수은 연속측정시스템에서 전이금속에 의한 산화수은의 원소수은으로의 촉매환원

함성원(Sung-Won Ham) 한국청정기술학회 2014 청정기술 Vol.20 No.3

본 연구는 수은연속측정시스템의 가장 중요한 구성 요소의 하나인 산화수은을 원소수은으로 환원시킬 수 있는 건식 환원촉매시스템 개발을 목적으로 수행되었다. 산화-환원 표준전위를 기준으로 산화수은의 원소수은으로의 환원반응을 자발적으로 일으킬 수 있는 촉매 대상물질로 Fe, Cu, Ni 및 Co 4종류의 전이금속이 선택되었다. 이들 전이금속 촉매들은 산소가 없는 반응가스 조성에서 산화수은의 원소수은으로의 환원반응에 대해 높은 활성을 보였다. 그러나 산소가 존재하는 경우 환원활성이 크게 감소하는데 이는 산소에 의해 해당 전이금속이 산화수은 환원 활성이 낮은 전이금속산화물로 변환되기 때문이다. 반응가스에 산소가 존재하여도 수소를 공급하면 산화수은 환원 활성이 크게 증가되는데 이는 산화수은의 환원반응이 진행되는 고온에서 산소와 수소 사이의 연소반응에 의해 산소가 소모되기 때문으로 확인되었다. Fe를 환원촉매로 하고 배기가스에 수소를 공급하는 산화수은 환원촉매시스템은 SnCl₂ 수용액을 사용하는 습식화학 환원기술에 필적할 수준의 활성을 나타내기 때문에 상업적으로 적용 가능한 산화수은 환원시스템으로 기대된다. This study was aimed to develop catalytic system for the dry-based reduction of oxidized mercury (Hg<SUP>2+</SUP>) to elemental mercury (Hg<SUP>0</SUP>) which is one of the most important components comprising mercury continuous emission monitoring system (Hg-CEMS). Based on the standard potential in oxidation-reduction reaction, transition metals including Fe, Cu, Ni and Co were selected as possible candidates for catalyst proceeding spontaneous reduction of Hg<SUP>2+</SUP> into Hg<SUP>0</SUP>. These transition metal catalysts revealed high activity for reduction of Hg<SUP>2+</SUP> into Hg<SUP>0</SUP> in the absence of oxygen in reactant gases. However, their activities were greatly decreased in the presence of oxygen, which was attributed to the transformation of transition metals by oxygen to the corresponding transition metal oxides with less catalytic activity for the reduction of oxidized mercury. Hydrogen supplied to the reactant gases significantly enhanced Hg<SUP>2+</SUP> reduction activity even in the presence of oxygen. It might be due to occurrence of combustion reaction between H₂ and O₂ causing the consumption of O₂ at such high reaction temperature at which oxidized mercury reduction reaction took place. Because the system showed high activity for Hg<SUP>2+</SUP> reduction to Hg<SUP>0</SUP>, which was compatible to that of wet-chemistry technology using SnCl₂ solution, the catalytic reduction system of Fe catalyst with the supply of H₂ could be employed as a commercial system for the reduction of oxidized mercury to elemental mercury.

펜톤 슬러지 내 철 이온 전환을 위한 환원제 비교 평가

김유경 ( Yu-kyung Kim ),이선주 ( Sun-ju Lee ),서인석 ( In-seok Seo ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2017 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2017 No.-

