KR20220155806A - Sulfonated reed biochar for the removal of ammonium from water and method of mamufacturing, and absorbent composition for removing ammonium including the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 수중으로부터 암모늄을 효과적으로 제거할 수 있는 술폰화된 갈대 바이오차, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 암모늄 흡착제 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to sulfonated reed biochar capable of effectively removing ammonium from water, a method for preparing the same, and an ammonium adsorbent composition comprising the same.
농업혁명, 산업화로 인해 과도하게 증가한 인공 암모늄이 바다, 강 등 물 속에 과다 포함되자 이를 제거하고 하는 기술들이 많이 개발되고 있다.As artificial ammonium, which has increased excessively due to agricultural revolution and industrialization, is excessively contained in water such as seas and rivers, many technologies are being developed to remove it.
한편, 바이오차(biochar)는 바이오 숯이라고도 불리며, 다양한 바이오매스(biomass)를 이용하여 산소가 없는 환경에서 열분해할 때 만들어지는 탄소함량이 높은 고체 물질로, 탄소 격리, 재생 에너지, 폐기물 관리, 농업 생산성 개선, 환경 복원 등 중요한 기능으로 최근에 크게 주목을 받고 있다.On the other hand, biochar, also called biochar, is a solid material with a high carbon content produced when various biomass is thermally decomposed in an oxygen-free environment. It has recently been attracting great attention for its important functions such as productivity improvement and environmental restoration.
최근 몇 년 동안 연구자들은 폐수에서 암모늄을 제거하기 위해 점토광물, 화산성질, 제올라이트, 중합체 교환기, 바이오차와 같은 흡착제의 적용에 초점을 맞추고 있다. 바이오매스 폐기물의 열처리에 의해 생성된 탄소가 풍부한 고체 잔류물인 바이오차는 저비용 흡착제로 많은 주목을 받았다. 높은 양이온 교환 용량(cation exchange capacity; CEC)과 풍부한 산소 함유 기능 그룹은 암모늄 흡수를 촉진하는 것으로 알려져 있다. 이전의 연구에 따르면 바이오차의 암모늄 흡착 용량은 공급 원료의 종류와 열분해 조건에 따라 크게 달라졌으며, 그 중 일부는 수처리에 적용할 때 암모늄을 방출하기도 한다.In recent years, researchers have focused on the application of adsorbents such as clay minerals, volcanic materials, zeolites, polymer exchangers, and biochar to remove ammonium from wastewater. Biochar, a carbon-rich solid residue produced by thermal treatment of biomass waste, has received much attention as a low-cost adsorbent. A high cation exchange capacity (CEC) and an abundance of oxygen-containing functional groups are known to promote ammonium uptake. Previous studies have shown that the ammonium adsorption capacity of biochar varies greatly depending on the type of feedstock and pyrolysis conditions, some of which release ammonium when applied to water treatment.
암모늄 흡착 및 제거에 대한 바이오차의 능력을 더욱 강화하기 위한 두 가지 주요 전략에 기초하여 다양한 수정 방법이 시도되었다. 바이오차의 양이온 교환 용량(CEC)을 증가시키면 암모늄에 더 많은 교환 가능한 양이온을 제공할 수 있다. 또한, O/C 몰 비율이 높은 바이오차는 더 높은 암모늄 흡착 용량을 보여주었기 때문에, 바이오차 표면에 산소(O)를 포함하는 작용기를 도입하면 암모늄과의 화학적 결합 또는 정전기 상호작용을 더 촉진할 수 있다. Various modifications have been attempted based on two main strategies to further enhance the ability of biochar for ammonium adsorption and removal. Increasing the cation exchange capacity (CEC) of biochar can provide more exchangeable cations to ammonium. In addition, since biochar with a high O/C molar ratio showed higher ammonium adsorption capacity, introduction of a functional group containing oxygen (O) on the surface of biochar could further promote chemical bonding or electrostatic interaction with ammonium. have.
이러한 배경 하에, 본 발명자들은 수중에서 암모늄을 효과적으로 제거할 수 있는 새로운 흡착제를 개발하기 위해 연구하던 중, 갈대 바이오차에 술폰화를 통해 암모늄 흡착 효과를 향상시킬 수 있으며, 상기 바이오차 제조에 있어서 암모늄 흡착 성능이 더욱 증진될 수 있는 최적의 온도 조건을 규명함으로써 본 발명을 완성하였다.Under this background, the present inventors, while researching to develop a new adsorbent capable of effectively removing ammonium from water, can improve the ammonium adsorption effect through sulfonation in reed biochar, and ammonium in the production of biochar The present invention was completed by identifying the optimal temperature conditions that can further enhance the adsorption performance.
따라서 본 발명의 목적은 수중으로부터 암모늄을 효과적으로 제거할 수 있는 술폰화된 갈대 바이오차의 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing sulfonated reed biochar capable of effectively removing ammonium from water.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 제조방법으로 제조된 수중으로부터 암모늄을 효과적으로 제거할 수 있는 술폰화된 갈대 바이오차를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a sulfonated reed biochar capable of effectively removing ammonium from water produced by the above production method.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 술폰화된 갈대 바이오차를 유효성분으로 포함하는, 수중으로부터 암모늄을 효과적으로 제거할 수 있는 암모늄 흡착제 조성물을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an ammonium adsorbent composition capable of effectively removing ammonium from water, containing the sulfonated reed biochar as an active ingredient.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 a) 갈대를 열분해하여 갈대 바이오차를 제조하는 단계; 및 b) 갈대 바이오차에 술폰기를 도입하는 단계를 포함하는, 수중 암모늄 제거용 술폰화된 갈대 바이오차의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the object of the present invention as described above, the present invention comprises the steps of a) preparing reed biochar by pyrolysis of reeds; and b) introducing a sulfone group into the reed biochar.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 a) 단계의 갈대는 갈대 줄기를 세척하고 건조한 뒤 분쇄하여 분말화한 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the reeds in step a) may be powdered by washing and drying the reed stems and then pulverizing them.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 a) 단계의 열분해는 300℃ 내지 700℃ 온도에서 수행될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the thermal decomposition of step a) may be performed at a temperature of 300 ° C to 700 ° C.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 a) 단계의 열분해는 300℃에서 수행될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the thermal decomposition of step a) may be performed at 300 ° C.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 b) 단계는 갈대 바이오차에 황산 용액을 혼합하여 150℃ 내지 180℃에서 10 내지 15시간 반응시킨 후 세척 및 건조 과정을 통해 갈대 바이오차에 술폰기를 도입하는 단계일 수 있다.In one embodiment of the present invention, in step b), a sulfuric acid solution is mixed with reed biochar, reacted at 150 ° C to 180 ° C for 10 to 15 hours, and then washed and dried to introduce a sulfone group into reed biochar. may be a step.
또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 수중 암모늄 제거용 술폰화된 갈대 바이오차를 제공한다.In addition, the present invention provides a sulfonated reed biochar for removing ammonium in water prepared by the above method.
또한, 본 발명은 상기 술포화된 갈대 바이오차를 유효성분으로 포함하는 암모늄 흡착제 조성물을 제공한다.In addition, the present invention provides an ammonium adsorbent composition comprising the sulfonated reed biochar as an active ingredient.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 암모늄 흡착제 조성물은 수중 내 암모늄을 제거할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the ammonium adsorbent composition can remove ammonium in water.
본 발명의 방법으로 제조된 술폰화된 갈대 바이오차는 수중으로부터 암모늄을 매우 효과적으로 제거할 수 있는 암모늄 흡착능이 있으므로, 수중으로부터 암모늄을 제거하기 위한 암모늄 흡착제로서 유용하게 사용할 수 있다.Since the sulfonated reed biochar prepared by the method of the present invention has an ammonium adsorption ability that can remove ammonium from water very effectively, it can be usefully used as an ammonium adsorbent for removing ammonium from water.
도 1은 본 발명의 갈대 바이오차(RBC) 및 설폰화된 갈대 바이오차(SRBC)의 열분해 온도별 형태 변화를 보여주는 주사현미경 사진이다(A: RBC300, B: SRBC300, C: RBC500, D: SRBC500, E: RBC700, F: SRBC700).
도 2는 본 발명의 갈대 바이오차(RBC) 및 설폰화된 갈대 바이오차(SRBC)의 흡착 동력학을 보여주는 그래프이다(Qt = 흡착암모늄의 양). 실선은 유사 1차 반응속도 모델에 적합하고, 점선은 유사 2차 반응속도 모델에 적합하다.
도 3은 본 발명의 갈대 바이오차(RBC) 및 설폰화된 갈대 바이오차(SRBC)에 의한 암모늄의 흡착등온선을 나타낸 것이다(Qe = Qe is the amount of ammonium adsorbed at equilibrium concentration; Ce = equilibrium concentration). 실선은 랑무어(Langmuir) 흡착 모델에 적합한 곡선이다.
