[논문]제올라이트광물을 이용한 폐수중의 중금속제거

임재석; 임굉

doi:10.3740/mrsk.2004.14.3.229

제올라이트광물을 이용한 폐수중의 중금속제거
Removal of Heavy Metal Ions in Wastewater Using Zeolite Minerals 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.14 no.3, 2004년, pp.229 - 234

임재석 (인하대학교 공과대학 화학공학과) , 임굉 (배재대학교 공과대학 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

All the applications of natural zeolites make use of one or more of their physical and chemical properties: adsorption, ion-exchange and related molecular sieve properties, dehydration and rehydration, and siliceous composition. Accordingly, the applications of zeolite have been carried out in the various aspects because of its large cation exchange capacity and adsorption properties. In this paper, the adsorption effect of heavy metal ions in wastewater on zeolite mineral by batch adsorption process is studied. The amounts of adsorbed ions were variable by original pH and ionic concentration, especially original pH of solution had an important effect on the adsorption. In case of low pH solution, e.g. below 3.0, clinoptilolite adsorbed $Pb^{2+}$ ,$ Cd ^{2+ }$ , $Cu^{2+}$ and $Zn^{ 2+}$ , but mordenite almost did not adsorb except $Pb^{2+}$ . Under the same conditions, these ions were more adsorbed on clinoptilolite than on mordenite mineral. The velocity of adsorption was relatively fast and it was confirmed by shaking test that the equilibrium of adsorption could be attained in about one hour. The species of exchangeable cation of zeolite had an effect on its removing ability and zeolite of the sodium-exchanged type was the best.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

수 있었다. 따라서 국내산 제올라이트의 자원활용가능성은 상당히 양호하다고 판단되었으므로 이를 토대로 하여 차후 컬럼유통시험법에 의한 흡착공정과 재료에 대한 화학적 처리조건 및 흡착조건에 따른 제거효과, 그리고 흡착된 중금속이온의 회수와 재생효과에 대해서는 다음에 검토하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 3차원적 망상구조의 결정격자를 지닌 규산염광물로서 구조내에 결합된 양이온의 종류에 따라 독특한 세공구조를 가지고 있어 물리적 흡착성과 화학적 양이온 교환작용의 특성을 가진 제올라이트를 이용해서 폐수 중의 중금속이온처리에 대한 흡착특성을 규명함으로써 특히 새로운 소재개발의 일환책으로 국내부존자원인 비석광물의 활용가능성을 찾고자 하였다.
따라서 일차적으로 S2 중의 Ca²⁺이온을 미리 Na⁺이온 또는 K+이온으로 치환한 경우에 S₁과 같이 높은 제거효과가 있는가를 조사하였다.

