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Cu-Zn 금속합금의 산화 환원반응과 Al-Silicate의 흡착반응을 이용한 폐수 중 중금속처리에 관한 연구
A Study on the Treatment of Heavy Metal in Wastewater by Redox Reaction of Cu-Zn Metal Alloy and Adsorption reaction of Al-Silicate 원문보기

한국유화학회지 = Journal of oil & applied science, v.33 no.3, 2016년, pp.441 - 448  

이수정 (창원대학교 화공시스템공학과) ,  김종화 (창원대학교 화공시스템공학과) ,  송주영 (창원대학교 화공시스템공학과)

초록
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본 연구는 구리 아연 금속합금의 산화 환원 반응과 합성 알루미늄 실리케이트의 흡착 반응을 이용한 폐수 중 중금속 처리에 관한 연구이다. 극세사 형태로 제조된 구리 아연 금속합금이 수용액 중에서 산화 환원반응에 의해 아연보다 이온화 경향이 작은 중금속은 환원 처리되고, 이온화 된 아연 및 미반응 중금속은 흡착 처리하여 제거하는 연구이다. 극세사 형태로 제조된 금속합금 물질은 표면적이 커서 1회 처리만으로도 반응 평형에 도달하게 하여 효율이 높은 것으로 나타났다. 크롬($Cr^{+3}$)은 redox 반응 1회 처리만으로도 100.0 % 제거 되었으며, 수은은 98.0 %, 주석 92.0 %, 구리는 91.4 % 정도 제거되었다. 카드뮴, 니켈, 납도 각각 40.0 %, 50.0 %, 58.0 %가 제거 되었다. 크롬($Cr^{+3}$)은 아연과 이온화 경향 차이가 거의 없지만 제거 효율이 높은 것으로 나타났는데 이는 3가 크롬은 이온 상태로 존재하면 redox 반응에서 발생한 $OH^-$ 이온과 결합하여 수산화물 침전을 형성하는 것으로 판단된다. Redox 반응 후 증가한 아연 및 미반응 중금속 농도를 알루미늄실리케이트를 1회 통과하여 거의 100.0 % 제거할 수 있었다. 이는 합성 알루미늄 실리케이트의 비표면적이 크고 금속 이온의 흡착능력이 우수한 것으로 나타났으며, 반응 후 알루미늄 이온은 증가하지 않는 것으로 보아 이온 교환이 아닌 흡착으로 아연 및 중금속 이온들을 제거할 수 있는 것으로 나타났다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Heavy metal removal study is conducted from synthetic waste water by reduction and oxidation(redox) reaction of Cu-Zn metal alloy and adsorption reaction of aluminium silicate. Heavy metal whose ionization tendency is smaller than zinc are reducted in an aqueous solution, and the concentration of io...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이를 효율적으로 처리하기 위한 시스템이 실용화되기 위해서는 기존 중금속 제거 시스템에 비해 경쟁력이 있어야 하며, 또한 기존 처리 기술과도 조화를 이루어야 할 것이다[3]. 본 연구에서는 구리 아연 합금 소재와 합성 알루미늄 실리케이트를 이용하여 친환경적으로 중금속 제거능(Cd, Zn, Cu, Pb, Hg, Sn, Ni, Cr(Ⅲ))과 합성 알루미늄 실리케이트가 중금속 흡착제로서의 적용이 가능한지 여부에 대해 연구하고자 하였다.
