Fe(III)-Ettringite와 표면개질 활성탄을 이용한 비소 제거 특성

Abstract

비소오염은 광산개발 후 방치된 휴‧ 폐광산 뿐만 아니라 비소 함유 농약, 화학제품, 반도체 산업 등 인위적인 요인과 기반암과 토양 및 환경 중 미생물의 활동에 의한 자연적인 요인으로 발생한다. 우리나라의 경우 최근 휴‧ 폐광산 및 장항제련소 부근의 토양 및 지하수의 비소오염문제가 심각하여 비소 오염에 대한 사회적 관심이 증폭되고 있다. 본 연구는 비소와 강한 흡착력을 가진 철 소재를 기반으로 수중 비소 처리를 목적으로 하여 고농도 비소 폐수 처리를 위한 Fe(III)-Ettringite 공침 처리와 저농도 비소 폐수 처리를 위한 표면개질 활성탄의 흡착 제거에 대한 연구를 수행하였다. 비소 모의 폐수 100 mg/L 몰농도 대비 3당량의 Ca+2와 Fe+3 주입 시 초기 농도의 94.3%가 제거됨을 확인 하였으며, 이때의 pH는 ettringite의 존재 영역과 일치하는 pH 11.8을 나타내었다. 본 시스템에서 비소 제거에 최적 pH는 11.5-12로 나타났고, 침전물의 비소 고정 능력을 확인하였다. 하지만 pH 13에서 portlandite의 생성으로 비소 고정능력이 감소하여 점차 비소 농도가 증가하는 것으로 나타났다. 생성 침전물의 표면분석 결과 ettringite의 침상 구조를 확인 할 수 있었다. 이상의 연구 결과를 통해 기존 비소 공침처리 기술에 비해 약품 주입량을 줄일 수 있었으며, 침전물의 양도 줄일 수 있었다. 또한 비소 폐수는 낮은 pH에서 처리했는데, ettringite의 성질을 이용하여 염기성 영역에서 비소 제거가 가능하여 비소와 중금속의 동시 공침 제거가 가능할 것으로 판단된다. 따라서 비소와 중금속이 공존하는 폐수 처리 시 2단 공정으로 처리해야 하는 문제점을 해결 할 수 있으며, 폐수 처리 및 중금속 오염 토양 세척 유출수 등에 적용 가능한 경제적인 공정이라 판단된다. 저농도 비소 처리를 위한 3가철 표면개질 활성탄은 SEM-EDS 분석 결과 활성탄 표면에 염화철이 코팅된 것을 확인하였다. 흡착 평형은 반응 2시간 이후 도달하였고, 표면 개질 활성탄은 초기 주입량의 99.4% 제거 하여 배출수 허용기준을 만족하는 것으로 나타났다. 또한 활성탄의 비소 제거 최적 pH는 3-6으로 나타났는데, 표면개질 활성탄의 경우 별도의 pH 조절 없이 최적 흡착 pH에서 반응이 진행됨을 알 수 있었다. 비소의 최대 흡착량은 표면개질 활성탄 33.35 mg/g, 기존 활성탄 28.9 mg/g을 나타내었고, 흡착은 Langmuir 등온 흡착식을 잘 따르는 것으로 나타났다. 표면개질 활성탄을 비소 흡착제로 사용할 경우 기존의 활성탄의 최대 흡착량보다 더 많은 양의 비소를 처리할 수 있음을 확인하였다. 이는 활성탄 표면에 Fe(OH)3의 형태로 처리된 표면 전위가 양전하를 띠기 때문에 음전하인 비소와 배위결합으로 인해 기존 활성탄에 비하여 비소를 흡착 할 수 있는 site가 확대되었음을 시사한다.