J. Korean Soc. Environ. Eng., 39(1), 26~33, 2017 Original Paper https://doi.org/10.4491/ksee.2017.39.1.26 ISSN 1225-5025, e-issn 2383-7810 메조공극흡착제를이용한상수원수내맛 냄새유발물질제거특성평가 Evaluation of Removal Characteristics of Taste and Odor Causing Compounds using Meso-Porous Absorbent 김종두 박철휘 윤여복 * 이대성 * 김효전 ** 강석태 **, Jong-Doo Kim Chul-Hwi Park Yeo-Bog Yun* Dae-Sung Lee* Hyo-Jeon Kim** Seok-Tae Kang**, 서울시립대학교환경공학과 * 금호건설기술연구소 ** 한국과학기술원건설및환경공학과 Department of Environmental Engineering, The University of Seoul *Institute of Construction Technology, KUMHO Engineering and Construction **Department of Civil & Environmental Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology (Received November 15, 2016; Revised December 12, 2016; Accepted January 16, 2017) Abstract : The objective of this study was to evaluate the characteristic of adsorption by using a meso-porous adsorbent (MPA), and investigate the removal efficiency of geosmin which taste and odor causing compounds in drinking water supplies through batch test. The results for the adsorption isotherm was analyzed by using the Langmuir equation and Freundlich equation, generally being applied. And the study showed that the both Langmuir and Freundlich equation explains the results better. Both of pseudo-firstorder model and pseudo-second-order model were respectively applied for evaluation of kinetic sorption property of geosmin onto MPA. The adsorption experiment results using MPA showed that maximum adsorption capacity of MPA was lower 7 times than that of GAC, and adsorption rate of MPA was faster 11 times than that of GAC, on the basis of pseudo-first-order model. Therefore, it was determined that MPA was effectively able to remove geosmin in drinking water supplies in short EBCT condition, but regeneration cycle in MAP process was shorter than that in conventional process. Key Words : Meso-porous, Adsorbent, Sorption Isotherms, Kinetics, Geosmin 요약 : 본연구의목적은메조공극흡착제 (Meso-Porous Adsorbent, MPA) 에대한흡착특성을평가하고, 상수원수내맛 냄새유발물질인 geosmin 에대한흡착제거특성을회분식실험을통해평가하는데있다. 등온흡착에대한실험결과는일반적으로적용되고있는 Langmuir 식과 Freundlich 식을이용하여분석하였으며, MPA 는 Langmuir 식과 Freundlich 식모두잘따르는것으로나타났다. 