KR101324915B1

KR101324915B1 - 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR101324915B1
Application number: KR20110139557A
Authority: KR
Inventors: 노열; 서현희
Original assignee: 전남대학교산학협력단
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2013-11-01
Also published as: KR20130072019A

Abstract

본 발명은 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 산성광산배수의 침전물에 포도당을 첨가한 후, 혐기성 조건에서 반응시키는 단계를 포함하는 제조 방법과, 이와 같은 방법에 의하여 제조되는 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물을 제공한다. 본 발명의 상기 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물은 간단한 공정에 의하여 제조가 가능하고, 농도나 온도의 영향을 받지 않으면서도 6가 크롬에 대하여 빠른 환원 및 침전 효과를 나타내는 바, 특히 6가 크롬으로 오염된 지하수의 정화에 유용하게 이용될 수 있다.

Description

6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물 및 이의 제조 방법{Catalytic materials for facilitating reduction and sedimentation of chromium (Ⅵ) and preparing method thereof}

본 발명은 금속의 환원 및 침전을 촉진시키기 위한 조성물 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

근래 경제적인 고부가 자원에 대한 국가적 차원의 수요가 급격히 증가함에 따라, 유독성 중금속 특히 납(Pb), 카드뮴(Cd), 비소(As), 크롬(Cr), 아연(Zn), 니켈(Ni), 셀레늄(Se), 수은(Hg) 등에 의하여 오염된 폐기물의 배출량도 높아지고 있다. 이러한 유독성 중금속 폐기물에 의해 오염된 대기, 토양, 지하수 등은 많은 환경문제를 유발하는데, 그 중에서도 인간을 비롯한 각종 생명체의 식수로도 이용되는 지하수의 오염은 생명체에 가장 위협적인 요소이다.

중금속으로 오염된 지하수(이하, '오염지하수'라 한다.)의 복원 기술은 크게 지중처리(in situ)와 지상처리(ex situ)로 나뉜다. 지중처리 기술은 오염지하수의 원위치에서 적용되는 정화기술로서, 생물학적 방법(자연저감법, 미생물첨가법(bioaugmentation) 등)과 물리화학적 정화방법(침전법, 흡착법, 이온교환법, 공기주입법, 투수성반응벽, 동전기 정화법 등)이 이에 해당한다. 이러한 지중처리 기술은 양수에 따른 오염룰질의 노출방지 및 2차 오염물 생성을 방지할 수 있는 장점을 가진다. 그러나, 오염범위와 오염 정도에 따른 적용 한계가 있으며, 물리적/화학적/동력적 방법과 비교하여 정화기간이 긴 단점이 있다. 지상처리 기술은 주로 오염물질을 현장에서 이동하여 처리하는 기술로서, 원위치에서 양수처리 기술과 더불어 침전법, 이온교환법, 활성탄흡착법, 막여과법, 동전기적 정화방법 등이 있다. 이러한 지상처리 기술은 정화기간이 짧은 장점이 있는 반면, 처리 공정이 복잡하고 비용 부담이 크며, 2차 오염물질이 생성될 위험이 있는 단점이 있다.

특히 6가 크롬으로 오염된 지하수의 경우, H₂SO₄-FeSO₄/NaS₂O₅/SO₂-NaOH/Ca(OH)₂에 의한 환원-침전법, 이온교환법, 역삼투법, 석회응집법, 용매추출법, 증발법, 전기분해법, 화학적 침전법, 투수성방화벽 등의 물리화학적 처리방법에 의하여 주로 정화되고 있다. 그러나, 산화제 및 응집제 등에 의한 2차 오염물질 생성 위험을 비롯한 에너지 과다 소모, 과다 비용 및 관리의 어려움 등의 단점으로 인해, 친환경적이며 경제적인 생물학적 정화방법이 최근 주목받고 있다. 이에 따라, 미생물에 의한 생촉진법과 생주입법 등으로 6가 크롬의 황원 및 침전을 유도하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 생물학적 처리 방법은 경제적이고, 친환경적에서 매우 효과적이나, 지하환경 내 온도나 양분 등의 조건으로 인해 발생하는 혐기균의 활성도 차이가 발생하는 문제점을 비롯하여, 아직까지는 그 정화 기술의 경제성, 안전성 및 효율성이 담보되지 못하고 있다.

이에, 증가하는 폐기물, 특히 6가 크롬으로 오염된 지하수를 안정적이고 효율적으로 정화하면서도, 경제성과 안전성을 확보할 수 있는 친환경적인 기술의 개발이 매우 시급한 실정이다.

본 발명의 목적은 안정적이고 효율적으로 6가 크롬 오염수를 정화할 수 있는 조성물 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은 산성광산배수의 침전물에 포도당을 첨가한 후, 혐기성 조건에서 반응시키는 단계를 포함하는 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물 제조 방법을 제공한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다른 측면은 산성광산배수의 침전물에 포도당을 첨가한 후, 혐기성 조건에서 반응시켜 제조되는 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물을 제공한다.

아울러, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 또 다른 측면은 상기의 조성물을 이용하는 6가 크롬 오염수의 정화 방법을 제공한다.

본 발명의 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물은 간단한 공정에 의하여 제조가 가능하고, 폐수인 산성광산배수 내에 포함된 침전물를 이용하여 제조되는 것이므로 오염물을 재활용할 수 있다는 점에서 효용성을 가진다. 또한, 본 발명의 조성물은 농도나 온도의 영향을 받지 않으면서도 6가 크롬에 대하여 빠른 환원 및 침전 효과를 나타내는 바, 특히 6가 크롬으로 오염된 지하수의 정화에 유용하게 이용될 수 있다.

