본 연구에서는 수계 및 토양에 존재하는 중금속을 처리효율과 비용측면에서 효과적으로 처리할 수 있는 방법을 도출하기 위해 흡착기술과 바이오차의 활용방안을 검토하고 이의 현장 적용성을 증대시키기 위해 필요한 활성탄 기반 흡착소재의 합성소재로의 전환이나 표면개질을 통한 흡착용량의 증가효과와 주위로부터 쉽게 구할 수 있는 바이오매스로부터 제조된 바이오차의 중금속 제거특성을 규명하고자 하였다.
중금속 흡착용량이 큰 소재를 합성하기 위해 활성탄에 망간산화물이 담지시킨 합성소재(Mn3O4/AC)를 화학적침전법(CP), 수열법(HT), 초임계법(SC)의 3가지 방법으로 제조하였으며 중금속 흡착특성을 비교한 결과, SC, HT, CP의 순으로 활성탄 표면에 코팅된 망간산화물의 양과 균일성이 증가하고 중금속 흡착용량이 증가하는 것으로 나타났다. Pb(II)와 Cu(II)의 최대흡착용량은 AC의 경우에 19.6 mg/g과 6.43 mg/g이었으며 제조방법별 Mn3O4/AC의 경우에 CP는 27.85mg/g과 9.09 mg/g, HT는 41.84 mg/g과 14.57 mg/g, SC는 74.07 mg/g과 15.4 mg/g으로 나타났다. 이러한 결과는 AC에 망간산화물을 코팅함으로써 Pb(II)와 Cu(II)의 흡착성능이 향상되며 Mn3O4/AC 제조시에 고온 및 고압 조건을 이용하여 흡착성능이 좋은 흡착제를 제조할 수 있음을 보여준다. 저비용 재료로서 흡착용량이 큰 활성탄을 제조하기 위해 대나무 활성탄의 산 개질에 의한 중금속 흡착특성을 규명하고자 하였으며 산 개질은 활성탄에 표면작용기를 첨가함으로써 중금속 흡착용량을 증가시키는 것으로 나타났다. 질산으로 개질한 대나무 활성탄(HNO3/BAC)에 의한 Pb(II)와 Cu(II) 최대 흡착용량은 42.91 mg/g과 18.72 mg/g으로 나타나 BAC의 흡착량을 36.0%와 27.3% 증가시켰다.
초임계법에 의해 제조된 Mn3O4/AC의 Pb(II)과 Cu(II)의 흡착특성을 규명하고자 동력학적 특성과 등온흡착 특성을 평가하였다. Mn3O4/AC에 의한 Pb(II)와 Cu(II)의 흡착은 pseudo-second-order 속도 모델 및 Langmuir isotherm model에 의해 적절하게 설명될 수 있는 것으로 나타나 흡착소재로 단분자층 흡착이 일어나며 입자내 확산에 의해 흡착속도가 제한되는 화학적 흡착임을 알 수 있었다. 망간산화물은 입자내 확산저항을 감소시킴으로써 빠른 흡착속도와 흡착용량을 유도하는 것으로 나타났다. Mn3O4/AC의 Pb(II)와 Cu(II)의 최대 흡착용량은 각각 59.52 mg/g과 37.04 mg/g으로 활성탄의 27.17 mg/g과 6.09 mg/g과 비교할 때, Pb(II)는 대략 2.2배, Cu(II)는 6.1배 증가하는 것으로 나타났다. AC와 Mn3O4/AC의 칼럼 파과특성을 비교한 결과, 활성탄에 망간을 코팅시킴으로써 실험조건에서 파과시간(tb)이 1.5 hr에서 7.0 hr으로 증가하였으며 물질전달영역(△t)과 평형흡착량(qe)은 대략 2.8배 이상 증가하는 것으로 나타나 Mn3O4/AC가 수중의 Pb(II)를 제거하기 위해 유용하게 활용될 수 있는 것으로 나타났다. 흡착층 높이(hB)의 증가는 수용액이 흡착영역에 체류하는 시간을 증가시켜 tb, △t와 qe를 증가시키는 것으로 나타났다. 6∼12 cm의 범위에서 hB가 증가함에 따라 tb는 0.49∼2.40 hr, △t는 14.51∼35.60 hr, qe는 16.31∼24.36 mg/g의 범위에서 증가하는 경향이 나타났다.
적절한 바이오매스를 선택하여 최적의 탄화조건에서 제조되는 바이오차는 중금속으로 오염된 환경을 복원시키는데 경쟁력이 있는 대안이 될 수 있는 것으로 나타났다. 바이오차의 원료로 가을철에 주위에서 쉽게 구할 수 있는 바이오매스인 땅콩(Arachis hypogaea Linn) 껍질(PS), 은행(Spiraea blumei) 잎(GL)과 메타세콰이아(Metasequoia glyptostroboides) 잎(ML)을 선정하였다. 중금속 성분의 흡착특성과 바이오매스의 무게감량 측면에서 바이오차 제조의 최적 탄화조건은 800oC의 온도와 90분의 탄화시간인 것으로 나타났다. GL로부터 제조된 GB는 탄화과정에서 중금속 흡착을 위해 필요한 기공구조와 표면 작용기를 보유하며 널리 활용되는 AC를 훨씬 능가하는 흡착용량을 가지는 것으로 나타났다. GB의 최대흡착량은 Pb(II)와 Cu(II)에 대해 AC에 비교할 때, 각각 약 4.3배와 3.4배 높은 값을 가지는 것으로 나타나 중금속으로 오염된 토양 및 지하수 정화에 매우 효과적이고 경제적으로 사용 될 수 있음을 보여준다. 중금속 오염토양에 바이오매스(GL)과 바이오차(GB)를 혼합하면 다양한 중금속 성분의 이동성과 생물학적 유효도를 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다. 그러나 GL을 혼합할 경우에는 혼합비의 증가에 따라 Pb와 Cu의 이동도와 유효도가 증가하는 것으로 나타났다. GL에 비해 GB가 중금속의 고정화에 훨씬 효과적인 것으로 나타났다. 바이오차에 의한 중금속의 고정화는 다공성 구조를 가지는 바이오차에 의해 흡착지점이 제공되고 pH를 증가시켜 토양 표면의 음전하를 증가시킬 뿐 아니라 침전반응을 촉진하며 토양에 P를 제공함으로써 다양한 형태의 염을 생성시켜 중금속의 유효도를 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다.