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문제 정의
- 본 연구에서는 알긴산을 생물 흡착제로 이용하여 아직까지 체계적으로 연구되지 않은 납 이온에 대한 흡착특성을 조사하고 실제 폐수내에서의 중금속 선택도등에 대해 조사 하고자 한다. 또한, 구리와 수은 그리고 방사성동위원소에대한 흡착능도 알아보고자 한다.
- 키토산과 더불어 알긴산의 이온교환 성질에대한 연구가 여러가지 관점에서 조사되고 있으며 Kuyucak 과 Jang 그리고 Yasuhiro 등에 의해 중금속과 희귀금속에 대한 흡착 및 회수 연구가 수행되어졌다5)0, 7). 본 연구에서는 알긴산을 생물 흡착제로 이용하여 아직까지 체계적으로 연구되지 않은 납 이온에 대한 흡착특성을 조사하고 실제 폐수내에서의 중금속 선택도등에 대해 조사 하고자 한다. 또한, 구리와 수은 그리고 방사성동위원소에대한 흡착능도 알아보고자 한다.
제안 방법
- 3가지 금속을 같은 몰농도로 섞은 후, LOOOppm과 100ppm의 농도로 희석시켜 만든 혼합용액 100ml를 250mL의 삼각플라스크에 넣고, 최종 pH를 4로 조절한 후 흡착능을 조사하였다. 또한, 납 이온의 초기농도를 20ppm으로 하여 시간에 따른 농도변화를 조사하였다.
- 1g 넣은뒤 초기농도가 IQOOppm인 납 용액 lOOmL를 제조하였다. Shaking Incubator에서 온도 30℃, 회전수 150rpm으로 24시간 진탕한 후, 1N의 NHQH용액과 HNO3 용액으로 pH를 2, 3, 4, 5, 6 으로 각각 조절한 뒤 다시 24시간 동안 진탕하였다. 이 작업을 pH가 변하지 않을 때까지 반복하였다.
- 이 작업을 pH가 변하지 않을 때까지 반복하였다. pH가 변하지 않았을 때 시료를 취하여 원심분리기를 이용하여 거른 뒤 각 시료를 l-2Qppm으로 희석시킨 후 흡착 전, 후의 납의 농도를 측정하였다. 건조 중량당 흡착능은 아래의 식에 의해서구해졌다.
- 일반적으로 중금속을 흡착시키는 주 기능기는 카르복실기인 것으로 알려져 있다8), 또한, 카드뮴 보다는납에 대해서 흡착능이 더 높았다. 그래서 3가지의다당류 중 알긴산을 흡착제로 선택하였으며 이를이용하여 여러가지 중금속에 대한 흡착특성을 수행하였다.
- 납 이온 외에 구리이온, 칼슘이온, 그리고 특히독성이 강한 수은을 대상으로 하여 알긴산을 이용했을 때의 각각에 대한 흡착능을 조사하였다. 또한, 방사능 원소에 대한 흡착능을 알아보기 위해서 스트론튬(Sr) 과 세슘 (Cs) 을 대상으로 한 흡착실험도 수행하였다.
- 납 이온 외에 도금공장에서 많이 배출되는 중금속 성분인 구리이온과 1950년대 일본에서 미나마타병으로 중금속에 대한 환경적 관심을 불러일으킨 바 있는 수은이온, 그리고 방사성 이온인 스트론튬과 세슘이온에 대한 흡착특성을 조사하였다. 각각에 대한 흡착능의 결과는 [Table 3]에 나타내었다.
- 납 이온의 초기농도가 20ppm 일 때, 시간에 따른 농도변화를 조사하였다. 실험결과는[Fig.
- 또한 캐나다의 Volesky와 Tsezos 등은 균류 및 박테리아를 이용하여 생물학적인 흡착능에대한 온도의 영향을 연구하여 생물학적인 흡착에대한 키틴의 역할 및 흡착 메카니즘을 규명하였다본 연구에서는 알긴산의 온도 변화에 따른 흡착 특성을 조사하였으며 실험 결과는[Fig. 4]에나타내었다. 결과를 통해서 볼 때 온도가 증가함에따라서 흡착능이 약간씩 증가됨을 볼 수 있었다.
