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ISSN : 1225-0112(Print)
ISSN : 2288-4505(Online)

Applied Chemistry for Engineering Vol.30 No.3 pp.345-351
DOI : https://doi.org/10.14478/ace.2019.1019

Various Metal Oxide Additions Based on TiO₂ and Adsorption Characteristics of Hollow Fiber Adsorbent on Arsenic

Hanki Eom, Younghee Jang^*

, Sung Su Kim^†

Department of Environmental Energy Engineering, Kyonggi University, 154-42 Gwanggyosanro, Youngtong-ku, Suwon-si, Gyeonggi-do 16227, Korea
^*Department of Environmental Energy Engineering, Graduate School of Kyonggi University, 154-42 Gwanggyosanro, Youngtong-ku, Suwon-si, Gyeonggi-do 16227, Korea

Corresponding Author: Kyonggi University, Department of Environmental Energy Engineering, 154-42 Gwanggyosanro, Youngtong-ku, Suwon-si, Gyeonggi-do 16227, Korea Tel: +82-31-257-7689 e-mail: sskim@kyonggi.ac.kr

Received March 11, 2019 ; Review April 3, 2019 ; Accepted April 30, 2019

Abstract

In this study, the hollow fibers from TiO₂ and various metal oxides additives were fabricated and characterized in order to remove the arsenic substance from a contaminated water. Experimental results showed the best arsenic adsorption performance from pristine TiO₂ hollow fibers. When metal oxides were added, the metal oxides reduced the acid sites on the surface of TiO₂ and the arsenic adsorption performance decreased. However, the long term arsenic adsorption performance was enhanced and showed better performance than that of using pristine TiO₂ hollow fibers when Al₂O₃ was added during the hollow fiber fabrication. In addition, the arsenic adsorption performance showed a high dependency on the specific surface area of hollow fibers. It was confirmed that the abundancy of Lewis and Bronsted acid sites provided was favorable for the arsenic adsorption. It was also demonstrated that commercially available TiO₂ powders can be an attractive candidate material for manufacturing hollow fibers for a small scale water treatment plant.

Key Words : Adsorption , Arsenic , Hollow fiber , Metal oxide , Specific surface , TiO₂

TiO₂ 기반의 다양한 금속산화물 첨가와 중공사형 흡착제의 비소 흡착 특성

엄 한기, 장영희^*

, 김성수^†

경기대학교 환경에너지공학과
^*경기대학교 일반대학원 환경에너지공학과

초록

본 연구에서는 TiO₂를 기반으로 한 중공사형 흡착제를 제조와 다양한 금속산화물 첨가에 따른 비소 흡착 특성을 평가 하였다. 실험 결과 TiO₂ 중공사형 흡착제가 가장 우수한 비소 흡착 성능을 보였으며, 금속산화물을 첨가한 경우 금속 산화물이 TiO₂ 표면의 산점을 막음으로 인해 오히려 비소 흡착 성능이 저하되었다. 그러나 장시간 비소 흡착 성능을 비교한 결과 Al₂O₃를 첨가한 중공사형 흡착제의 비소 흡착 성능이 증진되었다. 또한 비표면적 및 기공 크기가 상대적 으로 클수록 비소 흡착 성능이 우수하였으며, 루이스 산점과 브뢴스테드 산점이 풍부하게 존재할수록 흡착에 유리한 사이트가 제공됨을 확인하였다. 이를 통해 기존 파우더 형태의 상용 TiO₂를 담체 형태로도 제조하여 소규모 정수처리 시설에 적용이 가능할 것으로 판단된다.

