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문제 정의
- 본 연구에서 비소의 흡착제로 사용된 레피도크로사이트가 흡착실험에 이용된 pH범위 내에서 용해되는지를 확인하기 위하여 용해도 실험을 실시하였다. 50 mL 튜브를 이용하여 레피도크로사이트 0.
- 본 연구에서는 비소의 거동에 영향을 미치는 철 (산수) 산화물들 중에서 레피도크로사이트에 대한 비소 화학종별 흡착반응을 해석하기 위하여 흡착제의 특성, 평형 흡착, 흡착 반응속도 등에 대하여 실험적으로 알아보았다. 실험실에서 합성하여 비소 흡착제로 사용한 레피도크로사이트는 X선 회절분석 결과 순수한 레피도크로사이트로 확인되었으며, SEM 분석을 통하여 크기가 100~500nm이하의 괴상의 길고 평탄한 입자 혹은 비늘 상의 입자로 구성되어 있는 것으로 밝혀졌다.
- 본 연구에서는 자연 상에 존재하는 철 (산수) 산화물의 일종인 레피도크로사이트가 수용액 상의 비소를 제거하기 위한 흡착제로 활용될 수 있는지를 평가하기 위하여 레피도크로사이트에 대한 비소의 흡착특성을 고찰하였다. 비소의 흡착특성과 레피도크로사이트의 주요한 광물학적, 물리화학적 특성들과의 연관성을 조사하였으며, 평형론과 반응속도론적인 관점에서 레피도크로사이트에 대한 비소의 화학종별 흡착특성을 연구하였다.
제안 방법
- 0, 1LQ으로 조절하여 수행하였다. 50mL의 튜브에 레피도크로사이트 0.05 g과 각 비소 배경용액 20mL을 혼합(고액비, 1:400)하여 24시간 동안 200rpm으로 교반 후 원심분리하고 여과하여 용액 내 비소의 농도를 분석하였다.
- X선 회절분석은 경상대학교 지구환경과학과가 보유한 Siemens D5005 X-ray Diffractometer(40 kY 35 mA, 주사속도: 0.017sec, 주사시간: 4h 43min)를 사용하였으며, 철에 강하게 흡수 되는 CuKa 주사선을 대신하여 CoKa 주사선을 이용하였다. 합성된 레피도크로사이트의 조직 특성과 화학적 조성 분석은 경상대학교 공동실험실습관의 SEM(Philips XL30S FEG, Netherlands)과 EDSOeol JSM-6380IX Japan)를 이용하여 수행하였다.
- 1M 염산(HC1)용액을 일정량씩 투입하여 평형에 도달하게 한다. pH 의 범위는 2.0~L2.0까지 측정하였으며, 수산화나트륨 (NaOH)과 염산(HC1)의 투입량을 아래의 식에 대입하여 레 피 도크로사이 트의 표면전하를 계 산하였다.
- 673 mM이었기 때문에 이 농도를 선택하였다. pH2.0~12.0까지 총 12개 pH지점에서 실험을 수행하였으며, 이후의 실험방법은 앞서 설명한 평형실험과 동일하게 수행하였다.
- pH에 따른 흡착 특성을 파악하기 위하여 pH-edge 실험을 병행하였다. pH-edge 실험에서는 흡착량에 있어서 상대적으로 저농도인 0.
- 먼저 레피도크로사이트의 합성과 불순물 포함 여부를 확인하기 위하여 X선 회절 분석을 수행하였으며, 형태상의 특성과 화학 조성을 조사하기 위하여 주사전자현미경(SEM)과 에너지 분산분광기(EDS)를 이용하여 분석하였다. 그리고 흡착제의 주요한 특성인 비표면적과 영전하점 (point of zero charge, PZC) 등을 측정하였다. 이와 더불어 레피도크로사이트가 흡착실험에 사용된 pH 범위 내에서 흡착제로서 안정한지를 검토하기 위하여 pH 변화에 따른 레피도크로사이트의 용해도 실험을 실시하였다.
