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문제 정의
- 그러므로 일반적으로 방사성 폐액중의 여러 핵종들 중에서 코발트가 가장 제거하기 어렵다고 알려져 있다. 따라서 기존의 이온교환수지를 대체할 수 있는 새로운 처리제로서 Kuyucak 및 Volseky는갈조류의 일종인 Ascophyllum nodosume:, Brady 와 Duncan 은 효모의 일종인 Saccharomyces cerevisiae룔 생물흡착제로 이용하여 코발트롤 제거하는 연구를 수행하였다 본 연구에서는 박테리아의 일종인 메탄자화균을 자연계로부터 분리하여 생물흡착제로 이용하여 코발트를 제거하고자 하였다. 메탄자화균은 다른 복합 탄소원은 이용하지 못하며 오직 메탄만을 산화시켜 탄소원이나 에너지원으로 사용하는 미생물을 말하는데.
- 그 외의 키틴/키토산과 같은 바이오매스를 생물흡착제로서 이용하고 있다. 본 연구의 목적은 방사성 핵종에 대해 뛰어난 흡착능을 가진 생물흡착제를 개발하고. 이의 특성에 대한 기초 연구를 수행하여 기존의 이온교환 공정 보다도 성능이 뛰어나고 보다 안전하게 방사성 핵종을 농축하는데 있다.
제안 방법
- 확인하기 위해서 50. 100, 200, 300, 400 mg/L의 stock solution을 제조한 다음 pH를 각각 4.0과 6.0으로 조정하였다. 코발트는 pH 8.
- 0. 3.0 g/L씩 투입하여 평형상태에서 단위 메탄자화균 당 코발트의 제거능을 표시하였다(Fig. 5). 결과에 의하면 초기 pH가 4.
- 000 rpm. 30분 가량 원심분리하여 상둥액만을 취한 후 최종 pH틀 측정하고 AAS로 분석하였다. Blank 실험으로 메탄자화균을 넣지 않고 위와 동일한 실험을 진행하였다.
- 시료 속의 물을 제거하기 위해서 각각 10분씩 50%, 70%. 80%, 95%의 에탄을 용액에 담궈 둔 다음, 10분씩 3회에 걸쳐 100% 에탄을 용액에 담궈 두었다. 에탄을을 휘발시키기 위해서 100% 에탄을과 isoamylacetate의 비율을 각각 2 : L 1 : L 1 : 2로 높여 가면서 10분씩 시료를담궈 둔 다음, 10분씩 3회에 걸쳐 100% isoamylacetate 용액에 담궈 두었다.
- pH에 따른 코발트의 제거능과 평형상태에서 단위메탄자화균 당 코발트의 최대 제거능에 이어 메탄 자화 균의 투입 량에 따른 코발트 제거능을 살펴보았다. 실험은 초기 400 mg/L, pH 4.
- 이것을 항온 교반 조에서 반응시킨 다음, 마찬가지로 원심분리기에서 메탄 자화 균을 침전시켰다. 그 후 상등액의 pH를 측정한 다음 AAS로 분석하였으며 , 침 전된 메탄자화균은 거름종이로 거른 다음. 동결 건조시켜서 전자현미경 (scanning electron microscope, SEM)으로 분석하였다.
- pH는 2 N HC1 과 NaOH 로 각각 2~12까지 맞추었으며, 3CC 항온 교반 조에서 200 rpm으로 교반하면서 24시간 동안 방치하였다. 그 후 침전물을 원심분리기에서 분리한 다옴, 상둥액을 취해서 AAS로 잔존 코발트의 양을 분석하였다.
- 그 후 상등액의 pH를 측정한 다음 AAS로 분석하였으며 , 침 전된 메탄자화균은 거름종이로 거른 다음. 동결 건조시켜서 전자현미경 (scanning electron microscope, SEM)으로 분석하였다. 여기서 단위 메탄자화균 당 코발트의 제거 능은 평형상태에서 메탄자화균에 흡착되어 제거된 코발트의 양과 액상 중에 남아있는 코발트의 양의 비로서 계산하였다.
