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문제 정의
- 즉, 좋은 생물흡착제는 넓은 pH 영역에서 높은 중금속 제거능을 가지고 있어야 하며, 낮은 pH에서 단위 생물흡착제 당 높은 최대 중금속 제거 능을 보여야 한다. 본 실험에서는 초기 일정 농도의 납 용액에 대한 최적량의 생물흡착제 투입량을 결정하기 위하여 평형상태에서 메탄자화균의 투입량에 따른 납 제거능을 살펴보았다. 실험은 초기 pH 3.
- 본 연구에서는 중금속에 대해 뛰어난 흡착능을 가진 생물흡착제를 개발하고 이의 특성에 대한 기초 연구를 수행하여 기존의 흡착제 보다도 성능이 뛰어나며, 보다 안전하고 경제적으로 중금속을 제거하는데 있다. 생물흡착제와 중금속으로는 메탄자화균과 납이 각각 선정되었으며 용액 pH, 최대 흡착능, 메탄자화균 투입량, 이온강도 등의 영향에 관한 실험을 진행하였다.
- 중금속 폐수 속에 포함된 납을 제거하기 위한 메탄 자화 균을 생물흡착제로 사용하여 평형상태에서 pH에 따른 납의 제거능, 단위 메탄자화균 당 최대 제거능, 메탄자화균의 투입량에 따른 제거능, 이온 강도에 대한 영향 등에 대해서 살펴보았다. 메탄자화균으로 납을 제거할 때 90% 이상을 제거할 수 있는 최적 pH 영역은 3.
제안 방법
- , 라서 좋은 생물흡착제는 넓은 pH의 영역에서 침전 및 재 '용해의 영향이 적으면서 중금속을 흡착하여 제거할 수 있어야 한다. pH에 관한 실험은 기존의 많은 실험에서 일반적으로 알려진 흡착반응이 평형에 이르는 24시간을 기준으로 실시하였다 흡착 실험은 초기 50 mg/L 의 납에 대해 1 g/L의 메탄자화균을 투입한 경우와 투입하지 않은 blank 실험을 동시에 병행하였다 (Figure 2). Blank 실험의 경우 침전된 납의 용해도는 pH 변화에 매우 민감하여 좁은 최적 pH 범위를 벗어날 경우에는 침전되었던 납이 다시 용해되었다.
- 이것을 항온 교반조에서 반응시킨 다음, 마찬가지로 원심분리기에서 메탄 자화 균을 침전시켰다. 그 후 상등액의 pH를 측정한 다음 AAS로 분석하였으며 침전된 메탄자화균은 거름종이로 거른 다음, 잘 건조시켜서 전자현미경 (Scanning Electron Microscope, SEM)으로 분석하였다.
- pH는 HN03와 NaOH로 각각 2〜12까지 맞추었으며, 30 °C 항온 교반조에서 200 rpm으로 교반하면서 24시간 동안 방치하였다. 그 후 침전물을 원심분리기에서 분리한 다음, 상등액을 취해서 AAS로 잔존 납의 양을 분석하였다.
- 이 플라스크를 30°C 항온 교반조에서 200 rpm으로 교반하면서 24시간 방치하였다. 그 후 플라스크 속의 용액을 40 mL 취하여 원심분리기에서 15000 rpm, 30분 가량 원심분리하여 상등액만을 취한 후 최종 pH를 측정하고 AAS로 분석하였다. Blank 실험으로 페탄자화균을 넣지 않고 유사한 실험을 진행하였다.
- 0으로 조정하였다. 그 후 플라스크에 stock solution을 100 mL 씩 넣은 후 메탄자화균을 각각 0.2, 0.5, 1.0, 2.0, 3.0 g/L씩 넣었다. 이것을 항온 교반조에서 반응시킨 다음, 마찬가지로 원심분리하고 상등액의 pH와 납 농도를 측정하였다.
- 0으로 맞추어 stock solution으로 사용하였다. 납 용액의 농도는 원자흡광분석기 (Atomic Absorption Spectroscopy, AAS) 로 검증하였으며 필요시마다 일정량을 희석하여 사용하였다. 그 외에 pH 및 이온 강도의 조정을 위해서 Sigma Chemical 의 sodium hydroxide (NaOH), nitric acid (HNOj), sodium chloride (NaCl), sodium nitrate (NaNOjX 각각 사용하였다.
