[논문]전기분해와 공침법을 이용한 해수중의 납 제거

진홍성; 이재호

전기분해와 공침법을 이용한 해수중의 납 제거
Removal of Lead from Sea Water using Electrolysis and Coprecipitation Method 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.32 no.2, 2010년, pp.149 - 154

초록
AI-Helper

전기분해와 공침법을 이용한 해수 중의 납 제거 가능성에 대하여 실험하였다. 전기분해조는 음이온교환수지를 채운 격막으로 분리되었다. 전기분해가 진행됨에 따라 음극식의 pH는 상승하여 콜로이드 형태의 $Mg(OH)_2$와 $CaCO_3$이 생성되었다. 넓은 표면적을 가지는 콜로이드 입자는 납 이온을 흡착하여 침천되었다. 전류밀도를 변화시키면서 바닷물의 전기분해하였으며 바닷물에 남아있는 Mg, Ca, Pb의 양을 적정법과 ASV 방법을 이용하여 측정하였다. 전류밀도와 pH가 증가함에 따라 바닷물 중의 납은 대부분 효과적으로 제거되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The feasibility of lead removal by electrolytic coprecipitation was investigated. Electrolysis bath was divided into anode and cathode chamber with anion exchange resin filled membrane. Sea water was electrolyzed and pH of the electrolyte in cathode chamber was increased. Consequently it induced the formation of $Mg(OH)_2$ and $CaCO_3$. The colloidal type precipitates, hich have high surface area, adsorbed lead ions in sea water and coprecipitated. Sea water electrolyses were conducted at different current density. Concentrations of Mg, Ca and Pb in the solution were measured with titration and ASV method. Morphology and crystallography were analyzed with SEM, EDS and XRD. As pH and current density increased, most of lead ions in the sea water were successfully removed.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

^8,9) 마찬가지로 탄산칼슘과 마그네슘 수산화물이 납과 응결 후 공침하였다. 본 연구에서는 해수중의 납을 마그네슘과 칼슘과 함께 응결시켜 해수중에서 제거하는 연구를 실시하였다.
⁴⁾ 그러나 해수중의 납 농도는 수 ppb 단위로 매우 낮고 범위가 넓어 화학물질의 사용은 또 다른 환경문제를 일으킬 것 임이 자명하다. 본 연구에서는 화학물질을 사용하지 않고 해수를 전기분해 함으로써 해수중의 납을 제거하는 방법을 알아봄으로써 향후 다른 중금속의 처리 방법까지도 제안해 보고자 한다.

가설 설정

¹⁾ 특히 최근 해양오염이 심화되면서 플랑크톤이나 조류에 흡수된 납은 어류에 축적되고 다시 인간에 축적되어 암과 같은 치명적인 병들을 유발하고 있다.^2,3) 해양중의 납을 제거하는 방법으로 화학물질을 이용하면 비교적 쉽게 이러한 문제를 해결 할 수 있을 것이다.⁴⁾ 그러나 해수중의 납 농도는 수 ppb 단위로 매우 낮고 범위가 넓어 화학물질의 사용은 또 다른 환경문제를 일으킬 것 임이 자명하다.

