KR20150085556A - Mn-substituted δ-feooh, synthesis method for the same and water treatment method using the same - Google Patents

Mn-substituted δ-feooh, synthesis method for the same and water treatment method using the same Download PDF

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Abstract

The present invention relates to an iron-manganese hydroxide, a synthesis method thereof, and a water treatment method using the same. According to the present invention, a synthesis method of an iron-manganese hydroxide mixes and reacts a first aqueous solution comprising an iron ion, a second aqueous solution comprising a manganese ion, and an oxidizing agent, thereby synthesizing an iron-manganese hydroxide of δ-(Fe_(1-X), Mn_x)OOH, wherein x is greater than 0 and less than 1. The synthesized iron-manganese hydroxide is capable of adsorbing and removing after oxidizing trivalent arsenic to pentavalent arsenic. In addition, the iron-manganese hydroxide has magnetism, thus can be easily separated and collected from water by a magnetic force after adsorbing pollutants.

Description

망간이 치환된 철수산화물, 그 합성방법 및 이를 이용한 수처리방법{Mn-substituted δ-FeOOH, Synthesis method for the same and Water treatment method using the same} Manganese-substituted iron oxides, synthesis methods thereof, and water treatment methods using the same [Mn-substituted δ-FeOOH, Synthesis method for the same and Water treatment method using same]

본 발명은 환경 오염 저감 기술에 관한 것으로서, 특히 비소를 포함하여 지하수 등에 존재하는 음이온성 중금속, 유기물 등 오염물을 처리할 수 있는 오염제거물질, 그 합성방법 및 이를 이용한 수처리방법에 관한 것이다. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a technology for reducing environmental pollution, and more particularly, to a decontamination material capable of treating contaminants such as an anionic heavy metal and organic substances contained in groundwater including arsenic, a method for synthesizing the same, and a water treatment method using the same.

비소는 주기율표 15족의 질소족 원소의 하나이며, 지구표면 구성물질 중 20번째로 가장 많이 분포된 원소로서 광물 암석 퇴적물 토양 및 지하수에 널리 분포 되어 있다. 다른 대부분의 양이온성 금속들과는 달리 비소는 산소를 포함하는 다원자 음이온 상태로 존재하고, pH 및 산화 또는 환원 조건에 따라 각기 다른 화학종으로 변하거나, 조건에 따라 다른 형태의 거동을 보이는 금속이다. Arsenic is one of the elements of the Group 15 of the Periodic Table of the Elements. It is the 20th most widely distributed element among the earth's surface constituents, and is widely distributed in mineral rock sediments soil and groundwater. Unlike most other cationic metals, arsenic is a metal that exists in a polyatomic state, including oxygen, and changes to different chemical species depending on pH and oxidation or reduction conditions, or behaves differently depending on conditions.

현재 지하수에서의 비소 오염은 방글라데시, 서뱅갈, 인도, 베트남, 칠레, 타이완, 미 서부 등 세계 여러 곳에서 발견되고 있으며, 유럽연합, 일본, 베트남 등에서는 음용수에서의 비소 농도 제한 기준치를 US EPA에서는 10 g/L로 규정하고 있다. At present, arsenic contamination in groundwater is found in many parts of the world such as Bangladesh, West Bengal, India, Vietnam, Chile, Taiwan and the West. In the EU, Japan and Vietnam, 10 g / L.

지하수 내의 무기 비소는 주로 5가와 3가 형태로 존재하며, 5가의 경우 주로 산소가 풍부한 산화, 미생물의 호기성 환경에서 H2AsO4 -나 HAsO4 2 - 등과 같은 음이온 형태로 거동하며, 3가의 경우 환원, 미생물의 혐기성 환경에서 주로 H3AsO3의 형태로 거동한다. 일반적으로 3가 비소가 5가 비소보다 이동성이 더 높고 독성이 더 강한 것으로 알려져 있다. The inorganic arsenic in the groundwater mainly exists in the form of 5 - and 3 - valent forms. In the case of 5 - valence, oxygen is abundantly oxidized and behaves as an anion such as H 2 AsO 4 - or HAsO 4 2 - in the aerobic environment of microorganisms. Reduction, and anaerobic environments of microorganisms, mainly in the form of H 3 AsO 3 . It is generally known that trivalent arsenic is more mobile and more toxic than pentavalent arsenic.

강한 독성을 띠는 비소에 대해 철 산화물을 이용한 비소흡착 제거가 널리 사용되고 있으며, 철 산화물을 이용하여 흡착 제거 시 전기적 중성을 띠는 3가 비소 보다 음이온 형태로 거동하는 5가 비소가 좋은 효율을 보인다. 따라서 제거 효율을 높이기 위해 3가 비소를 5가 비소로 산화시킬 수 있는 과정이 필요로 하다.The removal of arsenic using iron oxide is widely used for arsenic with a high toxicity, and 5-arsenic, which behaves more like anion than trivalent arsenic, has a good efficiency . Therefore, in order to increase the removal efficiency, a process of oxidizing trivalent arsenic into pentavalent arsenic is required.

또한 3가 비소를 5가 비소로 산화시키는 작용과, 5가 비소를 제거하는 작용이 함께 이루어지는 것이 비소제거의 경제성과 효율성을 증대시킬 수 있다. 이에 따라 산화 및 제거 작용을 함께 수행할 수 있는 비소제거제의 개발이 요청된다. In addition, the oxidation of trivalent arsenic to arsenic and the action of eliminating arsenic can increase the economical efficiency and efficiency of arsenic removal. Accordingly, there is a demand for development of an arsenic remover which can simultaneously perform oxidation and elimination operations.

또한 비소제거제와 관련한 중요한 기술적 이슈는 비소제거 후의 비소제거제의 회수에 있다. 예컨대, 흡착 방식을 통해 비소를 제거하는 흡착제의 경우, 비소를 흡착한 후 이 흡착제를 지하수로부터 분리해내야 한다. 분리회수가 어려운 경우 지하수로부터 비소가 제거되었다고 할 수도 없으며, 비소가 부착된 흡착제는 다시 2차 오염원으로 작용하기 때문이다. 이에 분리회수가 용이한 비소제거제의 개발이 요청된다. An important technical issue related to arsenic removal agents is the recovery of arsenic removal agents after arsenic removal. For example, in the case of an adsorbent that removes arsenic through an adsorption process, it is necessary to separate the adsorbent from the groundwater after adsorbing arsenic. If the separation is difficult, it can not be said that arsenic is removed from the groundwater, and the adsorbent with arsenic is again a secondary source. Therefore, it is required to develop an arsenic removal agent which can be easily separated and collected.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 3가 비소를 5가 비소로 산화시키는 동시에 5가 비소를 흡착하여 제거할 수 있으며, 분리회수가 용이하며, 비소 이외의 다른 음이온성 오염물과 유기오염물을 처리할 수 있는 단일상 철-망간 수산화물과, 그 합성방법 및 이를 이용한 수처리방법을 제공하는데 그 목적이 있다. Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a method for treating arsenic and arsenic, Manganese hydroxide, a method of synthesizing the same, and a water treatment method using the same.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 철-망간 수산화물 합성방법은, 철 이온을 포함하는 제1수용액과, 망간 이온을 포함하는 제2수용액 및 산화제를 혼합하여 반응시킴으로써 철-망간 수산화물(δ-(Fe1 -X, MnX)OOH, 여기서 0〈 x〈 1)을 합성하는 것에 특징이 있다. 그리고 상기 철-망간 수산화물은 자성을 띤다. The method for synthesizing iron-manganese hydroxide according to the present invention comprises the steps of mixing a first aqueous solution containing iron ions, a second aqueous solution containing manganese ions and an oxidizing agent, (Fe 1 -X , Mn X ) OOH, where 0 < x < 1. And the iron-manganese hydroxide is magnetic.

본 발명에 따르면, 상기 제1수용액은 FeCl2 수용액이며, 상기 제2수용액은 MnCl2·4H2O 수용액이고, 산화제는 과산화수소를 사용할 수 있다. 그리고 상기 제1수용액과 제2수용액 및 산화제가 혼합된 용액은 pH 8 이상의 염기성 범위인 것이 바람직하다. According to the invention, the first aqueous solution is FeCl 2 Aqueous solution, the second aqueous solution is an aqueous solution of MnCl 2 .4H 2 O, and the oxidizing agent may be hydrogen peroxide. The solution in which the first aqueous solution, the second aqueous solution and the oxidizing agent are mixed is preferably in a basic range of pH 8 or more.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 철과 망간의 함량에 대한 x값은 0.05~0.25 범위에서 산화능과 흡착능이 최적으로 발현될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the x value for the content of iron and manganese can be optimally expressed in the range of 0.05 to 0.25.

