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재호 교
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1 이종집 윤성욱 * 공주대학교화학공학부 * 단국대학교공학교육혁신센터 ( 접수 / 채택 ) Removal of Amaranth by Activated Carbon Adsorption Jong-Jib Lee Sung Wook Yoon * School of Chemical Engineering, Kongju National University * Innovation Center for Engineering Education, Dankook University (Received March 10, 2009 / Accepted July 6, 2009) Abstract : The adsorption characteristics of amatanth by granular activated carbon were experimently investigated in the batch adsorber and the packed column. The adsorptivity of activated carbon for amaranth were largely improved by ph control, and 94 percent of initial concentration(100mg/l) could be removed at ph 9. It was estabilished that the adsorption equilibrium of amaranth on granular activated carbon was sucessfully fitted by Freundlich isotherm equation in the concentration range from 1mg/L to 100mg/L. The characteristics of breakthrough curve of activated carbon packed column, which depend on the design variables such as initial concentration, bed height, and flow rate, were studied. Key Words : amarantht, adsorption, fixed bed adsorption, activated carbon, adsorption removal 1. 서론 * 일반적으로사용되는착색료 (colours) 중에서색소류 (dye) 는이들을용매에녹였을때색깔을나타낼수있는능력및염색할수있는능력을가진착색할수있는화학물질을말한다. 적색 2 호인 FD & C Red No. 2 로규정된 amaranth 는미국에서안정성과관련한논쟁이가장많았던색소중의하나로써 1908 년부터식품에사용되어왔다. 이것은 azo 화합물로장세균에의해화학적으로 azo 결합이끊질수있는화합물이다. Azo 색소의생리적영향은색소자체보다는분해산물에의한것으로알려져있다. Amaranth 는 1970 년초러시아에서처음으로안전성에대한문제를제기하였으며, 1976 년에미국에서는 FDA 독성전문가위원회에서검토한결과해가된다는증거가뚜렷하지는않지만암유발위험성이없다는것이입증되지않아서안전해보이지않는다는이유로사용을금지시켰다. 그러나우리나라와일본및유럽연합에서는사용을허가하고 있다 1-3). 본연구에서는방향족아조염료의일종으로써혈관부종, 소양증, 두드러기, 호흡곤란등의유해성을가졌으며, 방직공장의폐수에서흘러나온소량의양이라도인체에누적되어심각한피해를입힐수있는유해색소인 amaranth 를입상활성탄을사용하여흡착제거하는실험을통하여흡착제의물성과흡착질사이의상관관계를비교 검토하고, 등온흡착및흡착속도실험을통해얻은회분식흡착평형자료와고정층흡착탑실험으로부터수집한자료를분석하여입상활성탄을사용하여 amaranth 를흡착 제거하는데필요한기초자료를얻고자하였다 활성탄 2. 실험 본실험에사용된활성탄은수증기활성화법으로제조한동양탄소의야자각계입상활성탄이다. Table 1 에시료활성탄의물리적특성을나타내었다. To whom correspondence should be addressed. swyoon@dankook.ac.kr 2.2. Amaranth 실험대상으로선정한 amaranth 는 Sigma Aldlich 34

