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문제 정의
- 본 연구에서는 산업폐기물인 하수슬러지, 정수 슬러 지 및 폐굴껍질의 재활용 가능성을 위한 기초자료로 제시하고자 이들에 대하여 Cd, Cu, Pb의 흡착 특성을 평가하기 위한 기초실험을 실시하여 각각의 흡착 특성을 비교、평가하였다.
- 본 연구에서는 이젠 버리기도 어려운 폐기물인 하 수슬러지 및 정수슬러지, 폐굴껍질의 중금속 제거제 등 재활용 가능성을 위한 기초실험으로 각각에 대하여 중금속의 흡착 특성실험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 12, 24시간 동안 200 rpm으로 교반 하였다. 굴껍질은 교반 시간을 10, 20, 30, 40, 50, 60분으로 실험을 수행하였으며, 반응 도중 각각 선정된 시간에 시료를 채취하여 고액분리한 후 잔류농도를 원자흡광광도계로 분석하였다.
- 또한 중금속의 농도변화에 대한 영향을 평가하기 위하여, Cd, Cu, 此의 용액에 대하여 고액 비 1 : 10으로 하여 실험을 수행하였으며 반응 전 초기 pH와 반응 종료 후 최종 pH에 대한 측정을 수행하여 토양의 완충작용에 pH 변화의 영향에 대해서도 고려하였다.
- 시간의 경과에 따른 중금속의 흡착속도를 평가하기 위한 흡착동력학 실험은 시료 각 5 g과 초기농도가 각각 50 mg/L인 Cd, Cu, 代의 혼합용액을 고액비 1 : 10으로 하여 100 圳 삼각플라스크에 넣고, 하수슬러지 및 정수슬러지의 경우 진탕 기에서 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 12, 24시간 동안 200 rpm으로 교반 하였다. 굴껍질은 교반 시간을 10, 20, 30, 40, 50, 60분으로 실험을 수행하였으며, 반응 도중 각각 선정된 시간에 시료를 채취하여 고액분리한 후 잔류농도를 원자흡광광도계로 분석하였다.
- 3으로 약알칼리성을 나타내었다. 중금속 함량은 각각의 시료에 대하여 토양오염공정시험법에 의한 결과와 폐기물 공정시험법에 의한 결과를 비교하였다. 폐기물 공정시험법에 의해서 는 하수슬러지, 정수슬러지 및 굴껍질 모두 Cd, Cu, Pbe 검출되지 않았으나, 토양오염공정시험법에 의해 서는 하수슬러지와 정수슬러지에서 미량 검출되었다.
- 중금속의 토양흡착에 대한 pH의 영향을 알아보고 자 하수 및 정수슬러지, 굴껍질에 대하여 흡착 실험을 수행하였으며, 최종 pH에 따른 흡착 제거율을 Fig. 6 에 나타내었다. 3가지 중금속 모두 pH 4 이상에서 중 금속의 흡착율이 80% 이상으로 높게 나타났으며, pH 9 에서 대부분의 중금속이 흡착되었다.
- 15 剛 (100 mesh) 표준체를 통과 시켜 균질화한 것을 사용하였다. 폐금속 광산의 주된 오염물질인 Cd, Cu, Pb 등의 중금속을 선정하여 하수슬러지 및 정수슬러지와 굴껍질에 대한 중금속의 흡착능을 알아보기 위하여 평형 시간, pH에 따른 흡착능, 중금속 농도에 따른 흡착능을 평가하였다. 흡착 실험이 끝난 후 시료의 분석은 먼저 초고속 원심분리기(SIGMA 3K30, 20, 000 rpm)를 이용하여 1차 적인 고액 분리를 한 다음, 5B 여과지(Adventec)를 사용하여 2차 고액분리를 실시한 다음 시행하였다.
- 하수 및 정수슬러지, 굴껍질에 대한 중금속의 흡착 특성을 파악하기 위하여 폐광산 지역에 일반적으로 고농도로 분포하는 중금속(Cd, Cu, Pb)을 선정하여 흡착실험을 수행하였다. 시간에 따른 흡착농도 변화는 Fig.