한편, 본 발명에 따른 수처리 방법은, 오염물질이 모두 포함되어 있는 오염수를 처리하기 위한 것으로서, 상기한 합성방법에 의하여 합성된 철-망간 수산화물을 상기 오염수에 투입하여 상기 오염물질을 흡착시켜 제거하는 것에 특징이 있다. Meanwhile, the water treatment method according to the present invention is for treating polluted water containing all pollutants, and the iron-manganese hydroxide synthesized by the above-described synthesis method is put into the polluted water to adsorb the pollutant, It is characterized by elimination.

그리고, 본 발명에 따른 수처리 방법에서, 상기 철-망간 수산화물이 오염물질을 흡착한 후, 자력에 의하여 상기 철-망간 수산화물을 상기 오염수로부터 분리회수할 수 있다. In the water treatment method according to the present invention, after the iron-manganese hydroxide adsorbs contaminants, the iron-manganese hydroxide can be separated and recovered from the contaminated water by a magnetic force.

특히 본 발명에 따른 수처리 방법은 상기 오염물질은 3가 비소를 포함하며, 상기 철-망간 수산화물에 의하여 상기 3가 비소는 산화되어 5가 비소로 형성된 후, 상기 철-망간 수산화물에 흡착되어 제거된다. Particularly, in the water treatment method according to the present invention, the contaminant includes trivalent arsenic, and the trivalent arsenic is oxidized by the iron-manganese hydroxide to be formed into pentavalent arsenic and then adsorbed on the iron-manganese hydroxide to be removed .

본 발명에 따라 합성된 철-망간 수산화물은 수중의 3가 비소를 5가 비소로 산화시킨 후 흡착하여 효과적으로 제거할 수 있다는 이점이 있다. The iron-manganese hydroxide synthesized according to the present invention has an advantage that it can adsorb and effectively remove trivalent arsenic in water after oxidation into pentavalent arsenic.

또한 본 발명에 따른 철-망간 수산화물은 자성을 띠므로, 오염물질에 대한 흡착 제거가 완료된 후 자력에 의하여 수중에서 용이하게 분리회수할 수 있는 바, 2차 오염을 유발하지 않는다는 장점이 있다. Further, since the iron-manganese hydroxide according to the present invention is magnetic, it can be easily separated and recovered in water by the magnetic force after the adsorption and removal of the contaminants are completed, and the iron-manganese hydroxide does not cause secondary contamination.

또한, 본 발명에 따른 철-망간 수산화물은 비소 이외에도 음이온성 오염물질을 흡착하여 제거가능하며, 유기 오염물도 분해가능하므로 수중의 다양한 오염물질을 처리할 수 있다는 이점이 있다. In addition, the iron-manganese hydroxide according to the present invention has an advantage that it can treat various contaminants in water because it can remove and remove anionic contaminants in addition to arsenic, and can decompose organic contaminants.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 철-망간 수산화물 합성방법의 개략적 흐름도이다.
도 2는 실험에 의해 합성된 철-망간 수산화물의 TEM 사진이다.
도 3은 실험에 의해 합성된 철-망간 수산화물의 망간 치환율에 따른 자성을 나타낸 표이다.
도 4는 실험에 의해 합성된 철-망간 수산화물의 망간 치환율에 따른 산화능을 나타낸 그래프이다.
도 5는 실험에 의해 합성된 철-망간 수산화물의 Rietveld 지수 Rwp (weighted pattern R), Rexp (expected R), S (Goodness of Fitness, Rwp/Rexp ), 결정화도 결과를 나타낸 표이다.
도 6은 실험에 의해 합성된 철-망간 수산화물의 Rietvelt 결정구조 분석의 결과가 나타낸 그래프이다.
도 7a는 전해질 종류(NaNO3, NaCl, Na2SO4)에 따른 철-망간 수산화물의 3가 비소의 흡착율을 보여주는 그래프이며, 도 7b는 전해질 종류에 따른 용액 내 잔존하는 5가 비소의 농도를 보여주는 그래프이고, 도 7c는 전해질 종류에 따른 용액 내 잔존하는 3가 비소의 농도를 보여주는 그래프이다.
도 8a는 3가 비소 용액의 농도에 따른 철-망간 수산화물의 비소 흡착속도를 보여주는 그래프이며, 도 8b는 3가 비소 용액의 농도에 따라 잔존하는 5가 비소의 농도를 나타낸 그래프이고, 도 8c는 3가 비소 용액의 농도에 따라 pH의 변화율을 보여주는 그래프이다.
도 9는 등온흡착실험의 결과로서, 비소의 농도에 따른 철-망간 수산화물의 비소 흡착용량이 나타나 있는 그래프이다.
도 10은 표준크롬 산화 실험의 결과로서, 철-망간 수산화물의 망간 치환율에 따른 산화능을 보여주는 그래프이다.
도 11은 용액의 pH에 따른 철-망간 수산화물의 3가 비소와 5가 비소의 흡착율을 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic flow diagram of a method for synthesizing iron-manganese hydroxide according to an embodiment of the present invention.
2 is a TEM photograph of iron-manganese hydroxide synthesized by an experiment.
FIG. 3 is a table showing the magnetism of the iron-manganese hydroxide synthesized by the experiment according to the manganese substitution ratio.
FIG. 4 is a graph showing the oxidation ability of iron-manganese hydroxide synthesized by the experiment according to the manganese substitution ratio.
FIG. 5 is a table showing Rietveld exponents R wp (weighted pattern R), R exp (expected R), S (Goodness of Fitness, R wp / R exp ) and crystallization results of iron-manganese hydroxide synthesized by the experiment.
6 is a graph showing the results of Rietvelt crystal structure analysis of iron-manganese hydroxide synthesized by an experiment.
FIG. 7a is a graph showing the adsorption rate of trivalent arsenic of iron-manganese hydroxide according to the type of electrolyte (NaNO 3 , NaCl, Na 2 SO 4 ), and FIG. 7b is a graph showing the concentration of residual pentavalent arsenic FIG. 7C is a graph showing the concentration of residual trivalent arsenic in the solution according to the type of the electrolyte. FIG.
FIG. 8A is a graph showing the rate of arsenic adsorption of iron-manganese hydroxide according to the concentration of trivalent arsenic solution, FIG. 8B is a graph showing the concentration of residual pentavalent arsenic depending on the concentration of trivalent arsenic solution, 3 is a graph showing the rate of change of pH with the concentration of arsenic solution.
9 is a graph showing the arsenic adsorption capacity of iron-manganese hydroxide according to the concentration of arsenic as a result of the isothermal adsorption experiment.
10 is a graph showing the oxidizing ability of iron-manganese hydroxide according to the manganese substitution ratio as a result of the standard chromium oxidation experiment.
11 is a graph showing the adsorption rate of trivalent arsenic and pentavalent arsenic of iron-manganese hydroxide according to the pH of the solution.

본 발명은 철-망간 수산화물 합성방법, 이 합성방법에 의해 합성된 철-망간 수산화물, 및 철-망간 수산화물을 이용한 수처리방법에 관한 것이다. The present invention relates to a process for the synthesis of iron-manganese hydroxides, a process for water treatment using iron-manganese hydroxides and iron-manganese hydroxides synthesized by this synthesis process.

본 발명에서 철-망간 수산화물은 철수산화물 또는 철 산수산화물(Fe oxyhydroxides)로 명명되며, 화학식 FeOOH로 대표되는 물질에서 망간이 철의 일부를 치환하여 형성된 단일상 산화물을 의미한다. In the present invention, the iron-manganese hydroxide is referred to as iron oxide or iron oxyhydroxides, which means a single-phase oxide formed by substituting a part of iron in manganese in the material represented by the formula FeOOH.

철 수산화물 goethite(α-FeOOH), akaganeite(β-FeOOH), lepidocrocite (γ-FeOOH), the high pressure phase(hp(ε)-FeOOH) 및 feroxyhyte (δ-FeOOH)의 5종의 동질이상체(polymorph)가 있다. The five major polymorphs of iron hydroxide goethite (α-FeOOH), akaganeite (β-FeOOH), lepidocrocite (γ-FeOOH), the high pressure phase (hp (ε) -FeOOH) and feroxyhyde polymorph.