도 4는 본 발명의 설폰화된 갈대 바이오차(SRBC300)에 의한 암모늄의 흡착 및 탈착 등온선을 나타낸 것이다. 탈착은 15 mL 평형 흡착 용액을 15 mL 물로 대체하여 흡착 후 수행하였으며, 샘플을 다시 밀봉하고 추가 24 시간 동안 교반하였다. 탈착 등온선의 Qe는 질량 균형에 의해 계산되었다.
도 5는 본 발명의 갈대 바이오차(RBC300) 및 설폰화된 갈대 바이오차(SRBC300)의 FTIR 분석을 통한 스펙트럼 결과, 및 설폰화된 갈대 바이오차(SRBC300)의 암모늄 반응 전·후에 따른 차이 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 갈대 바이오차(RBC300) 및 설폰화된 갈대 바이오차(SRBC300)의 IR 밴드의 지방족 사중항(aliphatic quartet)을 보여주는 FTIR 분석 결과이다. 스펙트럼은 술폰화 후 지방족 피크의 감소를 보여준다.
도 7a는 본 발명의 갈대 바이오차(RBC300) 및 설폰화된 갈대 바이오차(SRBC300)에 대한 저해상도 XPS 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 7b는 본 발명의 갈대 바이오차(RBC300) 및 설폰화된 갈대 바이오차(SRBC300)에 대한 S2p의 고해상도 XPS 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 7c는 본 발명의 갈대 바이오차(RBC300) 및 설폰화된 갈대 바이오차(SRBC300)에 대한 C1s의 고해상도 XPS 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 7d는 본 발명의 갈대 바이오차(RBC300) 및 설폰화된 갈대 바이오차(SRBC300)에 대한 O1s의 고해상도 XPS 스펙트럼을 나타낸 것이다.1 is a scanning microscope photograph showing the morphological changes of reed biochar (RBC) and sulfonated reed biochar (SRBC) according to the thermal decomposition temperature of the present invention (A: RBC300, B: SRBC300, C: RBC500, D: SRBC500 , E: RBC700, F: SRBC700).
Figure 2 is a graph showing the adsorption kinetics of reed biochar (RBC) and sulfonated reed biochar (SRBC) of the present invention (Q t = amount of adsorbed ammonium). The solid line fits a pseudo-first-order kinetic model, and the dotted line fits a pseudo-second-order kinetic model.
Figure 3 shows the adsorption isotherm of ammonium by reed biochar (RBC) and sulfonated reed biochar (SRBC) of the present invention (Q e = Qe is the amount of ammonium adsorbed at equilibrium concentration; Ce = equilibrium concentration ). The solid line is a curve fitted to the Langmuir adsorption model.
Figure 4 shows the adsorption and desorption isotherms of ammonium by the sulfonated reed biochar (SRBC300) of the present invention. Desorption was performed after adsorption by replacing 15 mL equilibrium adsorption solution with 15 mL water, and the sample was resealed and stirred for an additional 24 hours. The Qe of the desorption isotherm was calculated by mass balance.
5 shows the spectrum results of FTIR analysis of the reed biochar (RBC300) and the sulfonated reed biochar (SRBC300) of the present invention, and the difference spectrum of the sulfonated reed biochar (SRBC300) before and after the ammonium reaction. it is shown
6 is an FTIR analysis result showing the aliphatic quartet of the IR band of the reed biochar (RBC300) and the sulfonated reed biochar (SRBC300) of the present invention. The spectrum shows a decrease in the aliphatic peak after sulfonation.
Figure 7a shows the low-resolution XPS spectra of reed biochar (RBC300) and sulfonated reed biochar (SRBC300) of the present invention.
Figure 7b shows high-resolution XPS spectra of S2p for reed biochar (RBC300) and sulfonated reed biochar (SRBC300) of the present invention.
Figure 7c shows high-resolution XPS spectra of C1s for reed biochar (RBC300) and sulfonated reed biochar (SRBC300) of the present invention.
Figure 7d shows high-resolution XPS spectra of O1s for reed biochar (RBC300) and sulfonated reed biochar (SRBC300) of the present invention.
본 발명은 수중의 암모늄을 효과적으로 흡착하여 제거할 수 있는 술폰화된 갈대 바이오차의 제조방법을 제공함에 특징이 있다.The present invention is characterized by providing a method for producing sulfonated reed biochar capable of effectively adsorbing and removing ammonium in water.
구체적으로 본 발명에 따른 수중 암모늄 제거용 술폰화된 갈대 바이오차의 제조방법은, a) 갈대를 열분해하여 갈대 바이오차를 제조하는 단계; 및 b) 갈대 바이오차에 술폰기를 도입하는 단계를 포함한다.Specifically, the method for producing sulfonated reed biochar for removing ammonium in water according to the present invention includes the steps of a) thermally decomposing reed to produce reed biochar; and b) introducing sulfonic groups into the reed biochar.
탄소 기반의 흡착제인 바이오차(biochar)는 저비용, 자연으로부터 얻을 수 있는 바이오매스를 이용가능하며, 풍부한 탄소 함량, 다양한 환경 분야에 적용가능성 등의 장점으로 인하여 주목을 끌고 있다. 바이오차는 큰 표면적, 높은 다공성 및 다양한 미네랄 성분과 같은 고유한 특성으로 인해서 유기오염물질 및 중금속 등 다양한 오염물질을 제거하기 위한 용도로 사용 가능하다.Biochar, a carbon-based adsorbent, has attracted attention due to its advantages such as low cost, availability of biomass obtained from nature, abundant carbon content, and applicability to various environmental fields. Biochar can be used to remove various pollutants such as organic pollutants and heavy metals due to its unique properties such as large surface area, high porosity, and various mineral components.
본 발명에서 사용하는 바이오매스는 갈대(reed)로 줄여서 갈이라고도 하며, 한자로 노(蘆) 또는 위(葦)라 한다. 습지나 갯가, 호수 주변의 모래땅에 군락을 이루고 자란다. 이 식물은 국내를 포함, 냉온대에서 난온대에 걸쳐 전 세계에 분포하며, 빠른 성장, 가뭄과 홍수에 대한 저항력, 높은 수확량 때문에 물 및 폐수 처리를 위해 건설된 습지에서 자주 사용된다. 게다가, 가을/겨울에 건설된 습지에서 수확한 거대한 갈대 폐기물의 적절한 처리는 시급한 문제이기 때문에, 처리 곤란한 갈대 폐기물을 재활용할 수 있는 경우 산업상 유리한 이점을 갖는다 하겠다.The biomass used in the present invention is also referred to as reed for short, and is referred to as no (蘆) or stomach (葦) in Chinese characters. It grows in wetlands, seashores, and sandy areas around lakes. This plant is distributed throughout the world from cool to warm temperate zones, including Korea, and is often used in wetlands constructed for water and wastewater treatment because of its rapid growth, resistance to drought and flooding, and high yield. In addition, since the proper treatment of huge reed wastes harvested from wetlands constructed in autumn/winter is an urgent problem, it is advantageous for industry if the difficult reed wastes can be recycled.
본 발명에서는 갈대 폐기물로부터 바이오차를 제조하였고, 이를 수중에서 암모늄 제거용 흡착제의 제조에 원료로 사용할 수 있는 방법을 고안함으로써, 갈대 폐기물의 새로운 재활용 방법을 제공한다.In the present invention, biochar was prepared from reed waste, and a method for using it as a raw material for preparing an adsorbent for removing ammonium in water is devised, thereby providing a new recycling method for reed waste.
본 발명의 수중 암모늄 제거용 술폰화된 갈대 바이오차의 제조방법의 과정을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The process of the method for manufacturing sulfonated reed biochar for removing ammonium in water according to the present invention is described in detail as follows.
먼저, 본 발명의 제조방법에서 a) 단계는 갈대를 열분해하여 갈대 바이오차를 제조하는 단계로서, 자세하게는 갈대 줄기를 세척하고 건조한 뒤 분쇄하여 분말화한(<100 mesh) 다음 이산화탄소(CO2) 또는 질소(N2) 가스 분위기 하에서 열분해를 수행하는 단계이다.First, in the manufacturing method of the present invention, step a) is a step of producing reed biochar by pyrolysis of reeds. Alternatively, it is a step of performing thermal decomposition in a nitrogen (N 2 ) gas atmosphere.
본 발명의 a) 단계에서 상기 열분해는 5℃/min의 가열속도로 최고 온도 300℃ 내지 700℃에서 수행할 수 있으며, 바람직하게는 300℃에서 수행할 수 있다.In step a) of the present invention, the thermal decomposition may be performed at a maximum temperature of 300 °C to 700 °C at a heating rate of 5 °C/min, preferably at 300 °C.
만일 상기 가열속도와 온도를 상기 범위 미만에서 수행하게 되면 열분해가 미비하여 바이오차의 제조 효과가 미비할 수 있고, 반면 상기 가열속도와 온도를 초과한 범위에서 수행하게 되면 제조된 바이오차가 변질되거나 타버릴 수 있는 우려가 있다. 따라서 열분해는 상기 조건에서 수행하는 것이 바람직하다. If the heating rate and temperature are performed within the above ranges, thermal decomposition may be insufficient and the effect of manufacturing biochar may be insufficient. There is a risk of being thrown away. Therefore, it is preferable to perform thermal decomposition under the above conditions.
