한국지하수토양환경학회 춘계학술발표회 2013년 4월 11일-12일 한화리조트 제주
영가 마그네슘을 이용한 Cr(VI)의 효율적 제거: pH의 영향
Effective removal of Cr(VI) using zero-valent Mg: The effects of pH
박재선․이기현*
연세대학교 지구시스템과학과 환경지구화학연구실
*e-mail : [email protected]
요 약 문 1. 서론
마그네슘은 낮은 밀도와 높은 강도를 갖는 특성이 있어 주로 합금의 형태로 전자제품, 자동차, 무기, 항 공우주 산업의 재료로서 많은 연구가 진행되어 왔다(Makar and Kruger, 1993; Song et al., 1997; Zhang et al., 2008). 하지만 마그네슘 금속은 부식에 취약하기 때문에 보다 광범위한 활용에 제약이 있다. 부식에 대한 취약성 은 마그네슘의 높은 환원력(reduction potential)에 기인하며, 특히 물에 의해 매우 쉽게 산화되기 때문이다. 이러 한 특징은 마그네슘을 이용한 또 다른 화학적 활용, 예를 들면, 발열 및 H2 생산(production) 등의 반응에서 이점 으로 작용한다(Taub et al., 2002). 또한, 현재 오염물질 정화에 많이 사용되고 있는 영가 철을 대신하여 최근 몇몇 연구자들은 영가 마그네슘(Zero-Valent Magnesium, ZVMg)을 이용하여 유기오염물질을 환원시켜 제거하는 연구 를 수행하였다(Morales et al., 2002; Patel and Suresh, 2006; Agarwal et al., 2007; DeVor et al., 2009). ZVMg는 영가 철에 비해 낮은 산화환원전위를 갖기 때문에 보다 강력한 환원제로 사용이 가능하며, 반응 부산물의 용해도 가 높아 2차 침전에 의한 반응성 저해가 적을 것으로 사료된다. 뿐만 아니라, 산소에 의한 반응성 저해가 미비하 며, 반응 생성물인 마그네슘 이온은 자연수의 주 구성성분으로 환경 친화적인 오염정화에 사용될 수 있다. 이러한 이점에도 불구하고 ZVMg을 이용한 오염물질의 제거에 대한 연구는 미미한 상황이다. 본 연구에서는 ZVMg를 이 용한 Cr(VI)의 환원처리 반응에 대한 초기 pH의 영향에 대해 살펴보았다.
2. 실험 방법
ZVMg에 의한 Cr(VI)의 환원 반응에서 pH의 영향을 살펴보기 위해 초기 pH 2 – 7로 적정하여 실 험을 수행하였다. 바탕용액은 10 mM NaCl 용액을 사용하였으며, K2CrO4(99% ACS reagent, Aldrich)를 용해 시켜 만든 5.00 mM Cr(VI) stock solution을 넣어 19.0 μM Cr(VI) 용액으로 만들었다. 이후, 1 또는 5 M의 NaOH 또는 HCl 용액을 사용하여 계획한 초기 pH로 적정한 후, 500 mg/L이 되도록 ZVMg을 넣어 반응을 시작하였다. 실험을 수행하는 동안 지속적으로 교반시켰으며, 추가적으로 pH를 적정하지는 않았다. 분석용 시 료 채취는 주사기를 이용하여 약 5 mL씩 두 번을 채취하고 0.2 μm 필터로 여과시킨 후, 그 중 한 시료는 5 M HCl 용액을 사용하여 산성화시켰으며, 다른 시료는 용존 Cr(VI)의 분석용으로 사용하기 위해 산성화를 시 키지 않았다.
3. 결과 및 토의
ZVMg에 의한 Cr(VI)의 환원 반응에서 시간에 따른 pH의 변화를 살펴보면, 모든 실험 조건에서 200 분 이내에 pH 10 이상으로 증가한 후, 실험 종료 시까지 pH 10.3 ± 0.2로 안정하였다(Fig. 1a). 용존 Cr(VI)는 초기 pH가 4 이하에서는 pH가 낮을수록 농도가 빠르게 감소하였다(Fig. 1b). 특히, 초기 pH 2의 조건에서는
반응 후 첫 번째 채취(5 분) 시료의 Cr(VI) 농도가 검출한계 이하로 감소하였다. 반면, 초기 pH가 4 이상에서 는 pH에 따른 Cr(VI) 농도 변화의 차이가 거의 나타나지 않았다. 이는 반응 시작 후 pH가 빠르게 증가하여 안정된 pH(약 pH 10.3)에 도달하기 때문에 반응 초기에 pH의 차이가 없어진 것으로 사료된다. 본 실험 조건 에서 ZVMg의 산화용해반응 후 결과물로 생성되는 2차침전물은 실험조건에서 열역학적으로 안정한 magnesite로 사료된다. 본 연구 결과는 ZVMg에 의한 Cr(VI)의 환원반응이 산성, 중성 및 염기성 조건에서도 효과적으로 일어날 수 있다는 것을 의미한다.
( a )
( b )
( c )
Fig. 1. Changes in pH (a), dissolved Cr(VI) (b) and Mg (c) concentrations during Cr(VI) reduction by ZVMg at varying initial pH. [ZVMg]0, 500 mg/L; [Cr(VI)]0, 19.0 ± 0.2 μM; Background solution, 10 mM NaCl. Initial pH: ○, 2.0; △, 3.0; □, 4.0; ◇, 4.9; ▽, 5.9; ×, 6.8.
Key words : 영가 마그네슘(zero-valent magnesium, ZVMg), 6가 크롬 환원반응, 초기 pH 효과, 6가 크롬 제거
참고문헌
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