Optimizing Operational Factors for Maximizing Phenolic Compounds Adsorption under Continuous Flow Conditions using Central Composite Design and Response Surface

기술 요약: 연속 흐름 조건에서 페놀성 화합물 흡착 극대화를 위한 운전 요인 최적화

문제 정의
페놀 및 2-니트로페놀을 포함한 페놀성 화합물은 화학, 제약 및 석유화학 분야의 산업 폐수에 널리 존재하는 독성 오염 물질이다. 활성탄을 이용한 화학적 산화, 생물학적 분해, 물리적 흡착과 같은 기존의 처리 방법들이 존재하지만, 높은 운영 비용, 불완전한 오염물 제거, 독성 부산물 생성 등의 한계가 있다. 또한, 퇴비가 중금속 및 유기 염료를 제거하는 데 효과적임이 입증되었음에도 불구하고, 연속 흐름(고정층) 조건에서 페놀성 오염 물질을 제거하기 위한 퇴비의 활용에 대한 연구는 아직 미흡한 실정이다. 기존의 대부분의 연구는 배치(batch) 조건에 집중되어 있는데, 이는 고정층 시스템과 비교했을 때 산업적 적용을 위한 확장성이 떨어진다.

연구 방법론
본 연구에서는 유기성 고형 폐기물(채소 찌꺼기, 과일 껍질, 마른 잎, 짚)에서 유래한 퇴비를 바이오 흡착제로 활용하였다. 제조된 퇴비는 표준 물리화학적 테스트(pH, C/N 비, 벌크 밀도, 공극률, FTIR, TCLP)를 통해 성숙도, 안정성 및 중금속 생체 이용률에 대한 안전성을 특성화하였다.

연속 흐름 하에서의 흡착 과정을 최적화하기 위해, 연구진은 **중심 합성 설계(CCD)**와 **반응 표면 분석법(RSM)**을 결 함께 사용하였다. 이 통계적 접근 방식은 세 가지 독립적인 운전 변수가 흡착 용량(반응 변수)에 미치는 영향을 모델링하고 분석하는 데 사용되었다:

1. 층 높이 ($x_1$): 5.0 – 15.0 cm
2. 유량 ($x_2$): 1.0 – 3.0 mL/min
3. 유입 농도 ($x_3$): 50 – 150 mg/L

선형, 상호작용 및 이차 효과를 설명하는 2차 수학 방정식을 생성하기 위해 총 17회의 실험 실행이 수행되었다. 파과 곡선(breakthrough curves)은 다양한 조건에서 생성되었으며, 층 용량($q_{Th}$)과 흡착 속도 상수($k_{Th}$)를 추정하기 위해 Thomas 모델을 사용하여 모델링되었다. 퇴비의 재사용성은 흐름 조건 하에서 0.1 M NaOH를 용리제로 사용하여 4회의 흡착-탈착 사이클 동안 평가되었다.

주요 기여 및 결과

• 퇴비 특성 분석: 제조된 퇴비는 C/N 비 21.0, pH 7.13, 공극률 89.4%로 성숙하고 안정적인 것으로 확인되었다. 결정적으로, 독성 테스트(TCLP) 결과 생체 이용 가능한 중금속 농도가 안전 범위 내에 있음이 확인되어 환경 적용에 대한 안전성을 입증하였다.
• 통계적 최적화 (CCD-RSM):
  • 선형 효과: 층 높이와 유입 농도의 증가는 오염물 흡수에 긍정적인 영향을 미친 반면, 유량의 증가는 유의미한 부정적 영향을 미쳤다.
  • 상호작용 효과: 층 높이와 유량 사이의 유의미한 음의 상호작용이 발견되었는데, 이는 두 요인이 서로 상쇄됨을 나타낸다. 즉, 최적의 흡수를 위해서는 깊은 층과 느린 유량이 결합되어야 한다.
  • 이차 효과: 모든 요인은 유의미한 음의 이차 효과를 보였으며, 이는 흡착량이 최적점에 도달한 후 감소하는 오목한 반응 표면을 시사한다.
  • 최적 조건: 모델은 층 높이 >10.0 cm, 유량 <2.0 mL/min, 유입 농도 >100.0 mg/L에서 최대 흡착이 일어날 것임을 예측하였다.
• 흡착 성능:
  • 최적 조건(층 높이 15 cm, 유량 1.0 mL/min, 유입 농도 150 mg/L) 하에서 최대 층 용량은 페놀에 대해 29.5 mg/g, 2-니트로페놀에 대해 43.4 mg/g이었다.
  • 2-니트로페놀은 낮은 수용도, 높은 분배 계수 및 퇴비 표면과의 잠재적 특정 상호작용(수소 결합 및 $\pi$-$\pi$ 상호작용)으로 인해 페놀보다 일관되게 높은 흡착 친화력을 보였다.
  • Thomas 모델은 낮은 평균 상대 오차(2.5%–9.3%)와 함께 파과 곡선을 적절히 설명하였다.
  • 층 높이가 증가할수록 서비스 시간과 층 부피(BV)가 연장되었고, 흡착제 고갈율(AER)은 감소하였다. 반대로, 낮은 유량은 파과 시간과 층 용량을 유의미하게 증가시켰다.
• 재사용성: 퇴비는 흐름 조건에서도 효과적인 재사용성을 보여주었다. 재생을 위해 0.1 M NaOH를 사용했을 때, 흡착제는 4회의 흡착-탈착 사이클 후에도 페놀에 대해 70%, 2-니트로페놀에 대해 65%의 효율을 유지하였다.

의의 및 주장
본 논문은 제조된 퇴비가 폐수로부터 페놀성 화합물을 연속적으로 제거하기 위한 실행 가능하고 저렴하며 재사용 가능한 바이오 흡착제라고 주장한다. 본 연구는 다음을 강조한다:

1. CCD-RSM은 고정층 흡착 과정을 최적화하는 데 효과적인 도구이며, 단변량 설계가 놓칠 수 있는 운전 변수 간의 복잡한 상호작용을 성공적으로 식별하였다.
2. 퇴비는 상업용 활성탄 및 기타 바이오 흡착제와 경쟁할 수 있는 대안이다. 일부 상업용 탄소 제품이 더 높은 용량을 보였으나 높은 생산 비용이 수반되는 반면, 퇴비는 마늘 껍질 및 상업용 활성탄(32.4 mg/g)에 필적하는 용량(30.0 mg/g)을 달면서도 더 낮은 생산 비용과 4회 사이클 동안의 재사용 능력을 입증하였다.
3. 운전 매개변수는 매우 중요하다: 연구는 충분한 체류 시간과 물질 전달을 확보하기 위해 깊은 층 높이와 느린 유량 사이의 균형을 맞추는 동시에, 흡착 과정을 구동하기 위해 높은 유입 농도를 유지하는 것이 흡착량을 극대화하는 데 필수적임을 강조한다.

저자들은 유기 폐기물에서 유래한 퇴비가 효과적인 오염물 제거와 폐기물 가치 제고(valorization) 및 낮은 운영 비용의 이점을 결합하여, 페놀성 폐수 처리를 위한 지속 가능한 솔루션을 제공한다고 결론지었다.