다만, 본 발명의 효과는 상기에서 언급한 효과로 제한되지 아니하며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 산성광산배수의 침전물을 X-선 회절 분석(X-ray Diffraction, XRD)한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 채취된 산성광산배수 침전물 내에 포함된 광물을 SEM-EDS로 분석한 결과를 나타낸 그림 및 그래프이다.
도 3은 채취된 산성광산배수 침전물 내에 포함된 슈왈츠마나이트를 TEM-EDS로 분석한 결과를 나타낸 그림 및 그래프이다.
도 4는 채취된 산성광산배수 침전물 내에 포함된 아카가네이트를 TEM-EDS로 분석한 결과를 나타낸 그림 및 그래프이다.
도 5는 채취된 산성광산배수의 침전물 내에 존재하는 철환원미생물의 16S rRNA-DGGE 분석 결과를 나타내는 계통분석도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물을 각각 TEM-EDS 및 SEM-EDS로 분석한 결과를 나타낸 그림 및 그래프이다.
도 8은 본 발명의 크롬 환원 미생물의 농화배양하는 과정을 나타낸 그림이다.
도 9는 농화배양된 6가 크롬 환원 미생물의 16S rRNA-DGGE 분석 결과를 나타내는 계통분석도이다.
도 10은 6가 크롬 환원 미생물과 본 발명의 조성물의 혼합물을 SEM-EDS로 분석한 결과를 나타낸 그림 및 그래프이다.
도 11은 크롬 환원 미생물의 6가 크롬 환원 및 침전을 TEM-EDS로 분석한 결과를 나타낸 그림 및 그래프이다.
도 12는 농화배양된 6가 크롬 환원 미생물의 환원 및 침전 효과 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물의 환원 및 침전 효과 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 14는 6가 크롬 환원 미생물과 본 발명의 조성물의 혼합물의 환원 및 침전 효과 측정 결과를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

1. 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물의 제조 방법

본 발명의 일 측면은 산성광산배수의 침전물에 포도당을 첨가하는 단계; 및 상기 포도당이 첨가된 침전물을 혐기성 조건에서 반응시키는 단계를 포함하는 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물 제조 방법은 1)산성광산배수의 침전물을 채취하는 단계, 2)상기 침전물에 포도당을 주입하는 단계 및 3)포도당이 주입된 침전물을 혐기성 조건에서 반응시키는 단계를 포함한다.

상기 단계 1)의 산성광산배수의 침전물은 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물의 전조물질로서, 수산화철광물을 주성분으로 포함하는 혼합물인 것이 바람직하다. 특히, 상기 산성광산배수의 침전물은 슈왈츠마나이트(schwertmannite, [Fe₈O₈(OH)_8-2X(SO₄)_X·nH₂O](1≤X≤1.75)) 및 아카가네이트(akaganeite, β-FeOOH)를 주성분으로 포함하는 혼합물일 수 있다. 상기 슈왈츠마나이트는 산성 환경에서 철과 황산염이 풍부한 수생 환경에서 잘 형성되며 특히 산도가 높은 산성광산배수에서 침전이 잘 일어난다. 상기 아카가네이트는 철이 풍부한 수생 환경에서 주로 비정질로 산출된다. 본 발명에서는 전주일광산에 채취한 산성광산배수의 침전물를 이용하였고, 그 구성성분의 분석을 위하여 X-선 회절 분석(X-ray Diffraction, XRD)을 수행하였다. 그 결과, 슈왈츠마나이트 및 아카가네이트가 주 구성 철산화물인 것으로 확인되었으며, 석영이 부 구성 광물로 검출되었다(도 1 참조). 상기 전주일광산 유래 침전물의 경우, 이를 구성하는 주성분인 상기 슈왈츠마나이트 및 아카가네이트는 전주일광산에 협재되어 있는 황철석의 산화로부터 기인된 Fe(Ⅲ)와 황산염으로부터 생성된 것으로 보인다.

상기 산성광산배수의 침전물 내에 포함된 상기 슈왈츠마나이트는 입자 크기가 50 ㎚ 내지 500 ㎚인 것이 바람직하고, 상기 슈왈츠마나이트는 입자 크기가 100 ㎚ 내지 300 ㎚인 것이 더욱 바람직하고, 상기 슈왈츠마나이트는 입자 크기가 100 ㎚ 내지 200 ㎚인 것이 가장 바람직하나, 이에 한정되지 아니한다. 상기 산성광산배수의 침전물 내에 포함된 상기 아카가네이트는 입자 크기가 10 ㎚ 내지 50 ㎚인 것이 바람직하고, 상기 아카가네이트는 입자 크기가 15 ㎚ 내지 40 ㎚인 것이 더욱 바람직하고, 상기 아카가네이트는 입자 크기가 20 ㎚ 내지 30 ㎚인 것이 가장 바람직하나, 이에 한정되지 아니한다. 본 발명의 구체적인 실시예에서는 SEM-EDS 및 TEM-EDS로 채취된 산성광산배수 침전물 내에 포함된 광물의 구성성분, 형태 및 입자크기를 확인하였다. SEM-EDS 분석 결과, 철, 산소 및 황의 함량이 높게 측정되었다(도 2 참조, SEM 시료 전처리 과정에서 백금 코팅에 의하여 첨가된 백금의 피크는 제외). 또한 TEM-EDS 관찰 결과, 슈왈츠마나이트가 약 100 ㎚ 내지 200 ㎚의 입자크기를 보이면서 특유의 밤송이 모양으로 서로 뭉쳐져 있는 형태를 나타내었고(도 3 참조), 아카가네이트가 약 20 ㎚ 내지 30㎚의 입자크기를 보이면서 침상 형태로 서로 심하게 뭉쳐져 있음을 확인하였다(도 4 참조).

