Removal of Natural Organic Matter and Heavy Metals in River Water using Potassium Ferrate(VI)

최근 산업성장에 따른 수질오염이 심각한 문제가 되고 있으며 그 처리를 위한 환경친화적인 방법이 요구되고 있다. 본 연구에서는 강력한 산화제/소독제 및 응집제로 작용하고 부산물로 무독성의 Fe(Ⅲ)를 생성하는 potassium ferrate(K2FeO4)를 합성하여 자연유기물질(humic acid, fulvic acid)과 중금속(Cu, Mn, Zn)으로 오염된 강물을 처리하는 실험을 수행하였다. Ferrate 주입량(2～46mg/l as Fe)에 따른 humic acid(10mg/l)의 제거효율을 UV254로 알아본 결과, 낙동강과 온천천시료에서 각각 21～74%, 26～73%의 제거효율을 얻었다. 하지만 humic acid 제거를 TOC로 분석한 결과는 0～20%로 낮은 효율을 보였다. pH와 반웅온도에 따른 영향을 보면 염기성조건보다 산성조건에서 ferrate에 의한 humic acid 제거효율이 높게 나타났고(pH 3: 90%, pH 7.8: 70%, pH 11: 74%), 온도가 높을수록 humic acid 제거효율이 높아졌다 (10℃: 62%, 20℃: 70%, 30℃: 79%). 응집제로서 ferrate 효과를 기존 응집제들과 비교해 본 실험에서 ferrate(22～76%)는 FeSO4&#8228응집공정을 ferrate로 단일화할 수 있으며, 기존 응집제에 비해 아주 소량이 주입되는 ferrate를 사용함으로써 슬러지 발생량 또한 감소할 수 있을 것으로 보인다.제거되었고, 이어서 제거되지 않고 남은 HA와 중금속을 ferrate로 처리한 결과 높은 제거효율을 얻을 수 있었다. HA(10mg/l)와 Cu(0.1mM)가 혼합된 시료에 ferrate(0.03～0.7mM)를 주입하면 HA는 70～82%, Cu는 93～100%의 제거효율을 보였다. 이는 HA만 따로 처리하였을 때의 21～72%와 Cu만 따로 처리하였을 때의 28～99% 보다 높은 효율이었다. HA와 대상 중금속(Cu, Mn, Zn)이 모두 혼합된 경우에도 HA와 중금속 제거에 ferrate는 효과적이었다 (HA: 33～83%, Cu: 68～100%, Mn: 16～96%, Zn: 9～90%). 또한, fulvic acid(FA)와 각 중금속이 혼합된 시료를 ferrate로 처리한 결과도 위에서 언급한 HA와 중금속 혼합시료를 ferrate로 처리한 결과와 비슷했다. 본 연구를 통해서 수중의 자연유기물질(humic acid, fulvic acid)과 중금속(Cu, Mn, Zn) 제거에 ferrate가 효과적임을 확인하였다. 이로써 실제 정수처리에서 분리되어 있는 산화&#8228침전시킴을 의미한다. 또한, pH가 증가할수록 대상 중금속 모두 제거효율이 향상되는 경향을 보였고 온도는 ferrate와 중금속의 반응에 특별한 영향을 미치지 않았다. 그리고 낙동강원수에 humic acid(HA) 농도가 10mg/l, 각 중금속(Cu, Mn, Zn) 농도가 0.1mM이 되도록 제조하여 ferrate를 주입하는 실험에서, ferrate 주입 전에 HA의 음이온 작용기와 양이온 중금속은 착화합물을 형성하여 일부 침전&#82287H2O(13～55%)와 FeO(OH)(13～16%)보다 더 높은 효율을 보였다. 한편, alum의 경우 2～6mg/l(as Al)의 주입량에서는 ferrate에 비해 더 높은 효과를 보였지만 그 주입량을 초과(10～40mg/l as Al)하면 오히려 효율이 감소하는 결과를 보여 최적 주입량을 선정하는 것이 중요함을 알 수 있었다. 그리고 소량의 ferrate(2, 4mg/l as Fe)를 주입하여 humic acid를 전처리한 후 alum, Fe(II)와 같은 기존 응집제로 처리하였을 때가 ferrate로 전처리를 하지 않았을 때보다 효율이 향상되었다. Ferrate와 humic acid의 반응은 60초 이내에 완결되어 정상상태에 이르렀고 반응시간에 대해 1차 반응을 보였다. Ferrate 주입량(2～46mg/l as Fe), pH(3, 7.8, 11)와 온도(10, 20, 30℃)의 영향에 따른 fulvic acid(10mg/l) 제거실험 결과는 humic acid의 결과와 모두 같은 경향을 보였고 그때의 제거효율(%)들은 humic acid와 비교해서 더 높았다. 0.1mM Cu, Mn, Zn의 세 가지 시료에 ferrate를 주입한 결과, ferrate의 농도가 0.3mM일 때, Cu는 99%, Mn은 73%, 그리고 Zn은 99%의 제거효율을 보였다. 이는 ferrate가 중금속을 효과적으로 응집&#65381ABSTRACT TABLE OF CONTENTS LIST OF FIGURES LIST OF TABLES CHAPTER Ⅰ. INTRODUCTION CHAPTER Ⅱ. LITERATURE REVIEW 2.1 Characteristics of Natural Organic Matter (NOM) 2.2 Characteristics of Heavy Metals 2.3 Characteristics of Ferrate(Ⅵ) 2.4 Review of Previous Water Treatments using Ferrate CHAPTER Ⅲ. MATERIALS AND METHODS 3.1 Experimental Materials 3.1.1 Background 3.1.2 Sample collection, preservation and analysis 3.1.3 Synthesis and Characterization of Potassium Ferrate (K2FeO4) 3.2 Experimental Methods 3.2.1 Removal of NOM using Ferrate 3.2.1.1 Humic Acid (HA) Removal 3,2,1,2 Fulvic Acid (FA) Removal 3.2.2 Removal of Heavy Metals using Ferrate 3.2.3 Simultaneous Removal of NOM and Heavy Metals 3.2.3.1 Simultaneous Removal of HA and Heavy Metals 3.2.3.2 Simultaneous Removal of FA and Heavy Metals CHAPTER Ⅳ. RESULTS AND DISCUSSIONS 4.1 Synthesis and Characterization of Potassium Ferrate 4.2 Removal of NOM using Ferrate 4.2.1 HA Removal 4.2.1.1 Removal Efficiency of HA depending on Ferrate Dose 4.2.1.2 Effect of pH and Temperature on the Reaction between Ferrate and HA 4.2.1.3 Removal Efficiency of HA depending on Reaction Time 4.2.1.4 Comparative Removal Efficiency of HA by Ferrate with Traditional Coagulants 4.2.1.5 Effect of Ferrate Preoxidation on HA Removal by Traditional Coagulants 4.2.2 FA Removal 4.2.2.1 Removal Efficiency of FA depending on Ferrate Dose 4.2.2.2 Effect of pH and Temperature on the Reaction between Ferrate and FA 4.3 Removal of Heavy Metals using Ferrate 4.3.1 Removal Efficiency of Heavy Metals depending on Ferrate Dose 4.3.2 Effect of pH and Temperature on the Reaction between Ferrate and Heavy Metals 4.4 Simultaneous Removal of NOM and Heavy Metals 4.4.1 Simultaneous Removal of HA and Heavy Metals 4.4.2 Simultaneous Removal of FA and Heavy Metals CHAPTER Ⅴ. CONCLUSIONS REFERENCE