염화철 개질 활성탄을 이용한 지하수 중 비소의 흡착처리 = Adsorption of arsenic in groundwater using FeCl3-Modified activated carbon

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Korea currently has a lower rate of groundwater utilization than other countries, and water resources are gradually becoming scarce due to
aunusual weather conditions caused by climate change. Using groundwater will gradually increase as the use of surface water is reaching its limit due to construction limitations such as dams and reservoirs and contamination of surface water. Among pollutants, arsenic occurs naturally in areas with geological properties such as brass and ubiquitous stones, but it is also caused by artificial factors such as the combustion of fossil fuels and the use of arsenic-containing pesticides and herbicides due to industrial development. Arsenic is highly toxic and is managed with strict standards worldwide because even a small amount of intake is fatal to humans. In this study, activated carbon was modified and applied using iron chloride to remove arsenic in contaminated groundwater, and the efficiency of removing arsenic in various influencing factors was compared. The experiment was conducted by changing the conditions of the concentration of the iron chloride solution, the reaction temperature at the time of manufacturing the modified activated carbon, the injection amount of the modified activated carbon, and the initial pH of the arsenic solution. As a result of experiments by adjusting the concentration of iron chloride when manufacturing iron chloride-modified activated carbon, the removal efficiency was the highest at 74% when the iron chloride concentration was modified to 0.01 M, and the lower the concentration of the iron chloride solution, the higher the arsenic removal efficiency.As a result of experiments by adjusting the reaction temperature to 15°C, 25°C, and 35°C when manufacturing modified activated carbon, the removal rates of activated carbon modified with 0.1 M were 26%, 35%, and 24% and the removal rates of activated carbon modified with 0.3 M were 14%, 25%, and 18%. It could be determined that the reaction temperature during modifing didn’t significantly affect the removal rate of arsenic and that optimal conditions existed.As a result of the experiment by adjusting the injection amount of the modified activated carbon, the removal efficiency tended to increase as the injection amount of the reformed activated carbon increased. Activated carbon was injected by adjusting it to 0.1 g, 0.25 g, 0.5 g, 1.0 g, and 1.5 g. When 0.1 g of activated carbon, which is the smallest amount, was injected, the removal efficiency was 21% in the case of activated carbon modified with 0.1 M, and 14% of activated carbon modified with 0.3 M. When the largest amount, 1.5 g, was added, the activated carbon modified with 0.1 M showed an arsenic removal efficiency of 40%, and the activated carbon modified with 0.3 M showed a removal efficiency of 34%. The removal rate of arsenic according to the pH of the initial arsenic solution was tested by adjusting the pH to 3, 5, 7, 9, and 11. When the pH was 5, the removal efficiency was the highest, and when the pH was between 5 and 9, the lower the pH, the higher the removal efficiency. In the case of activated carbon modified with 0.1 M, the removal efficiency was 77%, 98%, 96%, 90%, and 51% at pH 3, 5, 7, 9 and 11 and in the case of activated carbon modified with 0.3 M, the removal efficiency was 62%, 94%, 88%, 85%, and 40%. This is because the form of arsenic present varies depending on the pH, and the charge of arsenic anions increases as the pH increases, which is judged to be due to the electrostatic repulsion.The process of adsorbing arsenic using iron chloride-modified activated carbon shows a big difference depending on the biochemical conditions. Therefore, through this study, it is expected to be used as data that can be operated under optimal conditions in the process of removing arsenic in groundwater using iron chloride-modified activated carbon in consideration of each influencing factor.

국문 초록 (Abstract)

