[논문]산화철 및 산화망간이 동시에 코팅된 모래 매질을 이용한 비소오염 제거특성 연구

김병권; 민상윤; 장윤영; 양재규

산화철 및 산화망간이 동시에 코팅된 모래 매질을 이용한 비소오염 제거특성 연구
Removal Characteristic of Arsenic by Sand Media Coated with both Iron-oxide and Manganese-oxide 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.31 no.7, 2009년, pp.473 - 482

김병권 (광운대학교 환경공학과) , 민상윤 (광운대학교 환경공학과) , 장윤영 (광운대학교 환경공학과) , 양재규 (광운대학교 교양학부)

초록
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본 연구에서는 여러 몰비의 망간과 철을 함유한 용액을 사용하여 담체인 모래 표면에 이들 산화물들이 동시에 코팅된 산화철 및 산화망간 코팅사(IMCS)를 제조하였으며, X-선 회절분석을 통하여 제조한 IMCS 표면의 광물종 규명과 이들에 의한 As(III) 산화 및 As(V) 흡착능을 평가하였다. 망간과 철을 동시에 코팅한 IMCS들에서의 철 및 망간의 총량은 단일금속용액으로 코팅시킨 담체(ICS 혹은 MCS)에 비하여 감소하였지만 코팅된 철산화물은 goethite와 magnetite의 혼합물 그리고 망간 산화물은 ${\gamma}-MnO_2$로서 매우 유사하였다. IMCS에 의한 As(V) 흡착량은 코팅된 망간보다는 철 함량에 의해 크게 영향을 받았다. 그리고 IMCS에 의한 As(V) 흡착량은 1가 및 2가 이온들로 이루어진 이온세기 화학종으로 이온세기를 고정하였을 때에는 큰 영향을 받지 않았으나 $PO_4\;^{3-}$와 같은 3가 화학종을 사용한 경우에는 크게 억제되었다. 망간만 코팅시켜 얻은 MCS의 경우, NaCl 및 $NaNO_3$와 같은 1가 이온세기 화학종이 존재하는 경우는 $PO_4\;^{3-}$와 같은 3가 이온세기 화학종이 존재하는 경우에서 보다 2배 이상의 산화효율을 나타내었다. 이에 반해 망간과 철이 함께 코팅된 7:3, 5:5, 3:7 몰비의 경우에는 $PO_4\;^{3-}$를 이온세기 화학종으로 사용한 경우가 다른 이온세기 화학종이 존재하는 경우에서 보다 오히려 As(III) 산화력이 높게 나타났는데 이것은 $PO_4\;^{3-}$가 As(V)와 IMCS 표면에 대한 경쟁흡착을 함에 따른 결과로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, iron and manganese coated sand (IMCS) was prepared by mixing Joomoonjin sand with solutions having different molar ratio of manganese ($Mn^{2+}$) and iron ($Fe^{3+}$). Mineral type of IMCS was analyzed by X-ray diffraction spectroscopy. Removal efficiency of arsenic through As(III) oxidation and As(V) adsorption by IMCS having different ratio of Mn/Fe was evaluated. The coated amount of total Mn and Fe on all IMCS samples was less than that on sand coated with iron-oxide alone (ICS) or manganese-oxide alone (MCS). The mineral type of the manganese oxide on MCS and iron oxides on ICS were identified as ${\gamma}-MnO_2$ and mixture of goethite and magnetite, respectively. The same mineral type was appeared on IMCS. Removed amount As(V) by IMCS was greatly affected by the content of Fe rather than by the content of Mn. Adsorption of As(V) by IMCS was little affected by the presence of monovalent and divalent electrolytes. However a greatly reduced As(V) adsorption as observed in the presence of trivalent electrolyte such as $PO_4\;^{3-}$. As(III) oxidation efficiency by MCS in the presence of NaCl or $NaNO_3$ was two times greater than that in the presence of $PO_4\;^{3-}$. Meanwhile a greater As(III) oxidation efficiency was observed by IMCS in the presence of $PO_4\;^{3-}$. This was explained by the competitive adsorption between phosphate and arsenate on the surface of IMCS.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 기존에 연구되었던 MCS와 ICS의 2단층 여과시스템에 대하여 담체 제조에 있어서 경제적이고, 비소처리 시스템구성에 있어서 하나의 여과시스템으로 간소화 하기 위하여 철과 망간을 모래에 동시코팅 시킨 산화망간철코팅사(IMCS)를 제조하여 As(III)의 산화공정과 As(V) 흡착공정을 동시에 수행할 수 있는 담체로서 활용될 수 있는지를 기존의 MCS와 ICS의 비소처리 효율과 비교하였다.
본 연구에서는 기존의 철과 망간을 모래 표면에 각각 코팅시킨 망간코팅모래(MCS)와 철코팅모래(ICS)를 이용한 As(III) 산화와 As(V) 흡착처리의 기능을 담체인 모래에 철과 망간을 동시에 코팅시켜 얻은 IMCS를 이용하여 동시에 수행할 수 있도록 하는데 목적을 두었으며 연구결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