상기 단계 1)의 상기 산성광산배수의 침전물은 철산화물을 철환원물로 생변형하는 미생물을 포함한다. 상기 철환원물의 생성에 관여하는 미생물(이하, '철환원미생물'이라 한다.)은 대사과정에서 발생하는 전자를 상기 침전물 내의 철산화물을 환원시킬 수 있는 미생물이면 특별히 제한되지 않으나, 상기 철환원미생물은 지오박터라세애 목 미생물(Geobacteraceae), 디설퍼로모나달레스 목 미생물(Desulfuromonadales) 그리고 디설포비브리오 속(Desulfovibrio sp.) 미생물로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것이 바람직하다. 상기 산성광산배수의 침전물 내의 철산화물은 상기와 같은 다양한 미생물들의 복합적인 작용에 의하여 보다 빠른 속도로 환원된다. 본 발명의 구체적인 실시예에서는 산성광산배수의 침전물 내에 존재하는 철환원미생물의 다양성을 확인하기 위하여 16S rRNA-DGGE 분석을 실시한 결과, 지오박터라세애 목 미생물(Geobacteraceae), 디설퍼로모나달레스 목 미생물(Desulfuromonadales) 및 디설포비브리오 속 미생물 (Desulfovibrio sp.) 등이 확인되었다(도 5 참조).

상기 단계 2)의 상기 포도당은 산성광산배수의 침전물 내에 존재하는 철환원미생물에 전자를 제공하는 전자공여체로서, 산성광산배수의 침전물 내에 존재하는 철환원미생물의 활성도를 높이기 위해 투여된다. 상기 철환원미생물은 상기 포도당을 산화시켜 발생하는 전자를 이용하여 상기 슈왈츠마나이트와 아카가네이트와 같은 철산화물을 환원시킨다. 본 발명의 구체적인 실시예에서 전자공여체인 포도당을 주입한 경우와 주입하지 않은 경우를 비교한 결과, 포도당을 주입한 경우에는 약 3일이 경과한 시점부터 침전물 내 철산화물(슈왈츠마나이트 및 아카가네이트)의 환원되기 시작하는 반면, 포도당을 주입하지 않은 경우에는 20일이 경과하였음에도 불구하고 아무런 변화가 일어나지 않았다. 상기와 같은 결과로부터, 전자공여체인 포도당의 주입에 의하여 철환원미생물의 활성이 증가됨을 알 수 있다.

상기 포도당은 상기 산성광산배수 침전물 1 ℓ 당 3 mM 내지 10 mM의 농도로 첨가되는 것이 바람직하고, 상기 포도당은 상기 산성광산배수 침전물 1ℓ 당 4 mM 내지 7 mM의 농도로 첨가되는 것이 더욱 바람직하며, 상기 포도당은 상기 산성광산배수 침전물 1ℓ 당 5 mM의 농도로 첨가되는 것이 가장 바람직하나, 이에 한정되지 아니한다. 상기 산성광산배수 침전물 1 ℓ 당 첨가되는 상기 포도당의 양이 3 mM 이하인 경우 산성광산배수 침전물 내 철환원미생물의 대사가 충분히 일어나지 않는 문제가 있고, 상기 산성광산배수 침전물 1 ℓ 당 첨가되는 상기 포도당의 양이 10 mM 이상인 경우 철환원미생물이 지나치게 농화되어 산성광산배수 침전물의 조성이 변화되는 문제가 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 산성광산배수 침전물 1 ℓ 당 5 mM 농도의 포도당을 첨가하여 철산화물을 환원시켰다.

상기 단계 3)의 상기 반응은 철환원미생물에 의하여 포도당이 산화 및 대사되어 철산화물을 환원시키는 과정으로서, 상기 철환원미생물이 혐기성 미생물인 바, 산소가 차단된 혐기성 조건에서 진행되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 반응은 20 ℃ 내지 30 ℃의 온도 및 0.8 atm 내지 1.2 atm의 압력 조건 하에서 진행되는 것이 바람직하고, 상기 반응은 23 ℃ 내지 27 ℃의 온도 및 0.9 atm 내지 1.1 atm의 압력 조건 하에서 진행되는 것이 더욱 바람직하며, 상기 반응은 25 ℃의 온도 및 1.0 atm의 압력 조건 하에서 진행되는 것이 가장 바람직하나, 이에 한정되지 아니한다. 또한, 상기 반응은 15일 내지 30일 동안 진행되는 것이 바람직하고, 상기 반응은 17일 내지 25일 동안 진행되는 것이 더욱 바람직하며, 상기 반응은 19일 내지 21일 동안 진행되는 것이 가장 바람직하나, 이에 한정되지 아니한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 25 ℃의 온도 및 1.0 atm의 압력 조건 하에서 20일 동안 반응을 진행시켜 철산화물을 환원시켜 조성물을 제조하였다.

본 발명의 상기 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물 제조 방법은 4)상기 단계 3)의 과정에 의하여 제조된 조성물에 크롬 환원 미생물을 추가하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 크롬 환원 미생물은 갯벌에서 유래한 것일 수 있다. 상기 크롬 환원 미생물이 갯벌에서 유래한 것인 경우, 상기 크롬 환원 미생물은 1')갯벌 퇴적물에 제2전자공여체와 제2전자수용체를 주입하여 금속 환원 미생물을 농화배양하는 단계, 및 2')상기 농화배양된 금속 환원 미생물에 제3전자공여체 및 제3전자수용체을 주입하여 크롬 환원 미생물을 농화배양하는 단계에 의하여 수득될 수 있다. 즉, 갯벌의 퇴적물에서 1차적으로 금속 환원 미생물을 농화배양한 다음, 상기 농화배양된 금속 환원 미생물 중에서 2차적으로 크롬 환원 미생물을 농화배양한다.

