수성 환경에서 구리를 제거하기 위한 전기응집/부양 공정

Aug 28, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13334(2023) 이 기사 인용

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식수와 같은 수성 환경에 구리가 존재하면 맛과 냄새와 같은 여러 환경 영향이 발생합니다. 지하수와 지표수의 Cu 수준 증가는 주로 인위적 및 자연적 원인에 기인합니다. 결과적으로, 이 응용 분석 연구는 알루미늄 전극을 사용한 배치 반응기 전기 응고/부양(ECF)을 통해 도시 식수에서 구리 제거를 조사하는 것을 목표로 했습니다. 구리 제거 효율은 전류 밀도(0.8~2.4mA/cm2), 초기 농도(1~100mg/L), pH(3.5~10.5) 및 시간(10~30분)의 다양한 작동 조건에서 평가되었습니다. Cu는 표준 절차에 설명된 방법(4571 nm에서 3500-Cu B)을 사용하여 결정되었습니다. 결과는 전류 밀도를 0.8에서 2.4mA/cm2로 증가시키고 반응 시간을 10분에서 30분으로 증가시키면 Cu+2 제거 효율(95에서 100%)이 향상되었음을 나타냅니다. 또한 초기 농도 100mg/L, pH 7.5, 반응 시간 30분, 양극 전류 밀도 2.4mA/cm2에서 Cu+2 환원이 100%인 것으로 나타났다. 구리 제거 효율에 대한 Taguchi 방법 결과는 반응 시간이 가장 중요한 변수임을 보여줍니다. 더욱이, ECF 반응기의 Cu 제거 동역학 모델은 2차(R2 > 0.92)입니다. ECF 반응기에서 Cu 제거는 산화환원 및 흡착으로 인해 발생합니다. 더욱이, Al 전극 쌍을 이용한 Cu 처리의 운영 비용은 제거된 Cu kg당 8,857~9,636Rial 범위로 추정됩니다. 따라서 ECF 공정은 최적의 조건 하에서 수성 환경에서 Cu를 제거하는 데 매우 효율적이라는 결론을 내릴 수 있습니다.

구리(Cu)는 전기 전도성과 열 전도성이 매우 높은 연성 금속입니다. Cu는 호흡 효소 복합 시토크롬 산화효소의 주요 구성성분이기 때문에 모든 살아있는 유기체에 필수적인 미량 미네랄입니다. Cu 원소는 Cu+1 및 Cu+2 형태로 존재합니다1,2. Cu는 간, 근육, 뼈에 존재합니다. Cu 화합물은 현재 정균 물질, 살균제 및 목재 방부제로 활용되고 있습니다. 또한, 황산구리(CuSO4)는 수생 환경에서 살조제로 널리 사용되는데, 처리된 식수의 높은 농도의 Cu는 빈혈, 눈 및 피부 자극, 인간의 뇌 및 심장 기관 손상 등 건강에 해로운 영향을 미칩니다4.

다양한 구리 화합물이 종양 치료에 사용됩니다5. 또한, 비정상적인 Cu 혈청 수준과 알츠하이머병(AD) 사이에는 알려진 연관성이 입증되었습니다6. 미국 환경 보호국(EPA)은 식수의 구리 최대 농도 수준(MCL)이 1.3mg/L7이라고 명시합니다. Cu 및 Cu 효소는 에너지 대사, 산화 해독 및 미토콘드리아 호흡에 영향을 미치며, Cu 및 철과 같은 기타 미량 영양소는 AD9 예방에 필수적입니다. 또한 인위적(전선 및 케이블, 전자 및 관련 장치, 건축, 항균 응용, 목재 제조, 산업, 광업 및 농업 활동, 하수 배출) 및 자연적(가정 배관 시스템 부식, 암석 풍화, 암석 및 토양 침식, 및 대기 퇴적) 소스는 지하수와 지표수의 Cu 수준 증가의 대부분을 차지합니다. 인간 건강과 수생 생태계에 부정적인 영향을 미치기 때문에 Cu는 막 분리, 이온 교환, 화학 침전, 전기 화학, 흡착 및 생명 공학이 응용되는 산업 폐수 처리에서 특히 고려됩니다.

이란에서 실시된 체계적인 검토에 따르면, 수행된 연구 중 7.69%에서 식수의 Cu 농도가 허용 한계를 초과했습니다12. 이란 Karaj시의 식수원에서 58개 시료 중 8개 시료의 Cu 농도가 허용 한도(2.99mg/L)를 초과했습니다13. 플로리다의 6개 빗물 연못에서 수행된 연구에 따르면 퇴적물 내 구리 농도는 물 농도의 몇 배에 달합니다14. 담수에 대한 Cu의 중요한 유입은 유럽 연합의 천연 자원(3.7ktpa), 농업(1.8ktpa) 및 유출수(1.8ktpa)입니다15. 용해된 구리 농도의 범위는 고도로 산업화되고 도시 해안 시스템의 물에서 연안 및 하구 수역에서 6.4-45.4 nM입니다.

30 min to 30 min (Table 1)./p> 30 min to 30 min. This result is consistent with data previously published by Adamovic et al. (2015). They report that the highest copper removal efficiency (> 92.8%) is achieved after 5 min with an 8 mA/cm2 current density and aluminum electrodes38./p> 8) due to the precipitation of insoluble hydroxide Cu(OH)2. Kim et al. (2020) observed that the formation of metal hydroxide is complex at acidic pH due to the formation difficulty of OH− anions39. Due to the formation of metal hydroxides during the ECF process, the environment's pH is optimal for removing copper. Due to the amphoteric behavior of Al(OH)3, acidic and basic conditions produce soluble Al3+ cations and Al (OH)2+ and monomeric anions Al(OH)4−, respectively. These organisms are ineffective for water purification. This result is consistent with Prasetyaningrum et al. (2019)40. Mota et al. (2015) observed that theoretically the pH of 8.0 is the best point for the Pb ECF during the first 20 min of flotation41./p> 95% of Cu is removed50. The current density of 2.4 mA/cm2, which has an efficiency close to the optimal value while consuming less energy, was chosen for economic reasons. SEM shows the behavior of the electrodes during the process and to characterize the morphology and corrosion mechanism51. Based on the SEM results, systematic corrosion and indentations on the surface of the anode due to production of various aluminum hydroxides leads to forming aluminum nanostructures, which may alter the mechanism and kinetics of electron transfer and oxidation. In other hands, corrosion of the electrode over time is caused by the effect of the current density and the partial stripping of the metal ions of the aluminum electrode./p>

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