PC88A가 함침된 실리카를 이용한 수용액 중의 Zn(Ⅱ) 이온의 제거

박 종 철, 이 종 협

서울대학교 응용화학부

Zn(Ⅱ) ion Removal from Aqueous Solutions using PC88A Impregnated Silica Powder

Jongchul Park and Jongheop Yi

School of Chemical Engineering, Seoul National University

1. 서론

도금이나 전자 산업 등의 제조 공정 중에서 발생하는 중금속을 포함하고 있는 산업 폐수로부터 중금속을 회수하고 공업 용수를 재활용하는 것은 경제적으로도 이익이며 환경 친화적이기도 하다.

본 연구에서는 중금속 중에서도 Zn(Ⅱ) 이온을 회수하기 위하여 이와 선택적으로 반응하는 2-ethyl hexyl hydrogen 2-ethyl hexyl hydrogen phosphonate (PC88A)를 실란을 이용하여 실리카 표면에 고정시켰다. 이렇게 제조된 담체의 Zn(Ⅱ) 이온에 대한 흡착 용량과 산성 용액 및 알칼리성 용액, pH 4.0 완충 용액에서의 안정성을 알아보았다.

2. 실험

실험에 사용된 실리카 분말은 Aldrich Co.에서 구입한 그대로 사용하였으며 표면적은 300m2/g, 평균 기공 직경은 15.0nm이었다. PC88A를 담체의 표면에 담지시키기 위하여 □-Aminopropyltriethoxysilane (APTES)와 Dichlorodimethylsilane (DCDMS)의 두 가지 실란 물질을 사용하였다. 시약은 모두 분석급이 사용되었으며, 흡착 실험에서는 중금속 용액의 pH를 일정하게 유지하기 위하여 Potassium Hydrogen Phthalate (C8H5KO4)를 이용하여 제조한 완충 용액을 사용하였다. 중금속 이온의 농도는 Atomic Absorption Spectrometer(Perkin-Elmer, Model 3110)를 사용하여 측정하였으며, 담체내 유기물의 원소 분석을 위해서 CHNS-Corder (Leco, Model CHNS-932)를 사용하였다.

2.1. 담체의 제조

2.1.1. SPA 제조 : 10g의 실리카 담체를 100℃ 오븐에서 3시간 동안 건조시켰다. 건조된 담체를 100ml의 10%(w/w) APTES/톨루엔 용액과 16시간 동안 반응시켰다. 반응이 끝난 담체를 100ml의 톨루엔으로 3회 세척한 다음 오븐에서 100℃로 13시간 동안 건조시켰다.

2.1.2. SPD 제조 : 10g의 실리카 담체를 100℃ 오븐에서 3시간 동안 건조시켰다. 건조된 담체를 40g의 DCDMS와 16시간 동안 반응시켰다. 반응이 끝난 담체를 30∼60 mmHg의 압력, 35℃의 온도에서 진공 건조시켜 반응하지 않고 남아있는 DCDMS를 제거하였다. 이어서, 남아있는 HCl을 제거하기 위하여 증류수로 세척하였고, 30 mmHg의 압력, 45℃의 온도에서 진공 건조시켜 남아있는 증류수를 제거하였다.

2.1.3. PC88A 함침 : 표면 처리를 하지 않은 실리카 담체(SP)와 실란으로 표면 처리한 담체 두 가지(SPA, SPD)에 각각 PC88A를 함침시켰다. 각 담체 5g에 10%(w/w) PC88A/톨루엔 용액을 가하여 가볍게 교반하면서 2시간 동안 반응시킨 다음 50℃에서 10시간 동안 건조시켰다. 이후 30 mmHg의 압력, 45℃의 온도에서 진공 건조시켜 톨루엔을 제거하였다. 이와 같이 제조된 담체를 각각 SPP, SPAP, SPDP라 하였다. 담체를 제조하는 각 단계마다 원소 분석을 실시하여 담체 내의 탄소의 함량 변화를 조사하였다.

2.2. Zn(Ⅱ) 이온 흡착 용량 및 안정성 실험

2.2.1. 흡착 용량 측정 : 각 담체 0.2g을 25ml의 5 mmol, pH 4.0 Zn(Ⅱ) 이온 수용액과 24시간 동안 교반하면서 반응시켜 평형에 도달하도록 한 다음 AA를 이용하여 Zn(Ⅱ) 이온의 농도 변화를 측정하여 구하였다.