키워드 :

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Funding:

1. 서 론

비소(arsenic)는 주기율표상 15족의 질소족에 해당되며, 지구에서 20번째로 가장 많이 분포된 원소이다. 비소는 자연환경에서 산소, 염 소 등과 결합된 상태로 존재한다[1]. 또한 발암성 물질로 독성이 매우 큰 중금속으로 알려져 있다[2,3]. 음용수를 통해 인체가 비소에 노출 될 경우 암 유발뿐만 아니라 심혈관 질환 등 만성 질환이 유발된다. 수계에서 비소는 일반적으로 0.05 mg/L 이하로 존재하지만 pH 및 주 변 환경에 따라 국부적으로 2.0 mg/L까지 고농도로 발생되기도 한다 [4]. EPA에서는 비소의 음용수 법적 기준을 0.01 mg/L 이하로 규제하 고 있으며, 유럽 등 선진국에서도 동일한 기준을 적용하고 있다. 국내 의 경우 전국 지하수에 대한 비소농도를 분석한 결과, 10 μg/L 이상 검출되는 지역이 상당한 것으로 보고되었다[5]. 보통 대규모 정수처리 시설에 비해 지하수를 관리하는 소규모 정수처리시설은 비소 관리가 매우 미흡한 실정이다[6]. 이에 따라 소규모 정수처리시설에 적용하기 위한 비소 제거기술의 상용화가 필요하다[7].

지하수 내 포함된 비소를 제거하는 가장 효율적인 방법에는 금속산 화물을 이용한 흡착법이 있다[8]. 수중 비소는 As(III), As(V)로 존재 하고, 형태는 As(III)의 경우 H₃AsO₃⁰, H₂AsO^3-, As(V)는 H₂AsO^4-, HAsO₄^2- 등 산화음이온 또는 중성의 상태로 존재한다. 비소 흡착은 흡 착제의 비표면적에 의한 흡착 메커니즘 연구와 흡착제의 나노화 및 흡착 성능 증가에 관한 연구가 집중되었다. 비소는 흡착제 표면의 OH 또는 OH₂와 리간드 교환반응에 의해 제거되는 것으로 알려져 있다. 또한 금속산화물은 철, 마그네타이트 등 분말 형태의 연구가 주를 이 루었으며, TiO₂ 등을 이용한 담체 형태의 연구는 미비한 실정이다[8].

TiO₂는 백색 안료로써 합성섬유, 도료, 고무, 종이, 플라스틱 등에 널리 쓰이는 무기재료로 오래전부터 활성촉매의 지지체로 연구가 많 이 진행되었다[9]. TiO₂는 제조방법에 따라 구성 비율이 달라지며, 이 로 인해 지지체 표면의 산도 및 표면 격자산소의 비화학적 양론비에 영향을 준다[10]. 일반적인 상용 TiO₂는 원료인 ilmenite (FeO⋅TiO₂) 를 황산으로 처리하는 황산법과 원료인 rutile광을 환원제 존재 하에 염소 또는 염화수소로 처리하는 염소법으로 제조된다. 황산법에 의해 제조된 TiO₂는 anatase 구조를 가지며, 표면에 남아 있는 황 이온이 TiO₂ 구조에 영향을 미친다. 이와 달리 염소법에 의해 제조된 TiO₂는 균일한 입자크기 분포를 가지며, 단일구조의 TiO₂ 순도가 높지 않은 특징이 있다. TiO₂는 anatase, rutile, brookite, amorphous의 4가지 구조 를 나타내며, 이 중 anatase, rutile만이 촉매로서 활성을 갖는다[11]. Anatase는 TiO₂의 준안전성의 형태로 약 700 ℃ 이상 고온에서 rutile 로 전환되며, rutile의 경우 열역학적으로 안정된 형태이다. TiO₂ 제조 시 소성온도가 낮은 경우 anatase TiO₂가 생성되고, 소성온도가 높은 경우 rutile TiO₂가 제조됨에 따라 소성온도 차이에 의해 TiO₂의 비표 면적 변화가 발생되는 것으로 알려져 있다[12].