- 5에 나타내었다. 농도에 따른 pH의 영향을 고려해 보기 위하여 저농도(0.400 mM)와 고농도(6.673 nM)로 나누어 실험하였다. 저농도와 고농도에서 모두 유사한 경향을 보이고 있는데 먼저 3가 비소는 pH가 7.
- 마지막으로 위 두 실험결과를 바탕으로 시간에 따른 비소 흡착반응을 고찰하기 위하여 흡착 반응속도(kinetic) 실험을 실시하였다. 3가 비소는 pH 7.
- 먼저 레피도크로사이트의 합성과 불순물 포함 여부를 확인하기 위하여 X선 회절 분석을 수행하였으며, 형태상의 특성과 화학 조성을 조사하기 위하여 주사전자현미경(SEM)과 에너지 분산분광기(EDS)를 이용하여 분석하였다. 그리고 흡착제의 주요한 특성인 비표면적과 영전하점 (point of zero charge, PZC) 등을 측정하였다.
- 00M 수산화나트륨(NaOH)과 염산(HC1) 용액을 사용하였다. 모든 실험에서 분석용 등급 이상의 시약과 3 차 초순수(18MC》를 이용하여 실험의 정확도를 확보하려고 노력하였다. 흡착실험을 완료한 다음에는 7, 000 rpm으로 5분간 원심 분리한 후 얻어진 상 등 액을 다시 0.
- 673 mM이었다. 반응속도 실험 동안 5, 10, 20, 30, ft) min, 2, 4, 8, 12, 24 hr 등 총 10개 시점을 선정하여 상등액 시료를 채취하여 비소 농도 분석을 수행하였으며, 그 외의 조건은 평형 및 pH-edge 실험들과 동일하게 수행하였다.
- 본 연구에서 측정된 레피도크로사이트의 비 표면적을 대표적인 철 (산수)산화물들의 비표면적들과 비교하여 나타내었다(Rble 1). 레피도크로사이트 비표면적 측정 결과, Schwertmann and Cornell (2000)이 제시한 값보다 다소 크게 나타났다.
- 비소의 흡착특성과 레피도크로사이트의 주요한 광물학적, 물리화학적 특성들과의 연관성을 조사하였으며, 평형론과 반응속도론적인 관점에서 레피도크로사이트에 대한 비소의 화학종별 흡착특성을 연구하였다.
- 마련되었다. 수용액 내 비소 평형농도에 따른 흡착량을 나타내는 흡착 등온식 (adsorption isotherm)을얻기 위한 흡착 평형실험 (equilibrium experiments), pH 변화에 따른 비소의 흡착량을 결정하기 위한 pH- edge(adsorption envelopes) 실험, 이러한 두 실험결과를 바탕으로 하여 시간에 따른 흡착반응속도를 알아보기 위한 흡착 반응속도 실험 (Idnetic experiments) 등이 수행하였다.
- 위에서 소개한 방법으로 실험실에서 합성된 레피도크로사이트의 흡착제로서의 대표적인 광물학적, 물리 화학적 특성을 파악하기 위하여 다양한 분석을 수행하였다. 먼저 레피도크로사이트의 합성과 불순물 포함 여부를 확인하기 위하여 X선 회절 분석을 수행하였으며, 형태상의 특성과 화학 조성을 조사하기 위하여 주사전자현미경(SEM)과 에너지 분산분광기(EDS)를 이용하여 분석하였다.
- 이와 더불어 레피도크로사이트가 흡착실험에 사용된 pH 범위 내에서 흡착제로서 안정한지를 검토하기 위하여 pH 변화에 따른 레피도크로사이트의 용해도 실험을 실시하였다. 이러한 레피도크로사이트의특성 분석은 합성 후 건조시킨 시료를 200 mesh 체로 전처리하여 얻은 분말시료를 이용하여 수행하였다.
- 0까지 조절하였다. 이를 24시간 동안 200 rpm 으로 교반한 후, 7, 000 rpm으로 5분간 원심 분리하여, 상등액 내 철 농도를 분석하여 용해되는 정도를 확인하였다. 흡착실험에서 사용된 고액비(1:400)에서는 레피도크로사이트가 용해되는 농도가 모두 검출한계(0.
