Journal of Korean Society of Environmental Engineers (대한환경공학회지)

Korean Society of Environmental Engineers (대한환경공학회)
권호 표지

Removal of Cu(II) with the Recycled Hydroxylapatite from Animal Bones

동물뼈로부터 재활용된 hydroxylapatite를 이용한 Cu(II) 제거

  • Received : 2008.10.08
  • Accepted : 2009.08.07
  • Published : 2009.09.30
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Abstract

The bone of spinal animals has a hydroxylapatite ($Ca_{10}(PO_4)_6(OH)_2$, HAp) structure which is well known as an excellent inorganic ion exchanger for various heavy metal ions in solutions. In this study, the reusability of cow-bone, pig-bone and fish-bone as a potential material for the removal of heavy metals in solutions was evaluated from the removal of Cu(II) ion in batch tests. The surface properties of three bones, calcined at different temperatures, were measured with SEM, XRD, FT-IR analyses. From the SEM analysis, a clear development of heterogeneity as well as pores having small diameter was observed as the calcination temperature increased. The results of X-ray diffraction analysis showed well developed crystallinity on the surface of calcined bones obtained at higher temperatures, suggesting a transform of amorphous type to crystalline type. Fourier transform infrared (FT-IR) analysis showed disappearance of water molecule on the surface of HAp and organic functional groups of the HAp with increasing the calcination temperatures. Cu(II) removal in the control test was below 15%. By the way, additional 40% increase of Cu(II) removal was observed in the presence of calcined bones. For three bones, Cu(II) removal was decreased as the calcined temperature increased. Cu(II) removal was increased as the solution pH increased due to a favorable condition for the cation exchange as well as precipitation.

척추동물의 뼈는 hydroxylapatite [$Ca_{10}(PO_4)_6(OH)_2$, HAp]로 이루어져 있어서 용액중에 존재하는 중금속이온들의 훌륭한 이온교환제로서 잘 알려져 있다. 본 연구에서는 하소시켜 얻은 소뼈, 돼지뼈, 생선뼈를 이용한 회분식 반응조에서의 구리이온의 제거성능을 조사하였으며 이러한 결과로부터 중금속이온을 제거하기 위한 흡착제로서의 재이용성을 평가하였다. 온도를 달리하여 하소시켜 얻은 세 종류의 뼈 시료들의 표면특성은 SEM, XRD 및 FT-IR 분석을 통하여 측정하였다. SEM 촬영결과 하소온도가 높아질수록 표면이 불규칙해졌으며 작은 기공이 발달하였다. XRD 분석에서는 하소 온도가 높아질수록 피크가 발달되는 경향을 보였는데 이와 같은 현상은 HAp가 열처리에 의해 무정형 형태에서 결정형으로 바뀌었음에 기인한 것으로 여겨진다. FT-IR 분석결과 하소온도가 높아질수록 흡착된 물과 골격 내 유기물의 흡수밴드의 강도는 점차 감소되는 것을 알 수 있었다. 구리이온 제거 결과 뼈를 넣지 않은 바탕실험에서는 15% 이하의 제거율을 보였는데 하소된 뼈를 사용한 경우에는 제거율이 부가적으로 40% 이상 상승하였다. 세 종류의 동물뼈 모두에서 하소온도를 높일수록 구리에 대한 제거율은 감소하였다. 용액의 pH가 상승할수록 양이온 교환 및 침전반응을 형성할 수 있는 유리한 조건에 의해 구리이온의 제거율이 상승하였다.

Keywords

References

  1. Patterson, J.W., Wastewater Treatment Technology, Ann Arbor Science, MI(1975)
  2. 윤영상, 최순범, 원성욱, “중금속 폐수처리를 위한 기술개발현황 및 장단점 분석,” 환경공학연구정보센터 Part I, 3(7), 68-85 (2004)
  3. 이학성, 서정호, 이경래, 윤태경, “해조류를 충전한 고정층 칼럼에서 중금속 이온의 연속적 흡착,” 대한환경공학회지, 25(7), 832-837(2003)
  4. 김근한, 이일영, 최봉종, 이승목, 김승호, “수산물과 불가사리를 이용한 폐광폐수처리,” 대한환경공학회지, 24(3), 489-497 (2002)
  5. 김명진, 안규홍, 정예진, “토양에서의 비소흡착, 반응속도 및 흡착평형,” 대한환경공학회지, 25(4), 407-414(2003)
  6. 이무성, 나춘기, 이미숙, 김옥배, 김문영, “중금속 오염 정화용무기 이온교환체로서 천연 수산아파타이트(동물뼈)의 재활용성에 관한 연구,” 한국폐기물학회지, 15(1), 66-75(1998)
  7. 유상운, “Hydroxyapatite 결정화법에 관한 기초연구 및 축산폐수에의 적용,” 부산대학교 석사학위 논문, (2000)
  8. Furuta, S., Katsuki, H., and Komarneni, S., “Porous hydroxyapatite monoliths from gypsum waste,” J. Mater. Chemistry., 8, 2803-2806(1998) https://doi.org/10.1039/a806659k
  9. 최진삼, 이창국, 전유진, 변희국, 김세권, “참치뼈에서 추출한 hydroxyapatite를 이용한 세라믹 복합체 및 Glass-Ceramics의 특성,” 한국공업화학회지, 10(3), 334-339(1999)
  10. Joris, S. J., and Amberg, C. H., “The nature of deficiency in nonstoichiometric hydroxyapatite. Ⅱ. Spectroscopic studies of calcium and strontium hydroxyapatites,” J. Phys. Chem., 75, 3172-3178(1971) https://doi.org/10.1021/j100689a025
  11. Thamaraiselvi, T. V. Prabakaran, K., and Rajeswari, S., “Synthesis of hydroxyapatite that mimic bone mineralogy,” Trends Biomater. Artif. Organs, 19(2), 81-83(2006)
  12. Fowler, B. O., Moreno, E. C., and Brown, W. E., “Infra-red spectra of hydroxylapatite octacalcium phosphate and pyrolysed octacalcium phosphate,” Arch. Oral. Biol., 11, 477-492(1966) https://doi.org/10.1016/0003-9969(66)90154-3
  13. S ljivi$\'{c}$, M., Smi iklas, I., Ple$\'{c}$a$\u{s}$ , I., and Mitri , M., “The influence of equilibration conditions and hydroxyapatite physico-chemical properties onto retention of $Cu^{2+}$ ions,” Chem. Eng. J., 148, 80-88 (2009) https://doi.org/10.1016/j.cej.2008.08.003
  14. Lee, C. K., Kim, H. S., and Kim, J. H., “The removal of heavy metals using hydroxylapatite,” Environ. Eng. Res., 10, 205-212 (2005) https://doi.org/10.4491/eer.2005.10.5.205