중공사 제조 연구는 1960년대부터 시작되었으며, 고분자 분리막 기 술은 하⋅폐수처리, 정수처리, 막 증류, 기체분리 등 다양한 산업에 응 용되면서 빠르게 성장하였다. 중공사는 단위 부피당 막 면적의 비율 이 매우 커 단위 모듈이 처리할 수 있는 처리수의 생산성이 높다. 또 한 중공사는 inside-out, outside-in 공정에서 모두 적용이 가능하여 다 양한 조건에서 적용이 용이하다[13]. 준공사는 주로 상전이법을 이용 한 방사공정을 통해 제조된다. 상전이법을 이용한 중공사 제조는 고 분자 용액의 상전이를 유도하는 힘의 종류에 따라 크게 비용매유도 상전이법(nonsolvent induced phase separation, NIPs)과 열유도 상전이 법(thermally induced phase separation, TIPs)으로 나뉜다[14]. 비용매 유도 상전이법은 중공사 제조에 있어 고분자 응고속도가 중공사 구조 를 결정하는 중요한 인자이다. 고분자 응고속도는 고분자 용액에 포 함된 용매와 외부 비용매 사이의 교환속도와 밀접한 관련이 있다. 중 공사 방사공정에서 용매와 비용매 사이의 교환속도에 영향을 미치는 인자로 노즐과 외부 응고조 사이의 거리, 외부 응고조의 조성, 고분자 용액의 조성, 방사속도, 내부 응고제의 조성과 유속 등이 있다[14]. Wang 등(1999)의 연구에서 방사 노즐과 외부 응고제 사이의 거리가 중공사 외부 활성층 구조 형성에 영향을 미치는 요인이라고 보고하였 다[15]. Deshmukh and Li (1998)는 외부 응고제에 많은 양의 에탄올이 포함될수록 용매와 외부 응고제 사이의 교환속도는 감소하며, 중공사 단면에 sponge-like 구조가 형성되는 것을 관찰하였다[16]. 또한 고농 도의 고분자 용액은 표면 활성층의 기공 부피를 감소시키는 등 담체 형태의 중공사에서 다양한 기공 구조를 형성하기 위한 공정 인자를 파악하는 연구가 진행되었으나 이를 비소 제거에 적용한 연구는 미비 한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 지하수 내 비소 제거를 목적으로 소규모 정 수처리시설에 적용을 위해 TiO₂를 이용한 중공사형 흡착제를 제조하 였다. 또한 비소 흡착 성능을 증진시키기 위해 다양한 금속산화물의 첨가와 이에 따른 중공사형 흡착제의 표면 및 흡착 특성을 연구하였 다. 주요 연구내용은 TiO₂ 중공사형 흡착제와 첨가제 추가에 의한 비 소 흡착 성능을 비교하였으며, 중공사형 흡착제의 비표면적, 기공 크 기, 표면 전자밀도 및 등온흡착을 통한 비소 흡착 특성을 평가하였다.

2. 재료 및 방법

2.1. 실험재료 및 방법

2.1.1. 중공사형 흡착제 제조

본 연구에서는 TiO₂를 기반으로 한 중공사를 제조하고 이를 흡착제 형태로 성형하여 중공사형 흡착제의 비소 흡착 성능을 확인하였다. 실험에 사용된 금속산화물은 TiO₂ (G-5, Millenium Co.), CeO₂ (Sigma Aldrich Co.), Al₂O₃ (alpha phase, Alfa Aesar Co.), SiO₂ (Sigma Aldrich Co.), WO₃ (Sigma Aldrich Co.)이다. 중공사 제조를 위한 슬러리는 polymer, NMP, PVP를 혼합하였으며, 각각 polysulfone (Solvay Co.), N-methyl-2-pyrrolidone (Sigma Aldrich Co.), polyvinylpyrrolidone (Sigma Aldrich Co.)을 사용하였다.

슬러리 제조는 다음과 같다. 105 ℃ 오븐에 4 h 건조시킨 polysulfone 을 NMP 용매와 6 h 교반을 통해 혼합하였다. 이후 첨가제인 PVP와 TiO₂를 넣고 jar-tester에서 24 h 충분히 교반하였으며, 교반이 종료된 슬러리 용액을 50 mL 주사기에 넣고 진공 데시케이터에서 5 h 탈기 과정을 진행하였다. 탈기가 끝난 주사기를 실린지 펌프에 연결 후 내 부 응고제를 흘려주면서 중공사를 방사하여 외부 응고액에 6 h 보관 후 0.5 cm 길이로 절단하여 중공사를 제조하였다. 중공사형 흡착제의 제조 과정은 Figure 1에 나타난 바와 같다.