그리고흡착속도평가를위해 1 차속도식과 2 차속도식을각각적용하였다. 본흡착특성평가결과 MPA 를이용할경우기존입상활성탄에비해최대흡착량이 7 배가량낮은것으로나타났으나 1 차속도식기준으로흡착속도는 11 배이상빠른것으로나타났다. 따라서 MPA 를정수장에적용할경우짧은 EBCT 조건에서도효과적으로상수원수내 geosmin 을제거할수있을것으로판단되며, 활성탄공정에비해재생주기가짧을것으로판단된다. 주제어 : 메조공극, 흡착제, 동은흡착, 반응속도, 지오스민 1. 서론 기후변화에따른기온상승과극한강우사상발생증가는수계내이상수질을빈번하게발생시키고있으며, 주요수계에서계절에관계없이조류에서기인된이 취미유발물질이발생되고있다. 1,2) 또한, 먹는물에대한소비자의기대심리가높아져기존수질기준이상의품질이요구되고있어, 이에환경부는먹는물수질기준이외에맛 냄새유발물질인 geosmin과 2-MIB가포함된 27개항목의감시항목을설정하여모니터링하고있다. 맛 냄새유발물질인 geosmin, 2-MIB의제거를위한국내고도처리공정은주로산화공정과활성탄흡착공정을조합하여적용하고있으며, 흡착공정과산화공정을동시에적용하기때문에과도한운영비및시설비가투입되고있다. 또한활성탄재생시에는 900~1,000 의고온조건이필요 하므로이에따른운영비증대문제등이나타나고있어, 이러한기존공정의한계를극복할수있는새로운고도처리공정필요성이대두되고있다. 3) 기존공정의한계를극복하기위해활성탄을개질하여고기능성및선택성이우수한활성탄을개발하거나, 신규흡착소재개발을통해이온교환수지, 탄소나노튜브, 메조공극물질, 그래핀등이개발되고있다. 4) 이러한신규흡착제중메조공극기반의흡착제의경우높은표면적, 우수한공극구조등으로인해다양한적용이이뤄지고있으며, 메조공극의특성으로흡착속도를기존활성탄에비해크게증대시킬수있다. 5,6) 본연구에서는팽창성 (swell) 유기실리카기반의메조공극흡착물질이여과모래에코팅된흡착제 (Meso-Porous Adsorbent, MPA) 를적용하였다. 본흡착제는빠른흡착속도이외에일반유기물은흡착하지않고소수성물질만선택적으로흡착할수있어상대적으로낮은 Corresponding author E-mail: stkang@kaist.ac.kr Tel: 042-350-3635 Fax: 042-350-3610
J. Korean Soc. Environ. Eng. 메조공극 흡착제를 이용한 상수원수내 맛 냄새 유발물질 제거특성 평가 100 온도 조건에서 수회 재생이 가능한 특징을 가지고 Table 1. Physical property of experimented adsorbents 7) 있다. Adsorbent type Density 3 (g/cm ) MPA 1.64 (2.56)* 0.25 ~ 1.2 0.52 Si, O, C 본 연구에서는 신규흡착물질 중 메조공극 팽창성 유기실리 GAC 0.41 (2.17)* 0.43 ~ 1.7 1103.1 C, O, Al, Si 카 기반의 흡착제(MPA)를 이용해 흡착제의 기본 흡착성능 *real density 신규 흡착물질에 대한 소재연구는 활발히 이뤄지고 있으 나, 신규 흡착제를 현장에 적용하기 위한 기초 성능평가 및 설계인자 도출 등 에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 따라서 Size distribution Surface area 2 (mm) (m /g) Element 을 규명하기 위한 등온흡착 평가와 동역학적 평가를 수행 없는 것으로 평가되었다. 그리고 Table 1에서 제시된 BET 하였다. Surface area and Pore size Analyzer (BET; Belsorp Max, Bel Japan Inc.) 평가 결과 GAC에 비해 MPA의 표면적이 2,000 2. 연구방법 배 이상 작은 것을 확인 할 수 있었다. MPA의 표면적이 작은 이유는 현장 적용성을 증대시키기 위해 일반 여과모래 2.1. 실험재료 및 분석 표면에 메조공극 유기실리카 물질을 코팅하여 사용하였기 본 실험에 사용한 메조공극 흡착제(MPA)는 흡착성능이 때문이며, 또한 MPA는 팽창성 유기실리카 물질로 코팅되 우수한 팽창성 메조공극 유기실리카 물질을 모래에 코팅시 어 있어 오염물과 접촉 시 팽창이 이뤄져 추가적인 공극을 킨 제품이며(ABSMaterial, 미국), 본 흡착제와 비교 평가를 형성하게 되지만 BET 평가 시에는 팽창된 상태의 MPA의 위해 Norit GAC 1240모델의 입상활성탄(GAC)을 선정하여 공극 측정은 불가능하여 비팽창된 MPA의 표면적만 측정된 적용하였다. 