- 3가지 금속을 같은 몰농도로 섞은 후, LOOOppm과 100ppm의 농도로 희석시켜 만든 혼합용액 100ml를 250mL의 삼각플라스크에 넣고, 최종 pH를 4로 조절한 후 흡착능을 조사하였다. 또한, 납 이온의 초기농도를 20ppm으로 하여 시간에 따른 농도변화를 조사하였다.
- 또한, 방사능 원소에 대한 흡착능을 알아보기 위해서 스트론튬(Sr) 과 세슘 (Cs) 을 대상으로 한 흡착실험도 수행하였다. 실험 방법은 납 이온에 대한 흡착실험과 동일하고 최종 평형에 이르렀을때의 pH는 4로 조절하였다.
- 본 연구에서 사용되어진 모든 시약은 Sigma Aldrich (Analytical grade) 로 부터 구입되어졌다. 모든 중금속 농도는 AAS (Atomic Absorption Spectroscopy, Perkin Elmer Analyst 300, USA) 와 ICP (Inductively Coupled Plasma spectroscopy, USA)를 이용하여 측정되어졌으며, 3회의 실험값을 평균하여 결과값을 제시하였다.
- 미생물 유래 다당류인 알긴산을 이용하여 중금속흡착실험을 수행하였다. pH 4에서 480mg/g-dry mass의 납 이온을 흡착시킬 수 있었으며 pH 2의강산에서도 380mg/g-dry mass의 높은 흡착능을 얻을 수 있었다.
- 그러나 상대적으로 거의 영향을 받지 않는 생물 흡착제는 이용이 가능하다. 본 연구에서는 미생물로부터 유래된 다당류인 알긴산을 이용하여 알칼리 금속에 대한 영양을 조사하였으며 납 이온만 단독으로 수용액 중에 존재할때의 흡착능과 칼슘과 마그네슘 이온이 같이 섞여있을 때의 알긴산의 납 이온에 대한 흡착능의 결과를 [Table 2]에 나타내었다. 결과에서 보는 것처럼 흡착능의 차이는 거의 없었으며 이로부터 알칼리 금속 이온의 영향은 거의 없음을 확인할 수 있었다.
- 진탕 시켰다. 항온조의 온도를 25℃, 35℃, 45℃, 55℃로 변화시켰으며, 납이 흡착된 후의 최종 pH는 4로 조절하였다. 이외의 실험 방법과 흡착능의 분석은 2.
- 흡착능이 좋은 다당류를 선택하기 위해서 여러가지 다당류중 물에 녹지 않고, biomass의 분리가쉬운 키틴, 셀룰로오스, 그리고 알긴산을 선별하여중금속에 대한 흡착능을 알아보았다. 대상중금속으로는 납과 카드뮴을 택하였으며 흡착 결과는 (Table 1]에 나타내었다.
대상 데이터
- 1)에 나타내었다. 대상 중금속은 이가 금속중 납 이온을 주 흡착 대상으로 정하였으며 실험 내용에 따라 다른 이가 금속들도 사용하였다. 모든 시료 용액은 nitrate형태의 금속 화합물들을 3차 증류수에 녹여 10, 000ppm으로 만든 뒤 이를 필요한농도로 희석하여 사용하였다.
- 대표적인 알칼리 금속인 칼슘과 마그네슘을 이용하였다. 3가지 금속을 같은 몰농도로 섞은 후, LOOOppm과 100ppm의 농도로 희석시켜 만든 혼합용액 100ml를 250mL의 삼각플라스크에 넣고, 최종 pH를 4로 조절한 후 흡착능을 조사하였다.
- 본 실험에서 사용된 다당류중 중금속 흡착능이가장 높은 알긴산을 사용하였다. 알긴산의 구조는 (Fig.