2.1.2. 등온흡착 특성

중공사형 흡착제의 등온흡착 특성을 평가하기 위해 등온흡착 실험 을 진행하였다. 실험은 KH₂AsO₄ (Sigma Aldrich Co.)을 사용하여 초 기 비소 농도 1,000 mg/L에 대해 중공사형 흡착제의 무게를 다르게 한 후 shaking incubator에서 50 h 동안 반응시켰다. 시료의 투입량은 200 mL로 일정하며, 반응온도 20 ℃에서 진행하였다. 등온흡착 특성 은 흡착반응식 중 Langmuir isotherm과 Freundlich isotherm을 통해 도 출할 수 있다. 이 흡착반응식은 흡착제의 흡착 성능뿐만 아니라 등온 식의 매개변수의 값으로부터 흡착제의 공정 적용 시 나타낼 수 있는 효과와 흡착제 적용 가능성을 수치적으로 평가할 수 있다[17]. 본 연 구에서 사용된 중공사형 흡착제에 흡착질인 비소가 흡착되는 과정을 파악하기 위해 Langmuir isotherm과 Freundlich isotherm을 적용하였 다. Equation (1)에서 C_e 는 액체의 평형농도(mg/L), q_e는 평형에 도달 한 흡착량(mg/g), q_m은 흡착제의 최대 흡착량을 나타낸다. b는 흡착제 와 흡착질 사이에 관계된 Langmuir 상수이다. Equation (2)에서 K_f와 n은 Freundlich 상수로 각각 흡착능력과 흡착세기를 나타낸다.

q_{e} = \frac{q_{m} b C_{e}}{(1 + b C_{e})}

(1) Langmuir isotherm

q_{e} = K_{f} C_{e}^{1 / n}

(2) Freundlich isotherm

2.1.3. 비소 흡착 성능 평가

Lab-scale 연속식 반응기를 이용하여 제조된 중공사형 흡착제의 비 소 흡착 성능을 평가하였다. 반응기의 제원은 두께 8 mm, 높이 500 mm, 지름 20 mm로 아크릴을 사용하여 구성하였다. 반응기는 원통형 으로 상부, 중간부, 하부에 100 mm 간격으로 4의 밸브를 설치하여 유 입과 유출이 원활히 이루어지도록 하였다. 비소 흡착 성능을 평가하 기 위한 실험장치는 비소 함유 원수가 유입되는 원수조, 정량펌프, column으로 구성하였으며, 상향류식으로 일정량 원수를 공급하였다. 비소 흡착 성능은 column에 중공사형 흡착제를 체운 후 동일한 EBCT 15 min에서 일정시간 간격으로 비소 농도를 측정하여 평가하였다. 반 응기에 주입되기 전 초기 비소 농도는 0.2 mg/L로 설정하였으며, 중공 사형 흡착제의 담지량은 0.1 g이다.

2.2. 분석 및 측정

2.2.1. 중공사형 흡착제의 물리화학적 특성 분석

중공사형 흡착제의 물리화학적 특성을 파악하기 위해 BET (Brunauer Emmett Teller), FT-IR (Fourier transform infrared spectrometer) 분석 을 수행하였다. 비표면적 측정은 Micromeritics Co.의 ASAP 2010C를 사용하였으며, BET식을 이용하였다. 기공 크기는 Kelvin식을 통해 유 체의 meniscus의 평균반경과 상대압력에서의 흡착층 두께를 이용하여 BJH (Barrett Joyer Hanlenda)에 의해 도출하였다. 중공사 제조 과정에 서 흡착제의 상태 변화를 추적하거나 중공사와 금속산화물 사이의 상 호작용을 분석하는 FT-IR은 JASCO Co.의 FT-IR 660 Plus를 통해 수 행하였다.

