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표제지

요약

목차

1. 서론 14

2. 이론적 배경 17

2.1. 지하수 17

2.1.1. 지하수의 특성 17

2.1.2. 우리나라 지하수 현황 18

2.1.3. 지하수 오염 22

2.2. 비소 26

2.2.1. 비소의 특성 26

2.2.2. 비소의 독성 29

2.2.3. 지하수의 비소 오염 기원 30

2.2.4. 비소의 법적 규제 31

2.2.5. 비소 처리기술 35

2.3. 흡착 40

2.3.1. 흡착의 개념 40

2.3.2. 물리적 흡착과 화학적 흡착 41

2.4. 활성탄 44

2.4.1. 활성탄의 구조와 특성 44

2.4.2. 활성탄의 분류 46

2.4.3. 활성탄의 개질과 활용 48

3. 연구방법 50

3.1. 연구 재료 50

3.1.1. 활성탄 50

3.1.2. 비소 인공 시료 52

3.2. 연구방법 및 조건 53

3.2.1. 활성탄의 개질 53

3.2.2. 비소 흡착실험 55

3.2.3. 흡착영향인자에 따른 실험 56

3.3. 분석 방법 57

4. 연구결과 및 고찰 58

4.1. 염화철 개질 활성탄의 표면 58

4.2. 개질 활성탄 제조 시 염화철의 농도에 대한 영향 64

4.3. 개질 활성탄 제조 시 반응온도에 대한 영향 67

4.4. 개질 활성탄 주입량에의한 영향 69

4.5. 비소 용액의 초기 pH에 의한 영향 73

5. 결론 79

References 82

ABSTRACT 87

표목차

Table 2.1. Geological and groundwater output characteristics by region 19

Table 2.2. Nonconformity rate for underground water quality inspection by year 20

Table 2.3. Groundwater management organization and legislation status 21

Table 2.4. Inorganic Pollutants and Origin of Pollutants in Groundwater 23

Table 2.5. Physicochemical Properties of Arsenic 26

Table 2.6. Standards for Arsenic among drinking water quality standards. 31

Table 2.7. International Human Safety Standards for Arsenic 32

Table 2.8. Water Quality Standards for Groundwater in Korea 33

Table 2.9. Best available technologies and their arsenic removal efficiency 35

Table 2.10. Comparison of physical adsorption and chemical adsorption 43

Table 2.11. Classification of activated carbon 47

Table 3.1. General characteristics of F-400 activated carbon 50

Table 4.1. Result of EDS spectrums of activated carbon before modified with ferric chloride solution 62

Table 4.2. Result of EDS spectrums of activated carbon after modified with ferric chloride solution 63

Table 4.3. Result of As adsorption ratio according to FeCl₃ solution concentration. 65

Table 4.4. Result of experiment according to reaction temperature by 0.1 M, 0.3 M FeCl₃-modified activated carbon. 68

Table 4.5. Result of experiment according to amount of 0.1 M, 0.3 M FeCl₃-modified activated carbon. 71

Table 4.6. Result of experiment according to pH of initial As solution by 0.1 M, 0.3 M FeCl₃-modified activated carbon. 76

그림목차

Figure 2.1. Korea's Groundwater Metering Network 22

Figure 2.2. pH-Eh diagram for As species in solution 28

Figure 2.3. Excess ratio by pollutants in 2017 Groundwater Water Quality Monitoring Network 34

Figure 2.4. Schematic diagram of adsorption mechanism 40

Figure 2.5. Plan structures of graphite (A) and activate carbon (B) 44

Figure 2.6. Categories of activated carbon modification techniques 48

Figure 3.1. Flow diagram of activated carbon preparation 51

Figure 3.2. Flow diagram of modified activated carbon production by concentration of FeCl₃ solution 54

Figure 3.3. Flow diagram of arsenic adsorption process 55

Figure 4.1. SEM photo of granular activated carbon before modified with ferric chloride solution. 59

Figure 4.2. SEM photo of granular activated carbon after modified with ferric chloride solution. 60

Figure 4.3. EDS spectrums of activated carbon before modified with ferric chloride solution 62

Figure 4.4. EDS spectrums of activated carbon after modified with ferric chloride solution 63

Figure 4.5. As adsorption ratio according to FeCl₃ solution concentration. 65

Figure 4.6. As adsorption ratio according to reaction temperature by 0.1 M, 0.3 M FeCl₃-modified activated carbon. 67