- 그리고 흡착제의 주요한 특성인 비표면적과 영전하점 (point of zero charge, PZC) 등을 측정하였다. 이와 더불어 레피도크로사이트가 흡착실험에 사용된 pH 범위 내에서 흡착제로서 안정한지를 검토하기 위하여 pH 변화에 따른 레피도크로사이트의 용해도 실험을 실시하였다. 이러한 레피도크로사이트의특성 분석은 합성 후 건조시킨 시료를 200 mesh 체로 전처리하여 얻은 분말시료를 이용하여 수행하였다.
- 673 mW 선택하여 실험을 수행하였다. 저농도의 대푯값으로 사용된 0.400 mM은 그 보다 더 낮은 농도에서는 대부분 흡착되기 때문에 용액 내 농도가 낮아져서 분석 시 오차가 발생할 수 있기 때문에 세 번째 저농도를 선정하였고, 고농도의 대푯값을 선정할 때는 흡착 등온식 결과로부터 흡착이 평형에 도달하는 최초농도가 6.673 mM이었기 때문에 이 농도를 선택하였다. pH2.
- , 2001). 합성된 레피도크로사이트 1g을 0.001, 0.010, 0.100M NaCl 등의 이온강도가 다른 전해질 용액 lOOmL에 넣어 충분히 교반시킨 후, pH를 조절하기 위하여 0.1M 수산화나트륨(NaOH)과 0.1M 염산(HC1)용액을 일정량씩 투입하여 평형에 도달하게 한다. pH 의 범위는 2.
- 017sec, 주사시간: 4h 43min)를 사용하였으며, 철에 강하게 흡수 되는 CuKa 주사선을 대신하여 CoKa 주사선을 이용하였다. 합성된 레피도크로사이트의 조직 특성과 화학적 조성 분석은 경상대학교 공동실험실습관의 SEM(Philips XL30S FEG, Netherlands)과 EDSOeol JSM-6380IX Japan)를 이용하여 수행하였다. 그리고 레피도크로사이트의 비표면적은 경상대학교 공동실험실습관에서 미세 기공 물리흡착 분석기(micropore physisorption analyzer, ASAP-2020M 모델, Mi-cromeritics, 미국)를 이용하여 분석하였다.
- 흡착 등온식을 얻기 위한 평형실험에 이용된 3가와 5가 비소 배경용액의 초기농도는 0.133, 0.267, 0.400, 0.667, 1.335, 2.669, 4.004, 5.339, 6.673, 13.347, 26.695 mM 이었으며, 이때 pH는 4.0, 7.0, 1LQ으로 조절하여 수행하였다. 50mL의 튜브에 레피도크로사이트 0.
- 이를 24시간 동안 200 rpm 으로 교반한 후, 7, 000 rpm으로 5분간 원심 분리하여, 상등액 내 철 농도를 분석하여 용해되는 정도를 확인하였다. 흡착실험에서 사용된 고액비(1:400)에서는 레피도크로사이트가 용해되는 농도가 모두 검출한계(0.01 mg/L, 0.4 ㎎/㎏) 이하로 나타났기 때문에, 흡착제인 레피도크로사이트의 안정성을 평가하기 위한 용해도 실험에서는 높은 고액비(1:40)를 이용하여 용해 여부를 확인하였다.
대상 데이터
- 01M NaCl 용액을 사용하였다. 3가와 5가 비소 배경용액은 각각 NaAsO2와 Na2HAs04-7H2O 이용하여 조제하였다. 각 실험마다 pH를 조절하기 위하여 0.
- 3가와 5가 비소 배경용액은 각각 NaAsO2와 Na2HAs04-7H2O 이용하여 조제하였다. 각 실험마다 pH를 조절하기 위하여 0.01 M, 0.10 M, 1.00M 수산화나트륨(NaOH)과 염산(HC1) 용액을 사용하였다. 모든 실험에서 분석용 등급 이상의 시약과 3 차 초순수(18MC》를 이용하여 실험의 정확도를 확보하려고 노력하였다.