- 그러므로 용액 중의 이온강도를 바꾸면 활동도 계수가 바뀌게 되므로 용액 중의 성분의 조성도 바뀌게 된다. 따라서 흡착실험에서는 다른 이온들의 영향을 줄여주기 위해서 많은 양의 또 다른 이온을 투입하여 이온강도를 고정시켜 미량으로 들어가는 이온의 영향을 줄여 주는 경우가 많다 실험은 높은 이온강도, 즉 많은 경쟁 이온 속에서 메탄 자화 균에 의한 코발트 흡착능의 영향을 알아보기 위 한 것으로 초기 코발트 50 ms/L에서 1 g/L의 메탄 자화 균을 투입하여 최종 pH를 7.0으로 하였을 때 NaCI과 NaNOs 이온의 강도에 대한 영향을 살펴보았다(Fig. 6). 결과에 의하면 메탄자화균은 NaCI과 NaNCh 이온에 대해서 비숫한 정도의 흡착능을 가지고 있으며 이온강도에 따라서 흡착능이 서서히 감소하였지만 해수 정도의 높은 이온강도 하에서도 높온 코발트 제거능을 유지하고 있었다.
- 4). 또한 흅착제의 표면에서 EDS 스펙트럼을 관찰하여 어떠한 원소들이 침전 흑은 흡착되어 있는지 분석하였다. 그림에서 보는 바와 같이 메탄자화균은 코발트를 흅착하기 전과 후에 변화가 전혀 없고 침전 물도 발견할 수 없었다.
- 이것을 항온 교반조에서 반응시킨 다음. 마찬가지 로 원심분리 하고 상등액의 pH와 코발트 농도를 측정하였다.
- 다음으로 메탄자화균을 1 &/L씩 넣고 항온교반조에서 반응시킨 다음. 마찬가지로 원심분리한 후 상등액의 pH와 코발트 농도를 측정하였다.
- 먼저 pH에 따른 흡착능의 영향을 살펴보기 위해 서초기 코발트 농도 50 mg/L에서 1 g/L의 메탄 자화 균 을 투입한 경우와 투입하지 않은 blank 실험을 동시에 병행하였다(Fig. 2). 여기서 좋은 생물흡착제는 pH의 영향을 덜 받고 넓은 pH 영역에서 방사성핵종을 흡착할 수 있어야 한다.
- 메탄자화균에 의한 코발트 제거가 세포 내 성분의 유출에 의한 표면 침전에 의한 것인지 세포벽 성분에 의한 표면 흡착에 의한 것인지 규명하기 위하여 코발트를 투입하기 전 후의 메탄자화균을 모아서 전처리한 후 전자현미경으로 관찰하였다(Fig. 4). 또한 흅착제의 표면에서 EDS 스펙트럼을 관찰하여 어떠한 원소들이 침전 흑은 흡착되어 있는지 분석하였다.
- 메탄자화균의 투입량에 따른 코발트의 제거능을알아보기 위해서 400 mg/L의 stock solution을 제조한 다음 pH를 각각 4.0과 6.0으로 조정하였다. 그 후 플라스크에 stock solution을 100 mL씩 넣은 후 메탄자화균을 각각 0.
- 방사성 핵종 중의 하나인 코발트를 제거하기 위하여 메탄자화균을 이용하여 평형상태에서 pH에 따른제거능, 단위 메탄자화균 당 최대 제거능, 메탄 자화 균의 투입 량에 따른 제거능. 이온강도의 영향 둥에대해서 실험을 실시하였다.
- 1 M phosphate 완충 용액으로 10 분씩 3회 세척하였다. 시료 속의 물을 제거하기 위해서 각각 10분씩 50%, 70%. 80%, 95%의 에탄을 용액에 담궈 둔 다음, 10분씩 3회에 걸쳐 100% 에탄을 용액에 담궈 두었다.