제안 방법

그리고 농도측정은 AAS(Hitachi 170-30)로, pH 측정은 Fisher 230 pH meter로 행하였고 시료의 진탕은 Shaker(SH-SV type Kukje Sci. Ins. Co.)를 이용하였으며, 흡착량의 측정은 흡착전후의 농도차에 따라 다음 식을 이용하여 산출하였다.
이때 중금속용액은 20~30ml로 하고 이것의 pH조정은 HC₁, H₂SO₄, HNO₃ 및 NaOH용액을 사용하였다. 그리고 중금속용액에 시료 20~50mg 을 혼합하여 용량 40ml의 마개 달린 원심관에 넣어 1~3시간동안 실온에서 진탕시킨 다음, 약 5분간 원심분리(2500 rpm)하여 상등액 중의 이온농도를 측정하였다.
두 시료를 각각 10배양의 IN NaCI, KC₁ 및 CaCl₂용액 중에 약 24시간 침적시켜 교환처리를 행하여 Na-type, K-type 및 Ca-type의 이온형으로 제조한 각각의 시료를 사용해서 10mg/l의 이온을 포함한 황산산성용액 중으로부터 Cd2+이온의 제거효과에 대하여 조사하였다. 이때 시료를 20mg/2Dml로 하여 진탕시간 3시간 동안의 조건하에서 실행한 결과를 Fig.
또 중금속용액은 cu, Cd, Pb 및 Zn의 질산염 및 염화물을 물에 용해시켜 금속이온으로 하여 각각 1 g/1 정도 함유하는 용액을 제조하고, 이를 소정의 양으로 적당히 희석하여 실험에 사용하였다. 또한 시약은 전부 특급품(Kanto Co.
3 scanning speed 2°/min, 20(radiation) 3-45° 범위의 조건하에서 측정하여 X-선회절도형으로부터 조성광물을 확인하였고. 또한 열분석에 관해서는 TG-DTA(PTC-10A, Rigaku Co.)로 기준물질은 a-Al2O₃, 공기분위기에서 가열속도 20℃/min로 실온에서 1000℃까지 승온시켜 행하였다.
0)을 100 ml 가하였다. 이것을 일정시간동안 침적시킨 다음, 수증기증류법으로 암모늄이온량을 측정하여 CEC를 구하였는데 교환능을 정확히 유지하기 위하여 석영사를 사용해서 blank test를 행하여 보정하였다.
입도조정된 분말시료에 대한 X-선회절분석은 XRD(Geigerflex D/MAX IIIA, Rigaku Co.)를 이용하여 target Cuf 선 (Ni-filter), voltage current 30 kV-20 mA, slit l°-0.3 scanning speed 2°/min, 20(radiation) 3-45° 범위의 조건하에서 측정하여 X-선회절도형으로부터 조성광물을 확인하였고. 또한 열분석에 관해서는 TG-DTA(PTC-10A, Rigaku Co.
제올라이트에 중금속이온을 흡착시킬 때 진탕(교반접촉)시간과의 관계를 조사하기 위해서 먼저 CdCL 용액을 사용하여 Cc+이온의 농도 2Z4mg/l로 하고, pH가 5.5인 염산산성용액 20 m씨을 원심관에 취하고 시료 50 mg을 첨 가하여 30℃에서 소정시 간동안 진탕시 킨 다음, 약 5분간 원심분리(rpm 2500)를 행하고 상등액의 농도변화로부터 제거율을 구하여 진탕시간에 따른 흡착속도를 Fig. 3에 도시하였다.

대상 데이터

경북 영일, 월성지역과 구롱포 일대에 널리 분포되어있는 비석질 응회암층 상부에 나타난 양질의 비석광물을 채취하여 자기 볼밀로 미분쇄한 후 선별하여 표준체로 150mesh가 되도록 입도조정한 것을 통풍시켜 건조한 분말재료를 시료로 사용하였다.
test system)으로 실행하였다. 이때 중금속용액은 20~30ml로 하고 이것의 pH조정은 HC₁, H₂SO₄, HNO₃ 및 NaOH용액을 사용하였다. 그리고 중금속용액에 시료 20~50mg 을 혼합하여 용량 40ml의 마개 달린 원심관에 넣어 1~3시간동안 실온에서 진탕시킨 다음, 약 5분간 원심분리(2500 rpm)하여 상등액 중의 이온농도를 측정하였다.

이론/모형

Cd2+, Pb2+ 및 Zr?+이온 등의 중금속용액으로부터 이온농도측정에 대하여 1단계로 회분식 공정시험법(batch test system)으로 실행하였다. 이때 중금속용액은 20~30ml로 하고 이것의 pH조정은 HC₁, H₂SO₄, HNO₃ 및 NaOH용액을 사용하였다.
희석하여 실험에 사용하였다. 또한 시약은 전부 특급품(Kanto Co.)을 사용하였고 이들에 대한 각 화합물의 용액조제는 표준시험법'9)을 참고하였다.
재료의 화학조성분석은 표준실험법 및 원자흡수흡광법으로, 광물판정은 X-선회절분말법으로 확인하였고, 염기교환용량은 Schiilenberger법에 준하는 방법으로 측정하였다.¹⁸⁾8)