- 요약한다. 본 연구에서 흡착제로 사용된 레피도크로사이트는 합성 후 #200(0 0.074 mm) 체를 이용하여 전처리하였으며, 전해질 용액은 0.01M NaCl 용액을 사용하였다. 3가와 5가 비소 배경용액은 각각 NaAsO2와 Na2HAs04-7H2O 이용하여 조제하였다.
이론/모형
- 합성된 레피도크로사이트의 조직 특성과 화학적 조성 분석은 경상대학교 공동실험실습관의 SEM(Philips XL30S FEG, Netherlands)과 EDSOeol JSM-6380IX Japan)를 이용하여 수행하였다. 그리고 레피도크로사이트의 비표면적은 경상대학교 공동실험실습관에서 미세 기공 물리흡착 분석기(micropore physisorption analyzer, ASAP-2020M 모델, Mi-cromeritics, 미국)를 이용하여 분석하였다.
- 45 pn 필터를 이용하여 여과하여 분석용 시료를 준비하였다. 모든 분석시료는 경상대학교 공동실험실습관의 유도결합플라스마 분광기(ICR OPTIMA 5300DV 모델, Perkin Elmei; 미국)와 흑연로를 장착한 원자흡광광도계 (AAS-GE AA-6800 모델, Shimadzu, 일본)를 이용하여 분석하였다.
- 본 연구에 사용된 러}피도크로사이트는 Schwertmann and Cornell (2000)이 제안한 방법을 따라서 실험실에서 합성하였다. 1L의 비이커에 900mL의 증류수를 이용하여 FeCl2-4H2O 35.
성능/효과
- 이러한 비소 종에 따른 흡착특성의 차이는 pH에 따른 각 비소 종의 화학적 형태가 다를 뿐만 아니라 흡착제인 레피도크로사이트 표면의 전하특성도 pH에 영향을 받기 때문인 것으로 사료된다. 시간에 따른 흡착반응을 고찰했을 때 두 종의 비소 모두 "간 이내에 최대 흡착에 도달하는 것으로 나타났으며 3가 비소가 5가 비소보다 비교적 큰 반응속도상수를 갖는 것으로 조사되었다. 그리고 power function과 elovich 반응속도 모델들이 두 비소 종의 시간에 따른 흡착반응을 잘 모사하는 것으로 나타났다.
- (1998)는 ferrihydrite와 비소종들에 대한 흡착반응속도를 잘 모사하는 모델들은 pH 와 비소 종에 따라서 다르게 나타난다고 보고하였다. 3 가 비소의 경우에는 pH 4.6과 9.2에서 모두 parabolic 모델이 가장 적합한 것으로 나타난 반면, 5가 비소의 경우에는 pH 4.6에서는 power function, elovich, parabolic 모델들에 거의 유사한 상관계수로 적합한 모델들이었으며, pH 9.2에서는 parabolic 모델이 가장 잘 모사한 모델로 조사되었다. 물론 본 연구에서는 레피도크로사이트를 대상으로 하고 또한 pH 조건도 달라서 직접적인 비교는 어렵지만 위와 유사하게 power function, parabolic, elovich 모델들이 다른 모델들보다는 상관계수가 높게 나타다.
- Table 3에 나타내었다. 3가 비소의 경우에는 모든 pH 조건에서 Freundlich 등온식을 따르는 것으로 나타났고, 5가 비소의 경우에는 pH에 따라서두 등온식이 모두 혼재하는 것으로 조사되었다. 비소와 철 (산수)산화물과의 흡착 등온식은 비소의 화학종, pH, 그리고 흡착제인 철 (산수)산화물의 종류에 따라서 다양하게 나타나는 것으로 알려져 있습니다.