Figure 4.7. As adsorption ratio according to amount of 0.1 M, 0.3 M FeCl₃-modified activated carbon. 70

Figure 4.8. As adsorption ratio according to pH of initial As solution by 0.1 M, 0.3 M FeCl₃-modified activated carbon. 75

Figure 4.9. pH-Eh diagram for As species in solution 77

초록보기

 우리나라는 현재 다른나라에 비해 지하수 이용비율이 낮은 상태이며 기후변화로 인한 기상이변으로 수자원이 점차 부족해지고 있다. 댐, 저수지 등의 건설의 한계와 지표수의 오염 등으로 지표수 이용이 한계에 다다르고 있어 지하수 이용은 점차 증가할 것이다.

오염물질 중 비소는 황동석, 유비철석과 같은 지질특성을 가지는 지역에서 자연적으로 발생하지만 산업의 발전으로 화석연료의 연소, 비소 함유 농약 및 제초제의 사용과 같이 인위적인 요인에 의해서도 발생한다. 비소는 강한 독성을 가지며 미량 섭취만으로도 사람에게 치명적이기 때문에 전 세계적으로 엄격한 기준으로 관리되고 있다.

본 연구에서는 오염된 지하수 중 비소를 제거하기 위하여 활성탄을 염화철을 이용하여 개질하여 적용하였고, 다양한 영향인자에서의 비소 제거 효율을 비교하였다. 염화철 용액의 농도, 개질 활성탄 제조 시 반응온도, 개질 활성탄의 주입량, 비소 용액의 초기 pH의 조건을 변화시켜 실험 하였다.

염화철 개질 활성탄 제조 시 염화철의 농도를 조절하여 실험한 결과 염화철의 농도가 가장 낮은 0.01 M로 개질하였을 때 제거효율이 74 %로 가장 높았으며, 염화철 용액의 농도가 낮을수록 비소 제거 효율이 높아지는 경향을 보였다.

개질 활성탄 제조 시 반응온도를 15 ℃, 25℃, 35 ℃로 조절하여 실험한 결과 0.1 M로 개질한 활성탄의 경우 각각 26 %, 35 %, 24 %의 제거율을 보였으며, 0.3 M로 개질한 활성탄의 경우 각각 14 %, 25 %, 18 %의 제거율을 보였다. 이는 개질 시 반응온도는 비소의 제거율에 크게 영향을 미치지 않으며 최적의 조건이 존재한다는 것으로 판단할 수 있었다.

개질 활성탄의 주입량을 조절하여 실험한 결과 개질 활성탄의 주입량이 많을수록 제거효율이 증가하는 경향을 보였다. 활성탄은 0.1 g, 0.25 g, 0.5 g, 1.0 g, 1.5 g으로 조절하여 주입하였다. 가장 적은 양인 0.1 g의 활성탄을 주입하였을 때 0.1 M로 개질한 활성탄의 경우 제거효율이 21 %였으며, 0.3 M로 개질한 활성탄은 14 %로 나타났다. 가장 많은 양인 1.5 g을 넣었을 때 0.1 M로 개질한 활성탄의 경우 40 %의 비소 제거 효율을 보였고, 0.3 M로 개질한 활성탄의 경우 34 %의 제거효율을 나타내었다.

초기 비소용액의 pH에 따른 비소의 제거율은 pH를 3, 5, 7, 9, 11로 조절하여 실험하였다. pH가 5일때 제거효율이 가장 높게 나타났으며 pH가 5에서 9사이 일 경우 pH가 낮을수록 제거 효율이 높아졌다. 0.1 M로 개질한 활성탄의 경우 pH 3, 5, 7, 9, 11에서 각각 77 %, 98 %, 96 %, 90 %, 51 %의 제거효율을 나타냈으며, 0.3 M로 개질한 활성탄의 경우 각각 62 %, 94 %, 88 %, 85 %, 40 %의 제거효율을 보였다. 이는 pH에 따라 존재하는 비소의 형태가 달라지며 pH가 높아질수록 비소 음이온의 전하가 높아져 정전기적 반발로 인한 것으로 판단되었다.

염화철 개질 활성탄을 이용하여 비소를 흡착하는 과정은 이화학적 조건에 따라 큰 차이를 나타낸다. 따라서, 본 연구를 통해 각 영향인자를 고려하여 염화철 개질 활성탄을 이용하여 지하수 중 비소를 제거하는 공정에서 최적의 조건에서 운영할 수 있는 자료로 활용될 것으로 기대된다.

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