고도산화공정(Advanced Oxidation Process, AOP) 중 하나인 펜톤 산화법은 과산화수소(H₂O₂)와 2가철 이온(Fe²⁺)이 반응하여 OH 라디칼을 생성함으로써 OH 라디칼의 강한 산화력으로 유기물을 분해하는 방법이다. 펜톤 산화는 다양한 유기물과의 높은 반응성을 지닌다는 점과 생물학적으로 분해가 어려운 물질을 산화·분해시켜 생물학적 처리가 가능하도록 한다는 등의 장점을 지니고 있다. 그러나 펜톤 산화는 유기물과의 반응 후 펜톤 슬러지를 부산물로 다량 생성하기 때문에 발생된 슬러지를 처리하는 공정이 추가적으로 요구된다. 또한, 펜톤 슬러지는 원수에 따라 다량의 난분해성 물질과 철염 등을 함유하고 있기 때문에 처리하는 방법이 까다롭다. 펜톤 슬러지는 주로 매립으로 처리하였으나 매립지 크기의 한계 및 수명 단축, 비싼 처리비용 등의 문제가 뒤따르기 때문에 이에 대한 대책이 필요한 실정이다. 이러한 펜톤 슬러지를 처리하고자 다양한 연구가 진행되고 있다. 그 중 펜톤 슬러지를 촉매, 응집제 등으로 재이용하는 연구가 각광받고 있다. 한 연구는 펜톤 슬러지를 산에 용해하여 그대로 펜톤 산화 공정에 사용하는 방법과 산에 용해하여 환원을 거친 후 펜톤 산화 공정에 사용하는 방법을 비교하였다. 재생 횟수를 고려했을 때 환원을 거친 펜톤 슬러지가 효율적인 촉매 역할을 한다고 나타났다. 또한, 대부분의 펜톤 슬러지 환원은 철편을 사용한 것으로 나타났다. 그러나 철편을 사용할 경우, 기존 펜톤 슬러지가 가지고 있는 총 철의 농도에 영향을 미칠 뿐만 아니라 회수하는 것 또한 어려움이 있다. 본 연구는 환원제를 사용하여 펜톤 슬러지 내 철 이온을 전환함으로서 펜톤 산화용 철 촉매로 재이용하고자 하는 기초연구이다. 본 연구에서는 다양한 황 계통의 환원제를 사용하여 펜톤 슬러지 내 철 이온 형태를 Fe³⁺에서 Fe²⁺로 전환하고 각각의 환원제 별로 철 이온 전환 정도를 비교하여 최적의 환원제를 찾고자 하였다. 본 연구에서 사용한 환원제는 Sodium sulfite (Na₂SO₃), Potassium sulfite (K₂SO₃), Sodium bisulfite (NaHSO₃)로 총 3가지이다. 본 연구는 ‘D’ 산업용수센터에서 발생하는 RO 농축폐수를 펜톤 산화로 처리한 후 부산물로 생성되는 펜톤 슬러지를 대상으로 실시하였다. 펜톤 슬러지는 황산을 사용하여 용해액 상태로 전환하여 실험에 사용 하였다. 슬러지 용해액 1 L를 기준으로 각각의 환원제를 0.5 g씩 투입 후, 2 시간까지의 철 이온 농도 변화를 살펴보았다.

펜톤 슬러지 내 철 이온 전환을 위한 환원제 비교 평가

김유경,이선주,서인석 한국폐기물자원순환학회 2017 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2017 No.11