- 0에서부터 pH가 증가함에 따라서 흡착이 꾸준히 감소함을 볼 수 있다. 3가 비소의 최대 흡착량은 저농도와 고농도에서 각각 148.8 mlol/g와 866.0 μmol/g로 나타났으며, 5가 비소의 최대 흡착량은 저농도에서 158.5 nmol/g, 고농도에서 254.7 μmol/g로 나타나 흡착량게 있어서는 차이를 보이나, pH에 따른 경향성은 동일하게 나타났다. 다른 철 (산수)산화물들과의 최대 흡착량을 비교하면, 먼저 동일한 농도 조건으로 실험했던 자철석의 경우에는 3가 비소의 최대 흡착량은 저농도(0.
- 2a). EDS 분석 결과 흡착실험 후레피도크로사이트 표면에서 비소를 인지할 수 있었다(Fig. 2b & c).
- X- 선 회절 분석 결과 합성된 레피도크로사이트는 순수 한철 (산수)산화물임을 확인할 수 있었으며, 이는 Schwertmann and Comell(2000)이 제시한 결과와 일치함을 알 수 있었다. SEM 이미지 관찰 결과 레피도크로사이는 100~500nm이하의 괴상의 길고 평탄한 입자 혹은 비늘상의 입자로 구성되어 있는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 2a). EDS 분석 결과 흡착실험 후레피도크로사이트 표면에서 비소를 인지할 수 있었다(Fig.
- 1에 나타내었다. X- 선 회절 분석 결과 합성된 레피도크로사이트는 순수 한철 (산수)산화물임을 확인할 수 있었으며, 이는 Schwertmann and Comell(2000)이 제시한 결과와 일치함을 알 수 있었다. SEM 이미지 관찰 결과 레피도크로사이는 100~500nm이하의 괴상의 길고 평탄한 입자 혹은 비늘상의 입자로 구성되어 있는 것을 확인할 수 있었다(Fig.
- 이러한 반응속도론적 실험결과를 통해 얻어진 시간과 흡착농도 사이의 결과를 지금까지 제안된 다양한 반응속도론 모델들에 적용해서 그 상관계수를 Table 4에 정리하였다. 그 결과, 레피도크로사이트에 대한 비소의 흡착반응속도를 가장 잘 모사하는 모델들로는 비소 화학종에 관계없이 power function과 elovich 모델들인 것으로 나타났다. Raven et aZ.
- 실험실에서 합성하여 비소 흡착제로 사용한 레피도크로사이트는 X선 회절분석 결과 순수한 레피도크로사이트로 확인되었으며, SEM 분석을 통하여 크기가 100~500nm이하의 괴상의 길고 평탄한 입자 혹은 비늘 상의 입자로 구성되어 있는 것으로 밝혀졌다. 그리고 EDS 분석 결과 흡착실험 후 레피도크로사이트 표면에 흡착되어 있는 비소를 인지할 수 있었다. 본 연구에서 사용된 레피도크로사이트는 다른 철 (산수) 산화물보다 상대적으로 큰 94.
- 평형 흡착실험을 통하여 3가 비소가 5가 비소보다 동일한 pH조건에서 레피도크로사이트에 훨씬 더 많이 흡착된다는 것을 알 수 있었고, 이에 적합한 흡착 등 온 식은 두 종의 비소 모두 Langmuir 등온식인 것으로 고찰되었다. 그리고 pH에 따른 비소 화학종별 흡착특성을 고찰한 결과, 3가 비소의 경우에는 중성 pH까지 흡착이 계속 증가하다가 그 이상의 pH에서는 흡착이 급격히 감소하는 것으로 나타났으나 5가 비소는 pH가 증가함에 따라서 흡착은 지속적으로 감소하는 것으로 조사되었다. 이러한 비소 종에 따른 흡착특성의 차이는 pH에 따른 각 비소 종의 화학적 형태가 다를 뿐만 아니라 흡착제인 레피도크로사이트 표면의 전하특성도 pH에 영향을 받기 때문인 것으로 사료된다.
