시멘트가 인류사에 등장한 것은 반만년 이전으로 거슬러 올라간다. 사람이 시멘트를 사용하여 만든 구조물 중에서 가장 오래된 것으로 오늘날까지 남아 있는 것은 로마의 콜로세움이 있다. 이때 사용된 시멘트는 석회석에 모르타를 혼합한 것으로 현존하는 시멘트 구조물로써 역사적 유물로 기록되어지고 있다.
이처럼 시멘트는 건축, 건설, 토목 분야에서 다양하게 사용되어지고 있으며, 현대사회에서 사람이 생활하는데 잠시도 없어서는 안되는 물질이다.
이러한 시멘트를 현대에 들어서 환경 분야에 대한 적용을 시작하였으며, 시멘트를 이용한 고형화/안정화, 슬래그 및 플라이 애쉬 등을 혼합하여 환경 분야에 많은 연구 가 진행되었으며, 현재에도 진행되어지고 있다.
시멘트의 4대 주용 구성 물질로는 C3S, C2S, C4AF, C3A 등과 같은 물질이 있다. 이때 이러한 물질에 물과 gypsum(calcium sulfate)을 통한 수화반응 통하여 C-S-H, Calcium hydroxide, ettringite, monosulfate 등과 같은 수화물을 얻을 수 있다.
이들 수화물 중 monosulfate는 LDHs(Layered Double Hydroxides) 형태의 물질로써 자연적으로 존재하나 그 양이 적고 인공적인 합성이 가능한 물질이다. LDHs는 이중층을 가지고 있는 음이온 점토성 물질로써 본 연구에서 이용한 monosulfate는 LDHs 물질에 속하고 있다(Hibino et al., 2009). LDHs 물질은 main layer의 2가 금속이온 중 일부가 3가 금속으로 치환되며 발생한 전하 불균형에 의해 음이온이 inter layer로 층간 삽입됨으로써 형성된다(Rhee et al., 1995).
LDHs는 Fig. 1의 형태를 지닌 물질로 화학식은 일반적으로 [M2+1-xM3+x(OH)2]x+(Ax/n)n-?mH2O]로 표현되며, M2+로서 Mg2+, Ca2+, Zn2+, Ni2+ 등과 Al3+, Fe3+, Mn3+ 등의 M3+, 그리고 An-로서 Cl-, CO32-, NO3-, SO42-, HAsO42- 등이 보고되었다(Cavani et al., 1991; Chitrakar et al., 2011). LDHs는 이러한 층상구조에 의해 여러 가지 독특한 특성을 나타내며, 특히 inter layer의 음이온이 외부의 음이온과 치환되는 이온교환능이 탁월하여 최근 이를 이용한 음이온성 오염물질 제거 연구가 활발히 이루어지고 있다(Rhee et al., 1995; Woo et al., 2010; Hibino et al., 2009). Mg?Al-LDH (Dadwhal et al., 2009; Yang et al., 2006), Mg?Fe-LDH (Carja et al., 2008; Turk et al., 2009) 등은 그 대표적인 LDHs 물질로서, 이를 이용한 NO3-, Cl-, CrO42- 제거 연구 등이 수행되었으며, 특히 비소를 제거하기 위한 목적으로 LDHs를 이용한 연구가 다수 보고되고 있다(Dadwhal et al., 2009; Yang et al., 2006; Carja et al., 2008). 수중 비소 처리시 그 제거특성은 LDHs를 구성하는 화학종에 따라 상이한 차이를 나타내는 것으로 알려져 있다. Yang et al.(2005)의 MgAl-LDH를 이용한 비소제거 연구에 따르면, 20 ㎍/L의 비소 처리시 약 90%의 제거효율이 관찰되었고, Bujdoso et al.,(2009)는 MgFe-LDH를 이용하여 100 ㎍/L의 비소 처리시 약 90%의 제거효율을 지닌 것으로 나타났다. 위의 연구결과를 통해 흡착제거가 어려운 저농도 수중비소 처리에 효과적인 것으로 나타났다. 그 밖에 Wang et al., (2009)는 MgAl-NO3로 구성된 LDH를 비소제거에 적용하였는데, 이 경우 inter layer 내부의 좁은 d-space 공간으로 인해 낮은 흡착율을 보였다.
본 연구에서는 시멘트 수화물 중 LDHs계 물질인 monosulfate (Ca4Al2O6(SO4)?12H2O)를 선별하여 이를 이용한 비소처리에 적용하고자 한다. Monosulfate는 시멘트 화학에서 대표적인 AFm (alumino-ferrite-mono) phase 물질로서, Ca(OH)2와 Al(OH)3 등의 금속수산화물로 구성된 main layer와 SO42- 및 결합수로 구성된 inter layer로 이루어져 있다(Matschei et al., 2007). AFm phase와 AFt (alumino-ferrite-tri) phase는 대표적인 calcium sulfoaluminate hydrates 물질로서, 두 물질 모두 SO42-의 이온교환에 의해 외부 음이온을 치환할 수 있으며(Christensen et al., 2004; Matschei et al., 2007), 특히 AFm phase의 이온교환능은 AFt phase보다 높은 것으로 알려져 있다(Glasser et al., 1999). 그럼에도 불구하고 시멘트 수화물을 이용한 오염물 제거연구는 그 합성의 용이함으로 인하여 대표적 AFt phase 물질인 ettringite (Ca6Al2O6(SO4)3?32H2O)를 위주로 수행되어 왔으며(Myneni et al., 1997), 상대적으로 monosulfate를 이용한 연구는 거의 전무한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 수중 5가 비소 처리를 위하여 LDH계 시멘트 수화물인 monosulfate를 선택하였고, 이를 합성 및 규명하는 한편, 수중 5가 비소 처리 시 제거효율과 기작을 규명함을 목적으로 한다. 이를 위하여 먼저 기 보고된 다양한 문헌들을 토대로 순수한 monosulfate를 합성하고 그 화학적 특성을 다양한 분석기기를 이용하여 검증하였으며, 비소처리 동력학 실험을 통해 비소제거 특성을 파악하고 다양한 분석을 통해 제거기작을 규명하였다.