KR20210106336A - Iron carbonate composites for removing heavy metal and preparation method thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an iron carbonate composite for removing heavy metals that can be used for purification of heavy-metal-contaminated water in an oxygen-free environment, and a preparation method therefor. The iron carbonate composite for removing heavy metals exhibits an excellent removal performance on cationic and anionic heavy metals, for which adsorbents exhibit low adsorption capacity, by forming a highly reactive surface with a three-dimensional structure through a surface modification of an iron carbonate using citric acid and, in particular, exhibits an excellent adsorption and removal efficiency for trivalent arsenic. In addition, when applied to environmental purification, an oxidation-reduction reaction of heavy metals can be accompanied during the heavy metal removal process, so that the iron carbonate composite can be widely applied to oxygen anions having various oxidation numbers (e.g., As, Cr, Se, Sb, etc.).

Description

중금속 제거용 탄산철 복합체 및 이의 제조방법{Iron carbonate composites for removing heavy metal and preparation method thereof}Iron carbonate composites for removing heavy metal and preparation method thereof

본 발명은 무산소 환경에서 비소 오염수의 정화에 활용될 수 있는 중금속 제거용 탄산철 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 흡착 및 산화환원의 복합적인 반응을 통해 무산소 조건 하에서도 중금속, 특히 5가 비소뿐 아니라 3가 비소의 흡착능을 탁월하게 향상시킬 수 있는 탄산철과 유기산을 포함하는 중금속 제거용 탄산철 복합체에 관한 것이다.The present invention relates to an iron carbonate complex for heavy metal removal that can be used for purification of arsenic-contaminated water in an anoxic environment, and a method for manufacturing the same, and more particularly, to heavy metals, In particular, it relates to an iron carbonate complex for heavy metal removal including iron carbonate and an organic acid, which can excellently improve the adsorption capacity of trivalent arsenic as well as pentavalent arsenic.

비소 제거 기술은 오염지역의 지하수 수질과 비소 농도에 따라 다르게 적용된다. 일반적으로 비소를 제거하는 기술은 크게 침전, 멤브레인, 이온교환, 흡착처리기술 등으로 분류된다. 일반적으로 침전처리기술은 대규모 처리시설에서 비소오염 지하수를 효과적으로 처리한다. 그리고 소규모 처리시설에서는 멤브레인, 이온교환, 흡착기술이 비소를 제거하기에 적합하다. 하지만 현 추세는 소규모 처리시설로 멤브레인과 이온교환 처리기술보다는 설치 및 운영비가 적고 지하수 수질에 많은 영향을 받지 않는 흡착제를 이용한 흡착처리기술이 비소오염 지하수에 많이 적용되고 있다.Arsenic removal technology is applied differently depending on the groundwater quality and arsenic concentration of the contaminated area. In general, technologies for removing arsenic are largely classified into precipitation, membrane, ion exchange, and adsorption treatment technologies. In general, sedimentation treatment technology effectively treats arsenic-contaminated groundwater in large-scale treatment facilities. And in small-scale treatment plants, membrane, ion exchange, and adsorption techniques are suitable for arsenic removal. However, the current trend is a small-scale treatment facility, which has lower installation and operation costs than membrane and ion exchange treatment technologies, and an adsorption treatment technology using an adsorbent that is not affected by the groundwater quality is widely applied to arsenic-contaminated groundwater.

흡착처리기술에서 종래 연구 및 기술들은 비소로 오염된 자연수 및 지하수의 친환경적이고 효과적인 정화를 위해 중금속 반응성이 뛰어나며 환경에 무해한 흡착제로서 탄산철(Ⅱ)(능철석, FeCO3)을 사용하고 있다. Conventional studies and technologies in adsorption treatment technology use iron (II) carbonate (calite, FeCO 3 ) as an adsorbent that has excellent heavy metal reactivity and is harmless to the environment for environmentally friendly and effective purification of arsenic-contaminated natural water and groundwater.

그러나, 종래 기술에서 자연 탄산철(Ⅱ)은 상당한 불순물이 포함되어 있으며, 비소의 흡착용량이 낮은 단점이 있다. 또한 상기 탄산철(Ⅱ)을 이용한 기술들은 대부분 산소 조건의 아비산염(As(Ⅴ)) 제거에 초점이 맞춰져 있으나, 가장 큰 비소 노출을 야기하는 식수의 수원이 되는 지하수 환경은 무산소 조건으로서 대부분의 비소가 비산염(As(Ⅴ)) 보다 제거가 어렵고 더욱 독성이 강한 아비산염(As(Ⅲ)) 형태로 존재하고 있다. 또한, 무산소 조건 하에 탄산철(Ⅱ)을 이용한 As(Ⅲ))의 흡착 용량이 매우 낮아 비소 오염수처리 적용성이 떨어진다는 문제가 있다.However, in the prior art, natural iron (II) carbonate contains considerable impurities and has a disadvantage in that the adsorption capacity of arsenic is low. In addition, most of the technologies using iron (II) carbonate are focused on the removal of arsenite (As(V)) under oxygen conditions, but the groundwater environment, which is the source of drinking water that causes the greatest exposure to arsenic, is an anaerobic condition, and most Arsenic is present in the form of arsenite (As(III)), which is more difficult to remove and more toxic than arsenic (As(V)). In addition, there is a problem in that the adsorption capacity of As(III)) using iron(II) carbonate under anoxic conditions is very low, so that the applicability of arsenic-contaminated water treatment is poor.

따라서, 탄산철(Ⅱ)의 개질을 통해 무산소 조건 하에서 안정성 및 반응성이 향상된 친환경 비소 흡착제 개발이 요구되고 있다.Therefore, there is a demand for the development of an eco-friendly arsenic adsorbent with improved stability and reactivity under anoxic conditions through reforming of iron (II) carbonate.

대한민국 등록특허 제10-1961223호Republic of Korea Patent Registration No. 10-1961223

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 무산소 환경에서도 비소를 포함하는 오염수 정화시에 3가 비소의 흡착능이 우수한 중금속 제거용 탄산철 복합체 및 이의 제조방법을 제공함에 있다.An object of the present invention is to provide an iron carbonate composite for heavy metal removal excellent in adsorption capacity of trivalent arsenic when purifying contaminated water containing arsenic even in an oxygen-free environment, and a method for manufacturing the same.

본 발명은 the present invention

중금속 제거용 탄산철 복합체로서,As an iron carbonate composite for heavy metal removal,

상기 중금속 제거용 탄산철 복합체는 유기산 및 탄산철이 결합된 착물 형태로 존재하는 복합체이고, The iron carbonate complex for heavy metal removal is a complex in which an organic acid and iron carbonate are combined in the form of a complex,

상기 복합체는 복수개의 1차입자가 응집되어 형성된 2차입자로 이루어지고,The complex consists of secondary particles formed by aggregation of a plurality of primary particles,

상기 1차입자의 평균 직경은 10 ㎛ 이하이고,The average diameter of the primary particles is 10 μm or less,

상기 복합체의 BET 비표면적은 1 내지 10 m2/g인 중금속 제거용 탄산철 복합체를 제공한다.The BET specific surface area of the composite provides an iron carbonate composite for heavy metal removal of 1 to 10 m 2 /g.

또한, 본 발명은 Also, the present invention

가열; 및 수소가스를 포함하는 혼합가스 주입 방법 중 어느 하나 이상의 방법을 이용하여 탈이온수에서 산소를 제거하는 단계;heating; and removing oxygen from deionized water by using any one or more of a mixed gas injection method including hydrogen gas;

산소가 제거된 탈이온수에 철 이온 및 유기산을 혼합하여 제1 반응용액을 제조하고, 산소가 제거된 탈이온수에 탄산수소 이온 및 유기산을 혼합하여 제2 반응용액을 제조하는 제1 및 제2 반응용액 제조단계; 및First and second reactions of preparing a first reaction solution by mixing iron ions and an organic acid with deionized water from which oxygen has been removed, and mixing hydrogen carbonate ions and an organic acid with deionized water from which oxygen has been removed to prepare a second reaction solution solution preparation step; and

상기 제1 및 제2 반응용액을 혼합하고 여과 및 건조하여 유기산 및 탄산철이 결합된 고체 착물형태로 존재하는 복합체를 제조하는 단계를 포함하고,Mixing the first and second reaction solutions, filtering and drying to prepare a complex in which an organic acid and iron carbonate are combined in the form of a solid complex,

상기 제1 및 제2 반응용액은 독립적으로 2 mM 내지 8 mM 농도의 유기산을 혼합하는 것인 중금속 제거용 탄산철 복합체의 제조방법을 제공한다.The first and second reaction solutions are independently mixed with an organic acid having a concentration of 2 mM to 8 mM.

