지하 수 환경에서의 6가 크롬과 PCE의 거동 및 처리 특성에 관한 연구

Abstract

Cr (VI) and tetrachloroethylene are released from eletro-coating industry. Cr (VI) and tetrachloroethylene provokes and spreads contamination in groudwater system because Cr (VI) stays in and aquifer and tetrachloroethylene moves to bedrock aquifer. Biosorption has gained important credibility because of its excellent performance and low cost technique for removing heavy metals. And permeable reactive barrier packed anaerobic microorganism or zero-valent metal has been proposed to dechlorinate tetrachloroethylene in recent years because of its eco-friendly propensity. In this study, kudzu as an adsorbent for Cr (VI) was used in adsorption reaction and zero-valent iron modified by L-ascorbic acid as a reductant was used in dechlorination reaction for tetrachloroethylene. Batch system is applied in this study and shaker was stirred on progress. The adsorption for Cr (VI) by kudzu reached equilibrium state in 3 hours and when the size of adsorbent was decreased, the adsorption extent was increased. The pseudo-first order kinetic model agrees well with the dynamical behavior for the biosorption of Cr (VI) onto kudzu. The adsorption data obtained for kudzu was found to be fitting more to the Langmuir isotherm than Freundlich and Dubinin-Radushkevich isotherm. RL values is 0.0154, which indicates favorable adsorption. From the Dubinin-Radushkevich isotherm, the values of the mean energy of adsorption (E) for Cr (VI) revealed that their adsorptions were predominantly physical adsorption process. The dominant form of Cr (VI) at below pH 4 is the acid chromate ion species, increasing the pH will shift the concentration of HCrO_(4)- to other form CrO_(4)^(2-) and Cr_(2)O_(7)^(2-). On the basis of thermodynamic parameters as Gibbs free energy, this reaction was spontaneous. Zero-valent iron modified by L-ascorbic acid activates dechlorination for tetrachloroetylene by producing more ferrous ion. When pH was decreased in aquatic system, more ferrous ion were produced. Therefore, it proves that dechlorination for tetrachloroethylene often occurs by not zero-valent iron but ferrous ion. Increasing pH after dechlorination for tetrachloroethylene results in combining with ferrous ion. Therefore, dechlorination for tetrachloroethylene is progressed slowly when pH is increased leaving