고도산화공정(Advanced Oxidation Process, AOP) 중 하나인 펜톤 산화법은 과산화수소(H2O2)와 2가철 이온(Fe2+)이 반응하여 OH 라디칼을 생성함으로써 OH 라디칼의 강한 산화력으로 유기물을 분해하는 방법이다. 펜톤 산화는 다양한 유기물과의 높은 반응성을 지닌다는 점과 생물학적으로 분해가 어려운 물질을 산화・분해시켜 생물학적 처리가 가능하도록 한다는 등의 장점을 지니고 있다. 그러나 펜톤 산화는 유기물과의 반응 후 펜톤 슬러지를 부산물로 다량 생성하기 때문에 발생된 슬러지를 처리하는 공정이 추가적으로 요구된다. 또한, 펜톤 슬러지는 원수에 따라 다량의 난분해성 물질과 철염 등을 함유하고 있기 때문에 처리하는 방법이 까다롭다. 펜톤 슬러지는 주로 매립으로 처리하였으나 매립지 크기의 한계 및 수명 단축, 비싼 처리비용 등의 문제가 뒤따르기 때문에 이에 대한 대책이 필요한 실정이다. 이러한 펜톤 슬러지를 처리하고자 다양한 연구가 진행되고 있다. 그 중 펜톤 슬러지를 촉매, 응집제 등으로 재이용하는 연구가 각광받고 있다. 한 연구는 펜톤 슬러지를 산에 용해하여 그대로 펜톤 산화 공정에 사용하는 방법과 산에 용해하여 환원을 거친 후 펜톤 산화 공정에 사용하는 방법을 비교하였다. 재생 횟수를 고려했을 때 환원을 거친 펜톤 슬러지가 효율적인 촉매 역할을 한다고 나타났다. 또한, 대부분의 펜톤 슬러지 환원은 철편을 사용한 것으로 나타났다. 그러나 철편을 사용할 경우, 기존 펜톤 슬러지가 가지고 있는 총 철의 농도에 영향을 미칠 뿐만 아니라 회수하는 것 또한 어려움이 있다. 본 연구는 환원제를 사용하여 펜톤 슬러지 내 철 이온을 전환함으로서 펜톤 산화용 철 촉매로 재이용하고자 하는 기초연구이다. 본 연구에서는 다양한 황 계통의 환원제를 사용하여 펜톤 슬러지 내 철 이온 형태를 Fe3+에서 Fe2+로 전환하고 각각의 환원제 별로 철 이온 전환 정도를 비교하여 최적의 환원제를 찾고자 하였다. 본 연구에서 사용한 환원제는 Sodium sulfite (Na2SO3), Potassium sulfite (K2SO3), Sodium bisulfite (NaHSO3)로 총 3가지이다. 본 연구는 ‘D’ 산업용수센터에서 발생하는 RO 농축폐수를 펜톤 산화로 처리한 후 부산물로 생성되는 펜톤 슬러지를 대상으로 실시하였다. 펜톤 슬러지는 황산을 사용하여 용해액 상태로 전환하여 실험에 사용하였다. 슬러지 용해액 1 L를 기준으로 각각의 환원제를 0.5 g씩 투입 후, 2 시간까지의 철 이온 농도 변화를 살펴보았다.

A Chemical Reaction Calculation and a Semi-Empirical Model for the Dynamic Simulation of an Electrolytic Reduction of Spent Oxide Fuels

박병홍,허진목,이한수 한국방사성폐기물학회 2010 방사성폐기물학회지 Vol.8 No.1

고온 용융염 전해환원 공정은 후행핵연료 주기의 대안 공정인 파이로공정의 산화물 사용후핵연료의 확대 를 위해 필수적인 공정이다. 사용후핵연료는 다성분 산화물로 이루어져 있으며 각 산화물은 전해환원 공정 에서 화학적 특성에 따라 산소를 잃게 된다. 본 연구에서는 건식분말화 공정 이후 전해환원 반응기에 도입되 는 사용후핵연료 조성을 기준으로 각 금속-산소 시스템을 독립적인 이상고용체로 가정하여 전해환원 반응거동을 계산하였다. 전해환원을 Li의 환원과 이어지는 Li과의 화학반응의 결합으로 산정하여 U을 비롯한 금 속 환원 거동을 계산하였다. 계산결과 대부분의 산화물들은 전해환원 공정에 의해 금속으로 전환되는 것으 로 예상되었다. 란타나이드 원소들의 경우 Li2O의 농도가 낮아지면 금속 전환율이 높아지나 대부분 산화물로 존재하는 것으로 나타났다. 추가적으로 U3O8의 전해환원 거동에 대해 Li의 확산과 Li과의 화학반응을 고려하 여 반실험적 모델이 제시되었다. 실험데이터를 활용하여 매개변수를 결정하였으며 시간에 대한 환원율 및 전류에 대한 99.9% 환원 시간을 계산하였다.

