PAN-K2Ti4O9 bead의 스트론튬 이온에 대한 흡착 특성

김형태,문제권*,정종헌*,오원진*,설용건

연세대학교 화학공학과, 한국원자력연구소*

Adsorption Properties of Strontium Ion by PAN-K2Ti4O9 bead

H.T. Kim, J.K. Moon*, C.H. Jung*, W.Z. Oh*, Y.G. Shul

Dept. of Chemical Engineering. Yonsei University

Korea Atomic Energy Research Institute*

서 론

방사성 폐기물 및 중금속 이온을 포함한 폐기물 처리에는 유·무기 이온 교환제를 이용한 흡착방법이 있다4,5. 이중 내산성 및 스트론튬 이온에 선택적 흡착능이 있는 potassium titanate는 강산 영역에서 스트론튬 이온 제거에 이용되어져 왔던 무기 이온 교환제이다. 대부분의 무기 이온교환제들은 특정 이온에 대한 선택적 흡착능이 있지만 칼럼 충진제로 사용될 때 압력 강하의 문제로 pellet이나 bead형태로 성형하여 사용된다. 특히. 무기 흡착제인 제올라이트는 특정 이온에 대한 높은 선택성과 열적 및 방사선 안정성 때문에 여러 가지 폐기물 처리에 이용되어져 왔지만 칼럼 충진제로 사용될 경우 물질 전달 속도가 느려서 광범위한 사용에 제한을 받아왔다.

이러한 단점을 보완하기 위해서 유·무기 복합 흡착제에대한 연구가 활발히 진행되고 있다2. 특히 유기 고분자인 PAN(polyacrylonitrile)은 성형성이 좋을 뿐만 아니라 산에 대한 안정성, 무기물과의 접착성, 화학적 안정성 때문에 널리 이용되고 있는 유기 고분자 물질이다. 특정 이온에 대한 높은 선택성을 지닌 무기 이온교환제와 성형하기 쉬운 고분자 물질의 특성을 갖춘 유·무기 복합 흡착제의 성공적 제조는 유·무기 흡착제 각각의 단점을 충분히 보완하리라 생각된다.

본 연구에서는 이러한 스트론튬 이온에 선택적인 무기 이온교환제, potassium titanate와 성형성이 좋은 유기 고분자, PAN을 결합한 복합 흡착제를 이용하여 스트론튬 이온 제거에 대한 pH 영향 및 흡착 평형 실험을 통해 복합 bead내에 존재하는 무기물 양에 따른 흡착 특성을 연구하고 실험 데이터로부터 흡착 모델에 적용하여 적합한 모델을 찾고자 하였다.

2. 실험방법

2-1. 분배계수 결정 및 pH 영향

Sr 이온에 대한 분배계수 결정 및 pH 영향을 알아보기 위해 회분식 방법으로 흡착 실험을 수행하였다. Sr 용액의 pH는 2∼11 고정하였으며, 0.002N Sr(NO3)2용액 10mL에 potassium titanate 함량이 각각 80%, 90%인 PAN-K2Ti4O9 bead 0.1g을 각각의 용액에 넣은 후 25℃, 185rpm에서 하루동안 교반하였다. 반응이 끝난 후 Sr 용액을 0.45□ syringe filter로 여과한 후 상등액의 일정량을 취하여 PERKIN-ELMER사의 A.A 분석장치를 사용하여 Sr 용액의 잔류농도를 측정하였다. Sr 이온에 대한 분배계수(Kd,sr)는 다음과 같이 정의된다.

[eqn: {K_d}~=~{{C_i}~-~{C_f}}over{{C_f}} TIMES {V/m}~~~~~ [mL/g] ~~~~~~~ (1)]

여기서,

Ci, Cf = Concentration of Sr at initial and final time. [meq/mL]

V = Volume of the solution used [mL]

m = mass of adsorbent used [g]

2-2. 흡착 평형

무기물 함량비에 따른 PAN-K2Ti4O9 bead의 Sr 이온에 대한 흡착 용량을 알아보기 위한 실험을 회분식 방법으로 수행하였다. Sr 용액의 pH는 2로 고정하고 0.002N Sr(NO3)2 용액 10mL에 potassium titanate 함량이 각각 80%, 90%인 PAN-K2Ti4O9 bead 0.1g을 각각 넣은 후 25℃, 185rpm에서 24시간 동안 교반하였다. 반응이 끝난 후 Sr용액을 0.45□ syringe filter로 여과한 후 상등액의 일정량을 취하여 PERKIN-ELMER사의 A.A 분석장치를 이용하여 Sr용액의 잔류농도를 측정하였다.

