하수고도처리의 탈인 흡착공정을 위한 인산이온 선택성 흡착제 개발
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2018
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154-155(2쪽)
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최근 환경기준이 강화되면서 하수 처리공정에서 생물학적 처리와 탈인시설을 조합한 하이브리드형 고도처리 공정이 빠르게 도입되고 있다. 현재 도입되고 있는 탈인시설은 대부분 응집제 투여를 바탕으로 하는 화학적 처리공정으로 비교적 처리공정과 유지관리가 간단하여 처리효율의 신뢰도가 높은 장점이 있는 반면에 화학약품 비용과 발생된 슬러지의 처분비용 등이 매우 높다는 단점이 있다. 이에 반해 하이브리드형 고도처리시스템을 구축하는데 있어 가장 단순하고 안정적인 단위공정의 하나로 알려진 흡착법은 이온성 물질의 동시제거가 가능하면서도 기후 및 농도에 관계없이 처리효율이 비교적 일정하고, 부생독성물질을 생성시킬 위험성이 없다는 장점을 가지고 있다. 그럼에도 불구하고 흡착법이 하수처리의 탈인공정으로 널리 활용되지 못하는 이유는 인산이온만을 선택적으로 흡착할 수 있는 흡착제가 없기 때문이다. 최근 저자들은 하수처리수를 이용한 컬럼실험을 통해 강염기성은 물론 약염기성 음이온교환수지 모두 하수 중에 다량 함유되어 있는 황산이온의 방해로 인산이온을 거의 흡착하지 못함을 확인하였다. 즉, 고정층 컬럼 실험을 통해 얻은 인산이온의 흡착량은 인산이온만 있을 경우 134 mg/g인데 반해 실폐수의 경우 Cl과 SO<sub>4</sub>이온의 흡착경쟁 때문에 10.4 mg/g으로 감소하여 실폐수 적용이 불가능하였다.
본 연구는 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 방안으로 금속이온을 중심으로 하는 배위결합을 통해 인산이온을 선택적으로 흡착할 수 있는 흡착제를 개발하는데 목표를 두고 있다. 인산이온의 배위결합에서 루이스 산역할을 할 수 있는 금속이온으로 Al<sup>3+</sup>, Fe<sup>3+</sup>, La<sup>3+</sup>, Y<sup>3+</sup>, Sn<sup>3+</sup> 및 Ti<sup>3+</sup>를 선택하고 각각의 수산화물 또는 하이드로스 산화물의 인산이온 흡착능을 비교하여 보았다. 배위결합 중심 금속으로 선정된 금속화합물의인산이온 흡착량은 수산화물의 경우 La(OH)<sub>3</sub>>Y(OH)<sub>3</sub>>Fe(OH)<sub>3</sub>>Al(OH)<sub>3</sub> 순으로 높았고, 하이드로스 메탈의 경우 SnO>TiO 순으로 높았다. 한편, Fe<sup>3+</sup>의 경우 β-FeOOH로 가공할 경우 Fe(OH)<sub>3</sub>에 비해 인산이온의 흡착량이 3배 이상 증가하였다. 이상의 결과로 미루어 인산이온의 배위결합을 위한 루이스 산으로 La<sup>3+</sup>가 가장 우수한 성능을 보였으며, Fe<sup>3+</sup>의 경우 FeOOH 형태로 가공했을 때 높은 선택성을 보였다. 우선적으로 란탄수산화물(La(OH)<sub>3</sub>)에 대한 흡착성능을 흡착경쟁, pH 영향 및 흡착등온의 관점에서 평가하였다. 그 결과 란탄수산화물은 공존하는 Cl-이온이나 SO<sub>4</sub> <sup>2-</sup>이온의 함량에 관계없이 일정한 인산흡착량을 보여 이들 이온들과의 흡착경쟁이 없음을 알 수 있었다. 란탄수산화물의 인산 흡착능은 대체로 산성영역에서 높았으며 pH가 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. 란탄수산화물의 인산 최대 흡착량을 확인하기 위해 인산(PO<sub>4</sub> <sup>3-</sup>)초기농도 0.2-2.0 mmol/L, 흡착제 투여량 0.1, 0.5, 1.0 g/L 조건에 흡착등온실험을 실한 결과 Langmuir 최대 흡착량이 147-335 mg/g으로 추산되었다.
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