성능/효과

0 이하의 낮은 경우에 있어서 clinoptilolite는 Pb²⁺ Cd2+, Cu2+, Zn²⁺ 등을 잘 흡착하지만 mordenite의 경우는 Pb2+을 제외하고 거의 흡착이 일어나지 않았다. 같은 조건하에서 이들 이온에 대한 제거효과는 mordenite의 것보다 clinoptilolite의 것이 좋았다. 또 흡착속도는 비교적 빠르고 흡착평형은 대략 한시간 내에 도달된다는 것이 진탕시험에 의해서 확인되었다.
두 시료 Si과 S2의 광물조성을 X-선회절법으로 검토한 결과, 여러 종류의 공존광물을 수반하고 있으며 순수한 단일광으로 존재하지 않고 혼합광물로서 고실리카형 제올라이트이다. 시료 중 하나는 주요 구성광물로 S₁이고^1,2,21,22)이것은 극소량의 quartz와 feldspar가 함께 수반되고 있으며, 또 다른 시료의 주성분은 S₂^1,2,23,24)로서 부수광물로는 quartz, feldspar 및 montmorillonite가 극소량 혼재하고 있었다.
두 시료의 열중량분석결과 상온에서부터 550℃ 부근까지 탈수에 의해 대략 10~12%의 중량감소를 보여주고 있으며, 이는 결정구조가 변화하지 않은 탈착이 자유로운 제올라이트수(zeolite water)에 의한 것으로서 모두 유사하게 25~ 350℃ 범위에서 예민한 1차 흡열피크가, 410~550℃범위에서는 약한 2차 흡열피크가 각각 나타나고 있다. 이것은 탈수현상에 의해 수분이 피크에 의존하고 있는 것으로 판단된다.
또 흡착속도는 비교적 빠르고 흡착평형은 대략 한시간 내에 도달된다는 것이 진탕시험에 의해서 확인되었다. 또한 시료 중의 교환성 양이온조성은 중금속이온의 제거효과에 큰 영향을 미치고 화학처리한 Na형 제올라이트가 제거율이 가장 높았다.
이상의 고찰로부터 천연 제올라이트를 이용한 폐수 중 중금속이온의 흡착에 있어서 상당한 제거효과가 있음을 알 수 있었다. 따라서 국내산 제올라이트의 자원활용가능성은 상당히 양호하다고 판단되었으므로 이를 토대로 하여 차후 컬럼유통시험법에 의한 흡착공정과 재료에 대한 화학적 처리조건 및 흡착조건에 따른 제거효과, 그리고 흡착된 중금속이온의 회수와 재생효과에 대해서는 다음에 검토하고자 한다.
5에서부터 제거율이 거의 모두 95% 이상의 값을 보이고 있어 상당한 흡착효과를 나타낸다. 중금속이온의 제거효과는 두 시료 모두 똑같이 Na-type이 가장 우수하고 그 다음은 K-type, Ca-type의 순으로 낮아지며 교환성 양이온의 조성차이로 인한 영향이 크다는 것을 알 수 있다. 또 이들의 흡착제거효과에 대한 서열은 피흡착이온이 Pb2+, Ct²⁺, ZrF+이온의 경우도 같았다.
천연 제올라이트광물의 활용가능성을 규명하고자 환경공학적 측면에서 이를 출발재료로 이용하여 폐수 중의 중금속이온(Cu²⁺Cd2+, Zn2+ 및 Pb2+)을 제거하기 위한 회분식 흡착공정을 행한 결과, 중금속이온의 흡착양은 pH와 이온농도에 따라 변화하며, 특히 용액 중의 초기 pH가 흡착에 중요한 효과를 미친다. pH가 3.

후속연구

어렵다. 그러나 이와 같은 폐수를 처리하는 흡착제거방법에는 여러 영향 중 폐수의 수소이온농도, 흡착제의 세공분포, 흡착온도, 비표면적 및 교환성 양이온종 등이 작용하는 것으로 알려져 있으므로^10-17) 이에 대한 방안으로 가격이 저렴하고 흡착특성이 매우 우수하다고 알려진 국내산 천연제올라이트를 이용함으로써 이에 대한 좋은 효과가 있을 것으로 판단된다.