3. 결 과

3.1. 분배계수 결정

pH 변화에 따른 PAN-K2Ti4O9 bead의 Sr 이온에 대한 선택도 실험 결과를 그림 1에 나타내었다. pH 2 ∼ 9에서는 분배계수 값이 일정하고 pH=11에서 분배계수 값이 증가함을 보여주고 있다. 이 결과는 강산 영역에서 Sr에 대한 PAN-K2Ti4O9 bead의 선택성이 높음을 의미한다. 또한 무기물 함량비가 90%인 PAN-K2Ti4O9 bead가 80% PAN-K2Ti4O9 bead보다 분배계수 값이 큼을 보여주고 있으면 있는 복합 bead내의 무기물 함량에 기인한 것이다.

3.2. 흡착 평형

PAN-K2Ti4O9 bead의 Sr 이온에 대한 흡착 평형 실험 결과를 그림 2에 나타내었다. 실험 결과에 대한 평형 모델식으로 Langmuir, Freundlich 및 Dubinin-Polyani 식을 사용하였으며, 각각의 모델식은 다음과 같다1,3.

Lanmuir equation;

[eqn: Q~=~{{Q_m}~b~C}over{1~+~b~C}~~~~~~~~~~~(1)]

Freundlich equation;

[eqn: Q~=~k~C^{1/n}~~~~~~~~~~~~~~~(2)]

Dubinin-Polyani equation;

[eqn: Q~=~{Q_m}exp[-k{R^2}{T^2}{(ln(Cs/C))^2}]~~~~~(3)]

여기서,

Qm = Maximum capacity for cation [meq/g]

Q = Concentration of cation in solid phase [meq/g]

C = Concentration of cation in solution phase [meq/mL]

b,n,k = Isotherm constant for cation

Cs = Solublity of the salt in water [meq/mL]

Sr이온에 대한 흡착실험 결과를 위 세가지 모델에 적용하여 fittig하였으며, parameter들을 표 1에 정리하였다. Fitting 결과, 무기물 함량비가 80%인 경우는  Freundlich 모델에 적합하고 무기물 함량이 90%인 경우는 Langmuir 모델에 적합하였다. 80%와 90% 복합 bead의 Sr에 대한 흡착 용량은 각각 0.996, 1.19meq/g였다.

참고문헌

[1] S. M. Robinson, W.D. Arnold.Jr., C.W.Byers, "Multicomponent Liquid Ion

Exchange with Chabazite Zeolites", 9, 50, 1993.

[2] Pakhmov, D. K., Alekseev, V. G., Larinova, N. V. and Pakshver, E. A.,        Polymer Science, 39, 748, 1997.

[3] Yun, J.H, Park, H. C, Moon, H., "Multicomponent adsorption calculations

based on adsorbed solution therory", Korena J. of Chem Eng., 13, 1996

[4] Kaneko, H., Tsuji, M. and Abe, M. : Nuc Sci and Tech., 29, 988, 1992.

[5] Bronic, J. and Subotic, B. : Radioanal and Nuc Chem., 162, 339, 1992.

감 사

본 연구는 과학 기술부의 원자력 연구 개발 사업의 일환으로 수행되었습니다.

Table 1. Model parameters for single-component isotherm.

Model	Coefficient Units	Single component system
		PAN-K2Ti4O9 bead
		80%	90%
Langmuir	Qm[meq/g]	0.996	1.19
	b[mL/meq]	12.67	37.61
	r2	0.95	0.98
Freundlich	k [mL/meq]	1.54	2.06
	n	2.09	2.72
	r2	0.99	0.93
Dubinin- Polyani	Qm[meq/g]	1.33	1.74
	k	8.38*10-9	5.98*10-9
	r2	0.98	0.96

Fig. 1. Effect of pH on distribution coefficient.

(A)                                            (B)

Fig. 2. Experimental and predicted equilibrium  isotherms for Sr ion at pH=2.

K2Ti4O9 content : (A) 80%   (B) 90%