모자반을 이용한 Pb 및 Cr 생체흡착

조문철, 안갑환*, 서근학

부경대학교 화학공학과, 지산전문대학 환경관리과*

The Biosorption of Pb and Cr by Sargassum species

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

Dept. of Chem. Eng. Pukyong National University,

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

서론

축전지나 페인트 산업에 주로 이용되고 있는 Pb나 도금, 촉매공업에 사용되고 있는 Cr 등은 인체에 유해하여 체내에 축적이 되면 배출이 잘 되지 않아 사회적인 문제가 되고 있다. 최근 중금속 제거 방법으로 미생물이나 해조류등의 생체물질을 이용한 생체흡착법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다(1). 생체흡착법에 의한 중금속 제거 원리는 세포를 구성하는 -COOH, -OH, -SO4 및 -PO4 등과 같은 여러 가지 작용기에 중금속이 흡착되기 때문이다.

생체흡착제 선택에 있어 중요한 인자는 중금속에 대한 흡착성능이 우수해야 하고 양이 풍부하여 구하기가 용이하며 가격이 저렴해야 한다는 것이다. 해조류는 다른 생체물질에 비해 중금속의 흡착량이 많고, 3면이 바다로 둘러싸인 우리 나라의 지형 특성상 그 종류가 다양하며 양이 풍부하기 때문에 생체흡착제로의 활용가능성이 매우 높다. 또한 각 종(species)마다 중금속의 흡착성능이나 선택성이 모두 다르기 때문에 특정 중금속의 제거 또는 회수가 가능하다(2). 갈조류인 Sargassum 종은 양이 매우 풍부하여 손쉽게 구할 수 있으므로 이를 이용한 생체흡착 연구가 많이 연구되었는데, Park 등(2)는 Sargassum horneri(Turner) C. Agarch를 이용하여 Cu와 Zn의 흡착실험을 수행하였고, Kuyucak 등(3)은 Sargassum nartans로서 Au를, Lee(4)는 Sargassum fluitans로 Cu 및 Al의 흡착실험을 수행하여 각각 발표하였다.

본 연구에서는 우리나라 인근 해안에 서식하고 있는 Sargassum 중에서 Sargassum confusum, Sargassum horneri, Sargassum sagamianum 및 Sargassum thunbergii 등 4종을 선별하여 Pb 및 Cr의 흡착성능을 비교, 검토해 보았고, pH 변화에 대한 영향과 혼합중금속 용액에서의 선택성 등을 조사하였다.

재료 및 방법

본 연구에 사용한 생체흡착제는 갈조류인 Sargassum confusum, Sargassum horneri, Sargassum sagamianum 및 Sargassum thunbergii 로서 우리나라 인근 해안에서 채취하여 건조시켜 분쇄후에 사용하였다. 흡착실험은 원하는 농도의 중금속 용액에 생체흡착제를 1g/L씩 넣어 30℃, 150rpm으로 흡착 평형에 도달할때까지 교반하였다. 시료는 3mL씩 취하여 10,000rpm으로 10분간 원심분리한 후 상등액을 적절히 희석하여 원자흡수분광계(Shimadzu AA-670)를 이용하여 중금속 농도를 분석하였다. pH는 0.1M HCl과 0.1M NaOH를 이용하여 조절하였으며, 중금속의 흡착량은 [eqn: q~=~ {V(C_i ~-~ C_f )} over M]로 나타내었다. 여기서, q는 중금속의 흡착량(mg/g biomass), V는 용액의 부피(L), Ci와 Cf는 각각 초기와 최종 중금속 농도(mg/L), M은 가시우무의 건조 무게(g biomass)이다.