little ferrous ion. In adsorption reaction, appropriate amount of adsorbent to meet the limited level of Cr (VI) in aquatic system and aspect of recycling of adsorbent after adsorption reaction were considered. In dechlorination reaction, operation for tetrachlroethylene to degrade into ethylene was needed for reaction efficiency.;6가 크롬과 테트라클로로에틸렌(PCE)은 전하 차이가 있는 금속 표면에 도료를 입히는 전기코팅 공정에서 동시에 발생하며 자연계에 노출된 6가 크롬은 빠른 속도로 이동하여 지하수계의 sand aquifer 에 잔존하며 오염을 일으키고 높은 밀도를 가지는 테트라클로로에틸렌은 지하수계로 천천히 이동하면서 bedrock aquifer 에 머무르며 오염을 확장시킨다. 본 연구에서는 칡을 흡착제로 이용하여 폐수 속의 6가 크롬을 흡착 처리하였으며 반응 벽체 공법의 매질로써 L-ascorbic acid 로 처리한 영가철을 이용하여 테트라클로로에틸렌의 탈염화 반응 특성을 고찰하였다. 흡착 반응 및 탈염화 반응은 각각 회분식으로 구성하였으며, 교반기로 교반하여 반응을 진행하였다. 모든 적용 변수에 대한 크롬의 제거 정도는 반응 후 크롬 이온의 잔존 농도를 통해 분석하여 조사하였다. 흡착법에 의한 6가 크롬 이온 제거 시, 칡에 대한 6가 크롬의 흡착은 3시간 이내에 이루어지며 그 이후에는 평형상태에 도달하는 것으로 나타났고 흡착제의 크기가 작을수록 6가 크롬에 대한 초기 흡착반응이 빠르게 진행되고 평형 농도 또한 낮게 나타나는 것을 관찰할 수 있었다. 또한, 각 흡착제의 크기에 대한 Cr(VI) 의 흡착량을 고찰한 결과 칡에 대한 Cr(VI) 의 흡착 제거 반응은 유사 일차 반응 속도식을 잘 따르는 것으로 파악되었다. 그리고 칡에 대한 Cr(VI) 흡착 거동은 검토한 모든 등온 흡착식을 잘 따랐으며 이 중에서도 Langmuir isotherm 은 높은 상관성을 보였다. 또한, adsorption intensity (RL) 를 구한 결과, 0.0154 로 나타나 칡을 흡착제로 한 Cr(VI) 의 흡착 제거 방안은 적절한 것으로 검토되었다. 그리고 mean adsorption energy 는 약 5.8480 kJ/mol 으로 산정되어 칡에 의한 Cr(VI) 의 흡착 제거 반응은 물리적 흡착임을 파악할 수 있었다. pH 변화에 따른 칡에 대한 크롬의 흡착 제거 양상은 산성영역과 염기성 영역에서 흡착 평형을 이루는 시점에서 초기 농도의 약 95% 이상 제거 되는 것을 관찰할 수 있었으며 산성영역일 때, 수중의 Cr(VI) 이 H3O+ 와 결합하여 전체적으로 (-) 전하를 띄는 HCrO4- 이 흡착제 표면에 쉽게 흡착되는 것으로 파악되었다. 칡에 대한 크롬의 흡착제거 반응은 온도가 높아짐에 따라 흡착량이 감소하고 각 온도에 대한 Cr(VI) 의 흡착량은 유사 일차 반응 속도식을 잘 따르는 것으로 파악되었다. 또한, 칡에 의한 크롬 이온의 흡착 거동은 자발적인 반응으로 검토되었다. L-ascorbic acid 로 처리한 영가철은 테트라클로로에틸렌의 환원 분해 반응이 일어나는 수용액상으로의 Fe2+ 의 용출을 촉진시키며 탈염화 반응을 용이하게 하는 것으로 나타났고 탈염화 반응 후에는 Fe3+ 의 형태로 존재하는 것으로 조사되어 테트라클로로에틸렌이 영가철 표면에서 직접 환원되는 경우보다 수용액상으로 용출된 2가 철에 의해 환원이 더 잘 일어나는 것을 파악할 수 있었다. L-ascorbic acid 로 처리된 영가철에 의한 테트라클로로에틸렌의 탈염화 반응은 pH 가 낮을수록 수중의 Fe2+ 의 농도가 더 높게 나타나는 것으로써 효율이 증대되는 것을 알 수 있는데 이는 탈염화 과정으로 인해 발생한 OH- 가 Fe2+ 와 결합하여 Fe(OH)2 또는 Fe3O4 와 같은 형태로 침전되어 수중에 가라앉게 된다. 그리고 용액의 pH 가 높아지면 탈염화 반응에 관여하는 Fe2+ 가 감소하는 것으로 파악되었다. 본 연구의 결과, 칡을 이용한 6가 크롬의 흡착 제거는 적당량의 흡착제로 크롬 처리 농도 기준까지 반응을 진행시키는 것과 흡착제를 재활용하는 측면을 고려해야 하며 L-ascorbic acid 로 처리한 영가철에 의한 테트라클로로에틸렌의 탈염화 반응의 경우, 최종적으로 무독성의 물질로 분해될 수 있는 공정을 개발하는 과정이 반응 효율의 측면에서 필요한 것으로 판단되었다. 본 연구에서 파악된 결과들은 6가 크롬과 테트라클로로에틸렌을 처리하는 공정에 의미 있는 자료로 활용될 것으로 기대된다.