본 발명에 따른 중금속 제거용 탄산철 복합체는 구연산을 이용하여 탄산철의 표면 개질을 통해 3차원 구조의 고반응성 표면을 형성함으로써 흡착이 어려운 양이온 중금속 및 음이온 중금속에 대해 우수한 제거성능을 나타내고, 특히 3가 비소에 대한 우수한 흡착 및 제거 효율을 나타내고, 환경 정화에 응용 시 중금속 제거과정에서 중금속의 산화환원 반응이 동반될 수 있어 다양한 산화수를 가지는 산소음이온(예, As, Cr, Se, Sb 등)에 폭넓게 적용 가능하다.The iron carbonate complex for heavy metal removal according to the present invention exhibits excellent removal performance for cationic heavy metals and anionic heavy metals, which are difficult to adsorb, by forming a highly reactive surface with a three-dimensional structure through surface modification of iron carbonate using citric acid. shows excellent adsorption and removal efficiency for arsenic, and when applied to environmental purification, heavy metal redox reaction can be accompanied in the heavy metal removal process. Widely applicable.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 중금속 제거용 탄산철 복합체를 제조하는 방법을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 중금속 제거용 탄산철 복합체를 제조하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 중금속 제거용 탄산철 복합체를 이용한 비소 제거 실험 및 기기분석 과정을 나타낸 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 산소 제거 및 구연산 농도에 따른 중금속 제거용 탄산철 복합체의 X선 회절분석(X-Ray Diffraction, XRD) 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 중금속 제거용 탄산철 복합체의 구연산 농도에 따른 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 이미지이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 중금속 제거용 탄산철 복합체의 구연산 농도에 따른 푸리에-변환 적외선분석(Fourier Transform Infrared spectroscopy, FT-IR) 결과 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 중금속 제거용 탄산철 복합체의 구연산 농도에 따른 유도결합플라즈마 분광분석(Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer, ICP-OES) 결과 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 중금속 제거용 탄산철 복합체의 흡착등온선 실험결과 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 중금속 제거용 탄산철 복합체의 비소 흡착 전후의 주사전자현미경 이미지와 에너지 분산형 분광분석(Energy Dispersive Spectrometry, EDS) 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 중금속 제거용 탄산철 복합체의 비소 흡착 전후의 X-선 광전자분광기(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 중금속 제거용 탄산철 복합체의 다양한 산화수를 가진 산소음이온 흡착 실험 결과 그래프이다.
1 is a schematic view showing a method for manufacturing an iron carbonate composite for heavy metal removal according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a method for manufacturing an iron carbonate composite for heavy metal removal according to an embodiment of the present invention.
3 is an image showing an arsenic removal experiment and device analysis process using an iron carbonate complex for heavy metal removal according to an embodiment of the present invention.
4 is an X-ray diffraction (XRD) graph of the iron carbonate complex for heavy metal removal according to oxygen removal and citric acid concentration according to an embodiment of the present invention.
5 is a scanning electron microscope (SEM) image according to the citric acid concentration of the iron carbonate complex for heavy metal removal according to an embodiment of the present invention.
6 is a Fourier-transform infrared analysis (Fourier Transform Infrared spectroscopy, FT-IR) result graph according to the citric acid concentration of the iron carbonate complex for heavy metal removal according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing the results of Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer (ICP-OES) according to the citric acid concentration of the iron carbonate complex for heavy metal removal according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph showing an adsorption isotherm test result of an iron carbonate composite for heavy metal removal according to an embodiment of the present invention.
9 is a scanning electron microscope image and Energy Dispersive Spectrometry (EDS) graph before and after arsenic adsorption of the iron carbonate complex for heavy metal removal according to an embodiment of the present invention.
10 is an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) graph before and after arsenic adsorption of the iron carbonate complex for heavy metal removal according to an embodiment of the present invention.
11 is a graph showing the results of an oxygen anion adsorption experiment having various oxidation numbers of the iron carbonate complex for heavy metal removal according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings in order to describe the present invention in more detail. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms.

본 발명은 중금속 제거용 탄산철 복합체로서, 상기 중금속 제거용 탄산철 복합체는 유기산과 탄산철이 결합된 고체 착물 형태로 존재하는 복합체이고, 상기 복합체는 복수개의 1차입자가 응집되어 형성된 2차입자로 이루어진 중금속 제거용 탄산철 복합체를 제공한다.The present invention is an iron carbonate complex for heavy metal removal, wherein the iron carbonate complex for heavy metal removal is a complex that exists in the form of a solid complex in which an organic acid and iron carbonate are combined, and the complex is a heavy metal composed of secondary particles formed by aggregation of a plurality of primary particles An iron carbonate complex for removal is provided.

하나의 예로서, 본 발명의 따른 복합체의 평균 직경은 20 ㎛ 내지 100 ㎛, 20 ㎛ 내지 80 ㎛, 25 ㎛ 내지 70 ㎛ 또는 30㎛ 내지 50㎛이다.As an example, the average diameter of the composite according to the present invention is from 20 μm to 100 μm, from 20 μm to 80 μm, from 25 μm to 70 μm or from 30 μm to 50 μm.

또한, 본 발명에 따른 복합체의 상기 1차입자의 평균 직경은 10 ㎛ 이하인 것이 특징이다. 구체적으로, 상기 1차입자의 평균 직경은 10 ㎛ 이하, 2 ㎛ 내지 7 ㎛ 또는 3 ㎛ 내지 5 ㎛이다.In addition, the average diameter of the primary particles of the composite according to the present invention is characterized in that 10 ㎛ or less. Specifically, the average diameter of the primary particles is 10 μm or less, 2 μm to 7 μm, or 3 μm to 5 μm.

상기 1차입자의 표면은 벌집(honeycomb) 형태의 3차원 다공성 표면구조를 가진다. 상기와 같은 벌집형 3차원 다공성 표면구조를 가짐으로써, 본 발명의 중금속 제거용 탄산철 복합체는 우수한 BET 비표면적, 총 기공부피 및/또는 기공직경을 가질 수 있다.The surface of the primary particles has a three-dimensional porous surface structure in the form of a honeycomb. By having the honeycomb three-dimensional porous surface structure as described above, the iron carbonate composite for heavy metal removal of the present invention may have an excellent BET specific surface area, total pore volume and/or pore diameter.

상기 유기산은 카르복실기가 2개 이상으로 포함되고, 상기 유기산은 구연산, 옥살산, 주석산, 푸마르산, 말산, 말론 및 말레산 중 어느 하나 이상을 포함한다. 구체적으로, 상기 유기산은 구연산일 수 있다.The organic acid includes two or more carboxyl groups, and the organic acid includes any one or more of citric acid, oxalic acid, tartaric acid, fumaric acid, malic acid, malonic acid, and maleic acid. Specifically, the organic acid may be citric acid.

상기 복합체는 유기산과 탄산철이 결합하여 착물을 형성한 것일 수 있다. 상기 탄산철은 탄산철(Ⅱ) 또는 일부 철(III)가 혼재된 탄산철(II)일 수 있다.The complex may be formed by combining an organic acid and iron carbonate to form a complex. The iron carbonate may be iron (II) carbonate or iron (II) carbonate mixed with iron (III).

상기 유기산은 중금속 제거용 탄산철 복합체를 기준으로 10 wt% 내지 20 wt%일 수 있다. 구체적으로, 상기 유기산은 중금속 제거용 탄산철 복합체를 기준으로 10 wt% 내지 19 wt%, 11 wt% 내지 19 wt% 또는 14 wt% 내지 18 wt%일 수 있다.The organic acid may be 10 wt% to 20 wt% based on the iron carbonate composite for heavy metal removal. Specifically, the organic acid may be 10 wt% to 19 wt%, 11 wt% to 19 wt%, or 14 wt% to 18 wt% based on the iron carbonate composite for heavy metal removal.

본 발명에 따른 중금속 제거용 탄산철 복합체는 상기와 같이 유기산을 포함함으로써 다공성 표면을 형성하며, 전자이동의 매개체를 제공할 수 있어서 양이온 중금속 및 음이온 중금속의 흡착능이 우수하고, 특히 3가 비소의 흡착능이 우수하다.The iron carbonate complex for heavy metal removal according to the present invention forms a porous surface by including an organic acid as described above, and can provide a medium for electron transfer, so that it has excellent adsorption capacity for cationic heavy metals and anionic heavy metals, particularly trivalent arsenic adsorption capacity this is excellent

예를 들어, 상기 중금속 제거용 탄산철 복합체의 BET 비표면적은 1 내지 10 m2/g일 수 있다. 구체적으로, 상기 중금속 제거용 탄산철 복합체의 BET 비표면적은 1 내지 9 m2/g, 1 내지 7 m2/g, 1 내지 6 m2/g, 2 내지 6 m2/g 또는 2 내지 5 m2/g일 수 있다.For example, the BET specific surface area of the iron carbonate composite for heavy metal removal may be 1 to 10 m 2 /g. Specifically, the BET specific surface area of the iron carbonate composite for heavy metal removal is 1 to 9 m 2 /g, 1 to 7 m 2 /g, 1 to 6 m 2 /g, 2 to 6 m 2 /g, or 2 to 5 m 2 /g.

또한, 상기 중금속 제거용 탄산철 복합체의 총 기공부피는 0.01 내지 0.05 cm3/g일 수 있다. 구체적으로, 상기 중금속 제거용 탄산철 복합체의 총 기공부피는 0.015 내지 0.05 cm3/g, 0.01 내지 0.04 cm3/g 또는 0.01 내지 0.03 cm3/g일 수 있다.In addition, the total pore volume of the iron carbonate composite for heavy metal removal may be 0.01 to 0.05 cm 3 /g. Specifically, the total pore volume of the iron carbonate composite for heavy metal removal may be 0.015 to 0.05 cm 3 /g, 0.01 to 0.04 cm 3 /g, or 0.01 to 0.03 cm 3 /g.

더불어, 상기 중금속 제거용 탄산철 복합체의 평균 기공직경은 10 내지 15nm일 수 있다. 구체적으로 상기 중금속 제거용 탄산철 복합체의 평균 기공직경은 10 내지 14nm, 11 내지 14nm 또는 11 내지 13nm일 수 있다.In addition, the average pore diameter of the iron carbonate composite for removing heavy metals may be 10 to 15 nm. Specifically, the average pore diameter of the iron carbonate composite for heavy metal removal may be 10 to 14 nm, 11 to 14 nm, or 11 to 13 nm.

하나의 예로서, 본 발명에 따른 중금속 제거용 탄산철 복합체는 무산소 조건에서 중금속 흡착능이 우수하다. 상기 무산소 조건은 O2 < 1ppm, H2 = 2~3%, CO2 = 500~600ppm일 수 있다. 구체적으로, 상기 중금속은 양이온 중금속 또는 음이온 중금속을 포함하고, 상기 양이온 중금속은 카드뮴(Cd), 구리(Cu) 및 납(Pb), 아연(Zn)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이고, 음이온 중금속은 비소(As), 크롬(Cr), 셀레늄(Se) 및 안티모니(Sb)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 중금속은 음이온성 중금속일 수 있고, 3가 비소, 5가 비소, 3가 크롬, 6가 크롬, 3가 셀레늄, 6가 셀레늄, 4가 안티모니 또는 5가 안티모니일 수 있다.As an example, the iron carbonate composite for heavy metal removal according to the present invention has excellent ability to adsorb heavy metals under anoxic conditions. The anaerobic conditions may be O 2 < 1 ppm, H 2 = 2-3%, CO 2 = 500 ~ 600 ppm. Specifically, the heavy metal includes a cationic heavy metal or an anionic heavy metal, and the cationic heavy metal is at least one selected from the group consisting of cadmium (Cd), copper (Cu) and lead (Pb), zinc (Zn), and anionic heavy metal The silver may be at least one selected from the group consisting of arsenic (As), chromium (Cr), selenium (Se), and antimony (Sb). More specifically, the heavy metal may be an anionic heavy metal, and may be trivalent arsenic, pentavalent arsenic, trivalent chromium, hexavalent chromium, trivalent selenium, hexavalent selenium, tetravalent antimony, or pentavalent antimony. .

