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문제 정의
- 본 연구에서는 폐슬러지를 중금속 흡착제로의 사용 가능성을 조사하고자 Pb(U), Cu(H), Cr(n), 그리고 Cd(II)의 흡착실험을 수행하여 Freundlich와 Langmuir 흡착평형 모델에 의한 기본적인 흡착 특성의 평가하였고, 또한 후처리 공정으로서 용존공기부상(Dissolved Air Flotation)을 이용하여 중금속이 흡착된 슬러지의 고액분리 성능을 평가하였다.
제안 방법
- 흡착 실험은 폐 슬러지 현탁액, 50mL와 중금속 용액, 50m也를 각각 원하는 농도의 2배가 되도록 준비하여 300mL의 삼각플라스크에서 부피비로 혼합한 후 진탕배양기에서 lOOrpm으로 교반하면서 .온도, 30 °C에서 중금속과폐슬러지 농도를 변화시키면서 생체흡착실험을 수행하였다. 일정시간마다 적당량의 시료를 채취하여 3000ipm에서 5분간 원심분리하여 상등액을 채취한 후 희석하여 원자흡광광도계(Shimadzu AA- 670)로서 중금속 농도를 측정하였다.
- 8에 나타내었다. 운전조건은 각 중금속이 흡착평형에 도달하는 시간을 기준으로 하여 흡착과 부상시간을 약 20분으로 조절하였다. 용존공기부상에 의한 폐 슬러지 부상효율은 중금속이 주입되지 않은 조건에서도 약 92%로 높게 나타났다.
- 온도, 30 °C에서 중금속과폐슬러지 농도를 변화시키면서 생체흡착실험을 수행하였다. 일정시간마다 적당량의 시료를 채취하여 3000ipm에서 5분간 원심분리하여 상등액을 채취한 후 희석하여 원자흡광광도계(Shimadzu AA- 670)로서 중금속 농도를 측정하였다.
- 중금속 농도에 따른 흡착량을 알아보기 위하여 Pb(n), Cu(n), Cr(n) 그리고 Cd(U)의 농도를 125 mg/L에서 1啲 mg/L로 변화시켜 평형 농도(CQ와평형흡착량(国)을 Fig. 4에 나타내었다. Pb(II)는 낮은 중금속 농도에서도 흡착 평형에 도달하였으며, 흡착평형상태에서 약 5Bmg/g로서 높은 흡착량을 나타내었다.
- 중금속이 흡착된 슬러지는 주사 현미경/에너지 분산형 X선 분리기 (Scanning Electron Microscope/ EDX; Hitachi S 4200)을 사용하여 표면 특성을 측정하였다.
- 폐슬러지를 생체흡착제로 이용하여 Pb(n), Cu(n), Cr(n), 그리고 Cd(U)의 흡착 특성 및 고액분리 효율을 고찰하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 폐슬러지를 이용하여 중금속 흡착 시 특정 중금속에 대한 흡착 정도를 알아보기 위하여 Pb(n), Cu(n), Cr(H) 그리고 Cd(II)의 4가지 중금속을 각각 흡착시킨 결과를 Fig. 1에 나타내었다. 폐슬러지의 중금속흡착량은 Pb(n)>cr(n)>cu(n)>cd(n)순이었다.
- 중금속이 흡착된 폐슬러지는 5〜6kg#cm2로 가압된 가압수를 주입하여 부상시켰다. 폐슬러지와 용액이 분리된 것을 확인한 후 부상 조 하부에서 시료를 채취하여 UV/VIS spectrophotometer와 원자흡광광도계를 사용하여 폐슬러지와 중금속 농도를 측정하였다.
- 2는 중금속 흡착되기 전. 후 슬러지 표면에 존재하는 금속이온을 EDX로 관찰한 것이다. a) 그림은 중금속이 흡착되지 않은 시료로서 Ca와 Fe에 대한 피크가 높게 나타났으며, Pb(n), Cu(n), Cr(n) 및 Cd(U)의 피크는 거의 존재하지 않았다.
- 흡착 등온에 관련된 모델식은 다양하게 제시되어 있지만, 본 연구에서는 Langmuir 와 Freundlich 흡착등온식을 사용하여 활성슬러지와 중금속 이온의 흡착 특성을 비교하였다. 흡착 등온실험을 위한 조건은 슬러지 농도(X)를 0.5g/L로 일정하게 하고 흡착평형 시간(t)을 1시간으로 한 상태에서 중금속 농도를 변화시켰다.