제안 방법

적정에 앞서 EBT(Eriochrome Black T) 지시약이 첨가되어 초기에 빨간색이 나타나게 하였다. 또한 완충용액으로 NaOH와 NH4Cl를 이용 pH가 10 이상으로 유지되게 하여 EDTA가 Mg와 Ca와 반응하기 적당한 상황을 만들게 하였다. Pb의 농도는 ASV (anodic stripping voltammetry) 방법으로 측정하였다.
1로 맞추었다. 또한 해수 중 납의 거동을 정확히 파악하고자 인공해수에 1000 ppm 농도의 Pb 용액 10 mL를 첨가하여 1 L로 만들어서 Pb 10 ppm의 농도를 가지는 용액을 제조하여 사용하였다.
전해조는 음이온 교환막(anion exchange membrane)을 갖는 형태로 준비하였다. 음이온 교환막은 가는 PP(poly-propylene) 망을 아크릴판 사이에 붙이고 그 사이에 음이온 교환수지 (anion exchange resin)을 넣어 만들었다. 이를 5%의 NaOH 용액에 적시고 인공해수에 3시간가량 담가 초기화 하였다.
전극으로는 티타늄 격자망에 백금 도금을 한 백금 전극을 사용하였고 전원은 직류전원(Agilient E3612A), 해수의 순환은 연동펌프(Reglo-Analoque MS) 그리고 pH 미터(Ecomet P25)를 이용하여 상온에서 실험을 실행하였다. 전류는 100, 200, 그리고 400 mA 의 3가지 경우로 하였다. 백금전극의 겉보기 면적은 40 cm²로 하여 전류밀도가 2.
침전물의 형태 분석은 침전물을 완전 건조 시킨 후 FESEM(Hitachi S4300)을 이용하여 관찰하였으며 침전물 성분 분석은 SEM에 장착된 EDS를 이용하였다. 침전물의 결정분석은 XRD(RigaguD/Max3A)를 이용하였다.
이는 전류가 클수록 침전물이 많아져 침전속도가 빨라지기 때문으로 사료된다. 침전물의 성분은 EDS로 분석하였다. 주 분석 성분은 Mg와 Ca였으며 Table 2는 전류에 따른 두 생성물의 비를 보여준다.
반응이 진행 중일 때는 매우 탁한 빛을 띠었으며 시간이 지남에 따라 침전이 되기 시작하였다. 침전물의 입자가 매우 작아 마이크로 단위의 일반 거름종이로 분리할 수가 없으므로 원심분리기를 이용하여 분리 후 젤 형태의 침전물은 오븐에서 건조 시킨 후 EDS 분석을 하였다. Fig.
6 V에서 2분간 전해박리(electrostripping)하여 제거하였다. 침전물의 형태 분석은 침전물을 완전 건조 시킨 후 FESEM(Hitachi S4300)을 이용하여 관찰하였으며 침전물 성분 분석은 SEM에 장착된 EDS를 이용하였다. 침전물의 결정분석은 XRD(RigaguD/Max3A)를 이용하였다.

대상 데이터

이를 5%의 NaOH 용액에 적시고 인공해수에 3시간가량 담가 초기화 하였다. 전극으로는 티타늄 격자망에 백금 도금을 한 백금 전극을 사용하였고 전원은 직류전원(Agilient E3612A), 해수의 순환은 연동펌프(Reglo-Analoque MS) 그리고 pH 미터(Ecomet P25)를 이용하여 상온에서 실험을 실행하였다. 전류는 100, 200, 그리고 400 mA 의 3가지 경우로 하였다.

이론/모형

Mg와 Ca의 농도 변화는 EDTA를 사용한 적정법(titration)으로 측정하였다. 적정에 앞서 EBT(Eriochrome Black T) 지시약이 첨가되어 초기에 빨간색이 나타나게 하였다.
또한 완충용액으로 NaOH와 NH4Cl를 이용 pH가 10 이상으로 유지되게 하여 EDTA가 Mg와 Ca와 반응하기 적당한 상황을 만들게 하였다. Pb의 농도는 ASV (anodic stripping voltammetry) 방법으로 측정하였다.^11~13) 측정에 앞서 50 μm의 Hg(II)과 0.
실험의 정확도를 높이기 위하여 ASTM (American Society for Testing and Materials) 표준에 따르는 순수 인공 해수를 준비하였다.¹⁰⁾ Table 2는 해수의 화학성분을 나타내며 미량원소들은 제외하였다.
전해액의 분석은 Ca 와 Mg 의 경우는 적정법(titration)으로 Pb의 경우는 ASV 방법으로 분석되었다. Fig.