  • 용해성 실리케이트가 알카리족 금속이외의 금속과 공존할 경우 금속 실리케이트염이 침전되며, Al 산화물과 실리콘 산화물은 특별한 친화력이 있어서 균일한 격자구조를 가진 침전물을 생성한다고 하며 이 합성 알루미늄 실리케이트를 통과하여 redox 반응의 결과로 증가한 아연 이온을 흡착처리 하고자 한다[6].
  • 유량의 1.0 L/min을 바탕으로 유량을 변화시켜 가면서 제거 효율의 변화를 실험하고자 하였다. 초기 유량을 0.
  • 이 소재를 이용한 여러 연구가 국내외 학회에서 발표한 바가 있다[10-13]. 이번 연구에서는 산화 환원 반응의 일종인 시멘테이션 반응에 의하여 여러 조건에 의한 중금속 처리 효율을 연구하고자 하였다.
  • 5 mmol/L인 3 L의 용액을 1회 처리하여 실험을 행하였다. 처리액을 산화 환원 반응에 의한 중금속의 제거 효율을 비교해보고자 하였다.
  • 5 mmol/L인 3 L의 용액을 1회 처리하여 실험을 행하였다. 처리액을 산화환원 반응에 의한 중금속의 제거 효율을 비교해보고 200 g의 구리 아연 소재와 100 g의 알루미늄 실리케이트 흡착제로 제거할 수 있는 최적의 유량을 찾고자 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
중금속이란? 생산 활동의 과정에서 배출되는 산업 폐수는 동식물에 유해한 독성 중금속을 다량 함유하고 있어 적절한 처리 없이 배출될 경우 생태계 먹이사슬에 의한 농축효과(biomagnification)로 그 피해가 급격히 확산될 수 있다. 중금속은 밀도(g/㎤)가 5보다 큰 원소로서 약 40종이 존재하며, 그 중 산업폐수, 도금폐수에 주로 포함되는 중금속(Cd, Zn, Cu, Pb, Hg, Sn, Ni, Cr(Ⅲ))을 위주로 처리하고자 하였다. 주된 오염원은 주로 도금 공장, 제련, 피혁, 안료 및 제약 업체, 도시 하수 농약 살포 등에서 카드뮴, 아연, 구리, 니켈, 납, 수은, 크롬(Cr+3) 등 생물체에 유해한 중금속들이 과량 배출되는 것으로 보고되고 있다[1].
재래식 기술인 이온 교환법, 흡착법, 전기 화학법, 역삼투압법 등의 방법의 단점은? 이는 용해도 이하의 저농도 폐수는 처리할 수 없고, 시 안화 이온 등에 화학반응이 저해 받으므로 2차 처리로 수중 중금속을 이온 교환법, 흡착법, 전기 화학법, 역삼투압법 등으로 처리한다. 이 방법들은 재래식 기술로써 전처리를 필요로 하거나, 화학약품으로 인한 2차 오염의 문제인 환경적인 문제뿐만 아니라, 초기 설치비, 운영비 등 경제적인 측면에서도 많은 문제가 발생하게 된다. 이를 효율적으로 처리하기 위한 시스템이 실용화되기 위해서는 기존 중금속 제거 시스템에 비해 경쟁력이 있어야 하며, 또한 기존 처리 기술과도 조화를 이루어야 할 것이다[3].
중금속 폐수를 처리 방법 중 침전시키는 방법의 단점은? 현재 중금속 폐수를 처리하는데침전시키는 방법이 많이 사용되고 있다. 이는 용해도 이하의 저농도 폐수는 처리할 수 없고, 시 안화 이온 등에 화학반응이 저해 받으므로 2차 처리로 수중 중금속을 이온 교환법, 흡착법, 전기 화학법, 역삼투압법 등으로 처리한다. 이 방법들은 재래식 기술로써 전처리를 필요로 하거나, 화학약품으로 인한 2차 오염의 문제인 환경적인 문제뿐만 아니라, 초기 설치비, 운영비 등 경제적인 측면에서도 많은 문제가 발생하게 된다.
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참고문헌 (21)

