[논문]철과 망간이 동시에 코팅된 반응성 매질을 이용한 용존 Fe(II) 제거

민상윤; 장윤영; 양재규

doi:10.4491/ksee.2011.33.2.085

철과 망간이 동시에 코팅된 반응성 매질을 이용한 용존 Fe(II) 제거
Removal of Soluble Fe(II) using Reactive Media Coated with both Fe and Mn 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.33 no.2, 2011년, pp.85 - 92

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

초록
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본 연구에서는 산화망간과 산화철이 단독 및 복합 코팅된 반응성매질인 망간코팅사(MCS), 철코팅사(ICS) 그리고 철-망간코팅사(IMCS)를 이용하여 용존 Fe(II)의 산화 및 제거능을 평가하였다. 반응성매질에 $KMnO_4$와 NaOCl를 추가적인 산화제로 이용하였을 때의 Fe(II) 제거능을 반응용액의 pH, 반응시간, Fe(II) 농도변화에 따라 조사하였다. 반응성매질 및 추가적인 산화제 없이 Fe(II) 용액만을 사용한 경우, pH 5 이하에서는 Fe(II)의 느린 산화에 의해 제거율이 낮았으나 이후에는 빠른 산화 및 침전반응에 의해 제거율이 증가하였다. ICS만을 사용하였을 때 ICS 표면에 의한 Fe(II)의 제거는 극히 제한적인 것으로 나타났다. 망간 산화물이 코팅된 IMCS와 MCS를 사용한 경우 낮은 pH에서도 Fe(II)가 산화망간에 의해 산화되었으며 용액으로부터 효과적으로 제거되는 것으로 나타났다. Fe(II)는 IMCS만 단독으로 사용했을 때와 NaOCl을 산화제로 사용했을 때 제거율에서 큰 차이가 나지 않았다. IMCS와 산화제를 이용하여 Fe(II)을 제거할 경우, 용액의 pH가 증가함에 따라 이들의 산화능이 증가하였고 이로써 전체 제거율의 증가를 가져왔다. Fe(II)의 제거에 관한 반응속도 실험결과 유사-1차 반응 보다는 유사-2차 반응식으로 더 잘 표현되었으며 $KMnO_4$를 추가적인 산화제로 이용한 경우 Fe(II)는 14,286 mg/kg hr의 높은 초기 제거율(h)을 보였다. $KMnO_4$ 주입 시 반응시간 10분 안에 제거평형에 도달하였고 NaOCl의 경우는 6시간 후에 거의 제거평형에 도달하는 것으로 나타났다. IMCS에 의한 Fe(II)의 최대 제거량 값을 구하기 위해 pH 4에서 Langmuir 등온식에 적용한 결과 1,088 mg/kg의 제거량을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Evaluation of the removal efficiencies of Fe(II) by reactive sand media coated with manganese (MCS), iron (ICS) and both of iron and manganese (IMCS) was investigated as functions of solution pH ranging from 2 to 9, reaction time and concentration of Fe(II) in a batch reactor using each reactive medium and additional oxidants such as $KMnO_4$ and NaOCl. When only Fe(II) was present in solution without any reactive medium, removal of Fe(II) was quite low below pH 5 due to a slow oxidation of Fe(II) and/or negligible precipitation but greatly increased above pH 5 due to a rapid oxidation of Fe(II) and subsequent precipitation of oxidized Fe species. ICS showed negligible efficiency on the removal of Fe(II) through adsorption. However, an efficient removal of Fe(II) was observed at low solution pH in the presence of IMCS or MCS through rapid oxidation and subsequent precipitation. Removal efficiency of Fe(II) by IMCS in the presence or absence of NaOCl was quite similar. Removal rate of Fe(II) by IMCS and additional oxidants gradually increased as the solution pH increased. From the kinetic experiments, removal pattern of Fe(II) was better described by pseudo-second-order equation than pseudo-first-order equation. A rapid removal of Fe(II) using IMCS in the presence of $KMnO_4$ was observed in the first 10 min. The initial removal rate of Fe(II) using $KMnO_4$ was 14,286 mg/kg hr. In case of using NaOCl, the removal of Fe(II) occurred rapidly in the first 6 hrs and then reached the near-equilibrium state. Removal of Fe(II) on IMCS was well expressed by Langmuir isotherm and the maximum removal capacity of Fe(II) was calculated as 1,088 mg/kg.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