예를 들어, 본 발명의 중금속 제거용 탄산철 복합체는 무산소(O2 < 1ppm, H2 = 2~3%, CO2 = 500~600ppm) 조건에서 5가 비소뿐만 아니라 3가 비소의 흡착능이 우수하다.For example, the iron carbonate composite for heavy metal removal of the present invention has excellent adsorption capacity for trivalent arsenic as well as pentavalent arsenic under anoxic conditions (O 2 < 1 ppm, H 2 = 2-3%, CO 2 = 500-600 ppm). do.

또한, 본 발명의 중금속 제거용 탄산철 복합체의 중금속 흡착율은 무산소 조건 하에서 60 % 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 중금속 제거용 탄산철 복합체의 중금속 흡착율은 무산소 조건 하에서 70 % 이상, 80 % 이상, 85 % 이상 또는 85 % 내지 95 %일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 중금속 제거용 탄산철 복합체는 무산소 조건 하에서 3가 비소의 흡착율이 80 % 이상 또는 85 % 내지 95 %일 수 있다.In addition, the heavy metal adsorption rate of the iron carbonate composite for heavy metal removal of the present invention may be 60% or more under anoxic conditions. Specifically, the heavy metal adsorption rate of the iron carbonate composite for heavy metal removal may be 70% or more, 80% or more, 85% or more, or 85% to 95% under anoxic conditions. More specifically, the iron carbonate composite for heavy metal removal may have an adsorption rate of trivalent arsenic of 80% or more or 85% to 95% under anoxic conditions.

구체적으로, 상기 중금속 제거용 탄산철 복합체는 중금속과의 산화환원 반응을 통해 중금속 제거 성능이 향상될 수 있다. 예를 들어, 상기 중금속 제거용 탄산철 복합체는 탄산철의 철(II)가 철(III)으로 산화되는 과정에서 양이온 및 산소음이온 내 중금속을 환원시키면서 흡착 반응을 촉진하여 제거할 수 있다. 또한, 무산소 조건의 산소 함량에 따라 기 산화된 탄산철의 철(III)의 일부가 다시 Fe(II)로 환원되면서 중금속의 산화를 촉진하여 흡착 반응을 촉진하여 제거할 수도 있다.Specifically, the heavy metal removal performance of the iron carbonate composite for heavy metal removal may be improved through a redox reaction with the heavy metal. For example, the iron carbonate complex for heavy metal removal may be removed by accelerating an adsorption reaction while reducing heavy metals in cations and oxyanions in a process in which iron (II) of iron carbonate is oxidized to iron (III). In addition, according to the oxygen content under anoxic conditions, a portion of iron (III) in the pre-oxidized iron carbonate is reduced back to Fe (II), thereby accelerating the oxidation of heavy metals, thereby accelerating and removing the heavy metals.

또한, 본 발명은 가열 및 수소가스를 포함하는 혼합가스 주입 방법 중 어느 하나 이상의 방법을 이용하여 탈이온수에서 산소를 제거하는 단계; 산소가 제거된 탈이온수에 철(II) 이온 및 유기산을 혼합하여 제1 반응용액을 제조하는 단계; 산소가 제거된 탈이온수에 탄산수소 이온 및 유기산을 혼합하여 제2 반응용액을 제조하는 단계; 및 상기 제1 및 제2 반응용액을 혼합하고 여과 및 건조하여 유기산 및 탄산철이 결합된 고체 착물형태로 존재하는 복합체를 제조하는 단계를 포함하는 중금속 제거용 탄산철 복합체의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of removing oxygen from deionized water by using any one or more methods of a mixed gas injection method including heating and hydrogen gas; preparing a first reaction solution by mixing iron (II) ions and an organic acid with deionized water from which oxygen has been removed; preparing a second reaction solution by mixing hydrogen carbonate ions and an organic acid with deionized water from which oxygen has been removed; and mixing the first and second reaction solutions, filtering and drying to prepare a complex in which an organic acid and iron carbonate are combined in a solid complex form.

도 1은 본 발명에 따른 중금속 제거용 탄산철 복합체의 제조방법을 나타낸 이미지이고, 도 2는 본 발명에 따른 중금속 제거용 탄산철 복합체의 제조방법의 흐름도를 나타낸 이미지이다. 도 1 및 도 2를 살펴보면, 본 발명의 중금속 제거용 탄산철 복합체의 제조방법은 1) 탈이온수를 가열하여 1차적으로 산소를 제거하는 단계(S100), 2) 1차적으로 산소가 제거된 탈이온수를 냉각하면서 여기에 수소 및 질소를 포함하는 혼합가스를 주입 및 교반과 함께 퍼징하여 2차적으로 산소를 제거하는 단계(S100), 3) 산소가 제거된 탈이온수에 이가 철(Fe2+) 이온 및 탄산수소(HCO3 -) 이온을 각각 용해시키고 구연산을 각각 첨가하여 제1 및 제2 반응용액을 제조하는 단계(S200), 4) 상기 제조한 제1 및 제2 반응용액 중 철 이온을 함유하는 제1 반응용액을 탄산수소 이온을 함유하는 제2 반응용액에 일정 속도로 일정 시간 동안 교반과 함께 주입 후 유기산 및 탄산철이 결합된 고체 착물형태로 존재하는 복합체를 제조하는 단계(S300), 5) 반응이 끝난 복합체를 포함하는 혼합용액으로부터 여과장치와 진공펌프를 이용하여 침전물을 분리하고 세척하여 침전물을 분리하는 단계, 6) 여과된 침전물을 가열하고 실리카겔과 함께 진공보관하여 수분을 제거하여 건조하는 단계를 포함한다.1 is an image showing a method for manufacturing an iron carbonate composite for heavy metal removal according to the present invention, and FIG. 2 is an image showing a flowchart of a method for manufacturing an iron carbonate composite for heavy metal removal according to the present invention. 1 and 2, the manufacturing method of the iron carbonate composite for heavy metal removal of the present invention includes 1) heating deionized water to primarily remove oxygen (S100), 2) primary oxygen removal A step of removing oxygen secondary by purging with injection and stirring of a mixed gas containing hydrogen and nitrogen while cooling the ionized water (S100), 3) bivalent iron (Fe 2+ ) in deionized water from which oxygen has been removed Dissolving ions and hydrogen carbonate (HCO 3 ) ions, respectively, and adding citric acid to prepare first and second reaction solutions (S200), 4) iron ions in the first and second reaction solutions prepared above After injecting the first reaction solution containing the first reaction solution into the second reaction solution containing hydrogen carbonate ions at a constant rate and stirring for a certain time, preparing a complex in which an organic acid and iron carbonate are combined in the form of a solid complex (S300), 5) Separating the precipitate from the mixed solution containing the reaction complex using a filtration device and a vacuum pump and washing to separate the precipitate, 6) Heating the filtered precipitate and storing it in a vacuum with silica gel to remove moisture drying step.

이하, 도 1에 나타낸 중금속 제거용 탄산철 복합체의 제조방법을 구체적으로 서술하기로 한다.Hereinafter, the manufacturing method of the iron carbonate composite for heavy metal removal shown in FIG. 1 will be described in detail.

하나의 예로서, 상기 1차적으로 산소를 제거하는 단계는 탈이온수를 10 분 내지 25 분 동안 100 ℃ 내지 150 ℃의 온도로 가열하여 1차적으로 산소를 제거할 수 있다. 구체적으로, 전기포트 또는 핫플레이트 등 가열기구를 이용하여 용존산소농도(DO)가 7 내지 12 ppm인 초기 탈이온수를 15 분 내지 20 분 동안 100 ℃ 내지 120 ℃의 온도로 가열하여 용존산소농도(DO)가 0.5 내지 3 ppm인 탈이온수를 제조할 수 있다. 이 가열 단계에서 용액에 간단한 수소 및 질소 가스 퍼징을 추가할 수도 있다.As an example, in the step of primarily removing oxygen, oxygen may be primarily removed by heating deionized water to a temperature of 100° C. to 150° C. for 10 to 25 minutes. Specifically, the dissolved oxygen concentration ( DO) of 0.5 to 3 ppm deionized water can be prepared. A simple hydrogen and nitrogen gas purging may be added to the solution during this heating step.

또한, 상기 2차적으로 산소를 제거하는 단계는 1차적으로 산소를 제거하는 단계를 거쳐 가열된 탈이온수 용액을 밀봉병에 넣고 냉각하면서 바늘형 가스주입기를 이용하여 수소 및 질소를 포함하는 혼합가스를 주입 및 교반과 함께 퍼징하여 무산소 탈이온수 용액을 제조할 수 있고, 장시간 동안 혼합가스를 주입하여 제조할 수 있다. 상기 방법은 혐기성 챔버 밖에서도 사용 가능하다. 또는, 혐기성 챔버 내에서 직접 마이크로버블러를 이용하여 수소 및 질소를 포함하는 혼합가스를 주입 및 교반과 함께 퍼징하여 무산소 탈이온수 용액을 제조할 수도 있다. 상기 혼합가스는 2 vol% 내지 8 vol% 수소가스 및 92 vol% 내지 98 vol% 질소 가스를 포함할 수 있으며, 상기 혼합가스 주입은 1 내지 10 L/min의 속도로 5분 내지 30분간 진행될 수 있다.In addition, the second step of removing oxygen is a mixed gas containing hydrogen and nitrogen using a needle-type gas injector while putting the heated deionized water solution into a sealed bottle through the step of first removing oxygen and cooling it. An oxygen-free deionized water solution can be prepared by purging together with injection and stirring, and it can be prepared by injecting a mixed gas for a long time. The method can also be used outside the anaerobic chamber. Alternatively, an anaerobic deionized water solution may be prepared by directly injecting and purging a mixed gas containing hydrogen and nitrogen using a microbubble in the anaerobic chamber with stirring. The mixed gas may include 2 vol% to 8 vol% hydrogen gas and 92 vol% to 98 vol% nitrogen gas, and the mixed gas injection may be performed for 5 to 30 minutes at a rate of 1 to 10 L/min. have.

상기와 같이 탈이온수 용액에 산소를 제거함으로써 탈이온수 용액 내 철이 산화되지 않은 이가철(Fe2+) 용액을 제조할 수 있고, 이후 이 용액을 이용하여 순수한 탄산철 및 유기산을 첨가할 때 표면이 개질된 탄산철을 제조할 수 있다.By removing oxygen from the deionized water solution as described above, a solution of iron in which iron is not oxidized in the deionized water solution (Fe 2+ ) can be prepared, and then, when pure iron carbonate and organic acid are added using this solution, the surface is Modified iron carbonate can be prepared.

