충전층 반응기에서 Sargassum thunbergii를 이용한 Pb 생체 흡착

조문철, 안갑환*, 서근학

부경대학교 화학공학과, 지산대학 환경관리과*

Biosorption of Pb by Sargassum thunbergii in Packed-Bed column

Moon-Chul Cho, Kab-Hwan Ahn*, Kuen-Hack Suh

Dept. of Chem. Eng. Pukyong National University,

Dept. of Environ. Sci. & Technol., Jisan College*

서론

최근 산업기술의 발달에 따른 중금속의 사용량은 해마다 증가하고 있으며, 이로 인한 환경오염이 날로 심각해져 폐수 내 중금속을 제거 또는 회수하기 위한 합리적이고 효과적인 기술이 환경 오염 방지와 부존 자원을 재활용한다는 견지에서 절실히 요구되고 있다.

기존의 중금속 제거 방법으로 증발법, 침전법 및 이온 교환 처리법 등 여러 가지가 있으나(1), 증발법 및 침전법은 장치가 간단하여 운전이 쉽지만 넓은 부지가 필요하고 저농도의 중금속 존재시 효율이 떨어지게 되며, 이온 교환 처리법은 처리 효율이 좋아 많이 사용되고 있지만 수중에 존재하는 여러 금속 이온들을 선택적으로 분리할 수 없으며, 이온 교환수지 자체가 고가이므로 비경제적인 단점이 있다(2).

상기 방법들의 단점을 해결할 수 있는 기술로 해조류나 미생물 같은 생체물질의 표면이나 내부로 중금속을 흡착 또는 축적시키는 방법인 생체흡착법을 이용한 중금속 제거 기술이 많은 관심을 모으고 있다(3). 생체흡착법을 이용한 중금속 제거 기술을 실제 산업현장에 적용하기 위해서는 연속적인 중금속 제거 및 회수 공정 개발이 반드시 이루어져야 한다. 생체흡착을 이용한 연속 반응기로는 연속 흐름 교반 반응기, 유동층 반응기 및 층전층 반응기 등이 있는데, 이 중에서도 충전층 반응기는 반응기내 편류(channeling) 현상과 충전층 내 압력강하가 생겨 반응기 효율이 감소하는 단점이 있으나, 입경이 큰 흡착제나 고정화시킨 흡착제를 사용하여 이를 해결할 수 있고 유출액에서 흡착제를 분리시키기 위한 별도의 공정이 필요 없으며 운전이 쉬운 장점이 있어 이를 이용한 연구가 많이 이루어지고 있다(4,5).

본 연구에서는 우리 나라 인근 해역에서 폭넓게 자생하고 있는 해조류인  Sagassum thunbergii를 생체흡착제로 하여 충전층 반응기에서 수력학적 체류시간(HRT)을 10분 및 5분으로 유지하였을 때 연속적인 Pb 흡착 실험과 0.1M HCl을 이용한 Pb 탈착 실험을 반복 수행하여 본 반응기를 Pb 제거 및 회수 공정으로 적용 가능한지를 검토하였다.

재료 및 방법

본 연구에 사용한 생체흡착제는 갈조류인 Sargassum thunbergii로서 우리나라 인근 해안에서 채취하여 건조시켜 분쇄 후에 사용하였으며, 충전층 반응기에는 bed내 압력강하를 최소로 하기 위하여 0.6mm 이상의 큰 입자만을 충전하였다. 충전층 반응기는 내경 12 mm, 높이 125 mm의 아크릴 관을 사용하였으며, 1시간 동안 팽윤시킨 흡착제 2g[건조기준]을 반응기에 자유낙하로 충전하고 50 mg/L의 Pb 용액을 공급하여 연속적인 제거 및 회수 실험을 수행하였다(Fig.1). 충전된 흡착제의 유출을 막기 위해 반응기의 양쪽 끝을 유리섬유와 고무마개로 막았으며, Pb 용액은 정량 펌프를 이용하여 반응기의 하부로부터 일정하게 공급하였다. 반응기에서 나오는 유출액은 시료수집기(GILSON FC204)를 이용하여 일정 시간 간격으로 취하여 Pb 농도를 측정하였다. 파과점을 지나 더 이상 Pb가 흡착되지 않으면, 흡착된 Pb의 회수를 위해 0.1M HCl을 흘려보냈고, 유출액에 Pb가 검출되지 않으면 회수 과정이 끝났다고 생각하고 탈이온수로 1시간 동안 세척한 후 다시 Pb용액으로 재흡착시켰다. 유입액은 수력학적 체류시간(HRT)을 10분 및 5분으로 유지하였고, 각 조건에서 흡착과 탈착 과정을 3회 반복 수행하여 연속적인 Pb 제거 및 회수 공정의 가능성을 판단하였다. Pb 용액의 농도 분석은 원자흡수분광계(Shimadzu AA-670)를 사용하였다.

Fig.  Schematic apparatus of Pb

removal and recovery process.

