1-Aza-18-Crown-6-Styrene-DVB 합성수지를 이용한 중금속 이온의 흡착특성
Adsorption Characteristics of Heavy Metal Ions on 1-Aza-18-Crown-6-Styrene-DVB Synthetic Resin
- 주제(키워드) 1-aza-18-crown-6 , 분리 회수 기술 , 거대고리 리간드를 작용기로 갖는 합성수지
- 발행기관 동신대학교 대학원
- 지도교수 김해진
- 발행년도 2008
- 학위수여년월 2008. 2
- 학위명 박사
- 학과 대학원 환경공학과
- 세부전공 환경공학
- 원문페이지 xii, 120 p.
- 본문언어 한국어
초록/요약
This study is evaluated the adsorption characteristic of heavy metal on 1-aza-18-C-6-styrene-DVB which is synthesized in my Lab. according to pH, time, dielectric constant, and crosslinking agent, and characteristic of separation and applicability in process according to eluents. The results are as followings ; Synthesis of 1-aza-18-C-6-styrene-DVB is identified by substitute C-Cl bonding peak around 700 ㎝^(-1) in 1-aza-18-C-6 macrocyclic ligand to C-N bonding peak, around 1,030 ㎝^(-1), in 1-aza-18-C-6-styrene-DVB. Increasing corosslinking agents 1, 2, 4, and 8%, the contents of chlorine included are decreased ; 12.54, 12.33, 11.76, and 11.52%, and the contents of nitrogen included in synthetic resins are decreased ; 2.75, 2.21, 1.94, and 1.62%, and surface areas are increased ; 5.62, 5.93, 10.94, and 16.48 ㎡/g, and pore sizes are decreased ; 5.0, 4.6, 4.3, and 4.2 ㎚, so, pore volumes are decreased ; 0.0202, 0.0171, 0.0066, and 0.0023 ㎠/g. Synthetic resins are weak base so that UO₂^(2+) and Mg^(2+) ions show high adsorption rate over pH 3 under methanol, while Ho^(3+) ion are low adsorption rate due to the effect of hydration energy and adsorption capacity of metal ions increases as Ho^(3+), Mg^(2+), and UO₂^(2+) ion in order and adsorption equilibriums are reached in two hours. The lower the crosslinking agent of synthetic resin are, the higher adsorption rate of UO22+and Mg^(2+), futhermore the adsorption rate are decreased as dielectric constants in solvent ; distilled water, acetonitrile and methanol in order. Under the optimal adsorption conditions ; pH 6.0, two hour-adsorption, methanol solvent, the apparent adsorption capacity of UO₂^(2+)+ ion are represented as 0.88, 0.81, 0.78, and 0.77 mmol/g-resin according as crosslinking agents are 1, 2, 4, and 8%. Also, under the same conditions, Mg^(2+) ion are 0.82, 0.75, 0.69, and 0.67 mmol/g-resin respectively. Result of separation in adsorbed heavy metal ions on synthetic resins by using HNO₃, HCl, and NH₄NO₃ solutions at pH 2 show HNO₃solution was most superior. Adsorbed metal ions on synthetic resins are separated highly Ho^(3+), Mg^(2+), and UO₂^(2+) ion in order and separation ratios are about 60%. If the acidity of HNO₃ eluent increase to pH 2.5, separation time can be reduced to two times. The results of percent deviation which are error of theoretical to experimental BET, Four-parameter, Langmuir, Loading ratio correlation, Redlich-Petersen, Sips and Toth isotherms show around 0.23～4.60%, which is located within the limit of allowable error. Therefore, those mean computer calculated data can be represented by experimental value within the relatively lower limit of error. As the result of Rs and 1/n value calculated to decide the process applicability of metal adsorption removal ; UO22+ is Rs = 1.51 × 10^(-3) and 1/n = 0.49, Mg^(2+) is Rs = 1.58 × 10^(-3) and 1/n = 0.50, Ho^(3+) is Rs = 4.60 × 10-4 and 1/n = 0.26. Consequently, the cryptand resin synthesized in this study is applicable for industrial processes. Heavy metal adsorption moving of cryptand resin shows Langmuir adsorption isotherm, and chemical adsorption by even surface or single molecular layer adsorption theory of Langmuir is progresser than physical adsorption by uneven surface adsorption theory of Freundlich in mechanism error analysis.