상기 단계 1')은 갯벌 퇴적물에서 1차적으로 금속 환원 미생물을 농화배양하는 단계이다. 상기와 같이 금속 환원 미생물만을 선택적으로 농화배양하기 위하여, 제2전자공여체와 제2전자수용체를 주입한다. 상기 제2전자공여체는 포도당, 피루베이트(pyruvate), 아세테이트(acetate), 포르메이트(formate) 및 락테이트(lactate)로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있고, 상기 제2전자수용체는 Fe(Ⅲ)-시트레이트(Fe(Ⅲ)-citrate), 아카가네이트 및 페리하이드라이트로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 제2철수산화물일 수 있다. 본 발명의 구체적인 실시예에서는 제2전자공여체로서 포도당을, 제2전자수용체로서 Fe(Ⅲ)-시트레이트(Fe(Ⅲ)-citrate)를 각각 주입하여 1차적으로 금속 환원 미생물만을 선택적으로 농화배양하였다.

상기 단계 2')는 상기 단계 1')에서 선택적으로 농화배양된 금속 환원 미생물 중에서 2차적으로 크롬 환원 미생물을 농화배양하는 단계이다. 상기와 같이 크롬 환원 미생물만을 선택적으로 농화배양하기 위하여, 제3전자공여체와 제3전자수용체를 주입한다. 상기 제3전자공여체는 제2전자공여체와 마찬가지로 포도당, 피루베이트(pyruvate), 아세테이트(acetate), 포르메이트(formate) 및 락테이트(lactate)로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. 상기 제3전자수용체는 크롬을 포함하는 염일 수 있고, 상기 제3전자수용체는 중크롬산염(KCr₂O₄)인 것이 바람직하다. 즉, 상기 단계 1') 및 2')에서 전자수용체의 종류를 달리함으로써 크롬 환원 미생물만을 선택적으로 농화할 수 있는 것이고, 특히 크롬 환원 미생물의 선택적 농화에는 상기 단계 2')의 과정에서 크롬을 포함하는 염이 반드시 이용되어야 한다. 본 발명의 구체적인 실시예에서는 제3전자공여체로서 포도당을, 제3전자수용체로서 중크롬산염(KCr₂O₄)를 각각 주입하여 2차적으로 크롬 환원 미생물만을 선택적으로 농화배양하였다.

상기 단계 2')에서 선택적으로 농화배양되는 상기 크롬 환원 미생물은 클로스트리디움(Clostridum) 속 미생물, 엑시규오박테리움(Exiguobacterium) 속 미생물 및 비브리오(Vibrio) 속 미생물로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 미생물을 포함한다. 상기와 같이 선택적으로 농화배양된 상기 크롬 환원 미생물이 상기 단계 1) 내지 3)에서 제조된 조성물과 함께 작용함으로써 상기 조성물의 6가 크롬의 환원 및 침전을 더욱 향상시킬 수 있다.

2. 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물

본 발명의 다른 측면은 산성광산배수의 침전물에 포도당을 첨가한 후, 혐기성 조건에서 반응시켜 제조되는 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물을 제공한다.

본 발명의 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물은 상기 "1. 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물의 제조 방법"에서 구체적으로 설명한 방법에 의하여 제조되는 것이다. 따라서, 상기 조성물의 제조 과정에 대한 설명은 상기 "1. 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물의 제조 방법"의 설명을 원용하고, 이하에서는 본 발명의 조성물에 대한 다른 특성만을 설명하도록 한다.

상기 조성물은 철환원물을 주성분으로 포함한다. 상기 제조 방법에 따라 제조되는 경우, 포도당의 주입으로 인하여 산성광산배수의 침전물 내에 포함된 철환원미생물의 활성이 증가되고, 결국 상기 침전물 내에 포함된 철산화물이 환원되게 되고, 이러한 철환원미생물의 대사 과정에 의하여 생성된 철환원물이 상기 조성물의 주성분이 된다.

상기 철환원물은 황화철 또는 능철석을 포함한다. 상기 산성광산배수의 침전물을 구성하는 주성분이 슈왈츠마나이트 및 아카가네이트와 같은 철산화물인 경우, 상기와 같은 철환원미생물의 환원 작용에 의하여 생성되는 철환원물은 황화철 또는 능철석이 된다. 상기 산성광산배수의 침전물을 구성하는 주성분이 아카가네이트인 경우, 하기 반응식 1 및 반응식 2와 같이 황화철 및 능철석으로 각각 환원된다.

[반응식 1]

[반응식 2]

또한, 상기 산성관산배수의 침전물을 구성하는 주성분이 슈왈츠마나이트인 경우, 하기 반응식 3과 같이 아카가네이트로 1차 환원된 다음, 상기 반응식 1 및 반응식 2와 같이 각각 황화철 및 능철석으로 2차 환원된다.

[반응식 3]

상기 조성물 내에 포함된 상기 황화철은 입자 크기가 30 ㎚ 내지 70 ㎚인 것이 바람직하고, 상기 황화철은 입자 크기가 40 ㎚ 내지 60 ㎚인 것이 더욱 바람직하고, 상기 황화철은 입자 크기가 50 ㎚인 것이 가장 바람직하나, 이에 한정되지 아니한다. 상기 조성물 내에 포함된 상기 능철석은 입자 크기가 300 ㎚ 내지 700 ㎚인 것이 바람직하고, 상기 능철석은 입자 크기가 400 ㎚ 내지 600 ㎚인 것이 더욱 바람직하고, 상기 능철석은 입자 크기가 5000 ㎚인 것이 가장 바람직하나, 이에 한정되지 아니한다. 본 발명의 구체적인 실시예에서, TEM-EDS 및 SEM-EDS 분석을 수행하여 상기와 같이 제조된 조성물의 성분을 확인하였다. TEM-EDS 분석 결과, 상기 조성물은 철과 황, 그리고 탄소와 산소 등을 주성분으로 하는 약 50 ㎚ 정도 크기의 황화철과 약 500 ㎚ 정도 크기의 능철석으로 구성되어 있음을 확인하였다(도 6 참조). 주로 3가 철은 붉은색을 띠고 2가 철은 어두운 갈색이거나 검은색을 띠는데 3가 철의 2가 철로의 환원 반응은 몇 년이 소요되는 매우 느린 반응이지만, 본 발명에서는 포도당을 처리함으로써 2일 이후부터 철산화물의 환원 반응이 관찰되기 시작하여 20일이 경과된 시점에서 상기 환원 반응을 완료시켰다. 또한, 20일 경과 후, 주사전자현미경(SEM-EDS)으로 상기 조성물을 관찰한 결과, 결정이 잘 발달된 마이크로 크기의 능철석과 나노 크기의 황철석을 관찰할 수 있었다(도 7 참조). 상기와 같은 결과로부터, 철환원미생물에 의해 결정도가 낮은 3가 철함유의 황산염수산화철광물로부터 점차 결정도가 높은 2가 철환원광물로의 변화가 촉진됨을 알 수 있다.

