TiO2를 이용한 산업폐수 COD 제거 실험 및 모델링 분석

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 11088(2022) 이 기사 인용

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본 연구에서는 산화티타늄(TiO2) 나노입자, 키토산 및 다양한 질량 투여량의 TiO2와 키토산을 함유한 여러 나노복합체가 산업 폐수에서 COD 제거를 위한 흡착제로 적용되었습니다(이란 Bouali Sina Petrochemical Company). FESEM, XRD 및 FTIR 테스트는 TiO2 나노입자, 키토산 및 제조된 나노복합체를 특성화하는 데 사용되었습니다. 그런 다음 TiO2-키토산 질량비(1:1, 1:2 및 2:1), 흡착제 함량(0.25~2.5g), 온도(20~50°C), pH(3)를 포함한 흡착 매개변수의 효과 –11), COD 감소에 대한 용액 부피(100~500mL) 및 접촉 시간(30~180분)도 실험적으로나 수치적으로 모니터링되었습니다. 실험의 Box-Behnken 설계는 TiO2-키토산(1:1), 흡착제 함량 2.5g, 온도 = 20°C, pH 7.4, 용액 부피 100mL, 접촉 시간 = 180분이라는 조건을 승인합니다. COD 제거율을 최대화합니다(즉, 94.5%). 더욱이 Redlich-Peterson 및 유사 2차 모델은 COD 제거의 과도 및 평형 거동을 설명하는 최고의 등온선 및 동역학 시나리오입니다. TiO2-키토산 나노복합체의 최대 단층 COD 흡착 용량은 89.5 mg g−1입니다. 결과는 온도 = 20°C에서 TiO2-키토산(1:1)을 사용하여 산업 폐수 COD를 제거하는 것이 더 낫다는 것을 보여주었습니다.

폐수 내 유기 오염물질을 산화시키는 데 필요한 산소량은 COD(화학적 산소 요구량) 또는 BOD(생물학적 산소 요구량)1로 정의됩니다. 폐기물 처리를 위해 흡착4,5, 나노 흡착6, 막7, 이온 교환, 전기 응고8, 생물 응집9, 하수 슬러지10,11, 여과12,13 등 화학적2, 물리적2, 생물학적3 시나리오를 사용할 수 있습니다. 실제로, 고체 다공성 물질(즉, 흡착)을 활용하는 분리 공정은 경제적/작동적 특징과 높은 달성 가능한 제거 효율성으로 인해 가장 널리 사용되는 기술 중 하나입니다14,15,16. 일반적으로 다른 방법에 비해 흡착 공정의 장점은 고성능, 저비용, 넓은 pH 범위 및 쉬운 작동입니다. 반면, 폐기물과 낮은 선택성은 흡착 공정의 주요 단점 중 일부입니다.

이제 나노 크기의 고체 물질은 작동 유체18,19, 합금20,21 및 폴리머22의 특성, 태양열 집열기23의 효율성 및 폐수 처리 공정24의 성능을 성공적으로 향상시켰습니다. Keshtkaret al. 합성 폐수에서 니켈 이온을 흡착하기 위해 다양한 비표면적을 가진 합성 알루미나 나노 입자를 활용했습니다. Esmaeili-Farajet al. 수치 및 실험적 관점에서 알루미나/고분자 나노복합체를 적용하여 실제 디젤 연료 샘플의 탈황을 연구했습니다.

키토산 기반 나노복합체는 물/폐수 처리에 널리 사용되어 왔습니다. 이러한 인기는 키토산의 저렴한 가격과 아미노 또는 수산기 작용기와 관련이 있습니다. 정 박사는 양식폐수 처리를 위해 다양한 탈아세틸화 정도를 갖는 키토산의 적용 가능성을 조사했습니다28. 탈아세틸화도가 98%인 키토산의 최적 COD 제거율은 69.7%로 보고되었습니다. Dionisiet al. 포에일 폐수에서 오염물질 제거에 대한 키토산 흡착제와 pH의 영향을 조사했습니다. Thirugnanasambandham과 Sivakumar는 우유 가공 산업 폐수를 효율적으로 처리하기 위해 산화아연-키토산 나노복합체에 중점을 두었습니다30. 산화아연-키토산 나노복합체를 적용하면 COD 및 탁도를 줄일 수 있는 것으로 보고되었다. 낙농 산업의 폐수 처리를 위한 Chitosan-Citral Schiff의 흡착 효율은 Tsaneva et al.31에 의해 연구되었습니다. 최적 조건에서 최대 COD 제거 효율은 약 35.3%였다. Ligarayet al. 등은 초기 COD 농도가 1348ppm32인 산업 폐수 흐름에서 COD 제거를 위한 벤토나이트-키토산 복합재의 적용 가능성을 연구했습니다. 최적의 조건에서 최대 COD 제거율 73.34%를 달성했습니다. 키토산 기반 흡착제를 사용하여 폐수에서 중금속(구리, 카드뮴 및 크롬)을 제거하는 동역학은 Prakash et al.33,34,35에 의해 연구되었습니다. 결과는 해당 의사 2차 동역학 모델이 ​​실험 데이터와 더 잘 연관되어 있음을 보여줍니다33 ,34,35.