본 발명에서는 상기 a) 단계를 통해 제조된 갈대 바이오차를 간략하게 RBC로 약칭하였으며, 세 가지 온도 조건(300℃, 500℃, 700℃)에서 열분해된 갈대 바이오차를 각각 ‘RBC300’, ‘RBC500’, ‘RBC700’로 명명하였다.In the present invention, the reed biochar prepared through step a) is briefly abbreviated as RBC, and the reed biochar pyrolyzed at three temperature conditions (300 ° C, 500 ° C, 700 ° C) is called 'RBC300' and 'RBC500', respectively. ', 'RBC700'.
본 발명의 b) 단계는 갈대 바이오차에 술폰기를 도입하는 단계로서, 자세하게는 상기 a) 단계를 통해 제조된 갈대 바이오차에 황산 용액을 혼합하여 150℃ 내지 180℃에서 10 내지 15시간 반응시킨 후 세척 및 건조 과정을 통해 갈대 바이오차에 술폰기를 도입하는 단계이다.Step b) of the present invention is a step of introducing a sulfone group into the reed biochar. This step introduces sulfonic groups into reed biochar through washing and drying processes.
본 발명에서는, 상기 b) 단계를 통해 제조된 술폰화된 갈대 바이오차를 간략하게 SRBC로 약칭하였으며, RBC300, RBC500, RBC700에서 도출된 최종 술폰화된 갈대 바이오차는 각각 ‘SRBC300’, ‘SRBC500’, ‘SRBC700’으로 명명하였다.In the present invention, the sulfonated reed biochar prepared in step b) is briefly abbreviated as SRBC, and the final sulfonated reed biochar derived from RBC300, RBC500, and RBC700 is 'SRBC300', 'SRBC500', respectively. It was named 'SRBC700'.
또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 수중 암모늄 제거용 술폰화된 갈대 바이오차를 제공한다.In addition, the present invention provides a sulfonated reed biochar for removing ammonium in water prepared by the above method.
상기 방법으로 제조된 본 발명의 술폰화된 갈대 바이오차는 수중에 있는 암모늄을 효과적으로 제거할 수 있는바, 수중 암모늄 제거 용도를 갖는 바이오차로서 유용하게 사용될 수 있다.Since the sulfonated reed biochar of the present invention prepared by the above method can effectively remove ammonium in water, it can be usefully used as a biochar having an application for removing ammonium in water.
또한, 본 발명은 술폰화된 갈대 바이오차를 유효성분으로 포함하는, 암모늄 흡착제 조성물을 제공한다.In addition, the present invention provides an ammonium adsorbent composition comprising sulfonated reed biochar as an active ingredient.
본 발명의 암모늄 흡착제 조성물은 술폰화된 갈대 바이오차를 유효성분으로 포함함에 따라, 수중 내 암모늄을 효과적으로 제거할 수 있다.As the ammonium adsorbent composition of the present invention includes sulfonated reed biochar as an active ingredient, it can effectively remove ammonium in water.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are intended to explain the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited to these examples.
<실시예><Example>
본 발명의 술포화된 바이오차 제조Preparation of sulfonated biochar of the present invention
1. 실험방법1. Experiment method
<1-1> 본 발명의 갈대 바이오차 제조<1-1> Production of reed biochar of the present invention
중국 저장성(Zhejiang Province)의 한 습지에서 거대한 갈대줄기(Arundo donax L.)를 채취해 수돗물로 씻어 입자와 불순물을 제거한 뒤 오븐에서 60℃로 24시간 동안 말렸다. 마른 갈대 줄기는 조직 분쇄기를 사용하여 분쇄하고 체에 밭쳐 고운 분말(<100 mesh)을 얻었으며, 그 후 연속적인 N2 분위기에서 5℃/min의 가열속도에서 최고 온도 300℃, 500℃, 및 700℃에서 머플로(Nabertherm B180)를 사용하여 맞춤형 석영 용기에서 열분해하였다. 샘플은 1시간 동안 최고 온도로 보관한 후, 이후의 이용을 위해 실온까지 냉각시켰다. 본 발명에서 상기 과정을 통해 제조된 갈대 바이오차는 ‘RBC’로 약칭하였으며, 상기 세 가지 온도 조건에서 열분해된 갈대 바이오차는 각각 ‘RBC300’, ‘RBC500’, ‘RBC700’로 명명하였다.Giant reed stems ( Arundo donax L. ) were collected from a wetland in Zhejiang Province, China, washed with tap water to remove particles and impurities, and then dried in an oven at 60 °C for 24 hours. The dried reed stems were pulverized using a tissue grinder and sieved to obtain a fine powder (<100 mesh), which was then heated at a heating rate of 5 °C/min in a continuous N2 atmosphere at maximum temperatures of 300 °C, 500 °C, and 700 °C. It was pyrolyzed in a custom quartz vessel using a muffle furnace (Nabertherm B180) at °C. Samples were stored at maximum temperature for 1 hour and then cooled to room temperature for later use. In the present invention, the reed biochar produced through the above process is abbreviated as 'RBC', and the reed biochar thermally decomposed under the above three temperature conditions is named 'RBC300', 'RBC500', and 'RBC700', respectively.
<1-2> 본 발명의 술포화된 갈대 바이오차 제조<1-2> Preparation of sulfonated reed biochar of the present invention
갈대 바이오차의 술폰화는 농축된 황산과 열 반응을 통해 수행되었다. 상세하게, 상기 <1-1>을 통해 제조된 본 발명의 갈대 바이오차(RBC300, RBC500, RBC700)를 유리 원자로의 150℃에서 1:15(g:mL)의 고체 대 액체 비에서 98% H2SO4와 개별적으로 혼합한 후, 혼합물을 12시간 동안 자력으로 교반하였다. 고형 잔여물은 세척액이 중성 pH에 도달할 때까지 뜨거운 물에 반복적으로 세척한 후 오븐에서 60℃에서 48 시간 동안 건조하여, 최종적으로 본 발명의 술폰화된 갈대 바이오차를 제조하였다. 본 발명에서 상기 과정을 통해 제조된 술폰화된 갈대 바이오차는 ‘SRBC’로 약칭하였으며, RBC300, RBC500, RBC700에서 도출된 최종 술폰화된 갈대 바이오차는 각각 ‘SRBC300’, ‘SRBC500’, ‘SRBC700’으로 명명하였다.The sulfonation of reed biochar was carried out through a thermal reaction with concentrated sulfuric acid. In detail, the reed biochar (RBC300, RBC500, RBC700) of the present invention prepared through <1-1> was mixed with 98% H at a solid to liquid ratio of 1:15 (g:mL) at 150 ° C in a glass reactor. After separately mixing with 2 SO 4 , the mixture was magnetically stirred for 12 hours. The solid residue was repeatedly washed with hot water until the washing solution reached a neutral pH, and then dried in an oven at 60° C. for 48 hours to finally prepare the sulfonated reed biochar of the present invention. In the present invention, the sulfonated reed biochar prepared through the above process is abbreviated as 'SRBC', and the final sulfonated reed biochar derived from RBC300, RBC500, and RBC700 is referred to as 'SRBC300', 'SRBC500', and 'SRBC700', respectively. named.
<1-3> 흡착 실험<1-3> Adsorption experiment
흡착 실험을 위한 암모늄 용액을 준비하기 위해 염화암모늄(NH4Cl, Sinopharm Chemical Reagent Co.)이 사용되었다. NH4Cl은 증류수에 100 mg N/L의 농도로 용해되었다. 흡착 실험에 사용된 다른 농도의 암모늄은 stock액에서 희석되었다. 이 이상의 용액 화학은 더 이상 조정되지 않았다. 대조군을 포함한 모든 검체에서 암모늄의 최종 농도는 중국의 국가 표준 방법인 살리실산 분광 광도 측정법을 사용하여 측정되었다(Ministry of Environmental Protection, Water quality. Determination of ammonia nitrogen. Salicylic acid spectrophotometry, China Environmental Science Press, Beijing, 2009).Ammonium chloride (NH 4 Cl, Sinopharm Chemical Reagent Co.) was used to prepare an ammonium solution for adsorption experiments. NH 4 Cl was dissolved in distilled water at a concentration of 100 mg N/L. Different concentrations of ammonium used in adsorption experiments were diluted in stock solutions. The solution chemistry beyond this was not further calibrated. The final concentration of ammonium in all samples, including the control group, was measured using salicylic acid spectrophotometry, a national standard method in China (Ministry of Environmental Protection, Water quality. Determination of ammonia nitrogen. Salicylic acid spectrophotometry, China Environmental Science Press, Beijing , 2009).
