[논문]연속회분식 반응 장치에서 Ferrate를 이용한 Cu(II)-EDTA 함유 폐수 처리 연구

김형욱; 김병권; 이승목; 양재규; 김현욱; 권정안; 임항식

연속회분식 반응 장치에서 Ferrate를 이용한 Cu(II)-EDTA 함유 폐수 처리 연구
Treatment of Wastewater Containing Cu(II)-EDTA Using Ferrate in Sequencing Batch Scale System 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.30 no.7, 2008년, pp.729 - 734

김형욱 (관동대학교 환경공학과) , 김병권 (광운대학교 환경공학과) , 이승목 (관동대학교 환경공학과) , 양재규 (광운대학교 교양학부) , 김현욱 (서울시립대학교 환경공학과) , 권정안 (서울시립대학교 환경공학과) , 임항식 (한국화학시험 연구원)

초록
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높은 산화상태를 갖는 철화합물인 ferrate(Fe$^{6+}$)를 Cu(II)-EDTA가 오염된 폐수를 처리하는데 적용하였다. Fe(VI)는 3가 철염에 차아염소산을 가하여 습식 산화시키는 방법을 적용하여 제조하였으며 93% 이상의 순도를 얻을 수 있었다. 용액에서의 Fe(VI)의 안정성은 pH가 낮을수록 자체분해반응이 가속화됨으로써 감소하는 것으로 나타났다. 자외선-가시광선 분광광도계를 사용하여 Fe(VI)의 환원정도를 측정하였다. 실험실규모의 연속회분식 반응장치를 Cu(II)-EDTA 함유 폐수처리에 적용함으로서 Cu(II)-EDTA의 산화특성, Fe(III)에 대한 구리이온의 거동 특성 그리고 유기물의 제거능을 조사하였다. 연속처리를 위한 반응조 및 pH 조정조에서 총 구리의 제거는 체류시간 120분에서 각각 69% 및 75%로서 최대 제거율을 보였으며 체류시간 120분 경과 후 Cu(II)-EDTA의 비착물화 정도는 80% 이상을 보였다. 본 연구를 통하여 Fe(VI)를 다기능성 처리제로서 사용하여 Cu(II)와 EDTA가 함께 존재하는 폐수를 연속적으로 처리하는 공정을 개발하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The higher valence state of iron i.e., Fe(VI) was employed for the treatment of Cu(II)-EDTA in the aqueous/waste waters. The ferrate(VI) was prepared through wet oxidation of Fe(III) by sodium hypochlorite. The purity of prepared Fe(VI) was above 93%. The stability of Fe(VI) solution decreased as solution pH decreased through self decomposition. The reduction of Fe(VI) was obtained by using the UV-Visible measurements. The dissociation of Cu(II)-EDTA complex through oxidation of EDTA using Fe(VI) and subsequent treatment of organic matter and metal ions by Fe(III) reduced from Fe(VI) in bench-scale of continuous flow reactor were studied. The removal efficiencies of copper were 69% and 79% in pH control basin and reactor, respectively, at 120 minutes as retention time. In addition, Cu(II)-EDTA in the reactor was decomplexated more than 80% after 120 minutes as retention time. From this work, a continuous treatment process for the wastewater containing metal and EDTA by employing Fe(VI) as muluti-functional agent was developed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

, 4) 기존 Cu(II)-EDTA 폐수처리에 사용되었던 다단계의 처리공정을 보다 단순화시킨 Fig. 1과 같은 신개념의 수처리 공정을 개발하고자 하였다. 그리고 연속회분식 반응장치를 Cu(II)-EDTA 함유 폐수처리에 적용함으로서 Cu(II)-EDTA의 산화특성, Fe(III)에 대한 구리이온의 거동 특성 그리고 유기물의 제거능을 조사하였다.

