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문제 정의
- 본 연구에서는 비소로 오염된 폐수에 일반적으로 사용되던 제거제의 대체제로써 CaAl-monosulfate와 CaAl-ettringite를 비교 분석하였다. 그 결과, CaAl-monosulfate와 CaAl-ettringite 모두 높은 비소제거능을 보였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 기존의 비소제거 방법의 대안으로써 CaAl-monosulfate와 CaAl-ettringite를 이용하였다. 2가 양이온으로 Ca2+, 3가 양이온으로 Al3+를, 그리고 음이온으로 SO:-를 이용하여 CaAl-monosulfate와 CaAl-ettringite를 각각 합성하였으며 이 물질의 비소 제거 효율과 특성을 살피고자 한다
- , 1984; Clark and Brown, 1999). 그 후 무산소챔버에서 GF/C 필터를 사용하여 수분을 제거한 후, 시료에 아세톤(Sigma Aldrich, 99.5%)을 첨가하여 수화반응을 방지시켰다. 그리고 CO2(g) 에 의한 오염을막기 위해 80 C의 진공오븐에서 건조시킨 뒤 무산소 챔버 안에서 곱게 빻아 N2(g) 환경에서 보관했다.
- , 1983). 그러므로 HAsO42-가 CaAl-monosulfate와CaAl-ettringite의 interlayer에 존재하는 SO42-와 1:1 몰비로 이온교환을 한다는 전제하에 3당량의 SO42-가 주입되도록 1.679 g/L와 1.401 g/L를 각각 주입하였으며, 300 rpm으로 교반하면서 48 시간 동안 시간별로 50 ml의 시료를 채취하였다. 채취한 시료는 0.
- , 2004). 본 연구에서는 기존의 비소제거 방법의 대안으로써 CaAl-monosulfate와 CaAl-ettringite를 이용하였다. 2가 양이온으로 Ca2+, 3가 양이온으로 Al3+를, 그리고 음이온으로 SO:-를 이용하여 CaAl-monosulfate와 CaAl-ettringite를 각각 합성하였으며 이 물질의 비소 제거 효율과 특성을 살피고자 한다
- 수중에 존재하는 비소와 각 시료 내부에 존재하는 SO42와의 이온교환능력을 알아보기 위해 비소와 반응하기 전 두 시료의 정량분석을 WDXRF를 통해 실시하였다. 이 분석 값은 Table 1에 나타내었다.
- 실험에 사용된 CaAl-monosulfate와 CaAl-ettringite 는 시멘트의 수화작용과 제조 과정을 기초로 한 공침법으로써 C3A (3CaOAl2O3, tricalcium aluminate) 와 gypsum의 중탕 교반에 의해 합성하였다.
- 앞선 특성 분석 결과로부터 성공적인 합성이 확인된 CaAl-monosulfate와 CaAl-ettringite를 이용하여 수중 5가 비소 제거 회분식 실험을 실시했다. 비소 농도가 100 mg/L (1.
- 합성된 CaAl-monosulfate와 CaAl-ettringite의 결정구조를 PXRD를 통해 정성분석 하였으며 그 결과를 Fig. 1과 Fig. 2에 나타내었다.
- 합성된 CaAl-monosulfate와 CaAl-ettringite의 구조적인 특성을 규명하기 위하여 Powder X-ray Diffraction (PXRD, Carl Zeiss SUPRA 55VP)을 사용하여 20 =5~90° 에서 CuKa radiation (# = 1.541 nm)를 이용하여 1° 에 #분의 속도로 분석을 하였다 Wavelength Dispersive X-ray Fluorescence (WDXRF, Bruker AXS S4 PIONEER)을 사용하여 정량분석을 실시하였으며, Field-Emission Scanning Electron Microscope (FE-SEM)을 사용하여 입체 결정 형태를 관찰했다.