본 발명에서 철 수산화물은 위 5종의 동질이상체 중에서 δ 타입인 feroxyhyte(δ-FeOOH)를 의미하며, feroxyhyte만이 상온에서 유일하게 자성을 갖는다.In the present invention, iron hydroxide refers to feroxyhyde (δ-FeOOH) having δ type among the above five homogeneous bodies, and feroxyhyde is the only magnetic substance at room temperature.

이하, 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 철-망간 수산화물의 합성방법에 대하여 설명한다. Hereinafter, a method for synthesizing iron-manganese hydroxide according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 철-망간 수산화물 합성방법의 개략적 흐름도이다. 1 is a schematic flow diagram of a method for synthesizing iron-manganese hydroxide according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참고하면, 철-망간 수산화물을 합성은, 제1수용액과 제2수용액을 혼합하여 혼합액을 만든 후, 이 혼합액에 산화제를 투입하고 교반함으로써 이루어진다. Referring to FIG. 1, the iron-manganese hydroxide is synthesized by mixing a first aqueous solution and a second aqueous solution to prepare a mixed solution, adding an oxidizing agent to the mixed solution, and stirring.

제1수용액은 2가 철 이온을 포함하는 수용액이다. 본 실시예에서는 FeCl2·4H2O 수용액을 사용한다. 다만, 본 실시예와 같이 철은 염화물 형태가 아니라, 황화물 형태 등 다양한 화합물 형태로도 가능하다. 제1수용액의 본질적 기능은 수용액 형태로 2가 철 이온을 제공할 수 있으면 된다. 예컨대 FeSO4를 포함하는 수용액이나, Fe(NO3)2를 포함하는 수용액이 사용될 수 있다. The first aqueous solution is an aqueous solution containing bivalent iron ions. In this embodiment, an FeCl 2 .4H 2 O aqueous solution is used. However, as in the present embodiment, iron may be in the form of various compounds such as a sulfide form instead of a chloride form. The essential function of the first aqueous solution is to be capable of providing divalent iron ions in the form of an aqueous solution. For example, an aqueous solution containing FeSO 4 or an aqueous solution containing Fe (NO 3 ) 2 may be used.

제2수용액은 2가 망간 이온을 포함하는 수용액이다. 본 실시예에서는 MnCl2·4H2O 수용액을 사용한다. 다만, 본 실시예와 같이 망간은 염화물 형태가 아니라, 황화물 형태 등 다양한 화합물 형태로도 가능하다. 제2수용액의 본질적 기능은 수용액 형태로 2가 망간 이온을 제공할 수 있으면 된다. 예컨대, MnSO4를 포함하는 수용액 또는 Mn(NO3)2를 포함하는 수용액을 사용할 수도 있다. The second aqueous solution is an aqueous solution containing divalent manganese ions. In this embodiment, an aqueous solution of MnCl 2 .4H 2 O is used. However, manganese may be formed in various forms such as a sulfide form instead of a chloride form as in the present embodiment. The essential function of the second aqueous solution is to be capable of providing divalent manganese ions in the form of an aqueous solution. For example, an aqueous solution containing MnSO 4 or an aqueous solution containing Mn (NO 3 ) 2 may be used.

그리고 제1수용액과 제2수용액을 혼합하여 혼합액을 형성한 후, 이 혼합액에 산 및/또는 염기를 투입하여 혼합액의 pH를 조절한다. 본 실시예에서 혼합액은 pH12로 조정하였으나, pH8 이상의 염기성 범위에서 혼합액의 pH를 조절하면 된다.  Then, the mixed solution is formed by mixing the first aqueous solution and the second aqueous solution, and the pH of the mixed solution is adjusted by adding an acid and / or a base to the mixed solution. In this embodiment, the pH of the mixed solution was adjusted to pH 12, but the pH of the mixed solution was adjusted in the basic range of pH 8 or more.

혼합액의 pH를 조절한 후, 즉시 산화제를 투입하고, 혼합액을 교반해준다. 본 실시예에서 산화제는 과산화수소를 사용한다. 다만, 산화제의 종류도 다양하게 선택될 수 있다. 즉, 하이포염소산 나트륨 수용액NaClO(aq) 또는 싸이오황산칼륨 (K2S2O8), 과탄산나트륨 (2Na2CO3·3H2O2)이나 이들의 수용액을 사용할 수 있다. After the pH of the mixed solution is adjusted, the oxidizing agent is immediately added and the mixed solution is stirred. In this embodiment, hydrogen peroxide is used as the oxidizing agent. However, a variety of oxidizing agents can be selected. That is, sodium hypochlorite aqueous solution NaClO (aq) or potassium thiosulfate (K 2 S 2 O 8 ), sodium percarbonate (2Na 2 CO 3 .3H 2 O 2 ) or an aqueous solution thereof can be used.

상기한 바와 같이, 제1수용액과 제2수용액 및 산화제가 혼합된 상태에서 혼합액을 교반하면 아래와 같은 반응에 의하여 철-망간 수산화물이 형성된다. As described above, when the mixed solution is stirred while the first aqueous solution, the second aqueous solution and the oxidizing agent are mixed, iron-manganese hydroxide is formed by the following reaction.

먼저 철 수산화물(FeOOH)이 형성된다. 즉, 수용성 2가 철 용액에서 철 수산화물은 아래의 반응식(1)과 같이 가수분해에 뒤따르는 산화반응에 의해 생성되며, 일반적으로 산소의 산화에 의한 산화반응은 다음의 식으로 표현할 수 있다.First, iron hydroxide (FeOOH) is formed. That is, in a water-soluble dihydrate solution, iron hydroxide is produced by the oxidation reaction following hydrolysis as shown in the following reaction formula (1). In general, oxidation reaction by oxidation of oxygen can be expressed by the following equation.

2 Fe2 + + 3 H2O + 1/2 O2 -> 2 FeOOH + 4 H+ ... 반응식(1)2 Fe 2 + + 3 H 2 O + 1/2 O 2 -> 2 FeOOH + 4 H +

여기서, 산화는 대기 중의 산소에 의하여 이루어지거나, 기타 산화제(KNO3, H2O2, hydroxylamine 등)에 의해서 이루어질 수 있다.Here, the oxidation may be performed by oxygen in the air or by other oxidizing agents (KNO 3 , H 2 O 2 , hydroxylamine, etc.).

철 수산화물이 형성된 후, 철-망간 수산화물((Fe(1-x),Mnx)OOH)은 위 반응식(1)과 마찬가지로 동일하게 가수분해에 뒤따르는 산화반응에 의해 생성되며 일반적으로 아래의 반응식(2)로 표현할 수 있다.After formation of the iron hydroxide, the iron-manganese hydroxide ((Fe (1-x) , Mn x ) OOH) is produced by an oxidation reaction following hydrolysis in the same manner as in the above reaction formula (1) (2).

2(1-x)Fe2+ + 2xMn2 + + 3H2O + 1/2O2 -> 2(Fe(1-x),Mnx)OOH + 4H+ ... 반응식(2)2 (1-x) Fe 2+ + 2xMn 2 + + 3H 2 O + 1 / 2O 2 -> 2 (Fe (1-x) , Mn x ) OOH + 4H +

여기서, x는 0〈 x〈 1의 범위이다. Here, x is a range of 0 < x < 1.

상기한 바와 같이, δ타입의 철-망간 수산화물은 pH 8 이상의 알칼리환경에서 가수분해에 뒤따르는 산화반응이 매우 빠를 경우에 생성되며, 이때 빠른 산화반응을 위하여 H2O2와 같은 강한 산화제를 필요로 한다. As described above, the 隆 -type iron-manganese hydroxide is generated when the oxidation reaction following hydrolysis is very rapid in an alkaline environment of pH 8 or more. At this time, a strong oxidizing agent such as H 2 O 2 is required .

본 연구진은 철-망간 수산화물[δ-(Fe1 -x, Mnx)OOH]에 대한 특성화 및 결정학적 연구를 위하여 x=0, 0.1, 0.3, 0.5의 조건을 가지는 단일상 광물을 합성하였다. 그 합성 과정은 다음과 같다. We have synthesized single-phase minerals with the conditions of x = 0, 0.1, 0.3 and 0.5 for the characterization and crystallographic study of iron-manganese hydroxide [δ- (Fe 1 -x , Mn x ) OOH] The synthesis process is as follows.