미생물 기원 맥키나와이트의 산화 및 용해 특성 연구

이승엽 ( Seung Yeop Lee ),백민훈 ( Min Hoon Baik ),정종태 ( Jong Tae Jeong ) 한국광물학회 2012 광물과 암석 (J.Miner.Soc.Korea) Vol.25 No.3

토양 및 지하수 등의 혐기성환경에 서식하는 황산염환원박테리아의 활동으로 생성되는 맥키나 와이트가 용존산소에 의해 산화 및 용해되는 특성을 관찰하였다. 오염지역에 산화지하수 유입에 의한 용존산소량 증가로 인해 안정화된 핵종들(예: 환원우라늄)이 산화 및 용해되는 상황에서 일반적으로같이 공존하는 황화광물의 역할을 알아보고자 하였다. ``디설퍼비브리오 디설프리칸스(Desulfovibrio desulfuricans)``라는 황산염환원박테리아가 만든 맥키나와이트를 ``과산화수소수``와 ``아질산나트륨``으로 산화시키면서 발생되는 광물 용해 현상을 약 2주 동안 관찰하였다. 산화제의 종류에 따라 시료의 광물학적 산화 및 용해 반응 특성은 달랐으나, um 크기의 황화광물 입자들에 의한 용존산소의 소모와 그에 따른 황산염 농도의 증가로 인해 산화수가 초기에 안정화되었다. 이와 같은 결과로부터 알 수 있는 사실은, 황산염환원미생물에 의해 다량 만들어지는 황화광물이 지하수의 산소를 소모시켜 환원 환경의 교란을 예방할 뿐만 아니라 버퍼물질로써 환원/침전된 핵종들의 장기 안정화에 상당한 기여를 할 것으로 예상된다. We observed characteristic oxidation and dissolution phenomena induced by dissolved oxygen for mackinawite that is produced via sulfate-reducing bacteria (SRB) living in anaerobic environments such as soils and groundwater. We tried to recognize the role of the sulfide minerals that usually coexist with some stabilized radionuclides (e.g., reduced uranium), which can be reoxidized and redissolved by an oxygen-rich groundwater invaded into a contaminated area. The mackinawite produced by ``Desulfovibrio desulfuricans``, a sulfate-reducing bacterium, was conducted to be dissolved for 2 weeks by some oxidants such as ``hydrogen peroxide`` and ``sodium nitrite``. Although mineralogical oxidation and dissolution characteristics were different from each other according to the oxidants, the initially oxidized solution was early stabilized through the oxygen consumption by um-sized sulfide particles and the resultant increase of sulfate in solution. From these results, we can anticipate that the large amount of sulfide minerals generated by SRB can not only repress the anoxic environment to be disturbed by the consumption of oxygen in groundwater, but also contribute to stabilize the reduced/ precipitated radionuclides as a buffer material for a long time.

금속환원미생물에 의한 수용액의 산화/환원전위 변화 및 생합성 맥키나와이트의 역할

이승엽 ( Seung Yeop Lee ),오종민 ( Jong Min Oh ),박민훈 ( Min Hoon Baik ),이용재 ( Yong Jae Lee ) 한국광물학회 2011 광물과 암석 (J.Miner.Soc.Korea) Vol.24 No.4