제안 방법

)을 사용하여 이온교환수지 (DOWEX 1×8-100(Cl), Sigma-Aldrich Co.)가 채워진 칼럼을 통과시켜 비소이온의 분리효율을 먼저 확인한 후 시료용액의 분리측정을 수행하였다. 이온교환수지 통과 전의 총 비소농도 및 통과 후의 As(III) 농도를 측정하여 그 차이로부터 As(V)의 농도를 구하였으며 이를 이용하여 As(III)의 산화능을 계산하였다.
4. 5 절에서 나타낸 것과 같이 As(III) 산화실험을 실시한 후 각 용액을 이온교환수지에 통과시켜 As(V)를 제거시킨 후 As(III)를 농도를 측정하여 이온교환수지 통과전의 총 비소 농도에 대한 제거된 As(V)의 분율로부터 As(III)의 산화율을 계산하였다. As(III) 산화는 초기 pH가 낮을수록 크게 나타났다.
As(III)와 As(V) 농도에 대한 IMCS의 As(III), As(V)흡착 효율을 알아보기 위하여 As(III), As(V) 표준시약과 초순수를 사용하여 제조한 0.5, 1, 5, 10 ppm 농도의 인공비소오염수를 대상으로 50 mL Polypropylene conical tube(Falcon Co.)에 초기 pH 4.5와 이온세기(0.01 M NaNO₃)를 조절한 50 mL 비소 오염수에 IMCS 0.1 g을 각각 주입하고 Hag rotator(FinePCR Co.)를 사용하여 30 rpm 회전혼합조건에서 24시간 동안 흡착반응을 진행하였다.
망간 혹은 철 단일용액을 주입하여 코팅한 담체들과(10:0, 0:10) 망간과 철 혼합용액을 주입하여 코팅시킨 담체(5:5) 표면의 광물종 분석을 XRD를 이용하여 실시하였다. ICS 및 MCS 표면의 광물종 분석을 실시한 이전 연구에서, 금속산화물이 코팅된 모래를 직접 사용하여 분석할 경우에 담체에 함유된 많은 양의 Si의 영향으로 인하여 철과 망간의 구조형태를 판단하기가 어려워서, 담체에 코팅된 금속산화물을 담체로부터 긁어내어 XRD 분석을 실시하였는데¹⁰⁾ 이번 연구에서는 이와 동일한 방법으로 실시하였으며 그 결과는 Fig. 2와 같이 얻어졌다.
IMCS의 담체표면에 코팅물질의 표면특성을 측정하고자 SEM(Scaning Electron Micrograph, model JSM7000F, JEOL)을 이용하여 표면을 관찰하였으며, 비표면적분석기(Surface Area & Porosimetry Analysis, ASAP 2010, Micromeritics(USA))를 이용하여 각각의 몰비에 따른 비표면적을 측정하였다.
pH에 따른 각 IMCS의 As(III) 산화실험과 As(V) 흡착 실험은 먼저 As(III) 표준용액과 As(V) 표준용액을 초순수를 사용하여 제조한 1 ppm 농도의 인공비소오염수를 대상으로 50 mL Polypropylene conical tube(Falcon Co.)에 이온세기(0.01 M NaNO₃)를 조절한 50 mL 비소 오염수를 초기 pH를 각각 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9로 변화시킨 후 IMCS를 0.1 g을 각각 주입하고 Hag rotator(FinePCR Co.)를 사용하여 30 rpm 회전혼합조건에서 24시간 동안 산화반응을 진행하였다.
강산성 조건에서 각각의 몰비 조건에 제조한 담체들로 부터의 망간 및 철의 용출실험을 위해 이온세기(0.01 M NaNO₃)를 조절한 초순수를 pH 2로 조절한 후, 용액 50 mL을 50 mL Polypropylene conical tube(Falcon Co.)에 주입 후 각각의 IMCS를 0.1 g씩 주입하여 일정시간(0.5, 1, 2, 3, 6, 12, 24)만큼 교반시키면서 실험하였다.
그리고 이온세기화학종 변화에 따른 IMCS의 As(III)산화효율과 As(V)흡착효율을 알아보기 위하여 초기 pH 4.5와 이온세기(0.01 M)종류별로 제조한 50 mL 비소 오염수와 IMCS 0.1 g을 각각 주입하고 Hag rotator를 사용하여 30 rpm 회전혼합조건에서 24시간 동안 산화반응을 진행하였다. 실험에 사용된 이온세기 화학종으로는 NaCl(Junsei chemical Co.
IMCS를 폐광산 주변의 지하수 및 지표수와 같이 pH가 낮은 곳의 수처리용 여과재질로서 사용하려면 내산성이 확보되어져야 한다. 따라서 망간과 철의 몰비를 달리하여 제조한 IMCS의 안정성 시험을 하기 위해 각 담체 0.1 g을 NaNO₃를 사용하여 이온세기를 10^-2 M로 맞춘 용액 50 mL에 넣고 용액의 pH를 2로 조정한 후 일정 시간 변화에 따라 코팅된 망간과 철의 용출농도를 측정하였는데 Table 3과 4와 같이 얻어졌다. 망간과 철의 용출량은 시간이 지날수록 완만하게 증가하는 것으로 나타났다.
또한, 코팅용액의 Mn과 Fe mole비가 IMCS에 부착된 철산화물과 망간산화물의 결정구조에 미친 영향을 분석하여 비소제거효율과의 상관성을 규명하였다. 이를 위하여 X선 회절장치(X-Ray Diffractometer, XRD, D8 Advace, BRUKER)를 이용하여 Cu_kα radiation(λ=1.