기존 모래를 이용한 여과공정에 의해서 처리효율이 높지 않는 산화에 민감한 용존 Fe(II)의 효율적인 제거를 위해 본 연구에서는 산화철 및 산화망간이 코팅된 반응성매질 제조와 이를 이용한 용존 Fe(II)의 제거특성을 연구하는데 목적을 두었다. 담체인 모래에 산화철 및 산화망간을 단독 및 병합 코팅시킨 세 가지 반응성 매질인 ICS (Iron Coated Sand), MCS (Manganese Coated Sand) 및 IMCS (Iron and Manganese Coated Sand)을 제조하였으며 이들에 의한 용존 Fe(II)의 흡착 및 산화에 의한 제거특성을 회분식 반응조에서 조사하였다.

가설 설정

3. Removal of Fe(II) onto (a) IMCS and (b) Joomoonjin sand in the presence of oxidant as a function of pH.
^9~12) 철만 존재할 때는 단순 폭기, 철과 망간이 공존할 때는 KMnO₄를 많이 이용하여 왔다.¹³⁾ 수중에 유기물이 존재하면 철의 효과적인 산화가 방해받을 수 있으며, 산화를 위한 금속이온과의 경쟁반응 때문에 산화속도가 상당히 감소한다. 금속이온은 산화제의 효용성을 상당히 제한할 수 있는 유기물과 결합될 수 있다.
금속이온은 산화제의 효용성을 상당히 제한할 수 있는 유기물과 결합될 수 있다.¹⁴⁾ 철은 단순 폭기에 의해 산화 제거할 수 있지만, 휴믹물질과 결합된 상태의 경우는 매우 강한 산화력을 가진 산화제가 아니면 처리하기가 어렵다.¹⁵⁾ 지하수에 존재하는 용존 철을 처리하기 위해서 지하수를 양수한 후 폭기를 통해 침전시킨 후 필터과정을 거치거나 모래를 이용하여 흡착/여과하는 방식이 사용되고 있으나 처리효율이 높지 않다.