1L의 0.1M FeCl24H2O를 제조하여 5M NaOH로 pH를 12로 조절한 후, 즉시 30% H2O2넣고 빠르게 산화시키면서 10분간 magnetic stirrer를 이용하여 교반하여 x=0 조건의 δ-(Fe1 -x, Mnx)OOH를 합성하였다. 그리고 x= 0.1, 0.3, 0.5의 조건을 갖는 시료들은 1L의 0.1M FeCl24H2O와 0.1M MnCl24H2O 용액을 각각 9:1, 7:3, 5:5로 제조하여 x=0 조건과 동일한 방법으로 합성하였다. 반응 후 합성된 모든 시료는 충분히 증류수로 세척하여 동결건조 하였다. 합성된 철-망간 수산화물의 TEM 사진은 도 2에 도시되어 있다. 1 L of 0.1 M FeCl 2 4H 2 O was prepared and adjusted to pH 12 with 5M NaOH. The mixture was immediately stirred for 30 minutes in a magnetic stirrer with 30% H 2 O 2 for 10 minutes, (Fe 1 -x , Mn x ) OOH. For the samples with x = 0.1, 0.3 and 0.5, 1L of 0.1M FeCl 2 4H 2 O and 0.1M MnCl 2 4H 2 O solution were prepared at 9: 1, 7: 3, 5: 0 were synthesized in the same manner. After the reaction, all the synthesized samples were sufficiently washed with distilled water and lyophilized. TEM photographs of the synthesized iron-manganese hydroxides are shown in FIG.

합성된 철-망간 수산화물의 특성을 실험하였다. The properties of synthesized iron - manganese hydroxides were tested.

(1) 자성과 산화능 분석 (1) Magnetic and oxidative capacity analysis

합성물의 자성은 Bartington magnetic susceptibility meter (UK) with 36 mm internal diameter calibration vol. 7 cc.로 측정하였으며, 합성물의 산화능은 Standard chromium net oxidation test (SCNOT) (Barlett & James, 1996)으로 측정하였다. 결과는 도 3의 표 및 도 4의 그래프에 나타나 있다.The magnetic properties of the composite were measured using a Bartington magnetic susceptibility meter (UK) with 36 mm internal diameter calibration vol. (SCNOT) (Barlett & James, 1996) was used to measure the oxidative capacity of the compound. The results are shown in the table of FIG. 3 and the graph of FIG.

도 3 및 도 4를 참고하면, Mn 치환율이 높아짐에 따라서 자성은 급격히 감소하며 산화능은 증가하였다. 망간 치환율이 높아지면 산화능은 증가하는 대신 철의 함량이 적어지면서 자성이 떨어지는 것이며, 그 역의 경우에는 산화능이 저하되면서 자성이 증가하는 것이다. Referring to FIG. 3 and FIG. 4, as the Mn substitution ratio increases, the magnetic property decreases sharply and the oxidizing ability increases. When the manganese substitution ratio is increased, the oxidation ability is increased, but the iron content is decreased and the magnetic property is lowered. In the reverse case, the oxidation ability is lowered and the magnetic property is increased.

위의 결과로부터, 본 발명에서 본 합성물을 3가 비소를 처리하는데 중점을 두는 경우, 최적의 Mn 치환율은 대략 10% 정도로 파악된다. 즉, 3가 비소의 제거를 위해서는 우선 3가 비소를 5가 비소로 산화시켜야 하며, 5가 비소는 철에 흡착되어야 하기 때문이다. From the above results, when the present invention focuses on the treatment of trivalent arsenic in the present invention, the optimum Mn replacement ratio is estimated to be about 10%. That is, to remove trivalent arsenic, trivalent arsenic must be oxidized to pentavalent arsenic and the pentavalent arsenic must be adsorbed to iron.

(2)투과전자현미경(TEM) 분석을 이용한 합성물의 형태와 크기 판별(2) Determination of the shape and size of the composite by transmission electron microscopy (TEM) analysis

도 2의 사진을 참고하면, 투과전자현미경 관찰 결과 합성된 철-망간 수산화물은 수-수백 nm의 입도 분포를 보이며 육각 판형의 형태적 특성을 가진다. 결정학적으로 육각 판형의 두께에 해당하는 c-축은 수 nm로 매우 얇으며, 측방 a-축 방향으로 결정이 주로 형성되었음이 확인되었다. Mn 치환율에 따른 합성물의 형태나 크기의 변화는 거의 없는 것으로 관찰되었다. 2, the iron-manganese hydroxide synthesized as a result of the transmission electron microscopic observation shows a particle size distribution of several hundreds of nanometers and has a hexagonal plate shape morphology. The c-axis corresponding to the thickness of the hexagonal plate was crystallographically very thin with a few nm, and it was confirmed that the crystal was mainly formed in the lateral a-axis direction. It was observed that there was almost no change in the shape and size of the compound according to the Mn substitution ratio.

(3)철-망간 수산화물의 망간 치환율에 따른 결정구조 변화(3) Crystal structure change of iron-manganese hydroxide according to manganese substitution ratio

δ-(Fe1 -x, Mnx)OOH 단일상 산화물은 Mn치환 여부 및 치환정도에 따른 결정구조의 변화를 규명하기 위하여 고분해능 X-선회절분석 및 Rietveld법으로 결정구조분석을 수행하였다. 본 연구를 위한 X-선회절자료는 D8 Advance (Bruker, Cu 타깃)를 이용하여 10-95° (2θ)구간에서 스텝 간격 0.01° (2θ), 스텝 당 1초의 조건으로 취득되었다.The crystal structures of δ- (Fe 1 -x , Mn x ) OOH single-phase oxides were analyzed by high-resolution X-ray diffraction and Rietveld method in order to investigate the crystal structure changes depending on the degree of substitution and degree of Mn substitution. The X-ray diffraction data for this study were acquired using D8 Advance (Bruker, Cu target) under the conditions of step interval 0.01 ° (2θ) and 1 second per step in 10-95 ° (2θ) section.

δ-(Fe1 -x, Mnx)OOH 단일상 산화물은 Mn치환 여부 및 치환 정도에 따른 결정구조의 변화를 규명하기 위하여 결정구조 해석에 이용된 소프트웨어는 TOPAS (Bruker, Germany)로서 4.2 버전이며 Refinement의 초기입력 구조모형으로는 Patrat et al. (1983)의 연구결과를 사용하였다. Refinement의 순서는 구조인자 및 실험인자를 위 초기모형의 고정된 값에서 순차적으로 한 인자씩 계산에 참여시킴으로서 변수를 증가시키는 방식으로 수행하였다. The software used for the crystal structure analysis to identify the change of the crystal structure depending on the substitution degree and degree of Mn substitution in the δ- (Fe 1 -x , Mn x ) OOH single phase oxide is version 4.2 as TOPAS (Bruker, Germany) The initial input structure model of Refinement is Patrat et al. (1983) were used. The order of refinement was performed by increasing the variables by taking into account the structural and experimental parameters, one by one, from the fixed values of the initial model.