몰비를 달리하여 제조한 각 IMCS의 비표면적을 분석한 결과(Table 2), 모든 IMCS들은 코팅하지 않은 주문진사보다 3~7배 정도의 큰 비표면적을 나타내었다. 망간 혹은 철 단일용액을 주입하여 코팅한 담체들과(10:0, 0:10) 망간과 철 혼합용액을 주입하여 코팅시킨 담체(5:5) 표면의 광물종 분석을 XRD를 이용하여 실시하였다. ICS 및 MCS 표면의 광물종 분석을 실시한 이전 연구에서, 금속산화물이 코팅된 모래를 직접 사용하여 분석할 경우에 담체에 함유된 많은 양의 Si의 영향으로 인하여 철과 망간의 구조형태를 판단하기가 어려워서, 담체에 코팅된 금속산화물을 담체로부터 긁어내어 XRD 분석을 실시하였는데¹⁰⁾ 이번 연구에서는 이와 동일한 방법으로 실시하였으며 그 결과는 Fig.
이온교환수지 통과 전의 총 비소농도 및 통과 후의 As(III) 농도를 측정하여 그 차이로부터 As(V)의 농도를 구하였으며 이를 이용하여 As(III)의 산화능을 계산하였다. 모든 비소농도는 유도결합플라즈마광학분광분석기(Perkin-Elmer, Optima 2000 DV)를 이용하여 측정하였다.
모든 실험용액의 pH 조정은 HNO₃와 NaOH 용액을 사용하여 실시하였으며, Orion사의 pH meter (model 720A)를 사용하여 측정하였다.
몰비를 달리하여 제조한 IMCS의 As(III) 산화능을 알아보기 위해 pH를 4.5로 조절한 상태에서 회분식 산화반응을 실시하여 Fig. 10과 같은 결과를 얻었다. 망간코팅량이 제일 많은 10:0 몰비 조건에서 반응시간에 따른 As(III) 산화율이 가장 크게 나타났으며 망간코팅량이 감소함에 따라 산화력이 점차 낮아지는 결과를 보였다.
시간에 따른 각 IMCS의 As(III) 산화효율과 As(V) 흡착 효율의 변화를 비교하기위해 As(III), As(V) 표준시약과 초순수(mili-Q water)를 사용하여 제조한 1 ppm 농도의 인공비소오염수를 대상으로 50 mL Polypropylene conical tube(Falcon Co.)에 초기 pH 4.5와 이온세기 (0.01 M NaNO₃)를 조절한 50 mL 비소오염수에 IMCS 0.1 g을 각각 주입하고 Hag rotator(FinePCR Co.)를 사용하여 30 rpm 회전혼합조건에서 24시간 동안 반응을 진행하였다.
실험에 사용된 금속코팅사의 제조는 먼저 시약급 FeCl₃∙ 6H₂O (Shinyo pure chemicals Co.)와 Mn(NO₃)₂∙ 6H₂O (Junsei chemical Co.)를 사용하여 Mn : Fe 비율(mole ratio)을 총합을 0.1 M로 하여 두 금속의 비율을 10:0, 7:3, 5:5, 3:7, 0:10으로 조절하여 초순수 (Milli-Q)를 사용하여 제조한 Mn-Fe 혼합용액을 6 N NaOH용액으로 pH 7로 조절한 후 80 g의 모래가 담겨진 진공 회전 증발기 (Eyela Co.)에 주입하고, 반응 온도 70℃조건에서 일정한 회전교반속도로 혼합하면서 혼합시료중의 수분이 증발되어 시료가 건조될 때까지(약 15분 소요)코팅반응을 진행하였다. 일차코팅반응이 완료된 건조시료를 다시 일정한 온도로 유지된 Dry Oven에 넣고 이차코팅반응을 진행한 후, 초순수를 사용하여 IMCS를 반복하여 세척하고 다시 105℃에서 2시간 건조한 후 보관용기에 보관하여 사용하였다.
이를 위하여 X선 회절장치(X-Ray Diffractometer, XRD, D8 Advace, BRUKER)를 이용하여 Cukα radiation(λ=1.5406 Å), 40 ㎸, 40 ㎃, Scan Range = 20~80 θ등의 분석조건에서 측정하였다.
)가 채워진 칼럼을 통과시켜 비소이온의 분리효율을 먼저 확인한 후 시료용액의 분리측정을 수행하였다. 이온교환수지 통과 전의 총 비소농도 및 통과 후의 As(III) 농도를 측정하여 그 차이로부터 As(V)의 농도를 구하였으며 이를 이용하여 As(III)의 산화능을 계산하였다. 모든 비소농도는 유도결합플라즈마광학분광분석기(Perkin-Elmer, Optima 2000 DV)를 이용하여 측정하였다.
이온세기 변화에 따른 As(V) 흡착 경향을 알아보기 위해 NaNO₃를 사용하여 이온세기를 10^-3 M에서 0.5 M까지 변화시키고 초기 pH 4.5에 각 제조 몰비별 IMCS를 24시간동안 반응시켰을 때 Fig. 4와 같은 흡착경향을 보였다. As(V)의 흡착이 이온세기에 영향을 받지 않는 것으로 보아 As(V)가 철 표면과 화학결합 시 내부배위권착물(inner-sphere complex) 형태로 진행되는 됨을 제시한다.
이온세기에 따른 각 IMCS의 As(III) 산화경향과 As(V) 흡착경향을 알아보기 위해 IMCS 0.1 g에 NaNO₃를 사용하여 이온세기를 10^-3 M에서 0.5 M까지 변화시킨 1 ppm 농도의 인공 비소 오염수 50 mL를 각각 주입한 Hag rotator (FinePCR Co.)를 사용하여 30 rpm 회전혼합조건에서 24시간 동안 흡착반응을 진행하였다.
코팅에 사용된 용액의 Mn과 Fe 몰비에 따른 비소산화 및 제거 효율의 원인을 규명하기 위하여 몰비별로 제조한 IMCS의 표면특성과 결합구조 등을 분석하였다.
IMCS의 담체표면에 코팅물질의 표면특성을 측정하고자 SEM(Scaning Electron Micrograph, model JSM7000F, JEOL)을 이용하여 표면을 관찰하였으며, 비표면적분석기(Surface Area & Porosimetry Analysis, ASAP 2010, Micromeritics(USA))를 이용하여 각각의 몰비에 따른 비표면적을 측정하였다. 흡착가스로는 N₂ 가스를 이용하였으며 각 측정대상 표면에 흡착시킨 후 흡착된 질소가스의 양을 측정하여 BET 식으로 계산하였다.