- 납을 흡착하기 전, 후의 메탄자화균의 모양의 변화라든지, 표면에서의 납의 침전이 일어나는지 확인하기 위해서 Energy Dispersive Spectroscopy (EDS, ED AX international Co. PV 9900)를 장착하고 있는 주사전자현미경 (Philips 535M Scanning Electron Microscope, SEM)을 사용하였다. 먼저, 액체 상태 또는 한천 배지 상의 콜로니를 eppendorf 튜브에 넣고 배지를 넣은 다음 원심분리한 후, 동일한 조작을 3〜4회 정도 반복하여 완전히 불순물을 제거하여 현탁시켰다.
- 2-2 M으로 맞추었다. 다음으로 메탄자화균을 1 g/L씩 넣고 항온 교반조에서 반응시킨 다음, 마찬가지로 원심분리한 후 상등액의 pH와 납 농도를 측정하였다.
- 다음으로는 메탄자화균에 의한 납 제거 메커니즘을 규명하기 위하여 납를 투입하기 전 후의 균주를 전처리한 후 전자현미경 (SEM)으로 관찰하였다. 또한 균주의 표면을 EDS 스펙트럼으로 관찰하여 어떤 원소들이 주로 존재하고 있는지 분석하였다 (Figure 4).
- 단위 메탄자화균 당 납의 최대 제거능을 확인하기 위하여 초기 pH 3.0과 5.0의 납 용액에 메탄자화균 1 g/L를 투입하였다. 이때, 납의 제거능은 평형상태에서 메탄자화균에 흡착되어 제거된 납의 양과 액상 중에 남아있는 납의 양의 비로서 표시하였다.
- (SEM)으로 관찰하였다. 또한 균주의 표면을 EDS 스펙트럼으로 관찰하여 어떤 원소들이 주로 존재하고 있는지 분석하였다 (Figure 4). 메탄자화균을 1000 mg/L의 납과 접촉시킨 후 관찰한 결과에 의하면, 메탄자화균은 납을 흡착하기 전과 후에 큰 변화가 없었다.
- 앞의 연구에서 분리된 메탄자화균은 다량의 고분자를 세포 외로 분비하면서 soluble MMO에 대한 저해제로 작용하는 구리에 대해서 강한 홉착능을 가지고 있었다(8). 메탄 자화 균에 의한 납의 흡착능을 알아보기 위해서 먼저 평형 상태에서 pH에 따른 납의 제거능을 살펴보았다. 중금속 이온을 제거하는데 있어서 pH는 가장 중요한 역할을 수행하는 인자로 알려져 있다< 1, 2).
- 메탄자화균 투입량에 따른 납의 제거능을 알아보기 위해서 1000 mg/L의 stock solution을 제조한 다음 pH를 각각 3.0과 5.0으로 조정하였다. 그 후 플라스크에 stock solution을 100 mL 씩 넣은 후 메탄자화균을 각각 0.
- 메탄자화균의 이온강도에 따른 납 제거능의 영향을 알아보기 위해서 초기 pH 5.0, 0-2.0 M NaCl 또는 NaNG를 가진 50 mg Pb/L에 1 g/L의 메탄자화균을 투입하여 각각 흡착량의 변화를 살펴 보았다 (Figure 6). 실험은 높은 이온강도, 즉 많은 경쟁 이온 속에서 생물흡착제가 납을 얼마만큼 흡착할 수 있는지에 대해서 수행하였으며, 이온강도는 NaCl과 NaNO3 를 이용하여 조정하였다.
- 중금속을 제거하는데 있다. 생물흡착제와 중금속으로는 메탄자화균과 납이 각각 선정되었으며 용액 pH, 최대 흡착능, 메탄자화균 투입량, 이온강도 등의 영향에 관한 실험을 진행하였다.