2 Table 1. Physical properties of granular activated carbon Properties Unit Value Particle size mesh 8 30 Specific surface area m 2 /g 1,520 Density(at 25 ) g/ml 0.48~0.55 Iodine adsorption value mg/g 1,000 Methylene blue adsorption value ml/g 180 ash % <10 Hardness % 90 Min. 르게 PE 병에넣고, 20 의항온진탕기 (JEIO TEK, BS-21) 에서 24 시간동안진탕속도를 100 회 /min 으로하여실험한한것의잔존농도를분석하여활성탄의양을결정하였다 흡착평형속도실험 100mL PE 병에흡착량결정실험을통해얻은소정량의침지된활성탄을넣은초기농도 100mg/L 의 amaranth 용액 50mL 를 20 에서항온진탕기로진탕속도를 60~100 회 /min 범위에서 10 회 /min 의간격으로서로다르게진탕하면서용액내의농도를시간별로분석하여물질이동이무시될수있는흡착속도와흡착평형이이루어지는시간을평가하였다. Fig. 1. Molecular structure of amaranth. Table 2. Physical properties of amaranth 4) Properties Value Appearance Dark red solid Molecular weight Melting point 120 Wave length 520nm CAS number Color index number 사의특급시약을사용하였으며, Fig. 1 에나타낸바와같이 C 20H 11N 2Na 3O 10S 3 의분자식을갖는방향족아조계화합물로, Acid Red 27, FD & C Red Dye No. 2, azobulin 등으로도불리며, 주로식용색소와적색염료로사용된다. Amaranth 의특성에대하여 Table 2 에나타내었다 Amaranth 의농도분석 흡착질인 amaranth 의용액의농도분석을위하여 UV-Visible spectrophotometer (Shimadzu, UV-160A) 를사용하여고유흡수파장 520nm 에서검량선을구하여분석하였다 흡착제의량결정실험 초기농도 100mg/L 인 amaranth 용액 50mL 에대하여 70 의순수로 12 시간침지한활성탄을 0.1~ 1g( 건조기준질량 ) 범위에서소정의비율로각각다 2.6. ph 별흡착능실험 100mL PE 병에초기농도 100mg/L 인 amaranth 용액 50mL 과예비흡착실험에서결정된소정량의침지된활성탄을넣고, 완충용액을사용하여 ph 를 3~ 10 까지조정한후 20 에서항온진탕기에서 100 회 /min 로 12 시간진탕하여흡착평형에도달했을때용액을여과, 분리하여여액중에남아있는 amaranth 의농도를측정하여흡착제거율을구하였다 등온흡착평형실험 흡착평형실험으로부터구한최적 ph 로조정한초기농도 100mg/L 의 amaranth 용액 50mL 에침지된활성탄을 0.3~1.0g 범위에서서로다르게첨가한후 20 에서 100 회 /min 의속도로항온진탕기에서 12 시간진탕하여흡착평형에도달했을때용액을여과, 분리하여여액중에남아있는 amaranth 의농도를측정하여이결과로부터흡착등온선을얻고, 분석하였다 고정층흡착실험 Fig. 2와같이내경 10mm의이중 jacket식유리관에활성탄을 10~20cm의높이로채운다음초기농도 100, 150, 200mg/L인 amaranth 용액을각각유리관상부로부터흘려내려보냈다. 시료용액의유출속도는 Peristaltic pump(eyela, MP-A) 을사용하여 1~3cm 3 /min으로조정하였으며, Fraction collector (Toyo, SF-100K) 로 10mL씩나누어채취한유출용액의농도를분석하여파과시간 (breakt time) 및파과곡선 (breakthrough curve) 을구하였다. 한국안전학회지, 제 24 권제 4 호, 2009 년 35