제안 방법

시간 변화에 따른 반응매질의 Fe(II)와 Fe(III) 제거효율을 알아보기 위하여 pH를 4와 6으로 고정하고, 10, 20, 30, 60, 120, 360, 720, 1,440 min 시간 동안 반응을 진행하였다. Fe(II)의 농도 변화에 대한 반응매질의 제거효율을 알아보기 위하여 Fe(II) 인공 오염수의 농도를 1~10 mg/L로 하여 24시간 동안 반응을 진행하였다. pH, 시간, 농도별 실험에 산화제로서 KMnO₄와 NaOCl를 각각 주입하여 Fe(II)의 제거 경향을 조사하였다.
ICS, MCS 및 IMCS 표면의 물리ㆍ화학적 특성을 조사하기 위해 산ㆍ염기 적정 실험을 통해 pH 영전하점(pH at Point of Zero Charge, pHpzc)을 구하였고, 비표면적분석기 (Surface Area & Porosimetry Analysis, ASAP 2010, Micromeritics (U.S.A.))를 이용하여 비표면적 분석을 수행하였다.
IMCS의 X-ray 회절분광 분석은 60 kV와 80 mA에서 CuKα radiation(λ =1.5406 Å)를 이용하여 수행하였다.
회분식 반응조에서 각 반응성매질에 의한 Fe(II) 제거 특성을 pH, 반응시간 그리고 Mn(II) 주입 농도변화에 따른 제거실험을 수행하였다. pH 변화에 따른 반응매질의 Fe(II) 제거실험을 위해 FeSO₄ㆍ7H₂O를 사용하여 2 mg/L의 인공 Fe(II) 오염수를 제조하였다. 여러 개의 polypropylene conical tube (Falcon Co.
Fe(II)의 농도 변화에 대한 반응매질의 제거효율을 알아보기 위하여 Fe(II) 인공 오염수의 농도를 1~10 mg/L로 하여 24시간 동안 반응을 진행하였다. pH, 시간, 농도별 실험에 산화제로서 KMnO₄와 NaOCl를 각각 주입하여 Fe(II)의 제거 경향을 조사하였다. 각각의 산화제는 2 mg/L Fe(II) 제거를 위한 이론적 소요량 KMnO₄ 1.
pH, 시간, 농도별 실험에 산화제로서 KMnO₄와 NaOCl를 각각 주입하여 Fe(II)의 제거 경향을 조사하였다. 각각의 산화제는 2 mg/L Fe(II) 제거를 위한 이론적 소요량 KMnO₄ 1.88 mg/L와 NaOCl 1.34 mg/L를 주입하여 진행하였다.
담체인 모래에 산화철 및 산화망간을 단독 및 병합 코팅시킨 세 가지 반응성 매질인 ICS (Iron Coated Sand), MCS (Manganese Coated Sand) 및 IMCS (Iron and Manganese Coated Sand)을 제조하였으며 이들에 의한 용존 Fe(II)의 흡착 및 산화에 의한 제거특성을 회분식 반응조에서 조사하였다. 그리고 산화제의 잔류 농도 유지 및 코팅된 산화망간의 재생을 위해 KMnO₄ 및 NaOCl를 사용하였을 때의 Fe(II) 제거 특성도 조사하였다.
기존 모래를 이용한 여과공정에 의해서 처리효율이 높지 않는 산화에 민감한 용존 Fe(II)의 효율적인 제거를 위해 본 연구에서는 산화철 및 산화망간이 코팅된 반응성매질 제조와 이를 이용한 용존 Fe(II)의 제거특성을 연구하는데 목적을 두었다. 담체인 모래에 산화철 및 산화망간을 단독 및 병합 코팅시킨 세 가지 반응성 매질인 ICS (Iron Coated Sand), MCS (Manganese Coated Sand) 및 IMCS (Iron and Manganese Coated Sand)을 제조하였으며 이들에 의한 용존 Fe(II)의 흡착 및 산화에 의한 제거특성을 회분식 반응조에서 조사하였다. 그리고 산화제의 잔류 농도 유지 및 코팅된 산화망간의 재생을 위해 KMnO₄ 및 NaOCl를 사용하였을 때의 Fe(II) 제거 특성도 조사하였다.
)를 사용하였다. 반응성매질에 의한 Fe(II) 및 Fe(III) 제거실험을 위해 FeSO₄ㆍ7H₂O 및 FeCl₃ㆍ6H₂O를 사용하여 인공오염수를 제조하였다.
))를 이용하여 비표면적 분석을 수행하였다. 반응성매질의 특성을 파악하기 위해 먼저 XRD (X-ray Diffractometer, XRD, D/MAX Uitima III, Rigaku) 분석을 통해 광물 형태(Mineral Type)를 조사하였다. IMCS의 X-ray 회절분광 분석은 60 kV와 80 mA에서 Cu_Kα radiation(λ =1.
산-염기 적정실험을 통해 도출된 MCS, IMCS 그리고 ICS의 표면이온화 상수 pK_a1와 pK_a2를 이용하여 pH_pzc를 구하였다. pH_pzc는 입자표면의 순전하가 0인 지점의 pH로서 식 (2)와 같이 계산되어지는데, pH_pzc가 증가하는 것은 높은 pH에서도 양성자화(Protonation)된 표면이 지배적으로 존재한다는 의미로서 pH_pzc가 낮은 금속산화물 보다 양전하를 띠는 pH 범위가 알카리 영역으로 보다 넓어지게 된다.
)를 사용하여 30 rpm 회전혼합조건에서 24시간 동안 반응을 진행하였다. 시간 변화에 따른 반응매질의 Fe(II)와 Fe(III) 제거효율을 알아보기 위하여 pH를 4와 6으로 고정하고, 10, 20, 30, 60, 120, 360, 720, 1,440 min 시간 동안 반응을 진행하였다. Fe(II)의 농도 변화에 대한 반응매질의 제거효율을 알아보기 위하여 Fe(II) 인공 오염수의 농도를 1~10 mg/L로 하여 24시간 동안 반응을 진행하였다.
)를 초순수 (Milli-Q)에 녹여 Fe와 Mn 코팅용액을 제조하였다. 이들 두 금속이온의 몰 농도의 총합을 0.1 M로 하고 세 가지 다른 Fe:Mn 몰비율(10:0, 5:5, 0:10) 조건에서 6 N NaOH 용액을 사용하여 Fe와 Mn 코팅용액의 pH를 7로 조절하였다. 이용액을 80 g의 모래가 담겨진 진공 회전 증발기(Eyela Co.
1 M로 하고 세 가지 다른 Fe:Mn 몰비율(10:0, 5:5, 0:10) 조건에서 6 N NaOH 용액을 사용하여 Fe와 Mn 코팅용액의 pH를 7로 조절하였다. 이용액을 80 g의 모래가 담겨진 진공 회전 증발기(Eyela Co.)에 주입하고, 반응온도 70℃조건에서 일정한 회전교반속도로 혼합하면서 혼합시료 내 수분이 증발되어 시료가 건조될 때까지(약 15분 소요) 코팅반응을 진행하였다. 일차코팅 반응이 완료된 건조시료를 다시 150℃로 유지된 가열기(Furnace)에 넣고 이차코팅반응을 진행한 후, 초순수를 사용하여 제조된 반응성매질을 전기전도도(EC)가 초순수의 전기전도도(1 uS/cm)와 일치 할 때까지 수차례 반복하여 세척하고 다시 105℃에서 2시간 건조한 후 보관용기에 보관하여 사용하였다.
회분식 반응조에서 각 반응성매질에 의한 Fe(II) 제거 특성을 pH, 반응시간 그리고 Mn(II) 주입 농도변화에 따른 제거실험을 수행하였다. pH 변화에 따른 반응매질의 Fe(II) 제거실험을 위해 FeSO₄ㆍ7H₂O를 사용하여 2 mg/L의 인공 Fe(II) 오염수를 제조하였다.