본 실험을 통해 MPA의 GAC 대체 가능성을 것으로 판단되었다. 그리고 Energy Dispersive X-ray Spec- 확인하고자 두 흡착제 모두 입경 조절 없이 실험을 수행하 trometer (EDS; GENESIS 2000, EDAX, USA: Linescan of 였다. 실험에 적용한 MPA와 GAC에 대한 특성은 Table 1 Calcium and Phosphorus)를 이용한 각 흡착제의 원소조성 에 나타내었으며, Fig. 1에 각각의 흡착제에 대한 Field Emi- 분석결과 GAC는 탄소, 산소, 알루미늄, 실리카 등 다양한 ssion Scanning Electron Microscopy (FE-SEM; LEO SUPRA 물질로 구성된 반면, MPA는 주로 실리카, 산소, 그리고 탄 55, Carl Zeiss, Germany) 측정 결과를 나타내었다. Fig. 1의 소가 주성분으로 구성되어 있음을 확인할 수 있었다. SEM 측정결과에서 나타나듯이 GAC 표면은 다양한 입자 본 실험에 사용한 오염물은 상수원수 내 대표적인 맛 냄 들이 부착되어 있고 또한 거친 표면특성이 나타난 반면, 새 유발물질인 geosmin (Wako, Japan)을 메탄올에 용해시켜 MPA는 표면이 매우 매끄럽고 표면에 부착된 입자가 거의 Stock 용액을 만들어 초순수(De-ionized distilled water)에 일 (a) (Left) 150, (Right) 5,000 (b) (Left) 100, (Right) 5,000 Fig. 1. SEM images of experimented adsorbents ((a) MPA, (b) GAC). 대한환경공학회지 제39권 제1호 2017년 1월 27
28 J. Korean Soc. Environ. Eng. 김종두 박철휘 윤여복 이대성 김효전 강석태 (a) (b) Fig. 2. EDAX spectrum of adsorbents ((a) MPA, (b) GAC). Table 2. Analysis condition of geosmin Content Conditions Column Agilent 19091Z-436, 60.0 m 250 µm 0.25 µm Detector MSD Inlet temp. 250 He Flow 1 ml/min Oven temp. 100 /hold 3 min - 20 /min (Up) - 280 /hold 5 min Mode splitless SIM Mode 95 m/z, 125 m/z, 215 m/z SPME SPME Fiber Assembly 65 µm PDMS/DVB, Rused Silica 24 Ga, Manual Holder, 3 pk 입하였다. 흡착제주입후교반기를이용하여교반강도 150 rpm에서흡착반응이완료될때까지교반을진행하였으며, 실험시온도는 25 ± 1 를유지하였다. 각기정해진샘플채취시간에맞춰샘플을채취하여분석하였다. 본실험을통해도출된데이터는식 (4) 와 (7) 에의한유사 1차 (pseudo-first-order) 및유사 2차 (pseudo-second-order) 속도모델을적용하여동역학적흡착특성을평가하였으며, 그리고두흡착제별흡착질의주된확산경로및흡착특성을규명하고자동역학적흡착평가로부터도출된데이터를식 (9) 와 (11) 을적용하여외부확산및내부확산특성을각각평가하였다. 정량을주입하여실험하였다. Geosmin 분석은 GC-MS (Gas chromatography-mass spectrometry, GC : Agilent technologies 7890A, MS : Agilent technologies 5975C) 기기를사용하였으며, 분석조건은위의 Table 2에나타내었다. 실험에서사용한 geosmin의농도가미량이므로 SPME (Solid Phase Micro Extraction) 으로전처리를진행하였다. 2.2. 실험방법 2.2.1. 등온흡착실험등온흡착실험은 950 ml 갈색병에서로다른농도의 geosmin이용해된 950 ml 용액에 0.1 g의 MPA와 0.05 g의 GAC를각각주입하였다. ph는 7로조절하였으며, 흡착제주입후교반기를이용하여교반강도 150 rpm에서 24 hr 동안흡착반응을진행하였다. 모든실험에서 25 ± 1 온도를유지하였다. 