결과 및 고찰

S. thunbergii를 충전시킨 반응기에 50 mg/L Pb 용액을 하부로부터 연속적으로 공급하여 생체흡착 실험을 수행하고, 유입 Pb 농도와 유출 Pb 농도가 같어져 흡착이 완결되면 0.1M HCl 용액으로 흡착된 Pb를 회수한 후 탈이온수로 세척하고 다시 50 mg/L Pb 용액으로 재흡착 시키는 과정을 3회 반복 수행하여 그 결과를 Fig.1에 도시하였다. Fig.1에서 보듯이 HRT가 10분일 경우에는 50 mg/L의 Pb가 완전히 제거되는 구간은 1회 흡착에서 약 300 bed volume 정도이나, HRT 5분에서는 약 200 bed volume 정도로 10분 일때가 1.5배 높은 것을 알 수 있었고, 두 경우 모두 제거 및 회수 과정이 반복됨에 따라 bed volume은 서서히 감소하는 것으로 나타났다. 각 경우에 있어 Pb 흡착량을 비교해 보면(Fig.2), HRT 10분일 때 1회 흡착량은 165 mg Pb/g biomass으로 112시간 동안 계속되었고, 2회에서는 96시간 동안 130 mg Pb/g biomass을, 3회에서는 92시간 동안 120 mg Pb/g biomass을 흡착하여 1회 흡착에서 흡착량은 가장 많았으나 시간이 많이 소모되었고, 2회와 3회는 거의 차이가 없는 것으로 나타났다.

HRT 5분에서의 실험 결과를 보면, 매 회 Pb 흡착량이 112, 112 및 106 mg Pb/g biomass으로 HRT가 10분일 때 보다 흡착량은 약간 감소하였으나, 재흡착시 흡착량의 큰 감소가 없었으며 흡착 시간도 52, 46 및 42시간만 소모되는 것으로 나타나, HRT가 10분일 때보다는 5분일때보다는 효과적임을 알 수 있었다.

Fig.  Continuous process of the

removal of Pb by S. thunbergii.

Fig.  Time course of Pb uptake

capacity by S. thunbergii.

HRT 10분에서 Pb 제거 후에 0.1M HCl을 이용하여 회수하였을때 시간에 따른

유출액의 농도변화를 Fig.4에 도시하였다. Fig.4에서 보듯이 1회 회수시에는 최고 Pb 농도가 1500 mg/L정도이고 탈착 속도가 완만하여 회수가 다소 느리게 진행되는 반면, 2회와 3회 회수시에는 최고 Pb 농도가 약 3500 mg/L 정도이고 2시간  정도만에 회수 과정이 거의 끝나, 1회 회수와 2, 3회 회수때와는 약간의 차이가 있는 것으로 나타났다. 이는 S. thunbergii에 Pb가 결합함에 있어 1회 흡착시에는 cell 벽에 있는 -COOH, -OH 및 -PO4 등의 작용기와 Pb와의 결합 과정과 cell이 가지고 있던 Ca, Mg, Na 및 K 등의 금속과 Pb와의 이온 교환 과정을 통해 Pb가 강하게 결합하여 회수시 시간이 많이 필요하나, 강산을 이용한 회수 과정을 거치게 되면 chemical stress로 인해 작용기가 손상을 입게 되고 또한 탈착 과정 중 흡착된 Pb와 수소 이온이 이온 교환되어 2회때부터는 탈착이 쉽게 이루어져 회수가 빨라진 것으로 사료되었다. HRT를 10분으로 할 때의 회수율은 매회 96, 100 및 100%로 높게 나타났다.

Fig.5는 HRT 5분에서 50 mg/L의 Pb 용액을 연속적으로 제거시킨 후 0.1M HCl을 이용한 회수시 시간에 따른 유출액의 농도를 도시한 것이다. HRT 5분에서는 모든 경우에 약 1시간 정도만에 회수가 모두 이루어졌으나, 회수율은 매회 78, 100 및 100%였고 유출액의 최고 Pb 농도는 약 3500 mg/L로서, 3회까지의 회수 과정이 HRT 10분에서의 결과와는 약간 다른 것으로 나타났다. HRT 5분일 때 1회 회수시 회수가 완전히 이루어지지 않은 것은 흡착제의 작용기와 Pb의 결합을 끊을 시간이 충분하지 못했기 때문으로 사료되었다. 또한 HRT 10분과 5분에서의 유출액 농도는 유입 Pb 농도가 50 mg/L인 것을 고려한다면 매우 높은 값이므로 Pb의 연속적인 제거와 회수 과정을 통해 저농도의 폐수를 고농도로 농축도 가능함을 알 수 있었다.

Fig.  Time course of effluent Pb

on desorption step.

(desorption agent : 0.1M HCl

HRT : 10 min)

Fig.  Time course of effluent Pb

on desorption step.

(desorption agent : 0.1M HCl

HRT : 5 min)

참고 문헌

1. Thomas, E. H., Drew, P. O.: WPCF, 61(6), (1989)

2. Suh, J. H.: Biosorption of Lead to Saccharomyces cerevisiae and               Aureobasidium pullulans, Ph. D. Thesis, Dept. of Chem. Eng., Pusan          Nat. Univ., Pusan., (1997)

3. Volesky, B.: Biosorption of Heavy metals, CRC Press, 253-254(1990)

4. Zhao, M., Duncan, J. R.: Biotechnology Letters, 19(10), 953-955(1997)

5. Macaskie, L. E., Jeong, B. C., Tolley, M. R.: FEMS, 14, 351-368(1994)