우리나라는 현재 다른나라에 비해 지하수 이용비율이 낮은 상태이며 기 후변화로 인한 기상이변으로 수자원이 점차 부족해지고 있다. 댐, 저수지 등의 건설의 한계와 지표수의 오염 등으로 지표수 이용이 한계에 다다르 고 있어 지하수 이용은 점차 증가할 것이다. 오염물질 중 비소는 황동석, 유비철석과 같은 지질특성을 가지는 지역에 서 자연적으로 발생하지만 산업의 발전으로 화석연료의 연소, 비소 함유 농약 및 제초제의 사용과 같이 인위적인 요인에 의해서도 발생한다. 비소 는 강한 독성을 가지며 미량 섭취만으로도 사람에게 치명적이기 때문에 전 세계적으로 엄격한 기준으로 관리되고 있다. 본 연구에서는 오염된 지하수 중 비소를 제거하기 위하여 활성탄을 염화 철을 이용하여 개질하여 적용하였고, 다양한 영향인자에서의 비소 제거 효율을 비교하였다. 염화철 용액의 농도, 개질 활성탄 제조 시 반응온도, 개질 활성탄의 주입량, 비소 용액의 초기 pH의 조건을 변화시켜 실험 하 였다. 염화철 개질 활성탄 제조 시 염화철의 농도를 조절하여 실험한 결과 염 화철의 농도가 가장 낮은 0.01 M로 개질하였을 때 제거효율이 74 %로 가장 높았으며, 염화철 용액의 농도가 낮을수록 비소 제거 효율이 높아지 는 경향을 보였다. 개질 활성탄 제조 시 반응온도를 15 ℃, 25℃, 35 ℃로 조절하여 실험한 결과 0.1 M로 개질한 활성탄의 경우 각각 26 %, 35 %, 24 %의 제거율을 보였으며, 0.3 M로 개질한 활성탄의 경우 각각 14 %, 25 %, 18 %의 제 거율을 보였다. 이는 개질 시 반응온도는 비소의 제거율에 크게 영향을 미치지 않으며 최적의 조건이 존재한다는 것으로 판단할 수 있었다. 개질 활성탄의 주입량을 조절하여 실험한 결과 개질 활성탄의 주입량이 많을수록 제거효율이 증가하는 경향을 보였다. 활성탄은 0.1 g, 0.25 g, 0.5 g, 1.0 g, 1.5 g으로 조절하여 주입하였다. 가장 적은 양인 0.1 g의 활 성탄을 주입하였을 때 0.1 M로 개질한 활성탄의 경우 제거효율이 21 %였으며, 0.3 M로 개질한 활성탄은 14 %로 나타났다. 가장 많은 양 인 1.5 g을 넣었을 때 0.1 M로 개질한 활성탄의 경우 40 %의 비소 제거 효율을 보였고, 0.3 M로 개질한 활성탄의 경우 34 %의 제거효율을 나타 내었다. 초기 비소용액의 pH에 따른 비소의 제거율은 pH를 3, 5, 7, 9, 11로 조 절하여 실험하였다. pH가 5일때 제거효율이 가장 높게 나타났으며 pH가 5에서 9사이 일 경우 pH가 낮을수록 제거 효율이 높아졌다. 0.1 M로 개 질한 활성탄의 경우 pH 3, 5, 7, 9, 11에서 각각 77 %, 98 %, 96 %, 90 %, 51 %의 제거효율을 나타냈으며, 0.3 M로 개질한 활성탄의 경우 각각 62 %, 94 %, 88 %, 85 %, 40 %의 제거효율을 보였다. 이는 pH에 따라 존재하는 비소의 형태가 달라지며 pH가 높아질수록 비소 음이온의 전하가 높아져 정전기적 반발로 인한 것으로 판단되었다. 염화철 개질 활성탄을 이용하여 비소를 흡착하는 과정은 이화학적 조건 에 따라 큰 차이를 나타낸다. 따라서, 본 연구를 통해 각 영향인자를 고려 하여 염화철 개질 활성탄을 이용하여 지하수 중 비소를 제거하는 공정에 서 최적의 조건에서 운영할 수 있는 자료로 활용될 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 이론적 배경 4
• 2.1 지하수 4
• 2.1.1 지하수의 특성 4
• 2.1.2 우리나라 지하수 현황 5
• 2.1.3 지하수 오염 9
• 2.2 비소 13
• 2.2.1 비소의 특성 13
• 2.2.2 비소의 독성 16
• 2.2.3 지하수의 비소 오염 기원 17
• 2.2.4 비소의 법적규제 18
• 2.2.5 비소 처리기술 22
• 2.3 흡착 27
• 2.3.1 흡착의 개념 27
• 2.3.2 물리적 흡착과 화학적 흡착 28
• 2.4 활성탄 31
• 2.4.1 활성탄의 구조와 특성 31
• 2.4.2 활성탄의 분류 33
• 2.4.3 활성탄의 개질과 활용 35
• 3. 연구내용 및 방법 37
• 3.1 연구 재료 37
• 3.1.1 활성탄 37
• 3.1.2 비소 인공 시료 39
• 3.2 연구방법 및 조건 40
• 3.2.1 활성탄의 개질 40
• 3.2.2 비소흡착실험 42
• 3.2.3 흡착 영향인자에 따른 조건 43
• 3.3 분석 방법 44
• 4. 연구결과 및 고찰 45
• 4.1 염화철 개질 활성탄의 표면 45
• 4.2 개질 활성탄 제조 시 염화철의 농도에 대한 영향 51
• 4.3 개질 활성탄 제조 시 반응온도에 대한 영향 54
• 4.4 개질 활성탄의 주입량에 의한 영향 56
• 4.5 비소 용액의 초기 pH에 의한 영향 60
• 5. 결론 66
• References 69
• Abstract 74