토양 하부 및 지하수에 생존하고 있는 미생물들이 지하수의 산화/환원전위 변화에 관여하는 사실을 알아보기 위해 미생물들을 주입한 수용액의 시간별 Eh 변화량을 측정하였다. 황산염환원 미생물이 주입된 경우 수용액의 Eh값이 5일 만에 -120 mV에서 -500 mV까지 떨어졌으며, 실험 결과 디설프리칸스 세균이 불가리스 세균보다 수용액을 환원하는 능력이 상대적으로 좋았다. 철환원 미생물인 스와넬라 세균의 경우 Eh값이 황산염환원 세균보다 조금 높은 -400 mV를 보여 주었다. 금속환원미생물에 의해 수용액의 Eh값이 떨어지는 동안 용존 황산염 혹은 산화철이 환원되고 맥키나와이트(FeS)라는 황화광물이 형성되기 시작하였다. 이러한 실험 결과를 바탕으로 일반 지하수의 산화/환원전위는 그 지하수에 생존하고 있는 지하미생물들의 대사 활동에 많은 영향을 받고 있다는 사실과 극환원된 지하수 및 생기원 황화광물들이 풍부한 지하 환경은 산화 핵종들이 환원된 형태로 침전되어 핵종 이동이 억제될 가능성이 높은 곳으로 판단된다. In order to identify if bacteria surviving in soils and groundwater can change the oxidation/reduction potential of groundwater, Eh values of solution that contained bacteria were measured for 2 weeks. The Eh values of the solution reacted with sulfate-reducing bacteria decreased from -120mV to -500 mV in 5 days, and Desulfuricans was superior to Vulgaris in reducing the solution. The Eh value was relatively higher for the solution containing Shewanella, iron-reducing bacteria, showing-400 mV. During the Eh decrease by the metal-reducing bacteria, a sulfide mineral such as mackinawite (FeS) started precipitating through the microbial reducing process for sulfate and ferric iron. These results show that the ORP of natrual groundwater may be sensitive to the geomicrobial respiration. In addition, a subsurface environment where groundwater is highly reduced and sulfide minerals are largely biogenerated may be a good place to retard the migration of oxidized radionu-clides by making them precipitated as reduced forms.

일반고와 과학고 학생들의 정신용량과 산화 환원 개념의 이해도가 산화 환원 반응식 완결에 미치는 영향

최병순,김충호,이상권,Choe, Byeong-Sun,Kim, Chung-Ho,Lee, Sang-Gwon 대한화학회 2002 대한화학회지 Vol.46 No.4

이 연구의 목적은 일반고와 과학고 학생들의 정신용량과 산화 환원 개녀 이해 정도가 산화 환원 반응식 완결 문제의 성취도에 미치는 영향을 분석하여 이러한 화학문제 해결에 대한 효과적인 학습 지도 방안 마련에 도움을 주고자 하는데 있다. 이를 위해 일반고 학생92명과 과학고 학생 57명을 연구대상으로 선정하여 정신용량검사, 산화 환원 개념 검사, 산화 환원 반응식 완결 검사를 실시하고 성취도를 미치는 영향을 분석하였다. 일반고 학생들은 정신용량이 클수록 산화 환원반응식 완결에서의 성취도가 증가하는 경향을 보였으나 과학고 학생들은 정신용량에 따른 성취도 차이가 없었다. 산화 환원개념 이해 정도를 분석한 결과, 일반고 학생들은 개념 이해 정독 전반적으로 매우 낮았으나 과학고 학생들은 비교적 높았다. 일반고 학생들은 개념을 부분적으로 이해한 학생들의 성취도는 개념을 이해하지 못한 학생들의 성취도보다 높게 나타났고 개념을 이해하지 못한 학생들은 정신용량이 클수록 성취도가 증가하였다. 과학고 학생들은 개념 이해 정도가 높을수록 성취도가 높게 나타났다. 산화 환원 개념을 완전하게 이해한 학생은 일반고와 과학고에 관계없이 그리고 문항 유형에 관계없이 높게 성취도를 나타냈음을 알 수 있었다 The purpose of this study was to analyze the influence of mental capacity and understanding of the oxi-dation-reduction concepts on the completion of the balancing redox equations. Participants were 92 senior high school students and 57 science high school students. Tests were conducted to measure the mental capacity, the understanding of the oxidation-reduction concepts and the completion of the balancing redox equations and the influence on the per-formance was analyzed. The performance of the senior high school students increased as the mental capacity increased, but the performance of science high school students did not change by mental capacity. Most of senior high school stu-dents couldn't understand the oxidation-reduction concepts well. Most of science high school students, however, under-stood the concepts completely and partially. The students who had a good understanding of the oxidation-reduction concepts showed a good performance for both senior and science high school students, regardless of the problem pattern.

