금속산화물의 물리화학적 특성이 지하수 내 비소흡착 특성에 미치는 영향 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 금속산화물을 이용하여 중공사 형태 담체를 제조하여 기존에 사용하던 흡착 담체보다 흡착효율 및 경제성 면에서 우수한 담체를 제조하고자 하였다. 이에 따라 1) 비소 흡착 성능이 우수한 금속산화물을 선정하고, 물리화학적 특성과의 상관관계를 확인하였으며, 2) 그 중 우수한 금속산화물을 이용하여 다양한 기공을 보유한 중공사 형태의 흡착제를 제조하였다. 3) 다음은 중공사 담체를 이용한 컬럼 실험을 통하여 실 공정 적용 시 공상체류시간의 최적 조건을 도출하였다.
금속산화물 중 우수한 성능을 나타내는 금속산화물은 티타니아(TiO2)와 마그네타이트(Fe3O4)였으며, 표면 전자밀도에 의한 산점 형성도에 따라 그 성능이 달라지는 것을 확인하였다. 이에 가장 우수한 성능을 나타내는 티타니아를 선정하여 중공사 형태의 흡착제를 제조하였으며, 다양한 형태의 기공이 존재함에 따라 그 성능이 우수하여 기존 상용흡착제보다 우수한 성능을 나타내었다. 타 이온이 포함된 실제 지하수에서는 그 성능이 더욱 부각되었다. 또한 실험실 규모의 컬럼 실험을 이용하여 지하수이용 상수도 시설 적용 시 필요한 공상체류시간(EBCT) 및 담체 파과점을 도출하였다.
본 연구에서 기존과 다른 새로운 형태의 중공사 흡착제는 추후 실공정에 적용되어 우수한 경제성과 흡착성능을 보유한 공정기술로써 적용될 수 있을 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aimed to manufacture a hollow fiber-formed carrier, which has greater absorption efficiency and economic feasibility than existing adsorption carriers, using metal oxides. For this study, 1) metal oxides with great arsenic adsorption performance were selected and the correlation with physical-chemical properties was examined. 2) Among them, excellent metal oxides were used in manufacturing a hollow fiber-formed absorbent with diverse pores. 3) Next, optimum conditions of empty bed contact time for application to a real process were extracted by conducting a column experiment using a hollow fiber carrier. Among various metal oxides, titania(TiO2) and magnetite(Fe3O4) showed excellence performance and their performance depended on the formation of acid sites caused by surface electron density. Based on this finding, using titania(TiO2) with the greatest performance, a hollow fiber-formed absorbent was manufactured and this showed greater performance than existing commercial absorbents due to various forms of pore. In real underground water containing other ions, its performance stood out more. Also, a lab-scale column experiment was carried out to obtain empty bed contact time(EBCT) and carrier break-through point required for application to water supply facilities using underground water. It is considered that the new hollow fiber-formed absorbent developed in this study can be applied to a real process in the future, as a process technology with excellent economic feasibility and absorption performance.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 1
• 1.1.1 비소의 유독성 및 문제점 1
• 1.1.2 지하수 내 비소 제거의 필요성 2
• 1.2 연구목적 및 내용 4
• 제 2 장 문헌고찰 7
• 2.1 비소의 물리화학적 특성 7
• 2.2 비소 제거 연구 동향 13
• 2.2.1 비소 제거 공정 기술 현황 13
• 2.2.2 비소 흡착 공정 기술 현황 17
• 2.3 비용매유도 상전이법을 이용한 중공사 제조원리 19
• 제 3 장 연구 방법 23
• 3.1 연구내용 및 절차 23
• 3.2 연구 방법 23
• 3.2.1 본 연구에 적용된 흡착제 제조 방법 23
• 3.2.2 흡착제의 물리화학적 특성 분석 26
• 3.2.3 회분식 반응에서의 비소 흡착성능 평가 실험 방법 28
• 3.2.4 순환류식 반응에서의 비소 흡착성능 평가 실험 방법 31
• 3.3 비소 분석 33
• 3.3.1 비소 분석 방법 33
• 3.3.2 비소 분석을 위한 표준곡선 33
• 제 4 장 연구결과 및 고찰 35
• 4.1 회분식 반응기 내 금속 산화물들의 비소 흡착 성능 35
• 4.1.1 분말 형태 금속산화물들의 비소 흡착 성능 35
• 4.1.1.1 담체 파과점 평가 35
• 4.1.1.2 다양한 금속산화물 분말의 흡착반응 특성 분석 37
• 4.1.1.3 금속산화물 분말의 표면 흡착 구조 분석을 통한 흡착 메커니즘 도출 55
• 4.1.1.4 담체 표면 전자밀도 제어를 통한 성능 극대화 연구 63
• 4.1.1.5 금속산화물 표면전하 상태에 따른 흡착 특성 분석 70
• 4.1.2 담체 형태에 따른 비소 흡착 성능 78
• 4.1.2.1 담체 형태에 따른 비소 제거 성능 평가 78
• 4.1.2.2 담체 형태에 따른 흡착반응 특성 분석 83
• 4.1.2.3 다양한 이온이 비소 흡착에 미치는 영향 93
• 4.1.2.4 비소 산화 상태에 따른 흡착 성능 98
• 4.2 EBCT 컬럼을 통한 순환류 공정에서의 비소 흡착 성능
• 평가 101
• 4.2.1 기존 흡착제를 이용한 비소 흡착 성능 101
• 제 5 장 종합결론 104
• 참고문헌 107
• Abstract 110