- 중요한 문제이다. 흡착 등온에 관련된 모델식은 다양하게 제시되어 있지만, 본 연구에서는 Langmuir 와 Freundlich 흡착등온식을 사용하여 활성슬러지와 중금속 이온의 흡착 특성을 비교하였다. 흡착 등온실험을 위한 조건은 슬러지 농도(X)를 0.
대상 데이터
- 화학적 상호작용에 의해 생체홉착량이 단계적으로 증가하는 두 단계의 흡착과정이 나타난다고 하였다. 본 실험에 사용된 폐슬러지는혼합미생물으로 구성되어 있어 각 미생물 간의 생화학적 구조와 특성의 차이에 따라 흡착시간에 따른 약간의 흡착량이 변화된 것으로 사료되었다.
- 폐슬러지 농도는 105°C에서 건조하여 데시게이터에서 1시간 동안 방냉한 후 건조중량을 측정하였다. 중금속 용액은 시약 급 Pb(N(%)2, CU(N(&)2, Cr(NO3)2 및 Cd(NC>3)2를 일정한 농도의 용액으로 제조한 후 희석하여 사용하였다. 흡착 실험은 폐 슬러지 현탁액, 50mL와 중금속 용액, 50m也를 각각 원하는 농도의 2배가 되도록 준비하여 300mL의 삼각플라스크에서 부피비로 혼합한 후 진탕배양기에서 lOOrpm으로 교반하면서 .
- 중금속 흡착에 사용된 흡착제는 도시 생활하수를 처리하는 부산 S 하수처리장의 2차 침전지에서 발생하는 폐슬러지를 이용하였다. 폐슬러지는 생체흡착실험 시작 전에 탈이 온수로 3회 세척하여 실험에 이용하였다.
이론/모형
- 폐슬러지의 가압부상 분리 실험은 DAF-jar test- er(ECE engineering Co., Ltd)를 사용하여 회분식으로 수행하였다. 중금속이 흡착된 폐슬러지는 중금속혼합용액 1L에 가압수를 0.
성능/효과
- (1) 각 중금속에 대한 생체흡착의 선택도는 Pb(n) >cr(n)>cu(n)>cd(n)순이었으며, Pb(u)의 흡착량은 다른 중금속에 비해 2배 이상 높게 나타났다.
- (3) Cu(U)와 Cd(H)는 Langmuir과 Freundlich 흡착 등온 모델로서 잘 모사할 수 있었다. Langmuir 흡착등온 모델에 의한 중금속의 최대흡착량(Qo) 는 Cu(U)와 Cd(U) 이 각각 196.
- (4) 중금속이 흡착된 폐슬러지의 고액 분리 효율은 최적 조건에서 95% 이상의 높은 효율을 보였으나, pH 증가에 따른 고액분리 효율이 약간 감소하는 경향을 보였다. pH 6이하에서 분리 효율이 증가된 것은 폐슬러지에 중금속이 흡착되면서 슬러지 플록과의 응집이 일어나 분리 효율이 증가한 것으로 사료되었다.
- 용존공기부상에 의한 폐 슬러지 부상효율은 중금속이 주입되지 않은 조건에서도 약 92%로 높게 나타났다. 100〜 150mg/L의 Pb(U), 와 Cu(U)를 주입하였을 때 약 97%의 높은 분리 효율을 나타내었다. 그러나 Pb(D) 의 경우는 200mg/L 이상을 주입하게 되면 분리 효율이 다소 감소되는 경향을 보였다.
- pH 2〜6의 범위에서는 흡착량에 차이는 있었지만 4가지 중금속에 모두 pH 가 높아짐에 따라 흡착량도 증가하였다. Pb(II)는 pH 6이상에서 더 이상 흡착량이 증가하지 않았으며, Pb(H) 의 흡착량(q®)은 pH 6에서 465.9 mg/g으로 pH 2에서 66.5 mg/g에 비해 약 7배 정도 증가한 것을 확인할 수 있다. Cu(n), Cr(n) 그리고 Cd(U)의 경우도 Pb(II)와 유사한 경향을 보였으나, 흡착량의 변화는 다소 적었다.
- 5에 나타내었다. pH 2〜6의 범위에서는 흡착량에 차이는 있었지만 4가지 중금속에 모두 pH 가 높아짐에 따라 흡착량도 증가하였다. Pb(II)는 pH 6이상에서 더 이상 흡착량이 증가하지 않았으며, Pb(H) 의 흡착량(q®)은 pH 6에서 465.