결과 및 고찰

초기 중금속 농도(250∼2000mg/L)를 변화시켜 각 생체흡착제의 흡착 성능을 비교하여 Fig.1과 Fig.2에 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 모든 종이 Cr보다는 Pb에 대한 흡착량이 더 높음을 알 수 있었다. Fig.1에서 평형상태에서의 Pb흡착량은 S. thunbergii(232.5mg/g biomass)>S. sagamianum(224.5mg/g biomass)

>S. confusum(197.5mg/g biomass)>S. horneri(185.5mg/g biomass)으로 나타났으며, Fig.2의 Cr 흡착량은 S. confusum(136.0mg/g biomass)>S. horneri(102.6mg/g biomass)>S.  thunbergii(91.6mg/g biomass)>S. sagamianum(77.5mg/g biomass)으로 중금속의 종류에 따라 흡착특성이 달라지는 것으로 나타났다.

용액의 pH가 낮으면 생체흡착제의 표면이 파괴되고 또한 수소이온들이 중금속 이온과 경쟁흡착관계에 있어서 흡착량이 감소한다(5). pH의 변화에 따른 생체흡착제의 Pb 및 Cr의 흡착특성을 규명하기 위하여 1000mg/L 중금속 용액에 0.1M HCl과 0.1M NaOH로 pH를 조절하여 흡착 실험을 수행하였다. 본 실험에서 pH 5이상에서는 Pb가 흰색의 수산화물 침전이 형성되어 실험을 행하지 않았다. Fig.3에서 보듯이 pH가 2∼5까지 변화할 때 Pb의 흡착량은 S. confusum 57∼

177.7mg/g biomass, S. horneri, 39.1∼163.1mg/g biomass, S. sagamianum 36.5∼198.4mg/g biomass 및 S. thunbergii 56∼179.7mg/g biomass로서, pH의 감소에 따라 Pb의 흡착량이 큰 폭으로 감소함을 알 수 있었다. 그러나 Cr(Fig.4)의 경우 S. confusum와 S. horneri는 pH의 변화(2∼5)에 거의 영향을 받지 않았으며, S. sagamianum와 S. thunbergii의 흡착량은 각각 42.7∼76.5mg/g biomass 및 42.7∼88.2mg/g biomass로 약 50%의 감소는 있었지만, Cr은 pH의 변화에 대해 Pb보다 영향을 적게 받는 것으로 나타났다.

Fig.5는 단일 중금속 용액이 아닌 Pb,Cr, Cu 및 Cd이 각각 500mg/L가 들어있는 혼합 중금속 용액에서 흡착실험을 수행하여 생체흡착제의 선택적 중금속흡착 성능을 검토한 것이다. 그림에서 보듯이 4종의 생체흡착제는 모두 Pb>Cu>Cr>Cd 순으로 흡착하여 그 형태가 유사하게 나타났으며, Cd는 S. confusum이 5mg/g biomass를 흡착하였을 뿐 나머지 종에서는 전혀 흡착이 되지 않았다. 또한 단일용액(초기농도 500mg/L)과의 흡착량을 비교해 보면 Pb는 약간 감소하였으나 Cr은 큰 폭으로 감소하여 다른 중금속에 방해를 많이 받는 것으로 나타났다.

참고 문헌

1. B. Volesky, Biosorption of Heavy metals, CRC Press, 253-254, 1990.

2. K. H. Park et al, Adsorption and recovery of Cu(II) and Zn(II) ions by

algal biomass, Analytical science & Technology, Vol. 9, No. 4, 373-381,

1996

3. N. Kuyucak, B. Volesky, Biosorbents for recovery of metals from

industrial solutions, Biotech. Lett., Vol. 10, No. 2, 1988

4. H. S. Lee, Biosorption of Cu and Al by Sargassum Biomass, J. of KSEE,

Vol. 19, No.3, 381-390, 1997

5. E. Guibal, C. Roulph & P. Le Cloirec, Uranium Biosorption by a               Filamentous Fungus Mucor Miehei pH Effect on Mechanisms and            Performances of Uptake, Wat. Res. Vol. 26, No. 8, 1139-1145, 1992

6. N. Kuyucak and B. Volesky, Accumulation of cobalt by Marine Alga,          Biotechnology and Bioengineering, Vol.33, 809-814, 1989