흡착반응완료후샘플을채취하여 0.45 µm PVDF syringe filter를이용하여여과후 GC-M/S를이용해분석하였다. 본실험을통해얻어진데이터를이용하여 MPA의흡착특성을평가하기위해초기 geosmin 농도는 1~80 µg/l 범위에서흡착실험을수행하여 Langmuir식및 Freundlich식의등온흡착모델에적용하여평가하였다. 2.2.2. 동역학적흡착실험동력학실험은 950 ml 갈색병에 1 µg/l geosmin이용해된 950 ml 용액에 MPA 0.1 g과 0.05 g의 GAC를각각주 3. 결과및고찰 3.1. 등온흡착특성 상수원수내대표적인맛 냄새유발물질인 geosmin은소수성물질 (log Kow 3.57) 로고체상에흡착하려는경향이강하고, 고체상에유기물의함량이증가할수록흡착경향은더강해지게된다. 8,9) 이러한각흡착제에따른 geosmin 의흡착특성에대한평가및특성정보를얻기위하여등온흡착실험을수행하였고얻어진결과는평형상태에서의 geosmin의농도 (µg/l) 변화에따른흡착량 의관계로도시하였다. 일반적으로평형- 흡착식은 Langmuir, Freundlich Isotherms의두가지모델로서나타내며, Langmuir 식은흡착제 (adsorbent) 표면의결합자리가흡착질 (adsorbate) 과화학양론적으로 1:1로서상호독립적으로반응하며, 각반응자리는균일한반응세기를가진다고가정하여만들어진모델로서다음과같이나타낸다. m L e e (1) L e 여기서 Q e 는평형상태에서흡착제단위질량당흡착된흡착질의양 (mg/g) 이며, C e 는평형상태에서의용액중흡착질농도 (µg/l), S m 은평형상태에서흡착제단위질량당흡착된최대흡착질의양, K L 은흡착속도와관련된 Langmuir Journal of KSEE Vol.39, No.1 January, 2017
J. Korean Soc. Environ. Eng. 메조공극흡착제를이용한상수원수내맛 냄새유발물질제거특성평가 29 (a) (b) Fig. 3. Geosmin sorption isotherms on absorbents ((a) MPA, (b) GAC, Initial geosmin concentrations were 1 to 80 µg/l). Table 3. Langmuir and Freundlich model parameter for geosmin sorption on adsorbents Adsorbent type q e (exp.) S m (theor.) Langmuir K L (L/µg) R L (g/l) R Freundlich K F 1/n R (L/µg) 1/n MPA 141.57 222.54 0.0668 0.230 0.989 20.97 0.59 0.968 GAC 1,000.85 1,643.34 0.0865 0.126 0.972 182.35 0.59 0.944 Fig. 4. Geosmin sorption kinetics on absorbents (Initial geosmin concentration was 1 µg/l). 상수 (L/µg) 이다. 10) Freundlich 식은흡착제의흡착자리는균일하지않으며흡착량이증가하면서흡착에너지가연속적으로감소한다는가정하에서만들어진흡착모델이다. Freundlich 식은불균질표면흡착반응을하는액상흡착의해석에가장널리적용되는식이다. Freundlich 식은다음과같이나타낼수있다. 값비교결과 Freundlich 모델과 Langmuir 모델의상관계수가 0.94 이상으로평가되어두모델모두실측값을잘설명하는것으로나타났다. Langmuir 모델로부터얻어진 MPA와 GAC에서의 geosmin 에대한최대흡착량은각각 222 µg/g과 1,643 µg/g으로평가되었으며흡착속도와흡착에너지를나타내는 K L 값은 MPA와 GAC가유사하게나타났다. Langmuir 방정식의특징은아래의식 (3) 과같은분리계수혹은평형계수로나타내는무차원상수 R L 로표현될수있다. 11) L L (3) e F e (2) 여기서 Q e 는평형상태에서흡착제단위질량당흡착된흡착질의양 이며, C e 는평형상태에서의용액중흡착질농도 (µg/l), K F ((L/µg)1/n) 는흡착세기및용량과관련된 Freundlich 등온흡착상수, 1/n는흡착자리의덮힘 (surface coverage) 에따른결합세기의감소율을나타내는흡착상수 (i.e., 흡착강도 ) 이다. 일반적으로 K F 값이높을수록, 그리고 n이클수록흡착제단위무게당의흡착량이높아진다. 