대상 데이터

0 mm 범위의 주문진 규사를 세척하여 사용하였다. 산화제로는 NaOCl (Junsei Chemical Co.)와 KMnO₄ (Kanto Chemicals Co., INC.)를 사용하였다. 반응성매질에 의한 Fe(II) 및 Fe(III) 제거실험을 위해 FeSO₄ㆍ7H₂O 및 FeCl₃ㆍ6H₂O를 사용하여 인공오염수를 제조하였다.
반응성매질로 사용한 ICS, MCS 및 IMCS의 제조방법은 다음과 같다. 시약급 Fe(NO₃)₃ㆍ9H₂O (Kanto chemicals Co., INC.)와 Mn(NO₃)₂ㆍ6H₂O (Junsei chemical Co.)를 초순수 (Milli-Q)에 녹여 Fe와 Mn 코팅용액을 제조하였다. 이들 두 금속이온의 몰 농도의 총합을 0.
일차코팅 반응이 완료된 건조시료를 다시 150℃로 유지된 가열기(Furnace)에 넣고 이차코팅반응을 진행한 후, 초순수를 사용하여 제조된 반응성매질을 전기전도도(EC)가 초순수의 전기전도도(1 uS/cm)와 일치 할 때까지 수차례 반복하여 세척하고 다시 105℃에서 2시간 건조한 후 보관용기에 보관하여 사용하였다. 코팅담체로는 입경이 0.5~1.0 mm 범위의 주문진 규사를 세척하여 사용하였다. 산화제로는 NaOCl (Junsei Chemical Co.

이론/모형

IMCS를 단독으로 반응성매질로 사용할 때 Fe(II)의 최대 제거량을 알아보기 위해 Langmuir 식을 적용하였다.
5406 Å)를 이용하여 수행하였다. 코팅된 금속의 양을 분석하기 위해 토양의 산 분해법(EPA Method 3050B)을 이용하여 반응성매질에 코팅된 Fe과 Mn을 용해시키고 유도결합플라즈마-광학분광분석기(ICP-OES, Perkin-Elmer, Optima 2000 DV)를 사용하여 용존 농도를 측정하였다.

