KR20200035547A - 철 나노입자를 코팅한 우라늄 오염 지하수용 활성탄의 제조방법 및 이에 의해 제조된 활성탄 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 활성탄 분말을 철수용액에 담지하여 활성탄의 표면을 우라늄을 흡착하도록 개질함으로써 지하수 내의 우라늄을 효율적으로 제거할 수 있는 활성탄의 제조방법과 이에 의해 제조된 활성탄에 관한 것이다. 본 발명에 따른 활성탄 제조방법은 활성탄 분말을 준비하는 단계, 상기 활성탄 분말을 염산 수용액과 교반하여 상기 활성탄의 불순물을 제거하는 단계, 불순물이 제거된 상기 활성탄 분말을 철 수용액에 침지하여 반응시키는 단계, 상기 활성탄 분말이 반응된 철 수용액에 수산화나트륨(NaOH) 용액을 첨가하여 중화하는 단계, 및 상기 활성탄 분말을 건조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 우라늄에 의해 오염된 지하수를 정화하는 활성탄의 제조방법 및 이에 의해 제조된 활성탄에 관한 것으로, 보다 상세하게는 활성탄 분말을 철 수용액에 담지하여 활성탄의 표면을 우라늄을 흡착하도록 개질함으로써 지하수 내의 우라늄을 효율적으로 제거할 수 있는 활성탄의 제조방법과 이에 의해 제조된 활성탄에 관한 것이다.
지하수는 흙속의 각종 미생물과 토양의 자정작용으로 인하여 쉽게 오염되지 않으나, 최근 산업시설의 증가함에 따라 중금속, 석유, 농약, 병균 등으로 오염된 지표수가 지하로 흘러 들어가거나, 오염된 토양에 물이 통과하면서 지하수 오염이 발생하고 있다.
지하수 오염은 대부분의 환경오염처럼 한번 오염되면 개선이 어려우면서도 대기나 수질에 비해 훨씬 더 긴 시간과 많은 경제적 투자를 필요로 함에 따라 지하수를 정화하기 위한 다양한 기술이 개발되고 있다.
예를 들어, 대한민국 특허등록 제10-1720098호에는 휘발성 유기화합물(VOCs)에 의해 오염된 지하수를 정화하는 방법이 개시되어 있고, 특허등록 제10-0732653호에는 비소나 카드뮴과 같은 중금속으로 오염된 지하수를 정화하는 방법이 개시되어 있다. 그런데, 최근 휘발성 유기화합물이나 비소나 카드뮴와 같은 중금속 외에도, 우라늄과 같은 방사성 물질에 의한 지하수 오염이 문제가 되고 있는데, 방사능 물질로 오염된 지하수를 음용할 경우 체내에 축적되어 독성이나 각종 질환을 야기하는 문제가 있다.
이와 같은 방사능 오염수를 정화하는 방법으로 특허등록 제10-1581278호의 "토양에서 분리한 자성분리입자를 이용한 방사능 오염수 정화방법", 특허공개 제2015-0064806호의 "미세조류를 이용한 방사능 오염수 정화 시스템 및 방법"이 개시되어 있다. 개시된 지하수 정화기술은 원자력 발전소 등의 핵시설에서 누출되는 세슘(Cs)이나 스트론늄(Sr)과 같은 방사능 물질을 정화하기 위한 기술이다.
하지만, 지하수는 지중의 암반에 인접하게 위치함에 따라 화강암 등의 암석으로부터 방사되는 우라늄(U)과 같은 자연 방사성 물질에 노출되어 오염됨에 따라, 지하수로부터 우라늄과 같은 자연 방사성 물질을 효과적으로 제거할 수 있는 기술개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 과제는 자연 방사선 물질인 우라늄에 의해 오염된 지하수를 정화하는 활성탄의 제조방법 및 이에 의해 제조된 활성탄을 제공하는 것이다.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 활성탄 분말을 준비하는 단계, 상기 활성탄 분말을 염산 수용액과 교반하여 상기 활성탄의 불순물을 제거하는 단계, 불순물이 제거된 상기 활성탄 분말을 철 수용액에 침지하여 반응시키는 단계, 상기 활성탄 분말이 반응된 철 수용액에 수산화나트륨(NaOH) 용액을 첨가하여 중화하는 단계, 및 상기 활성탄 분말을 건조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 우라늄 오염 지하수용 활성탄의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 활성탄의 불순물을 제거하는 단계는 상기 활성탄 분말을 10% 내지 15% 농도의 염산 수용액에 10~14시간 교반하여 제거하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 활성탄을 철 수용액에 반응시키는 단계는 0.1M 내지 0.5M 농도의 염화제이철(FeCl3) 용액에 12~15시간 반응시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 10M 내지 12M 농도의 수산화나트륨 용액을 첨가하여 pH를 7~8로 조정하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 어느 하나의 방법으로 제조된 우라늄 오염 지하수용 활성탄이 제공된다.