(가) 흡착 동력학(A) Adsorption kinetics
흡착 동력학은 배치 실험을 사용하여 수행되었다. 각 샘플은 5mg N/L 농도의 20 mL 암모늄 용액을 0.05g RBC 또는 0.02g SRBC와 함께 포함하였으며, 22 mL 유리 튜브에 테플론 밀봉 캡을 넣어 밀봉하였다. RBC나 SRBC가 없는 각각 2개의 대조군과 함께 2개의 샘플은 각 시간 간격(0, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0, 2.0, 4.0, 6.0, 8.0, 12.0, 16.0, 24.0시간)으로 준비되었다. 표본은 25±0.5℃ 온도에서 쉐이커로 150rpm 속도로 교반하고, 매 시간 간격으로 채취되고, NH4+ 분석 전 0.22 μm의 친수성 주사기 필터를 통해 여과되었다. 각 시간 간격마다 바이오차에 의해 흡착된 NH4+의 양은 다음 방정식을 기반으로 계산되었다.Adsorption kinetics were performed using batch experiments. Each sample contained 20 mL ammonium solution at a concentration of 5 mg N/L with 0.05 g RBC or 0.02 g SRBC, and was sealed with a Teflon sealing cap in a 22 mL glass tube. Two samples were prepared at each time interval (0, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0, 2.0, 4.0, 6.0, 8.0, 12.0, 16.0, 24.0 hours), each with two controls without RBC or SRBC. Samples were stirred at 150 rpm with a shaker at a temperature of 25±0.5° C., collected at hourly intervals, and filtered through a 0.22 μm hydrophilic syringe filter prior to NH4+ analysis. The amount of NH4+ adsorbed by biochar at each time interval was calculated based on the following equation.
여기서 Qt는 시간 t에서 NH4+(mg N/g) 흡착량이고 C0과 Ct는 시간 t에서 각각 초기 및 잔류 용액상 NH4+ 농도(mg N/L)이다. V와 m은 각각 각 샘플에서 바이오차의 용액량(L)과 질량(g)이다.where Q t is the amount of NH4+ (mg N/g) adsorbed at time t and C 0 and C t are the initial and residual solution phase NH4+ concentrations (mg N/L) at time t, respectively. V and m are the solution amount (L) and mass (g) of biochar in each sample, respectively.
유사 1차 반응속도 모델(Eq.2)은 액체-고체 흡착률을 설명하기 위해 라거그렌에 의해 처음 제안되었고, 화학 흡착이 일어났을 때 유사 2차 반응속도 모델(Eq.3)은 Ho에 의해 제안되었다. 두 가지 모두 흡착 운동학 데이터를 적합시키기 위해 종종 잠재적 예측 모델로 적용되며, 두 가지 모두 결정된 운동학 데이터에 적합하기 위해 이 연구에서 사용되었다.A pseudo first-order kinetic model (Eq.2) was first proposed by Lagergren to explain the liquid-solid adsorption rate, and a pseudo-second-order kinetic model (Eq.3) was proposed by Ho when chemisorption occurred. has been suggested Both are often applied as potential predictive models to fit adsorption kinetic data, and both were used in this study to fit the determined kinetic data.
여기서 k1과 k2는 각각 1차 및 2차 속도 상수이고 Qe1과 Qe2는 각각 유사 1차 및 유사 2차 반응속도 모델에 의해 추정된 최대 흡착량이다.where k 1 and k 2 are first-order and second-order rate constants, respectively, and Q e1 and Q e2 are the maximum adsorption amounts estimated by pseudo-first-order and pseudo-second-order kinetic models, respectively.
(나) 흡착등온선(adsorption isotherm)(B) Adsorption isotherm
흡착등온선은 배치(batch) 흡착 실험을 통해 조사되었다. 바이오차(RBC의 경우 0.1g, SRBC의 경우 0.02g)는 테플론 밀봉 캡이 있는 22 mL 유리관에서 25±0.5℃에서 N 농도가 다양한 20.0 mL 암모늄 용액(1~15mg N/L)과 혼합하였다. 150rpm에서 24시간 동안 교반한 후, 모든 시료는 용액의 암모늄 분석에 앞서 0.22μm의 친수성 주사기 필터를 사용하여 여과하였다. 모든 샘플이 반복으로 준비되었고 바이오차 없는 대조군도 포함하였다. 단층 흡착 동작과 흡착 최대값을 설명하는 고전적인 랑무어 흡착 모델(Eq.4)이 비선형 흡착에 적합하도록 본 연구에서 사용되었다.Adsorption isotherms were investigated through batch adsorption experiments. Biochar (0.1 g for RBC, 0.02 g for SRBC) was mixed with 20.0 mL ammonium solution (1–15 mg N/L) of various N concentrations at 25 ± 0.5 °C in a 22 mL glass tube with a Teflon sealed cap. After stirring at 150 rpm for 24 hours, all samples were filtered using a 0.22 μm hydrophilic syringe filter prior to ammonium analysis of the solution. All samples were prepared in duplicate and a control without biochar was included. The classical Langmoor adsorption model (Eq.4), which describes monolayer adsorption behavior and adsorption maxima, is used in this study to fit the nonlinear adsorption.
여기서 Qe는 바이오차들이 평형농도 Ce(mg N/L)에서 흡착한 암모늄(mg N/g)의 양이고, KL은 랑무어 흡착 상수이며, Qm(mg N/g)은 바이오차의 추정 흡착 용량이다.where Q e is the amount of ammonium (mg N/g) adsorbed by the biochars at the equilibrium concentration C e (mg N/L), K L is the Langmoor adsorption constant, and Q m (mg N/g) is the biomass is the estimated adsorption capacity of the car.
(다) 본 발명의 갈대 바이오차 및 술폰화된 갈대 바이오차의 특성(C) Characteristics of reed biochar and sulfonated reed biochar of the present invention
RBC와 SRBC의 형태는 샘플을 Pt 코팅하여 전계방사형 주사현미경(FE-SEM, Hitachi SU-8010)으로 관찰하였으며, 모든 FE-SEM 영상은 10.0kV로 기록되었다.The morphology of RBC and SRBC was observed with a field emission scanning microscope (FE-SEM, Hitachi SU-8010) by coating the sample with Pt, and all FE-SEM images were recorded at 10.0 kV.
바이오차의 표면적은 N2 흡착-탈착 방법을 사용하여 표면적 분석기를 사용하여 분석되었다(Micromeritics' Gemini VII, USA). 모든 샘플은 측정 전 90℃와 200℃에서 기체가 제거되었다. 표면적은 N2 흡착-탈착 데이터와 브루나우어-엠멧(Brunauer-Emmett)의 다지점 분석을 통해 측정되었다. 텔러(BET) 표면적이 기록되었다. 품질 관리를 위해 표면적이 알려진 표준 표본을 RBC 및 SRBC 샘플과 함께 분석하였다. 바이오차의 원소 구성(C, S, O, H, N)은 원소 분석기(Vario EL Cube, 영국)를 사용하여 측정되었다.The surface area of biochar was analyzed using a surface area analyzer using the N2 adsorption-desorption method (Micromeritics' Gemini VII, USA). All samples were degassed at 90 °C and 200 °C before measurement. Surface area was determined using N2 adsorption-desorption data and Brunauer-Emmett's multi-point analysis. The Teller (BET) surface area was recorded. For quality control, standard specimens with known surface area were analyzed along with RBC and SRBC samples. The elemental composition (C, S, O, H, N) of biochar was measured using an elemental analyzer (Vario EL Cube, UK).
푸리에 변환 적외선 분광기(Fourier-transform infrared spectroscopy, FTIR) 데이터는 Thermo Fisher NicoletiS 5 분광기 및 4 cm-1 분해능의 DTGS 검출기를 사용하여 4,000-400 cm-1의 파장범위(Wavenumber Range)에서 수집되었다. 바이오차 샘플의 기능 그룹을 특성화하기 위해 KBr 펠릿에 대한 전송 분석이 수행되었다. X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)은 열과학 K-alpha+ 분광계를 사용하여 선택된 원소 구성의 화학적 상태를 분석하였다.Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) data were collected in the Wavenumber Range of 4,000–400 cm −1 using a
2. 실험결과2. Experimental results
<2-1> 갈대 바이오차 및 술폰화된 갈대 바이오차의 형태<2-1> Forms of reed biochar and sulfonated reed biochar
RBC와 SRBC의 형태는 스캐닝 전자 현미경(scanning electron microscopy, SEM)을 통해 관찰되었다. The morphology of RBC and SRBC was observed by scanning electron microscopy (SEM).