- 1 M phosphate 완충 용액으로 10분씩 3회 정도 세척하였다. 시료 속의 물을 제거하기 위해서 각각 10분씩 50%, 70%, 80%, 95%의 에탄올 용액에담궈 둔 다음, 10분씩 3회에 걸쳐 100% 에탄올에 담궈 두었다. 에탄올을 휘발시키기 위해서 100% 에탄올과 isoamylacetate 의 비율을 각각 2:1, 1:1, 1:2로 높여 가면서 10분씩 시료를담궈 둔 다음, 10분씩 3회에 걸쳐 100% isoamylacetate 용액에 담궈 두었다.
- 그 후, 80 bar 정도의 고압에서 액체 CO, 를 공급한 후 정도로 온도를 올리면서 C6를 기화시켜서 시료를 건조하였다. 시료 표면의 charge를 없애기 위해서 gold로 sputtering한 다음, 주사전자현미경으로 관찰하였다.
- 0 M NaCl 또는 NaNG를 가진 50 mg Pb/L에 1 g/L의 메탄자화균을 투입하여 각각 흡착량의 변화를 살펴 보았다 (Figure 6). 실험은 높은 이온강도, 즉 많은 경쟁 이온 속에서 생물흡착제가 납을 얼마만큼 흡착할 수 있는지에 대해서 수행하였으며, 이온강도는 NaCl과 NaNO3 를 이용하여 조정하였다. 결과에 의하면 메탄자화균은 해수 정도의 높은 이온강도 하에서도 납을 효과적으로 제거할 수 있었다.
- 이때, 납의 제거능은 평형상태에서 메탄자화균에 흡착되어 제거된 납의 양과 액상 중에 남아있는 납의 양의 비로서 표시하였다. 실험은 액상에서 납이 침전되는 것을 막기 위해서 초기 pH 5.0 이하에서 수행하였고, 평형에 이르는 시간은 24시간으로 보아 납의 제거량과 물 속에 남아 있는 양을 비교하여 그림으로 나타내었다 (Figure 3). 결과에 의하면 초기 pH가 낮을수록 납의 흡착능이 떨어짐을 알 수 있었다.
- 본 실험에서는 초기 일정 농도의 납 용액에 대한 최적량의 생물흡착제 투입량을 결정하기 위하여 평형상태에서 메탄자화균의 투입량에 따른 납 제거능을 살펴보았다. 실험은 초기 pH 3.0과 5.0인 1000 mg/L의 납 용액에 서로 다른 양의 메탄자화균을 투입하여 단위 메탄자화균 당 최대 납 제거능을 알아 보았다 (Figure 5). 결과에 의하면 초기 pH 3.
- 시료 속의 물을 제거하기 위해서 각각 10분씩 50%, 70%, 80%, 95%의 에탄올 용액에담궈 둔 다음, 10분씩 3회에 걸쳐 100% 에탄올에 담궈 두었다. 에탄올을 휘발시키기 위해서 100% 에탄올과 isoamylacetate 의 비율을 각각 2:1, 1:1, 1:2로 높여 가면서 10분씩 시료를담궈 둔 다음, 10분씩 3회에 걸쳐 100% isoamylacetate 용액에 담궈 두었다. 그 후, 80 bar 정도의 고압에서 액체 CO, 를 공급한 후 정도로 온도를 올리면서 C6를 기화시켜서 시료를 건조하였다.
- 용액 pH에 따른 납의 침전능 및 메탄자화균에 의한 흡착능을 알아 보기 위하여 3차 증류수로 stock solution을 희석하여 50 mg/L의 용액을 만들었다. 이때 이온강도는 맞추지 않았으며, pH를 3.
- 0 g/L씩 넣었다. 이것을 항온 교반조에서 반응시킨 다음, 마찬가지로 원심분리하고 상등액의 pH와 납 농도를 측정하였다.
- 평형 상태에서 단위 메탄자화균 당 납의 최대 제거능을 확인하기 위해서 200, 400, 600, 800, 1000 mg/L의 stock solution을 제조한 다음 pH를 각각 3.0과 5.0으로 조정하였다. 납은 pH 5.
