무산소 환경에서의 비소와 철의 반응에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 최근 전 세계적으로 1억 명 이상의 사람들의 음용수에 영향을 주고 있는 비소의 처리에 있어서 자연계에서 흔한 물질인 철의 적용 가능성을 알아보기 위해 비소로 오염된 지하수나 토양을 모사한 후 Fe(II), Fe(0)와 As(V)와의 반응을 살펴보았다. 본 연구의 첫 번째 목적은 Fe(II)에 의한 As(V) 의 환원 가능성과 그 이후에 일어나는 As(III)로 대체된 자철석과 같은 고체상의 생성(즉, As(III)와 Fe(II), Fe(III)의 공침)에 의한 비소의 고정화 가능성을 파악하는 것이다. 균질조건에서 Fe(II)와 As(V)의 반응을 살펴본 결과, 열역학적 계산에서 주어진 화학 조건하에서 Fe(II)와 As(V)의 산화환원반응이 일어난다고 지시함에도 불구하고 용존 Fe(II)에 의한 As(V)의 환원반응은 일어나지 않았다. 이와 마찬가지로 적철석과 침철석을 이용하여 조성한 불균질 조건에서도 적철석과 침철석 표면에 흡착된 Fe(II)에 의한 As(V)의 환원반응은 일어나지 않았다. 이러한 결과는 무산소 및 지하 환경에서 Fe(II)의 존재 하에서 As(V)가 매우 안정한 상태로 존재함을 시사한다. 균질환경에서의 Fe(0)와 As(V)의 반응을 일정 농도의 Fe(II)를 반응 전에 생성시킨 경우와 그렇지 않은 경우로 나누어 살펴본 결과, Fe(II)가 없을 때의 반응 속도는 상당히 느리게 나타났으며, 22일 간의 비소 제거율은 57% 정도에 불과하였다. 이는 As(V) 환원 반응의 활성화 에너지가 높고, As(V) 이온이 Fe(0)의 산화를 저해하며 Fe(0) 표면에 생성되는 두 개의 철산화물층 중 전기전도도가 낮은 매그헤마이트층이 Fe(0)로부터 As(V)로의 전자의 전달을 방해하기 때문인 것으로 판단된다. Fe(0)와 As(V)의 반응 전에 Fe(II)를 생성하지 않은 경우에 As(V) 환원 속도가 낮은 반면, 일정 농도의 Fe(II)가 있을 때에는 As(V) 환원 속도와 제거율이 높게 나타났다. 이는 매그헤마이트 표면에 흡착된 Fe(II)에 의해 매그헤마이트가 자철석으로 전환되어 전기전도도가 커져 As(V)가 반응 초기에 빠르게 제거되었기 때문이다. As(V) 농도가 높을수록, Fe(0) 농도가 높을수록 비소 제거율이 높았다. 반응에서 생성된 고체상을 XPS와 XRD로 분석한 결과 As(III)로 대체된 자철석이 생성된 것으로 보인다. 또한, 초기 Fe(II) 농도와 As(V) 농도가 고농도일 때의 Fe(0)와 As(V)의 반응에서는 Fe(0)에 의한 As(V)의 환원보다는 Fe(II)와 As(V)의 결합에 의해 심플레사이트의 형성이 주로 이루어지는 것으로 보인다. 자연수에 흔히 존재하는 규산염, 질산염, 인산염, 황산염 등의 음이온이 Fe(0)와 As(V)의 반응에 미치는 영향을 살펴 본 결과, 규산염은 Fe(0)에 의한 As(V)의 환원을 촉진시켜 반응 초기 대부분의 As(V)가 환원되나 환원된 As(III)가 As(V)로 산화되어 As(V) 제거율은 낮다. 이는 규산염이 철산화물 등의 고체상의 형성을 방해하기 때문이다. 인산염과 황산염이 Fe(0)에 의한 As(V) 환원 반응을 저해하는 반면, 질산염은 Fe(0)에 의한 질산염의 환원 반응이 Fe(0)를 활성화시켜 비소 제거를 촉진시켰다. 이러한 결과는 비소로 오염된 지하수에 음이온이 존재하더라도 Fe(0)의 비소 제거 기작이 크게 저해 받지 않고 일부 음이온의 경우 오히려 긍정적인 작용을 하여 비소로 오염된 지하수를 처리하는데 있어 Fe(0)의 적용가능성이 있음을 의미한다. 적철석과 침철석을 이용하여 조성한 불균질 조건에서 Fe(0)와 As(V)의 반응을 살펴본 결과, 거의 모든 비소가 반응 초기에 제거되어 균질 조건에 비해 비소의 제거 속도와 제거율이 상당히 높았으며, 시간이 지나도 탈착이 일어나지 않는 것으로 보아 철산화물에 흡착된 As(V)가 Fe(0)에 의해 매우 잘 처리된 것으로 판단된다. 불균질 조건에서의 Fe(0)에 의한 As(V)의 처리 효율은 Fe(0) 농도가 높을수록, 철산화물의 농도가 높을수록 높았다. 또한, 비소로 오염된 토양에의 Fe(0)의 적용가능성을 살펴본 결과 As(III)가 Fe(II) 또는 Fe(III)와 결합된 고체상을 형성하여 비소가 안정적으로 처리되어 비소로 오염된 토양에의 Fe(0)의 적용가능성을 확인할 수 있었다. 지하 환경에서 산화/환원 전위를 지배하는 Fe(II)/Fe(III) redox couple과 As(V)의 산화/환원 반응에 대한 정확한 이해는 비소에 의해 오염되어 있는 지하 환경의 정화에 도움이 될 것이다. 또한, Fe(0)와 As(V)와의 반응에 대한 연구는 비소로 오염된 토양과 지하수를 처리하는 데 있어 Fe(0)를 적용하는 기술을 개발하는 기초가 될 것이다.