- 시료 각 5 g에 Cd, Cu, Pb의 농도가 5, 10, 20, 50, 100 mg/L 등의 여러 농도로 만든 용액을 고액비 1 : io으로 하여 io。就 삼각플라스크에 넣고 항온 진탕 기에서 30℃를 유지하면서 평형 시간 (4hr) 동안 200 rpm으로 교반 하였다. 흡착동력학 실험에서와 같은 방법으로 각 삼각플라스크의 용액을 분 취하여 고액분리한 후 잔류농도를 원자흡광광도계로 분석하였다. 흡착량은 다음과 같은 식으로 계산하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용한 굴껍질(Oyster Shell)은 부산시 강서구 녹산동과 가덕도 일대에서 대량으로 폐기처분 되고 있는 굴껍질을 수거하여 세척한 후 충분히 자연 건조 시켰다. 각각의 시료들은 풍건 후 분쇄하여 입경 100 mesh의 체로 친 후 실험에 사용하였다.
- 본 실험에 사용한 정수 슬러 지 (WTS, Water Treatment Sludge)는 부산시의 H 정수처리장의 탈수기를 거친 후 최종 처분되는 슬러지를 이용하였다. 채취된 시료는 20일 이상 풍건 후 분쇄하여 입경 100 mesh의 체로 친 후 실험에 사용하였다.
- 본 실험에 사용한 하수슬러지(STS, Sewage Treatment Sludge)는 주로 생활하수를 처리하는 부산시의 S 하수종말처리장의 탈수기를 거친 후 최종 처분되는 슬 러지를 이용하였다. 채취된 시료는 20일 이상 풍건 후 분쇄하여 입경 100 mesh의 체로 친 후 실험에 사용하였다.
- 본 실험에 사용한 하수슬러지(STS, Sewage Treatment Sludge)는 주로 생활하수를 처리하는 부산시의 S 하수종말처리장의 탈수기를 거친 후 최종 처분되는 슬 러지를 이용하였다. 채취된 시료는 20일 이상 풍건 후 분쇄하여 입경 100 mesh의 체로 친 후 실험에 사용하였다.
- 회분식 흡착실험에 사% 된 하수슬러지 및 정수 슬러 지와 굴껍질은 풍건 시킨 후, 0.15 剛 (100 mesh) 표준체를 통과 시켜 균질화한 것을 사용하였다. 폐금속 광산의 주된 오염물질인 Cd, Cu, Pb 등의 중금속을 선정하여 하수슬러지 및 정수슬러지와 굴껍질에 대한 중금속의 흡착능을 알아보기 위하여 평형 시간, pH에 따른 흡착능, 중금속 농도에 따른 흡착능을 평가하였다.
데이터처리
- 흡착 실험이 끝난 후 시료의 분석은 먼저 초고속 원심분리기(SIGMA 3K30, 20, 000 rpm)를 이용하여 1차 적인 고액 분리를 한 다음, 5B 여과지(Adventec)를 사용하여 2차 고액분리를 실시한 다음 시행하였다. 여과된 시료는 원자흡광광도계(Atomic Absorption Spectrometer (Varian SpectrAA 220))로, 분석 하였으며 실험과정은 Fig. 1과 같다.
이론/모형
- Fig. 5는 하수슬러지, 정수슬러지와 굴껍질의 흡착평형 관계를 Freundlich 모델과 선형모델에 적용한 것으로 일반적으로 흡착반응은 Langmuir나 Freundlich 등 온 흡착모델로 해석이 가능하나 본 연구에서는 Freundlich 모델을 적용하여 구한 각각의 parameter 값인 Kf 와 1/n을 Table 2에 정리하였다. Langmuir나 Freundlich 등온흡착모델은 농도가 증가함에 따라 곡선의 기울기가 감소하는 특성을 보이고 있으며, 이는 흡착 제의 표면이 점차 피 흡착물질로 채워져 비어있는 흡착 영역이 감소하기 때문.