대상 데이터
- 납 용액의 농도는 원자흡광분석기 (Atomic Absorption Spectroscopy, AAS) 로 검증하였으며 필요시마다 일정량을 희석하여 사용하였다. 그 외에 pH 및 이온 강도의 조정을 위해서 Sigma Chemical 의 sodium hydroxide (NaOH), nitric acid (HNOj), sodium chloride (NaCl), sodium nitrate (NaNOjX 각각 사용하였다.
- 2을 유지하였으며, 기체의 공급 속도는 CH4, air, CO?가 각각 5〜6, 45〜 50, 4~5 mL/min으로 혼합하여 공급하였다. 메탄자화균은 단일 균주로는 성장이 느리기 때문에 여러 가지 메탄 자화균을 복합적으로 배양하여 흡착 실험에 사용하였으며, 균주는 배양 후 5〜6일 정도 지나면 대수 성장기에 이르렀다. 생물흡착제는 1주일 동안 배양한 혼합메탄자화균 배양액을 15000 rpm 에서 20분간 원심분리하여 균주를 침전시켜 얻었다.
- 사용하였다. 사용된 가스는 air와 acetylene 이었으며, 납에 대해서 wave length 283.3 nm, slit 0.7 run에서 분석을 진행하였다. 표준 용액은 linear range 농도와 3배, 6배 진한 농도를 각각 사용하였다.
- 생물흡착법에 의해 중금속을 제거하기 위해서 메탄자화균 (methanotrophic biomass)을 생물흡착제로 선정하였다. 메탄 자화 균은 다른 복합 탄소원은 이용하지 못하며 오직 메탄 만을 산화시켜 탄소원이나 에너지원으로 사용하는 박테리아로서, 특이하게도 메탄을 이용하여 성장하면서 TCE와 같은 유기오염물질을 분해할 수 있는 것으로 알려져 있다(7, 8).
- 실험에 사용된 납 용액은 lead nitrate (Pb(NC)3)2, Aldrich chemical)* 3차 증류수에 녹인 후 약간의 산을 가하여 pH를 3.0으로 맞추어 stock solution으로 사용하였다. 납 용액의 농도는 원자흡광분석기 (Atomic Absorption Spectroscopy, AAS) 로 검증하였으며 필요시마다 일정량을 희석하여 사용하였다.
- 7 run에서 분석을 진행하였다. 표준 용액은 linear range 농도와 3배, 6배 진한 농도를 각각 사용하였다.
이론/모형
- 침전 및 흡착 반응을 시키고 난 후 상등액 속에 남아있는납의 최종 농도를 분석하기 위해서 PERKIN-ELMER 3100 AAS를 사용하였다. 사용된 가스는 air와 acetylene 이었으며, 납에 대해서 wave length 283.
성능/효과
- 최근 여러 연구자에 의한 연구 결과에 의해 Ascophyllum nodosum, Brevibacterium sp., Durvillaea potatorum, Ecklonia radiata, Fucus vesiculosus, Penicillium chrysogenum, Phellinus badius, Phanarochaete chrysosporium, Polyporous versicolor, Pseudomonas aeruginosa PU21, Rhizopus oligosporus, Saccharomyces uvarum, Sargassum fluitans, Sargassum horneri, Sargassum sagamianum, Streptoverticillium cinnamoneum 등의 생물흡착제가 새롭게 알려지게 되었으며, 대개 50 - 370 mg/g biosorbent의 높은 납 흡착능을 보였다 (Table 2). 그 중에서도 우수한 흡착능을 보인 생물흡착제는 대부분 조류와 곰팡이였다.
- 실험은 높은 이온강도, 즉 많은 경쟁 이온 속에서 생물흡착제가 납을 얼마만큼 흡착할 수 있는지에 대해서 수행하였으며, 이온강도는 NaCl과 NaNO3 를 이용하여 조정하였다. 결과에 의하면 메탄자화균은 해수 정도의 높은 이온강도 하에서도 납을 효과적으로 제거할 수 있었다. 그러므로 일반적인 중금속 폐수에서와 같이 여러 가지 이온들이 동시에 존재할 때에도 효과적으로 납를 제거할 수 있을 것으로 기대되었다.