상기 조성물은 크롬 환원 미생물을 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 크롬 환원 미생물은 갯벌에서 유래한 것일 수 있다. 상기 크롬 환원 미생물이 갯벌에서 유래한 것인 경우, 상기 크롬 환원 미생물은 1')갯벌 퇴적물에 제2전자공여체와 제2전자수용체를 주입하여 금속 환원 미생물을 농화배양하는 단계, 및 2')상기 농화배양된 금속 환원 미생물에 제3전자공여체 및 제3전자수용체을 주입하여 크롬 환원 미생물을 농화배양하는 단계에 의하여 수득될 수 있다. 즉, 갯벌의 퇴적물에서 1차적으로 금속 환원 미생물을 농화배양한 다음, 상기 농화배양된 금속 환원 미생물 중에서 2차적으로 크롬 환원 미생물을 농화배양한다.

상기 단계 2')에서 선택적으로 농화배양되는 상기 크롬 환원 미생물은 클로스트리디움(Clostridum) 속 미생물, 엑시규오박테리움(Exiguobacterium) 속 미생물 및 비브리오(Vibrio) 속 미생물로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 미생물을 포함한다. 본 발명의 구체적인 실시예에서, 상기와 같이 선택적으로 농화배양된 6가 크롬 환원 미생물의 다양성을 확인하기 위하여 16S rRNA-DGGE 분석을 실시한 결과, 상기 농화배양된 6가 크롬 환원 미생물은 클로스트리디움(Clostridum) 속 미생물, 엑시규오박테리움(Exiguobacterium) 속 미생물 및 비브리오(Vibrio) 속 미생물로 구성되어 있음을 확인하였다(도 9 참조).

상기 조성물은 6가 크롬의 환원 및 침전을 촉진한다. 상기 6가 크롬의 환원 및 침전은 상기 조성물 내에 포함된 황화철 및 능철석과 같은 철환원물에 존재하는 Fe²⁺에 의하여 촉진된다. 상기 조성물의 상기와 같은 촉진 효과는 6가 크롬 환원 미생물을 혼합함으로써 더욱 향상될 수 있다. 상기 6가 크롬 환원 미생물은 ①유기물의 산화에 대한 전자수용체로서 Cr⁶⁺의 환원, ②발효과정에서의 유기물 산화에 의한 Cr⁶⁺의 환원, ③시토크롬-d(cytochrome d)에 의한 Cr⁶⁺의 환원 및 ④NADH에 의한 Cr⁶⁺의 환원 등의 다양한 경로로 6가 크롬의 환원 및 침전을 더욱 향상시킬 수 있다. 본 발명의 구체적인 실시예에서 크롬 환원 미생물, 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물 및 상기 미생물과 조성물의 혼합물에 대하여 각각 6가 크롬 환원 및 침전 효과를 측정한 결과, 미생물과 조성물의 혼합물이 가장 높은 6가 크롬 환원 및 침전 효과를 나타냄을 확인하였다(도 11 내지 도 14 참조).

3. 6가 크롬 오염수의 정화 방법

본 발명의 또 다른 측면은 상기 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물을 이용하는 6가 크롬 오염수의 정화 방법을 제공한다.

상기 조성물은 6가 크롬의 환원 및 침전을 촉진하는 효과가 있는 바, 상기 조성물을 이용하여 6가 크롬으로 오염된 오염수를 정화할 수 있다. 특히, 상기 조성물은 6가 크롬으로 오염된 지하수의 정화에 이용될 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다.

단, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물의 제조

<1-1> 6가 크롬 환원 미생물의 혼합물이 포함되지 않은 조성물의 제조

<1-1-1> 산성광산배수의 침전물 채취 및 구성 광물 동정

전주일광산(전라북도 완주군 경천면)의 산성광산배수로부터 침전물을 채취하였고, 상기 침전물의 구성광물을 동정하기 위하여 XRD를, 구성 광물의 구성성분, 형태 및 입자크기를 확인하기 위하여 SEM-EDS 분석을 각각 수행하였다.

먼저, 상기 XRD 분석을 위한 시료는 하기와 같이 준비하였다.

산성광산배수 침전물을 10 ㎖ 씩 코니칼 튜브(conical tube)에 넣고 2000 rpm에서 5분간 원심분리 한 뒤, 상층액을 버리고 증류수를 10 ㎖ 만큼 채워 잘 섞이도록 충분히 흔들어 준 다음, 다시 원심분리 하였다. 상기와 같은 원심분리과정을 3회 반복하여 산성광산배수 침전물 내에 이온화 되어있는 Cl^-을 제거시켰다. 침전된 입자는 알콜을 약간 넣고 흔들어 섞어 아게이트 막자사발에 붓고, 입자가 균일한 크기가 되도록 약하게 갈아주었다. 마지막으로 피펫에이드(pipet aid)를 이용하여 시료를 한 방울씩 유리판(slide glass)에 떨어뜨리고 자연건조 시킨 다음, 가속전압 40 kV, 전류 30 mA, 스캔속도(scan speed) 0.13 °/sec, 스텝사이즈(step size) 0.026 °2Th의 조건에서 XRD 분석(Multi Purpose X-ray diffractometer(X'Pert PRO))을 실시하였다.

