적니에 의한 유해물질 흡착연구

김정식, 조창연, 이낙구, 배재흠

수원대학교 화학공학과

Adsorption of Hazardous Materials by Red mud

Jung-Sik Kim, Chang-Youn Cho, Nak-Gu Lee, Jae-Heum Bae

Depart. of Chemical Engineering, Suwon Univ.

서론

적니는 보오크사이트로 부터 수산화 알루미늄을 생산하는 과정중에 부산물로 발생하는 산업폐기물이다. 적니는 그동안 호주, 캐나다, 자마이카, 인도등 수산화 알루미늄을 생산하는 국가에 국한된 문제이었지만 96년도부터 우리나라 한국종합화학(주)에서 년산 215,000ton의 수산화알루미늄/알루미나 공장을 가동함에 따라 이의 활용연구가 필요한 실정이다. 그에 따라 우리나라에서는 생산기술연구원을 중심으로 적니를 벽돌로 활용하는 연구결과가 열매를 맺어 대불공단의 수산화 알루미늄 공장 인근에 벽돌공장이 현재 건설중에 있다. 그러나, 이렇게 만드는 벽돌의 수요도 한계가 있을 것으로 예상되어 보다 부가 가치가 높은 수요를 창출해야 할 시점에 있다. 이에 부응하여 본 연구에서는 적니를 흡착제로 활용가능성을 확인하기 위하여 산업폐수중에 함유 가능성이 높은 유해물질인 Cu2+, Pb2+, Cd2+ 등 중금속, Sr2+, Cs+, I- 등의 방사성물질, Phenol, o-Chlorophenol 등의 난분해성 물질의 흡착실험을 수행하였다.

이론

중금속 이온화합물은 pH변화에 따라 여러형태로 변화한다. 예를 들면 구리이온일 경우 pH에 따라 Cu2+, Cu(OH)+, Cu(OH)2(s), Cu2(OH)22+, Cu(OH)3-, Cu(OH)42- 형태로 변화한다. 이의 농도 변화는 질량수지식, 평형상수식을 세우고 Newton-Raphson method를 이용하여 비선형연립방정식을 풀어 각 성분의 농도를 구할 수 있다. 아직까지도 산업적으로 중금속이온 처리에 pH변화를 유도하여 처리하는 경우가 많은데 pH변화에 따른 중금속이온 형태를 알면 중금속처리에 도움이 될 수 있을 것이다.

어느 물질이 흡착제에 흡착하는 경우 흡착제양과 수용액중의 피흡착물질의 농도간에 일정한 관계가 있는 것으로 알려지고 있다. 대표적인 관계식으로 Langmuir흡착등온식과 Freundlich흡착등온식 등이있다.

실험

적니를 3회 세척후 직접 가열하여 수분을 제거후 흡착제로 사용하거나(Rd), 이를 염산으로 처리후 단순히 수분을 제거하여 사용하였고(Rad), 또한 염산처리한 적니를 열처리(200℃, 400℃, 600℃)하여 사용하였다(Ra200, Ra400, Ra600).

흡착 대상물질들은 시약을 물에 용해시켜 일정한 농도로 하여 사용하였고 Sr, Cs, I 는 단순히 이들 물질의 흡착경향을 파악할 목적으로 취급이 어려운 방사성물질 대신 비방사성물질을 사용하였다. 분석은 금속이온 농도인 경우 인 경우 voltameter, 수용액중의 전체 금속농도는 Atomic Absorption Spectrometer를 이용하였다. 또한 난분해성 유기물질은 UV-Vis Spectrometer, 그리고 I-분석은 ion meter를 사용하여 분석하였다.

결과 및 고찰

그림1에 pH변화에 따른 Cu2+의 농도 변화를 이론적으로 계산한 결과와 voltameter를 이용한 측정한 결과를 비교한 것으로 비교적 잘 일치함을 보여주고 있다. 그림2는 pH변화에 따른 수용액중의 구리화합물농도변화를 보여주고 있다. pH가 7 이하인 경우 Cu2+이 주성분이지만 pH가 8-11인 경우 Cu2+는 거의 존재하지 않고 Cu(OH)+, Cu(OH)2(s)이 주성분이며 pH가 11 이상에서는 Cu(OH)3-, Cu(OH)42-의 성분들이 주성분으로 등장함을 보여주고 있다. 그림 3, 4, 5, 6은 Cu2+, Sr2+, Cs+, o-chlorophenol의 초기 pH에 따른 적니의 흡착 변화를 보여주고 있다. 금속이온 흡착의 경우 적니를 세척 후 단순히 가열(105℃)하여 제조한 흡착제(Rd)가 적니를 산처리하여 제조한 흡착제(Rad, Ra400)보다 흡착성능이 좋은 것으로 나타났다. 특히 Cu2+의 경우 모든 pH에서 100% 이상의 흡착효율을 보여 주고 있다. 그에 비하여 o-chlorophenol인 경우 적니의 흡착성능이 좋지않고 다만 산처리후 저온가열하여 제조한 흡착제(Rad)가 타흡착제보다 흡착성능이 좋은 것으로 나타났다.

그림7은 Cu2+, Pb2+, Cd2+의 흡착성능을 Freundlich흡착등온선 형태로 도시한 것으로 비교적 잘 일치함을 보여주고 있다.

결론

금속이온흡착성능과 난분해성 유기화합물의 흡착성능의 실험결과 Cu2+, Pb2+, Cd2+ 등의 중금속 흡착성능이 양호하지만 Cs+, Sr2+, I- 그리고 난분해성 유기화합물의 흡착성능은 떨어짐을 보여주고 있다. 따라서 중금속이온 이외의 물질을 적니를 이용하여 제거하기 위해서는 적니의 개질이 필요할 것이다.