성능/효과

1) 음이온 교환막을 이용한 해수의 전기분해시 양극실에서는 H⁺의 증가로 pH 값이 계속 하강하였으며 음극실에서는 OH^-의 증가로 pH값이 상승하였다. 음극실의 pH 변화율은 양극실 보다 작게 나타났는데 이는 Mg이 OH^-를 만나 Mg(OH)₂를 만들기 때문이었다.
이렇게 산업적으로 널리 쓰이는 납은 매시간 공기나 물 토양 어느 곳에서나 생태계에 들어와 전 지구적으로 심각한 오염을 일으키고 있으며 유럽에서는 납을 포함한 중금속을 많이 함유한 물질에 대한 규제(RoHS, Restriction of Hazardous Substance)를 적극적으로 실시하고 있다.¹⁾ 특히 최근 해양오염이 심화되면서 플랑크톤이나 조류에 흡수된 납은 어류에 축적되고 다시 인간에 축적되어 암과 같은 치명적인 병들을 유발하고 있다.^2,3) 해양중의 납을 제거하는 방법으로 화학물질을 이용하면 비교적 쉽게 이러한 문제를 해결 할 수 있을 것이다.
3) 침전물은 주로 Mg(OH)₂와 CaCO₃ 그리고 약간의 MgCO₃ 성분이었으며 pH 9.5에서 Mg(OH)₂가 생성되고 뒤이어 높은 pH에서 CaCO₃가 생성되었다. 침전물의 크기는 전류값이 클수록 크게 나타났으며 모양은 날카로운 모양에서 무딘 모양으로 변화하였다.
이는 양극에서 발생된 염소가스가 용액 중에 녹아 아래와 같은 반응을 통하여 HClO를 만들기 때문이며 자극성 냄새를 동반하였다.⁵⁾ 음극실의 액체는 하얀 빛을 띠다가 점차 뿌연 빛을 띠었다.
음이온 교환수지에 의해 양이온의 교환이 불가능해진 음극실과 양극실 모두에서 pH의 변화를 보였으나 pH변화 속도는 달라 양극실에서의 변화가 음극실에서 변화보다 훨씬 빨랐다. 이러한 현상은 두 전극실에서의 이온 소모차이에 있다.
Pb의 양이 용액 중에 적었으나 표면적이 넓은 Mg(OH)₂ 와 CaCO₃와 함께 공침하여 용액 중에 농도가 급격하게 줄어 듦을 알 수 있다. 전류 값이 클수록 전해액 중의 Pb의 감소율이 빨랐으며 전해 후 10분정도 후에는 약 50%, 60분 후에는 90% 이상의 감소율을 보여주었다.
양극실에서는 수소이온이 발생하며 이 수소이온을 소모하는 반응은 발생하지 않으므로 pH의 급격한 저하를 보여줌에 반해 음극실에서 발생되는 수산화이온은 용액중의 Mg 이온과 반응하여 Mg(OH)₂를 만드는 과정에서 계속 소모된다. 초기 pH의 변화가 급격히 일어나는 구간은 아직 수산화물 생성에 필요한 pH에 도달하지 않은 상태이며 이후 수산화물 생성 pH에 도달하면 pH가 평탄한 구간을 보이며 이후 Mg가 점차고갈됨에 따라 pH가 증가함을 알 수 있다. 이러한 현상은 100, 200, 400 mA 모든 경우에서 나타났으며 같은 시간대에서는 전류가 높을수록 pH의 변화가 빨리 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	납의 사용 범위는 어떠한가?	소리 없이 다가오는 중금속오염의 무서움은 고농도로 가시화된 것들보다 저농도로 전 지구상에 퍼져 생태계 순환에 누적됨으로써 그 처리가 거의 불가능한데 있다. 납(Pb)을 예로 들면 납은 산업화에 없어서는 안 되는 물질 중 하나로 공장에서 가정까지 생활의 모든 곳에서 쓰이고 있다. 이렇게 산업적으로 널리 쓰이는 납은 매시간 공기나 물 토양 어느 곳에서나 생태계에 들어와 전 지구적으로 심각한 오염을 일으키고 있으며 유럽에서는 납을 포함한 중금속을 많이 함유한 물질에 대한 규제(RoHS, Restriction of Hazardous Substance)를 적극적으로 실시하고 있다.
	중금속 오염 문제는 무엇을 위협하는가?	중금속 오염 문제는 생태계를 위협하며 우리 곁에 바짝 다가와 있다. 소리 없이 다가오는 중금속오염의 무서움은 고농도로 가시화된 것들보다 저농도로 전 지구상에 퍼져 생태계 순환에 누적됨으로써 그 처리가 거의 불가능한데 있다.
	전기분해조에서 전기분해를 진행하였을 때 무엇이 생성되었는가?	전기분해조는 음이온교환수지를 채운 격막으로 분리되었다. 전기분해가 진행됨에 따라 음극식의 pH는 상승하여 콜로이드 형태의 $Mg(OH)_2$와 $CaCO_3$이 생성되었다. 넓은 표면적을 가지는 콜로이드 입자는 납 이온을 흡착하여 침천되었다.