10) Langmuir모델과 Freundlich 모델을이용하여각각의흡착제와 geosmin의흡착관계를나타낸결과는아래 Fig. 3과 4에나타냈다. Table 3의결과와같이평형상태에서 MPA와 GAC의단위질량당흡착된 geosmin의실험적최대흡착량은각각 141.57 µg/g, 1,000.85 µg/g으로평가되었다. 두흡착제모두에대한등온흡착모델은실측값과모델값의상관계수인 R 여기서, C 0 는가장높은초기 geosmin의농도 (µg/l) 이며 K L 은 Langmuir 흡착평형상수이다. R L 0보다작은경우흡착반응은비가역적이며, 0 < R L <1일경우반응성이높은경우로흡착처리가적합함을의미하고 R L 이 1보다큰경우에는반응성이낮으므로흡착처리가적합하지않음을의미한다. 본실험을통해얻은 MPA와 GAC의 R L 은각각 0.230과 0.126으로나타나 MPA와 GAC를이용해 geosmin 을흡착처리하는것이적절한것으로평가되었다. 그리고 Freundlich 식으로부터산정된흡착능에대한척도를나타내는 K F 는크면클수록흡착능력이우수함을나타내고, 1/n 은흡착강도를나타내며본값이 0~1 사이에있으면흡착이잘이뤄지고 2 이상일경우는흡착이불량하다고알려져있다. 12) 본실험을통해얻은 MPA와 GAC의 K F 는각각 20.97, 182.35로 GAC가흡착능력이더우수한것으로판단되며, 1/n은모두 0.59를나타내두흡착제모두 geosmin 흡착에적합한것으로평가되었다. 대한환경공학회지제 39 권제 1 호 2017 년 1 월
30 J. Korean Soc. Environ. Eng. 김종두 박철휘 윤여복 이대성 김효전 강석태 3.2. 동역학적흡착특성 흡착제의흡착반응속도및반응완료시간의비교를위해동력학실험을진행하였으며, 시간에따른 C/C 0 결과를 Fig. 4에나타내었다. 동력학실험결과 MPA의경우 15분이내에흡착반응이거의완료되었으며, 본결과를통해 GAC 보다 MPA의흡착반응이상대적으로빠른것으로판단된다. 결과적으로대조군인 GAC에비해 MPA의흡착반응이월등히빠른것으로판단되며, 이는 MPA의공극및소재의특성에의한것으로여겨진다. GAC의경우분산에의해오염물질이미세공극으로들어가흡착되는데오랜시간이걸리나, MAP는메조공극형태를지님으로써오염물질의공극으로의분산이보다빠른특성을지닌다. 또한 MPA 특유의공극간상호연결성으로인해빠른흡착결과를가져온것으로판단된다. 흡착공정에대한효율적인모델을설계하기위해서는동력학적해석에대한이해가필요하다. 이를해석하기위한흡착반응의속도에대한대표적모델로써유사 1차반응속도모델과유사 2차반응속도모델이존재한다. 1차반응속도식은 Lagergren에의해제시되었으며, 수용액상의용해제로부터용질의흡착과정에널리적용되는속도식중하나이다. 이식은다음과같다. 13,14) (4) 여기서 k ad 는유사 1차반응속도상수 (/min) 이며, q e 는평형상태에서흡착제단위 g당흡착된흡착질의양, q t 는반응시간 t에서흡착제표면에서의흡착량, t는시간 (min) 이다. 위의식을변형시켜사용할수있으며, 그식은아래식 (5) 와 (6) 으로나타낼수있다. ln (5) ln ln (6) 유사 1차반응속도모델을이용하여흡착속도실험결과를식 (6) 을적용시켜 Fig. 5에나타냈으며, 그결과 MPA가 GAC 에비해 11배이상흡착속도가빠른것으로나타났다. 고체상의흡착평형능력을바탕으로제시된유사 2차반응속도식은아래식 (7) 과같이표현된다. 13) (7) 여기서 k 2 는유사 2차반응속도상수 (g/µg min) 이며, q e 는평형상태에서흡착제단위 g당흡착량, q t 는반응시간 t에서의흡착량, t는시간 (min) 이다. 유사 2차속도 Fig. 5. Pseudo-first-order kinetic fits of geosmin by adsorbents. Fig. 6. Pseudo-second-order kinetic fits of geosmin by adsorbents. 반응식을다음식으로변형할수있으며, 본식의기울기와절편으로부터 k 2, q e 값을구할수있다. 15,16) (8) 유사 2차반응속도모델을이용하여흡착속도실험결과를식 (8) 을적용시켜 Fig. 6에나타냈으며, 그결과 MPA가 GAC에비해 7배이상흡착속도가빠른것으로나타났다. 유사 1차반응, 유사 2차반응해석을통한서로다른흡착제들의반응속도를구할수있었다. 