수성 환경에서 구리를 제거하기 위한 전기응집/부양 공정

Jul 03, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13334(2023) 이 기사 인용

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식수와 같은 수성 환경에 구리가 존재하면 맛과 냄새와 같은 여러 환경 영향이 발생합니다. 지하수와 지표수의 Cu 수준 증가는 주로 인위적 및 자연적 원인에 기인합니다. 결과적으로, 이 응용 분석 연구는 알루미늄 전극을 사용한 배치 반응기 전기 응고/부양(ECF)을 통해 도시 식수에서 구리 제거를 조사하는 것을 목표로 했습니다. 구리 제거 효율은 전류 밀도(0.8~2.4mA/cm2), 초기 농도(1~100mg/L), pH(3.5~10.5) 및 시간(10~30분)의 다양한 작동 조건에서 평가되었습니다. Cu는 표준 절차에 설명된 방법(4571 nm에서 3500-Cu B)을 사용하여 결정되었습니다. 결과는 전류 밀도를 0.8에서 2.4mA/cm2로 증가시키고 반응 시간을 10분에서 30분으로 증가시키면 Cu+2 제거 효율(95에서 100%)이 향상되었음을 나타냅니다. 또한 초기 농도 100mg/L, pH 7.5, 반응 시간 30분, 양극 전류 밀도 2.4mA/cm2에서 Cu+2 환원이 100%인 것으로 나타났다. 구리 제거 효율에 대한 Taguchi 방법 결과는 반응 시간이 가장 중요한 변수임을 보여줍니다. 더욱이, ECF 반응기의 Cu 제거 동역학 모델은 2차(R2 > 0.92)입니다. ECF 반응기에서 Cu 제거는 산화환원 및 흡착으로 인해 발생합니다. 더욱이, Al 전극 쌍을 이용한 Cu 처리의 운영 비용은 제거된 Cu kg당 8,857~9,636Rial 범위로 추정됩니다. 따라서 ECF 공정은 최적의 조건 하에서 수성 환경에서 Cu를 제거하는 데 매우 효율적이라는 결론을 내릴 수 있습니다.

구리(Cu)는 전기 전도성과 열 전도성이 매우 높은 연성 금속입니다. Cu는 호흡 효소 복합 시토크롬 산화효소의 주요 구성성분이기 때문에 모든 살아있는 유기체에 필수적인 미량 미네랄입니다. Cu 원소는 Cu+1 및 Cu+2 형태로 존재합니다1,2. Cu는 간, 근육, 뼈에 존재합니다. Cu 화합물은 현재 정균 물질, 살균제 및 목재 방부제로 활용되고 있습니다. 또한, 황산구리(CuSO4)는 수생 환경에서 살조제로 널리 사용되는데, 처리된 식수의 높은 농도의 Cu는 빈혈, 눈 및 피부 자극, 인간의 뇌 및 심장 기관 손상 등 건강에 해로운 영향을 미칩니다4.

다양한 구리 화합물이 종양 치료에 사용됩니다5. 또한, 비정상적인 Cu 혈청 수준과 알츠하이머병(AD) 사이에는 알려진 연관성이 입증되었습니다6. 미국 환경 보호국(EPA)은 식수의 구리 최대 농도 수준(MCL)이 1.3mg/L7이라고 명시합니다. Cu 및 Cu 효소는 에너지 대사, 산화 해독 및 미토콘드리아 호흡에 영향을 미치며, Cu 및 철과 같은 기타 미량 영양소는 AD9 예방에 필수적입니다. 또한 인위적(전선 및 케이블, 전자 및 관련 장치, 건축, 항균 응용, 목재 제조, 산업, 광업 및 농업 활동, 하수 배출) 및 자연적(가정 배관 시스템 부식, 암석 풍화, 암석 및 토양 침식, 및 대기 퇴적) 소스는 지하수와 지표수의 Cu 수준 증가의 대부분을 차지합니다. 인간 건강과 수생 생태계에 부정적인 영향을 미치기 때문에 Cu는 막 분리, 이온 교환, 화학 침전, 전기 화학, 흡착 및 생명 공학이 응용되는 산업 폐수 처리에서 특히 고려됩니다.

이란에서 실시된 체계적인 검토에 따르면, 수행된 연구 중 7.69%에서 식수의 Cu 농도가 허용 한계를 초과했습니다12. 이란 Karaj시의 식수원에서 58개 시료 중 8개 시료의 Cu 농도가 허용 한도(2.99mg/L)를 초과했습니다13. 플로리다의 6개 빗물 연못에서 수행된 연구에 따르면 퇴적물 내 구리 농도는 물 농도의 몇 배에 달합니다14. 담수에 대한 Cu의 중요한 유입은 유럽 연합의 천연 자원(3.7ktpa), 농업(1.8ktpa) 및 유출수(1.8ktpa)입니다15. 용해된 구리 농도의 범위는 고도로 산업화되고 도시 해안 시스템의 물에서 연안 및 하구 수역에서 6.4-45.4 nM입니다.