2.2.2. 비소 측정

비소의 측정은 디에틸 디티오 카르밤산은법(silver diethyl dithiocarbamate, SDDC method)을 이용하였다[7]. 시료에 HCl, KI 및 SnCl2을 주 입하여 수 min 간 방치하였으며, 비소 발생 장치에 사용된 유리섬유는 Pb(CH₃COO)₂에 담근 후 건조시켜 사용하였다. 준비된 시료에 아연분 말을 넣고 반응시킨 후 다이에틸 다이티오카바민산은 용액에 발생된 가스를 포집하였으며, 용해시킨 흡수용액을 UV spectrometer를 이용 하여 520 nm 파장에서 흡광도를 측정하였다. 비소 표준물질을 이용하 여 비소 농도 0.05, 0.10, 0.15, 0.20 mg/L에 대한 검량선을 작성하였으 며, Y = 0.5840X - 0.002 (R² = 0.9899)의 높은 신뢰도를 나타냈다. Figure 2

3. 결과 및 고찰

3.1. TiO₂ 기반 중공사형 흡착제 및 금속산화물 첨가에 따른 비소 흡착 성능 평가

준공사형 흡착제의 산점을 극대화시키기 위해 TiO₂와 전기음성도 가 차이가 큰 금속산화물을 슬러리에 일부 첨가하고자 하였으며, 금 속산화물 함량에 따른 중공사형 흡착제의 비소 흡착 성능을 비교하였 다. 슬러리의 혼합조건은 TiO₂ 32 wt%, NMP 50 wt%, Polymer 17 wt%, PVP 1 wt%이다. 금속산화물 첨가제는 CeO₂, Al₂O₃, SiO₂, WO₃ 를 사용하였다. 흡착제 제조 시 첨가제의 정의를 고려하여 5 wt% 미 만으로 첨가되도록 기준을 설정하였다. 따라서 TiO₂ 함량을 일부 대 체하여 각각의 금속산화물 첨가제를 각각 0.3, 1.5 4.5 wt%로 추가하 였다. 금속산화물 종류 및 함량에 따른 비소 흡착 성능을 Figure 3에 나타냈다.

실험 결과, 금속산화물 첨가제 추가에 따른 비소 흡착 성능은 증진 되지 않았으며, 첨가제 함량과 비소 흡착 성능과의 상관성 또한 관찰 되지 않았다. 이는 추가된 금속산화물 첨가제가 표면에 노출되어 있 던 TiO₂ 산점을 오히려 막음으로 인해 생긴 결과로 판단된다. 금속산 화물과 달리 철 산화물은 비소에 대한 친화력이 강하지만 인과 실리 카는 산화철 표면에 흡착하는데 경쟁관계를 가지게 되어 비소 제거효 율이 감소된다고 보고하고 있다[18,19]. 이런 결과를 보다 정확하게 확인하기 위해 금속산화물 첨가제 함량 4.5 wt%가 추가된 중공사형 흡착제의 반응시간을 증가시켜 비소 흡착 성능을 비교하였으며, 그 결과를 Figure 4에 나타냈다.

실험 결과에서 반응시간에 따라 비소 흡착 성능의 변화가 존재하는 것을 알 수 있었으며, 금속산화물 첨가제가 추가되지 않은 TiO₂ 중공 사형 흡착제가 가장 우수한 비소 흡착 성능을 보였다. 그러나 Figure 5에 나타난 바와 같이 100 h 동안 반응시켰을 경우 Al₂O₃ 4.5 wt%를 첨가한 중공사형 흡착제의 성능이 더 우수한 것을 확인하였다. 비소 제거에 있어 TiO₂의 성능을 증진시키기 위해 UV 또는 태양광에 TiO₂ 를 노출시키는 방법이 있는데, 이 경우 TiO₂는 As(III) 및 유기 비소를 산화하여 흡착하는데 매우 유리한 성질을 보인다고 알려져 있다[20]. 본 실험을 통해 금속산화물 첨가에 따른 성능 증진은 흡착 속도 차이 에 기인한 것으로 판단되며, 향후 소규모 정수처리시설에 적용 시 매 우 큰 이점으로 작용할 것으로 기대된다.