성능/효과
- 1) 하수슬러지와 정수슬러지, 굴껍질에 대한 흡착 평형 실험 결과 흡착은 초기에 매우 빠르게 일어나며, 흡착평형에 도달하는 시간은 굴껍질의 경우 40분, 하 수슬러지와 정수 슬러 지은 4시간 이후에 흡착평형에 도달하였다.
- 2) Freundlich 식의 적용 결과 대부분의 흡착제에 있어서 Pb의 흡착 강도가 더 크게 나타났으며, 중금속 이온에 대한 전반적인 제거 효과는 굴껍질을 제외하고 는 하수슬러지가 상대적으로 우수한 흡착능을 지니고 있으며, Pb > Cu > Cd 순으로 흡착능이 우수하였다.
- 3) 중금속의 흡착에 대한 pH의 영향을 알아본 결과 Cd, Cu, Pb 모두 pH 4 이상에서 중금속의 흡착율 이 80% 이상으로 높게 나타났으며, pH 9 에서 대부분의 중금속이 흡착되었다. pH가 낮을수록 Cd의 흡 착 율은 낮게 나타났다.
- 6 에 나타내었다. 3가지 중금속 모두 pH 4 이상에서 중 금속의 흡착율이 80% 이상으로 높게 나타났으며, pH 9 에서 대부분의 중금속이 흡착되었다.
- 실험 결과에 나타난 바와 같이 굴껍질의 경우 1시간 이내의 빠른 시간에 흡착평형에 도달하였으며, 하수 및 정수슬러지의 경우에도 흡착은 초기에 급격하게 일어나고 4시간 이후에 는 거의 평형상태에 이르렀다. 각각의 중금속 이온에 대한 흡착제의 최종적인 평형 흡착량은 굴껍질> 하수지>정수슬러지 순으로 나타나, 굴껍질과 하수슬러지가 높은 흡착능을 가지고 있음을 알 수 있다. 특히 Pb의 경우 평형 흡착량은 작으나 흡착속도가 크므로 반응시간이 제한되어 있는 경우엔 더 큰 제거효율을 나타낼 것이다.
- 2 ~ 4에 나타내었다. 실험 결과에 나타난 바와 같이 굴껍질의 경우 1시간 이내의 빠른 시간에 흡착평형에 도달하였으며, 하수 및 정수슬러지의 경우에도 흡착은 초기에 급격하게 일어나고 4시간 이후에 는 거의 평형상태에 이르렀다. 각각의 중금속 이온에 대한 흡착제의 최종적인 평형 흡착량은 굴껍질> 하수지>정수슬러지 순으로 나타나, 굴껍질과 하수슬러지가 높은 흡착능을 가지고 있음을 알 수 있다.
- 이다. 실험 결과에 두 가지 형태의 모델을 적용한 결과, Langmuir 모델보다는Freundlich 모델에서 결정계수의 값이 높게 나타나 Freundlich 모델 결과를 나타내었다. Freundlich식에서 Kf값은 흡착 능과 관련된 함수이고 1/ne 입자와 오염물질간의 흡 착강도의 함수를 의미하며, 1/n이 작아질수록 흡착에 의한 결합은 더 크다.
- 하수슬러지에서는 Cu와 Pbe pH의 변화에 따른 변화는 거의 없으며 Cde pH가 높을수록 흡착율은 높게 나타났다. 정수슬러지 Cd, Cu, Pb 모두 정도의 차이는 있으나 pH가 높을수록 흡착율도 높게 나타났다. 굴껍 질은 하수슬러지와 유사한 결과를 나타내었다.
- 하수슬러지에서는 Cu와 Pbe pH의 변화에 따른 변화는 거의 없으며 Cde pH가 높을수록 흡착율은 높게 나타났다. 정수슬러지 Cd, Cu, Pb 모두 정도의 차이는 있으나 pH가 높을수록 흡착율도 높게 나타났다.
후속연구
- 4) 하수슬러지와 폐굴 껍질은 양호한 흡착능으로 인하여 중금속 제거제로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
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