참고문헌 (36)

D. W. Breck, Zeolite Molecular Sieves, John Wiley & Sons, Inc., New York, 740 (1974)
F. A. Mumpton, Natural Zeolite Occurrence, Properties, Use, Pergamon Press, New York, 3 (1978)
E. M. Flaningen and F. A. Mumpton, Rev. Mineral., 4, 165 (1981)
F. A. Mumpton, Rev. Mineral., 4, 177 (1981)
A. L. Cherry and R. C. Schuessler, Water & Wastes Eng., 8, 32 (1971)
J. M. Cohen, J. Water Poll. Control Fed., 43, 1092 (1971)
E. F. Barth, J. Water Poll. Control Fed., 43, 2189 (1971)
C. C. Peacock, Chem. Eng.(G.B.), 243, 369 (1970)
J. M. Cohen, J. Water Poll. Control Fed., 44, 915 (1972)
Y. Murakami, M. Niwa, S. Kato and T. Hattori, Proc. 7th Int. Zeolite Conf., Tokyo, Aug., 17 (1981)
T. Negishi, J. Jap. Assoc. Min. Petr. Econ. Geol., 67, 29 (1972)

상세보기
W. Rieman and H. F. Walton, Ion Exchange in Analytical Chemistry, Pergamon Press, New York (1970)
E. D. Schreeder, Water and Wastewater Treatment, McGraw-Hill Co., New York, 72 (1977)
I. M. Abrams, Chem. Eng. Prog., Symp. Ser., 65, 106 (1969)
L. K. P. Wang, R. P. Leonard, D. W. Goupil and M.-N. S. Wang, 27th Annual Purdue Ind. Waste Conf., May (1972)
P. B. DeJohn, 29th Annual Purdue Ind. Waste Conf., Oct. (1974)
W. J. Weber, Jr., Physicochemical Processes for Water Quality Control, John Wiley & Sons, Inc., New York (1972)
C. J. Scholenberger and R. N. Simon, Soil Sci., 59, 13 (1946)

상세보기
APHA, AWWA and WPCF, Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 15th Ed., Washington D. C. (1981)
T. Sudo, T. Nishiyama, K. Chin and H. Hayashi, J. Geol. Soc. Jap., 69, 1 (1963)

상세보기
F. A. Mumpton, Am. Mineral., 45, 351 (1960)
R. L. Hay, Geol. Soc. Amer. Spec. Pap. 85, New York (1996)
P. G. Harris and G. W. Brindley, Am. Mineral., 39, 819 (1954)
R. A. Sheppard and A. T. Gude, Am. Mineral., 54, 875 (1969)
K. Tomita, H. Yamashita and N. Oba, J. Jap. Assoc. Min. Petr. Econ. Geol., 63, 16 (1970)

상세보기
M. Koizmi and R. Kiriyarna, Mineral. J. Jap., 1, 36 (1953)

상세보기
G. E. Boyd, A. W. Adamson and L. S. Meyers, Jr., J. Am. Chem. Soc., 69, 2836 (1947)

상세보기
G. E. Boyd, J. Schubert and A. W. Adamson, Am. Chem. Soc., 69, 2818 (1947)

상세보기
F. Helfferich, Ion Exchange, McGraw-Hili Co., New York, 203 (1962)
W. J. Weber, Jr. and J. C. Morris, J. San. Eng. Div. Am. Soc. Civil Eng., 89, SA2, 31 (1963)
M. J. Zamzow, B. R. Eichbaum, K. R. Sandgren and D. E. Shanks, Separ. Sci. & Tech., 25, 1555 (1990)

상세보기
G. Blanchard and M. Maunaye, Water Res., 18, 1501 (1984)

상세보기
M. S. Kim, I. S. Han and J. I. Kim, J. Kor. Inst. Chem. Engrs, Abstract, B4, 84 (1981)
G. Blanchard, M. Maunaye and G. Martin, Water Res., 18, 1501 (1984)

상세보기
M. P. Bernal and J. M. Lopez-Real, Biores. Technol., 43, 27 (1993)

상세보기
P. A. Jacobs and J. Kielland, J. Phys. Chem., 69, 373 (1965)

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증