제안 방법

UV-VIS 분광광도계를 사용하여 제조한 K₂FeO₄의 정성 및 정량 분석을 실시하였다. 분석을 위해 0.
1과 같은 신개념의 수처리 공정을 개발하고자 하였다. 그리고 연속회분식 반응장치를 Cu(II)-EDTA 함유 폐수처리에 적용함으로서 Cu(II)-EDTA의 산화특성, Fe(III)에 대한 구리이온의 거동 특성 그리고 유기물의 제거능을 조사하였다.
반응조로 유입되는 Cu(II)-EDTA와 Fe(VI)의 각각 1 × 10-4M 및 2.4 × 10-3M로서 Fe(VI)를 과량으로 가하여 농도를 유지시켰다.
반응조의 pH는 4.0, pH 조정조의 pH는 7.0으로 고정시키고 1∼3시간 후 각 샘플구에서 샘플링을 하고 TOC(SHIMADZU, TOC-5000A)를 이용하여 용존유기물의 제거효율을 보았으며, 용액중의 총 구리농도는 원자흡수분 광기(VARIAN, SpectraAA-300)를 이용하여 측정하였다.
3과 같은 적갈색의 K₂FeO₄를 제조하였다. 이후 침전물을 감압조건하에서 건조시켜 K₂FeO₄를 만들었다.¹²⁾

대상 데이터

침전물을 다시 3 M KOH 용액으로 glass filter를 사용하여 여과시키고 포화된 KOH로 3∼4번 반복하여 재결정 시켰다. N-hexane, 디에틸에테르를 사용하여 수회 세척함으로써 Fig. 3과 같은 적갈색의 K₂FeO₄를 제조하였다. 이후 침전물을 감압조건하에서 건조시켜 K₂FeO₄를 만들었다.
3. The prepared K₂FeO₄ using NaClO.

성능/효과

1) 실험실에서 쉽게 적용할 수 있는 습식산화방법을 적용하여 93%의 순도를 가진 Fe(VI)를 제조할 수 있었다.
2) 반응조 및 pH 조정조에서의 총 구리의 제거는 체류 시간 120분에서 각각 69% 및 75%로서 최대 제거율을 보였다.
3) 반응조 및 pH 조정조에서 TOC 제거는 체류시간 120분에서 50% 정도 제거율을 보였다. Fe(VI)에 의한 유기물의 지속적인 무기물화 및 Fe(VI)의 환원에 의해 생성되는 철염에 의한 유기물의 응집 및 흡착의 결과라고 판단된다.
4) 연속식 반응조 내에서 Cu(II)-EDTA의 완전한 비착물화는 총 반응시간 동안 지속적으로 진행되어서 연속실험이 가능함을 알 수 있었다.
6 은 용액의 pH별 Fe(VI)의 자체분해에 대한 2차 반응 속도 상수를 도시하여 나타내었다. 분해속도상수는 pH가 감소함에 따라 급격하게 증가하는 것을 알 수 있었다.
9와 같이 얻어졌다. 체류시간 60분 경과 후 반응조 및 pH 조정조에 서의 TOC 제거율은 각각 20%를 약간 상회하였으며 체류 시간 120분이 경과되었을 때 약 50% 정도의 제거율을 나타내었다. 이러한 용존 유기물의 제거는 용존 유기물의 지속적인 무기물화 및 Fe(VI)의 환원에 의해 생성되는 철염에 의한 유기물의 응집 및 흡착에 의한 결과라고 판단된다.
8과 같이 얻어졌다. 체류시간 60분 경과 후 반응조에서의 제거율은 56% 그리고 pH 조정조에서는 73%의 제거율을 보였다. 체류시간 120분에서 각각 69% 및 75%의 제거율을 보였지만 180분에서는 총 구리의 제거율이 오히려 감소하였다.
10은 반응조 및 pH 조정조에서 Cu(II)-EDTA의 제거율을 나타내었다. 초기 60분에서 반응조 및 pH 조정조에서의 Cu(II)-EDTA의 제거율은 각각 24.6%, 41.1%로 반응조 보다는 pH 조정조에서의 제거율이 높았으나 반응이 안정되기 시작한 120분의 경우에는 각각 82.9%, 73.4%로반응조에서의 제거율이 점차 상승하는 결과를 나타내었다. 이는 반응조의 인공폐수가 약 60분 후에 pH 조정조로 월류되기 시작하면서 초기에 pH 조정에 있어서 신속한 조치가 이루어지지 못하여 pH 조정조에서도 지속적인 Cu(II)-EDTA 비착물화가 진행되어 제거율이 반응조에서보다 높았던 것이, 점차 pH 조정조가 안정화되면서, 반응조의 제거율이 상승하는 결과가 나타난 것으로 판단된다.