성능/효과

Fig. 2(a)의 Fe(II) 제거 실험에서와는 달리 반응성매질의 종류에 관계없이 모든 경우에서 바탕실험결과와 매우 유사한 Fe(III) 제거율을 보였다. pH 4 이후부터 대부분의 Fe(III)가 침전반응에 의해 제거되는 것으로 보아, Fe(III)의 제거는 Fe(II)와 달리 pH 4이상에서부터 간단한 여과공정만으로도 제거가 가능함을 알 수 있다.
1) Fe(II) 용액만 주입한 결과, pH 5 이하에서는 Fe(II)의 느린 산화에 의해 제거율이 낮았으나 이후에는 빠른 산화 반응과 후속적인 반응에 의해 액상으로부터의 제거율이 증가하였다. ICS를 매질로 사용하였을 때 ICS 표면에 의한 Fe(II)의 제거는 극히 제한적인 것으로 나타났다.
또한 호소의 경우에는 계절의 변동에 따라 성층현상이 나타나면서 심층의 혐기성 상태는 토양으로부터의 철과 망간 등의 용해도를 증가시키게 된다.¹⁾ 지하수중 철과 망간은 산성조건이나 용존산소가 부족한 경우에 미생물작용에 의해 용존 상태로 환원되어 주로 2가 상태로 존재한다.²⁾철은 광산폐수나 산성하천에서는 황산 등의 강산에 의해 암석이나 토양의 철이 녹아나와 Fe(II) 상태로 존재하는데 인간의 치사량은 200~250 mg Fe(II)/kg이며³⁾ 과량섭취로 인해 헤모시데린 침착증과 혈색소증 등을 발생시키는 것으로 알려졌다.
2) 산화제를 주입하지 않고 pH를 6으로만 고정시킨 Fe(II) 시간별 제거 실험에서는 망간 산화물이 코팅되어있는 IMCS 및 MCS 매질체에서 24시간 반응 후 80%의 Fe(II) 제거율을 보였다. 이는 우리나라의 전국 지하수 수질 평균 pH가 6~7 사이인 것을 고려하면 중성 pH 영역에서 이들 반응성매질들은 충분히 부가적인 산화제 없이도 Fe(II)를 제거하는 데 있어 효과적이라 판단된다.
¹⁾ 지하수중 철과 망간은 산성조건이나 용존산소가 부족한 경우에 미생물작용에 의해 용존 상태로 환원되어 주로 2가 상태로 존재한다.²⁾철은 광산폐수나 산성하천에서는 황산 등의 강산에 의해 암석이나 토양의 철이 녹아나와 Fe(II) 상태로 존재하는데 인간의 치사량은 200~250 mg Fe(II)/kg이며³⁾ 과량섭취로 인해 헤모시데린 침착증과 혈색소증 등을 발생시키는 것으로 알려졌다.⁴⁾ 지하수에서 철과 망간의 존재는 일반적으로 암반과 광물, 황화물, 탄산염 등을 포함한 규산염의 결과로 존재한다.
4(b)는 pH 6 조건에서의 Fe(II) 제거실험 결과를 나타낸다. 24시간 반응 후 MCS는 80%, IMCS는 82%의 제거율을 보였으며 ICS는 17%, 주문진사는 20%의 제거율을 보였다. 이는 일반 정수 처리 시설의 pH 6~718) 사이에서 산화망간이 코팅된 반응성매질을 사용하여 Fe(II)를 효과적으로 제거할 수 있음을 제시한다.
4(a)는 pH 4 조건에서 시간 변화에 따른 각 반응성매질에 의한 Fe(II)의 제거 경향을 나타낸다. 24시간 반응 후 MCS와 IMCS의 제거율은 각각 56%와 53%를 보였으며 ICS와 주문진사에 의해서는 거의 제거가 되지 않는 것으로 나타났다. Fig.
3) IMCS와 산화제를 이용한 실험에서는 용액의 pH가 증가함에 따라 산화반응 및 침전반응이 복합적으로 작용하여 Fe(II)의 제거율이 증가하였으며, 산화제로서 KMnO₄를 주입하였을 때 pH 2~9 사이에서 초기 10분 이내에 모든 반응이 완료되었으며 80~90%의 높은 제거율을 보였다.
4) 시간 변화에 따른 IMCS에 의한 Fe(II)의 제거는 유사1차 반응식보단는 유사-2차 반응식으로 보다 잘 표현되었으며 KMnO₄를 산화제로 이용한 경우 가장 높은 초기 제거율 값(h)을 보였다. 이는 KMnO₄ 주입시 초기 10분 이내에 반응이 완료되는 것을 뒷받침 해주고 있다.
