었으며, 이는 Table 3에서 도출한 바와 같이 타 바이오폴리머 흡착제와 비교할 시 비슷하거나 다소 낮은 흡착능을 갖는 것으로 나타났다. 그러나 CBG는 구연산에 의해 교차결합되어 환경적 관점에서 타 흡착제에 비해 우위를 점할 수 있으며, 현재 베타글루칸에 의한 수용액 내 중금속 흡착은 전무함에 따라 향후 추가연구가 진행될 시 흡착능 증진이 가능할 것으로 판단된다. 또한 실제 흡착공정에서 흡착제는 입경에 따라 사용성이 달라질 수 있을 뿐만 아니라, 폐수 내 존재하는 다양한 종류의 이온이 서로 경쟁하여 흡착특성이 변화할 수 있어 이에 따른 추가 연구가 뒷받침되어야 할 것으로 판단된다.

Table 2 . Isotherm parameters of Pb and Cu onto CBG derived from isotherm models

ParametersAdsorbates
PbCu
FreundlichKF (mg/g)/(mg/L)n27.72511.618
n0.1590.142
R20.9310.866
LangmuirKL (L/mg)0.9730.616
qm (mg/g)59.7023.44
R20.9680.934
Partition coefficientRL0.001~0.2910.001~0.362

Table 3 . Maximum adsorption capacities of Pb and Cu ions by different absorbents

Adsorbentsqm (mg/g)
PbCu
Porous starch xanthate109.1Ma et al.(2015)
Carboxymethyl sago starch-acid hydrogel109.921.9Basri et al.(2016)
Oxidized starch nanoparticles70.5863.15Liu et al.(2018)
Ethylene diamine crosslinked starch8.1Dong et al.(2010)
Chitosan/poly(vinyl) alcohol thin adsorptive membrane21.6Salehi et al.(2012)
Chitosan modified by EGTA103.5Zhao et al.(2013)
Sodium Alginate modified by Titania-Coated Silica32.522.4Kołodyńska et al.(2018)
β-glucan crosslinked with citric acid59.7023.44This study

Figure 8. Adsorption isotherm simulation for absorbed (a) Pb and (b) Cu at different metal concentrations onto CBG.
4. 결 론

본 연구에서는 바이오폴리머의 일종인 베타글루칸과 구연산을 이용하여 교차결합한 납과 구리 흡착제(CBG)를 제조하였으며, 다음과 같은 실험을 통하여 CBG의 기초특성 및 흡착특성을 확인하였다. CBG에 대한 FTIR 분석결과, 1712 cm-1에서 에스터와 카르복실산에 의한 C=O 피크가 관찰되었으며, 이는 베타글루칸과 구연산이 가열시 에스테르화에 의해 교차결합이 이루어짐에 따른 것으로 판단하였다. pH에 의한 흡착량 변화 실험결과, CBG는 수용액 pH 4~6 조건에서 납과 구리 흡착이 용이한것으로 나타났다. 흡착속도 실험결과 CBG는 1시간 내에 납과 구리를 각각 78.8%, 88.8% 흡착하는 것을 관찰하였으며, 이때 흡착과정은 PSO모델을 따르는 것을 보였다. 또한 흡착속도 결과를 다시 IPD에 적용하였을 시 CBG에 의한 납과 구리 흡착은 내부확산과 외부확산을 따르는 것으로 나타났다. 이후 등온흡착 실험에서는 Langmuir식에 적합한 것으로 나타났으며, 이 때 납과 구리의 최대흡착량은 각각 59.70, 23.44 mg/g으로 계산되었다. 본 연구는 수용성의 베타글루칸을 구연산을 이용하여 불용성인 납과 구리의 흡착제를 제조함에 의의가 있으며, CBG는 향후 친환경적인 흡착제로서의 적용성이 기대되는 바이다.

사 사

본 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구 (2021R1A2C1094272) 입니다.

References
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