Potassium ferrate(VI)를 이용한 강물의 자연유기물질과 중금속 제거

Abstract

최근 산업성장에 따른 수질오염이 심각한 문제가 되고 있으며 그 처리를 위한 환경친화적인 방법이 요구되고 있다. 본 연구에서는 강력한 산화제/소독제 및 응집제로 작용하고 부산물로 무독성의 Fe(Ⅲ)를 생성하는 potassium ferrate(K2FeO4)를 합성하여 자연유기물질(humic acid, fulvic acid)과 중금속(Cu, Mn, Zn)으로 오염된 강물을 처리하는 실험을 수행하였다.

Ferrate 주입량(2～46mg/l as Fe)에 따른 humic acid(10mg/l)의 제거효율을 UV254로 알아본 결과, 낙동강과 온천천시료에서 각각 21～74%, 26～73%의 제거효율을 얻었다. 하지만 humic acid 제거를 TOC로 분석한 결과는 0～20%로 낮은 효율을 보였다. pH와 반웅온도에 따른 영향을 보면 염기성조건보다 산성조건에서 ferrate에 의한 humic acid 제거효율이 높게 나타났고(pH 3: 90%, pH 7.8: 70%, pH 11: 74%), 온도가 높을수록 humic acid 제거효율이 높아졌다 (10℃: 62%, 20℃: 70%, 30℃: 79%). 응집제로서 ferrate 효과를 기존 응집제들과 비교해 본 실험에서 ferrate(22～76%)는 FeSO4&#8228

응집공정을 ferrate로 단일화할 수 있으며, 기존 응집제에 비해 아주 소량이 주입되는 ferrate를 사용함으로써 슬러지 발생량 또한 감소할 수 있을 것으로 보인다.

제거되었고, 이어서 제거되지 않고 남은 HA와 중금속을 ferrate로 처리한 결과 높은 제거효율을 얻을 수 있었다. HA(10mg/l)와 Cu(0.1mM)가 혼합된 시료에 ferrate(0.03～0.7mM)를 주입하면 HA는 70～82%, Cu는 93～100%의 제거효율을 보였다. 이는 HA만 따로 처리하였을 때의 21～72%와 Cu만 따로 처리하였을 때의 28～99% 보다 높은 효율이었다. HA와 대상 중금속(Cu, Mn, Zn)이 모두 혼합된 경우에도 HA와 중금속 제거에 ferrate는 효과적이었다 (HA: 33～83%, Cu: 68～100%, Mn: 16～96%, Zn: 9～90%). 또한, fulvic acid(FA)와 각 중금속이 혼합된 시료를 ferrate로 처리한 결과도 위에서 언급한 HA와 중금속 혼합시료를 ferrate로 처리한 결과와 비슷했다.

본 연구를 통해서 수중의 자연유기물질(humic acid, fulvic acid)과 중금속(Cu, Mn, Zn) 제거에 ferrate가 효과적임을 확인하였다. 이로써 실제 정수처리에서 분리되어 있는 산화&#8228

침전시킴을 의미한다. 또한, pH가 증가할수록 대상 중금속 모두 제거효율이 향상되는 경향을 보였고 온도는 ferrate와 중금속의 반응에 특별한 영향을 미치지 않았다.

그리고 낙동강원수에 humic acid(HA) 농도가 10mg/l, 각 중금속(Cu, Mn, Zn) 농도가 0.1mM이 되도록 제조하여 ferrate를 주입하는 실험에서, ferrate 주입 전에 HA의 음이온 작용기와 양이온 중금속은 착화합물을 형성하여 일부 침전&#8228

7H2O(13～55%)와 FeO(OH)(13～16%)보다 더 높은 효율을 보였다. 한편, alum의 경우 2～6mg/l(as Al)의 주입량에서는 ferrate에 비해 더 높은 효과를 보였지만 그 주입량을 초과(10～40mg/l as Al)하면 오히려 효율이 감소하는 결과를 보여 최적 주입량을 선정하는 것이 중요함을 알 수 있었다. 그리고 소량의 ferrate(2, 4mg/l as Fe)를 주입하여 humic acid를 전처리한 후 alum, Fe(II)와 같은 기존 응집제로 처리하였을 때가 ferrate로 전처리를 하지 않았을 때보다 효율이 향상되었다. Ferrate와 humic acid의 반응은 60초 이내에 완결되어 정상상태에 이르렀고 반응시간에 대해 1차 반응을 보였다.

Ferrate 주입량(2～46mg/l as Fe), pH(3, 7.8, 11)와 온도(10, 20, 30℃)의 영향에 따른 fulvic acid(10mg/l) 제거실험 결과는 humic acid의 결과와 모두 같은 경향을 보였고 그때의 제거효율(%)들은 humic acid와 비교해서 더 높았다.

0.1mM Cu, Mn, Zn의 세 가지 시료에 ferrate를 주입한 결과, ferrate의 농도가 0.3mM일 때, Cu는 99%, Mn은 73%, 그리고 Zn은 99%의 제거효율을 보였다. 이는 ferrate가 중금속을 효과적으로 응집&#65381