- 1 ℃ 정도로 온도를 을리면서 CO2를 기화시켜서 시료를 건조하였다. 시료 표면의 charge를 없애기 위해서 gold 로 sputtering한 다음, 시료를 주사전자현미경으로 관찰하였다.
- 그러므로 아무리 넓은 pH 영역에서 코발트를 흡착할 수 있어도 단위 흡착제 당 매우 적은 양의 코발트밖에 흡착할 수 없다면 흡착제로서의 조건에는 맞지않다. 실험은 액상에서 코발트가 침전되는 것을 막기 위해서 최종 ph 7.0 이하에서 수행하였으며, 메탄 자화 균 1 g/L를 넣고 24시간이 지난 후에 코발트의 제거 량과 물 속에 남아 있는 양을 비교해서 표시하였다(Fig. 3). 초기 용액 pH가 4.
- 80%, 95%의 에탄을 용액에 담궈 둔 다음, 10분씩 3회에 걸쳐 100% 에탄을 용액에 담궈 두었다. 에탄을을 휘발시키기 위해서 100% 에탄을과 isoamylacetate의 비율을 각각 2 : L 1 : L 1 : 2로 높여 가면서 10분씩 시료를담궈 둔 다음, 10분씩 3회에 걸쳐 100% isoamylacetate 용액에 담궈 두었다. 그 후.
- 동결 건조시켜서 전자현미경 (scanning electron microscope, SEM)으로 분석하였다. 여기서 단위 메탄자화균 당 코발트의 제거 능은 평형상태에서 메탄자화균에 흡착되어 제거된 코발트의 양과 액상 중에 남아있는 코발트의 양의 비로서 계산하였다.
- 용액의 pH에 따른 코발트의 침전능 및 메탄 자화 균에 의한 흡착능을 알아 보기 위하여 3차 증류수로 stock solution을 회석하여 50 mg/L의 용액을 만들었다. 이때 이온강도는 맞추지 않았으며.
- 이온강도에 따른 코발트의 흅착능을 측정하기 위해서 초기 pH 5.0, 50 mg/L의 stock solution을 제조한 다음, 100 mL씩을 플라스크에 각각 넣고 NaCl과 NaNCh를 넣어서 농도를 0.2~2 M으로 맞추었다. 다음으로 메탄자화균을 1 &/L씩 넣고 항온교반조에서 반응시킨 다음.
- 0으로 조정하였다. 코발트는 pH 8.0 이하에서는 침전되지 않기 때문에 흡착실험에서는 8.0 보다 낮은 pH 4.0과 6.0을 기준으로 stock solution을 제조하였다. 플라스크에 pH를 조정 한 각각의 stock solution을 100 mL씩 넣은 후 메탄 자화 균을 각각 1 g/L씩 넣었다.
- 코발트를 흡착하기 전. 후의 메탄자화균의 모양 변화와 표면에서의 코발트의 침전을 확인하기 위해서 energy dispersive spectroscopy (EDS, EDAX international Co. PV 9900)를 장착하고 있는 주사전자현미경 (Philips 535M scanning electron microscope, SEM)을 사용하였다. 먼저, 액체 상태 또는 한천 배지상의 콜로니를 eppendorf 튜브에 넣고 배지를 넣은 다음 원심분리한 후, 동일한 조작을 3~4회 정도 반복하여 완전히 불순물을 제거하여 현탁 시켰다.
대상 데이터
- hydrochloric acid (HC1), sodium chloride(NaCl). sodium nitrate (NaNCQ를 각각 사용하였다.
- 45-50, 4~5 mL/min으로 흔합하여공급하였다. 메탄자화균은 단일 균주로는 성장이 극히 느리기 때문에 여러가지 메탄자화균을 복합적으로 배양하여 흅착실험에 사용하였으며 . 균주는 배양 후 5~6일 정도 지나면 대수 성장기에 이르렀다.
