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Jul 10, 2023

물에서 수수 짚 바이오 숯에 대한 암모늄의 흡착 거동 및 성능

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 5358(2022) 이 기사 인용 1999 액세스 10 인용 1 Altmetric Metrics 세부 정보 수수는 주류 생산 및 양조에 널리 사용되어 왔습니다.

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 5358(2022) 이 기사 인용

1999년 액세스

10 인용

1 알트메트릭

측정항목 세부정보

수수는 술 제조 및 양조에 널리 활용되어 왔지만, 수수짚(SS)을 어떻게 효율적으로 활용하는가가 시급한 과제로 대두되고 있다. 한편, 포도주 양조 과정에서 발생하는 폐수는 암모늄 농도가 높은 전형적인 유기 폐수입니다. SS의 자원 활용 문제를 해결하고 물에서 암모늄을 제거하기 위해 SS를 사용하여 암모늄 흡착용 흡착제인 바이오 숯을 제조했습니다. 수수 짚 바이오 숯(SSB)에 대한 암모늄의 영향 인자 및 흡착 메커니즘을 연구하기 위해 배치 흡착 실험을 수행했습니다. 결과는 SSB의 흡착 용량이 SS의 흡착 용량보다 훨씬 높다는 것을 보여주었습니다. 300°C에서 열분해된 SSB는 가장 높은 흡착 용량을 가졌습니다. 유리한 pH는 6~10이었고, 최적 투여량은 2.5g/L였습니다. 흡착 과정과 거동은 유사 2차 동역학 및 Langmuir 등온선 흡착 모델을 따릅니다. 45°C에서 SSB의 최대 암모늄 흡착 용량은 7.09mg/g으로 SS의 7.60배에 해당합니다. SS와 SSB의 암모늄 흡착은 주로 화학적 흡착이었다. 재생 테스트에서는 SSB가 3번의 흡착-재생 사이클 후에 우수한 재생 성능을 가짐을 나타냅니다. 이 연구는 SSB가 자원 재활용 목적을 달성하기 위해 암모늄을 함유한 하수 처리에 잠재적으로 적용될 수 있음을 시사합니다.

암모늄은 폐수에 존재하는 주요 질소 형태 중 하나입니다. 수질 환경에 유입되는 다량의 암모늄은 심각한 환경 오염을 초래하고 인간의 건강을 위협할 수 있습니다1,2. 따라서 수질 환경을 보장하기 위해 폐수에서 암모늄을 효과적으로 제어하고 제거하는 것이 필요합니다3. 오늘날 물 속의 암모늄을 제거하기 위해 일반적으로 사용되는 처리 방법에는 주로 이온 교환, 화학적 침전, 흡착, 생물학적 질산화/탈질화, 물리 화학 등이 포함됩니다.4,5,6,7,8. 그 중 흡착법이 가장 유력한 처리방법으로 꼽힌다. 작은 장비 면적, 높은 제거 효율, 간단한 공정, 재생 가능한 흡착제 등의 장점을 가지고 있습니다9. 그러나 흡착 효과가 다른 여러 종류의 흡착제가 있습니다. 일부 흡착제는 흡착 효과가 좋지만(활성탄, 점토 광물, 탄소 나노튜브, 그래핀 등), 비용은 짚 폐기물로 제조된 바이오 숯보다 높습니다. 예를 들어 활성탄의 활성화 온도는 높고 활성화 과정은 biochar13보다 더 복잡합니다. 따라서 저비용, 고효율 흡착제의 연구개발이 이 분야에서 핫스팟이 되고 있다.

술 제조의 주요 원료 중 하나인 수수는 술 생산량이 증가함에 따라 재배면적이 증가하여 수수짚(SS) 폐기물이 다량 발생하고 있다. 2019년 중국 수수 생산량은 722.7만톤에 달했다. SS에 대한 수수의 비율에 따르면 SS의 생산량은 939만5천톤에 달할 것으로 추산된다14. 현재 SS 자원 활용 방법에는 주로 논밭으로 돌아가는 짚, 동물 사료, 짚 에너지, 짚 기질 등이 포함됩니다. 기술 수준, 경제 및 시장 수용도의 한계로 인해 SS 활용률은 여전히 ​​상대적으로 낮습니다. 그 중 일부만이 자원으로 사용되며, 대부분은 노천소각을 통해 폐기됩니다. 이는 자원낭비를 초래할 뿐만 아니라 농촌 자연환경을 오염시키는 결과를 낳는다. 따라서 수수줄기를 자원으로 어떻게 활용하는가가 과제가 되었다.

Biochar는 제한된 또는 O2 조건 없이 농작물 짚, 목재 재료 및 가축 분뇨와 같은 유기 물질의 열분해(일반적으로 탄화 온도 < 700 °C) 및 탄화에 의해 생성되는 방향족 불용성 고체 물질의 종류를 의미합니다15,16. 바이오 숯의 잘 발달된 다공성 구조와 상대적으로 큰 비표면적(SSA)은 우수한 흡착 능력을 갖습니다. 따라서 환경 개선에 바이오 숯을 적용하는 것이 많은 주목을 받고 있습니다. Biochar는 중금속18,19,20,21, 클로로플루오로22, 유기 오염물질23,24, 인산염25,26,27,28 및 암모늄 등과 같은 오염물질에 대한 흡착제로 점점 더 많이 사용되고 있습니다.2,28,29,30,31 ,32. Cuiet al. (2016)은 500°C에서 6개의 습지 바이오매스로 제조된 바이오 숯의 암모니아 흡착 효과를 연구한 결과 칸나 바이오 숯이 가장 큰 흡착 용량(5.60 mg/g)을 가짐을 발견했습니다. Huang et al. (2020)은 점토/바이오 숯 복합재를 사용하여 물 속의 암모늄을 흡착했으며 흡착 과정이 유사 2차 운동 모델 및 Freundlich 등온선 흡착 모델과 더 일치한다는 것을 발견했습니다33. Xue et al. (2019)는 음식물 쓰레기 기반 바이오 숯을 사용하여 물 속의 암모늄을 흡착한 결과 Langmuir 방정식이 흡착 거동에 더 잘 들어맞고 옥수수대 바이오 숯의 암모늄에 대한 흡착은 자발적인 발열 과정임을 발견했습니다. 최대 흡착 용량은 7.174 mg/g30 이었습니다. 왕 외. (2020c)는 FeCl3와 HCl을 사용하여 밀짚 바이오 숯을 변형했으며, 암모늄 흡착 용량이 14%34 향상되었음을 발견했습니다. 다양한 공급원료의 바이오 숯을 사용하여 폐수 내 암모늄 처리에 대한 많은 연구가 있었지만2,29,30,35 SS 유래 바이오 숯을 사용하여 물에서 암모늄을 제거하는 것에 대한 연구는 거의 보고되지 않았습니다. SS가 제조한 바이오 숯을 사용하면 오염 물질을 효과적으로 흡착할 수 있을 뿐만 아니라 짚 폐기물의 자원 활용도 실현할 수 있습니다. 따라서 수수짚 바이오 숯(SSB)에 대한 연구가 필요하다.