more초록/요약
1-aza-18-C-6-styrene-DVB를 합성하여 pH, 시간, 가교제 및 유전상수에 따른 중금속의 흡착 특성과 용리액의 종류에 따른 분리 특성 및 공정 적용성을 평가한 결과는 다음과 같다. 합성수지의 관능기는 700 cm-1 부근의 C-Cl 피크가 1-aza-18-C-6 거대 고리 리간드와 치환되면서 사라졌고, 1,030 cm-1 부근에서 C-N의 새로운 신축진동 피크가 나타난 것으로 보아 styrene-DVB 공중합체와 리간드가 합성되었음을 확인하였다. 가교제 함량이 증가할수록 합성수지에 포함된 염소의 함량은 12.54, 12. 33, 11.79 및 11.52%로 감소되었고, 질소의 함량은 2.75, 2.21, 1.94 및 1.62%로 감소되었다. 비표면적은 5.63, 5.93, 10.94 및 16.48 ㎡/g로 증가되었으며, 기공 크기는 5.0, 4.6, 4.3 및 4.2 ㎚로 작아지고, 기공 부피는 0.0202, 0.0171, 0.0066 및 0.0023 ㎠/g으로 감소하였다. 합성수지들은 약염기성이므로 메탄올 용매하에서 약산성인 pH 3 이상에서 UO₂^(2+), Mg^(2+) 이온은 수지와 안정한 착물을 형성하여 흡착율이 큰 반면에, Ho₃+이온은 수화에너지의 영향으로 흡착율이 낮았다. 합성수지에 대한 금속 이온의 흡착능은 Ho₃+, Mg^(2+), UO₂^(2+) 이온의 순으로 커지며, 2 시간이 지나면 흡착 평형에 도달하였다. 합성수지의 가교제가 낮을수록 UO₂^(2+)과 Mg^(2+) 이온의 흡착율은 증가하였으며, 1％의 가교제를 가진 수지의 UO₂^(2+)과 Mg^(2+) 이온의 흡착율은 증류수, 아세토니트릴, 메탄올 순으로 증가하여 용매의 유전상수의 크기에 반비례하였다. 최적의 흡착조건인 pH 6.0, 흡착 2시간, 메탄올 용매하에서 가교제 1, 2, 4 및 8%에 따른 UO₂^(2+) 이온의 겉보기 용량은 0.88, 0.81, 0.78 및 0.77 mmol/g-resin로 나타났으며, Mg^(2+) 이온의 겉보기 용량은 0.82, 0.75, 0.69 및 0.67 mmol/g-resin로 각각 나타났다. 중금속이 흡착된 합성수지를 HNO₃, HCl, NH₄NO₃ 용액을 pH 2로 조정하여 분리시킨 결과 HNO₃ 용액에 의한 분리가 가장 우수하였으며, HNO₃ 용액에서 Ho₃+, Mg^(2+), UO₂^(2+) 이온 순으로 분리되며, 분리율은 약 60% 정도로 나타났다. 용리액의 산도를 pH 2.5로 증가시키면 분리시간을 2배 이상 단축할 수 있었다. BET, Four-parameter, Langmuir, Loading ratio correlation, Redlich- Petersen, Sips 및 Toth 등온식들에 대한 전체평균오차의 범위는 0.23～4.60%로서 허용오차범위 내에 분포하므로 비교적 낮은 오차범위 내에서 실험값을 이론적으로 재현할 수 있는 것으로 판단된다. 흡착제의 공정 적용성 여부를 판별하기 위하여 Rs 값 및 1/n값을 계산한 결과, UO₂^(2+)은 Rs = 1.51 × 10^(-3), 1/n = 0.49, Mg^(2+)은 Rs = 1.58 × 10^(-3), 1/n = 0.50, Ho₃+은 Rs = 4.60 × 10-4, 1/n = 0.26으로서 본 연구에서 합성한 cryptand 수지는 산업화 공정에 적용할 수 있다. Cryptand 수지의 중금속 흡착거동은 Langmuir 흡착등온선의 형태를 보이며, 오차분석결과 Freundlich의 불균일표면 흡착이론에 따른 물리흡착 보다는 Langmuir의 균일 표면 및 단분자층 흡착이론에 따른 화학흡착에 의한 흡착과정이 진행되는 것으로 나타났다.
more목차
제1장 서론 = 1
제2장 이론적 배경 = 5
2.1 분리 회수 기술 = 5
2.1.1 이온교환 흡착법 = 5
2.1.2 공침법 = 6
2.1.3 부선법 = 6
2.1.4 용매추출법 = 6
2.1.5 생물농축법 = 7
2.2 거대고리 리간드를 작용기로 갖는 합성수지 = 8
2.3 이온교환수지를 이용한 우라늄 흡착 및 분리 = 12
2.3.1 이온교환수지에서의 흡착 반응 = 12
2.3.2 이온교환수지에서의 분리 반응 = 12
2.3.3 이온교환수지에서의 이온 선택성 = 13
2.4 물리·화학적 흡착이론 = 14
2.4.1 흡착등온선(adsorption isotherm) = 16
2.4.2 흡착제의 공정적용 가능성에 대한 평가 = 25
2.4.3 흡착속도론 = 30
제3장 연구 방법 = 32
3.1 시약 및 기기 = 32
3.2 Cryptand 수지의 합성 = 35
3.2.1 Styrene-DVB 공중합체 합성 = 35
3.2.2 공중합체의 염소화 = 35
3.2.3 공중합체의 관능화 = 39
3.3 중금속 이온의 흡착 실험 = 41
3.3.1 pH 변화에 따른 흡착 실험 = 41
3.3.2 시간에 따른 흡착 실험 = 41
3.3.3 중금속 이온의 농도 및 가교제에 따른 흡착 실험 = 41
3.3.4 용매의 유전상수에 따른 흡착 실험 = 42
3.4 중금속 이온의 분리 실험 = 43
제4장 결과 및 고찰 = 44
4.1 Cryptand 수지의 합성 확인 = 44
4.1.1 FT-IR 분광 분석 결과 = 44
4.1.2 TGA를 이용한 중량 분석 결과 = 56
4.1.3 Cryptand 수지의 그라프트율 = 60
4.1.4 Cryptand 수지의 표면 관찰 결과 = 61
4.1.5 Cryptand 수지 중의 염소와 질소 함량 분석 = 65
4.1.6 Cryptand 수지의 비표면적 분석 = 65
4.2 중금속 이온의 흡착 특성 = 69
4.2.1 pH에 따른 영향 = 69
4.2.2 흡착 시간에 따른 영향 = 75
4.2.3. 가교제 함량에 따른 영향 = 81
4.2.4 용매의 유전 상수에 따른 영향 = 86
4.3 중금속 이온의 분리 특성 = 90
4.4. 오차분석을 통한 공정 적용성 평가 = 97
제5장 결론 = 105
참고문헌 = 107
국문요약 = 119