- 0인 1000 mg/L의 납 용액에 서로 다른 양의 메탄자화균을 투입하여 단위 메탄자화균 당 최대 납 제거능을 알아 보았다 (Figure 5). 결과에 의하면 초기 pH 3.0과 5.0에서 1000 mg Pb/L에 대해서 최적 메탄 자화 균 투입량은 각각(技 g/L이었으며, 그때 단위 메탄자화균 당 최대 납 제거량은 950과 1085 mg/g 이었다 예상했던 바와 같이 메탄자화균의 투입량이 증가함에 따라 제거되는 총 납의 양도 증가하였다. 그러나 이것을 메탄자화균의 질량으로 나누어서 계산해보면 반드시 생물흡착제의 양이 증가한다고 해서 단위 메탄자화균 당 흡착량이 증가하는 것이 아님을 알 수 있었다.
- 0 이하에서 수행하였고, 평형에 이르는 시간은 24시간으로 보아 납의 제거량과 물 속에 남아 있는 양을 비교하여 그림으로 나타내었다 (Figure 3). 결과에 의하면 초기 pH가 낮을수록 납의 흡착능이 떨어짐을 알 수 있었다. 이것은 메탄자화균의 기능기에 H' 이온과 Pb" 이온이 서로 경쟁적으로 흡착되기 때문에 생기는 현상으로 보였다.
- 0에서 1000 mg Pb/L에 대해서 최적 메탄 자화 균 투입량은 각각(技 g/L이었으며, 그때 단위 메탄자화균 당 최대 납 제거량은 950과 1085 mg/g 이었다 예상했던 바와 같이 메탄자화균의 투입량이 증가함에 따라 제거되는 총 납의 양도 증가하였다. 그러나 이것을 메탄자화균의 질량으로 나누어서 계산해보면 반드시 생물흡착제의 양이 증가한다고 해서 단위 메탄자화균 당 흡착량이 증가하는 것이 아님을 알 수 있었다. 특히 Absidia 나 Thraustochitrium sp.
- 여기서 인 (P)에 대한 peak 가 나타나는 것은 SEM 시료를 준비하는 과정에서 phosphate 완충용액으로 3회 정도 overnight하면서 세척했기 때문으로 사료되었다. 따라서 메탄자화균은 많은 양의 고분자 물질들을 세포 외로 방출하며, 이들은 중금속에 대해 매우 높은 흡착능을 가지고 있음을 알 수 있었다. 문헌에 의하면 물 속에서 금속 이온은 양 전하를 띠므로 전자가 많은 리간드나 세포벽의 기능기 쪽으로 가서 결합하는 경향이 있다 예를들어, 곰팡이 세포벽의 주요 성분 중의 하나인 키틴이나 키토산의 oxygen 및 acetamido 그룹 중 nitrogen은 리간드로 작용하여 금속을 흡착할 수 있는 능력이 있어서 여러 가지 금속에 대해서 폭넓은 흡착능이 있다<12, 13).
- 0으로 더욱 넓어졌다. 또한 pH 2 부근의 낮은 pH에서도 80% 이상의 높은 납 제거능을 보였다. 그러므로 낮은 pH에서 납은 메탄 자화균의 표면에 흡착되어 제거된 것으로 볼 수 있고 높은 pH에서는 침전에 의해서 제거된 것으로 보였다.
- 메탄 자화 균은 메탄을 메탄올로 변환시키는 methane monooxygenase (MMO)라는 효소를 가지고 있으며, 낮은 기질특이성을 보이는 이 효소의 cometabolism에 의해 TCE를 분해할 수 있다 (7, 8). 또한 이 균주는 NMS 배지라고 불리는 미량의 금속염 용액 속에서 자라고 성장에 필요한 MMO와 같은 효소들이 모두 금속 이온을 포함하고 있으므로 세포벽을 통해서 내부로 금속 이온을 받아들이는 경로가 잘 발달되어 있을 것으로 사료되었다. 즉, 세포벽에서 금속을 흡착할 수 있는 기능기가많이 분포할 것으로 추측되었기 때문에 생물흡착제로 선정되었다.