토착미생물의 생지화학적 활동에 의한 지하수의 산화/환원전위 변화 특성

이승엽,노열,정종태,Lee, Seung Yeop,Roh, Yul,Jeong, Jong Tae 대한자원환경지질학회 2014 자원환경지질 Vol.47 No.1

중금속류나 방사성 물질로 오염된 지하수를 원위치에서 처리(정화 혹은 고정화)하고자 할 때, 반드시 고려해야 할 지화학적 요소 중의 하나는 지하수의 산화/환원전위 값이다. 우리는 생지화학적 작용에 의한 현장 지하수의 산화/환원전위 변화 특성을 알아보기 위해 실험실 조건에서 한국원자력연구원의 심부지하수를 대상으로 전자공여체(젖산), 전자수용체(황산염) 및 토착미생물을 주입하여 시간별로 산화/환원전위 변화를 관찰하였다. 질소가스-충전 글로브박스에 있는 순수 지하수는 시간이 경과함에 따라 미약한 Eh 상승(약산화)이 있었다. 하지만, 젖산, 황산염 혹은 미생물이 주입된 지하수 대부분의 Eh는 감소(환원)하는 특성을 보여주었다. 특히, 국내 토착 황산염환원미생물인 '바쿨라텀'이 주입되었을 때, 지하수의 Eh가 -500 mV 근처까지 감소하여 강환원성 지하수로 바뀌었다. 이처럼 일반 금속환원박테리아에 비해 황산염환원박테리아의 지하수 환원화 능력이 매우 우수함에도 불구하고, 용존 황산철을 필요로 하였고 최종적으로 황화광물(예; 맥키나와이트)이 생성되면서 추후 반응에 관한 예측을 어렵게 하였다. 결과적으로, 미생물 외에도 미량의 영양물질 주입 여하에 따라 지하수의 산화/환원전위가 크게 달라졌으며, 이는 산화/환원전위의 영향을 받는 용존 오염 물질의 산화수, 용해도 및 수착 등의 특성들이 생물자극법에 의해 바뀌거나 조절될 수 있음을 의미한다. As we are trying to in-situ treat (purify or immobilize) heavy metals or radionuclides in groundwater, one of the geochemical factors to be necessarily considered is the value of oxidation/reduction potential (ORP) of the groundwater. A biogeochemical impact on the characteristic ORP change of groundwater taken from the KAERI underground was observed as a function of time by adding electron-donor (lactate), electron-acceptor (sulfate), and indigenous bacteria in a laboratory condition. There was a slight increase of Eh (slow oxidation) of the pure groundwater with time under a $N_2$-filled glove-box. However, most of groundwaters that contained lactate, sulfate or bacteria showed Eh decrease (reduction) characteristics. In particular, when 'Baculatum', a local indigenous sulfate-reducing bacterium, was injected into the KAERI groundwater, it turned to become a highly-reduced one having a decreased Eh to around -500 mV. Although the sulfate-reducing bacterium thus has much greater ability to reduce groundwater than other metal-reducing bacteria, it surely necessitated some dissolved ferrous-sulfate and finally generated sulfide minerals (e.g., mackinawite), which made a prediction for subsequent reactions difficult. As a result, the ORP of groundwater was largely affected even by a slight injection of nutrient without bacteria, indicating that oxidation state, solubility and sorption characteristics of dissolved contaminants, which are affected by the ORP, could be changed and controlled through in-situ biostimulation method.