구체적으로, 상기 2차적으로 산소를 제거하는 단계를 거친 탈이온수 용액의 용존산소농도(DO)는 0.00 내지 0.05 ppm 또는 0.00 내지 0.01ppm이고, 탈이온수 용액의 pH는 4 내지 7 또는 5 내지 6일 수 있다.Specifically, the dissolved oxygen concentration (DO) of the deionized water solution that has undergone the secondary oxygen removal step is 0.00 to 0.05 ppm or 0.00 to 0.01 ppm, and the pH of the deionized water solution is 4 to 7 or 5 to 6 days. can

상기 제1 및 제2 반응용액 제조 단계는 상기 제조한 무산소 탈이온수 용액을 무산소 대기조건이 형성된 챔버 내로 운반하여 철 이온 및 탄산수소 이온을 각각 용해시키고 유기산을 각각 첨가하여 제1 및 제2 반응용액을 제조할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 반응용액은 철(II) 이온과 유기산을 포함하고, 제2 반응용액은 탄산수소 이온과 유기산을 포함한다.In the first and second reaction solution preparation steps, the prepared anaerobic deionized water solution is transported into a chamber in which an anaerobic atmospheric condition is formed to dissolve iron ions and hydrogen carbonate ions, respectively, and organic acids are added to the first and second reaction solutions, respectively. can be manufactured. Specifically, the first reaction solution contains iron (II) ions and an organic acid, and the second reaction solution contains hydrogen carbonate ions and an organic acid.

예를 들어, 상기 제1 반응용액은 0.01 M 내지 1.5 M, 0.01 M 내지 1 M 또는 0.05 M 내지 1.5 M의 Fe2+ 이온을 포함하고, 제2 반응용액은 0.01 M 내지 1.5 M, 0.01 M 내지 1 M 또는 0.05 M 내지 1.5 M의 HCO3 - 이온을 포함한다.For example, the first reaction solution contains 0.01 M to 1.5 M, 0.01 M to 1 M, or 0.05 M to 1.5 M Fe 2+ ions, and the second reaction solution is 0.01 M to 1.5 M, 0.01 M to 1 M or 0.05 M to 1.5 M HCO 3 ions.

상기 유기산은 카르복실기가 2개 이상으로 포함되고, 상기 유기산은 구연산, 옥살산, 주석산, 푸마르산, 말산, 말론 및 말레산 중 어느 하나 이상을 포함한다. 구체적으로, 상기 유기산은 구연산일 수 있다.The organic acid includes two or more carboxyl groups, and the organic acid includes any one or more of citric acid, oxalic acid, tartaric acid, fumaric acid, malic acid, malonic acid, and maleic acid. Specifically, the organic acid may be citric acid.

상기 제1 및 제2 반응용액은 각각 2.0 mM 내지 8 mM, 2.5 mM 내지 7 mM 또는 2.5 mM 내지 5 mM의 유기산을 포함한다. 상기와 같은 농도의 유기산을 반응용액에 포함함으로써, 제조된 중금속 제거용 탄산철 복합체는 3차원 다공성 구조를 가져 높은 비표면적을 나타내고, 전자이동의 매개체를 제공할 수 있으며, 이에 따라 우수한 중금속 흡착율을 나타낼 수 있다.The first and second reaction solutions each contain 2.0 mM to 8 mM, 2.5 mM to 7 mM, or 2.5 mM to 5 mM organic acid. By including the organic acid of the above concentration in the reaction solution, the prepared iron carbonate composite for heavy metal removal has a three-dimensional porous structure, exhibits a high specific surface area, and can provide a medium for electron transfer, thereby providing an excellent heavy metal adsorption rate. can indicate

하나의 예로서, 상기 복합체를 제조하는 단계는 철(II) 이온을 함유하는 제1 반응용액을 탄산수소 이온을 함유하는 제2 반응용액에 교반과 함께 일정시간동안 주입 후 유기산 및 탄산철이 결합된 고체 착물형태로 존재하는 복합체를 합성할 수 있다. 이때, 상기 복합체는 복수개의 1차입자가 응집되어 형성된 2차입자로 이루어질 수 있다. 상기 탄산철은 탄산철(Ⅱ) 또는 산소 조건에 따라 일부 철(III)가 혼재된 탄산철(II)일 수 있다.As an example, in the step of preparing the complex, a first reaction solution containing iron (II) ions is injected into a second reaction solution containing hydrogen carbonate ions for a predetermined time with stirring, and then an organic acid and iron carbonate are combined. Complexes existing in the form of solid complexes can be synthesized. In this case, the composite may be composed of secondary particles formed by aggregation of a plurality of primary particles. The iron carbonate may be iron (II) carbonate or iron (II) carbonate mixed with some iron (III) depending on oxygen conditions.

구체적으로, 상기 복합체를 제조하는 단계는 1 시간 내지 6 시간 또는 3 시간 내지 5 시간 동안 제1 반응용액을 교반과 함께 제2 반응용액에 주입 후 20 시간 내지 30 시간 또는 22 시간 내지 26 시간 동안 에이징할 수 있다. 이때, 혼합용액의 온도는 순환식 항온수조와 온도 센서가 부착된 가열식 자석교반기를 통해 25±0.1℃으로 유지될 수 있으며, 상기 복합체는 상온 또는 10 내지 45 ℃의 범위에서도 제조될 수 있다.Specifically, the step of preparing the complex comprises injecting the first reaction solution into the second reaction solution with stirring for 1 hour to 6 hours or 3 hours to 5 hours, then aging for 20 hours to 30 hours or 22 hours to 26 hours can do. At this time, the temperature of the mixed solution may be maintained at 25±0.1° C. through a circulating constant-temperature water bath and a heated magnetic stirrer with a temperature sensor, and the complex may be prepared at room temperature or in the range of 10 to 45° C.

상기 복합체를 제조하는 단계 이후에 침전물을 분리·건조하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 침전물을 분리하는 단계는 반응이 끝난 탄산철 복합체를 포함하는 혼합용액을 멤브레인 여과장치와 진공펌프를 이용하여 침전물과 용액으로 분리한 후 침전물을 세척할 수 있다. 상기 세척은 2차 산소 제거된 탈이온수 또는 산화 방지를 위한 2차 산소 제거된 탈이온수와 메탄올의 혼합 용액을 용매로 사용할 수 있다. 상기와 같은 침전물 분리 및 세척 단계를 통해 침전물에 남아있는 전해질 등의 불순물이 제거된 고체 탄산철 복합체을 얻을 수 있다.Separation and drying of the precipitate may be further included after the step of preparing the complex. In the step of separating the precipitate, the mixed solution containing the iron carbonate complex after the reaction is separated into a precipitate and a solution using a membrane filtration device and a vacuum pump, and then the precipitate can be washed. For the washing, deionized water from which secondary oxygen has been removed or a mixed solution of deionized water from which secondary oxygen has been removed for oxidation prevention and methanol may be used as a solvent. A solid iron carbonate composite from which impurities such as electrolytes remaining in the sediment are removed can be obtained through the sediment separation and washing steps as described above.

또한, 상기 침전물을 분리하는 단계 이후에 건조하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 건조하는 단계는 전 단계에서 제조한 침전물을 40 ℃ 내지 80 ℃ 또는 50 ℃ 내지 60 ℃의 온도로 20 시간 27 시간 또는 23 시간 내지 25 시간 동안 가열하여 1차 수분을 제거하고, 잔류 수분을 제거하기 위해 2차 진공 건조할 수 있다. 상기 2차 진공 건조는 실리카겔이 들어있는 진공 데시케이터에 1차 가열 건조된 침전물을 넣고, 진공펌프를 이용하여 데시케이터 내부를 진공으로 만듬으로써 침전물 내 잔류 수분을 제거하고 침전물의 변질을 방지할 수 있다.In addition, it may further include the step of drying after the step of separating the precipitate. In the drying step, the precipitate prepared in the previous step is heated at a temperature of 40 ℃ to 80 ℃ or 50 ℃ to 60 ℃ for 20 hours 27 hours or 23 hours to 25 hours to remove the primary moisture, and remove the residual moisture Secondary vacuum drying may be performed to The second vacuum drying is performed by putting the first heat-dried precipitate in a vacuum desiccator containing silica gel, and vacuuming the inside of the desiccator using a vacuum pump to remove residual moisture in the precipitate and prevent deterioration of the precipitate can do.

이하 본 발명의 실시예를 기재한다. 그러나, 하기 실시예들은 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명의 권리 범위가 하기 실시예들에 의하여 제한되는 것은 아니다.Examples of the present invention will be described below. However, the following examples are only preferred examples of the present invention, and the scope of the present invention is not limited by the following examples.

