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Immobilization of nanoscale zero-valent iron and its application for the degradation of chlorinated chemicals = 고정화된 나노 영가철의 합성 및 이를 이용한 염소계 화합물의 분해
서명 / 저자 Immobilization of nanoscale zero-valent iron and its application for the degradation of chlorinated chemicals = 고정화된 나노 영가철의 합성 및 이를 이용한 염소계 화합물의 분해 / Ho-Jeong Kim.
저자명 Kim, Ho-Jeong ; 김호정
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2008].
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초록정보

Immobilization of nanoscale zero-valent iron (nZVI) in cationic exchange membrane (CEM) and alginate bead was investigated for the degradation of trichloroethylene (TCE). Using a commercial CEM as a support, it was possible to immobilize the ZVI (Fe(0)-CEM) and palladium-doped ZVI (Fe/Pd-CEM). According to SEM (scanning electron microscopy) analysis, the 30 - 40 nm of nZVI particles were formed on the surface of CEM after immobilization. By using both ferric ions and barium ions as the cross-linking cations, the palladium-doped and nZVI-immobilized alginate bead (Fe/Pd-Alginate) was synthesized. According to TEM (transmission electron microscopy), the size of nZVI was as small as a few nanometers. From the surface analysis of the nZVI-immobilized supports, it was found that the immobilized nZVI shave the core-shell structure. The core is composed of single crystal $Fe^0$, while most of irons on the surface are oxidized to $Fe^{3+}$. Both Fe(0)- and Fe/Pd-CEM and Fe/Pd-Alginate removed TCE from aqueous solution by > 99%. Moreover, the release of metal from the support was < 5% of the loaded iron in both cases. In Fe(0)- and Fe/Pd-CEM, the removal of TCE was accomplished by sorption on the membrane matrix and degradation, while alginate bead did not adsorb TCE. In both cases, the removal of TCE followed pseudo-first-order kinetics. The observed pseudo-first-order reaction constants ( $k_{obs}$ ) of Fe(0)- and Fe/Pd-CEM were 0.44 and 0.41 $h^{-1}$ , respectively. Because the metal loading of Fe(0)- and Fe/Pd-CEM differs fairly from the other papers, it was inappropriate to compare the surface area normalized rate constant ( $k_{SA}$ ) values with the reported values. The $k_{obs}$ of Fe/Pd-Alginate was 6.11 $h^{-1}$ and the mass normalized rate constant ( $k_m$ ) was 1.6 $Lh^{-1}g^{-1}$ . The Fe(0)- and Fe/Pd-CEM can be recycled after re-reduction without loss of bound metal and Fe/Pd-Alginate also can be used repeatedly without deactivation. Although the removal of TCE decreased slightly in actual groundwater compared with distilled/deionized water, the applicability of Fe/Pd-Alginate in groundwater remediation could be demonstrated by the continuous flushing test. In conclusion, it is considered that both Fe(0)-CEM and Fe(0)-Alginate can be used efficiently in the treatment of the groundwater contaminated with chlorinated solvent.

담체에 고정화된 나노 크기의 영가철을 이용해 염소계 유기화합물인 트리클로로에틸렌(TCE)을 분해하는 연구를 수행하였다. 고정화 담체로는 양이온 교환막과 알지네이트 비드를 각각 사용하였다. 양이온 교환막에 영가철 또는 팔라듐이 도핑된 영가철을 고정화할 수 있었으며 주사전자현미경을 이용한 분석결과 양이온 교환막의 표면에 30 - 40nm의 크기의 영가철 입자가 관찰되었다. 알지네이트 용액이 다가 양이온과 결합하여 겔을 형성하는 현상을 이용해 철과 바륨 이온을 이용해 영가철이 고정화된 알지네이트 비드를 합성하였다. 투과전자현미경 분석을 통해, 고정화된 나노 영가철의 크기가 수 나노미터임을 확인하였다. X선 회절 분석 및 X선 광전자 분광법을 이용해 시료의 표면을 분석한 결과, 고정화된 나노 영가철 입자는 단일 결정구조의 영가철(Fe(0))이 Fe(III) 이온으로 둘러싸인 core-shell 구조를 가지는 것을 알 수 있었다. 양이온 교환막 및 알지네이트에 고정화된 영가철을 이용하여 수용액에 존재하는 TCE를 99% 이상 제거하였다. 반응과정에서 용액으로 유출된 철의 농도는 주입된 철의 양의 5% 미만이었다. 이는 반응 후에도 대부분의 철이 담체에 고정화되어 있음을 보여준다. 양이온 교환막이 고정화 담체로 사용된 경우, TCE는 고분자 물질인 막에 의한 흡착과 영가철에 의한 반응에 의해 제거되었다. 반면 알지네이트 담체에서는 TCE의 흡착이 일어나지 않았으며 TCE는 모두 영가철의 반응에 의해 제거되었다. 두 경우 모두 TCE는 유사 1차 반응속도식에 따라 제거되었다. 겉보기 유사 1차 반응속도상수는, 영가철이 고정화된 양이온 교환막에서는 0.44 $h^{-1}$ , 팔라듐과 영가철이 고정화된 양이온 교환막에서는 0.41 $h^{-1}$ 이었다. 영가철과 팔라듐이 고정화된 알지네이트 비드에서 겉보기 유사 1차 반응속도상수는 6.11 $h^{-1}$ 이었으며, 금속의 함량을 고려한 반응속도상수는 1.6 $Lh^{-1}g^{-1}$ 이었다. 양이온 교환막에 고정화된 영가철은 반응이 끝난 후 환원 과정을 거쳐 재사용이 가능하였다. 알지네이트에 고정화된 영가철의 경우에도 반응성을 유지하면서 수 차례 재사용이 가능하였다. 실제 지하수를 이용한 TCE 제거실험에서는 지하수에 존재하는 이온들에 의한 영향으로 TCE 제거율이 소폭 감소하였다. 그러나 연속식 세정 실험을 통해 알지네이트에 고정화된 영가철을 이용해 TCE로 오염된 지하수를 효과적으로 정화할 수 있음을 확인하였다. 그러므로 양이온 교환막과 알지네이트 비드는 나노 크기의 영가철을 고정화하는 담체로 사용이 가능하며, 이렇게 고정화된 나노 크기의 영가철을 이용해 염소계 유기화합물로 오염된 지하수를 효과적으로 처리할 수 있을 것으로 판단된다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCBE 08022
형태사항 vi, 70 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 김호정
지도교수의 영문표기 : Ji-Won Yang
지도교수의 한글표기 : 양지원
수록잡지정보 : "Degradation of trichloroethylene by zero-valent iron immobilized in cationic exchange membrane". Desalination, v. 223, pp. 212-220(2008)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 생명화학공학과,
서지주기 References : p. 67-70
주제 nanoscale zero-valent iron;immobilization;chlorinated chemical;dechlorination;groundwater remediation
나노 영가철;고정화;염소계화합물;탈염소화반응;지하수 복원
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