일반고와 과학고 학생들의 정신용량과 풀이 방법에 따른 산화 환원 반응식 완결 과정의 특성

김충호,이상권,Kim, Chung-Ho,Lee, Sang-Gwon 대한화학회 2002 대한화학회지 Vol.46 No.4

이 연구의 목적은 일반고와 과학고 학생들의 정신용량과 풀이 방법에 따른 산화 환원 반응식 완결 과정의 특성을 분석하여 산화 환원 단원의 교수학습 지도에 시사점을 얻고자 하는데 있다. 일반고 학생 79명과 과학고 학생 57명을 대상으로 하여 정신요량 검사, 산화 환원 반응식 완결 검사를 실시하였으며, 문항 유형별로 학생들의 문제 풀이 실패 유형과 성공 유형을 추출하여 분석틀을 개발하고 개발한 분석틀에 의하여 정신용량과 풀이 방법에 따라 실패 사례와 성공 사례를 분석하여 나타나는 특징을 알아보았다. 일반고 학생들과 과학고 학생들 모두 산화 환원 개념 이해 정도가 낮을수록 미정계수법을 많이 선택하였으며 미정계수법을 선택한 학생들은 정신용량이 클수록 문제 풀이의 성공률이 높았다. 또한, 산화 환원 개념 이해 정도가 높은 학생들은 산화수법이나 이온 자법을 더 많이 선택하였고 정신용량에 관계없이 문제 풀이의 성공률이 높게 나타났다. 학생들의 풀이 과정을 분석한 결과 성공 유형은 산화 환원의 개념 이해 정도가 높고 풀이 방법에 관계없이 풀이 단계 수를 줄이 학생들이었다. 실패 유형은 물이 방법에 따라 다르게 나타났다. 미정계수법을 선택한 학생들의 실패 유형은 계산 과정 중 틀린 경우, 미정방정식을 잘못 세운 경우 문제 풀이 과정중 고려해야 할 변인을 모두 고려하지 못한 경우 풀이 과정이 복잡하여 중단한 경우였다. 산화수법을 선택한 학생들의 실패 유형은 산화수를 잘못 결정한 경우 질량균형 또는 전하균형을 고려하지 않은 경우였다. In this study, characteristics of the problem solving process of the balancing redox equations was ana-lyzed by mental capacity and problem solving methods, and the pertinent teaching and learning guidance for oxidation-reduction unit was suggested. Participants were 79 senior high school students and 57 science high school students. Tests were conducted to measure the mental capacity, the understanding of the oxidation-reduction concepts and the com-pletion of the balancing redox equations. The framework was made to find the patterns of failure and success. As the analysis of the influence on the performance of mental capacity,understanding of the oxidation-reduction concepts, and problem solving methods, students who had lower understanding of oxidation-reduction concepts selected the trial and error method, and their performance were influenced by mental capacity. The students that had higher understanding of the oxidation-reduction concepts had good performance by using oxidation number method regardless of their mental capacity. As the results of analysis for the patterns, the success patterns of solving the problems, those of mostly the sci-ence high school students, were the cases of using oxidation number method well and lessening problem solving steps. The patterns of failure in solving problems by using trial and error method showed that students had mistakes in cal-culating, errors in making unknown equations, no consideration for all variables, or stopped solving the complicated problems. The patterns of failure in solving problems by using oxidation number method showed that many students had wrong oxidation number or no consideration for mass and charge balance.