본 발명에 따르면 다공성 표면을 가진 활성탄 분말을 철 수용액에 담지하여 활성탄의 표면을 철 산화물로 코팅함으로써 활성탄의 표면을 양 전하를 가지도록 개질함으로써, 지하수내에 음전하 상태로 존재하는 우라늄을 흡착함으로써 지하수 내의 우라늄을 효과적으로 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 우라늄 오염 지하수용 활성탄의 제조방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 활성탄 표면 SEM 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 우라늄 흡착성능을 측정한 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 실시예의 중금속 흡착성능을 측정한 그래프
도 2는 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 활성탄 표면 SEM 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 우라늄 흡착성능을 측정한 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 실시예의 중금속 흡착성능을 측정한 그래프
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 우라늄 오염 지하수용 활성탄의 제조방법을 도시한 순서도로, 도 1을 참조하면 본 발명은 활성탄 분말을 준비하는 단계(S110), 활성탄의 불순물을 제거하는 단계(S120), 활성탄 분말과 철 수용액을 반응시키는 단계(S130), 수산화나트륨(NaOH) 용액을 첨가하는 단계(S140), 활성탄 분말을 건조하는 단계(S150)를 포함하여 이루어진다.
활성탄 분말을 준비하는 단계(S110)는 활성탄의 체분리를 통해 입도가 80㎛이상 160㎛이하의 입자로 분리하여 선정한다. 활성탄의 입도가 80㎛ 미만이면 크기가 작아 취급이 어렵고, 160㎛를 초과하면 표면적이 작아 흡착효율이 낮아진다.
활성탄의 불순물을 제거하는 단계(S120)는 활성탄 분말을 염산 수용액과 교반하여 활성탄 표면의 불순물을 제거하는 단계로, 활성탄 분말을 10% 내지 15% 농도의 염산 수용액에 10~14시간 교반하여 제거한다. 염산과 반응된 활성탄은 체로 거른 후 증류수로 세척하여 건조한다.
활성탄 분말과 철 수용액을 반응시키는 단계(S130)는 불순물이 제거된 활성탄 분말을 철 수용액에 침지하여 반응시켜 활성탄의 표면에 철 산화물을 코팅한다. 활성탄 표면의 다수의 기공에 철 산화물이 첨착되면 활성탄의 기공 부피나 비표면적이 감소하고 이로 인해 물리흡착 성능은 저하되나, 지하수에 존재하는 우라늄과 화학흡착(chemical adsorption)이 가능하게 된다. 이를 위해, 불순물이 제거되고 건조된 활성탄 분말을 0.1M 내지 0.5M 농도의 염화제이철(FeCl3) 용액에 12~15시간 반응시킨다. 염화제이철(FeCl3) 용액과 반응한 활성탄은 체로 거른 후 증류수로 세척하여 건조한다.
수산화나트륨(NaOH) 용액을 첨가하는 단계(S140)는 철 산화물이 코팅된 활성탄에 수산화나트륨 용액을 첨가하여 활성탄에 잔존하는 염산을 중화반응에 의해 침전시켜 제거한다. 이를 위해 활성탄 분말을 10M 내지 12M 농도의 수산화나트륨 용액을 서서히 첨가하여 pH를 7~8로 조정한다.
활성탄 분말을 건조하는 단계(S150)는 수산화나트륨에 의해 중화된 활성탄 분말을 증류수로 세척한 후 건조하여 활성탄 분말을 제조한다. 이와 같이 제조된 활성탄 분말은 지하수 처리용 필터표면에 흡착시켜 사용할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 설명한다.
<실시예>
입도가 100㎛~150㎛인 활성탄 분말 1kg에 10% 농도의 염산 10L를 Pyrex 재질의 반응기에 투입하여 1,500RPM 속도로 12시간 동안 교반하여 반응시킨 후, 활성탄 분말을 체로 걸러 증류수로 세척하고 120℃에서 5시간 동안 건조시켰다. 그럼 다음, 건조된 활성탄 분말과 0.1M 농도의 염화제이철(FeCl3) 용액 33L를 전술한 반응기에 투입하여 70℃에서 12시간 동안 교반하여 반응시킨 후, 체로 걸러 증류수로 세척하고 110℃에서 4시간 동안 건조시켰다. 건조시킨 활성탄 분말을 전술한 반응기에 투입한 후 10M 농도의 수산화나트륨 용액을 천천히 주입하여 pH를 7로 조정한 후, 체로 걸러 증류수로 세척한 후 건조하여 활성탄 분말을 제조하였다.