그 결과 도 1에서 나타낸 바와 같이, 열분해 온도 조건을 달리하여 제조된 RBC와 SRBC에서 뚜렷한 형태 차이는 보이지 않았다. 열분해 온도가 300℃에서 700℃까지 증가하면 바이오차 표면에 가시적인 공극 구조가 형성되지 않는다. 많은 연구에서 바이오차의 표면적(SA)이 바이오매스의 유기성분 분해로 인해 열분해 온도가 증가함에 따라 증가한다고 보고되었지만, 본 발명의 RBC의 표면적(SA)은 열분해 온도와 상관관계가 있는 것으로 나타나지 않았다.As a result, as shown in FIG. 1, there was no clear difference in morphology between RBC and SRBC prepared by varying the thermal decomposition temperature conditions. When the pyrolysis temperature increased from 300 °C to 700 °C, no visible pore structure was formed on the surface of biochar. Many studies have reported that the surface area (SA) of biochar increases as the pyrolysis temperature increases due to the decomposition of organic components of biomass, but the surface area (SA) of the RBC of the present invention does not appear to correlate with the pyrolysis temperature. .
본 실험에서 300℃ 내지 700℃에서 열분해된 RBC는 2.63 ~ 39.51 m2/g 범위의 매우 낮은 표면적을 가졌으며, 공극 부피는 0.005 ~ 0.016 cm3/g이었다. 한편, SRBC의 표면 형태(도 1D, E, F)도 동일한 열분해 온도에서 RBC와 큰 차이를 보이지 않은 것으로 나타나, 술폰화가 바이오차의 물리적 형태학을 변화시키지 않았음을 보여주었다. 한편, SRBC 및 RBC의 유사하게 낮은 표면적(4.17-13.31 m2/g) 및 낮은 공극 부피(0.010-0.022 cm3/g)에서 알 수 있듯이 술폰화 공정은 바이오차 표면을 에칭하거나 새로운 기공 구조를 생성하지 않은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 RBC와 SRBC 사이의 암모늄 흡착에 있어서, 어떤 차이도 표면적 차이에서 기인할 수 없음을 의미한다.In this experiment, the RBCs pyrolyzed at 300 °C to 700 °C had a very low surface area ranging from 2.63 to 39.51 m 2 /g, and a pore volume ranging from 0.005 to 0.016 cm 3 /g. On the other hand, the surface morphology of SRBC (Fig. 1D, E, F) also showed no significant difference from RBC at the same pyrolysis temperature, indicating that sulfonation did not change the physical morphology of biochar. On the other hand, as evidenced by the similarly low surface area (4.17–13.31 m 2 /g) and low pore volume (0.010–0.022 cm 3 /g) of SRBC and RBC, the sulfonation process etched the biochar surface or created new pore structures. appeared not to have been created. These results imply that any difference in ammonium adsorption between RBC and SRBC cannot be attributed to surface area differences.
<2-2> 흡착 동력학<2-2> Adsorption kinetics
RBC와 SRBC에 의한 암모늄 흡착의 동력학을 서로 다른 시간 간격으로 5 mg N/L의 암모늄 농도로 조사하여 각 등온선의 흡착 속도와 평형 시간을 조사하였다.The kinetics of ammonium adsorption by RBC and SRBC were investigated at different time intervals with an ammonium concentration of 5 mg N/L, and the adsorption rate and equilibration time of each isotherm were investigated.
그 결과 도 2에서 나타낸 바와 같이, 모든 RBC와 SRBC의 경우 흡착 초기에 특히 처음 2시간 동안 급격한 Qt 증가가 관찰되었으며, 흡착제와 용액 사이의 최대 농도 차이로 인해 초기 흡착 가능성이 더 높았다. 그 후, 곡선은 점차 안정기에 도달했고, 흡착이 평형에 가까워지는 것으로 나타났다. 유사 1차 및 유사 2차 반응속도 모델은 모두 결정 데이터에 잘 맞지만, 유사 2차 반응속도 모델은 R2 값이 0.94보다 높으며 훨씬 잘 수행되었다(표 1 참조). 이는 RBC와 SRBC에 의한 암모늄 흡착이 화학흡착을 통한 것일 수 있음을 나타낸다. 특히, SRBC는 RBC보다 더 빨리 평형에 도달하는 것을 확인할 수 있었다. 도 2에서 나타낸 바와 같이, RBC의 평형 시간이 약 8시간인 반면, SRBC의 평형 시간은 약 2시간이었다. 또한, SRBC의 반응속도 상수인 k1 및 k2 값이 RBC보다 훨씬 더 높은 것으로 나타나, RBC 대비 SRBC의 암모늄 흡착 속도가 현저하게 빠른 것을 알 수 있었다(표 1 참조). 자세하게는, RBC의 k1 값은 0.61 ~ 0.98 h-1인 반면, SRBC의 경우 2.09 ~ 5.34 h-1이었다. k2에도 동일한 경향을 나타내었다. 종래 연구에서 600℃에서 생산된 MgCl2 변형 갈대 바이오차에 의한 암모늄 흡착의 평형 시간은 약 10시간이었으며, 운동 곡선은 유사 2차 반응속도 모델에 잘 맞는다고 보고된 바 있다. 따라서, 바이오차 표면과 양이온 교환에서 극성 기능 그룹과의 반응을 포함한 화학 흡착이 암모늄 흡착의 주요 메커니즘임을 추론할 수 있다. 마찬가지로, 종래 연구에서 소나무 톱밥과 밀짚 바이오차(300℃와 500℃)에 의한 암모늄 흡착은 12 시간에 평형에 도달한다고 보고된 바 있다. 이러한 결과와 비교했을 때, 본 발명의 SRBC는 종래 기술 대비 훨씬 더 빠른 흡착률을 보였으며, 이는 본 발명의 SRBC가 물이나 폐수 처리에 적합한 것을 시사한다. 또한, 도 2에서 나타낸 바와 같이, SRBC의 평형 흡착량이 동일한 초기 암모늄 농도의 RBC보다 유의하게 높은 것을 확인할 수 있다. 한편, 300℃에서 열분해된 RBC와 SRBC는 500℃와 700℃에서 열분해된 것보다 암모늄에 대한 흡착 용량이 더 높은 것으로 나타났다.As a result, as shown in FIG. 2, in the case of all RBCs and SRBCs, a rapid increase in Q t was observed at the beginning of adsorption, especially during the first 2 hours, and the possibility of initial adsorption was higher due to the maximum concentration difference between the adsorbent and the solution. After that, the curve gradually reached a plateau, and it was found that adsorption was approaching equilibrium. Both the pseudo-first-order and pseudo-second-order kinetic models fit the decision data well, but the pseudo-second-order kinetic models performed much better with R2 values higher than 0.94 (see Table 1). This indicates that ammonium adsorption by RBC and SRBC may be through chemisorption. In particular, it was confirmed that SRBC reached equilibrium faster than RBC. As shown in Figure 2, the equilibration time of RBC was about 8 hours, whereas the equilibration time of SRBC was about 2 hours. In addition, the reaction rate constants k 1 and k 2 values of SRBC were much higher than those of RBC, indicating that the ammonium adsorption rate of SRBC was significantly faster than that of RBC (see Table 1). In detail, the k 1 values of RBC ranged from 0.61 to 0.98 h -1 , whereas the values of
k 1 = 1차 반응속도 상수
k 2 = 2차 반응속도 상수 Q t = amount of ammonium adsorption at equilibrium
k 1 = first order rate constant
k 2 = second order rate constant
<2-3> 흡착등온선(adsorption isotherm)<2-3> Adsorption isotherm
암모늄 흡착은 RBC와 SRBC 모두에 대해 0~15mg N/L의 초기 암모늄 농도에서 수행되었으며, 그 결과는 도 3에서 자세히 나타내었다. 등온 곡선은 일반적으로 비선형이며, 바이오차 매트릭스를 행렬로 분할하는 대신 표면 기반 흡착 패턴을 나타낸다. 저농도 암모늄에서는 바이오차의 흡착 부위가 풍부했고, 흡착되는 암모늄의 양이 급격히 증가했다. 수성상의 암모늄 농도가 더 증가함에 따라, 더 적은 흡착 부위를 사용할 수 있게 되었고, 등온 곡선이 구부러지고 수평을 이루는 경향이 있었다. 이후 바이오차 표면의 흡착 부위가 포화 상태가 되어 최대 흡착에 도달했다. 결과적으로 단층 흡착을 기반으로 한 랑무어 모델을 사용하여 등온선 곡선을 맞추고, 각 바이오차의 최대 흡착 용량(Qm)을 추정하였다. 추정된 흡착 모델 매개 변수는 표 2에 자세히 나타내었다. 결정된 흡착 데이터에 대한 모델의 상관계수(R2)는 모두 0.94보다 높았고, 랭무어 모델은 RBC와 SRBC에서 암모늄의 흡착 거동을 효과적으로 설명할 수 있음을 보여주었다.Ammonium adsorption was performed at initial ammonium concentrations of 0 to 15 mg N/L for both RBC and SRBC, and the results are detailed in FIG. 3 . Isothermal curves are generally non-linear and represent surface-based adsorption patterns instead of partitioning the biochar matrix into matrices. At low concentrations of ammonium, the adsorption site of biochar was abundant, and the amount of adsorbed ammonium increased rapidly. As the ammonium concentration in the aqueous phase was further increased, fewer adsorption sites became available, and the isothermal curves tended to bend and level. Afterwards, the adsorption site on the surface of biochar became saturated and reached the maximum adsorption. As a result, the isotherm curve was fitted using the Langmoor model based on monolayer adsorption, and the maximum adsorption capacity (Q m ) of each biochar was estimated. The estimated adsorption model parameters are detailed in Table 2. The correlation coefficients (R 2 ) of the models for the determined adsorption data were all higher than 0.94, indicating that the Langmoor model could effectively explain the adsorption behavior of ammonium on RBC and SRBC.