흑운모 및 황철석에 의한 6가 크롬의 환원 반응속도와 반응기작

전철민,김재곤,문희수 대한자원환경지질학회 2003 자원환경지질 Vol.36 No.1

본 연구에서는 황철석과 흑운모를 이용한 회분식반응조실험(batch reactor experiment)을 통하여 수용성 Cr(Ⅵ)의 제거 및 반응속도를 살펴보았으며 이에 따른 산화환원 반응기작을 고찰하였다. 황철석 실험군이 흑운모실험 군에 비해 산화환원반응속도가 100배정도 빨랐으며, pH 3의 실험군이 pH 4 실험군에 비해 Cr(III)으로의 환원반응속도가 빠르게 나타났다. 황철석 실험군에서 Cr(Ⅵ) 초기농도치 90%이상이 제거되는데 걸리는 시간은 pH가 4일때 4시간, pH가 3일 때 40분 이내였다. 반면에, 흑운모 실험군의 경우 pH가 3인 조건에서도 Cr(Ⅵ) 초기농도의 90%이상이 제거되는데 400시간 이상이 걸렸다. 모든 조건에서 Cr(III)치 농도는 초기에 증가하는 경향을 보이다가 일정시간이 지나면 안정한 농도로 고정되었다. 산성의 반응용액에서 Cr(Ⅵ)의 환원반응속도는 이 두 광물이 포함하고 있는 2가 철의 해리속도와 관련이 있음을 의미한다. pH 4의 조건인 실험군에서는 용액 내 Cr(Ⅵ)이 Cr(III)으로 환원되고 Fe(II)가 Fe(III)로 산화된 후, (Cr, Fe)(OH)$_3$$_{ (s)}$와 같은 침전물을 생성하여 상대적으로 용액내 Cr(III)과 Fe(III)농도가 낮은 것으로 여겨진다. pH 3의 실험군을 화학양론적 고찰하였으며, 흑운모의 실험에서는 수용성 Fe(II)의 감소된 양과 Cr(Ⅵ)의 환원된 양의 이론적인 몰비가 [3Fe(II) : 1Cr(Ⅵ)]임에도 그 몰 비가 약 1:1로서 1 mole의 Cr(Ⅵ)을 환원시키는데 Fe(II)이 적게 소비되었으며, 이는 광물에서 해리되는 Fe(II)에 의한 Cr(Ⅵ)의 환원뿐만 아니라 흑운모 구조 내 Fe(II)이 용액 내 Fe(III) 이온을 Fe(II) 이온으로 환원시키는 불균질산화환원반응이 발생하고 이 반응으로 생성된 Fe(II) 이온이 다시 Cr(Ⅵ)의 환원반응에 기여하였기 때문이다. 그러나 황철석 실험의 경우, 그 몰비가 약 2.90:1 로서 3에 가까우며, 이는 황철석의 빠른 산화를 통하여 급속한 Fe(II) 이온이 공급됨으로서 Cr(Ⅵ)의 환원반응이 이론적 화학양론의 반응 몰비에 부합한 결과를 보인 것으로 판단된다. The removal of chromate from aqueous solution using finely ground pyrite and biotite was investigated by batch experiments and the kinetics and the mechanism of chromate reduction were discussed. The chromate reduction by pyrite was about hundred times faster than that by biotite and was also faster at pH 3 than at pH 4. When pyrite was used, more than 90% of initial chromate was reduced within four hours at pH 4 and within 40 min. at pH 3. However, more than 400 hours was taken for the reduction of 90% of initial chromate by biotite. The results indicate that the rate of chromate reduction was strongly depending on the amount of Fe(II) in the minerals and on the dissolution rate of Fe(II) from the minerals. The reduction of chromate at pH 4 resulted in the precipitation of (Cr, Fe)(OH))$_3$$_{ (s)}$, which is believed to have limited the concentrations of dissolved Cr(III) and Fe(III) to less than expected values. When biotite was used, amounts of decreased Fe(II) and reduced Cr(Ⅵ) did not show stoichiometric relationship, which implying there was not only chromate reduction by ferrous ions in the acidic solution but also heterogeneous reduction of ferric ions by the structural ferrous iron in biotite. However, the results from a series of the experiments using Pyrite showed that concentrations of the decreased Fe(II) and the reduced Cr(Ⅵ) were close to the stoichiometric ratio of 3:1. It was because the oxidation of pyrite rapidly created ferrous ions even in oxygenated solutions and the chromate reduction by the ferrous ions was significantly faster than ferrous ion oxygenation.