[실시예][Example]

실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4

전기포트를 이용한 탈이온수를 20분 동안 가열하여 1차 산소를 제거하였다(DO 농도 7~12 ppm→0.5~1 ppm). 상기 1차 산소를 제거한 용액을 밀봉병에 옮겨 담아 밀봉 후 냉각하면서 바늘형 가스주입기를 이용하여 상기 용액에 혼합가스(6%H2/94%N2)를 주입 및 퍼징하여 2차 산소 제거하여(O2 + 2H2 → 2H2O) 무산소 탈이온수 용액을 제조하였다(DO농도 0.5~1 ppm→0.00 ppm, pH 5~6). 그런 다음 상기 무산소 탈이온수 용액을 무산소 대기조건(O2<1 ppm)이 형성된 챔버 내로 운반하여 탄산철 합성 반응용액 제조에 사용하였다. 이때 Fe2+와 HCO3 - 각각의 용액 농도범위는 0.03~1.2M 내이다. 구연산 혼합시, Fe2+와 HCO3 - 각각의 용액의 농도를 0.1M로 고정하였으며, 하기 표 1과 같이 다양한 농도(0~5 mM)의 구연산(citric acid, CA)을 용해하여 구연산/탄산철 복합체 합성을 위한 반응용액을 제조하였다(각 용액의 pH조건 Fe2+=2.0~2.5, HCO3 -=7.0~8.3). 상기 제조한 합성 반응용액 중 Fe2+ 용액을 주사기에 담아 단일 또는 다중 주사기 주입 펌프를 이용하여 0.25 mL/min 일정 속도로 비커에서 교반되고 있는 HCO3 - 용액에 4시간 동안 주입 후 교반을 유지하며 1일간 에이징 시켰다. 이때 혼합 용액 온도는 순환식 항온수조와 온도 센서가 부착된 가열식 자석교반기를 통해 25±0.1 ℃로 유지하였다. 이후 반응이 끝난 혼합 용액은 여과장치와 진공펌프를 이용하여 침전물을 고액 분리하였다. 상기 여과된 침전물을 샬레에 담아 가열식 자석교반기 위에서 1일간 가열(50~60 ℃) 건조하고, 실리카겔이 들어있는 진공 데시케이터에 넣어 변질을 방지하면서 잔여 수분을 제거하여 중금속 제거용 탄산철 복합체를 제조하였다.Deionized water using an electric pot was heated for 20 minutes to remove primary oxygen (DO concentration 7-12 ppm→0.5-1 ppm). The solution from which the primary oxygen has been removed is transferred to a sealed bottle, sealed, and cooled while the mixed gas (6%H 2 /94%N 2 ) is injected and purged into the solution using a needle-type gas injector to remove secondary oxygen. (O 2 + 2H 2 → 2H 2 O) An oxygen-free deionized water solution was prepared (DO concentration 0.5-1 ppm → 0.00 ppm, pH 5-6). Then, the oxygen-free deionized water solution was transferred into a chamber in which an anaerobic atmospheric condition (O 2 <1 ppm) was formed and used to prepare an iron carbonate synthesis reaction solution. At this time, Fe 2+ and HCO 3 - Each solution concentration range is within 0.03 ~ 1.2M. When citric acid was mixed, Fe 2+ and HCO 3 - concentrations of each solution were fixed at 0.1M, and citric acid/carbonic acid was dissolved by dissolving citric acid (CA) of various concentrations (0-5 mM) as shown in Table 1 below. A reaction solution for synthesizing iron complex was prepared (pH conditions of each solution Fe 2+ =2.0~2.5, HCO 3 - =7.0~8.3). The Fe 2+ solution in the synthetic reaction solution prepared above is put in a syringe, and using a single or multiple syringe injection pump, the HCO 3 - solution stirred in a beaker at a constant rate of 0.25 mL/min is injected for 4 hours and then the agitation is maintained. Aged for 1 day. At this time, the temperature of the mixed solution was maintained at 25±0.1 ℃ through a circulating water bath and a heated magnetic stirrer equipped with a temperature sensor. After the reaction was completed, the precipitate was separated into solid and liquid using a filtration device and a vacuum pump. The filtered precipitate is placed in a petri dish, dried by heating (50 to 60 ° C.) for 1 day on a heated magnetic stirrer, and placed in a vacuum desiccator containing silica gel to prevent deterioration and remove residual moisture to obtain an iron carbonate complex for heavy metal removal. prepared.

실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 실시예 4Example 4 비교예 1Comparative Example 1 비교예 2Comparative Example 2 비교예 3Comparative Example 3 비교예 4Comparative Example 4 구연산 농도citric acid concentration 5 mM5 mM 4 mM4 mM 3 mM3 mM 2.5 mM2.5 mM 2 mM2 mM 1 mM1 mM 0.5 mM0.5 mM 0 mM0 mM

[실험예][Experimental example]

도 3은 본 발명에 따른 중금속 제거용 탄산철 복합체의 비소 제거 실험 및 기기분석 과정을 나타낸 이미지이다.3 is an image showing an arsenic removal experiment and device analysis process of the iron carbonate composite for heavy metal removal according to the present invention.

도 3을 살펴보면, ① 혐기성 챔버 내에서 무산소 탈이온수 용액([DO]=0.00 ppm)을 이용하여 제조된 일정 농도의 비소 용액(40 mL)이 담긴 50mL 원심분리관 용기에 발명된 중금속 제거용 탄산철 복합체(0.04 g) 주입 후 무산소 대기조건(O2<1 ppm)을 유지하기 위해 뚜껑을 닫아 1차 밀봉 후, 파라필름으로 2차 밀봉하여 외부 대기와의 접촉을 철저히 차단하였다.Referring to FIG. 3, ① carbonic acid for heavy metal removal invented in a 50 mL centrifuge tube container containing an arsenic solution (40 mL) of a certain concentration prepared using an anaerobic deionized water solution ([DO] = 0.00 ppm) in an anaerobic chamber After the iron composite (0.04 g) was injected, the lid was closed to maintain an anaerobic atmosphere (O 2 <1 ppm), and then the lid was closed and then sealed with parafilm to thoroughly block contact with the external atmosphere.

② 밀봉된 흡착실험 용기는 챔버 외부 항온 인큐베이터 교반기에서 일정 온도 및 회전속도를 유지하며(25 ℃, 200 rpm) 흡착 반응을 진행하였다.② The sealed adsorption experiment vessel was subjected to adsorption reaction while maintaining a constant temperature and rotational speed (25 ℃, 200 rpm) in a constant temperature incubator stirrer outside the chamber.

③ 정해진 시간의 반응 후, 고속원심분리(5500 rpm, 10 min)를 통해 흡착실험 용기들을 1차 고액 분리 후, 챔버 내로 운반하여 주사기-필터(0.2 ㎛ 기공크기)를 이용해 2차 고액분리를 통해 철저히 고체와 분리된 용액을 약 10mL 추출하였다. 이 용액 샘플은 변질의 영향 없이 기기를 이용한 용액 내 정확한 잔류 비소 농도 측정을 위해 70 % 질산을 이용하여 산처리하였다.③ After the reaction for a set time, the adsorption experiment vessels are first separated through high-speed centrifugation (5500 rpm, 10 min), then transported into the chamber and subjected to secondary solid-liquid separation using a syringe-filter (0.2 μm pore size). About 10 mL of the solution thoroughly separated from the solid was extracted. This solution sample was acid-treated with 70% nitric acid to accurately measure the residual arsenic concentration in the solution using the instrument without the effect of deterioration.

④ 흡착실험 용기에 남아있는 고체 샘플(비소를 흡착한 중금속 제거용 탄산철 복합체)은 다시 진공펌프와 멤브레인 여과장치를 이용하여 거른 후 건조하였다.④ The solid sample remaining in the adsorption vessel (iron carbonate complex for heavy metal removal that adsorbed arsenic) was again filtered using a vacuum pump and a membrane filtration device and dried.

⑤ 추가적으로, 본 발명의 중금속 제거용 탄산철 복합체에 포함된 구연산의 함량 측정을 위한 고성능 액체크로마토그래피(HPLC) 분석, 상기 중금속 제거용 탄산철 복합체에 흡착된 비소 흡착량 계산을 위한 유도결합플라즈마 방출분광분석기(ICP-OES) 분석, 발명된 중금속 제거용 탄산철 복합체의 이화학적 특성 및 비소 제거 메커니즘을 규명하기 위한 고체 흡착 샘플의 특성 분석(X-선 회절(XRD), 주사전자현미경/에너지분산분광기(SEM/EDS), 푸리에변환-적외선분광기(FT-IR), X-선 광전자분광기(XPS))을 실시하였다.⑤ Additionally, high-performance liquid chromatography (HPLC) analysis for measuring the content of citric acid contained in the iron carbonate complex for heavy metal removal of the present invention, inductively coupled plasma emission for calculating the amount of arsenic adsorbed to the iron carbonate complex for heavy metal removal Spectroscopy (ICP-OES) analysis, characterization of solid adsorbed samples (X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy/energy dispersion) to elucidate the physicochemical properties and arsenic removal mechanism of the invented iron carbonate complex for heavy metal removal Spectroscopy (SEM/EDS), Fourier transform-infrared spectroscopy (FT-IR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)) were performed.

실험예 1Experimental Example 1

본 발명에 따른 중금속 제거용 탄산철 복합체의 특성을 확인하기 위해서, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4를 대상으로 고성능 액체크로마토그래피(HPLC), X-선 회절분석(XRD) 및 푸리에-변환 적외선분석(FT-IR)으로 분석하고, 주사전자현미경(SEM)으로 촬영하였으며, 그 결과는 표 2 및 도 4 내지 6에 나타내었다.In order to confirm the characteristics of the iron carbonate composite for heavy metal removal according to the present invention, high performance liquid chromatography (HPLC), X-ray diffraction analysis (XRD) and Fourier- Analyzed by transform infrared analysis (FT-IR), and photographed with a scanning electron microscope (SEM), the results are shown in Table 2 and FIGS. 4 to 6 .

실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 실시예 4Example 4 비교예 1Comparative Example 1 비교예 2Comparative Example 2 비교예 3Comparative Example 3 비교예 4Comparative Example 4 구연산 농도citric acid concentration 5 mM5 mM 4 mM4 mM 3 mM3 mM 2.5 mM2.5 mM 2 mM2 mM 1 mM1 mM 0.5 mM0.5 mM 0 mM0 mM 중금속 제거용 탄산철 복합체 내 구연산 함량Citric acid content in iron carbonate complex for heavy metal removal 17.9wt%17.9 wt% 15.9wt%15.9 wt% 14.4wt%14.4 wt% 11.4wt%11.4 wt% 7.8wt%7.8 wt% 2.8wt%2.8 wt% 2.3wt%2.3 wt% 0wt%0 wt%

표 2를 살펴보면, 중금속 제거용 탄산철 복합체 제조시의 구연산의 농도에 따른 중금속 제거용 탄산철 복합체 내의 구연산의 함량을 알 수 있다. 구체적으로, 실시예 1 내지 4(구연산 농도=2.5 내지 5mM)에서 제조한 중금속 제거용 탄산철 복합체 내의 구연산 함량은 11.4 wt% 내지 17.9 wt%인 것을 확인할 수 있다.도 4는 반응용액의 산소 제거 조건 및 구연산 농도 조건에 따른 본 발명의 중금속 제거용 탄산철 복합체의 XRD 분석결과로서, 도 4를 살펴보면 1차 산소 제거 시 탄산철과 다른 철산화광물이 혼재되어 나타나는데 반해, 2차 산소 제거 시 순수한 탄산철을 얻을 수 있어 용존 산소 농도 제어가 탄산철의 순도 및 물성 결정에 중요한 요소 중 하나임을 알 수 있다. 구연산 농도가 2 mM 내지 3 mM인 실시예 3, 실시예 4 및 비교예 1의 중금속 제거용 탄산철 복합체에서는 탄산철(능철석, siderite)의 결정도가 크게 감소되며, 구연산 농도가 3 mM 이상인 실시예 1 내지 실시예 3의 중금속 제거용 탄산철 복합체는 능철석의 XRD 피크가 사라져 비정질과 유사한 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.Referring to Table 2, it can be seen that the content of citric acid in the iron carbonate composite for heavy metal removal according to the concentration of citric acid during the production of the iron carbonate composite for heavy metal removal. Specifically, it can be seen that the citric acid content in the iron carbonate composite for heavy metal removal prepared in Examples 1 to 4 (citric acid concentration = 2.5 to 5 mM) is 11.4 wt% to 17.9 wt%. As an XRD analysis result of the iron carbonate complex for heavy metal removal of the present invention according to the conditions and citric acid concentration conditions, referring to FIG. 4 , iron carbonate and other iron oxide minerals are mixed in the primary oxygen removal, whereas in the secondary oxygen removal, pure Since iron carbonate can be obtained, it can be seen that the control of dissolved oxygen concentration is one of the important factors in determining the purity and physical properties of iron carbonate. In the iron carbonate complex for heavy metal removal of Examples 3, 4 and Comparative Example 1 having a citric acid concentration of 2 mM to 3 mM, the crystallinity of iron carbonate (mite, siderite) was greatly reduced, and the citric acid concentration was 3 mM or more. It can be seen that the iron carbonate composites for removing heavy metals of Examples 1 to 3 show characteristics similar to amorphous ones by disappearing the XRD peak of rhombite.