- 모든 시료 용액은 nitrate형태의 금속 화합물들을 3차 증류수에 녹여 10, 000ppm으로 만든 뒤 이를 필요한농도로 희석하여 사용하였다. 본 연구에서 사용되어진 모든 시약은 Sigma Aldrich (Analytical grade) 로 부터 구입되어졌다. 모든 중금속 농도는 AAS (Atomic Absorption Spectroscopy, Perkin Elmer Analyst 300, USA) 와 ICP (Inductively Coupled Plasma spectroscopy, USA)를 이용하여 측정되어졌으며, 3회의 실험값을 평균하여 결과값을 제시하였다.
- 삼각플라스크에 알긴산을 건조무게로 0.1g 넣은뒤 초기농도가 IQOOppm인 납 용액 lOOmL를 제조하였다. Shaking Incubator에서 온도 30℃, 회전수 150rpm으로 24시간 진탕한 후, 1N의 NHQH용액과 HNO3 용액으로 pH를 2, 3, 4, 5, 6 으로 각각 조절한 뒤 다시 24시간 동안 진탕하였다.
성능/효과
- 알긴산의순수한 흡착 현상과 침전을 구별하기 위해서 앞으로의 모든 중금속 흡착실험에서는 pH 5 이상은 수행하지 않았다. pH 2와 4 사이에서 흡착능의 차이는 크게 나지 않았으며 그 범위 안에서는 pH의값에 관계없이 흡착제로 이용할 수 있을 것으로판단된다. pH의 변화에 대해서 흡착능의 차이가크게 나지 않는 것은 알긴산이 가지는 pK값 때문이다.
- 수행하였다. pH 4에서 480mg/g-dry mass의 납 이온을 흡착시킬 수 있었으며 pH 2의강산에서도 380mg/g-dry mass의 높은 흡착능을 얻을 수 있었다. 또한, lOOppm 이하의 저농도에서도 높은 흡착능을 나타내었으며 칼슘이나 마그네슘 이온과 같은 알칼리금속 이온의 영향을 거의 받지 않고 납 이온을 흡착할 수 있었다.
- 4]에나타내었다. 결과를 통해서 볼 때 온도가 증가함에따라서 흡착능이 약간씩 증가됨을 볼 수 있었다. 이 결과는 폐수의 온도가 보통 상온보다 높은 경우가 대부분이므로 타 흡착제에 비해서 유리한 것이다.
- 본 연구에서는 미생물로부터 유래된 다당류인 알긴산을 이용하여 알칼리 금속에 대한 영양을 조사하였으며 납 이온만 단독으로 수용액 중에 존재할때의 흡착능과 칼슘과 마그네슘 이온이 같이 섞여있을 때의 알긴산의 납 이온에 대한 흡착능의 결과를 [Table 2]에 나타내었다. 결과에서 보는 것처럼 흡착능의 차이는 거의 없었으며 이로부터 알칼리 금속 이온의 영향은 거의 없음을 확인할 수 있었다. 알칼리 금속이 알긴산에 쉽게 흡착이 되지않는 이유는 납 이온에 비해서 알칼리 금속의 이온교환이 배타적인 것으로 설명될 수 있다.
- 특히, 20 ppm 이하의 농도에서도 높은 흡착능을 보여 저농도 폐수의 적용에도 다른 흡착제에 비해서 유리할것으로 기대된다. 또한, [Fig. 3]에서 보는 바와같이 초기납 이온의 농도에 따른 흡착능을 Langmuir 등온 흡착 곡선으로 regression시 킨 결과 pH 4에서의 최대 홉착능은 약 600mg/g 이었으며 실험에서 얻어진 결과는 pH에 상관없이 모델식의 결과와 잘부합되었다.
- pH 4에서 480mg/g-dry mass의 납 이온을 흡착시킬 수 있었으며 pH 2의강산에서도 380mg/g-dry mass의 높은 흡착능을 얻을 수 있었다. 또한, lOOppm 이하의 저농도에서도 높은 흡착능을 나타내었으며 칼슘이나 마그네슘 이온과 같은 알칼리금속 이온의 영향을 거의 받지 않고 납 이온을 흡착할 수 있었다. 온도가증가함에 따라서 납 이온의 흡착능은 증가하였으며 구리, 수은, 그리고 방사성 동위원소인 스트론튬이나 세슘이온에 대해서도 비교적 높은 흡착능을 보여 주었다.