다음으로, SEM-EDS 분석 시료는 하기와 같이 준비하였다.

진공펌프와 연결된 유리지지대 위에 0.22 ㎛ 여과지(Millipore Corporation, Bedford, Massachusetts 01730)를 올린 다음, 그 위에 유리관을 올리고 피막처리된 알루미늄 클램프로 고정시켰다. 2 ㎖의 산성광산배수 침전물을 유리관에 넣고 감압시켜 여과지에 침전물만 남게 한 후, 상온에서 자연건조시켰다. 상기 건조된 여과지를 3 ㎜ 내지 5 ㎜의 크기로 잘라 탄소 테이프로 스터브(stub)에 고정시켜 백금 코팅한 다음, 가속 전압 15 kV으로 SEM-EDS 분석(S-4700(Hitachi))을 실시하였다.

XRD 분석한 결과, 슈왈츠마나이트 및 아카가네이트가 주 구성 철산화물이고, 석영이 부 구성 광물인 것으로 확인되었고(도 1), EDS 분석 결과, 철, 산소 및 황의 함량이 높게 측정되었다(도 2, SEM 시료 전처리 과정에서 백금 코팅에 의하여 첨가된 백금의 피크는 제외). 또한 SEM 관찰 결과, 슈왈츠마나이트가 약 100 ㎚ 내지 200 ㎚의 입자크기를 보이면서 특유의 밤송이 모양으로 서로 뭉쳐져 있는 형태를 나타내고(도 3), 아카가네이트가 약 20 ㎚ 내지 30㎚의 입자크기를 보이면서 침상 형태로 서로 심하게 뭉쳐져 있음을 확인하였다(도 4).

<1-1-2> 산성광산배수의 침전물 내 철환원미생물의 확인

산성광산배수의 침전물 내에 존재하는 철환원미생물의 다양성을 확인하기 위하여 농화 배양된 미생물에서 핵산을 추출한 후 PCR을 이용하여 16S rRNA 분석을 실시하였다. 추출된 미생물의 핵산 1 ㎕을 주형으로 하여 10 pmol의 유박테리얼 유니버셜 프라이머(eubacteral universal primer) 27F (5'-AGA GTT TGA TCM TGG CTC AG-3') 및 1492R (5'-TAC GGY TAC CTT GTT ACG ACT T-3'), 0.1 ㎕의 Taq 폴리머라제(Taq polymerase) (5 unit/㎕, TAKARA), 2 ㎕의 10X PCR 버퍼 및 1.6 ㎕의 dNTP의 반응 혼합물 20 ㎕를 만들어 세균의 16S rRNA의 일부를 PCR로 증폭하였다. PCR 증폭 산물은 1% 아가로즈 젤 전기영동(Agarose gel electrophrosis)시킨 뒤 EtBr(ethidium bromide)로 염색(stain)한 다음, PCR 산물의 생성여부를 확인하였다. 상기 PCR 산물은 다시 GC 클램프(clamp)가 붙은 프라이머를 이용하여 증폭한 후, DGGE(Denaturing Gradient Gel Electrophoresis)를 실시하였다. 상기 DGGE상의 밴드(band)를 추출하여 염기서열 분석을 수행하였다.

그 결과, 철환원미생물로 잘 알려진 Geobacteraceae 목 미생물, Desulfuromonadales 목 미생물, 및 황산염환원미생물로 잘 알려진 디설포비브리오(Desulfovibrio) 속 미생물 등이 확인되었다(도 5). 상기 산성광산배수의 침전물 내의 철산화물은 상기와 같은 다양한 미생물들의 복합적인 작용에 의하여 보다 빠른 속도로 환원되는 것으로 판단된다.

<1-1-3> 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물의 제조

상기 <1-1-1>과 같이 채취한 산성광산배수의 침전물에 산성광산배수의 침전물 2 ℓ에 10 mM의 포도당(glucose)을 주입하고, 25 ℃ 및 1 atm의 조건에서 20일 동안 혐기성 반응을 진행시켜 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물을 제조하였다. 상기와 같이 제조된 조성물의 성분을 확인하기 위하여 TEM-EDS 및 SEM-EDS 분석을 수행하였다.

TEM-EDS 분석 결과, 상기 조성물은 철과 황, 그리고 탄소와 산소 등을 주성분으로 하는 약 50 ㎚ 정도 크기의 황화철과 약 500 ㎚ 정도 크기의 능철석으로 구성되어 있음을 확인하였다(도 6). 또한, 철환원미생물의 활성에 의한 광물학적 특성 변화를 관찰하기 위해 주사전자현미경(SEM-EDS)으로 상기 조성물을 관찰한 결과, 24시간이 경과하면서부터 색변화가 관찰되었고, 시간이 경과할수록 적갈색의 침전물이 검은색으로 변하면서, 결정이 잘 발달된 마이크로 크기의 능철석과 나노 크기의 황철석을 관찰할 수 있었다(도 7).

<1-2> 6가 크롬 환원 미생물의 혼합물이 포함된 조성물의 제조

<1-2-1> 금속 환원 미생물의 농화배양

채취된 갯벌 퇴적물(전라남도 순천시)과 증류수가 1:1의 비율로 혼합된 슬러리 2 ㎖를 5 mM의 Fe(Ⅲ)-citrate(전자수용체) 및 10 mM의 포도당(전자공여체)가 포함된 하기 표 1과 같은 조성의 성장 배지 100 ㎖에 주입하여 25 ℃ 및 1 atm의 조건에서 20일 동안 혐기성 배양하였다. 상기 미생물 성장 배지의 최초 pH는 약 8.0 내외이며, 혐기성 금속 환원 미생물의 배양 실험을 위해 미생물 배지를 제조할 때, 끓이면서 질소가스(N₂)로 충진시켜 용존 산소를 제거였으며, 합열멸균기를 이용하여 120 ℃, 100kPa에서 20분간 멸균시켰다. 상기와 같은 배양과정을 통해, 다양한 미생물들 중에서 특히 혐기성 환경에서 3가 철을 전자수용체로 이용하여 유기산(포도당, 전자공여체)을 분해하는 미생물들을 우점적으로 농화배양시켰다.

