A novel approach to develope marine macro-algae adsorbent with chitosan and ferric oxide for simultaneous efficient heavy metal removal and easy magnetic separation

Abstract

Despite the excellent sorption ability of biochar for heavy metals, It is difficult to separate after adsorption when applied to wastewater treatment process. To overcome these drawbacks, we developed engineered magnetic biochar by pyrolyzing waste marine macro-algae as a feedstock, and we doped iron oxide particles (e.g., magnetite, maghemite) to impart magnetism. Moreover, chitosan layer was also coated to enhance heavy metal adsorption by widening the active site.

Chitosan modified magnetic kelp biochar (Chi-KBm) was successfully synthesized for efficient removal of heavy metals (Cu2+) from wastewater. Interestingly, the characterizations results indicated that Chi-KBm showed 6 times higher surface area (6.17 m2/g) than the pristine magnetic kelp biochar KBm (0.97m2/g). In addition, new functional groups, such as –NH and C–N group, have been created on the surface of biochar as a result of chitosan modification process, which in turns led to improve the Cu2+ adsorption capacity. The effect of pH and chitosan loading on heavy metal adsorption, and competition reaction of different metal ions adsorption were also investigated. Chi-KBm exhibited a separation efficiency of more than 99.8%, which allows to recovery and reusability of the adsorbent material and heavy metals simultaneously. Overall, this study highlighted the Chi-KBm is a promise adsorbent for heavy metal removal without sacrificing of the separation ability using magnetism.|최근 지속적인 산업발달로 인하여 폐수 배출업소가 증가함에 따라 폐수발생량이 계속적으로 증가하고 있고 이로 인한 수환경의 오염은 불가피하다. 특히 폐수 배출시 수자원으로 유입되는 중금속은 높은 농도로 존재할 경우 수생태계와 인간에 심각한 영향을 미치므로 중금속 제거기술에 관한 연구가 많이 이루어지고 있다. 수계에서 중금속 이온을 제거하는 방법에는 화학침전, 이온 교환, 흡착, 여과, 전기분해 등의 방법이 사용되고 있고 흡착을 이용한 중금속 제거법은 저비용, 고효율 처리가 가능하다.

바이오차의 중금속 흡착 능력이 우수함에도 불구하고, 흡착공정 후 사용된 바이오차를 별도로 분리하기가 어려워서 폐수 처리 공정 적용에 한계가 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해, 본 연구에서는 양식업의 발달에 따라 부산을 포함한 해안지역에서 대량으로 발생하고 있는 해조류 부산물 중 다시마와 톳을 모재로 하여, 자성을 부여한 자성체 바이오차를 개발했다. 또한, 활성 부위를 넓힘으로써 중금속 흡착을 향상시키기 위해 키토산 층을 코팅했다.

해조류 기반의 바이오차는 풍부한 산소 포함 작용기 (-COOH, -OH 등) 및 높은 pH, 낮은 제타포텐셜 등의 특성을 가지며, 중금속 제거능력이 우수했다. 키토산 개질 된 자성체 다시마 바이오차 (Chi-KBm)는 개질하기 전의 자성체 다시마 바이오차 (KBm) (0.97 m2/g) 보다 6 배 더 높은 표면적 (6.17 m2/g)을 가지고 있었다. 또한, 키토산 개질의 결과로 biochar 표면에 NH와 C-N 그룹과 같은 새로운 작용기가 생성되어 Cu2+ 흡착 능력이 향상되었다. Chi-KBm은 99.8 % 이상의 분리 효율을 나타내어 효과적인 중금속흡착과 회수를 동시에 가능하게 하였다.