산업화 및 고도화, 도시화에 따라 삶의 질이 높아지면서 다양한 종류의 폐수가 발생하게 된다. 그 중에서도 지하수 내 비소의 농도는 최대 5 mg/L로 존재하며 폐광산과 같은 소규모 폐수 발생지역에서는 일반 토양 대비 최대 5배까지 높은 농도를 나타내고 있어 이를 처리 하기 위한 소규모 공법의 마련이 필요하다.
키토산 비드는 중금속 제거에 있어 높은 제거율로 많은 연구가 이루어진 바 있다. 그러나 키토산 비드는 중금속에 대해 높은 제거율을 가지고 있음에도 불구하고 물리화학적 강도가 매우 약하다는 단점을 지니고 있다. 이에 따라 가교제나 기타 지지체와 같은 물질을 이용하여 강도 문제를 해결할 필요가 있다.
본 연구에서는 키토산 비드의 물리화학적 강도 문제를 해결하기 위한 최적 고강도 비드 제조 조건을 확립하고, 제조된 비드의 수처리 적용 가능성을 연구하였다. 화학적 강도 보강을 위하여 Galutaraldehyde(GA)와 Epichlorohydrin(ECH)을 이용하였으며, 물리적 강도 보강을 위하여 셀룰로오스를 이용하였다.
실험에서 제조하여 적용된 비드는 총 6종으로 키토산비드(CB), 비용해 셀룰로오스를 첨가한 키토산비드(Non-S-CCB), 용해 셀룰로오스를 첨가한 키토산비드(SCB), GA로 가교한 키토산비드(GA-CB), ECH로 가교한 키토산비드(ECH-CB), GA로 가교한 용해 셀룰로오스 비드(GA-SCB)이다.
실험결과 키토산의 입상화를 위한 가교제 농도는 PO43- 및 Cr(VI) 제거율이 가장 높았던 0.5 M NaOH로 선정하였다.
화학적 강도 보강을 위한 가교제는 GA와 ECH를 사용하였으며, 각 가교제 농도에 따른 PO43-제거 결과 pH 8에서 GA 26.5 mg/L, ECH 76 mg/L 각각 초기농도 20 mg/L 기준 99.99%, 98.63%로 가장 높은 제거율을 나타내었다. Cr(VI)제거 결과 pH 5에서 GA 26.5 mg/L, ECH 48 mg/L 각각 초기농도 20 mg/L 기준 98.38%, 85.53%의 제거율을 나타내었다. 각각의 가교 비드는 CB보다 높은 제거율을 나타내었는데, 이는 가교에 의한 화학적 강도 보강에 의한 것으로 판단된다. 전체 결과를 종합하였을 때, 최적 가교제 및 농도는 GA로써 26.5 mg/L를 선정하였다.
보관을 위한 후처리 방식에 따른 PO43-, Cr(VI) 제거율을 비교하였을 때, 고온건조 대비 동결건조에서 대체적으로 제거율이 높게 나타남을 확인할 수 있었다. 이는 고온 건조에 따른 비드의 수축으로 반응할 수 있는 표면적이 줄어들었기 때문으로 판단된다. 이에 따라 비드 후처리 방식은 동결건조를 적용하였다.
고분자 비드의 화학내성 보강 여부를 확인하기 위해 시간에 따른 pH별 팽윤도를 측정하였다. 실험결과 GA로 가교한 비드의 경우 pH 2에서 가장 높은 화학내성을 나타냈으며, 셀룰로오스를 용해한 비드(SCB, GA-SCB)의 경우 알칼리에서 높은 화학내성을 나타내었다. 이에따라 제조된 GA-SCB는 산성 및 알칼리에서 모두 높은 화학 내성을 나타내었다.
마이크로재료시험기를 이용하여 비드의 압축강도를 비교하였을 때, CB대비 Non-S-CCB, SCB, GA-SCB 각각 2.21배, 2.56배, 2.24배로 압축강도가 증가하였다. 이에 따라 셀룰로오스를 첨가한 비드의 경우 물리적 강도가 증가하였음을 판단할 수 있었다.
최적 비드 조건 실험에 따라 제조된 GA-SCB를 이용하여 흡착 제거가 어려운 비소이온 흡착 실험을 진행하였다. 대상 이온은 HAsO42-, H₃AsO₃으로 하였으며, pH별 흡착 실험 결과 HAsO42- 은 pH 8에서 가장 높은 제거 효율을 나타내었으며, GA-SCB는 다른 흡착제와 비교하였을 때, 큰 흡착효율의 차이를 나타내지 않았다. H₃AsO₃ 흡착결과 pH 9에서 가장 높은 제거율을 나타내었다. 다만 pH별 큰 흡착효율의 차이는 관찰되지 않았는데, 이는 H₃AsO₃가 pH 9에서 0가 이온의 형태로 존재하여 화학적 흡착이 주로 발생하는 키토산 비드에 물리적으로 흡착함에 따른 결과로 판단하였다. GA-SCB를 이용한 H₃AsO₃ 흡착은 다른 키토산 비드와 비교하였을 때 큰 차이를 나타내지 않았으며, 이에따라 GA-SCB를 이용한 비소이온의 흡착은 적합한 것으로 판단되었다.
산을 이용한 비드 재생결과 GA-SCB는 6회 재생기준 약 3.13%의 제거율 감소를 나타내었으며, 염기 재생 결과 GA-SCB에서 6회 재생기준 약 2.52%의 제거율 감소를 나타내었다. 이를 통하여 전체적인 재생 과정에서 염기에 의한 재생 방식이 비드 재생에 더 우수한 것으로 판단하였다.
본 연구를 통하여 기존 키토산의 문제로 대두되었던 강도 문제를 물리화학적 접근을 통하여 해결하고 이를 수치적으로 확인할 수 있었다. 또한, Oxyanion에 대해서 이온종 별 흡착효율을 확인하여 가교 및 셀룰로오스 첨가에 의한 키토산 비드 강도 보강이 타당함을 확인할 수 있었다.