<미생물 성장 배지의 성분>

성분	함량(g/ℓ)
NaHCO₃	2.5
CaCl₂·2H₂O	0.08
NH4Cl	1.0
HEPES(hydroxyethylpiperazine-N'-2-ethanesulfonic acid)	7.2
MgCl₂·6H₂O	0.2
NaCl	10
yeast extract	0.5
trace minerals	10
vitamin solution	1

<1-2-2> 6가 크롬 환원 미생물의 농화배양

상기 <1-2-1>에서 배양한 금속 환원 미생물 2 ㎖을 1 ㎎/ℓ의 중크롬산염(CrK₂O₄)(전자수용체) 및 10 mM의 포도당(전자공여체)가 포함된 상기 표 1과 같은 조성의 성장 배지 100 ㎖를 125 ㎖ 실험병에 주입하여 상온에서 7일 동안 배양하여 6가 크롬 환원 미생물을 농화하였다(도 8). 상기와 같이 농화배양된 6가 크롬 환원 미생물의 다양성을 확인하기 위하여 16S rRNA-DGGE 분석을 실시하였다. 추출된 미생물의 핵산 1 ㎕을 주형으로 하여 10 pmol의 유박테리얼 유니버셜 프라이머(eubacteral universal primer) 27F (5'-AGA GTT TGA TCM TGG CTC AG-3') 및 1492R (5'-TAC GGY TAC CTT GTT ACG ACT T-3'), 0.1 ㎕의 Taq 폴리머라제(Taq polymerase) (5 unit/㎕, TAKARA), 2 ㎕의 10X PCR 버퍼 및 1.6 ㎕의 dNTP의 반응 혼합물 20 ㎕를 만들어 세균의 16S rRNA의 일부를 PCR로 증폭하였다. PCR 증폭 산물은 1% 아가로즈 젤 전기영동(Agarose gel electrophrosis)시킨 뒤 EtBr(ethidium bromide)로 염색(stain)한 다음, PCR 산물의 생성여부를 확인하였다. 상기 PCR 산물은 다시 GC 클램프(clamp)가 붙은 프라이머를 이용하여 증폭한 후, DGGE(Denaturing Gradient Gel Electrophoresis)를 실시하였다. 상기 DGGE상의 밴드(band)를 추출하여 염기서열 분석을 수행하였다.

그 결과, 상기 농화배양된 6가 크롬 환원 미생물은 클로스트리디움(Clostridum) 속 미생물, 엑시규오박테리움(Exiguobacterium) 속 미생물 및 비브리오(Vibrio) 속 미생물로 구성되어 있음을 확인하였다(도 9).

<1-2-3> 6가 크롬 환원 미생물의 혼합물이 포함된 조성물의 제조

상기 <1-1-3>에서 제조된 조성물, 상기 <1-2-2>에서 농화배양된 6가 크롬 환원 미생물 및 포도당을 1:2:1의 비율로 혼합하여, 6가 크롬 환원 미생물이 포함된 조성물(이하, '혼합 조성물'이라 한다.)을 제조하였다. 상기 혼합 조성물의 성분을 확인하기 위하여 SEM-EDS 분석을 수행하였다.

그 결과, 동일한 실험조건에서의 나노촉매제보다는 36시간, 미생물 칼럼보다는 48시간 앞당겨 96시간 만에 Cr(VI) 농도의 저감이 95% 이상 일어났으며 저감효과의 지속성 면에서도 더욱 효과적인 결과를 보였다(도 10).

6가 크롬의 환원 및 침전 촉진 효과 측정

<2-1> 6가 크롬 환원 미생물의 6가 크롬 환원 및 침전 효과

상기 <1-2-2>에서 농화배양된 6가 크롬 환원 미생물의 6가 크롬 환원 효과를 확인하기 위하여, 상기 <1-2-2>에서 농화배양된 6가 크롬 환원 미생물 2 ㎖와, 1 ㎎/ℓ의 중크롬산염(CrK₂O₄)으로 처리된 오염수를 이용하여, 배치 실험과 상향유동식 주상 실험을 진행하여 6가 크롬의 농도 변화를 관찰하였으며, 상기와 같은 실험에서 오염수 내 6가 크롬의 농도 변화는 자외선-가시광선 분광흡광계(UV-Vis spectrophotometer; Shimadzu, UV-1650PC, Japan)를 통하여 측정하였다.

배치 실험 결과, 혼합균과 분리균을 비교하였을 때, 혼합균의 경우 0.5 mM의 6가 크롬 농도가 6일 이후 지하수 음용 기준치 이하로 99 % 정도 감소한 반면, 분리균의 경우 18일 이후에도 거의 6가 크롬 농도가 변화되지 않았다. 또한, 상기 혼합균의 경우 분리균에 비해 6가 크롬 환원 반응에서 상대적으로 높은 6가 크롬 농도에서 더 빠른 환원 효과를 나타냄을 확인하였다(도 11 및 도 12).

상향유동식 주상 실험 결과, 24시간 경과 후 6가 크롬의 농도가 80 % 이상 감소되었으나, 6일까지는 60 내지 90 %의 범위에서 머물다가 6일 이후부터는 검출한계 이하로 안정화되었다.

<2-2> 6가 크롬 환원 미생물이 포함되지 않은 조성물의 6가 크롬 환원 및 침전 효과

상기 <1-1-3>에서 합성한 6가 크롬 환원 미생물이 포함되지 않은 조성물을 이용한 6가 크롬 환원 효과를 확인하기 위하여, 10 ㎎/ℓ의 중크롬산염(CrK₂O₄)으로 처리된 오염수를 이용하여, 배치 실험과 상향유동식 주상 실험을 진행하여 6가 크롬의 농도 변화를 관찰하였으며, 상기와 같은 실험에서 오염수 내 6가 크롬의 농도 변화는 자외선-가시광선 분광흡광계(UV-Vis spectrophotometer; Shimadzu, UV-1650PC, Japan)를 통하여 측정하였다.