<비교예>
입도가 100㎛~150㎛인 활성탄 분말 1kg에 10% 농도의 염산 10L를 Pyrex 재질의 반응기에 투입하여 1,500RPM 속도로 12시간 동안 교반하여 반응시킨 후, 활성탄 분말을 체로 걸러 증류수로 세척하고 120℃에서 5시간 동안 건조시켜 활성탄 분말을 제조하였다.
<실험1: 표면분석 실험>
실시예와 비교예의 활성탄 표면을 살펴보기 위해 SEM분석을 실시하였다. 도 2(a)는 비교예의 표면사진이고, 도 2(b)는 실시예의 표면사진으로, 이를 비교하면 도 2(a)에 비해 도 2(b)에는 활성탄 표면 기공에 철 산화물이 코팅되어 있음을 확인할 수 있었다.
<실험2: 우라늄 흡착성능 실험>
우라늄의 초기농도를 10mg/L으로 하고 1g/L의 실시예 및 비교예의 활성탄을 각각의 반응용기에 주입하였으며, 초기 pH는 7로 조절하여 24시간 반응시킨 후 초기 농도에 대한 잔여 우라늄의 농도를 측정하였다. 도 3은 실시예와 비교예의 우라늄 흡착율을 측정한 그래프로, 측정결과 비교예는 약 60%의 우라늄 제거율을 보인 반면에, 실험예는 약 99%의 제거율을 보여 상당한 차이가 있음을 확인하였다.
<실험3: 중금속(비소, 카드뮴, 구리, 납) 흡착성능 실험>
중금속인 비소, 카드뮴, 구리, 납의 초기농도를 각각 0.5, 2, 5. 10, 50ppm으로 하고, 1g/L의 실시예의 활성탄을 각각의 반응용기에 주입하였으며, 초기 pH는 7로 조절하여 24시간 반응시킨 후 초기 농도에 대한 잔여 중금속의 농도를 측정하였다. 도 4는 실시예의 각각의 중금속 흡착성능을 측정한 그래프로, 중금속의 농도에 따라 제거율에 차이가 있으나 대체적으로 90% 이상의 중금속 제거율을 보임을 알 수 있다.
<실험결과>
실험결과 철 산화물이 코팅된 실시예는 비교예에 비해 우라늄은 물론 중금속 제거효율을 우수하였는데, 철 산화물의 코팅에 의해 활성탄 표면의 비표면적은 감소하였으나 우라늄 및 중금속의 흡착성능은 향상됨을 알수 있었다. 이는 일반적인 지하수에서 우라늄은 음전하가 높은 UO2(CO3)3 4- 또는 UO2(CO3)2 2- 형태로 존재함에 따라, 실시예의 표면은 철 산화물의 흡착에 의해 표면 전위가 높은 양의 값을 가져 정전기적 상호작용으로 인해, 우라늄과 화학적 흡착이 효과적으로 이뤄진 것으로 판단된다.
Claims (5)
- 활성탄 분말을 준비하는 단계;
상기 활성탄 분말을 염산 수용액과 교반하여 상기 활성탄의 불순물을 제거하는 단계;
불순물이 제거된 상기 활성탄 분말을 철 수용액에 침지하여 반응시키는 단계;
상기 활성탄 분말이 반응된 철 수용액에 수산화나트륨(NaOH) 용액을 첨가하여 중화하는 단계; 및
상기 활성탄 분말을 건조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 우라늄 오염 지하수용 활성탄의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 활성탄의 불순물을 제거하는 단계는,
상기 활성탄 분말을 10% 내지 15% 농도의 염산 수용액에 10~14시간 교반하여 제거하는 것을 특징으로 하는 우라늄 오염 지하수용 활성탄의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 활성탄을 철 수용액에 반응시키는 단계는,
0.1M 내지 0.5M 농도의 염화제이철(FeCl3) 용액에 12~15시간 반응시키는 것을 특징으로 하는 우라늄 오염 지하수용 활성탄의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 중화하는 단계는,
10M 내지 12M 농도의 수산화나트륨 용액을 첨가하여 pH를 7~8로 조정하는 것을 특징으로 하는 우라늄 오염 지하수용 활성탄의 제조방법. - 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 방법으로 제조된 우라늄 오염 지하수용 활성탄.
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