3.2. 중공사형 흡착제의 표면 특성 및 전자밀도

TiO₂ 중공사형 흡착제와 금속산화물 첨가제를 추가한 중공사형 흡 착제의 비표면적과 기공 크기를 측정하였다. BET 분석을 통해 금속 산화물 첨가제 종류에 따라 비표면적이 각각 다르게 나타난 것을 확 인할 수 있었다. 각각의 비표면적은 TiO₂ 중공사 113.73 m²/g, Al₂O₃ 를 첨가한 중공사 104.68 m²/g, CeO₂를 첨가한 중공사 79.42 m²/g, WO₃ 를 첨가한 중공사 95.51 m²/g, SiO₂를 첨가한 중공사 99.27 m²/g로 나 타났다. 기공 크기의 경우 TiO₂ 중공사 6.89 nm, Al₂O₃를 첨가한 중공 사 6.16 nm, CeO₂를 첨가한 중공사 7.27 nm, WO₃를 첨가한 중공사 6.50 nm, SiO₂를 첨가한 중공사 5.82 nm를 보였다. TiO₂ 중공사는 금 속산화물 첨가제를 추가한 중공사에 비해 상대적으로 큰 기공 크기와 비표면적을 갖는 것으로 나타났다. 이는 첨가제인 금속산화물이 오히 려 TiO₂의 미세한 기공을 막는다는 것을 시사하며, 동일한 물질이 기 반인 소재에서의 금속산화물 첨가제 추가가 오히려 최대 흡착량 및 흡착 속도를 저하시킬 것으로 판단된다.

기존의 연구에서는 중공사 표면의 전하 특성 즉, 전자 밀도차이가 흡착 성능에 직접적인 관련이 있다고 보고하였다. 비록 금속산화물 첨가제에 의해 중공사의 미세 기공이 막히더라도 전자밀도 특성 변화 에 대한 관찰은 매우 중요하다. 이에 FT-IR 분석을 수행하였으며, 그 결과를 Figure 6에 나타냈다. 암모니아를 이용한 FT-IR 분석은 시료 표면의 전자밀도와 관련 있는 루이스, 브뢴스테드 산점을 측정하기에 매우 용이하다[21]. 흡착된 암모니아는 다양한 wavenumber에서 관찰 되며, 1,430, 1,670, 2,808, 3,019 cm^-1에서 관찰된 peak는 브뢴스테드 산점을 1,605, 3,070, 3,256, 3,364 cm^-1에서 관찰된 peak는 루이스 산 점의 존재를 알려준다[21]. 다양한 금속산화물을 첨가하여 제조한 중 공사의 경우 각각의 물질 첨가가 중공사 표면의 산점 분포에 미치는 영향이 다름을 확인할 수 있었다. 비소 흡착 성능이 우수했던 TiO₂ 중 공사는 루이스 산점, 브뢴스테드 산점이 고루 잘 형성된 것을 알 수 있다. 이는 TiO₂ 원재료가 갖는 산점 형성 특성과 매우 잘 부합되며, 원재료의 특성이 중공사에서도 동일하게 나타남을 의미한다. 또한 TiO₂ 중공사와 성능이 유사했던 SiO₂를 첨가한 중공사에서도 산점 형 성이 잘 관찰됨을 확인할 수 있었다. 그러나 비교적 비소 흡착 성능이 저조했던 Al₂O₃, CeO₃, WO₃를 첨가한 중공사에서는 산점이 덜 형성 된 것을 알 수 있었다. 이를 통해 중공사의 산점 발달과 비소 흡착 성 능은 높은 상관성을 보인다고 제시할 수 있다. Tables 1