본실험에서는유사 1차반응과 2차반응모두실험값과의상관성 (R) 이 0.97이상으로높게나타났다. Table 4에서는 GAC는유사 2차반응모델을적용해얻어진이론적최대흡착용량과실험에서얻어진최대흡착용량이차이를보이는반면, Fig. 7에서 Table 4. The correlation coefficients between measured and predicted data Adsorbent q e (exp.) k ad (h -1 ) First order rate constant q e (theor.) R Second order rate constant k 2 (g/µg/h) q e (theor.) MPA 5.31 6.920 5.315 0.980 1.743 5.092 0.976 GAC 14.91 0.581 13.206 0.972 0.238 11.765 0.978 R Journal of KSEE Vol.39, No.1 January, 2017
J. Korean Soc. Environ. Eng. 메조공극흡착제를이용한상수원수내맛 냄새유발물질제거특성평가 31 (a) MPA Fig. 8. External diffusion model for adsorption of geosmin on each adsorbents. Table 5. Parameters of external diffusion model Adsorbent k s R 2 MPA 1.32 10-5 0.936 GAC 1.83 10-9 0.913 A는흡착제의표면적 (m 2 ), V는용액의부피 (m 3 ), t는시간 (sec) 이다. (b) GAC Fig. 7. Model prediction and measured data for the time changes of qe in an aqueous system. 나타난결과와같이실험시간중에서의흡착경향은유사 2차반응이더잘설명하는것으로나타났다. MPA의경우는유사1차, 2차모두이론적최대흡착용량과실험시간중의흡착경향을모두잘설명하는것으로나타났다. 유사 1차반응해석을통해 MPA와 GAC의흡착속도를비교할경우 MPA의흡착속도가 11.4배높았으며, 유사 2차반응으로비교할경우는 7.3배더높은것으로나타났다. 따라서메조공극으로구성된 MPA가활성탄에비해흡착이더빠르게이뤄지는것으로사료된다. 3.3. 흡착제별확산특성 3.3.1. 외부확산특성 두흡착제의흡착특성을보다상세하게규명하기위해흡착질의주된확산경로를아래와같이확인하였다. 흡착질의확산경로는크게외부확산과내부확산으로나눠진다. 이중외부확산모델은아래의식 (9) 로제안된다. 17) 본식은식 (10) 과같이변형하여적용할수있다. 18) (9) 여기서 k s 는경막물질이동계수 (m 2 /s) 이며, C는용액중의흡착질의농도 (µg/l), C s 는흡착제표면의흡착질농도, ln (10) 각흡착제별 geosmin의외부확산모델적용한결과는 Fig. 8에나타낸것과같이 MPA의경우경막물질이동계수값 (k s) 이매우높아초기 10분이내에흡착반응이거의다이뤄지는반면 GAC는상대적으로낮은 k s 값을나타냈으며동역학적평가가이뤄진 2시간동안 k s 값변화가미미한것으로나타났다. 이와같이 MPA의 geosmin에대한흡착속도와평형에이르는속도가 GAC에비해빠른이유는표면특성이메조공극으로이뤄져서물질전달속도가빠르며, 또한소수성물질에대해선택적으로반응성이높기때문에소수성특성을가지고있는 geosmin과빠르게반응하였기때문으로사료된다. 7) 또한유사 1차혹은 2차반응상수값과비교해 MPA의 K s 가 GAC 보다 10 4 배높은이유는 MPA 의과소평가된표면적분석결과가반영되었기때문으로판단된다. 3.3.2. 내부확산특성 내부확산모델은 Weber와 Morris에의해다음과같이식 (11) 으로제안되었다. (11) 여기서, q t 는시간 (t) 에서의흡착량, K id 는세공내확산속도상수. t는시간 (min), C는절편을나타내는상수로경계층의두께와관련있다. 18) 여기서 q t 대 t 1/2 로도시하는직선의기울기로부터 K id 를얻어흡착제별내부확산특성을 대한환경공학회지제 39 권제 1 호 2017 년 1 월