- 시간에 따른 흡착반응을 고찰했을 때 두 종의 비소 모두 "간 이내에 최대 흡착에 도달하는 것으로 나타났으며 3가 비소가 5가 비소보다 비교적 큰 반응속도상수를 갖는 것으로 조사되었다. 그리고 power function과 elovich 반응속도 모델들이 두 비소 종의 시간에 따른 흡착반응을 잘 모사하는 것으로 나타났다. 본 연구는 비소를 함유한 광산배수 등을 정화하는데 있어서 흡착원리를 이용한 레피도크로사이트의 활용성과 적용 가능성을 입증하였을 뿐만 아니라 최근 부각되어 널리 이용되고 있는 영가철을 이용한 비소 제거에 있어서도 영가 철의 부식(산화)에 의해서 필연적으로 생성되는 레피도크로사이트 등과 같은 철 (산수)산화물들과 비소의 반응을 이해하는데 본 연구결과가 기여할 것으로 생각된다.
- 63><10-4%)로 측정되었다. 극 산성인 pH 2.0과 25를 제외한 다른 pH 조건에서는 용해된 철의 농도가 검출한계 (0.01 mg/L, 0.4 ㎎/㎏) 이하로 나왔으며, 본 연구에서의 흡착실험 시 이용된 고액비 (1:400)보다 10배 높은 고액비(1:40)가 용해도 실험에서 사용되었기 때문에 흡착제로서의 레피도크로사이트의 안정성은 큰 문제가 없는 것으로 판단된다.
- 동일한 pH 조건에서 살펴보면 3가 비소가 5가 비소보다 훨씬 더 많이 흡착되는 것을 볼 수 있다. 다음 절에서 보다 더 자세하게 살펴보겠지만, pH에 따른 흡착특성을 간단하게 정리하면, 3가 비소의 경우에는 pH 7.0과 pH 4.0에는 별다른 차이가 없음을 보이고 있는 반면 pH 11.0에서는 현저히 낮은 흡착력을 보이고 있다(Fig. 4a). 5가 비소는 pH에 따른 흡착 양상이 3가 비소와 다르게 나타나는데 pH 4.
- 이와 같이 본 연구의 대상 철 (산수)산화물인 레피도크로사이트는 두 종의 비소 모두에서 자철석보다는 훨씬 큰 흡착능을 보였는데 이는 두 종의 철 (산수)산화물은 매우 유사한 영전하점 (PZC)을 보이지만(Table 2), Table 1에서 보는 바와 같이 레피도크로사이트가 자철석에 비해 월등히 큰비 표면적을 갖기 때문인 것으로 판단된다. 또한 Dixit and Hering(2003)에 의한 HFO(비정질 철 산화물), 침 철석, 자철석 등의 세 종류의 철 (산수)산화물의 비소에 대한 제거 특성을 연구한 결과를 살펴보면, pH 5-6 이하에서는 5가 비소가 3가 비소보다 HFO와 침 철석에 의해 훨씬 제거가 많이 되었지만 pH7-8 이상에서는 오히려 3가 비소가 5가 비소보다 더 높은 친화력을 보였다. 뿐만 아니라 최대 흡착량에 대해서는 HFO에서는 3가와 5가 비소의 경우 각각 3, 514 |amol/g, 2, 675umol/g로 조사되었으며, 침철석의 경우에는 3가와 5가 비소가 모두 173 pmol/g의 비슷한 최대 흡착량을 보이는 것으로 나타났고, 3가 비소에 대한 자철석의 최대 흡착량은 332|imol/g인 것으로 측정되었다.
- 그리고 EDS 분석 결과 흡착실험 후 레피도크로사이트 표면에 흡착되어 있는 비소를 인지할 수 있었다. 본 연구에서 사용된 레피도크로사이트는 다른 철 (산수) 산화물보다 상대적으로 큰 94.8m2/g의 비표면적을 가지고 있어 비소의 흡착제로 적합한 것으로 밝혀졌다. 평형 흡착실험을 통하여 3가 비소가 5가 비소보다 동일한 pH조건에서 레피도크로사이트에 훨씬 더 많이 흡착된다는 것을 알 수 있었고, 이에 적합한 흡착 등 온 식은 두 종의 비소 모두 Langmuir 등온식인 것으로 고찰되었다.