3 이종집, 윤성욱 Fig. 3. Effect of activated carbon doses. Fig. 4. Effect of agitation for adsorption of amaranth. 1. Storage tank 2. Cock 3. Adsorption column 4. Peristaltic pump 5. Fraction collector Fig. 2. Schematic diagram of fixed bed adsorption apparatus. 3. 결과및고찰 3.1. 흡착제의량결정흡착속도는교반속도, 흡착제의입자경및흡착조건에의해달라질수있다. 예비실험을통하여본실험에서사용할조건을정하기위하여초기농도 100mg/L인 amaranth 용액 50mL에대하여 70 의순수로 12시간침지한활성탄을 0.1~1g( 건조기준질량 ) 범위에서 0.1g 단위로다르게첨가하고, 20 에서 24시간항온진탕한결과를나타낸것이 Fig. 3이다. 본실험에서는최적조건이되면흡착제거율이상승할것을감안하여 71% 의제거율을나타낸 0.5g을활성탄의첨가량으로정하였다 흡착평형속도 활성탄의첨가량을 0.5g 으로한상태에서항온진 탕조의왕복운동속도를각각 60, 70, 80, 90, 100 회 /min 으로다르게하여실험한결과를 Fig. 4 에나타내었다. 항온진탕기의왕복운동속도가 90 회 /min 이되면흡착속도곡선이거의일치하고있다. 따라서 90 회 /min 이상의조건에서는물질이동저항에의한흡착량감소가무시될수있는조건으로생각할수있으므로이후의실험에서는진탕속도 100 회 /min 의조건에서회분식실험을실행하였으며이때흡착시간은 10 시간이후에흡착평형에거의도달하는것을고려하여진탕시간을 12 시간으로하였다 ph별흡착평형용액의 ph 변화에따른 amaranth용액의흡착특성을조사한결과를 Fig. 5에표시하였다. 그림을보면입상활성탄 (GAC) 은 ph 3에서약 82% 의제거율을나타내다가 ph가증가할수록감소하여 ph 6에서는가장낮은약 60% 의제거율을나타냈다. 그러나 ph가증가하면다시흡착량이증가하여알 36 Journal of the KOSOS, Vol. 24, No. 4, 2009

4 Fig. 5. Adsorption characteristics of amaranth at ph 3~10 (initial concentration; 100mg/L, GAC:0.5g). 카리영역인 ph 9 부근에서약 94% 로최대의제거율을나타내는경향을보이고있다. 이러한결과는 Fig. 1 에서보는바와같이흡착질인 amaranth 가 -OH 기와 -SO 3Na 기를동시에가지고있기때문에물에용해되었을때산성영역과알카리성영역에서모두높은흡착성을나타내는것으로판단된다. 또한 Fig. 1 에서 71% 이었던흡착제거율이최적 ph 에서는 94% 로상승하여흡착제와흡착질의흡착조건이흡착에상당한영향을미치는것으로해석할수있다 등온흡착평형실험 ph 별흡착특성을조사하여얻은최적 ph 영역인 ph 9 에서입상활성탄에대한등온흡착실험을행하였다. 흡착제와흡착질사이의흡착평형관계를나타내는 Freundlich isotherm 은다음의식 (1) 로표현된다 5). Fig. 6. Adsorption isotherms of amaranth at ph 9 (initial concentration; 100mg/L, GAC:0.5g). 또한실험결과값을가지고식 (2) 으로부터지수회귀법으로구한 Freundlich 식에대한상관계수값은 r=0.98 로 Freundlich 식에비교적잘맞는것으로볼수가있다. (2) 식으로부터구한 Freundlich parameter K 와 β 값을보면 K=14.2, β=0.11 로나타났다. Fukukawa 5) 가발표한자료에의하면 k 값은클수록좋으며, β 값이 에있어야효과적처리가가능한영역이며이범위를벗어나면흡착제의양이늘어나도흡착질의농도가잘줄어들지않기때문에흡착조작이비효과적이라고하였다. 따라서실험결과를분석해보면활성탄에의한 Amaranth 의흡착제거조작은효과적인처리가가능하다는것을알수있었다 고정층흡착실험 고정층흡착탑에서활성탄의충전높이 (z) 를 10cm q = KC β (1) 여기서 q 는흡착제단위질량당흡착된양 (mg/g), C 는흡착질의평형농도 (mg/l), K 와 β 는흡착능력과강도를나타내는상수이다. 식 (1) 을직선식으로표현하면다음과같은식이된다. log q = log K + β log C (2) 실험결과를 Freundlich 식 (2) 에적용하여대수좌표로나타낸것이 Fig. 6 이다. Fig. 7. Effect of initial concentrations for breakthrough curve of amaranth (Z = 10cm, u = 1cm 3 /min). 한국안전학회지, 제 24 권제 4 호, 2009 년 37