참고문헌 (13)

Yu, J., Welford, R. and Hills, P., "Industry respnses to EU WEEE and ROHS directives: perspectives from China,"Corp. Soc. Respnsib. Environ. Mgmt, 13, 286-299(2006).

상세보기
Muse, J. O., Carducci, C. N., Stripeikis, J. D., Tudino, M. B. and Fernandez, F. M., "A link between lead and cadmium kinetic sepciation in seawater and accumulation by the green alga Ulva lactuca,"Environ. Pollut., 141, 126-130(2006).

상세보기
Agusa, T., Kunito, T, Sudaryanto, A., Monirith, I., Kan- Atireklap, S., Iwata. H., Ismail, A., Sanguansin, J., Muchtar, M., Tana, T. and Tanabe, S., "Exposure assessment for trace elements from consumption of marine fish in Southeast Asia," Environ. Pollut., 145, 766-777(2007).

상세보기
Nunez-Lopez, R., Meas, Y., Gama, S., Borges, R. and Olguin, E., "Leaching of lead by ammonium salts and EDTA from Salvinia minima biomass produced during aquatic phytoremediation,"J. Hazard. Mater., 154, 62-632(2008).
Pletcher, D. and Walsh, F., Industrial Electrochemistry, 2nd ed., Blackie academic & professional, London, pp. 256-269(1990).
Pourbaix, M., Atlas of electrochemical equilibria in aqueous solution, Pergamon press, pp. 139-154(1966).
Dean, J., Lange s Handbook of Chemistry 13th ed., McGraw Hill, 5-8 (1985).
Jiang, J. Q., Graham, N., Andre, C., Kelsall, G. H., and Brandon, N., "Laboratory study of electro-coagulation-flotation for water treatment,"Water Res., 36, 4064-4078(2002).

상세보기
Mollah, M., Morkovsky, P., Gomes, J., Kesmez, M., Parga, J. and Cocke, D., "Fundamentals, present and future perspectives of electrocoagulation,"J. Hazard. Mater., B114, 199-210 (2004).
ASTM D1141-90, Annual book of ASTM Standards, 11. 02, ASTM(1993).
Winefordner, J. D., Modern Techniques in Electroanalysis, John Wiley & Sons, 153-158(1996).
Fischer, E. and van den Berg, C.," Anodic stripping voltammetry of lead and cadmium using a mercury film electrode and thiocyanate,"Anal. Chim. Acta, 385, 273-280(1999).

상세보기
Nascimento, P., Bohere, D., Carbalho, L., Caon, C., Pilau, E., Vendrame, Z. and Stefanello, R., "Determination of cadmium, lead and thallium in highly saline hemodialysis solutions by potentiometric stripping analysis(PSA),"Talanta, 65, 954-959 (2005).

상세보기

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증