도 5는 본 발명에 따른 중금속 제거용 탄산철 복합체의 주사전자현미경 이미지에 관한 것으로, 도 5를 살펴보면 구연산이 없는 조건에서는 수십 nm 크기 능면체 형상의 단일결정이 집합 및 성장하여 직경이 3 내지 5 ㎛의 구형 능철석이 형성되며, 용액 내 구연산 농도가 증가할수록 점차 벌집형(honeycomb-like) 3차원 다공성 표면구조를 가지는 직경 3 내지 5 ㎛ 크기의 구형 입자들이 재 집합되어 입자크기가 30 내지 50 ㎛인 형태로 변화하는 것을 확인할 수 있다. 5 is a scanning electron microscope image of the iron carbonate complex for heavy metal removal according to the present invention. Referring to FIG. 5, in the absence of citric acid, single crystals having a size of several tens of nm are aggregated and grown to have a diameter of 3 to 5. A spherical rhombite of ㎛ is formed, and as the concentration of citric acid in the solution increases, spherical particles with a diameter of 3 to 5 ㎛ having a honeycomb-like three-dimensional porous surface structure are gradually reassembled, resulting in a particle size of 30 to 50 It can be confirmed that the change in the form of μm.

또한, BET 비표면적 분석 결과, 구연산 농도가 5 mM 조건에서 제조한 3개 샘플의 평균값은 2.87±1.25 m2/g, 총기공부피 0.017±0.007 cm3/g, 평균기공직경 12.67±1.52 nm로 측정되었다.In addition, as a result of BET specific surface area analysis, the average value of the three samples prepared under the condition of 5 mM citric acid concentration was 2.87±1.25 m 2 /g, total pore volume 0.017±0.007 cm 3 /g, and average pore diameter 12.67±1.52 nm. was measured.

도 6은 본 발명에 따른 중금속 제거용 탄산철 복합체의 푸리에-변환 적외선 분석결과에 관한 것으로, 도 6을 살펴보면 구연산 농도가 증가할수록 구연산의 주 구성물질이자 기능기인 카르복실기(-COOH)의 존재를 의미하는 -COO- 피크가 점차 증가하며 특히, 2.5 mM 이상의 구연산 농도에서 복합체의 표면 기능기의 특성이 CO3에서 -COO-로 뚜렷하게 변화되는 것을 확인할 수 있다. 구연산철 착물(Fe-citrate)과의 비교를 통해 구연산 농도 4~5 mM 범위에서 제조한 실시예 1 및 2의 중금속 제거용 탄산철 복합체는 구연산철(II) 착물(Fe(II)-citrate)과 매우 유사한 표면 기능기를 가지고 있음이 확인되며, 이에 본 발명 중금속 제거용 탄산철 복합체는 Fe(II)-citrate가 탄산철 표면 구조 내 병합되어 이루어진 복합 물질임을 알 수 있다.6 is a Fourier-transform infrared analysis result of the iron carbonate complex for heavy metal removal according to the present invention. Referring to FIG. 6, as the concentration of citric acid increases, the carboxyl group (-COOH), which is the main constituent and functional group of citric acid, means the presence to -COO - peak is gradually increased, and the surface properties of the functional group of the complex, particularly, more than 2.5 mM of citric acid at a concentration -COO CO 3 - can confirm that the change significantly with. The iron carbonate complex for heavy metal removal of Examples 1 and 2 prepared at a citric acid concentration of 4 to 5 mM by comparison with the iron citrate complex (Fe-citrate) was an iron citrate (II) complex (Fe(II)-citrate) It is confirmed that it has a surface functional group very similar to that of the present invention. Accordingly, it can be seen that the iron carbonate composite for heavy metal removal of the present invention is a composite material in which Fe(II)-citrate is incorporated in the iron carbonate surface structure.

이를 통해, 본 발명에 따른 중금속 제거용 탄산철 복합체는 제조시의 구연산 농도를 조절함으로써 물질의 특성 조절이 가능하며 특히, 구연산 농도가 증가할수록 순수한 탄산철에 해당하는 능철석의 결정도가 감소하고, 표면 반응기 특성이 Fe(II)-citrate 형태로 변화하며, 결정 형상 또한 촉매 반응에 유리한 3차원 형태로 변화되는 것을 알 수 있다. 이러한 비정질 형태의 3차원 다공성 표면 구조 및 고반응성 기능기의 증가를 통해 본 발명 중금속 제거용 탄산철 복합체의 표면반응성이 크게 향상될 수 있으며, 비소와 같은 수용액 내 이온성 오염물질의 흡착 제거에 매우 유리한 것을 알 수 있다.Through this, in the iron carbonate composite for heavy metal removal according to the present invention, the properties of the material can be controlled by controlling the citric acid concentration during manufacture. It can be seen that the surface reactive properties are changed in the form of Fe(II)-citrate, and the crystal shape is also changed to a three-dimensional form favorable for catalytic reaction. The surface reactivity of the iron carbonate composite for heavy metal removal of the present invention can be greatly improved through the amorphous three-dimensional porous surface structure and the increase of highly reactive functional groups, and it is very effective for adsorption and removal of ionic contaminants in aqueous solution such as arsenic. can be seen to be advantageous.

실험예 2Experimental Example 2

본 발명에 따른 중금속 제거용 탄산철 복합체의 무산소 조건에서의 As(III)에 대한 흡착 성능을 확인하기 위해서, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4를 대상으로 무산소 조건에서 As(III) 흡착실험을 수행하였으며, 그 결과는 도 7에 나타내었다. 또한, As(III) 및 As(V)에 대한 흡착 특성과 흡착 용량을 확인하기 위해서, As(III)의 흡착성능이 가장 높게 나타난 중금속 제거용 탄산철 복합체를 실시예 1과 비교예 4를 대상으로 흡착등온선 실험 및 유도결합플라즈마 분광분석(ICP-OES)을 수행하였으며, 그 결과는 표 3 및 도 8에 나타내었다.In order to confirm the adsorption performance of the iron carbonate composite for heavy metal removal according to the present invention to As(III) under anoxic conditions, Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 were subjected to As(III) adsorption under anoxic conditions. An experiment was performed, and the results are shown in FIG. 7 . In addition, in order to confirm the adsorption characteristics and adsorption capacity for As(III) and As(V), Example 1 and Comparative Example 4 were subjected to the iron carbonate composite for heavy metal removal, which showed the highest adsorption performance of As(III). Adsorption isotherm experiments and inductively coupled plasma spectroscopy (ICP-OES) were performed with this method, and the results are shown in Table 3 and FIG. 8 .

흡착모델adsorption model 파라미터parameter 중금속 제거용 탄산철 복합체 종류Types of iron carbonate composites for heavy metal removal 순수 탄산철(Ⅱ)
pure-FeCO3
Pure iron carbonate (II)
pure-FeCO 3
구연산/탄산철(Ⅱ)
citric-FeCO3
Citric Acid/Iron Carbonate (Ⅱ)
citric-FeCO 3
As(Ⅲ)As(III) As(Ⅴ)As (V) As(Ⅲ)As(III) As(Ⅴ)As (V) LangmuirLangmuir qm q m 9.56699.5669 77.046277.0462 187.9267187.9267 256.7356256.7356 kL k L 0.78650.7865 0.01730.0173 0.04090.0409 0.16640.1664 R2 R 2 0.96210.9621 0.90800.9080 0.99400.9940 0.98080.9808 RMSERMSE 0.60020.6002 7.05677.0567 4.79004.7900 12.674812.6748 FreundlichFreundlich qm q m 4.65334.6533 6.93556.9355 18.992618.9926 52.971652.9716 kL k L 0.15320.1532 0.40610.4061 0.43540.4354 0.36080.3608 R2 R 2 0.86190.8619 0.97970.9797 0.94830.9483 0.97420.9742 RMSERMSE 1.14541.1454 3.31173.3117 14.112214.1122 14.695114.6951

- 흡착율 R(%) 및 흡착용량 qe(mg/g) 계산식:- Calculation formula for adsorption rate R(%) and adsorption capacity q e (mg/g):

Figure pat00001
Figure pat00001

- 흡착등온선 실험을 통한 흡착용량 계산식:- Calculation formula for adsorption capacity through adsorption isotherm experiment:

Figure pat00002
Figure pat00002

도 7은 서로 다른 구연산 농도 조건에서 제조한 중금속 제거용 탄산철 복합체(구연산/탄산철)를 이용한 3가 비소(As(III)) 흡착 실험에 따른 ICP-OES 분석결과이다. 도 7을 살펴보면, 구연산 농도가 증가할수록 As(III) 흡착이 증가되는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 구연산 농도가 2.5~5 mM 조건에서 비소 흡착율이 74 % 이상으로 나타나는 것을 알 수 있다. 특히, 구연산 농도 0~1 mM 범위에서는 증가폭이 작았으나, 2~3mM 범위에서 크게 증가하며, 4~5 mM 조건에서 가장 높은 흡착율(85 % 이상)이 유지되는 것을 알 수 있다.따라서, 본 발명에 따른 중금속 제거용 탄산철 복합체는 구연산 농도 4~5 mM 조건에서 합성되어 구연산 함량이 15.9 내지 17.9 wt.%를 갖는 중금속 제거용 탄산철 복합체(구연산/탄산철)가 가장 효과적인 As(III) 중금속 제거용 탄산철 복합체인 것을 확인할 수 있다.7 is an ICP-OES analysis result according to a trivalent arsenic (As(III)) adsorption experiment using an iron carbonate complex for heavy metal removal (citrate/iron carbonate) prepared under different citric acid concentration conditions. Referring to FIG. 7 , it can be seen that As(III) adsorption increases as the citric acid concentration increases. Specifically, it can be seen that the arsenic adsorption rate is 74% or more when the citric acid concentration is 2.5 to 5 mM. In particular, it can be seen that the increase in citric acid concentration was small in the range of 0 to 1 mM, but greatly increased in the range of 2 to 3 mM, and the highest adsorption rate (85% or more) was maintained in the condition of 4 to 5 mM. Therefore, the present invention The iron carbonate complex for heavy metal removal according to It can be confirmed that the iron carbonate complex for removal.

