Geochemical studies on the use of scoria and steel slag for removal of heavy metals and arsenic in aqueous solutions

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

We conducted kinetic and equilibrium sorption experiments on removal of divalent heavy metals (Pb(II), Cu(II), Zn(II), Cd(II)) and trivalent arsenic (As(III)) from aqueous solutions by scoria (a vesicular pyroclastic rock with basaltic composition) from Jeju Island and steel slag (basic oxygen furnace slag: BOFS; an agglomerate generating during a steel manufacturing process) from the Pohang Iron & Steel Works, Korea, in order to its potential use as an efficient sorbent. The batch-type kinetic sorption tests under variable conditions indicated the removal efficiencies of heavy metals and arsenic except lead ion (Pb(II) by steel slag are slight higher than that by scoria. However, the hydration of slag composition during the tests provides a high pH (> 11) in the aqueous solutions. Careful examination of ionic concentrations in sorption batches suggests that for heavy metals the sorption behaviors onto scoria and steel slag are mainly controlled by cation exchange and precipitation with metal hydroxides, respectively, and for arsenic that are sensitive by physical adsorption onto hematite (minor composition in scoria) and calcium-arsenite precipitation, respectively. Equilibrium sorption tests show that the removal capacity of heavy metals onto scoria decreases when solution pH decreases because of the competition with hydrogen ions for sorption sites, while their removal capacity increases under higher pH conditions, likely due to hydroxide precipitation. Multi-component system with heavy metals and arsenic under variable conditions also show the arsenic removal efficiency increases with increasing metal hydroxide precipitates by the coprecipitation. The acquired kinetic sorption data are better fitted to the pseudo-second-order model than first-order model (Lagergren equation), and the equilibrium sorption data of heavy metals and arsenic onto scoria are well explained by the langmuir isotherm and the Freundlich isotherm, respectively. We recommend Jeju scoria as an economic and efficient sorbent for heavy metals and arsenic in contaminated water.

국문 초록 (Abstract)

제주도 내 널리 산재하는 다공질의 염기성암인 스코리아와 포항제철소의 제강슬래그의 흡착제로서의 사용가능성을 평가하기 위해 수용액내 중금속(납, 구리, 아연, 카드뮴) 및 비소에 대하여 평형, 비평형 배치 흡착실험을 실시하였다. 비평형 흡착실험을 통하여 제강슬래그의 납을 제외한 중금속 및 비소의 흡착제거효율이 다소 스코리아의 경우보다 높게 관찰되었으나, 반응 동안 제강슬래그의 구성광물은 수화반응을 통해 수용액의 pH를 11이상으로 증가시켰으며 이는 제 2의 수질오염을 야기할 수 있다. 스코리아와 제강슬래그의 중금속 및 비소의 흡착제거기작을 살펴보기 위해 반응 동안 중금속, 비소의 농도뿐 아니라 알칼리(토)금속의 농도 또한 측정되었으며, 중금속 흡착의 경우 스코리아는 ‘양이온 교환반응’에 의해 제강슬래그는 ‘중금속 수산화물의 침전’으로 설명될 수 있었다. 또한 비소의 제거는 스코리아의 경우 부구성광물인 ‘적철석의 물리적인 흡착’과 제강슬래그의 경우 고농도의 용출 칼슘에 의한 ‘칼슘-비소 화합물의 침전’ 기작에 의해 설명된다. 평형흡착실험을 통해 스코리아에 의한 중금속 제거는 산성인 환경에서는 수소이온의 경쟁흡착으로 비교적 그 효율이 낮게 관찰되었으나 알칼리 환경으로 진행될수록 그 제거효율이 중금속 수산화물의 침전 증가로 인해 다소 증가함을 알 수 있다. 중금속과 비소의 다성분계 실험에서는 단성분계 실험과 비교하였을 때 아연과 카드뮴의 제거효율이 납과 구리의 경쟁에 의해 다소 낮아짐을 관찰할 수 있었으며, 비소의 경우 중금속의 침전과 함께 ‘공침’함으로서 그 제거효율이 더욱 향상됨을 보였다. 비평형흡착실험의 결과는 1차의 흡착반응보다 2차 흡착반응식에 더욱 잘 부합되었으며, 평형흡착실험 결과를 통해 스코리아에 의한 중금속과 비소의 제거는 Langmuir 등온흡착식과 Freundlich 등온흡착식을 통해 설명할 수 있었다.