  1. J. Choong and S. S. Choi, A study on heavy metal removal using alginic acid, J. of KORRA, 15(4), 107 (2007). 

  2. S. H. Han, Establishment of technology-based effluent standards for conventional pollutants in the steel industry, Yeungnam University Master of Science Dissertation, (2014). 

  3. B. C. Paik and K. B. Kim, Effect of temperature on heavy metals removal from acid mine drainage, Journal of Environmental Reseach Institute, 2 , 25 (1999). 

  4. Y. C. Lee and D. Y. Ko, A study on the removal of heavy metals using functional group on the surface of discarded automotive tires, J. of KSEE, 29(3), 357 (2007). 

  5. M. S. Kim, B. S. Kim, E. Y. Kim, S. K. Kim ,and J. C. Lee, Recovery of Platinum group metals from the leach solution of spent automotive catalysts by cementation, J. of Korean Inst. of Resources Recycling, 20(4), 36 (2011). 

  6. M. H. Lim, M. J. Kim, Stabilization of residual heavy metals after soil washing of mine tailings contaminated with arsenic and heavy metals, J. Kor. Soc. Environ. Eng., 36(1), 67 (2014). 

  7. J. N. Shin, A study on the continuous heavy metal removal in aqueous solution using crab shell packed column, Catholic University Master of Science Dissertation, (2002). 

  8. M. H. Lim, M. J. Kim, Stabilization of residual heavy metals after soil washing of mine tailings contaminated with arsenic and heavy metals, J. Kor. Soc. Environ. Eng., 36(1), 67 (2014). 

  9. J. Y. Lee, Y. S. Kim, Y. H. Kwon, S. H. Kong, S. Y. Park, C. H. Lee ,and H.R. Sung, A study of heavy metalcontaminated soil remediation with a EDTA and boric and composite(II) : Cd and Cr, Journal of KoSSGE, 9(4), 8 (2004). 

  10. J. Y. Song, J. W. Park ,and J. H. Kim, A study on the treatment of refractory organics by redox reaction of Cu-Zn metal alloy, J. of Korean Oil Chemists' Soc., 30(1), 166 (2013). 

  11. T. K. Kim, J. H. Kim ,and J. Y. Song, A study on the removal of phosphorus from wastewater by redox reaction of Cu-Zn metal alloy, J. of Korean Oil Chemists' Soc., 32(1), 78 (2015). 

  12. H. S. Kim, A study on the antimicrobial activity of cyanobacteria by redox reaction of Cu-Zn alloy metal fiber, Changwon University Master of Science Dissertation, (2007). 

  13. H. S. Kim, S. H. Lee, J. H. Kim, K. H. Park ,and J. Y. Song, A study on the antimicrobial activity of mcrocystis aeruginosa by redox rection of Cu-Zn alloy metal fiber, J. of The Korean oil chemists' Soc., 25(2), 168 (2008). 

  14. I. K. Sung, J. Y. Song and S. B. Kim, Preparation of chitosan/poly- $\gamma$ -glutamic acid nanoparticles and their application to removal of heavy metals, Korean Chem. Eng. Res., 49(4), 475 (2011). 

  15. E. M. Gwon, S. K. Hong, J. H. Kim, W. J. Jung ,and M. J. Yoo, Impact of the silicate polymerization on the formation of insolube aluminium silicate, J. of KSEE, 29(6), 654 (2007). 

  16. Y. G. Seo and D. K. Lee, Removal of heavy-metal ions from aqueous solution by hydroxyapatite, Journal of the Korean Institute of Chemical Engineers, 33(3), 360 (1995). 

  17. H. K. An, B. Y. Park ,and D. S. Kim, The removal of heavy metals by crab shell in aqueous solution, J. of the Korean Environmental Sciences Society, 9(5), 409 (2000). 

  18. J. H. Park, G. J. Choi and S. H. Kim, Effects of pH and slow mixing conditions on heavy metal hydroxide precipitation, J. of KORRA, 22(2), 50 (2014). 

  19. W. S. Shin and Y. K. Kim, Adsorption characteristics of synthetic heavy metals( $Zn^{2+}$ , $Ni^{2+}$ , $Cd^{2+}$ , $Cu^{2+}$ ,and $Pb^{2+}$ )by bentonite, J. of KORRA, 22(2), 17 (2014). 

  20. E. Vunain, A. Mishra and B. Mamba, Dendrimers, mesoporous silicas and chitosan-based nanosorbents for the removal of heavy-metal ions: A review, International Journal of Biological Macromolecules, 86, 570 (2016). 

  21. R. Mukherjee, P. Bhunia and S. De, Impact of graphene oxide on removal of heavy metals using mixed matrix membrane, Chemical Engineering Journal, 292, 284 (2016). 

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