32 J. Korean Soc. Environ. Eng. 김종두 박철휘 윤여복 이대성 김효전 강석태 Table 6. Parameters of internal diffusion model Adsorbent First linear Second linear k id R 2 k id R 2 MPA 1.3775 0.928 0.07340 0.846 GAC 0.9924 0.977 0.9924 0.977 성및흡착특성을규명하고, 기존활성탄공정의대체가능성을평가하고자흡착제의특성이잘알려진 Norit GAC- 1240과함께상수원수내주요맛 냄새유발물질인 geosmin 에대한등온흡착및동역학적평가를수행하였으며, 다음과같은결론을얻었다. Fig. 9. Internal diffusion model for adsorption of geosmin on each adsorbents. 확인할수있으며, C값의경우값이증가할수록경계층의영향이커지는것을의미한다. 동역학적흡착실험결과를내부확산모델에적용하여나타낸결과는 Fig. 9에나타냈다. MPA의경우초기 10분과그이후의흡착경향이매우상이하였으며, 초기 10분에서의확산속도가이후보다 19배이상빠른것으로평가되었다. 이와같은결과가나타나는이유는 MPA의빠른흡착속도로기인해초기 10분만에흡착평행에도달했기때문으로판단되며, 또한 MPA는흡착물질을모래에코팅하였기때문에내부세공이존재하지않은이유가복합적으로작용했기때문으로판단된다. 따라서초기 10분을경계로내부확산속도의차이가극명히나타나는 MPA의흡착반응은막확산이주된흡착기작으로지속적인내부확산은미미한것으로사료된다. 반면에 GAC의경우흡착속도와내부확산속도가 MPA에비해상대적으로느렸으며, 또한 GAC는표면뿐만아니라내부세공도잘발달되었기때문에실험시간동안일정하게오염물이제거되는것으로나타났으며내부확산속도역시실험시간동안변화가미미하게나타났다. 경계층의영향을나타내는 C값의경우 MPA는음의값이나타났고, GAC는양의값이나타났다. 이는 GAC는경계층확산단계가존재하는반면, MPA에서는경계층의확산단계가극도로축소되어무시할만한수준으로판단되며, 따라서경계층에서의 geosmin에대한물질전달속도는 GAC 흡착제에비해 MPA 흡착제가더우수한것으로판단된다. 19) 4. 결론 본연구에서는메조공극흡착제중하나인 MPA 의적용 1) GAC가 MPA보다 geosmin에대한최대흡착능력이 7 배높은것으로평가되었으며, 이런최대흡착량차이는 GAC의비표면적은 1,103 m 2 /g인반면에 MPA는 0.52 m 2 /g 으로두흡착제간비표면적차이가나타나기때문이다. 이러한비표면적차이에도불구하고흡착량차이가 7배로나타난이유는 MPA가팽창 (swell) 특성이있어, 오염물을흡착후추가적인공극팽창이이뤄져흡착가능표면적이증가되었기때문으로사료된다. 2) MPA와 GAC의동역학적실험데이터를유사 1차및 2차속도론모델에적용하였으며, 두흡착제는유사 1차와 2차속도론모델모두를따르는것으로나타났다. MPA 및 GAC의각각의 1차속도반응속도상수 (k ad) 는 6.920 /hr와 0.581 /hr이였으며, 따라서메조공극으로구성된 MPA가 GAC에비해 11배이상흡착속도가빠른것으로나타났다. 3) MPA의경우주로외부확산을통해흡착이이뤄지며, 내부확산에의한흡착량은미미한것으로나타났다. 4) MPA를기존활성탄을대신하여맛 냄새유발물질제거를위해정수장에적용할경우, MPA의빠른흡착속도특성에기인하여기존시설에비해공상접촉시간 (EBCT) 을줄일수있다. 또한활성탄에비해총흡착용량은 7배낮지만흡착속도는 11배높으므로, 짧은 EBCT 조건에서흡착제가가지고있는흡착용량전체를활용가능할것으로판단된다. Acknowledgement 본연구는환경부 글로벌탈환경기술개발사업 (2016002-100008) 으로지원받은과제입니다. References 1. Lee, I. J., Lee, K. L., Lim, T. H., Park, J. J. and Cheon, S. U., Determination of geosmin and 2-MIB in Nakdong River using headspace solid phase microextraction and GC-MS, Anal. Sci. Technol., 26(5), 326~332(2013). 2. Watson, S. B., Aquatic taste and odor: a primary signal of drinking-water integrity, J. Toxicol. Environ. Health A., 67, 1779~1795(2004). 3. Srinivasan, R. and Sorial, G. A., Treatment of taste and odor causing compounds 2-methyl isoborneol and geosmin in drinking water: A critical review, J. Environ. Sci., 23 Journal of KSEE Vol.39, No.1 January, 2017
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