대상 데이터

1 g을 각각 주입하고 Hag rotator를 사용하여 30 rpm 회전혼합조건에서 24시간 동안 산화반응을 진행하였다. 실험에 사용된 이온세기 화학종으로는 NaCl(Junsei chemical Co., LTD), NaClO₄∙ H₂O(Junsei chemical Co., LTD), NaNO₃(Junsei chemical Co., LTD), Na₂SO₄∙ 10H₂O(Junsei chemical Co., LTD), Na₂CO₃(SHINYO PURE CHEMICALS Co., LTD), Na₃PO₄∙ 12H₂O(Junsei chemical Co., LTD)를 사용하였다.
일차코팅반응이 완료된 건조시료를 다시 일정한 온도로 유지된 Dry Oven에 넣고 이차코팅반응을 진행한 후, 초순수를 사용하여 IMCS를 반복하여 세척하고 다시 105℃에서 2시간 건조한 후 보관용기에 보관하여 사용하였다. 코팅담체로는 입경이 0.5~1.0 mm 범위의 주문진 규사를 세척하여 사용하였다.

이론/모형

그리고 각각의 IMCS의 철과 망간산화물이 코팅된 농도 측정을 위해 미국 EPA Method 3050B를 사용하였다.

성능/효과

(a)), goethite(α-FeOOH, JCPDS 81-0464)와 Magnetite(Fe3O4, JCPDS 76-0958)의 혼합 상 형태로 철산화물이 존재하는 것으로 나타났다.
1) 망간과 철을 혼합하여 동시 코팅시킨 IMCS들의 경우 단일 금속으로 코팅시키는 경우와 비교시 금속산화물의 코팅효율이 상대적으로 낮게 나타났다.
1과 같이 얻어졌다. 10,000배 확대한 SEM 사진에서, 코팅되지 않은 자연모래 표면과 비교 시 코팅에 사용한 망간과 철의 몰비에 따라 코팅된 망간과 철산화물의 코팅량은 다르지만 망간과 철이 모래 표면에 코팅이 이루어졌음을 확인할 수 있었다.
이는 Moore가 As(III) 산화에 대한 용액의 pH가 미치는 연구 결과에서와 마찬가지로 pH가 감소할수록 산화반응속도는 증가하였다.¹¹⁾ 담체 내에 코팅된 망간의 함량이 가장 많은 10:0 몰비에서 가장 높은 산화율을 보였으며 7:3 몰비가 혼합 코팅한 담체 중에서는 가장 큰 산화력을 나타내었다. 모든 pH 범위에서 As(III)의 산화력은 망간산화물의 코팅량이 많을수록 증가하였다.
2) Fe만을 사용하여 제조한 ICS에 코팅된 철산화물은 goethite(α-FeOOH)와 magnetit(Fe3O4)의 혼합물, Mn만을 사용하여 제조한 MCS에 코팅된 망간 산화물은 γ-MnO2의 구조를 가지고 있는 것으로 나타났다.
3) IMCS의 망간과 철의 용출은 시간이 흐름에 따라 완만하게 증가하였지만, 거의 모든 몰비 조건의 IMCS에서 24시간의 접촉시간까지 수질기준 미만으로 용해성 망간과 철이 검출되어 이들 매질들을 수 처리용 담체로서 사용가능한 것으로 판단된다.
4) IMCS의 경우 ICS보다는 As(V)에 대한 흡착능이 떨어지고 MCS 보다는 As(III)에 대한 산화능이 현저히 저하되었는데, 동시 코팅방법 적용시 pH나 철 및 망간 용액의 주입순서를 바꾸는 등 실험방법의 다양성을 통하여 개선시켜야 할 부분으로 나타났다.
5) 망간과 철이 혼합 코팅된 IMCS에 의한 As(V) 흡착능은 망간의 코팅량 보다는 철 코팅량에 의해 크게 영향을 받으며, 이온세기 화학종의 종류가 NaCl, NaClO₄, Na₂SO₄, Na₂CO₃와 같은 monovalent 및 divalent 화학종이 존재하는 경우에는 큰 영향이 없었지만 trivalent 화학종인 Na₃PO₄가 존재하는 경우에는 크게 억제되었다.