일반적인 순서는 문헌에 따라 다소 다르나 Young (1993)이 기술한 바처럼 스케일 인자, 0 점 조준 인자, 4개의 기저선 (background) 함수 인자, 단위포 및 편향성 인자, 비대칭성 인자 순으로 수행하였으며 원자 자리 좌표 인자, 전체 열진동 인자는 초기값으로 고정하였다. 기기적으로 발생하는 피크 형태 함수 인자는 LaB6 표준시료(SRM 660a, NIST)를 이용하여 동일 조건으로 취득한 회절자료를 이용하여 초기에 기기보정 인자로 사용하였다. 합성물의 편향방향인 (010)의 방향으로 편향성 인자를 고려하도록 refine하였다. 팔면체 자리 M에 포함되어 있는 Fe, Mn 등의 양이온들의 자리점유율에 대한 항목은 계산에 참여시키지 않았으며 M1과 M2자리에 선호도 없이 합성조건 비율을 토대로 분배하여 고정시킨 후 계산하였다. 회절자료에서 나타나는 비정질적 패턴을 고려하기 위하여 TOPAS 프로그램의 peaks phase 모드를 이용하여 1 peak에 대하여 결정화도(degree of crystallinity)를 계산하였으며, 이때 피크의 형태 함수는 Fundamental Parameter Approach를 이용하였다(Cheary and Coelho, 1992). δ-(Fe1 -x, Mnx)OOH의 회절결과에서 두드러지게 관찰되는 hkl에 따라 달라지는 비등방성 피크 확장도(anisotropic peak broadening)를 고려하기 위하여 spherical harmonics function을 이용하였다(J, 1993). 또한 합성 용액 및 세척 과정에서 남게 된 소량의 불순물인 halite도 함께 구조분석에 참여시켜 최종 결정구조 정련의 완성도를 높였다. Rietveld refinement의 완성도를 지시하는 잔차 지수 (residual index)인 Rwp (weighted pattern R), Rexp (expected R), S (Goodness of Fitness, Rwp/Rexp ), 결정화도 결과는 도 5의 표에 나타내었다. The general order is somewhat different according to the literature, but as described by Young (1993), the scale factor, the zero point aiming factor, the four baseline function factors, the unit cell and the bias factor, and the asymmetry factor, The factor, the total thermal vibration factor, was fixed at the initial value. The instrumental peak shape function parameters were initially used as instrumental calibration factors using diffraction data obtained under identical conditions using the LaB 6 standard sample (SRM 660a, NIST). And refined to take into account the bias factor in the direction of the deflection direction of the composite (010). Items of the occupancy rate of cations such as Fe and Mn contained in the octahedral site M were not included in the calculation and were calculated by distributing and fixing them on the M1 and M2 sites based on the ratio of the synthesis conditions without preference. The degree of crystallinity was calculated for one peak using the peaks phase mode of the TOPAS program in order to take into account the amorphous patterns present in the diffraction data. The peak shape function was determined using the Fundamental Parameter Approach (Cheary and Coelho , 1992). A spherical harmonics function was used to consider the anisotropic peak broadening, which depends on the hkl observed prominently in the diffraction results of δ- (Fe 1 -x , Mn x ) OOH (J, 1993). In addition, halite, which is a small amount of impurities left in the synthesis solution and washing process, is also included in the structural analysis to enhance the completeness of the final crystal structure refining. R wp (weighted pattern R), R exp (expected R), S (Goodness of Fitness, R wp / R exp ) and the crystallinity results indicating the completeness of the Rietveld refinement are shown in the table of FIG. Respectively.

도 5의 표에서 Refinement의 완성도를 지시해주는 R 지수들을 살펴보면, 계산후 이론적으로 기대되는 지수 Rexp는 3.796%-4.309%, 가중치 지수 Rwp는 4.414%-5.521%로 나타났다. 실제 Refinement가 얼마나 잘 이루어졌는지를 지시하는 지수는 S (Goodness of fitness)인데 Rwp/Rexp 비로 나타내며 이 두 지수의 차이가 작을수록 refinement가 잘 이루어졌다고 할 수 있다. Refinement 계산 후 S 값은 1.163- 1.281로서, 이들 자료를 서로 상대적으로 비교하는 데에는 충분한 완성도를 나타내었다.Looking at Fig R index, which indicates the completeness of Refinement in Table 5, the theoretical index R exp is 3.796% -4.309% is expected after a calculated, weighted index R wp is found to be 4.414% -5.521%. The index indicating how well the actual refinement is done is S (Goodness of fitness), where R wp / R exp And the difference between the two indices is smaller, the refinement is better. After the refinement calculation, the S value was 1.163 - 1.281, which is sufficient to compare these data with each other.

(4)결과 (4) Results

단일상으로 합성된 δ-(Fe1 -x, Mnx)OOH (x=0, 0.1, 0.3, 0.5)의 Rietveld 결정구조 분석 결과 Mn의 치환량이 증가함에 따라 비례적으로 a unit cell과 단위포 부피(V)가 감소하는데 이는 상대적으로 Mn의 이온반경이 Fe에 비하여 작기 때문으로 판단된다(도 6의 그래프 참조). 이는 feroxyhyte의 Fe 자리에 Mn이 비례적으로 치환되어 생성될 수 있음을 지시한다.As a result of Rietveld crystal structure analysis of δ- (Fe 1 -x , Mn x ) OOH (x = 0, 0.1, 0.3, 0.5) synthesized in a single phase, the proportion of a unit cell and unit cell The volume V is decreased because the ion radius of Mn is relatively smaller than that of Fe (see the graph of FIG. 6). This indicates that Mn can be generated by substitution of Fe in the Fe position of the feroxyhyde.

Fe와 Mn의 이온반경 크기 변화에 따른 결정구조의 변화는 unit cell a와 b에서 동일하게 나타나지 않았다. a의 경우는 Mn 함량이 증가함에 따라서 비례적으로 감소하는 반면에 c의 경우는 미세하게 증가하거나 Mn 함량이 10% 이상인 조건일 때부터 큰 변위를 보이지 않는다. 이는 δ-(Fe1 -x, Mnx)OOH의 기본 골격인 팔면체판을 유지하면서 Mn 치환도에 따른 이온반경의 변화를 구조 내에 반영하기 위하여 팔면체 형태의 비틀어짐(distortion)이 수반되기 때문이다.The change of the crystal structure due to the change of ionic radius size of Fe and Mn was not the same in unit cell a and b. In the case of a, the content decreases proportionally as the Mn content increases, whereas the case of c does not show a large displacement from the point of fine increase or Mn content of 10% or more. This is because the octahedral shape distortion is accompanied by the change of the ion radius according to the degree of Mn substitution while maintaining the octahedral plate which is the basic skeleton of δ- (Fe 1 -x , Mn x ) OOH .

한편, 본 발명은 상기한 바와 같은 방법으로 합성된 철-망간 수산화물을 이용한 수처리 방법을 제공한다. 철-망간 수산화물은 3가지의 측면에서 오염물 제거작용을 수행한다. In addition, the present invention provides a water treatment method using iron-manganese hydroxide synthesized as described above. The iron-manganese hydroxide performs the decontamination action in three respects.

가장 중요한 작용으로는 3가 비소의 처리이다. The most important action is the treatment of trivalent arsenic.

종래기술에서도 설명한 바와 같이, 3가 비소는 5가 비소에 비하여 생태환경에 미치는 영향이 클 뿐만 아니라, 이동성 또한 매우 크다. 그리고 표면이 음전하를 띠는 5가 비소와 달리 전기적으로 중성을 띠므로 흡착에 의한 제거가 어렵다는 문제점이 있다. As described in the prior art, trivalent arsenic has a greater effect on the ecological environment as compared with the pentavalent arsenic, and also has great mobility. Unlike the 5-valent arsenic, which is negatively charged on the surface, it is electrically neutral, which makes it difficult to remove by adsorption.

본 발명에 따른 철-망간 수산화물은 망간의 작용에 의하여 아래의 반응식(3)과 같이 수중에서 3가 비소를 5가 비소로 산화시키며, 5가 비소는 철-망간 수산화물의 철의 표면에 흡착되어 제거된다. The iron-manganese hydroxide according to the present invention oxidizes trivalent arsenic to pentavalent arsenic in water as shown in the following reaction formula (3) by the action of manganese, and the pentavalent arsenic is adsorbed on the surface of iron of iron-manganese hydroxide Removed.

2Mn3 + + H3AsO3 + H2O → 2Mn2 + + HAsO4 2 - + 4H+ ... 반응식(3)2Mn 3 + + H 3 AsO 3 + H 2 O → 2Mn 2 + + HAsO 4 2 - + 4H +

철-망간 수산화물의 또 다른 오염물 제거 작용은 음이온성 오염물질(AsO4 3 -, AsO3 3-, Cr2O7 2-, PO4 3 -, F-, NO3 - 등)이 철-망간 수산화물을 철 표면에 흡착시켜 제거하는 작용과, 유기 오염물을 분해한다는 점이다. Another contaminant removal action of iron-manganese hydroxide is that of anionic contaminants (AsO 4 3 - , AsO 3 3- , Cr 2 O 7 2 -, PO 4 3 - , F - , NO 3 - Adsorbs and removes hydroxides on iron surfaces, and decomposes organic contaminants.

본 연구진은 합성된 철-망간 단일상 산화물에 대한 특성을 해석하여 수용액에서의 비소 제거에 미치는 영향 및 효율을 실험하였다. We have investigated the effects of iron - manganese single phase oxides on the removal of arsenic in aqueous solutions and their efficiency.