그 결과, 1 시간 이내에 10 ㎎/ℓ의 6가 크롬이 환원 및 침전되기 시작하여, 48시간 이후 50% 이상 감소되었으며 점진적으로 감소되다가 120시간 이후부터 0.05 mg/ℓ이하로 저감됨을 확인하였다(도 13). 6가 크롬 환원 미생물이 포함되지 않은 조성물에 의한 Cr(VI)의 저감은 상기 6가 크롬 환원 미생물이 포함되지 않은 조성물에 의한 수소 소모에 따른 pH 변화와 무기적 전자공여체로서의 역할에 따른 상호작용에 의한 환원에 의한 저감으로 판단된다.

<2-3> 6가 크롬 환원 미생물이 포함된 조성물의 6가 크롬 환원 및 침전 효과

상기 <1-2-3>에서 합성한 6가 크롬 환원 미생물이 포함된 조성물을 이용한 6가 크롬 환원 효과를 확인하기 위하여, 10 ㎎/ℓ의 중크롬산염(CrK₂O₄)으로 처리된 오염수를 이용하여, 배치 실험과 상향유동식 주상 실험을 진행하여 6가 크롬의 농도 변화를 관찰하였으며, 상기와 같은 실험에서 오염수 내 6가 크롬의 농도 변화는 자외선-가시광선 분광흡광계(UV-Vis spectrophotometer; Shimadzu, UV-1650PC, Japan)를 통하여 측정하였다.

그 결과, 약 72시간이 경과한 후 부터는 6가 크롬의 농도가 95% 정도 감소되기 시작하여 약 84시간이 경과한 시점부터는 6가 크롬의 농도가 99% 정도 감소되어 농도의 고저없이 검출한계 이하로 안정화됨을 확인하였다(도 14). 동일한 실험조건에서 상기 <2-2>의 6가 크롬 환원 미생물이 포함되지 않은 조성물보다는 36시간, 상기 <2-1>의 6가 크롬 환원 미생물보다는 48시간 앞당겨 96시간 만에 6가 크롬의 농도가 95% 이상 저감된 바, 반응속도와 환원의 효율성 면에서 가장 높은 효과를 보이고, 저감효과의 지속성 면에서도 가장 효과적임을 알 수 있다.

Claims

3가철의 철산화물 및 철환원미생물을 포함하는 침전물에 상기 철환원 미생물에 전자를 공여하는 포도당을 첨가하는 단계;
상기 포도당이 첨가된 침전물을 혐기성 조건에서 반응시켜 상기 철환원미생물의 활동을 촉진함으로써 상기 3가철의 철산화물을 2가철의 철환원물로 변형시키는 단계; 및
상기 반응시킨 침전물에 크롬 환원 미생물을 추가하는 단계를 포함하되,
상기 크롬환원미생물은 갯벌 퇴적물에 제2전자공여체와 제2철수산화물을 제2전자수용체로 주입하여 금속환원 미생물을 농화배양하는 단계; 및
상기 농화배양된 금속 환원 미생물에 제3전자공여체 및 크롬이 포함된 염을 포함하는 제3전자수용체을 주입하여 크롬 환원 미생물을 농화배양하는 단계에 의하여 수득되는 것을 특징으로 하는 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 포도당은 상기 침전물 1ℓ 당 4mM 내지 7mM의 농도로 첨가되는 것을 특징으로 하는 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 반응은 20 ℃ 내지 30 ℃의 온도 및 0.8 atm 내지 1.2 atm의 압력 조건 하에서 15일 내지 30일 동안 진행되는 것을 특징으로 하는 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 침전물은 산성광산배수로부터 채취된 것을 특징으로 하는 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물 제조 방법.
제 1항에 있어서,
상기 제2전자공여체는 포도당, 피루베이트(pyruvate), 아세테이트(acetate), 포르메이트(formate) 및 락테이트(lactate)로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하며, 상기 제2전자수용체는 Fe(Ⅲ)-시트레이트(Fe(Ⅲ)-citrate), 아카가네이트 및 페리하이드라이트로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하고, 상기 제3전자공여체는 포도당, 피루베이트(pyruvate), 아세테이트(acetate), 포르메이트(formate) 및 락테이트(lactate)로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하며, 상기 제3전자수용체는 중크롬산염(KCr₂O₄)을 포함하는 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물 제조 방법.
산성광산배수의 침전물에 포도당을 첨가한 후, 혐기성 조건에서 반응시킨 후, 상기 반응시킨 침전물에 크롬 환원 미생물을 추가적으로 포함하되, 상기 크롬 환원 미생물은 클로스트리디움(Clostridum) 속 미생물, 엑시규오박테리움(Exiguobacterium) 속 미생물 및 비브리오(Vibrio) 속 미생물로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 크롬 환원 미생물을 포함하는 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물.
제6항에 있어서, 상기 조성물은 황화철 또는 능철석을 포함하는 것을 특징으로 하는 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물.
제7항에 있어서, 상기 황화철은 입자크기가 40 ㎚ 내지 60 ㎚인 것을 특징으로 하는 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물.
제7항에 있어서, 상기 능철석은 입자크기가 400 ㎚ 내지 600 ㎚인 것을 특징으로 하는 6가 크롬 환원 및 침전 촉진용 조성물.
삭제
삭제
제6항 내지 제 9항 중 어느 한 항의 조성물을 이용하는 6가 크롬 오염수의 정화 방법.
제12항에 있어서, 상기 오염수는 지하수인 것을 특징으로 하는 6가 크롬 오염수의 정화 방법.