후속연구

5) Cu(II)-EDTA 제거율이 TOC 제거율에 비하여 약 30%가량 높게 나타났으며, 이는 Cu(II)-EDTA가 초기에 비착물화 된 상태에서도 TOC 물질로 장기간 잔류하는 것으로 의미하며, 따라서, 향후 Cu(II)-EDTA 분해 중간 산물에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
10의 Cu(II)-EDTA 제거율 중 비교적 반응이 안정적이였던 120분 때의 제거율을 살펴보면, Cu(II)-EDTA 제거율이 약 30% 정도 높았는데, 이는 Cu(II)-EDTA 가 초기에 비착물화 된 상태에서도 TOC 물질로 장기간 잔류하는 것을 의미한다. 따라서, 향후 Cu(II)-EDTA 분해 중간 산물에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
¹⁷⁾ 체류시간 180분에 서는 TOC의 제거율이 감소하였는데 이는 총구리 제거경 향에서와 같이 반응기로 유입하기 위해 제조한 Fe(VI) 모용액이 시간경과에 따라 자분해가 이루어지는 것과 또한 반응이 진행되는 동안 실내온도가 높아져서 Fe(VI)가 용액내에서 자분해가 증가함에 따라 EDTA 및 중간 분해생성물의 무기물화가 느려짐에 따른 결과라고 여겨진다. 이러한 Fe(VI)의 자분해에 대한 온도영향은 후속적인 연구를 통하여 연구가 진행되어져야 할 필요가 있음을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Metal-EDTA 착물들은 어떤 과정에서 생성되는가?	Metal-EDTA 착물들은 도금산업뿐 아니라 원자력, 필름 제작, 제약, 식품업, 중금속으로 오염된 장비 및 반응기 세척, 중금속으로 오염된 토양복원 과정에서 생성되며, 이들은 광범위한 pH 범위에서 안정하게 존재한다. 따라서 중금속 제거에 일반적으로 널리 사용되는 hydroxide, sulfide 등을 이용한 침전법의 적용은 용이하지가 않고 또한 생분해능이 적어서 metal-EDTA 폐기물이 생성되면 최종처리를 하기 전에 반드시 이들 착물들을 분해시키는 특별한 처리법이 요구되고 있다.
	Fe(VI)가 환경친화적 산화제로 여겨지는 이유는 무엇인가?	최근에는 다양한 성상의 폐수를 효과적으로 처리할 수 있는 유망한 처리제로서 Ferrate(VI)(FeO42-)가 다음과 같이 많은 연구자들의 관심을 받고 있다. Fe(VI)는 arsenic, 5) hydro-gen sulfide, thiourea, thioacetamide, cyanide, and thiocyanate, 6) 페놀 및 페놀계 내분비교란물질 7) 등의 산화제로서뿐만 아니라 살균제 처리 8) 에도 성공적으로 적용이 되었다. 또한 산화반응 후에 Fe(VI)의 환원에 의해 생성되는 Fe(III)는 수중에서 응집제의 역할을 할 수 있는 것으로 보고되었다. 9,10) 이러한 산화 및 응집 특성 때문에 Fe(VI)는 환경친화적 산화제로 여겨지고 있다.
	Fe(VI)를 이용한 국내외 연구의 대부분은 어디에 국한되어 있는가?	미국 및 유럽의 경우 1990 년대 이후 Fe(VI)의 산화제 및 응집제로서의 다기능을 이용하여 폐수처리 공정에 적용하려는 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그런데 현재까지 Fe(VI)를 이용한 국내외 연구의 대부분은 유기물 혹은 금속이온과 같은 단일 오염물들에 국한되어 왔으며 유기물 및 중금속이 함께 오염된 경우에 적용된 것은 Sharma 등 11) 이 Fe(VI)를 사용하여 시안 및 구리를 동시에 함유한 오염수 처리와 같은 일부 경우에 한정되며 metal-EDTA 착물을 함유한 폐수처리에 적용된 예는 전무하다.

참고문헌 (17)

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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].

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