6) 망간만 코팅시켜 얻은 매질의 경우, NaCl 및 NaNO₃와 같은 monovalent 이온세기 화학종이 존재하는 경우는 trivalent 이온세기 화학종이 존재하는 경우에서 보다 2배 이상의 산화효율을 나타내었다. 망간과 철이 함께 코팅된 7:3, 5:5, 3:7 몰비의 경우에는 trivalent 이온세기 화학종이 존재하는 경우가 다른 이온세기 화학종이 존재하는 경우에서 보다 오히려 As(III) 산화력이 높게 나타났는데 이것은 trivalent 이온세기 화학종인 PO₄^3-가 As(V)와 경쟁흡착을 함에 따른 결과로 여겨진다.
3과 같이 나타났다. IMCS에 대한 As(V)의 흡착은 제조한 몰비와 관계없이 pH가 증가할수록 흡착능이 감소하는 전형적인 음이온형 흡착 경향을 나타내었다. 이러한 경향은 철 및 망간 산화물 표면의 경우 pH에 따라 protonation 및 deprotonation에 의해 양하전 및 음하전을 띄는 양쪽성을 갖기 때문이다.
담체에 코팅된 Mn과 Fe의 양은 Table 1에 나타내었다. 각 담체에 코팅된 망간의 함유량은 망간의 주입 몰비가 증가함에 따라 크게 증가되는 결과를 나타내었다. 이에 비하여 철의 주입 몰비 증가에 따른 철의 코팅량 증가폭은 상대적으로 더 적은 것으로 나타났다.
3 ppm)를 초과하였지만 나머지 몰비에서는 24시간 동안 기준치를 만족하는 것으로 나타났다. 결과적으로 매우 강산성 조건인 pH 2에서 실시한 안정성 시험결과, IMCS의 망간과 철의 용출은 시간이 흐름에 따라 완만하게 증가하였지만, 거의 모든 몰비 조건의 IMCS에서 24시간의 접촉시간까지 수질기준미만으로 용해성 망간과 철이 검출되어 이들 매질들을 수처리용 담체로서 사용가능한 것으로 판단된다.
이에 비하여 철의 주입 몰비 증가에 따른 철의 코팅량 증가폭은 상대적으로 더 적은 것으로 나타났다. 그리고 망간과 철을 혼합하여 동시 코팅시킨 IMCS들의 경우 철 혹은 망간의 단일 금속으로 코팅시켜 얻은 ICS 및 MCS와 비교시 금속산화물의 코팅효율이 비교적 낮은 것으로 나타났다. 모래 담체 표면에 대한 망간과 철의 코팅은 주입된 망간(Mn²⁺)과 철(Fe³⁺)의 농축 및 고온 조건하에서 용존산소와의 산화반응에 의하여 산화물 형태로 모래 표면에 코팅된다.
망간코팅량이 제일 많은 10:0 몰비 조건에서 반응시간에 따른 As(III) 산화율이 가장 크게 나타났으며 망간코팅량이 감소함에 따라 산화력이 점차 낮아지는 결과를 보였다. 그리고 철이 동시에 코팅된 경우에는, 즉 10:0 몰비를 제외한, 세 가지 IMCS에서 12시간 이후에는 As(III)의 산화율이 낮아지는데 이는 망간산화물에 의해 산화된 As가 철산화물에 의해 효과적으로 흡착제거 됨으로서 잔존하는 총 As(V) 분율이 감소하여 나타난 결과로 판단된다. Fig.
1 g을 NaNO₃를 사용하여 이온세기를 10^-2 M로 맞춘 용액 50 mL에 넣고 용액의 pH를 2로 조정한 후 일정 시간 변화에 따라 코팅된 망간과 철의 용출농도를 측정하였는데 Table 3과 4와 같이 얻어졌다. 망간과 철의 용출량은 시간이 지날수록 완만하게 증가하는 것으로 나타났다. 제조시 망간의 몰비가 큰 IMCS일 수록 망간용출량도 증가하여 나타났다.
10과 같은 결과를 얻었다. 망간코팅량이 제일 많은 10:0 몰비 조건에서 반응시간에 따른 As(III) 산화율이 가장 크게 나타났으며 망간코팅량이 감소함에 따라 산화력이 점차 낮아지는 결과를 보였다. 그리고 철이 동시에 코팅된 경우에는, 즉 10:0 몰비를 제외한, 세 가지 IMCS에서 12시간 이후에는 As(III)의 산화율이 낮아지는데 이는 망간산화물에 의해 산화된 As가 철산화물에 의해 효과적으로 흡착제거 됨으로서 잔존하는 총 As(V) 분율이 감소하여 나타난 결과로 판단된다.