²⁾철은 광산폐수나 산성하천에서는 황산 등의 강산에 의해 암석이나 토양의 철이 녹아나와 Fe(II) 상태로 존재하는데 인간의 치사량은 200~250 mg Fe(II)/kg이며³⁾ 과량섭취로 인해 헤모시데린 침착증과 혈색소증 등을 발생시키는 것으로 알려졌다.⁴⁾ 지하수에서 철과 망간의 존재는 일반적으로 암반과 광물, 황화물, 탄산염 등을 포함한 규산염의 결과로 존재한다.⁵⁾ 화성암의 규산염 광물, 휘석, 각섬석 등에 일반적으로 철이 함유되어 있다.
5) Langmuir 등온식을 적용하여 IMCS를 이용한 pH 4 조건에서 Fe(II)의 최대제거량은 1,088 mg/kg이였다.
8) 철은 중성에서 산화제 또는 단순 폭기에 의해 쉽게 산화될 수 있는 반면에 망간은 이에 비해 산화정도가 훨씬 느리다. 철ㆍ망간의 제거에 이용되어 왔던 산화제는 단순 폭기, 염소, 이산화염소, KMnO₄, peroxide, 오존 등이 있다.
3(a)와 (b)는 IMCS 및 주문진사에 Fe(II)와 함께 KMnO₄와 NaOCl 산화제를 주입하여 얻은 실험결과를 각각 나타내고 있다. IMCS에 KMnO₄를 주입한 실험에서는 pH3부터 약 80%에 가까운 제거율을 보였으며, NaOCl을 주입한 실험에서는 pH 4에서 60%의 제거율을 보이며 산화제를 주입하지 않은 실험결과보다 다소 높은 제거 효과를 보이지만 KMnO₄보다는 Fe(II)제거에 비효율적인 산화제임을 알 수 있다. 산화제에 의한 자유 2가철의 반응을 식 (7)과 (8)에 나타내었다.
이러한 현상은 pH가 증가함에 따라 불용성 Fe(III) 화학종으로의 산화 혹은 Fe(II) 화학종의 침전에 기인한 것으로 판단된다. MCS와 IMCS를 사용한 경우 pH 2~6의 범위에서는 ICS나 일반 주문진사보다 현저히 높은 제거율을 보였으며, Fe(II)의 제거에서 ICS는 pH 4부터 바탕실험과 비교시 제거율이 높아지는 것으로 보아 pH 4 영역에서부터 흡착반응이 일부 나타남을 알 수 있다. pH 7 이상부터는 모든 반응성매질에서 높은 제거율을 보여준다.
각 반응성매질의 pKa1, pKa2 그리고 pH_pzc 값은 Table 2에 정리하였다. 각 반응매질의 pH_pzc는 MCS에서는 7.53, ICS에서는 7.39 그리고 IMCS에서는 7.61로 나타났으므로 각 반응매질의 pH가 pH_pzc보다 큰 조건에서는 반응매질 표면이 음전하를 띄어 양하전을 띈 중금속 이온과는 전기적 인력이 작용하여 반응매질 표면의 흡착력이 증가할 것으로 여겨진다.
각 반응성매질의 중금속 함량을 알아보기 위해 EPA Method 3050B를 수행한 결과, MCS의 경우 4,970 mg/kg의 Mn을 함유한 것으로 나타났고, ICS의 경우 3,380 mg/kg의 Fe을 함유한 것으로 나타났으며, IMCS의 경우는 Mn 1,650 mg/kg, Fe 2,950 mg/kg을 함유하고 있는 것으로 나타났다.
41×10^-3 kg/mgㆍhr로 나타났다. 그리고 초기 제거율 h값은 KMnO₄을 산화제로 주입한 경우 가장 높은 값인 14,286 mg/kgㆍhr으로 나타났고, IMCS만을 이용한 경우 가장 낮은 200 mg/kgㆍhr으로 나타났다. 이는 반응 시간에 따른 제거율을 도시한 결과에서 KMnO₄를 주입한 경우 가장 빠른 시간에 제거평형에 도달했던 결과와 일치하므로 산화제로서 KMnO₄를 이용할 때 초기제거율이 가장 빠르다는 것을 알 수 있었다.
ICS를 매질로 사용하였을 때 ICS 표면에 의한 Fe(II)의 제거는 극히 제한적인 것으로 나타났다. 망간 산화물이 코팅된 IMCS와 MCS에 의해 낮은 pH에서도 Fe(II)가 산화망간에 의한 산화 및 후속적인 침전반응에 의해 효과적으로 제거되는 것으로 나타났다.
비표면적 측정장치를 이용하여 각 반응성매질의 비표면적을 분석한 결과, 코팅하지 않은 주문진사와 비교하여 3~7배 정도 표면적이 증가한 것으로 나타났다. Table 1에 각 반응성매질과 일반주문진사의 비표면적을 정리하여 나타내었다.