(1)전해질에 따른 비소 흡착 제거율 비교실험(1) Comparison of removal rate of arsenic adsorption by electrolyte

각각의 망간 비율을 다르게 한 철-망간 단일상 산화물에 대한 비소흡착 실험에 필요한 전해질을 선택하기 위해 실험을 통해 비소 흡착 제거율과 5가 비소로 잔존해 있는 농도를 알아보았다. 실험 과정은 다음과 같다. 1L의 1000 mg/L As(III) 3가 비소 용액을 제조하고, 1M HCl, NaOH를 이용하여 3가 비소 용액을 pH6 으로 조절하였다. 그리고 3가 비소 용액을 3개(A, B, C)로 나누어 3개의 용액에 각각의 전해질 (NaNO3, NaCl, Na2SO4) 10 mM을 넣었다. 전해질이 들어있는 3가 비소 용액을 20 mg/L로 희석하여 철-망간 단일상 산화물이 0.02 g 들어있는 25 mL Vial에 20 ml 넣어 철-망간 수산화물 용량을 1 g/L로 하고, water bath에 넣어 150 rpm 으로 24시간 반응시켰다. 반응 후 0.45μm실린지 필터를 이용하여 철-망간 수산화물과 용액을 분리하였으며, 분리된 용액은 반으로 나누어 반은 5가 비소 여과 필터를 이용하여 천천히 5회 분리하고 질산 2 방울을 첨가하여 냉장보관 하였다. 전처리 후 ICP(Inductively Coupled Plasma) 분석기기를 이용하여 분석하였다.In order to select the electrolytes required for the arsenic adsorption experiment for iron - manganese single phase oxides with different manganese ratios, we examined the arsenic adsorption removal ratio and the concentration of 5 - arsenic remaining. The experimental procedure is as follows. A 1L 1000 mg / L As (III) 3 arsenic solution was prepared and the trivalent arsenic solution was adjusted to pH 6 using 1 M HCl, NaOH. Then, 10 mM of each electrolyte (NaNO 3 , NaCl, Na 2 SO 4 ) was added to the three solutions by dividing the trivalent arsenic solution into three (A, B, C). The trivalent arsenic solution containing the electrolyte was diluted to 20 mg / L, and 20 ml of the ferrous-manganese single phase oxide containing 0.02 g was added to the vial to make the iron-manganese hydroxide capacity 1 g / L. And the reaction was carried out at 150 rpm for 24 hours. After the reaction, the iron-manganese hydroxide and the solution were separated using a 0.45 μm syringe filter. The separated solution was divided into halves and the half was separated 5 times slowly using a 5-point arsenic filter and added with 2 drops of nitric acid. Respectively. After pretreatment, it was analyzed by ICP (Inductively Coupled Plasma) analyzer.

그 결과가 도 7a ~ 7c의 그래프에 나타나 있다. The results are shown in the graphs of Figs. 7a to 7c.

도 7a~7c의 그래프를 참고하면, 전해질 종류에 따른 뚜렷한 영향은 보이지 않으나 전반적으로 NaNO3 > NaCl > Na2SO4 순으로 비소 흡착에 영향을 주는 것으로 나타났다. 망간 비율 10%까지는 비소 흡착율이 높게 나타났지만, 30%부터는 비소 흡착량이 크게 저하되는 것으로 나타났다. 망간 비율이 높아짐에 따라 흡착되지 않고 잔존한 5가 비소의 농도가 높아지며, 3가 비소는 존재하지 않는 것으로 관찰되었다. 그러나 망간 치환율이 낮은 경우 5가 비소가 용액 내에 상대적으로 많이 잔존하고 있음을 알 수 있다. 이를 통해 철-망간 수산화물에 치환되어 있는 망간 이온과 3가 비소가 반응하여 5가 비소로 산화된 것으로 예측할 수 있다. Referring to the graphs of FIGS. 7a to 7c, there was no significant influence depending on the type of electrolyte, but overall, NaNO 3 >NaCl> Na 2 SO 4 was found to affect arsenic adsorption. The arsenic adsorption rate was high up to 10% manganese ratio, but the arsenic adsorption amount was greatly decreased from 30%. As the manganese ratio increased, the concentration of residual pentavalent arsenic increased without adsorption, and trivalent arsenic was not observed. However, when the manganese substitution ratio is low, it can be seen that a relatively large amount of arsenic is retained in the solution. From this, it can be predicted that the manganese ion substituted with iron - manganese hydroxide reacts with trivalent arsenic and oxidized into pentavalent arsenic.

결론적으로 망간 비율이 증가함에 따라 충분한 산화력을 가진 광물이 조성되지만, 비소 흡착 장소를 제공할 수 있는 철 수산화물의 비율이 감소함에 따라 흡착 용량은 저하되는 것으로 나타났다. 본 실험을 통해 흡착 효율이 높은 NaNO3 전해질로 결정하고, 3가 비소를 5가 비소로 산화시키고, 철 산화물에 흡착시킬 수 있는 철-망간을 9:1로 합성한 산화물을 최적의 비율로 결정하였다. 즉, 화학식 상에서 x값이 0.1이지만, 이를 확장하여 x값을 0.05 ~ 0.25 수준인 경우 산화능과 흡착능이 모두 만족할 만한 수준으로 확보될 수 있을 것이다. In conclusion, the adsorption capacity decreases as the proportion of iron hydroxide, which can provide the site of arsenic adsorption, decreases although the manganese ratio increases and the minerals having sufficient oxidizing power are formed. In this experiment, the NaNO 3 electrolyte with high adsorption efficiency was determined. The trivalent arsenic was oxidized to pentavalent arsenic and the oxide synthesized with 9: 1 iron-manganese which could adsorb to the iron oxide was determined at an optimum ratio Respectively. That is, although the x value in the chemical formula is 0.1, if the x value is 0.05 to 0.25, both the oxidation ability and the adsorption capacity can be satisfied.

(2) 3가 비소 흡착반응 속도실험(2) Trivalent arsenic adsorption reaction rate experiment

철-망간 단일상 수산화물에 대해 비소흡착 반응에서 각 시간마다 제거된 양을 알아보기 위해 3가 비소 흡착 제거율과 5가 비소로 잔존해 있는 농도를 알아보았다. 실험 과정은 다음과 같다. 본 실험에서 전해질에 따른 비소 흡착 제거율 실험을 통하여 제거율이 높은 전해질을 NaNO3로 정하고, 철-망간 비율 9:1인 산화물을 선택하여 실험 사용하였다. 1L 의 1000 mg/L As(III)를 제조하여 저장용액으로 사용하였으며, 1M HCl, NaOH 를 이용하여 pH6 으로 조절한 후, 10mM NaNO3 전해질을 첨가하였다. 3가 비소 1000 mg/L 저장용액을 각각 20, 50, 100 mg/L 로 희석하여 철-망간 비율 9:1로 합성된 산화물이 0.02 g 들어있는 25 mL Vial에 20ml 넣어 광물 용량을 1 g/L로 하고, water bath에 넣어 150 rpm 으로 최대 24시간 반응 시켰다. To investigate the amount of iron - manganese monohydrate removed at each hour in the arsenic adsorption reaction, the removal rate of trivalent arsenic adsorption and the concentration of residual 5 - arsenic were investigated. The experimental procedure is as follows. In this experiment, the removal efficiency of arsenic adsorbed on the electrolyte was determined to be NaNO 3 , and an oxide with an iron / manganese ratio of 9: 1 was selected and used. 1 L of 1000 mg / L As (III) was prepared and used as a storage solution. PH was adjusted to 6 with 1 M HCl and NaOH, and 10 mM NaNO 3 electrolyte was added. Dilute 3 mg of arsenic 1000 mg / L stock solution to 20, 50 and 100 mg / L, add 20 ml of 0.02 g of oxide synthesized at an iron-manganese ratio of 9: 1 in 20 ml of vial, L, and the reaction was carried out at 150 rpm for up to 24 hours in a water bath.

