나노 크기의 Mg · Fe Layered double hydroxide를 이용한 5가 비소 흡착 특성 연구

Abstract

비소는 인체에 유독한 발암성 물질로서 폐광산 광미 등에서 다량으로 검출되고 미국과 유럽 등에서는 비소에 대한 규제가 날로 강화되고 있어 비소 제거에 대한 연구는 많은 관심을 불러오고 있는 실정이다. 최근에는 나노 크기의 영가철을 사용하여 비소를 제거하는 연구가 보고되고 있다. 연구를 통하여 Layered double hydroxides (LDHs) 계열의 물질이 비소 흡착에 탁월한 능력이 있음을 보였다. LDH는 음이온 교환 능력이 좋아 비소 등과 같은 음이온성 오염물의 제거에 효과적일 것으로 기대된다. LDH 제조하고 이를 이용하여 비소를 흡착시키는 실험을 수행하였다. 먼저 Mg?Fe LDH를 두 가지 방법으로 제조하였다. 하나는 Mg와 Fe를 섞어주어 침전물을 회수하였고 또 다른 하나는 같은 방법으로 회수한 침전물을 100?C에서 16시간 동안 가열하였다. 두 종류의 LDH를 XRD, TEM, BET 등의 분석 기기를 이용하여 분석하였고, 비소농도분석은 AAS를 이용하여 실시하였다. TEM을 이용하여 제조한 LDH의 형상을 살펴본 결과 열처리를 거친 시료는 나노크기의 결정화된 구조를 가지고 있고 열처리를 거치지 않은 시료는 아직 결정화가 완전히 이루어지지 않았으며 크기도 마이크로 범위에서 나타난다. X선 회절분석 결과를 보면 이 같은 결과가 뚜렷이 나타난다. 열처리를 거친 경우는 뚜렷한 결정화를 보이고 있다. N2 흡착 및 탈착 결과를 통해 LDH가 mesoporous한 공극 형태를 가지고 있다는 것을 알 수 있었다. 비표면적은 열처리를 거친 시료가 열처리를 거치지 않은 시료보다 2배 이상 크게 나타났다. 이를 통해 열처리를 거친 LDH에 대한 비소의 흡착량이 열처리를 거치지 않은 LDH보다 더욱 클 것으로 예상된다. 시간에 대한 비소 흡착 농도를 알아보았다. Fe LDH는 기존에 발표된 Al LDH에 비해서 월등히 빠른 반응 속도를 보여주고 있다. 이는 철이 비소와의 반응성이 알루미늄에 비해서 뛰어나기 때문인 것으로 사료된다. 열처리를 거친 시료와 열처리를 하지 않은 시료 간의 반응속도는 큰 차이를 보이지 않았다. 시료의 결정화 내지는 입자의 크기가 반응 속도에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 흡착 등온 실험 결과에서도 두 시료는 비슷한 결과를 보이고 있다. 두 시료가 비소를 흡착하는데 결정화 상태에 따른 흡착 메커니즘의 차이가 나타나는 것으로 보이는데 열처리를 거치지 않은 경우에는 해리된 철이 비소와 만나 침전되는 것으로 보이고 열처리를 거친 경우에는 시료의 표면에 bidentate 형태로 inner-sphere complexation을 이루는 것으로 사료된다.; Arsenic is carcinogenic compounds which is one of the most abundant contaminants in the waste mine tailings and therefore the regulations for arsenic in drinking water happens to become more strict in US and Europe. Recent researches on the removal of arsenic using nano-sized ZVI has been reported. Layered double hydroxides(LDHs) materials showed efficiency in arsenic removal. Anionic exchange capacity of LDH would participate in the removal of oxyanions such as arsenic. In this research, LDH material is synthesized and used in the arsenite adsorption experiments. Two types of LDHs have been synthesized. One with the co-precipitation of Mg2+ and Fe3+ and the other is the same material with heat treated for 16 hours. These materials had been analyzed with devices such as XRD, TEM, BET and the concentration of As(V) had been analyzed with AAS. The shapes of two materials analyzed by TEM showed that not heated material is amorphous in shape, micro-sized while heat treated material showed more crystallized in shape and nano-sized. X-ray diffraction showed this result more obvious. N2 adsorption-desorption results showed that the materials are mesoporous and the specific surface area of the heated material is more than two times larger than the unheated material. Adsorption of As(V) is expected to be more in the heated material than the unheated material. Kinetic test of arsenate adsorption showed very fast reaction. The reactivity of Fe with As(V) might be the main factor for this result. The reaction kinetic of the heated and the unheated materials were similar and even the adsorption isotherms showed similar results for both materials. Adsorption mechanisms of two materials would be different that bidentate inner-sphere complexation might have taken place with the heated material and the surface precipitation of dissolved ferric ion and the arsenate is expected in the unheated LDH system.