도 3에서 나타낸 바와 같이, RBC의 경우 RBC300의 등온 곡선들은 RBC500과 RBC700의 등온 곡선들을 크게 웃돌았고, RBC500의 등온 곡선들은 시험 농도 범위에서 RBC700보다 약간 높았다. 따라서 명백한 흡착 용량 순서는 RBC300 > RBC500 > RBC700이다. RBC300의 랑무어 모델에 기반한 추정된 최대 흡착 용량(Qm)은 1.92mg N/g로 RBC500(1.09mg N/g)과 RBC700(1.30mg N/g)보다 높은 것으로 나타났다. As shown in Figure 3, in the case of RBC, the isothermal curves of RBC300 greatly exceeded those of RBC500 and RBC700, and the isothermal curves of RBC500 were slightly higher than those of RBC700 in the test concentration range. Therefore, the order of apparent adsorption capacity is RBC300 > RBC500 > RBC700. The estimated maximum adsorption capacity (Q m ) based on the Langmoor model of RBC300 was 1.92 mg N/g, which was higher than that of RBC500 (1.09 mg N/g) and RBC700 (1.30 mg N/g).
SRBC의 Qm 값은 RBC의 Qm 값보다 두드러지게 높은 것으로 나타나, 술폰화 과정을 통해 바이오차의 암모늄 흡착을 크게 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 자세하게는, SRBC300의 Qm은 5.19mg N/g로 나타나, RBC300의 1.92mg N/g 대비 2.7배 이상 높은 수치를 보여주었다. 마찬가지로, SRBC500과 SRBC700의 Qm 값은 각각 RBC500과 RBC700의 Qm 값 대비 상대적으로 3.85배와 3.65배 높은 것으로 나타났다. 또한 SRBC 간의 Qm 차이가 RBC의 Qm 차이만큼 크지 않아 술폰화 과정이 SRBC의 암모늄 흡착 능력 향상에 기여하는 제어 요인이 될 수 있음을 알 수 있었다. 이와 같은 실험을 통해, 바이오차의 표면 개질에 있어서 술폰화 과정이 암모늄 제거 개선을 위해 유용하게 사용될 수 있으며, 암모늄과 바이오차의 결합 능력을 크게 향상시킬 수 있다는 것을 객관적으로 입증하였다. The Q m value of SRBC was significantly higher than that of RBC, confirming that ammonium adsorption of biochar could be greatly improved through the sulfonation process. Specifically, the Q m of SRBC300 was 5.19mg N/g, which was more than 2.7 times higher than the 1.92mg N/g of RBC300. Similarly, the Q m values of SRBC500 and SRBC700 were found to be 3.85 and 3.65 times higher than those of RBC500 and RBC700, respectively. In addition, since the difference in Q m between SRBCs was not as great as that between RBCs, it was found that the sulfonation process could be a controlling factor contributing to the improvement of ammonium adsorption capacity of SRBCs. Through this experiment, it was objectively demonstrated that the sulfonation process can be usefully used to improve ammonium removal in surface modification of biochar and can greatly improve the binding ability of ammonium and biochar.
SRBC300에 대한 흡착 후 암모늄의 탈착도 조사되었다. 그 결과는 도 4에 자세히 나타내었다. 도 4를 통해 SRBC300에서 탈착된 분해된 적이 거의 없다는 것을 알 수 있으며, 이는 암모늄이 SRBC300 표면에 단단히 결합되어 있음을 나타낸다. SRBC300에 대한 산소(O) 함유 작용기 간의 강력한 상호작용이 이러한 효과에 기여한 것으로 판단된다.Desorption of ammonium after adsorption on SRBC300 was also investigated. The results are shown in detail in FIG. 4 . It can be seen from Fig. 4 that almost no decomposition was desorbed from SRBC300, indicating that ammonium was tightly bound to the surface of SRBC300. It is believed that strong interactions between oxygen (O)-containing functional groups on SRBC300 contributed to this effect.
Q m = 바이오차의 흡착 용량 K L = Langmoor adsorption constant
Q m = adsorption capacity of biochar
<2-4> SRBC에 의한 암모늄 흡착 강화 메커니즘<2-4> Ammonium adsorption enhancement mechanism by SRBC
술폰화가 암모늄 흡착을 어떻게 향상시키는지에 대한 메커니즘을 밝히기 위해, 암모늄 흡착에 대한 최고의 성능을 갖는 SRBC300 및 RBC300 간의 상세한 비교가 수행되었다. 본 실험에서는 술폰화 과정이 바이오차 표면에 산소(O) 포함 작용기를 도입하여 더 강한 상호작용을 유도하고 결과적으로 물에서 암모늄의 흡착 및 제거를 향상시켰을 수 있다는 가설을 세웠다. 결과적으로 술폰화 전/후의 바이오차의 표면 성질을 특징짓기 위하여 FTIR, 원소 분석, XPS 등을 포함하는 다양한 접근법이 채택되었다.To elucidate the mechanism of how sulfonation enhances ammonium adsorption, a detailed comparison between SRBC300 and RBC300 with the best performance for ammonium adsorption was performed. In this experiment, we hypothesized that the sulfonation process might have introduced oxygen (O)-containing functional groups on the biochar surface, leading to stronger interactions and consequently enhancing the adsorption and removal of ammonium from water. As a result, various approaches including FTIR, elemental analysis, XPS, etc. have been adopted to characterize the surface properties of biochar before and after sulfonation.
(가) FTIR(a) FTIR
표면 작용기, 특히 산소(O) 포함 작용기는 탄소 표면에서 암모늄의 흡착을 조절하는데 중요한 역할을 한다고 여겨진다. 도 5는 RBC300, SRBC300 및 암모늄 결합 SRBC300의 FTIR 스펙트럼을 나타낸 것이다. Surface functional groups, especially oxygen (O) containing functional groups, are believed to play an important role in controlling the adsorption of ammonium on carbon surfaces. 5 shows FTIR spectra of RBC300, SRBC300 and ammonium-bound SRBC300.
도 5에서 나타낸 바와 같이, 고온에 비해 300℃에서 생산된 바이오차는 산소가 함유된 작용기가 많고 방향족 탄소 피크는 덜 두드러진다. RBC와 SRBC의 FTIR 스펙트럼 사이의 가장 큰 차이는 1174cm-1의 밴드이다. 종래 연구에서 황화 바이오차의 1172와 1031cm-1의 FTIR 대역이 -SO3H의 S=O 확장 modes로 간주될 수 있다고 보고된 바 있으며, 이는 SRBC300의 경우 1174cm-1, 1037cm-1의 밴드에 해당한다(도 5 참조). 이러한 IR 대역은 -SO3H가 SRBC300 표면에 성공적으로 도입되었음을 나타낸다. 또한 1712cm-1의 밴드는 카복실에서 C=O가 확장되었기 때문으로, 술폰화 후 SRBC300 표면에 -SO3H 이외의 O가 추가로 유입되었음을 나타낸다. RBC300과 SRBC300 스펙트럼에는 약 1600cm-1과 1400cm-1의 대역이 있으며, 이는 카복실 그룹의 비대칭(νas)과 대칭(νas) 확장 진동에 해당한다. 또한 술폰화의 경우 2924cm-1의 대역이 상당히 감소한 것으로 나타났다(도 6 참조). 이 밴드는 알리파틱 체인의 CH2와 CH3의 대칭 및 비대칭 진동으로 인한 4중주 피크(a quartet of peaks)의 일부이다. 1455, 887, 796cm-1에서 감소된 알리프 집단의 다른 징후를 볼 수 있다. RBC300의 열분해 온도가 300℃였기 때문에, 지방족 고리를 포함하는 비탄소 바이오매스 잔류물의 상당 부분이 남아 있었다. 술폰화 이후 농축된 황산의 탈수 및 탄산화 효과로 지방족 고리의 C-H 결합 유무를 감소시켜 지방족 그룹에 해당하는 띠의 강도가 크게 낮아졌다.As shown in FIG. 5, biochar produced at 300 ° C. compared to high temperature has more oxygen-containing functional groups and less prominent aromatic carbon peaks. The largest difference between the FTIR spectra of RBC and SRBC is the band at 1174 cm -1 . In previous studies, it has been reported that the FTIR bands of 1172 and 1031 cm -1 of sulfurized biochar can be considered as S=O expansion modes of -SO 3 H, which is in the bands of 1174 cm -1 and 1037 cm -1 for SRBC300 Corresponds (see Fig. 5). These IR bands indicate that -SO 3 H was successfully incorporated into the SRBC300 surface. In addition, the band at 1712 cm −1 indicates that O other than -SO 3 H was additionally introduced to the surface of SRBC300 after sulfonation, since C=O expanded in carboxyl. There are bands of about 1600 cm -1 and 1400 cm -1 in the RBC300 and SRBC300 spectra, which correspond to the asymmetric (ν as ) and symmetric (ν as ) extended vibrations of the carboxyl group. In addition, in the case of sulfonation, it was found that the band of 2924 cm −1 significantly decreased (see FIG. 6). This band is part of a quartet of peaks due to symmetrical and asymmetrical vibrations of CH2 and CH3 of the aliphatic chain. Other signs of a reduced Aliph population can be seen at 1455, 887, and 796 cm -1 . Since the pyrolysis temperature of RBC300 was 300 °C, a significant portion of non-carbon biomass residues containing aliphatic rings remained. After sulfonation, the dehydration and carbonation effects of concentrated sulfuric acid reduced the presence or absence of CH bonds in the aliphatic ring, significantly lowering the strength of the band corresponding to the aliphatic group.