¹¹⁾ 담체 내에 코팅된 망간의 함량이 가장 많은 10:0 몰비에서 가장 높은 산화율을 보였으며 7:3 몰비가 혼합 코팅한 담체 중에서는 가장 큰 산화력을 나타내었다. 모든 pH 범위에서 As(III)의 산화력은 망간산화물의 코팅량이 많을수록 증가하였다.
몰비를 달리하여 제조한 각 IMCS의 비표면적을 분석한 결과(Table 2), 모든 IMCS들은 코팅하지 않은 주문진사보다 3~7배 정도의 큰 비표면적을 나타내었다. 망간 혹은 철 단일용액을 주입하여 코팅한 담체들과(10:0, 0:10) 망간과 철 혼합용액을 주입하여 코팅시킨 담체(5:5) 표면의 광물종 분석을 XRD를 이용하여 실시하였다.
8과 9에서는 이온세기 화학종 종류에 따른 각 IMCS의 As(III) 산화특성을 나타내었다. 실험 결과 망간만 코팅시켜 얻은 매질(MCS)의 경우, monovalent 이온 세기 화학종(NaCl, NaNO₃)이 존재하는 경우는 trivalent 이온세기 화학종이 존재하는 경우에서 보다 2배 이상의 산화효율을 나타내었다. 이는 As(III)가 산화되는 첫 번째 단계인 망간산화물표면으로의 흡착 단계에서 전자가가 높은 trivalent 화학종과 경쟁흡착을 하게 되어 결과적으로 As(III)의 산화능이 억제되는 것으로 판단된다.
망간과 철의 용출량은 시간이 지날수록 완만하게 증가하는 것으로 나타났다. 제조시 망간의 몰비가 큰 IMCS일 수록 망간용출량도 증가하여 나타났다. 하지만 망간의 수질기준치(심미적)인 0.
철과 망간이 동시에 코팅된 담체들만 비교해보면 망간함량이 높을수록 총 비소의 제거량이 증가하는 것으로 나타나고 있다. 즉 망간과 철을 동시에 코팅시켜 얻은 세 가지 몰비의 IMCS에서 철 함량의 차이가 망간 함량의 차이보다 상대적으로 적게 차이가 나는 결과로 볼 때, 고함량의 망간산화물에 의한 As(III)의 효율적인 산화로 인한 As(V)의 생성과 이로 인한 후속적인 As(V)의 IMCS 표면으로의 효과적인 흡착반응으로 인해 총 비소 제거량의 차이가 나타난 것으로 판단된다.
모래 담체 표면에 대한 망간과 철의 코팅은 주입된 망간(Mn²⁺)과 철(Fe³⁺)의 농축 및 고온 조건하에서 용존산소와의 산화반응에 의하여 산화물 형태로 모래 표면에 코팅된다. 철과 망간을 동시에 주입시켜 제조한 3가지 IMCS(7:3, 5:5, 3:7)들 모두에서 철 코팅량이 망간 코팅량보다 많았으며 주입한 철의 몰비가 늘어날수록 그 차이는 더 크게 나타났다. 이러한 경향은 혼합 코팅시, 일반적으로 알려진 것처럼 망간의 산화반응속도가 철보다 느린 것에 기인하여 망간산화물이 철산화물보다 적게 형성되고 이로서 철산화물에 비하여 코팅량이 적게 되는 것으로 판단된다.
이는 As(III)가 산화되는 첫 번째 단계인 망간산화물표면으로의 흡착 단계에서 전자가가 높은 trivalent 화학종과 경쟁흡착을 하게 되어 결과적으로 As(III)의 산화능이 억제되는 것으로 판단된다. 한편 망간과 철이 함께 코팅된 IMCS(7:3, 5:5, 3:7 몰비)의 경우에는 MCS에 의한 As(III) 산화 결과와는 달리 Fig. 8에서 나타난 것처럼 trivalent 이온세기 화학종이 존재하는 경우는 다른 이온세기 화학종이 존재하는 경우에서 보다 As(III) 산화효율이 오히려 높게 나타나는 것으로 나타났다. 이러한 것은 코팅된 철에 의한 총비소의 흡착량을 고려하지 않은 결과로 여겨진다.
의 구조를 가지고 있는 것으로 나타났다. 한편 철과 망간을 동시에 코팅시킨 경우에는 단독으로 주입하였을 때 분석되었던 3가지 광물질이 혼합된 형태로 존재하고 있는 것으로 나타났다.