- 이의 특성에 대한 기초 연구를 수행하여 기존의 이온교환 공정 보다도 성능이 뛰어나고 보다 안전하게 방사성 핵종을 농축하는데 있다. 방사성 핵종으로는 코발트가, 생물흡착제로는 메탄 자화 균 (methanotrophic biomass) 이 각각 선정되었으며 용액 pH의 영향. 최대 흡착능.
- 고인 물, 혐기성 발효조 유출수 부근의 토양에서 메탄자화균의 분리룔 시도하여 새로운 균주를 분리하였다. 분리된 메탄자화균은 2 L 발효조(MultiGen사, 미국) 2대에서 Higgins nitrate mineral salt(NMS, Table 1) 배지를 이용하여 대량으로 배양하였다. 배양온도는 25~30G 교반 속도는 350-400 rpm, pH는 &8~7.
- 사용된 가스는 air와 acetylene이었으며, wave length 240.7 nm, slit 0.2 run에서 분석을 진행하였다. 표준 용액은 linear range 농도와 3배 , 6배 진한 농도를 각각 사용하였다.
- 생물흡착 실험에 사용된 코발트(cobalt) 용액은 cobalt chloride hexahydrate (C0CI2 , 6H2O, Aldrich chemical)를 3차 증류수에 녹인 후 약간의 염산을 가하여 pH를 4.0으로 맞추어 stock solution으로 사용하였다. 이 용액의 농도는 원자흡광분석기 (atomic absorption spectroscopy, AAS)로 검증하였으며 필요시마다 일정량을 회석하여 사용하였다' 그 외에 pH 및 이온강도의 조정을 위해서 Sigma Chemical 의 sodium hydroxide (NaOH).
- 투입 량에 따른 제거능. 이온강도의 영향 둥에대해서 실험을 실시하였다. 메탄자화균에 의한 코발트 제거의 최적 PH 영역은 6.
- 2 run에서 분석을 진행하였다. 표준 용액은 linear range 농도와 3배 , 6배 진한 농도를 각각 사용하였다.
이론/모형
- 침전 및 흅착 반응을 시키고 난 후 상등액 속에 잔존하는 코발트의 최종 농도를 분석하기 위해서 PERKIN-ELMER 3100 AAS를 사용하였다. 사용된 가스는 air와 acetylene이었으며, wave length 240.
성능/효과
- 6). 결과에 의하면 메탄자화균은 NaCI과 NaNCh 이온에 대해서 비숫한 정도의 흡착능을 가지고 있으며 이온강도에 따라서 흡착능이 서서히 감소하였지만 해수 정도의 높은 이온강도 하에서도 높온 코발트 제거능을 유지하고 있었다. 이때 NaCI과 NaNOs 이온의 기울기와 절편은 각각 93.
- 5). 결과에 의하면 초기 pH가 4.0과 6.0에서 최적 메탄자화균 투입량은 1 g/L이었으며, 그때의 최대 흡착량은 각각 169d 와 178 mg Co/g dry biomass을 보였다. 일반적으로 생물흡착제의 투입량이 증가하면 제거되는 총 코발트의 양은 많아진다.
- 6에 도달하였으며 각각 157과 170 mg Co/g dry biomass의 흡착능을 보였다. 또한 메탄자화균 표면의 기능기에 H+ 이온과 Co2+ 이온이 서로 경쟁적으로 흡착되기 때문에 초기 pH가 낮을수록 흡착능이 떨어짐을 알 수 있었다. 즉, pH가 낮아질수록 H+ 이온의 수가 급격히 증가하므로 세포벽의 기능기에서 Co2+ 이온을 밀어내고 대신 흡착되므로 흡착능이 떨어지는 것으로 보였다.
- 메탄자화균의 투입 량이 증가할수록 코발트의 제거 량도 증가하였으며 , 초기 400 mg Co/L 에서 최적의 투입량은 1 g/L이고 단위 메탄자화균당 제거량은 178 mg Co/g이었다. 메탄자화균은 NaCl과 NaNO3의 높은 이온강도 하에서도 높은 코발트 제거능을 보였기 때문에 이온강도에 따른 영향이 적은 것을 알 수 있었다.