- 그 후 전기로에서 1, 300℃, 72 시간 동안 고온소성 하였다. 혼합시료의 반응을 활성화하기 위하여 소성 중 매 24 시간마다 시료를 꺼내어 재혼합 하여 C3A를 제조하였다 (Mosalamy et al., 1984; Clark and Brown, 1999; Christensen et al., 2004; Minard et al., 2007).
대상 데이터
- 1L 초순수에 sodium arsenate (Na2HAsO4-H2O, YAKURI PURE CHEMICALS, 98%)를 용해시켜 100 mg/L (# 1.335 mmol/L)의 5가 비소 용액을 제조하였다. 실험에서 용액의 pH 범위는 10.
- , 1984; Clark and Brown, 1999). CaAl-ettringite는 완성된 C3A를 곱게 빻아 gypsum (CaSO4, 2H2, Sigma Aldrich, 99%)과 물과 함께 1310의 몰 비로 50C에서 6 시간 동안 중탕 시켜 제조되었다.
- A의 제조과정은 다음과 같다. CaCO3 (Sigma Aldrich, 99%)와 Al(OH)3 (Sigma Aldrich, 99%)를 3:2의 몰 비로 혼합 한 뒤 볼밀을 이용해 90 rpm 에서 1시간 동안 교반시켰다. 그 후 전기로에서 1, 300℃, 72 시간 동안 고온소성 하였다.
- 401 g/L를 각각 주입하였으며, 300 rpm으로 교반하면서 48 시간 동안 시간별로 50 ml의 시료를 채취하였다. 채취한 시료는 0.45 ㎛의 Polypropylene (PP) 필터(Whatman)로 CaA-monosulfae와 CaAl-ettringite 를 걸러내었다.
이론/모형
- 수중의 비소 농도는 atomic absorption spectrophoto meter (AAS Vario 6, Analytikjena)기기에 hydride (Analytik Jena)를 연결하여 원자 흡수 분광법-수소화물 방법으로 193.7 nm에서 측정하였다. 칼슘과 알루미늄의 농도는 AAS를 이용해 422.
- 7 nm와 394 nm에서 측정하였다. 황산염의 농도분석은 HACH method 8051에 따라 HACH DR2800 portable spectrophotometer를 사용하였으며, pH는 pH electrode (9157BN)와 pH meter (Thermo Orion 720A+)를 이용하여 측정하였다.
성능/효과
- FESEM을 이용하여 시료의 결정구조를 살펴본 결과, Fig. 3에서 보이는 것과 같이 CaAl-monosulfate는 육각형 모양을 뚜렷하게 띄고 있으며, 결정체의 입자 직경은 20~25 ㎛로 나타났다. 이러한 PXRD와 FESEM 분석 결과 일반적으로 알려진 순수한 monosulfate로 합성된 것을 알 수 있었다(Cavani et al.
- 비교 분석하였다. 그 결과, CaAl-monosulfate와 CaAl-ettringite 모두 높은 비소제거능을 보였다. 이에 대한 제거기작은 이온교환, 수착 등에 의한 것으로써 오염된 수중의 비소를 효과적으로 제거할 수 있는 것이다.
- 알려져 있다(POllmann, 1989). 본 연구에서 합성된 CaAl-monosulfate의 경향을 살펴본 결과 (003)면과 (006)면을 따르는 9.84° peak와 17.88° peak를 확인할 수 있었으며, 각 peak의 d-spacing 은 Bragg 식에 의해 8.98 A과 4.48 A으로 계산되었다. 이는 JCPDS No.
- 실험결과, CaAl-monosulfate와 CaAl-ettringite를 이용한 비소의 농도는 초기 1.335 mmol/L에서 0.054 mmol/L와0.300 mmol/L까지 저감되었다. 이것은 각각 1.
후속연구
- 이에 대한 제거기작은 이온교환, 수착 등에 의한 것으로써 오염된 수중의 비소를 효과적으로 제거할 수 있는 것이다. 앞으로 용해도 이하에서의 비소 제거 기작에 대한 연구와 함께 복합폐수 또는 실제 하폐수에서의 적용성 연구가 추가적으로 수행되어야 할 것이다.
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