-SO3H, -OH, -COOH와 같은 산소(O) 포함 작용기의 도입도 RBC300과 SRBC300의 요소 구성에 반영되었다(표 3 참조). 산소(O)의 중량 비율은 RBC300의 18.35%에서 SRBC300의 33.44%로, 황(S)의 중량 비율은 RBC300의 0.35%에서 SRBC300의 2.73%로 증가했다. RBC300의 O/C 몰비율은 0.21, SRBC300은 0.52였고, RBC300의 Qm은 1.92mg N/g, SRBC300은 5.19mg N/g였다. 술폰화 후 O/C 몰 비율이 높아지면서 RBC보다 SRBC에서 암모늄 흡착 용량이 더 커졌다. 또한, H의 분율은 RBC300의 3.25%에서 SRBC300의 2.39%로 감소했는데, 이러한 결과는 FTIR 분석을 지원하고 술폰화물이 RBC의 지방족 고리의 C-H 결합을 파괴하여 H의 손실이 발생했음을 시사한다.The introduction of oxygen (O)-containing functional groups such as -SO 3 H, -OH, and -COOH was also reflected in the element composition of RBC300 and SRBC300 (see Table 3). The weight ratio of oxygen (O) increased from 18.35% in RBC300 to 33.44% in SRBC300, and the weight ratio of sulfur (S) increased from 0.35% in RBC300 to 2.73% in SRBC300. The O/C molar ratio of RBC300 was 0.21 and 0.52 for SRBC300, and Q m of RBC300 was 1.92 mg N/g and 5.19 mg N/g for SRBC300, respectively. As the O/C molar ratio increased after sulfonation, the ammonium adsorption capacity was greater in SRBC than in RBC. In addition, the fraction of H decreased from 3.25% in RBC300 to 2.39% in SRBC300, which supports the FTIR analysis and suggests that the loss of H occurred because the sulfonates disrupted the CH bond of the aliphatic ring of RBC.
(나) XPS(B) XPS
XPS 스펙트럼인 RBC300과 SRBC300을 스캔하여 술폰화 전/후의 바이오차 차이를 관찰했으며, 그 결과는 도 7에서 자세히 나타내었다. RBC300과 SRBC300에 대한 저해상도 XPS 스펙트럼은 아황화 시 바이오차의 원소 성분 변화를 보여주었다(도 7a 참조). 따라서 황산 개질은 더 많은 산소 포함 작용기를 SRBC 샘플에 도입했고, 산소 대 탄소(O/C) 원자 비율은 0.17에서 처리 후 0.29로 증가했다. 조사 결과는 또한 황화합물이 황의 원자 퍼센트를 약 2 at.%로 증가시켰다는 것을 암시한다. 질소(N)는 바이오차 샘플 모두에서 검출되었지만 경미한 수준이었다(즉, 1-2 %에서 검출됨). 질소는 N-C 및 N-H 그룹의 형태로 존재했을 수 있지만 산소 결합 N 그룹은 아니었다.The XPS spectra of RBC300 and SRBC300 were scanned to observe the difference in biochar before and after sulfonation, and the results are shown in detail in FIG. 7 . Low-resolution XPS spectra for RBC300 and SRBC300 showed changes in the elemental composition of biochar upon sulphination (see Fig. 7a). Thus, sulfuric acid modification introduced more oxygen-containing functional groups to the SRBC sample, and the oxygen to carbon (O/C) atomic ratio increased from 0.17 to 0.29 after treatment. The findings also suggest that the sulfur compound increased the atomic percent of sulfur to about 2 at.%. Nitrogen (N) was detected in all of the biochar samples, but at minor levels (i.e., detected in 1-2%). Nitrogen could have been present in the form of N-C and N-H groups, but not oxygen-bonded N groups.
S2p, C1s, O1s의 고해상도 XPS 데이터는 황, 탄소, 산소 사이의 결합 상태를 연구하기 위해 스펙트럼의 피크를 분리하였다. 이러한 피크에 Tougaard 배경 보정을 적용하여 정량화를 얻었다. 도 7b에서 나타낸 바와 같이, 고해상도 S2p 스캔에 대한 분석은 SRBC300 샘플에서 2개의 S 종을 나타내었다: C-S-C(황화) 또는 C-S-H(티올), 또 다른 peak3/2의 결합 에너지(BE)에서 S2p3/2 피크를 나타냈다. 대부분의 S는 황화합물 및/또는 황화합물 작용기에 존재했고(~92.%), 황화물은 훨씬 적은 정도만 존재했다. 이러한 피크는 유기 황 화합물의 S2p3/2 결합 에너지에 대한 문헌에 보고된 것과 일치한다. RBC300에서 S2p의 고해상도 스캔에서도 BE168-170 eV가 전구물질의 S 함량으로 인해 작은 피크를 보였다.The high-resolution XPS data of S2p, C1s, and O1s separated the spectral peaks to study the bonding state between sulfur, carbon, and oxygen. Tougaard background correction was applied to these peaks to obtain quantification. As shown in Fig. 7b, analysis of the high-resolution S2p scan revealed two S species in the SRBC300 sample: C-S-C (sulfide) or C-S-H (thiol), S2p3/2 at the binding energy (BE) of another peak3/2. showed a peak. Most of S was present in sulfur compounds and/or sulfur compound functional groups (~92.%), and sulphides were present to a much smaller extent. These peaks are consistent with those reported in the literature on the S2p3/2 binding energy of organosulfur compounds. The high-resolution scan of S2p in RBC300 also showed a small peak at BE168-170 eV due to the S content of the precursor.
한편, 도 7c에서 나타낸 바와 같이, 흑연질 탄소과 방향족 탄소의 C1 피크(각각 sp3와 sp2C) 사이의 근접한 BE 때문에, 이 두 탄소 결합 상태는 두 개의 별도 피크로 분리되지 않고 284.8 eV에서 하나의 주 피크를 공유했다. 이 단계는 XPS 데이터 및 RBC300과 SRBC300의 XPS 데이터 비교를 위한 일반적인 보정 단계이다. 따라서 C1s XPS 스펙트럼은 6개의 피크로 분리되었다. RBC300의 경우 C-C/C-H=C가 주요 성분(~71 at.%)이었다. 샘플에서 방향족 탄소의 존재는 또한 주 피크의 BE(~6 eV)를 넘어 여러 eV에서 π-π* 위성 피크의 존재에 의해 입증되었다. 탄소는 또한 탄산염의 형태로 존재할 수 있었지만 적은 비율(~2%)에 불과했다. 알코올 및 에테르 탄소(C-OH, C-O)는 최대 17 at.%의 두 번째로 널리 사용되는 탄소 결합 상태였다. 케톤과 카복실화탄소도 존재했지만, 작은 분율에서 각각 ~4와 3이 존재했다. 술폰화는 SRBC300에서 C-C/C-H의 분율을 크게 감소시켰고, 지방족 탄소 주성분으로 남아 있었지만 60 at.%까지만 점유했다. 대조적으로, 산소에 결합된 탄소의 원자 백분율은 에테르의 경우 ~ 20 at.%, 케톤의 경우 ~ 7 at.%, 카르복시 작용기의 경우 ~ 7.7 at.%로 증가했다. 이러한 증가는 FTIR 결과와 일치하며(도 5), 이는 RBC300보다 SRBC300의 C=O 기능 그룹의 비율이 더 높다는 것을 나타내는 것이다. SRBC300의 주 탄소 피크의 감소는 방향족 탄소의 황화 현상 때문이기도 하다. 또한 C=C 방향족 탄소의 감소는 SRBC300의 C1s 스펙트럼에서 π-π* 위성 피크의 감소(정체)와 일치한다. 또한, 도 7d에서 나타낸 바와 같이, RBC300의 O1s 엔벨롭(envelope)은 C형 산소 그룹에 기인하는 4개의 피크로 분리되었다. SRBC300의 O1은 C-SO2-C(설폰) 및/또는 C-SO3H(설폰산)를 설명하기 위해 5개의 피크로 분리되었으며, 이는 S2p와 C1s의 고해상도 스캔과 일치했다.On the other hand, as shown in Fig. 7c, due to the close BE between the C1 peaks of graphitic carbon and aromatic carbon (sp3 and sp2C, respectively), these two carbon bonding states do not separate into two separate peaks, but form one main peak at 284.8 eV. shared This step is a normal calibration step for comparing XPS data and XPS data of RBC300 and SRBC300. Therefore, the C1s XPS spectrum was separated into 6 peaks. For RBC300, C-C/C-H=C was the major component (~71 at.%). The presence of aromatic carbons in the sample was also evidenced by the presence of π-π* satellite peaks at several eV beyond the BE of the main peak (~6 eV). Carbon could also be present in the form of carbonates, but only in small proportions (~2%). Alcohol and ether carbons (C-OH, C-O) were the second most widely used carbon bonding state, up to 17 at.%. Ketones and carboxylates were also present, but ~4 and 3, respectively, in small fractions. Sulfonation greatly reduced the fraction of C-C/C-H in SRBC300, remaining the aliphatic carbon major component but occupying only up to 60 at.%. In contrast, the atomic percentage of carbon bonded to oxygen increased to ~20 at.% for ethers, ~7 at.% for ketones, and ~7.7 at.% for carboxy functional groups. This increase is consistent with the FTIR results (Fig. 5), indicating a higher proportion of C=O functional groups in SRBC300 than in RBC300. The reduction of the main carbon peak of SRBC300 is also due to the sulfurization of aromatic carbon. Also, the decrease of C=C aromatic carbons is consistent with the decrease (stasis) of the π-π* satellite peaks in the C1s spectrum of SRBC300. Also, as shown in Fig. 7d, the O1s envelope of RBC300 was separated into four peaks attributed to C-type oxygen groups. O1 of SRBC300 was separated into five peaks to account for C-SO2-C (sulfone) and/or C-SO3H (sulfonic acid), which was consistent with the high-resolution scans of S2p and C1s.
