석탄계 활성탄을 이용한 비소 제거 특성 연구

Abstract

특정수질유해 물질 중 하나인 비소는 IARC와 USEPA에서 1급 발암물질로 분류하였으며, 이에 따라 미국과 일본에서는 관련 배출 기준을 보다 강화하였다. 그러나 우리나라 비소의 배출허용기준은 여전히 0.25 mg/L로서 일본의 배출허용기준 및 같은 1급 발암물질인 카드뮴의 배출허용기준에 비해서도 2.5배 높다. 따라서 타 선진국 및 카드뮴 수준과 같은 0.1 mg/L로 강화될 가능성이 있다고 판단된다. 따라서 본 연구에서는 0.1 mg/L 이하의 비소 제거 수준을 달성하기 위한 최적 조건을 구하고자 하였다. 문헌 조사 결과에 따르면 As(Ⅲ)와 As(Ⅴ)의 제거 특성이 다르기 때문에 각 이온 별로 구분하여 측정할 수 있는 기술이 요구된다. 따라서 ASV를 이용하여 비소 이온 별 분석 방법을 확립하였다. 또한 최적 비소 제거 조건을 확보하기 위해서 상용 흡착제(석탄계 활성탄, 야자계 활성탄, 활성알루미나, 제올라이트)를 사용하여 고정층 연속 흡착 반응기 실험을 진행하였다. 그러나 활성탄을 이용한 비소 흡착 제거 실험의 경우 As(Ⅴ)의 제거 효율이 As(Ⅲ)보다 높다는 기존 연구와는 상반된 결과가 나타났다. 따라서 위 현상을 규명하기 위한 비소 이온 별 흡착 Batch test를 진행하였으며, As(Ⅴ)의 제거 효율이 높음에도 불구하고 As(Ⅲ)의 산화 현상으로 인하여 기존 경향과는 상반된 결과가 나타났음을 밝혔다. 이에 따라 As(Ⅲ)가 산화 원인과 기존에 알려진 제거 효율이 다른 점을 밝히고자 하였다. ICP-OES를 이용하여 석탄계 활성탄을 분석한 결과 철의 존재를 알게 되었고, XPS를 측정하여 As(Ⅲ)이 철에 의해 산화됨을 알 수 있었다. 또한 석탄계 활성탄의 Zeta potential을 측정한 결과, pH 6.3에서 약한 (+) 전하를 띠는 것을 확인하였다. 따라서 정전기적 인력에 의하여 (-) 전하를 띤 As(Ⅴ)가 중성인 As(Ⅲ)에 비하여 흡착 제거 효율이 높을 것으로 판단하였다. 또한 초기 As(Ⅲ)와 Fe(Ⅱ) 농도에 따라 As(Ⅲ)의 산화 속도가 다르다는 것을 확인하였고 비소의 산화 반응 속도식을 작성하여 As(Ⅲ)의 산화 속도와 산화량을 구할 수 있었다. 본 연구에서는 최적 비소 제거 조건을 확보하였고, 석탄계 활성탄에 의한 비소의 제거 특성 및 산화 원인을 확인하였다. 이를 이용할 시 산화 속도와 산화된 양을 구하여 비소를 더욱 효과적으로 제거할 수 있으며, 이는 배출허용기준이 강화될 가능성이 있는 비소의 농도를 보다 효과적으로 관리할 수 있다고 사료된다.