- 2 g/L의 메탄자화균을 투입했을 때 단위 메탄자화균 당 최대 납 제거능은 1085 mg Pb/g이었다. 메탄자화균의 투입량이 많아질수록 납의 제거량도 많아졌으며, 초기 1000 mg/L의 납 용액에 대해 단위 메탄자화균 당 최대 흡착량을 보이는 최적 메탄자화균 투입량은 0.2 g/L이었다. EDS를 장착한 SEM의 분석에 의하면 메탄자화균에 의한 납 제거는 세포벽과 세포 외로 방출된 고분자 물질에 의한 흡착으로 사료되었다.
- 특이한 점은 납과 접촉한 후 메탄자화균 주변의 고분자 물질들이 마치 솜털처럼 보인다는 것이다. 이것에 대해서 보다 확실히 알아 보기 위해서 납을 흡착시킨 메탄자화균에 대해서 EDS 분석한 결과, 고분자 물질들에서 더 많은 양의 납 peak 가 관찰되었다 (Figure 4, C). 여기서 인 (P)에 대한 peak 가 나타나는 것은 SEM 시료를 준비하는 과정에서 phosphate 완충용액으로 3회 정도 overnight하면서 세척했기 때문으로 사료되었다.
- 그러므로 일반적인 중금속 폐수에서와 같이 여러 가지 이온들이 동시에 존재할 때에도 효과적으로 납를 제거할 수 있을 것으로 기대되었다. 이온교환수지는 중금속 제거의 메커니즘이 이온들의 교환에 의해서 이루어지므로 물 속에 경쟁하는 다른 이온이 존재하면 제거능이 많이 떨어질 수 있으나 생물흡착제는 비교적 다른 이온들의 영향이 적은 것으로 사료되었다. 실제로 도금폐수 처리 공정의 경우는 유출되는 폐수 중에 Na\ Ca", Cl 등과 같은 이온 이외에도 EDTA 나 CN「와 같은 킬레이트 화합물들이 많이 포함되어 있어서 보통의 침전법이나 이온교환수지에 의해서는 중금속을 효과적으로 제거하기 힘든 것으로 알려져 있다(1, 2).
- 이것을 역으로 환산해보면 2 g/L의 메탄자화균 투입으로 998 mg의 납이 제거되어 남아있는 납이 2 mg/L 뿐이었다. 즉, 초기 납의 농도에 따라서 최적의 생물흡착제의 투입량이 존재함을 알 수 있었다. 만약 엄격한 환경기준을 지켜야 하는 상황이라면 1000 mg/L의 납을 처리하기 위해서는 최소한 2 g/L 이상의 메탄자화균를 투입해야함을 알 수 있었다.
- 0로 넓다는 측면에서 유용하다. 특히, 낮은 pH에서도 제거능이 높으므로 산성 영역에서 방출되는 중금속 폐수를 처리하는데 효과적일 것으로 사료되었다.
후속연구
- 결과에 의하면 메탄자화균은 해수 정도의 높은 이온강도 하에서도 납을 효과적으로 제거할 수 있었다. 그러므로 일반적인 중금속 폐수에서와 같이 여러 가지 이온들이 동시에 존재할 때에도 효과적으로 납를 제거할 수 있을 것으로 기대되었다. 이온교환수지는 중금속 제거의 메커니즘이 이온들의 교환에 의해서 이루어지므로 물 속에 경쟁하는 다른 이온이 존재하면 제거능이 많이 떨어질 수 있으나 생물흡착제는 비교적 다른 이온들의 영향이 적은 것으로 사료되었다.
- 그러나 이 방법은 저농도에서의 제거율이 낮고 pH의 변화에 매우 민감하며, 음이온 및 여러가지 중금속이 동시에 존재할 때 처리효율이 떨어지고 화학물질 및 응집제의 과다 투입으로 슬러지 발생량이 많다는 단점이 있다U, 2). 앞으로 오염물질에 대한 규제가 점점 더 강화되면 저농도의 중금속에 대해서 처리능이 낮은 화학적 침전법은 새로운 방법으로 대체되거나 추가적 인공정의 설치가 필수적으로 될 것이다. 따라서 지금까지 알려진 화학적 침전법의 단점을 보완하는 새로운 중금속 함유 폐수 처리법으로서 생물흡착법 (biosorption)이 많은 연구자에 의해서 연구되어 왔다(3-5).
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