샘플링 구간은 총 11구간 (10, 20, 30, 50, 70, 90, 120, 180, 360, 600, 1440분)으로 나누었으며, 각 시간에 맞는 반응 샘플을 water bath에서 꺼내어 0.45μm 실린지 필터를 이용하여 산화물과 용액을 분리하였다. 분리된 용액은 다시 반으로 나누어 반은 5가 비소 여과 필터를 이용하여 천천히 5회 분리하고 질산 2 방울을 첨가하여 냉장보관 하였다. 전처리 후 ICP 분석기기를 이용하여 분석하였다.The sampling interval was divided into 11 sections (10, 20, 30, 50, 70, 90, 120, 180, 360, 600 and 1440 minutes). The reaction samples for each time were taken out from the water bath, To separate the oxide and the solution. The separated solution was again divided into halves, and the semi-detached solution was slowly separated 5 times using an arsenic filter, and 2 drops of nitric acid was added thereto. After pretreatment, they were analyzed using ICP analyzer.

분석결과가 도 8a 내지 도 8c에 나타나 있다. The results of the analysis are shown in Figs. 8A to 8C.

도 8a 내지 8c를 참고하면, 세 가지 농도 조건에서 흡착 평형에 도달하는데 소요되는 시간은 모두 360분이었으며, 초기 10분에 비소가 50% 제거된 후 점진적으로 흡착 반응이 일어났다. 세 가지 조건에서 흡착되지 않고 잔존한 비소 농도는 각각 약 1.2, 8.0, 41.4 mg/L 로 나타났으며, 그 중 5가 비소 농도가 각각 0.8, 1.5, 5.0 mg/L 로 나타났다(도 8b 참고). 초기 pH는 6으로 조절되어 있는 조건에서 96.7mg/L 3가 비소 유무에 따른 수중 pH 변화를 관찰하였다. 비소가 없는 경우, 철-망간 단일상 산화물이 주입되면 빠르게 용액의 pH는 약 9.14로 상승하여 유지하지만, 3가 비소가 있는 경우에는 상승폭이 작게 나타나면서 8 이하의 값을 나타내었다(도 8c 참고). 이는 3가 비소가 5가 비소로 산화되면서 수소 이온을 배출하고 있다는 간접적인 증거가 될 수 있다.8A to 8C, it took 360 minutes to reach the adsorption equilibrium at the three concentration conditions, and the adsorption reaction gradually occurred after 50% of arsenic was removed in the initial 10 minutes. At the three conditions, the concentration of arsenic remaining after the adsorption was found to be about 1.2, 8.0, 41.4 mg / L, respectively, and the arsenic concentrations of 5 were found to be 0.8, 1.5 and 5.0 mg / . Initial pH was controlled to 6, and 96.7 mg / L 3 was observed under pH in the presence of arsenic. In the absence of arsenic, the pH of the solution rapidly increased to about 9.14 when the iron-manganese single phase oxide was injected, but when the amount of trivalent arsenic was increased, the increase was small and was less than 8 ). This can be an indirect evidence that trivalent arsenic is oxidized to pentavalent arsenic and releases hydrogen ions.

(3)3가 비소 등온 흡착실험(3) Trivalent arsenic adsorption experiments

철-망간 단일상 산화물에 대해 비소흡착 반응에서 각각 다른 농도별로 제거된 양을 알아보기 위해 비소 흡착 제거율을 알아보았다. 그 실험에서 3가 비소 1000 mg/L 저장용액을 제조하는 것은 앞의 실험들과 동일하다. 그리고 3가 비소 1000 mg/L 저장용액을 각각 10, 20, 30, 50, 70, 90, 120, 150, 200, 250 mg/L로 총 10개로 나누어 철-망간 비율 9:1로 합성된 산화물이 0.02 g 들어있는 25 mL Vial에 20mL 넣어 광물 용량을 1 g/L 로 하고, water bath에 넣어 150 rpm 으로 24시간 반응시켰다. 반응 후 0.45μm 실린지 필터를 이용하여 산화물과 용액을 분리하였으며, 분리된 용액은 질산 2 방울 첨가하여 냉장보관 하였다. 전처리 후 ICP 분석기기를 이용하여 분석하였다. 그 결과가 도 9에 나타나 있다. The removal rates of arsenic adsorption on iron - manganese single phase oxides were investigated in order to investigate the amounts of iron - manganese oxides removed by different concentrations in arsenic adsorption. In this experiment, the preparation of a trivalent arsenic 1000 mg / L stock solution is the same as in the previous experiments. The storage solution of trivalent arsenic (1000 mg / L) was divided into 10 groups of 10, 20, 30, 50, 70, 90, 120, 150, 200 and 250 mg / Was put into a 25 mL vial containing 0.02 g to make a mineral volume of 1 g / L, and the mixture was placed in a water bath and reacted at 150 rpm for 24 hours. After the reaction, the oxide and the solution were separated using a 0.45 μm syringe filter. The separated solution was added with 2 drops of nitric acid and stored in the refrigerator. After pretreatment, they were analyzed using ICP analyzer. The results are shown in Fig.

도 9의 그래프를 참고하면, 초기 3가 비소 농도를 10.2 ~ 264 mg/L로 달리하여 철-망간 단일상 수산화물의 3가 비소에 대한 흡착 용량 변화를 관찰하였다. 초기 3가 비소 농도가 증가함에 따라 비소 흡착량이 증가하였으며, 최대 흡착량은 초기 3가 비소 농도 264 mg/L에서 83.8mg/g으로 나타났다.9, the adsorption capacity changes of iron-manganese monohydrate hydroxides to trivalent arsenic were observed by varying the initial trivalent arsenic concentration from 10.2 to 264 mg / L. As the initial concentration of trivalent arsenic increased, the amount of arsenic adsorption increased. The maximum adsorption amount was 83.8 mg / g at the initial trivalent arsenic concentration of 264 mg / L.

(4)표준크롬 산화실험(4) Standard chromium oxidation experiments

철-망간 단일상 수산화물에 대한 산화 반응에서의 정확한 산화능을 알아보기 위해 표준크롬 산화 실험 방법을 사용하여 산화능을 알아보았다. 실험과정은 다음과 같다. 500mL의 1mM CrCl3을 제조하고, 각각 망간 비율이 다른 철-망간 단일상 수산화물이 0.1g 들어있는 Vial에 20 mL 넣고, water bath에 넣어 150 rpm 으로 1시간 반응시켰다. 반응 후 인산염 완충제 (1M, pH 7.2, phosphate 용액)을 0.2 mL를 첨가하여 15초 반응시켜 흡착된 Cr(VI)를 제거하였다. 그 후 원심분리기를 이용하여 상등액을 추출한 다음 0.45μm 실린지 필터로 여과하였다. 여과된 용액은 UV-vis Spectrophotometer (DR/4000) 분석기기의 CHROMIUM, Hexavalent 1560 (1,5-Diphenycarbohydrazide Method) 프로그램을 사용하였다. 도 10의 결과표를 참고하면, 망간 비율이 증가할수록 산화능은 증가하는 것으로 나타났다 To investigate the precise oxidizing ability of iron - manganese monohydrate in oxidation reaction, we investigated oxidizing ability by using standard chromium oxidation test method. The experimental procedure is as follows. 500 mL of 1 mM CrCl 3 was prepared and 20 mL of each of the vials containing 0.1 g of the iron-manganese monohydrate hydroxide having different manganese ratios was added, and the mixture was reacted at 150 rpm for 1 hour in a water bath. After the reaction, 0.2 mL of phosphate buffer (1M, pH 7.2, phosphate solution) was added, and the reaction was carried out for 15 seconds to remove the adsorbed Cr (VI). The supernatant was then extracted using a centrifuge and then filtered through a 0.45 μm syringe filter. The filtered solutions were analyzed using the CHROMIUM, Hexavalent 1560 (1,5-Diphenycarbohydrazide Method) program of the UV-vis Spectrophotometer (DR / 4000) analyzer. Referring to the result table in FIG. 10, it was found that the oxidation ability was increased as the manganese ratio was increased

