지하수에는 다양한 중금속이 존재하고 있으며, 그 중 지하수의 비소(As) 오염은 전 세계적으로 보고되고 있다. 지하수는 오염이 발생하게 되면 복구가 어렵다는 특성을 가지고 있으며, 오염 구역이 대수층의 흐름방향을 따라 이동하여 생태계 파괴를 유발할 수 있다. 이에 따라 As를 처리하기 위한 다양한 물리적, 화학적 처리방법의 개발이 진행되고 있다. 대표적으로 철(수)산화물을 이용한 흡착 방법이 사용되고 있으며 가장 높은 효율성을 보이고 있다. 이에 본 연구도 Alginate를 지지체로 하여 철(수)산화물을 포함한 Alginate/Lignin beads를 제조하여 As 흡착에 대한 효율성 연구를 진행하였다.
펄프 및 제지 산업의 부산물로 발생되고 있는 Lignin은 많은 생산량을 보이지만 그에 비해 활용도가 떨어지는 천연고분자이다. 이는 목재에서 셀룰로오스를 접착시키는 역할을 하고 있으며, 제지 산업에서 바로 연료로도 사용되고 있으나 많은 양이 버려지고 있다. 최근 이 Lignin의 부가가치를 높이기 위한 연구가 많이 수행되고 있으며 그중 Lignin이 중금속 흡착제로서 역할을 할 수 있다는 연구로 통해 흡착제로 많이 활용되고 있다. 따라서 본 연구도 Lignin의 중금속 흡착제로서의 활용성 연구를 뒷받침하기 위해 진행되었다.
흡착제 제조 시 Lignin은 단일 물질로 비드화를 할 수 없다는 점을 고려하여 Alginate을 지지체로 하고 일정량의 Lignin을 용액에 첨가하여 친환경 비드를 제조하였다. 추가로 As를 제거하기 위해 As와 가장 높은 친화도를 가지는 Fe3+을 첨가함으로써 As의 흡착을 유도하였다. 비드를 Fe3+로 가교한 비드와 Fe3+로 코팅한 비드 두 가지 방법으로 제조하는 방식으로 철(수)산화물이 포함되도록 하였다. 실험은 SEM, FT-IR, 담지효율, 수율, 팽윤성 실험을 진행하여 각 비드의 특성을 분석하였다. 이후, 최적의 합성 조건을 찾아 비드를 제조하고 As(III)와 As(V)의 pH에 따른 흡착능을 비교 분석하였다. 또한 As 외의 공존 인자 존재 시 흡착 방해거동을 확인하였으며, 등온흡착, 평형 동역학적 해석, 비드의 재생성 확인 실험까지 진행하였다.
SEM, FT-IR을 이용한 분석 결과 Fe3+로 코팅이 진행된 비드에 더 많은 철(수)산화물이 표면에 부착된 것을 확인할 수 있었다. 또한 전반적으로 Fe3+로 가교된 비드나 코팅된 비드의 수율은 95% 이상으로 높은 값을 보였으나 Fe3+로 코팅된 비드의 경우 상대적으로 조금 더 높은 수율을 보였다. 담지효율의 실험결과를 보면 Lignin을 함유할수록 비드의 구조는 더 조밀해졌고, 더 많은 철(수)산화물의 부착으로 높은 흡착능을 보인다는 것을 알 수 있었다. 더불어 Fe3+로 가교된 비드와 코팅된 비드를 비교하였을 때, Fe3+로 코팅된 비드의 팽윤도가 더 낮았으며 더 높은 담지효율을 보여주었다.
합성 조건 실험 진행 시 Fe3+로 가교된 비드의 최적 가교제 몰 농도는 FeCl₃ 0.8 M이며, Fe3+로 코팅된 비드의 최적 코팅 몰 농도는 FeCl₃ 0.1 M로 선정되었다. Alginate와 Lignin의 비율은 100 mL 기준 3 g : 3 g 일 때 가장 높은 담지효율과 흡착능을 보여주었다. 추가로 겔 제조 시 겔화 온도에 따른 실험을 진행하였을 때, 22℃ ~ 26℃의 온도에서 제조하는 것이 구형의 일정한 형태의 비드를 얻을 수 있어 겔화 온도는 24℃로 선정하여 진행하였다. As 흡착능 실험 결과, As(III)의 경우 pH 중성일 때 가장 높은 흡착능을 보였으며, As(V)의 경우 pH가 산성일 때 가장 높았다. 이는 철(수)산화물과 pH에 따른 비소의 화학종에 따라 다르다는 것을 의미하며, As(III)에 비해 As(V)의 흡착능이 더 높게 측정되었다. Lignin을 함유한 흡착제의 경우 전반적으로 Lignin을 함유하지 않은 비드에 비해 높은 흡착능을 보여주었다. 이는 Lignin의 첨가로 인해 조밀한 구조를 형성함과 동시에 더 많은 철(수)산화물이 생성되었음을 의미하는 것으로 해석할 수 있었다.
공존 이온의 존재 시 As의 흡착 거동을 살펴본 결과, Fe3+로 코팅된 비드에서는 방해인자로 작용되지 않았으나, Fe3+로 가교된 비드의 경우 As 흡착능을 감소시켜 방해인자로 작용하였다. 이는 비드 내 남아있는 carboxyl기와 hydroxyl기의 유무에 대한 차이 때문으로 판단되었다. 등온흡착 모델과 동역학적 흡착 모델 실험 결과, AG, Fe - AG, AGL, Fe - AGL 비드 모두 Langmuir에서 더 높은 상관성을 보여주었으며, 유사 2차 모델이 동역학적으로 가장 적절하게 묘사하는 것으로 나타났다. 이를 통해 흡착제가 단분자층을 형성한다고 추론할 수 있었다. 흡착제 재생 실험 결과를 살펴보면, 3회까지는 높은 재생 효율을 보였으며, 그 이상의 재생 횟수에서는 재생효율의 감소폭이 크게 나타났다.
본 실험으로 인해 Lignin을 함유할수록 더 많은 철(수)산화물이 형성되어 As의 흡착능 증가를 확인할 수 있었으며, Fe3+로 가교를 진행한 비드보다 Fe3+로 코팅을 진행한 비드의 경우 수용액상에서 더 높은 안정성과 높은 흡착능을 보여 지하수 내 As 제거에 이 흡착제 사용이 적합한 것으로 판단할 수 있었다.