후속연구

7) 담체인 모래에 산화철 및 산화망간이 동시에 코팅된 IMCS는 ICS와 MCS를 분리하여 제조하는 것과 비교시 제조공정이 단순해지고 여과시스템으로 활용하는 것이 보다 편리함으로 본 연구의 결과에서 보다 As(III) 산화 및 As(V) 흡착의 다기능성이 보다 향상될 수 있는 IMCS 제조방법을 도출할 수 있는 연구가 지속적으로 필요하다고 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	망간코팅모래(MCS)와 철코팅모래(ICS)를 이용한 As(III) 산화와 As(V) 흡착처리의 기능을 담체인 모래에 철과 망간을 동시에 코팅시켜 얻은 IMCS를 이용하여 동시에 수행할 수 있도록 하는 연구의 결과로 얻은 결론은 무엇인가?	1) 망간과 철을 혼합하여 동시 코팅시킨 IMCS들의 경우 단일 금속으로 코팅시키는 경우와 비교시 금속산화물의 코팅효율이 상대적으로 낮게 나타났다. 2) Fe만을 사용하여 제조한 ICS에 코팅된 철산화물은 goethite(α-FeOOH)와 magnetit(Fe3O4)의 혼합물, Mn만을 사용하여 제조한 MCS에 코팅된 망간 산화물은 γ-MnO2의 구조를 가지고 있는 것으로 나타났다. 한편 철과 망간을 동시에 코팅시킨 경우에는 단독으로 주입하였을 때 분석되었던 3가지 광물질이 혼합된 형태로 존재하고 있는 것으로 나타났다. 3) IMCS의 망간과 철의 용출은 시간이 흐름에 따라 완만하게 증가하였지만, 거의 모든 몰비 조건의 IMCS에서 24시간의 접촉시간까지 수질기준 미만으로 용해성 망간과 철이 검출되어 이들 매질들을 수 처리용 담체로서 사용가능한 것으로 판단된다. 4) IMCS의 경우 ICS보다는 As(V)에 대한 흡착능이 떨어지고 MCS 보다는 As(III)에 대한 산화능이 현저히 저하되었는데, 동시 코팅방법 적용시 pH나 철 및 망간 용액의 주입순서를 바꾸는 등 실험방법의 다양성을 통하여 개선시켜야 할 부분으로 나타났다. 5) 망간과 철이 혼합 코팅된 IMCS에 의한 As(V) 흡착능은 망간의 코팅량 보다는 철 코팅량에 의해 크게 영향을 받으며, 이온세기 화학종의 종류가 NaCl, NaClO4, Na2SO4, Na2CO3와 같은 monovalent 및 divalent 화학종이 존재하는 경우에는 큰 영향이 없었지만 trivalent 화학종인 Na3PO4가 존재하는 경우에는 크게 억제되었다. 6) 망간만 코팅시켜 얻은 매질의 경우, NaCl 및 NaNO3와 같은 monovalent 이온세기 화학종이 존재하는 경우는 trivalent 이온세기 화학종이 존재하는 경우에서 보다 2배 이상의 산화효율을 나타내었다. 망간과 철이 함께 코팅된 7:3, 5:5, 3:7 몰비의 경우에는 trivalent 이온세기 화학종이 존재하는 경우가 다른 이온세기 화학종이 존재하는 경우에서 보다 오히려 As(III) 산화력이 높게 나타났는데 이것은 trivalent 이온세기 화학종인 PO43-가 As(V)와 경쟁흡착을 함에 따른 결과로 여겨진다. 7) 담체인 모래에 산화철 및 산화망간이 동시에 코팅된 IMCS는 ICS와 MCS를 분리하여 제조하는 것과 비교시 제조공정이 단순해지고 여과시스템으로 활용하는 것이 보다 편리함으로 본 연구의 결과에서 보다 As(III) 산화 및 As(V) 흡착의 다기능성이 보다 향상될 수 있는 IMCS 제조방법을 도출할 수 있는 연구가 지속적으로 필요하다고 생각된다.
	비소로 오염된 토양 및 지하수를 복원하기 위한 역삼투 여과, 멤브레인 여과, 전기투석 등의 기술은 어떤 단점이 있는가?	비소로 오염된 토양 및 지하수를 복원하기 위한 기술로는 공침 및 침전, 이온교환, 활성알루미나에 의한 흡착, 역삼투 여과, 멤브레인 여과, 전기투석 등이 있다.5) 그러나 이러한 기술들은 막힘 현상, 슬러지의 다량 발생 혹은 처리비용이 비싼 단점이 있으며 무엇보다도 이러한 방법들은 As(V) 제거에는 효과적이지만 As(III)를 처리하는 데는 한계를 지닌다는 것이 큰 단점이다. 비소는 환경 특성에 따라 다양한 형태의 산화상태(+5, +3, 0 그리고 -3)를 가지며 자연 환경 상에서 무기비소는 대개 arsenite(As(III)) 및 arsenate (As(V))로 존재하며 용존 As(III) 및 As(V)의 분포는 산화환원 포텐셜에 의존한다.
	비소로 오염된 토양 및 지하수를 복원하기 위한 기술로는 무엇이 있는가?	비소로 오염된 토양 및 지하수를 복원하기 위한 기술로는 공침 및 침전, 이온교환, 활성알루미나에 의한 흡착, 역삼투 여과, 멤브레인 여과, 전기투석 등이 있다.5) 그러나 이러한 기술들은 막힘 현상, 슬러지의 다량 발생 혹은 처리비용이 비싼 단점이 있으며 무엇보다도 이러한 방법들은 As(V) 제거에는 효과적이지만 As(III)를 처리하는 데는 한계를 지닌다는 것이 큰 단점이다.