표 3 및 도 8는 비교예 4의 중금속 제거용 탄산철 복합체(순수한 탄산철, pure-FeCO3)와 실시예 1의 중금속 제거용 탄산철 복합체(구연산/탄산철, citric-FeCO3)을 이용하여 실험조건: [As]i=1~350 mg/L, pHi=7.0, T=25 ℃, 200rpm, 48 시간 및 무산소 조건(O2(g) < 1ppm, [DO]=0.00ppm)에서 3가 비소 및 5가 비소에 대한 흡착등온선 실험을 수행하여 얻은 결과이다. 도 8을 살펴보면, 실시예 1 및 비교예 4의 중금속 제거용 탄산철 복합체의 최대흡착용량(qm, mg/g)을 비교할 수 있고, 흡착등온선 실험을 통해 계산된 최대흡착용량은 표 3에 나타내었으며, Langmuir 흡착모델 기준으로 비교예 4의 순수한 탄산철의 경우 As(III)에 대해 qm=9.6 mg/g, As(V)에 대해 qm=77 mg/g, 실시예 1의 중금속 제거용 탄산철 복합체(구연산/탄산철)의 경우 As(III)에 대해 qm=188 mg/g, As(V)에 대해 qm=257 mg/g으로 확인된다. 따라서 As(III)의 경우 약 19.6배, As(V)의 경우 약 3.3배 흡착성능이 향상됨을 알 수 있다.Tables 3 and 8 show the heavy metal removal iron carbonate composite of Comparative Example 4 (pure iron carbonate, pure-FeCO 3 ) and the heavy metal removal iron carbonate composite of Example 1 (citric acid/iron carbonate, citric-FeCO 3 ) Experimental conditions: [As] i = 1-350 mg/L, pH i = 7.0, T = 25 ℃, 200 rpm, 48 hours and anaerobic conditions (O 2 (g) < 1 ppm, [DO] = 0.00 ppm) These are the results obtained by performing adsorption isotherm experiments for trivalent arsenic and pentavalent arsenic. Referring to FIG. 8, the maximum adsorption capacity (qm, mg/g) of the iron carbonate composite for heavy metal removal of Example 1 and Comparative Example 4 can be compared, and the maximum adsorption capacity calculated through the adsorption isotherm experiment is shown in Table 3 In the case of pure iron carbonate of Comparative Example 4 based on the Langmuir adsorption model, q m =9.6 mg/g for As(III), q m = 77 mg/g for As(V), heavy metal removal of Example 1 For the molten iron carbonate complex (citrate/iron carbonate), it is confirmed that q m =188 mg/g for As(III) and q m =257 mg/g for As(V). Therefore, it can be seen that the adsorption performance is improved by about 19.6 times for As(III) and by about 3.3 times for As(V).

실험예 3Experimental Example 3

본 발명에 따른 중금속 제거용 탄산철 복합체의 비소 흡착 전후의 특성 변화를 확인하기 위해서, 실시예 1 및 비교예 4를 대상으로 비소 흡착 전후의 SEM/EDS 분석 및 XPS 분석을 수행하였으며, 그 결과는 도 9 내지 도 10에 나타내었다.In order to confirm the characteristic change of the iron carbonate composite for heavy metal removal according to the present invention before and after arsenic adsorption, SEM/EDS analysis and XPS analysis were performed on Example 1 and Comparative Example 4 before and after arsenic adsorption, and the results were 9 to 10 are shown.

도 9는 비교예 4의 중금속 제거용 탄산철 복합체(pure-FeCO3)와 실시예 1의 중금속 제거용 탄산철 복합체(citric-FeCO3)의 비소 흡착 전후의 주사전자현미경 이미지와 원소 성분분석 결과이다. 도 9를 살펴보면, 중금속 제거용 탄산철 복합체의 구연산 함유 여부에 따라 중금속 제거용 탄산철 복합체 표면에서 검출되는 비소의 함량이 다르며, 상기 흡착등온선 실험에서 나타난 경향과 유사한 것을 알 수 있다. 구체적으로, 순수한 탄산철인 비교예 4의 중금속 제거용 탄산철 복합체에 비해 실시예 1의 구연산 5mM에서 제조된 중금속 제거용 탄산철 복합체는 표면에 흡착되어 검출되는 비소의 농도가 11.16 wt%으로 매우 높은 수준인 것을 알 수 있고, 이를 통해, 중금속 제거용 탄산철 복합체는 일정량 이상의 구연산을 구조 내에 포함함으로써 더 많은 양의 비소를 흡착·제거할 수 있음을 알 수 있다.9 is a scanning electron microscope image and elemental component analysis results before and after arsenic adsorption of the iron carbonate composite for heavy metal removal of Comparative Example 4 (pure-FeCO 3 ) and the heavy metal removal composite iron carbonate composite (citric-FeCO 3 ) of Example 1; am. Referring to FIG. 9 , it can be seen that the content of arsenic detected on the surface of the iron carbonate composite for heavy metal removal is different depending on whether or not the iron carbonate composite for heavy metal removal contains citric acid, which is similar to the trend shown in the adsorption isotherm experiment. Specifically, compared to the iron carbonate composite for heavy metal removal of Comparative Example 4, which is pure iron carbonate, the iron carbonate composite for heavy metal removal prepared in 5 mM citric acid of Example 1 had a very high concentration of arsenic detected by adsorption to the surface of 11.16 wt%. level, and through this, it can be seen that the iron carbonate complex for heavy metal removal can adsorb/remove a larger amount of arsenic by including a certain amount of citric acid or more in the structure.

도 10은 비소 흡착 과정에서 비소와 중금속 제거용 탄산철 복합체의 산화수 변화를 확인하고 본 발명에 따른 중금속 제거용 탄산철 복합체의 산화환원 반응 촉매제 가능성을 평가하기 위한 XPS 분석을 수행한 결과 그래프이다. 구체적으로 비교예 4의 중금속 제거용 탄산철 복합체(순수한 탄산철, pure-FeCO3)와 실시예 1의 중금속 제거용 탄산철 복합체(구연산/탄산철, citric-FeCO3)의 비소 흡착 전후의 고해상도 XPS 분석결과로서 스펙트럼 범위는 (A) As3d, (B) Fe2p 결합에너지 범위이다.10 is a graph of the results of XPS analysis for confirming the change in the oxidation number of the iron carbonate complex for removing arsenic and heavy metals during the arsenic adsorption process and evaluating the possibility of a redox reaction catalyst of the iron carbonate complex for removing heavy metals according to the present invention. Specifically, high resolution before and after arsenic adsorption of the iron carbonate composite for heavy metal removal of Comparative Example 4 (pure iron carbonate, pure-FeCO 3 ) and the iron carbonate composite for heavy metal removal of Example 1 (citric acid/iron carbonate, citric-FeCO 3 ) As a result of XPS analysis, the spectral range is (A) As3d, (B) Fe2p binding energy range.

도 10을 살펴보면, 비교예 4의 순수한 탄산철에 비해 실시예 1의 (구연산/탄산철) 중금속 제거용 탄산철 복합체에 흡착된 As(III) 및 As(V)의 As3d 결합에너지가 모두 크게 감소하면서 As가 환원되는 것을 알 수 있다. 또한, Fe2p 결합에너지 분석 결과, As 흡착 후 Fe2p의 결합에너지가 증가하여 탄산철의 구성 성분인 Fe(II)가 산화되는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 10 , the As3d binding energy of As(III) and As(V) adsorbed to the (citrate/iron carbonate) iron carbonate complex for heavy metal removal of Example 1 was greatly reduced compared to the pure iron carbonate of Comparative Example 4 As can be seen, As is reduced. In addition, as a result of the Fe2p binding energy analysis, it can be seen that Fe(II), a component of iron carbonate, is oxidized as the binding energy of Fe2p increases after As adsorption.

이러한 As의 환원 및 Fe의 산화 결과는 구연산/탄산철 복합체를 이용한 As의 제거 메커니즘으로 산화환원 반응이 포함되고 있음을 지시하며, 순수한 탄산철에 비해 그 효과가 매우 뛰어나 본 발명에 따른 중금속 제거용 탄산철 복합체가 산화환원 반응 촉매제로서도 활용 가능한 것을 알 수 있다.The results of the reduction of As and the oxidation of Fe indicate that the redox reaction is included as the removal mechanism of As using the citrate/iron carbonate complex, and the effect is very superior to that of pure iron carbonate for heavy metal removal according to the present invention. It can be seen that the iron carbonate complex can also be utilized as a redox catalyst.

실험예 4Experimental Example 4

본 발명에 따른 중금속 제거용 탄산철 복합체의 다양한 중금속들에 대한 흡착 성능을 확인하기 위해서, 실시예 1을 대상으로 추가적인 중금속 흡착 실험을 수행하였으며, 그 결과는 도 11에 나타내었다.In order to confirm the adsorption performance of the iron carbonate composite for heavy metal removal according to the present invention for various heavy metals, an additional heavy metal adsorption experiment was performed on Example 1, and the results are shown in FIG. 11 .