- 대상중금속으로는 납과 카드뮴을 택하였으며 흡착 결과는 (Table 1]에 나타내었다. 실험결과 알긴산을 이용했을 때의 흡착능이 가장 높았다. 이유는 알긴산은 카르복실기 (-COOH) 와 하이드록실기 (-OH) 를 모두 가지고 있는 반면에 키틴과 셀룰룬Q스는하이드록실기 만을 가지고 있기 때문이다.
- 또한, lOOppm 이하의 저농도에서도 높은 흡착능을 나타내었으며 칼슘이나 마그네슘 이온과 같은 알칼리금속 이온의 영향을 거의 받지 않고 납 이온을 흡착할 수 있었다. 온도가증가함에 따라서 납 이온의 흡착능은 증가하였으며 구리, 수은, 그리고 방사성 동위원소인 스트론튬이나 세슘이온에 대해서도 비교적 높은 흡착능을 보여 주었다.
- 3]에 나타내었다. 이 결과로부터 아주 낮은 농도인 20ppm을 제외하고는 대부분의 농도에서 미생물에 의한 흡착능 보다 약 3배 정도의 높은 흡착능을 보임을 알 수 있다. 특히, 20 ppm 이하의 농도에서도 높은 흡착능을 보여 저농도 폐수의 적용에도 다른 흡착제에 비해서 유리할것으로 기대된다.
- 각각에 대한 흡착능의 결과는 [Table 3]에 나타내었다. 이 결과를 통해볼 때 구리이온의 흡착능은 2.25mmol/g-dry mass로 아주 높았으며, 특히독성이 매우 강한 수은의 경우에도 비교적 흡착능이 높았고 스트론튬에 대한 흡착능도 우수하였다. 지금까지의 연구결과를 종합해볼 때, 알긴산을 흡착제로 이용할 경우 중금속 성분은 물론이고 방사성 이온과 수은 등의 제거에 폭넓게 사용할 수 있어서 적절한 고정화를 통하여 실제 폐수 처리에 광범위하게 이용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 지금 현재 상용화되고 있는 양이온 교환 수지는 알칼리 금속이 납보다 10배 이상 존재할 경우 납의 흡착능력이 급격히 감소하는 것이 실험을통해서 밝혀진 바 있으며 특히 알칼리 금속 중에서칼슘이나 마그네슘 이온처럼 2가 금속일 경우는흡착 능력이 크게 감소하여 알칼리 금속이 존재하지 않을 때에 비하여 약 25% 정도의 흡착능력을나타내는 것이 실험적으로 밝혀졌다. 그래서 실제폐수나 지하수에서 중금속을 제거할 경우, 용액 중에는 다량의 알칼리 금속이 존재하므로 이온 교환수지는 적당하지 않다.
후속연구
- 25mmol/g-dry mass로 아주 높았으며, 특히독성이 매우 강한 수은의 경우에도 비교적 흡착능이 높았고 스트론튬에 대한 흡착능도 우수하였다. 지금까지의 연구결과를 종합해볼 때, 알긴산을 흡착제로 이용할 경우 중금속 성분은 물론이고 방사성 이온과 수은 등의 제거에 폭넓게 사용할 수 있어서 적절한 고정화를 통하여 실제 폐수 처리에 광범위하게 이용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 이 결과로부터 아주 낮은 농도인 20ppm을 제외하고는 대부분의 농도에서 미생물에 의한 흡착능 보다 약 3배 정도의 높은 흡착능을 보임을 알 수 있다. 특히, 20 ppm 이하의 농도에서도 높은 흡착능을 보여 저농도 폐수의 적용에도 다른 흡착제에 비해서 유리할것으로 기대된다. 또한, [Fig.
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