2.2.2. 안정성 실험 : 각 담체들의 산성 용액(0.1 M HCl, 1.0 M HCl), 염기성 용액(0.01 M NaOH), 그리고 pH 4.0 완충 용액에 대한 안정성을 조사하기 위하여 각 담체 2.0g 씩을 각각의 용액 30ml에 7일간 접촉시킨 다음 흡착 용량의 변화와 원소 분석을 실시하였다.

3. 실험 결과

Fig. 1에 담체 제조 과정의 각 단계별로 원소 분석에 의한 담체내의 탄소 함량을 나타내었다. APTES나 DCDMS와 같은 실란은 실리카 표면에 존재하는 실라놀 그룹과 반응하는 것으로 보고되어 있다[1,2]. 본 연구에서는 DCDMS가 실라놀과의 반응성이 더 좋은 것으로 나타났다. 단계별로 탄소 함량이 변화하는 것으로부터 각 담체에 함침된 PC88A의 양을 계산하였다. SPP, SPAP, SPDP가 각각 0.667, 0.632, 0.469 mmol/g이었다. SPP와 SPAP의 경우에는 PC88A의 함침량이 유사한데 반하여 SPDP는 상대적으로 함침량이 적은 것으로 나타났다.

각 담체의 흡착 용량을 Fig. 2에 나타내었다. SPP와 SPAP는 0.268과 0.279 mmol/g이었고 SPDP는 0.120 mmol/g이었다. 원소 분석의 결과에서 SPDP가 PC88A의 함침량이 가장 낮은 것으로 나타났는데 흡착 용량에 있어서도 다른 두 가지 담체에 비하여 낮은 것으로 나타났다. 이러한 두 가지 결과에서 각 담체들의 Zn(Ⅱ) 이온에 대한 흡착 용량은 실리카에 고정된 PC88A의 양에 비례하는 것으로 나타났다.

Fig. 1. Carbon contents change of each preparation steps.

Fig. 2. Zn(Ⅱ) ion adsorption capacity of SPP, SPAP, SPDP.

각 담체의 안정성을 조사하였다. Fig. 3에 SPDP 담체를 pH 4.0 완충 용액, 1.0 M HCl 용액, 0.1 M HCl 용액, 0.01 M NaOH 용액의 4가지 서로 다른 용액에서 7일 동안 처리한 후에 원소 분석에 의해 구한 담체 내의 탄소 함량을 처리 전과 비교하여 나타내었다. SPDP 담체는 산성 용액과 완충 용액에 대하여 매우 높은 안정성을 보였지만 알칼리성 용액에서는 안정성이 낮은 것으로 나타났다. 완충 용액에서 탄소 함량이 오히려 증가한 것으로 나타난 것은 완충 용액의 제조에 사용된 Potassium Hydrogen Phthalate의 영향인 것으로 생각된다. SPDP 담체와 비교하여 SPP 담체는 각 용액에서의 탄소 함량이 처리 전과 비교하여 46∼67 % 정도가 감소하여 안정하지 못한 것으로 나타났으며, SPAP 담체의 경우에는 1.0 M HCl에 대해서는 65 %, 0.1 M HCl에 대해서는 17 %, NaOH 용액에 대해서는 34 % 가 감소하여 SPDP에 비하여 상대적으로 안정성이 낮은 것으로 나타났다. 또한, 처리 후의 담체들의 Zn(Ⅱ) 이온에 대한 흡착 용량을 조사하였는데 결과는 원소 분석에서의 결과와 일치하는 것으로 나타났다.

Fig. 3. Carbon contents change after the stability test.

4. 결론

담체들의 흡착 용량은 SPP, SPAP가 SPDP에 비하여 높은 것으로 나타났지만 안정성은 SPDP가 NaOH 용액을 제외하고서는 가장 높은 것으로 나타났다. 실제 공정은 일반적으로 산성 조건에서 이루어지므로 SPDP 담체가 Zn(Ⅱ) 이온을 제거하는데 효율적인 것으로 생각된다. 다만, SPDP 담체의 흡착 용량을 증가시키는 것이 필요하다

참고문헌

1. 김종성, □화학적으로 변형된 세라믹 담체를 이용한 수용액중의 중금속의 제거에 관한 연구□, 서울대학교 박사학위 논문, 1998.

2. Nandkumar V. Deorkar and Lawrence L. Tavlarides, Ind. Eng. Chem. Res., 36, 399∼406, (1997).

3. Karl C. Vrancken et al. J. Colloid and Interface Science, 170, 71∼77, (1995).