골탄 제조 공정 최적화를 통한 불소 흡착능 향상에 관한 연구

Abstract

세계보건기구(WHO)에서는 지하수의 불소 농도를 1.5 mg/L로 정하고 있지만 아프리카 지역의 불소 농도는 10 mg/L 이상이 되는 지역이 많다. 불소로 오염된 지하수를 식수로 장기간 섭취할 경우 불소증이라 불리는 골격기형, 치아 부식증 등과 같은 질병이 나타나고 있다. 지하수 내의 불소를 제거하기 위해 역삼투, 활성탄, 활성 알루미나 등 여러 가지 기술을 사용하고는 있지만 개발도상국이라는 특성상 유지관리하기 어렵거나 경제적 조건이 맞지 않아 지속적으로 사용하기에 무리가 있다. 따라서 상대적으로 저렴하고 유지 관리하기 쉬운 흡착제인 골탄을 사용하고 있다. 하지만 골탄의 가장 큰 문제점은 낮은 불소 흡착능과 처리수에서 탁도의 발생이다. 따라서 본 연구에서는 불소 흡착능을 향상시키고 탁도 제거를 위해 에티오피아 골탄의 제조 공정의 문제점을 찾고 새로운 제조 공정을 제안하였으며, 배치 스케일 테스트와 현지에서의 적용성을 위해 칼럼 스케일 테스트를 실시하였다. 배치 스케일 테스트에서 개량한 골탄과 에티오피아 골탄을 각각 1 g을 5 mg/L, 10 mg/L의 불소 수용액 1 L에 넣고 자테스트를 실시하였다. 불소 초기 농도 5 mg/L에서 개량한 골탄은 3.17 mgF/g, 에티오피아 골탄은 0.729 mgF/g 이었으며 10 mg/L에서는 4.5 mgF/g, 1.52 mgF/g으로 약 3~4배 정도의 흡착능에 차이를 보였다. 탁도는 개량한 골탄은 1.34 NTU, 에티오피아 골탄은 14.6 NTU로 큰 차이를 보였다. 개량한 골탄의 불소 흡착능 향상과 탁도 저하의 원인을 규명하기 위해 SEM-EDS, XRD, BET를 통해 물리 ∙ 화학적 특성을 분석한 결과 유기물과 비표면적의 영향으로 밝혀졌다. 칼럼 스케일 테스트에서는 최대 불소 흡착능은 EBCT 2.5분의 경우 개량한 골탄은 1.102 mgF/g, 에티오피아 골탄은 0.269 mgF/g 이었고, EBCT 13분의 경우 1.925 mgF/g, 0.615 mgF/g으로 차이를 보였다. 경쟁 이온은 5 mg/L의 불소수용액에 CaCO3 300 mg/L , 100 mg/L 와 Cl 300 mg/L, 200 mg/L를 넣어주었다. 그 결과 골탄의 불소 흡착 효율에 영향은 미비했다. 결과적으로, 본 연구의 결과는 새로운 제조 공정으로 개량한 골탄은 에티오피아 골탄보다. 처리수에서 탁도의 발생을 현저히 줄였으며 약 4배의 불소 흡착능을 향상시켰다. 또한 지하수 내의 경쟁 이온의 영향은 미비하므로 불소를 효율적으로 흡착할 수 있으며 골탄에 파과까지의 시간을 늘림으로써 더 많은 처리수를 생산할 수 있어 경제성까지 향상시켰다.