5 이종집, 윤성욱 로한상태에서, 유속 (u) 을 1cm 3 /min 로고정하고 amaranth 용액의초기유입농도를각각 100, 150, 200 mg/l 로변화시켰을때파과곡선의경항을조사한결과를 Fig. 7 에표시하였다. 그림을보면초기농도가높아질수록흡착질인 amaranth 의파과곡선출현시간이빨라지며, 흡착대가짧은것을볼수있다. 이것은농도가클수록활성탄에대한흡착속도가증가되는것과같은효과가일어나흡착이빨리진행되어평형에도달하는시간이단축되기때문으로생각된다. Fig. 8 은 amaranth 의초기농도를 100mg/L, 유입속도를 1cm 3 /min 로고정한상태에서활성탄의충전높이를 10cm, 15cm, 20cm 로변화시켰을때의파과곡선을조사한결과이다. 3 개의형태가유사하며, 유출농도가초기유입농도의 10% 에도달할때의시간을나타내는파과시간도 72, 104, 141 시간으로거의일정한변화폭을보이고있다. 이결과는실제조작에서층높이를조절하는것에의해흡착탑의흡착용량조절이가능하다는것을나타낸다. Fig. 9 에는활성탄의충전높이 10cm, amaranth 의유입농도 100mg/L 에서흡착질이고정층에유입되는속도를각각 1, 2, 3cm 3 /min 로변화를주었을때의파과곡선을조사한것이다. 그림으로부터유속이빨라질수록흡착질의출현시간이빨라지며, 유속이빠를수록유출농도가급격하게증가하여흡착대가빨라지는현상이나타나는데, 이것은유속이빨라지면흡착층내에서의흡착질의체류시간이짧아지므로, amaranth 가충분히흡착되지못하고유출되는현상이일어나는것으로판단된다 6). Fig. 9. Effect of flow rates for breakthrough curve of amaranth (Co = 100mg/L, Z= 10cm 3 ). 이상의결과를종합하면흡착탑에유입되는흡착질의농도가높거나유속이빨라지면파과시간이빨라지며, 파과곡선의흡착대가짧지는현상이나타나므로, 실제흡착조작시에는이들을설계인자로잘고려할필요가있음을알았다. 4. 결론 본연구에서는유해한식용색소이며, 염료로도사용되는방향족화합물인 amaranth(acid Red 27) 를효과적으로제거하기위해입상활성탄으로회분식및고정층흡착실험을수행한결과, 다음과같은결론을얻었다. 1) 흡착평형에도달하는시간은 10 시간이며, 최적 ph 인 ph 9 에서최기농도 100mg/L 의 amaranth 용액 50mL 에대해활성탄사용량 0.5mg 일때약 94% 의제거율을나타내었다. 2) 등온흡착실험결과, 흡착평형관계는상관계수 r=0.98 로 Freundlich 식에비교적잘일치되었다이때, Freundlich parameter K 와 β 값을보면 K=14.2, β=0.11 로나타나활성탄에의한 Amaranth 의흡착제거조작이효과적일수있음을알수있었다. 3) 고정층흡착실험결과로부터흡착탑에유입되는 amaranth 의농도가높거나유속이빨라지면파과시간이빨라지고, 파과곡선의흡착대가짧아지는현상이나타나므로실제흡착조작시에는이들을설계인자로잘고려할필요가있음을알수있었다. Fig. 8. Effect of packed heights for breakthrough curve of amaranth (Co = 100mg/L, u= 1cm 3 /min). 참고문헌 1) 이훈, 오존을이용한염료폐수의처리에관한연 38 Journal of the KOSOS, Vol. 24, No. 4, 2009

6 구, 석사학위논문, 서강대학교, ) 하상도, 박기환, 문은숙, 고명희, 류경, 조양희, 색소의허와실, 식품과학과산업, 제 38 권, 제 4 호, pp ) 식품의약품안전청, 식품첨가물공전, 동원출판사, pp.182~212, ) Budavari, S., The Merck Index, Merck & Co. Inc., 11th ed., p.61 (No.382). 5) Fukukawa 저, 박영태역, 활성탄수처리기술과관리, 동화기술, p. 69, ) Lee Jong Jib, Yoo Yong Ho, Study on Adsoption Characteristics of Tharonil on Activated Carbon Fixed Bed, Jounal of the Korean Society of Safety, 제 17 권, 제 1 호, pp. 54~62, 한국안전학회지, 제 24 권제 4 호, 2009 년 39

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<303720C0CCC3A2BFEB2D312E687770> CLEAN TECHNLGY, Vol. 16, No. 3, September 2010, pp. 206~212 입상활성탄에의한 Quinoline Yellow 의제거 이종집, 이창용 * 공주대학교화학공학부, 환경공학과 331-717 충청남도천안시서북구부대동 275 ( 2010 년 8 월 4 일접수 ; 2010 년 8 월 27 일 1 차수정본접수 ; 2010 년 8