수중 비소 저감을 위한 최적가용기법 중 흡착기법 효율 증대 연구 = Study on Enhancing Adsorption Efficiency in Best Available Techniques for Arsenic Reduction in Water

국문 초록 (Abstract)

통합환경관리제도는 다양한 산업에서 배출되는 대기, 수질, 폐기물을 환경적, 경제적, 기술적 수준을 고려한 최적가용기법(Best Available Techniques, BAT)을 이용하여 처리하도록 권고하고 있다. 특히, 폐수 내 포함되어 있는 중금속은 구리, 니켈, 알루미늄, 아연, 크롬, 인, 주석, 납, 비소 등이 존재한다. 강력한 독성을 가지고 발암물질로 알려진 비소의 위험은 국제적으로 수질오염의 주된 관심을 모으고 있다. 폐수 내에 존재하는 비소를 제거하는 기술 중 설치 및 운영비가 적으며 수질에 영향을 크게 받지 않는 장점이 있는 흡착 기술에 대한 연구가 진행되고 있다. 그중 산화마그네슘을 이용한 흡착제에 대한 연구가 활발히 되고 있지만, 기존 연구들에서는 계면활성제를 이용하여 제조하기 때문에 대량 생산에 불리하고 비용이 많이 드는 단점이 존재한다. 따라서, 본 연구에서는 마그네슘 이온과 에틸렌글리콜 수산화기 사이의 전구체를 소성하여 계층구조를 갖는 다공성 구 형태의 산화 마그네슘 흡착제를 개발하며, 5가 비소이온에 대한 뛰어난 흡착력을 확인하고, 에틸렌글리콜로 개질한 산화마그네슘의 형성 변화와 흡착 메커니즘을 분석하였다. SEM 분석을 통하여 흡착제의 표면특성을 확인하였으며, BET 분석을 통하여 비표면적(34.98 m2/g)을 확인하였다. 흡착 메커니즘 분석을 위하여 회분식 실험을 진행하였다. 흡착 동역학 실험은 0-12시간 동안 진행하였으며 유사 1차 모델 및 유사 2차 모델로 분석하였다. 흡착 등온 실험은 초기농도 10-1000 mg/L 범위에서 진행되었다. Langmuir 모델 및 Freundlich 모델로 분석하였으며, qmax값은 817.8 mg/g이었다. 흡착 실험 결과 유사 2차 모델(R2=0.881), Freundlich 모델(R2=0.968)이 더 적합한 것으로 평가되었으며, 이는 비소에 대한 산화 마그네슘 흡착제의 흡착 메커니즘이 물리적 흡착이 우세하며 동시에 다분자층 흡착이 일어났음을 확인하였다. 흡착 성능은 초기 pH가 높을수록 증가하는 경향을 보였고, 흡착 메커니즘은 흡착 전후를 FT-IR, XPS 분석을 이용하여 비교, 분석하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The Integrated Environmental Management System promotes the treatment of emissions, wastewater, and waste using Best Available Techniques (BAT), accounting for environmental, economic, and technical factors. Heavy metals in wastewater, including arsenic, a highly toxic and carcinogenic substance, have raised significant global water quality concerns. Adsorption technology for arsenic removal is favored due to low installation and operational costs and its stability across water quality variations. While magnesium oxide-based adsorbents are actively researched, conventional methods often require surfactants, making large-scale production costly. This study developed a porous, layered magnesium oxide adsorbent by calcining a precursor of magnesium ions and ethylene glycol. The adsorbent showed strong affinity for pentavalent arsenic ions, and structural and adsorption mechanisms were analyzed. SEM analysis revealed surface characteristics, and BET analysis showed a specific surface area of 34.98 m²/g. Kinetic experiments (0-12 hours) applied pseudo-first and pseudo-second-order models, and adsorption isotherms, tested for initial concentrations of 10-1000 mg/L, were fitted to Langmuir and Freundlich models with a qmax of 817.8 mg/g. Results indicated that the pseudo-second-order (R²=0.881) and Freundlich models (R²=0.968) best fit the data, suggesting physical, multilayer adsorption. Higher initial pH improved performance, and FT-IR and XPS analysis compared the adsorbent before and after adsorption.