도 11은 본 발명에 따른 중금속 제거용 탄산철 복합체의 중금속 흡착 성능 실험 결과로, 실시예 1에서 제조한 중금속 제거용 탄산철 복합체(구연산/탄산철)는 비소(As(III, V))뿐만 아니라 다양한 산화수를 가진 원소들인 크롬(Cr(III, VI)), 셀레늄(Se(IV, VI)), 안티모니(Sb(III, V))에 대한 제거 성능 또한 우수한 것을 확인할 수 있다.11 is a heavy metal adsorption performance test result of the iron carbonate composite for heavy metal removal according to the present invention. The iron carbonate composite for heavy metal removal (citrate/iron carbonate) prepared in Example 1 is not only arsenic (As(III, V)); It can also be seen that the removal performance for elements having various oxidation numbers, such as chromium (Cr(III, VI)), selenium (Se(IV, VI)), and antimony (Sb(III, V)), is also excellent.

이를 통해, 본 발명에 따른 중금속 제거용 탄산철 복합체는 비소 외에도 다른 중금속들 특히, 산화환원반응에 의해 제거 기작이 촉진될 수 있는 산소음이온들의 흡착·제거에 적용 가능함을 알 수 있다.Through this, it can be seen that the iron carbonate composite for heavy metal removal according to the present invention can be applied to adsorption and removal of other heavy metals in addition to arsenic, in particular, oxygen anions whose removal mechanism can be promoted by redox reaction.

Claims (17)

중금속 제거용 탄산철 복합체로서,
상기 중금속 제거용 탄산철 복합체는 유기산 및 탄산철이 결합된 착물 형태로 존재하는 복합체이고,
상기 복합체는 복수개의 1차입자가 응집되어 형성된 2차입자로 이루어지고,
상기 1차입자의 평균 직경은 10 ㎛ 이하이고,
상기 복합체의 BET 비표면적은 1 내지 10 m2/g인 중금속 제거용 탄산철 복합체.
As an iron carbonate composite for heavy metal removal,
The iron carbonate complex for heavy metal removal is a complex in which an organic acid and iron carbonate are combined in the form of a complex,
The complex consists of secondary particles formed by aggregation of a plurality of primary particles,
The average diameter of the primary particles is 10 μm or less,
The BET specific surface area of the composite is 1 to 10 m 2 /g of heavy metal removal iron carbonate composite.
제1항에 있어서,
상기 복합체의 평균 직경은 20 ㎛ 내지 100 ㎛인 중금속 제거용 탄산철 복합체.
According to claim 1,
The average diameter of the composite is 20 μm to 100 μm of the iron carbonate composite for heavy metal removal.
제1항에 있어서,
상기 중금속은 양이온 중금속 또는 음이온 중금속을 포함하는 중금속 제거용 탄산철 복합체.
According to claim 1,
The heavy metal is an iron carbonate complex for heavy metal removal comprising a cationic heavy metal or an anionic heavy metal.
제1항에 있어서,
상기 1차입자의 표면은 벌집(honeycomb) 형태와 같은 3차원적 기공구조를 가진 중금속 제거용 탄산철 복합체.
According to claim 1,
The surface of the primary particles is an iron carbonate composite for heavy metal removal having a three-dimensional pore structure such as a honeycomb shape.
제1항에 있어서,
상기 유기산은 카르복실기가 2개 이상으로 포함되는 중금속 제거용 탄산철 복합체.
According to claim 1,
The organic acid is an iron carbonate complex for heavy metal removal including two or more carboxyl groups.
제5항에 있어서,
상기 유기산은 구연산, 옥살산, 주석산, 푸마르산, 말산, 말론 및 말레산 중 어느 하나 이상을 포함하는 중금속 제거용 탄산철 복합체.
6. The method of claim 5,
The organic acid is an iron carbonate complex for heavy metal removal comprising at least one of citric acid, oxalic acid, tartaric acid, fumaric acid, malic acid, malon and maleic acid.
제1항에 있어서,
상기 중금속 제거용 탄산철 복합체의 유기산의 함량은 10 wt% 내지 20 wt%인 중금속 제거용 탄산철 복합체.
According to claim 1,
The iron carbonate composite for heavy metal removal has an organic acid content of 10 wt% to 20 wt% of the iron carbonate composite for heavy metal removal.
제1항에 있어서,
상기 중금속 제거용 탄산철 복합체의 중금속 흡착율은 무산소 조건 하에서 60 wt% 이상인 중금속 제거용 탄산철 복합체.
According to claim 1,
The heavy metal adsorption rate of the iron carbonate composite for heavy metal removal is 60 wt% or more under anoxic conditions.
제8항에 있어서,
상기 무산소 조건은 O2 < 1ppm, [DO] = 0.00~0.05 ppm, H2 = 2~3%, CO2 = 500~600ppm인 중금속 제거용 탄산철 복합체.
9. The method of claim 8,
The anaerobic condition is O 2 < 1 ppm, [DO] = 0.00 ~ 0.05 ppm, H 2 = 2-3%, CO 2 = iron carbonate composite for heavy metal removal of 500 ~ 600 ppm.
제1항에 있어서,
상기 복합체는 중금속 제거 기작으로서 중금속과의 산화환원 반응이 포함되는 중금속 제거용 탄산철 복합체.
According to claim 1,
The complex is an iron carbonate complex for heavy metal removal including redox reaction with heavy metals as a heavy metal removal mechanism.
가열; 및 수소가스를 포함하는 혼합가스 주입 방법 중 어느 하나 이상의 방법을 이용하여 탈이온수에서 산소를 제거하는 단계;
산소가 제거된 탈이온수에 철 이온 및 유기산을 혼합하여 제1 반응용액을 제조하고, 산소가 제거된 탈이온수에 탄산수소 이온 및 유기산을 혼합하여 제2 반응용액을 제조하는 제1 및 제2 반응용액 제조단계; 및
상기 제1 및 제2 반응용액을 혼합하고 여과 및 건조하여 유기산 및 탄산철이 결합된 고체 착물형태로 존재하는 복합체를 제조하는 단계를 포함하고,
상기 제1 및 제2 반응용액은 독립적으로 2 mM 내지 8 mM 농도의 유기산을 혼합하는 것인 중금속 제거용 탄산철 복합체의 제조방법.
heating; and removing oxygen from deionized water by using any one or more of a mixed gas injection method including hydrogen gas;
First and second reactions of preparing a first reaction solution by mixing iron ions and an organic acid with deionized water from which oxygen has been removed, and mixing hydrogen carbonate ions and an organic acid with deionized water from which oxygen has been removed to prepare a second reaction solution solution preparation step; and
Mixing the first and second reaction solutions, filtering and drying to prepare a complex in which an organic acid and iron carbonate are combined in the form of a solid complex,
The first and second reaction solutions are independently mixed with an organic acid having a concentration of 2 mM to 8 mM.
제11항에 있어서,
탈이온수에서 산소를 제거하는 단계는 탈이온수를 10 분 내지 30 분 동안 100 ℃ 내지 150 ℃의 온도로 가열하여 1차적으로 산소를 제거하는 단계; 및
1차적으로 산소가 제거된 탈이온수에 수소 및 질소를 포함하는 혼합가스를 주입 및 퍼징하여 2차적으로 산소를 제거하는 단계;로 이루어진 중금속 제거용 탄산철 복합체의 제조방법.
12. The method of claim 11,
The step of removing oxygen from deionized water may include heating the deionized water to a temperature of 100° C. to 150° C. for 10 minutes to 30 minutes to primarily remove oxygen; and
A method of manufacturing an iron carbonate complex for heavy metal removal, comprising: injecting and purging a mixed gas containing hydrogen and nitrogen into deionized water from which oxygen has been primarily removed to secondaryly remove oxygen.
제11항에 있어서,
상기 제1 및 제2 반응용액 제조단계에서, 상기 제1 반응용액은 0.01 M 내지 1.5 M의 철 이온을 포함하는 것인 중금속 제거용 탄산철 복합체의 제조방법.
12. The method of claim 11,
In the preparation of the first and second reaction solutions, the first reaction solution contains 0.01 M to 1.5 M of iron ions.
제11항에 있어서,
상기 제1 및 제2 반응용액 제조단계에서, 상기 제2 반응용액은 0.01 M 내지 1.5 M의 탄산수소 이온을 포함하는 것인 중금속 제거용 탄산철 복합체의 제조방법.
12. The method of claim 11,
In the first and second reaction solution preparation steps, the second reaction solution contains 0.01 M to 1.5 M hydrogen carbonate ions.
제11항에 있어서,
상기 복합체을 제조하는 반응용액 혼합 단계는 제1 반응용액을 제2 반응용액에 교반과 함께 1 시간 내지 6 시간 주입하고, 20시간 내지 30시간 교반과 함께 에이징을 포함하는 것인 중금속 제거용 탄산철 복합체의 제조방법.
상기 유기산은 구연산, 옥살산, 주석산, 푸마르산, 말산, 말론 및 말레산 중 어느 하나 이상을 포함하는 중금속 제거용 탄산철 복합체의 제조방법.
12. The method of claim 11,
The reaction solution mixing step of preparing the complex includes injecting the first reaction solution into the second reaction solution with stirring for 1 to 6 hours, and aging with stirring for 20 to 30 hours. Iron carbonate complex for heavy metal removal manufacturing method.
The organic acid is citric acid, oxalic acid, tartaric acid, fumaric acid, malic acid, a method of manufacturing an iron carbonate complex for heavy metal removal comprising any one or more of malon and maleic acid.
제11항에 있어서,
상기 복합체를 제조하는 단계에서 제조된 복합체는 복수개의 1차입자가 응집되어 형성된 2차입자로 이루어지고,
상기 1차입자의 평균 직경은 10 ㎛ 이하이고,
상기 1차입자의 표면은 3차원적 허니콤(honeycomb) 형태인 중금속 제거용 탄산철 복합체의 제조방법.
12. The method of claim 11,
The composite prepared in the step of preparing the composite consists of secondary particles formed by aggregation of a plurality of primary particles,
The average diameter of the primary particles is 10 μm or less,
The surface of the primary particles is a three-dimensional honeycomb (honeycomb) form of a method of manufacturing an iron carbonate composite for heavy metal removal.
제11 항에 있어서,
상기 복합체를 제조하는 단계 이후에 침전물을 분리 및 세척·건조하는 단계를 더 포함하는 중금속 제거용 탄산철 복합체의 제조방법.
12. The method of claim 11,
The method of manufacturing an iron carbonate composite for heavy metal removal further comprising the step of separating, washing and drying the precipitate after the step of preparing the composite.
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