IEG 환경지질연구정보센터

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한국지하수토양환경학회 춘계학술발표회 2013년 4월 11일-12일 한화리조트 제주

Fe(II) 산화반응에 미치는 As(V)의 저해 반응 및 생성된 고체상의 특성 규명

정 우 식¹․Maxim I. Boyanov²․전 병 훈^1*.

1연세대학교 환경공학부, ²Argonne National Laboratory(ANL),USA

요 약 문

비소의 지화학적 특성은 산화환원반응에 민감한 원소이기 때문에 Fe(II) 또는 산소에 의해 영향을 받 게 된다. 그리고 지하 환경에서의 용존산소와 Fe(II)의 역할은 가장 중요한 화학적 인자이다. 최근 연구결과, As(V)가 green rust와 같은 철산화물의 결정화에 부정적인 영향을 준다고 보고하였으며 (Refait et al., 2009), As(III)의 경우, Fe(II)의 중합반응 및 침철석과 레피도크로사이트 (Lepidocrosite)의 형성을 저해한다고 보고되 었다 (Thoral et al., 2002). 본 연구에서는 균질환경 및 불균질환경에서의 용존산소에 의한 Fe(II)의 산화반응에 미치는 As(V)의 영향에 대한 연구를 수행하였다. Fe(II)의 산화에 미치는 As(V)의 영향을 알아보기 위해 무산 소 조건을 유지한 반응기 안에 0.15 mM Fe(II) 용액을 주입한 후 0.05 mM As(V) 용액이 존재할 때와 Fe(II) 용액만 존재할 때, 균질조건 및 불균질 조건에서의 용존산소에 의한 Fe(II)의 산화반응에 대한 연구를 수행하 였다. 균질조건에서 4.0 mL의 공기를 주입한 후, Fe(II) 용액만 존재할 때의 산화반응과 비교하였을 때, Fe(II)-As(V) 혼합용액에서의 산화반응은 느리게 나타났다.

Figure 1. Homogeneous Fe(II) oxidation with As(V) by dissolved oxygen in the absence (Fe(II) only) and presence[Fe(II)-As(V)] of arsenic. Experimental conditions: [Fe(II)]= 0.15 mM, [As(V)]= 0.05 mM, 4.0 mL of air was spiked as indicated.

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수용액의 pH 6.5에서 Fe(II)의 농도는 산소 주입 후 약 4일 동안 약 0.15 mM 감소하였으나, Fe(II)-As(V) 혼 합용액에서는 약 0.05 mM이 감소하였다 (그림 1). 이 결과는 주어진 실험조건에서 주요 화학종인 H2AsO4- 및 HAsO4-2가 Fe(II)와 complex를 형성하여 Fe(II)로부터 산소 분자로의 전자 전달을 방해하는 것으로 사료된다.

침철석을 이용하여 불균질 조건을 조성한 후, 흡착된 Fe(II) 산화반응에 미치는 흡착된 As(V)의 영향에 대해 실험을 수행하였다. 실험결과, 주어진 실험조건에서 흡착된 As(V)의 농도가 높을수록 Fe(II)의 산화반응이 느리게 나타났으며 (그림 2), 균질환경에서의 Fe(II)의 산화반응과 마찬가지로 Fe(II)와 As(V)가 complex를 형성하 여 전자 전달을 방해하는 것으로 판단된다. Fe(II) 및 Fe(II)-As(V) complex에서 생성된 고체상에 대해 TEM 분 석을 실시한 결과, 5가 비소가 없이 2가 철만 존재할 때, 용존산소에 의한 산화반응으로 비결정질의 철수산화물인 Fe(OH)3(s) 및 철(수)산화물인 침철석이 생성된 것으로 사료되며, 2가 철과 5가 비소가 공존하는 반응에서는 용존 산소에 의해 산화된 Fe(III)와 5가 비소가 반응하여 새로운 고체상을 나타내었다.

0 20 40 60 80

0.0 0.1

0.2 Control

As(V) 0.02mM As(V) 0.05mM As(V) 0.1mM

Time (hour)

Adsorbed Fe(II) Conc. (mM)

Figure 1. Heterogeneous Fe(II) oxidation with As(V) by dissolved oxygen in the absence (Fe(II) only) and presence[Fe(II)-As(V)] of arsenic. Experimental conditions: [Fe(II)]= 0.20 mM, [As(V)]= 0.02-0.10 mM.

[FeOOH]= 2 g/L, [Air]= 1.0 mL

key words : Fe(II) 산화반응, 5가 비소(As(V)), 전자전달, 저해반응, 균질/불균질 조건

참고문헌

1. Refait, P., Girault, P., Jeannin, M., Rose, J., Influence of arsenate species on the formation of Fe(III) oxyhydroxides and Fe(II-III) hydroxychloride, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, Vol. 332(1), pp. 26–35, 2009.

2. Thoral, S., Rose J., Garnier J. M., Geen A. C., Refait P., Traverse A., Fonda E., Nahon D., and Bottero J.

Y., “XAS study of iron and arsenic speciation during Fe(II) oxidation in the presence of As(III),” Environ. Sci.

Technol., Vol. 39, pp. 9478-9485, 2005,