3.3. 중공사형 흡착제의 등온흡착 결과

TiO₂와 금속산화물을 첨가한 중공사형 흡착제의 비소 흡착특성을 비교하기 위해 Langmuir와 Freundlich 등온흡착 분석을 진행하였으며, Tables 2 및 3에 결과를 나타내었다. 등온흡착 분석 결과 흡착점 수, 흡착 강도, 이론적 최대 흡착량 관점에서 금속산화물 첨가제를 추가 하지 않은 TiO₂ 중공사형 흡착제의 비소 흡착 성능이 가장 우수한 것 으로 나타났으며, 이는 Figure 4에서 확인했던 비소 흡착 성능 테스트 와 부합하는 결과를 보였다. Langmuir 등온흡착 분석을 통해 TiO₂ 중 공사형 흡착제의 최대 흡착량은 3.448 mg/g로 금속산화물 첨가제를 추가한 중공사형 흡착제에 비해 월등히 높은 흡착특성을 보이는 것을 알 수 있었다. 흡착세기를 나타내는 1/n 값은 각각 0.946, 0.194, 0.716, 1.934, 0.243로서 일반적으로 1/n 값이 2 이상일 경우 흡착이 불량하다 고 보고하였다[22]. 따라서 모든 중공사형 흡착제에서 흡착세기는 안 정적이나 WO₃가 첨가된 중공사형 흡착제는 다소 흡착세기가 불안정 한 것으로 나타났다.

4. 결 론

TiO₂를 기반으로 한 중공사형 흡착제와 금속산화물을 첨가한 중 공사형 흡착제의 비소 흡착 성능을 비교한 결과 금속산화물 첨가 및 함량에 따른 비소 흡착 성능은 큰 상관성이 나타나지 않았으며, 이는 금속산화물이 TiO₂의 산점을 막음으로 인해 나타난 결과로 판단된다.
TiO₂ 중공사형 흡착제가 가장 우수한 비소 흡착 성능을 보였으 나, 장시간 반응을 진행한 결과 Al₂O₃ 4.5 wt%를 첨가한 중공사형 흡 착제의 비소 흡착 성능이 증진된 것으로 보아 향후 소규모 정수처리 시설에 적용 시 금속산화물 첨가제로서 Al₂O₃의 사용을 충분히 고려 할 수 있을 것으로 판단된다.
비표면적 및 기공 크기가 상대적으로 클 경우 비소의 흡착이 더 유리하며, 루이스 산점과 브뢴스테드 산점이 풍부하게 존재할수록 흡 착에 더 유리한 사이트가 많아지는 것을 확인하였다. 이를 통해 다양 한 물리화학적 특성과 비소 흡착 성능은 높은 상관관계를 갖는 것으 로 사료된다.
등온흡착 분석을 통해 TiO₂ 중공사형 흡착제가 흡착점 수, 흡착 강도, 최대 흡착량 관점에서 가장 우수한 비소 흡착 성능을 나타냄으 로써 기존의 상용 파우더 형태의 TiO₂를 담체 형태로도 제조하여 적 용할 수 있을 것으로 보이며, 소규모 정수처리시설에 흡착제로 상용 화가 가능할 것으로 판단된다.

감 사

본 연구는 2019년 경기대학교 대학원 연구원장학생 장학금 지원에 의하여 수행되었음.

Figures

Figure 1.Process diagram for manufacturing hollow fiber.

Figure 2.Configuration of lab-scale reactor.

Figure 3.Results of arsenic adsorption with TiO₂ hollow fiber according to metal oxide type and content.

Figure 4.Results of arsenic adsorption with TiO₂ hollow fiber (metal oxide addition 4.5 wt%) over reaction time.

Figure 5.Results of long-term arsenic adsorption of TiO₂ hollow fiber (metal oxide addition 4.5 wt%).

Figure 6.FT-IR analysis results of hollow fiber.

Tables

Table 1.Specific Surface Area and Pore Size of Hollow Fiber

Table 2.Adsorption Results of Langmuir Isotherm with Hollow Fiber

Table 3.Adsorption Results of Freundlich Isotherm with Hollow Fiber

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