- 본 연구에서 수행한 흡착실험의 pH 범위 내에서의 흡착제로 사용된 레피도크로사이트의 안정성을 알아보기 위한 용해도 실험결과, 레피도크로사이트의 용해도는 pH 2.0에서 17.70 mgkg(L77><10-4%)로 측정되었다.
- 3가 비소가 크게 나타났다. 비록 본 연구에서 사용된 반응속도모델과 흡착제의 종류가 다르지만 3가와 5가 비소의 반응속도상수는 유사한 경향을 보이는 것으로 조사되었다. 또한 Su and Puls(2001)는 다양한 종류의 영가철을 이용한 비소제거 실험에서 유사 1차 반응 (pseudo-first order kinetic) 모델을 적용하여 얻은 3가와 5가 비소의 반응속도상수가 각각 0.
- 또한 Dixit and Hering(2003)에 의한 HFO(비정질 철 산화물), 침 철석, 자철석 등의 세 종류의 철 (산수)산화물의 비소에 대한 제거 특성을 연구한 결과를 살펴보면, pH 5-6 이하에서는 5가 비소가 3가 비소보다 HFO와 침 철석에 의해 훨씬 제거가 많이 되었지만 pH7-8 이상에서는 오히려 3가 비소가 5가 비소보다 더 높은 친화력을 보였다. 뿐만 아니라 최대 흡착량에 대해서는 HFO에서는 3가와 5가 비소의 경우 각각 3, 514 |amol/g, 2, 675umol/g로 조사되었으며, 침철석의 경우에는 3가와 5가 비소가 모두 173 pmol/g의 비슷한 최대 흡착량을 보이는 것으로 나타났고, 3가 비소에 대한 자철석의 최대 흡착량은 332|imol/g인 것으로 측정되었다. 이와 같이 본 연구의 대상인 레피도크로사이트의 두 비소 종에 대한 pH에 따른 흡착 특성과 최대 흡착량 등이 다른 철 (산수)산화물들과 차이를 보이는 것은 비표면적, 흡착 사이트 밀도(adsorption site density),영전하점 등이 다르기 때문인 것으로 판단된다.
- 실험실에서 합성하여 비소 흡착제로 사용한 레피도크로사이트는 X선 회절분석 결과 순수한 레피도크로사이트로 확인되었으며, SEM 분석을 통하여 크기가 100~500nm이하의 괴상의 길고 평탄한 입자 혹은 비늘 상의 입자로 구성되어 있는 것으로 밝혀졌다. 그리고 EDS 분석 결과 흡착실험 후 레피도크로사이트 표면에 흡착되어 있는 비소를 인지할 수 있었다.
- 레피도크로사이트 비표면적 측정 결과, Schwertmann and Cornell (2000)이 제시한 값보다 다소 크게 나타났다. 유사한 화학조성을 갖는 철 (산수)산화물들인 침철석이나 아카자네이트 등의 비 표면적보다는 월등히 큰 비표면적을 가지고 있을 뿐만 아니라 2-line ferrihydriteS 제외하면 가장 큰 비표면적을 갖는 것으로 조사되었다. 따라서 레피도크로사이트는 다른 철 (산수)산화물들보다 높은 흡착력을 보일 것이라는 것을 예상할 수 있다.
- , 2008a). 이와 같이 본 연구의 대상 철 (산수)산화물인 레피도크로사이트는 두 종의 비소 모두에서 자철석보다는 훨씬 큰 흡착능을 보였는데 이는 두 종의 철 (산수)산화물은 매우 유사한 영전하점 (PZC)을 보이지만(Table 2), Table 1에서 보는 바와 같이 레피도크로사이트가 자철석에 비해 월등히 큰비 표면적을 갖기 때문인 것으로 판단된다. 또한 Dixit and Hering(2003)에 의한 HFO(비정질 철 산화물), 침 철석, 자철석 등의 세 종류의 철 (산수)산화물의 비소에 대한 제거 특성을 연구한 결과를 살펴보면, pH 5-6 이하에서는 5가 비소가 3가 비소보다 HFO와 침 철석에 의해 훨씬 제거가 많이 되었지만 pH7-8 이상에서는 오히려 3가 비소가 5가 비소보다 더 높은 친화력을 보였다.