(5)3가 비소 제거 pH effect 실험(5) trivalent arsenic removal pH effect experiment

철-망간 단일상 수산화물에 대해 비소흡착 반응에서 각각 다른 pH에 따른 제거된 양을 비교하기 위해 pH별로 비소 흡착 제거율을 알아보았다. 그 실험 과정은 다음과 같다. 1L 의 1000 mg/L As(III)를 제조하여 저장용액으로 사용하였으며, 10mM NaNO3 전해질을 첨가하고, 50 mg/L 로 희석하였다. 각각 다른 pH를 3 ~ 10까지 1M HCl, NaOH를 이용하여 조절한 후, 철-망간 비율 9:1로 합성된 산화물이 0.02g 들어있는 25mL Vial에 20mL 넣어 광물 용량을 1g/L 로 하고, water bath에 넣어 150 rpm으로 24시간 반응시켰다. 반응 후 0.45μm 실린지 필터를 이용하여 산화물과 용액을 분리하였으며, 분리된 용액은 바로 ICP 분석기기를 이용하여 분석하였다. 도 11의 결과 그래프에 나타난 바와 같이, 3가 비소의 경우 pH의 변화와 상관없이 일정하고 높은 흡착율을 나타낸 반면, 5가 비소의 경우 pH6~7을 기준으로 급격하게 저하되는 양상을 나타냈다. 이를 토대로, 철-망간 수산화물은 산성 폐수의 수처리에 보다 적합한 것으로 파악된다. In order to compare the amounts of iron - manganese monohydrate hydroxides removed by different pH in arsenic adsorption reaction, the removal rate of arsenic adsorption by pH was investigated. The experimental procedure is as follows. 1 L of 1000 mg / L As (III) was prepared and used as a stock solution. 10 mM NaNO 3 electrolyte was added and diluted to 50 mg / L. After adjusting the pH to 3 ~ 10 with 1M HCl and NaOH, 20 mL of the solution was added to a 25 mL vial containing 0.02 g of oxide synthesized at an iron-manganese ratio of 9: 1, and the mineral content was adjusted to 1 g / L. bath, and reacted at 150 rpm for 24 hours. After the reaction, the oxide and the solution were separated using a 0.45 μm syringe filter, and the separated solution was immediately analyzed using an ICP analyzer. As shown in the graph of FIG. 11, the adsorption rate of trivalent arsenic was constant regardless of the change of pH, while the adsorption rate of arsenic 5 was abruptly decreased at pH 6 ~ 7. Based on this, iron - manganese hydroxide is more suitable for the treatment of acid wastewater.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 합성방법을 통해 δ타입의 철-망간 수산화물이 합성된 것을 확인하였으며, 이 철-망간 수산화물의 결정학적 특성 및 흡착제로서의 특성도 파악하였다. As described above, it was confirmed that the δ type iron-manganese hydroxide was synthesized through the synthesis method according to the present invention, and the crystallographic characteristics and the characteristics of the iron-manganese hydroxide as the adsorbent were also determined.

이를 토대로, 본 발명에 따른 철-망간 수산화물은 수중에서 3가 비소 및 5가 비소를 효과적으로 흡착하여 제거할 수 있음을 확인하였다. 또한, 본 발명에 다른 철-망간 수산화물은 비소의 제거와 아울러, 수중의 다른 음이온성 오염물질도 흡착 가능하며, 유기 오염물을 처리할 수 있다는 이점이 있다. Based on this, it was confirmed that the iron-manganese hydroxide according to the present invention can effectively adsorb and remove trivalent arsenic and pentavalent arsenic in water. In addition, iron-manganese hydroxides according to the present invention have an advantage of being capable of adsorbing other anionic contaminants in the water as well as arsenic removal and treating organic contaminants.

본 발명에서는 철-망간 수산화물로 반응벽체에 이용하거나, 담지체에 포섭시키는 방식 등을 통해 수중의 오염물을 제거할 수 있다. 또한, 오염물을 흡착한 후에는 철-망간 수산화물의 특성인 자성을 이용하여, 수중에서 자력을 이용한 회수가 가능하다는 이점이 있다. In the present invention, it is possible to remove contaminants in the water through the use of iron-manganese hydroxide as a reaction wall or a method in which the iron-manganese hydroxide is introduced into a carrier. Further, after adsorbing the contaminants, there is an advantage that the recovery can be performed using magnetic force in water by using magnetic property which is a characteristic of iron-manganese hydroxide.

따라서, 본 발명은 이동성 및 생태에 미치는 영향이 큰 3가 비소 오염물을 효과적으로 제거할 수 있으며, 분리회수가 용이하여 2차 오염을 유발하지 않는다는 점에서 수처리에 적극적으로 활용될 수 있을 것이다. Therefore, the present invention can be effectively used for water treatment in that it can effectively remove trivalent arsenic contaminants having a great influence on mobility and ecology, and can easily separate and recover from secondary contamination.

본 발명에서 철-망간 수산화물, 철-망간 산화물, 철-망간 산수산화물, 망간이 치환된 철 수산화물 등은 모두 동일한 의미로서, 화학식 δ-(Fe1 -X, MnX)OOH(여기서 0〈 x〈 1))로 표현되는 물질이다. In the present invention, iron-manganese hydroxide, iron-manganese oxide, iron-manganese oxide, iron hydroxide substituted with manganese have the same meanings as the formula δ- (Fe 1 -X , Mn x ) OOH ≪ 1)).

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation and that those skilled in the art will recognize that various modifications and equivalent arrangements may be made therein. It will be possible. Accordingly, the true scope of protection of the present invention should be determined only by the appended claims.

Claims (10)

철 이온을 포함하는 제1수용액과, 망간 이온을 포함하는 제2수용액 및 산화제를 혼합하여 반응시킴으로써 철-망간 수산화물(δ-(Fe1 -X, MnX)OOH, 여기서 0〈 x〈 1)을 합성하는 것을 특징으로 하는 철-망간 수산화물 합성방법. And a first aqueous solution containing iron ions, by reacting a mixture of the second aqueous solution and the oxidizer comprises manganese ions iron-manganese hydroxide (δ- (Fe 1 -X, Mn X) OOH, where 0 <x <1) &Lt; / RTI &gt; is synthesized. 제1항에 있어서,
상기 제1수용액은 FeCl2·4H2O 수용액인 것을 특징으로 하는 철-망간 수산화물 합성방법.
The method according to claim 1,
Wherein the first aqueous solution is an FeCl 2 .4H 2 O aqueous solution.
제1항에 있어서,
상기 제2수용액은 MnCl2·4H2O 수용액인 것을 특징으로 하는 철-망간 수산화물 합성방법.
The method according to claim 1,
Wherein the second aqueous solution is an aqueous solution of MnCl 2 .4H 2 O.
제1항에 있어서,
상기 철과 망간의 함량에 대한 x값은 0.05~0.25인 것을 특징으로 하는 철-망간 수산화물 합성방법.
The method according to claim 1,
Wherein the x value of the content of iron and manganese is 0.05 to 0.25.
제1항에 있어서,
상기 제1수용액과 제2수용액이 혼합된 용액은 pH 8 이상의 염기성인 것을 범위인 것을 특징으로 하는 철-망간 수산화물 합성방법.
The method according to claim 1,
Wherein the solution in which the first aqueous solution and the second aqueous solution are mixed is a basic one having a pH of 8 or more.
제1항에 있어서,
상기 철-망간 수산화물은 자성을 띠는 것을 특징으로 하는 철-망간 수산화물 합성방법.
The method according to claim 1,
Wherein the iron-manganese hydroxide is magnetic. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
상기 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 합성방법에 의하여 합성된 철-망간 수산화물. The iron-manganese hydroxide synthesized by the synthesis method according to any one of claims 1 to 6. 오염물질이 모두 포함되어 있는 오염수를 처리하기 위한 것으로서,
상기 청구항 1 내지 6 중 어느 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 기재된 합성방법에 의하여 합성된 철-망간 수산화물을 상기 오염수에 투입하여 상기 오염물질을 흡착시켜 제거하는 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
It is intended to treat polluted water containing all contaminants,
Characterized in that iron-manganese hydroxide synthesized by the synthesis method according to any one of claims 1 to 6 is added to the polluted water to adsorb and remove the pollutant. Way.
제8항에 있어서,
상기 철-망간 수산화물이 오염물질을 흡착한 후,
자력에 의하여 상기 철-망간 수산화물을 상기 오염수로부터 분리회수하는 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
9. The method of claim 8,
After the iron-manganese hydroxide adsorbs contaminants,
Wherein the iron-manganese hydroxide is separated and recovered from the contaminated water by magnetic force.
제8항에 있어서,
상기 오염물질은 3가 비소를 포함하며,
상기 철-망간 수산화물에 의하여 상기 3가 비소는 산화되어 5가 비소로 형성된 후, 상기 철-망간 수산화물에 흡착되어 제거되는 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the contaminant comprises trivalent arsenic,
Wherein the trivalent arsenic is oxidized by the iron-manganese hydroxide to form the pentavalent arsenic, and then the iron-manganese hydroxide is adsorbed and removed.
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