(다) 잠재적 메커니즘(c) potential mechanism
FTIR 스펙트럼과 원소 분석 결과, RBC보다 SRBC에서 -SO3H 및 -COOH를 포함한 산소(O) 포함 작용기가 더 많았으며, 황화합물이 그러한 작용기를 성공적으로 통합했음을 보여주었다. 따라서, 산소(O) 포함 작용기과 암모늄 사이의 화학적 결합 또는 정전기 상호작용은 황화 바이오차의 암모늄 흡착을 강화하는 주요 메커니즘일 가능성이 높다. FTIR spectra and elemental analysis showed that there were more oxygen (O)-containing functional groups including -SO 3 H and -COOH in SRBC than in RBC, indicating that the sulfur compound successfully incorporated such functional groups. Therefore, chemical bonding or electrostatic interaction between oxygen (O)-containing functional groups and ammonium is likely to be the main mechanism that enhances the ammonium adsorption of sulfide biochar.
Seredych와 Bandosz는 암모니아가 브렌스테드 또는 루이스 산으로 작용하여 O 포함 작용기을 가진 아민이나 아미드를 형성할 수 있으며, 후자의 산은 건조한 환경에서 발생할 가능성이 더 높다고 제안했다. 그들의 연구에 따르면, 천연 물과 폐수의 수용 단계에서 암모늄은 암모니아의 주요 형태이며, 카르복실 그룹과 반응하기 위해 브룬스테드 산(bronsted acid)으로 작용한다.Seredych and Bandosz proposed that ammonia could act as a Brensted or Lewis acid to form amines or amides with O-containing functional groups, the latter acid being more likely to occur in dry environments. According to their research, in the receiving phase of natural water and wastewater, ammonium is the main form of ammonia and acts as a bronsted acid to react with carboxyl groups.
술폰화 이후 바이오차 표면에 새로운 술폰기와 더 많은 카르복실기가 형성되어 암모늄의 물 흡착을 크게 향상시켰다. After sulfonation, new sulfonic groups and more carboxyl groups were formed on the surface of biochar, greatly improving ammonium water adsorption.
결론적으로, 본 발명에서는 잠재적 암모늄 제거 능력을 평가하기 위해 갈대 바이오차(RBC)와 술폰화 갈대 바이오차(SRBC) 모두에 대해 일괄 흡착 동력학과 등온선 조사가 수행되었다. 그 결과, 상대적으로 낮은 온도(300℃)에서 열분해된 바이오차는 더 높은 온도(500℃와 700℃)에서 열분해된 바이오차 대비 흡착 용량이 훨씬 더 큰 것으로 나타났는데, 이는 산소(O) 함유 작용기의 확산이 더 높았기 때문이다. SRBC의 암모늄 흡착률은 훨씬 높았고, 최대 흡착 용량은 RBC보다 훨씬 커 황화합물이 암모늄 제거를 위한 바이오카르의 흡착 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 보여주었다. RBC와 SRBC의 추가적인 특성화를 통해 -SO3H가 SRBC에 성공적으로 도입되었고 -SO3-와 -COO를 포함한 산소(O) 함유 작용기가 황화 후 증가하였다. 물에 있는 암모늄은 브룬스테드 산(bronsted acid)으로 작용하여 바이오차에서 카르복실 및 설폰 그룹과 반응할 수 있다. 따라서, 황화합물은 산소(O) 함유 작용기를 증가시키고 그 결과 바이오차 암모늄 제거를 크게 개선하는 데 유용하게 사용될 수 있음을 확인하였다.In conclusion, in this study, batch adsorption kinetics and isotherm investigations were performed for both reed biochar (RBC) and sulfonated reed biochar (SRBC) to evaluate their potential ammonium removal capabilities. As a result, it was found that biochar pyrolyzed at a relatively low temperature (300 ° C) had a much higher adsorption capacity than bio char pyrolyzed at higher temperatures (500 ° C and 700 ° C), indicating that oxygen (O)-containing functional groups because the spread was higher. The ammonium adsorption rate of SRBC was much higher and the maximum adsorption capacity was much larger than that of RBC, indicating that sulfur compounds can greatly improve the adsorption performance of biocar for ammonium removal. Through further characterization of RBC and SRBC, -SO 3 H was successfully introduced into SRBC and oxygen (O)-containing functional groups including -SO 3 - and -COO were increased after sulfidation. Ammonium in water can act as a bronsted acid and react with the carboxyl and sulfone groups in biochar. Therefore, it was confirmed that the sulfur compound can be usefully used to increase oxygen (O)-containing functional groups and, as a result, greatly improve ammonium removal in biochar.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, the present invention has been looked at with respect to its preferred embodiments. Those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to understand that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative rather than a limiting point of view. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent scope will be construed as being included in the present invention.
Claims (8)
b) 갈대 바이오차에 술폰기를 도입하는 단계를 포함하는, 수중 암모늄 제거용 술폰화된 갈대 바이오차의 제조방법. a) preparing reed biochar by pyrolysis of reeds; and
b) a method for producing sulfonated reed biochar for removing ammonium in water, comprising introducing a sulfone group into reed biochar.
상기 a) 단계의 갈대는 갈대 줄기를 세척하고 건조한 뒤 분쇄하여 분말화한 것을 특징으로 하는, 수중 암모늄 제거용 술폰화된 갈대 바이오차의 제조방법. According to claim 1,
The method of producing sulfonated reed biochar for removing ammonium in water, characterized in that the reeds in step a) are powdered by washing and drying the reed stems.
상기 a) 단계의 열분해는 300 내지 700℃ 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 수중 암모늄 제거용 술폰화된 갈대 바이오차의 제조방법. According to claim 1,
The thermal decomposition of step a) is characterized in that it is carried out at a temperature of 300 to 700 ℃, a method for producing sulfonated reed biochar for removing ammonium in water.
상기 a) 단계의 열분해는 300℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 수중 암모늄 제거용 술폰화된 갈대 바이오차의 제조방법. According to claim 3,
The thermal decomposition of step a) is characterized in that carried out at 300 ℃, a method for producing sulfonated reed biochar for removing ammonium in water.
상기 b) 단계는 갈대 바이오차에 황산 용액을 혼합하여 150 내지 180℃에서 10 내지 15시간 반응시킨 후 세척 및 건조 과정을 통해 갈대 바이오차에 술폰기를 도입하는 것을 특징으로 하는, 수중 암모늄 제거용 술폰화된 갈대 바이오차의 제조방법. According to claim 1,
In step b), a sulfuric acid solution is mixed with reed biochar and reacted at 150 to 180 ° C for 10 to 15 hours, followed by washing and drying to introduce a sulfone group into reed biochar. Manufacturing method of phononized reed biochar.
상기 암모늄 흡착제 조성물은 수중 내 암모늄을 제거하는 것을 특징으로 하는, 암모늄 흡착제 조성물.According to claim 7,
The ammonium adsorbent composition is characterized in that for removing ammonium in water, ammonium adsorbent composition.
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