참고문헌 (15)

Richardson, S. D., “Environmental Mass Spectrometry: Emerging Contaminants and Current Issues,”Anal Chem., 78, 4021-4046(2006)

상세보기
Tien, V. N., Chaudhary, D. S., Ngo, H. H. and Vignes-waran, S., 'Arsenic In Water: Concerns And Treatment Technologies,' J. Ind. Eng. Chem., 10, 337-348(2004)

상세보기
임재명, 조용진, 한동준“, 금속광산광재의물성및침출특성,”한국폐기물학회지, 12(5), 534-543(1995)
정명채, 정문영, 최연왕, “국내 휴/폐광 금속광산 주변의 중금속 환경오염 평가,”자원환경지질, 37(1), 21-33(2004)

원문보기 상세보기
Tournassat, C., Charlet, L., Bosbach, D. and Manceau, A., “Arsenic(III) Oxidation by Birnessite and Precipitation of Manganese(II) Arsenate,”Environ. Sci. Technol., 36, 493-500(2002)
Frank, P. and Clifford, D., “Arsenic(III) oxidation and removal from drinking water,”US-EPA, 600/S2-86/O21 (1986)
정재현, 양재규, 송기훈, 장윤영“, Mn $O_2$ -코팅 모래흡착제 제조 및 As(III) 산화처리적용," 대한환경공학회지, 28(1), 54-60(2006)

원문보기 상세보기
장윤영, 김광섭, 정재현, 이승목, 양재규, 박준규,“ 철코팅 모래흡착제 제조 및 비소흡착”, 대한환경공학회지, 27(7), 697-703 (2005)

원문보기 상세보기
Yang, J. K., Song, K. H., Kim, B. K., Hong, S. C., Choi, D. E. and Chang, Y. Y., “Arsenic removal by iron and manganese coated sand”, Water Sci. Technology., 56(7), 161-169(2007)

상세보기
송기훈, “철 및 망간코팅사의 제조 조건 및 비소 제거 특성에 관한 연구,”환경공학과 박사학위졸업논문 광운대학교, pp. 82-93(2008)
Moore, J. N., Ficklin, W. H. and Johns, C., “Partitioning of arsenic and metals in reducing sulfidic sediments,”Environ. Sci. Technol., 22, 432-437(1988)

상세보기
Bang, S. B. and Meng, X., “A Review of Arsenic Interactions with Anions and Iron Hydroxides,”Environ. Eng. Res., 9(4), 184-192(2004)

원문보기 상세보기
Goldberg, S. and Johnson, C. T., “Mechanism of arsenic adsorption on amorphous oxides evaluated using macroscopic measurement”, J. Colloid and Interface Science, 234, 204-216(2001)

상세보기
Amirbahman, A., Kent, D. B., Curtis, G. P. and Davis, J. A., “Kinetics of sorption and abiotic oxidation of arsenic(III) by aquifer materials,”Geochimica et Cosmochimica Acta, 70, 533-547(2006)

상세보기
Huang, J. G. and Liu, J. C., “Enhanced removal of As(V) from water with iron-coated spent catalyst,”Sep. Sci. Technol., 32, 1557-1569(1997)

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저자의 다른 논문 :

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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