- SEM 분석 결과에 의하면 코발트 흡착의 전과 후의 메탄 자화 균에 별다른 변화가 없는 것으로 보아 침전 보다는 세포외 분비 고분자에 의한 흡착에 의한 제거로 사료된다. 메탄자화균의 투입 량이 증가할수록 코발트의 제거 량도 증가하였으며 , 초기 400 mg Co/L 에서 최적의 투입량은 1 g/L이고 단위 메탄자화균당 제거량은 178 mg Co/g이었다. 메탄자화균은 NaCl과 NaNO3의 높은 이온강도 하에서도 높은 코발트 제거능을 보였기 때문에 이온강도에 따른 영향이 적은 것을 알 수 있었다.
- 1). 물속에서의 금속 이온의 거동을 보는 MINTEQA2/PRODEFA2 프로그램의 계산에 의하면 코발트는 pH 8.0 부근에서 급격히 Co(OH)2 형태의 침전물을 형성하며 더욱 높은 pH에서는 Co(OH)3-나 Co(OH)42-의 형태로재용해되는 것으로 나타났다. 또한 세슘과 달리 코발트는 용액 내에서 이온상태로만 존재하지 않고 여러 가지 리간드와 결합하여 음이온 상태로도 존재할 수 있다.
- 또한 메탄자화균 표면의 기능기에 H+ 이온과 Co2+ 이온이 서로 경쟁적으로 흡착되기 때문에 초기 pH가 낮을수록 흡착능이 떨어짐을 알 수 있었다. 즉, pH가 낮아질수록 H+ 이온의 수가 급격히 증가하므로 세포벽의 기능기에서 Co2+ 이온을 밀어내고 대신 흡착되므로 흡착능이 떨어지는 것으로 보였다. 한편.
- Blank 실험의 경우, 코발트 침전물의 용해도는 pH에 매우 민감하였으며 좁은 범위의 최적 pH 범위를 벗어날 경우에는 침전되었던 코발트가 다시 용출되어 나왔다. 코발트 제거를 위한 최적 pH 영역은 10.5~ 11.5로 매우 좁은 편이었고 평균 98%의 코발트를 침전으로 제거할 수 있었다. 코발트는 pH 8.
- 0 부근에서 침전이 일어나기 시작하여 pH 10 이상에서 대부분 연분홍색의 침전물 형태를 이루었다. 한편, 생물흡착제로 메탄 자화 균을 넣었을 경우에는 최적 pH가 6.0~ 12.0으로 blank 실험에서 침전으로 제거할 때 보다 더욱 넓어지고 평균 98%의 코발트를 흡착시켜 제거할 수 있었다(Fig. 2). 그러므로 침전이 일어나지 않는 낮은 pH 영 역에서는 코발트가 메탄자화균의 표면에 흡착되어 제거된 것으로 볼 수 있고, 높은 pH에서는 코발트가 침전된 것으로 사료되었다.
- Pseudomonas halodenitrificans, Rhizopus arrhi- zus, Spirulina platensis, Ulva lactuca 등을 이용한 연구도 발표된 봐 있다(Table 2). 한편, 코발트에 대해서 높온 제거능을 가진 것으로 알려진 이온교환수지 Duolite C20는 88 mg Co/g, IRA-400는 30 mg Co/g, 그리고 무기믈질 및 유기물질에 대해서도 높은 홉착능을 보이는 Calgon 활성탄은 75 mg Co/g의 흡착능을 보인 것과 비교해 보아도 메탄 자화 균의 코발트 흡착능이 매우 높온 것임을 알 수 있었다.
후속연구
- 50이었다. 그러므로 방사성 폐액에서와 같이 여러가지 이온들이 존재할 때에도 효과적으로 코발트를 제거할 수 있을 것으로 기대되었다.
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