그리고 초기 제거율 h값은 KMnO₄을 산화제로 주입한 경우 가장 높은 값인 14,286 mg/kgㆍhr으로 나타났고, IMCS만을 이용한 경우 가장 낮은 200 mg/kgㆍhr으로 나타났다. 이는 반응 시간에 따른 제거율을 도시한 결과에서 KMnO₄를 주입한 경우 가장 빠른 시간에 제거평형에 도달했던 결과와 일치하므로 산화제로서 KMnO₄를 이용할 때 초기제거율이 가장 빠르다는 것을 알 수 있었다. 반응 속도 상수는 Table 3에 정리하였다.
5(b)에서 나타난 것처럼, KMnO₄ 사용시 역시 초기 10분 이내에 대부분의 반응이 이루어졌고 24시간 반응 후 87%의 제거율을 보인 반면 NaOCl을 주입한 실험에서는 24시간 경과 후에도 10%의 매우 낮은 제거율을 보였다. 이러한 실험결과를 통해, 보조산화제로 KMnO₄를 사용하는 경우에는 반응성매질의 종류에 관계없이 Fe(II)의 제거가 빠르게 이루어지며 보조산화제로 NaOCl를 사용하는 경우에는 주문진사 보다는 IMCS를 사용하는 것이 Fe(II)의 제거율을 높일 수 있음을 알 수 있었다.
5(a)에서처럼 초기 10분 이내에 Fe(II)의 78%가 제거되는 매우 빠른 반응을 보였고 24시간 후에는 87%의 제거율을 나타내었다. 이에 비해 NaOCl을 주입한 실험에서는 KMnO₄를 사용하였을 때와 비교시 상대적으로 느리게 증가하였으며 24시간 후에는 58%의 제거율을 보였다. 그리고 이러한 제거 결과는 산화제 없이 IMCS만을 사용하여 얻어진 Fe(II)의 제거경향과 큰 차이가 없었다.
일반 주문진사와 산화제를 이용한 실험에서는 KMnO₄만이 pH 4이후 약 90% 제거되는 경향을 보일 뿐 NaOCl을 주입한 실험에서는 약산성인 pH 3~6 사이에서는 IMCS를 단독으로 사용하여 실험한 결과치보다 낮은 제거율을 보였다. 이는 Fe(II)제거에 있어 반응성매질을 사용하지 않고 NaOCl만 주입하는 것은 비효율적이라는 것을 나타내고 있으며, Fe(II)의 산화제거에 있어 반응성매질로서 일반 주문진사를 사용하는 것은 효율에서 떨어진다는 것을 제시한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	용존 중금속이 지하수 내로 침출되고 있는 이유는?	광산 활동으로 인한 광산 폐석 및 광미 등의 방치로 인해 발생하는 용존 중금속들이 지하수 내로 침출되고 있다. 또한 호소의 경우에는 계절의 변동에 따라 성층현상이 나타나면서 심층의 혐기성 상태는 토양으로부터의 철과 망간 등의 용해도를 증가시키게 된다.
	지하수중 철과 망간은 산성조건이나 용존산소가 부족한 경우에는 어떻게 존재하는가?	또한 호소의 경우에는 계절의 변동에 따라 성층현상이 나타나면서 심층의 혐기성 상태는 토양으로부터의 철과 망간 등의 용해도를 증가시키게 된다.1) 지하수중 철과 망간은 산성조건이나 용존산소가 부족한 경우에 미생물작용에 의해 용존 상태로 환원되어 주로 2가 상태로 존재한다.2) 철은 광산폐수나 산성하천에서는 황산 등의 강산에 의해 암석이나 토양의 철이 녹아나와 Fe(II) 상태로 존재하는데 인간의 치사량은 200~250 mg Fe(II)/kg이며3) 과량섭취로 인해 헤모시데린 침착증과 혈색소증 등을 발생시키는 것으로 알려졌다.
	지하수에서 철과 망간의 존재를 어떻게 제거하는가?	철과 망간은 일반적으로 차아염소산나트륨(NaOCl), 과망간산칼륨(KMnO4) 등과 같은 산화제를 이용하여 자유 2가철(Fe2+)와 자유 2가망간(Mn2+)을 각각 Fe3+와 Mn4+로 산화시킨 후 그 결과로 생성된 침전물을 여과 과정을 거쳐 분리하여 제거한다.5,6) 수중의 철 화학종은 생물화학적 반응에 의해 생기는 환경조건의 변화로 용해상태로 전환된다.

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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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