- 이는 pH가 감소함에 따라 용액중의 H+ 이온이 증가로 인한 폐슬러지 표면의 제타 전위가 등전점에 도달】9) 하여 플록간의 반발력의 감소로 인한 응집이 발생하여 플록과 기포의 부착효율이 향상되어 분리효율이 증가한 것으로 사료된다. 각 중금속이 흡착된 폐슬러지는 pH가 증가하더라도 분리 효율이 약 95% 이상으로 높은 분리효율을 나타내었으며, pH 6 이하에서 분리 효율이 증가된 것은 폐슬러지에 중금속이 흡착되면서 슬러지 플록과의 응집이 일어나 분리 효율이 증가한 것으로 사료되었다.
- a) 그림은 중금속이 흡착되지 않은 시료로서 Ca와 Fe에 대한 피크가 높게 나타났으며, Pb(n), Cu(n), Cr(n) 및 Cd(U)의 피크는 거의 존재하지 않았다. 그러나 b) 그림 의 중금속이 흡착된 시료는 Pb (67.12%), Cu (5.05%), Cr (5.86%) 및 Cd (9.07%)의 피크가 뚜렷하게 나타났으며, 이 중금속 중 Pb의 표면분포는 다른 중금속에 비해 6배 이상 높게 나타나 Fig. 1의 선택성 실험의 결과와 일치하였다. 또한 Ca와 Fe와 같은 금속류의 분포가 낮아지는 것으로 나타나 중금속의 표면에 존재하는 금속이온과 일부 이온교환이 일어난 것으로 사료되며, 이 현상은 이$의 소화슬러지의 응집 및 탈수에 대한 실험에서 응집제로 사용된 Al(UI)가 Ca(H) 및 Mg(II)와 같은 2가 양이온과 이온교환이 일어난다는 결과와 일치하였다.
- 이는 Kefala 등과 Sadowski 등의 제시한 순수 미생물을 사용한 생체흡착에서도 초기 5 분에서 거의 흡착이 이루진다는 결과와 일치하였다. 그러나 본 실험에서는 중금속과 흡착제의 친화도에 따라 약간 차이를 보이지만 20분이 되어야 중금속의 흡착량이 거의 평형에 도달하였으며, 이후에도 흡착량은 시간에 따라 다소 변하는 경향을 보였다. Bruus 등⑵은 활성슬러지 플록의 구조가 2가 양이온과 체외고분자물질 및 세포벽의 관능기가 가교를 이루어 생체플럭을 형성하고 있어 생체표면상의 중금속 흡착과 이온교환이 동시에 이루어지기 때문에 흡착평형에 도달한 후에도 흡착량이 다소 변화될 수 있다고 하였다.
- 있다. 본 실험에서도 다른 연구자들의 결과와 유사하게 중금속에 대한 생체흡착의 선택도는 다른 중금속에 비해 Pb(U)에 대한 선택성이 가장 우수하다는 것을 알 수 있었다.
- 중금속 농도를 150 mg/L로 하여 폐슬러지 농도를 0〜3000mg/L로 변화시켰다. 폐 슬러지 농도가 500 mg/L이었을 때 Pb(H), Cu(n), Cr(n), 및 Cd(U)의 중금속 주입에 따른 반송슬러지의 분리 효율은 90.4%, 95.8%, 93.4%, 및 96.9%로 나타나, 90%이상의 분리효율을 보였고, 슬러지 농도 2000 mg/七까지는 거의 일정한 분리 효율을 보였다. 그러나 슬러지 농도가 3000 mg/L에서는 Cr(U)와 Cd(U) 는 거의 일정한 부상효율을 나타내지만, Pb(H)와 Cu(U)는 약 84%로 고액분리 효율이 감소하였다.
후속연구
- Freundlich 흡착등온식의 상수 1/n이 0.1 에서 0.5 범위이면 흡착제의 성능이 우수하다고 보고한 바 있으며, 본 실험에 사용된 폐슬러지는 Pb(n), Cu(n), 그리고 Cd(U)에 있어 유용한 흡착제로 사용이 가능하지만 흡착제의 재생 및 회수에 대한 경제성 문제만 해결이 필요할 것으로 사료되었다.
- 활성슬러지를 생체흡착제로 사용하여 중금속을 때제거할 때 중금속의 흡착량 및 흡착 현상의 해석도 중요한 문제이지만, 실제 처리공정에 적용된다면 중금속이 흡착된 슬러지와 폐수의 고액분리가 중요한 문제가 될 것이다.
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