- 8m2/g의 비표면적을 가지고 있어 비소의 흡착제로 적합한 것으로 밝혀졌다. 평형 흡착실험을 통하여 3가 비소가 5가 비소보다 동일한 pH조건에서 레피도크로사이트에 훨씬 더 많이 흡착된다는 것을 알 수 있었고, 이에 적합한 흡착 등 온 식은 두 종의 비소 모두 Langmuir 등온식인 것으로 고찰되었다. 그리고 pH에 따른 비소 화학종별 흡착특성을 고찰한 결과, 3가 비소의 경우에는 중성 pH까지 흡착이 계속 증가하다가 그 이상의 pH에서는 흡착이 급격히 감소하는 것으로 나타났으나 5가 비소는 pH가 증가함에 따라서 흡착은 지속적으로 감소하는 것으로 조사되었다.
- 6에 나타내었다. 평형실험과 pH- edge 실험을 바탕으로, 배경용액 내 비소의 농도는 6.673 mM이었으며, 3가 비소는 pH 7.0, 5가 비소는 pH 4.0에서 반응속도를 고찰한 결과 비소 화학종과 관계없이 4시간 이내에 흡착 반응이 완료되었다. 이러한 반응속도론적 실험결과를 통해 얻어진 시간과 흡착농도 사이의 결과를 지금까지 제안된 다양한 반응속도론 모델들에 적용해서 그 상관계수를 Table 4에 정리하였다.
후속연구
- 하지만 비소의 흡착특성을 이와 같이 정전기적인 현상으로 설명하는 것은 너무 단순화한 해석이라고 할 수 있다. 따라서 본 연구와 같은 macroscopic 한 실험과 더불어 microscopic한 X선 흡수분광(XAS) 분석을 병행하여 레피도크로사이트 결정 표면에 위치 한철과 산소 등과 형성되는 비소의 결합 특성들이 파악되어져야 할 것으로 생각되며, 현재 본 연구팀은 이러한 분석을 진행 중이어서 향후 본 실험결과와 종합해서 해석하게 되면 비소의 흡착특성을 보다 더 체계적으로 파악할 수 있으리라 기대된다.
- 다시 말하면 현장에서 어떠한 철 (산수)산화물을 활용할 수 있는가가 더 중요하리라 생각된다. 만약 현장에서 적절한 철 (산수)산화물을 활용하기가 어렵다면 외부로부터 반입해서 사용해야 하는데 이런 경우에는 경제성을 기반으로 한 다양한 인자들이 검토되어야 할 것으로 판단되며, 이러한 분석은 본 연구의 범위에서 벗어나 더 이상의 논의는 약하기로 한다. pH에 따른 레피도크로사이트의 비소 흡착 특성은 앞서 언급한 바와 같이 pH에 따른 비소의 존재 형태와 흡착제인 레피도크로사이트의 표면전하 특성의 변화로부터 이해할 수 있다.
- 그리고 power function과 elovich 반응속도 모델들이 두 비소 종의 시간에 따른 흡착반응을 잘 모사하는 것으로 나타났다. 본 연구는 비소를 함유한 광산배수 등을 정화하는데 있어서 흡착원리를 이용한 레피도크로사이트의 활용성과 적용 가능성을 입증하였을 뿐만 아니라 최근 부각되어 널리 이용되고 있는 영가철을 이용한 비소 제거에 있어서도 영가 철의 부식(산화)에 의해서 필연적으로 생성되는 레피도크로사이트 등과 같은 철 (산수)산화물들과 비소의 반응을 이해하는데 본 연구결과가 기여할 것으로 생각된다.
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