본 연구에서는 중금속이 함유된 빗물이나 지하수를 재이용하고자 할 때 여재흡착을 통해 수중의 중금속을 제거하고자 하였으며, 여재로는 황화철 여재와 제올라이트 여재를 사용하였으며 각 여재의 흡착 능의 비교는 흡착특성, 최대 흡착 능, 동역학 특성 분석을 통해 고찰 하였다.
중금속은 비중 4.0이상 금속으로서, 수질, 대기, 토양, 생물 등을 통해 인체에 흡수되며 중금속은 쉽게 배출되거나 분해되지 않고 생태계를 순환하면서 생물체 내에 침투하여 체내의 농도가 높아지게 되고 결국 인체에 흡수되며 만성독성 및 급성중독을 일으키기도 하고, 일부 중금속들은 산업 활동에 의해 수계의 경로에 따라 많이 유입된다. 인위적 생산 활동에 의한 중금속 오염은 산업, 농업 및 광업에서 배출되는 폐기물에 의해 발생되고, 특히 화학 산업, 제조공정 및 금속제련 과정에서 많이 발생되는 것으로 보고되고 있다.
수중에 중금속 처리방법으로는 화학적 침전, 이온교환, 막 분리, 가압부상법, 전기산화분해법 등이 있고 이중 흡착에 의한 처리방법은 최근에 들어 처리기작에 있어서 한 가지 이상의 복합적인 처리기술을 포함하는 연구들이 진행되고 있는데 중금속 처리효율 더욱 더 높이기 위하여 최근에 들어 이러한 시도 중 주목할 만한 것은 표면에 흡착물질을 특정하게 고정화하여 최대 흡착 능을 가속화시키는 방법으로 처리효율을 향상시키기도 하였다. 처리효율을 개선시키는 방법으로 표면개질과 같은 연구와 더불어 제올라이트(Zeolite), 파이라이트(Pyrite), 벤토나이트(Bentonnite), 또는 소각재(Fly ash)와 같이 흡착 재료를 자연환경에서 쉽게 얻을 수 있는 흡착재료를 이용하는 연구 역시 경제성 있는 방법으로서 최근 많이 진행되고 있다.
흡착제 중 Zeolite와 FeS를 이용한 수중의 Pb, Cu, Zn, Fe, Cd, Mn의 흡착양상을 알아보기 위하여 Freundlich 등온흡착식과 Langmuir 등온흡착식을 이용하고 직선 회귀식 분석을 통해 비교 검토하였으며, Zeolite, FeS 여재를 기반으로 한 중금속 Pb, Cu, Zn, Fe, Mn 그리고 Cd와 같은 중금속들의 흡착특성을 살펴보고, 유사-일차 반응차수 또는 유사-이차 반응차수 분석하고 흡착제의 제한요인이 분자확산이나 화학적 흡착과 같은 기작에 의한 것인지를 반응식을 통해 규명하고자 하였다.
Zeolite 및 FeS 여재의 중금속의 흡착 특성은 Langmuir 등온 흡착 식에서 Freundlich 등온 흡착 식보다 더 적합 하였으며, 이는 표면의 흡착이 단층흡수와 흡착된 용질사이에서 상호간의 작용이 없다는 것을 뜻한다. 제올라이트에 대한 흡착 선호도는 Pb > Cu > Fe > Cd > Zn > Mn순이었고, FeS에 대한 중금속 흡착 선호도는 Cd > Fe > Cu > Pb > Zn > Mn 순으로 나타났다.
최대 흡착량(qm) 값으로 Zeolite와 FeS 두 여재의 흡착 능을 비교 분석하였을 때 Pb를 제외한 Cu이나 Zn, Fe, Cd, Mn의 경우 FeS 여재가 일반적으로 흡착제로 더 널리 쓰이고 있는 Zeolite보다 더 효과적인 흡착 능의 결과를 보여준다는 것을 알 수 있었다. 흡착양상은 Langmuir 등온 흡착 식에 적합하였으며, 유사-일차 반응식(Pseudo-first order rate equation) 또는 유사-이차 반응식(Pseudo-second order rete equation)으로 분석결과를 검토 하였을 때 Zeolite를 이용한 유사-일차반응식 직선 식을 이용한 분석 결과 R2 값은 ( 0.665 < R2 < 0.998 )으로 유사-이차반응(Pseudo-second order kinetics)으로 직선 식을 이용한 분석 결과 ( 0.966 < R2 < 0.999 )에서 보다 결정계수가 낮게 분석되었음을 알 수 있었다. FeS 여재 또한 유사-이차반응(Pseudo-second order kinetics)의 직선 식으로 분석된 결과는 ( 0.959 < R2 < 1.000 )으로 유사-일차반응식의 직선 식으로 분석된 R2 값 ( 0.638 < R2 < 0.986 ) 보다 높은 분석 값이 나왔음을 알 수 있었고 이는 두 여재 모두 흡착기작에 있어서 이온교환 (Ion exchange), 표면과 모공의 흡착-복합체형성 (Adsorption-complexation on surface and pores), 미량 침전 (Micro precipitation) 외에도 화학적 흡착(Chemisorption) 에 의한 것으로 판단되며 Pb, Cu, Zn, Fe, Mn, 그리고 Cd와 같은 2가 양이온이 함유된 수중의 중금속 처리방법에 있어서 제올라이트 또는 황화철 여재가 처리수단에 있어서 효과적인 활용방법이 될 수 있음을 확인하였다.

This study aimed to remove heavy metals from aqueous solution through the media adsorption by using the Zeolite media and FeS media in case when aiming to reuse some rainwater or groundwater containing heavy metals, and also compared the adsorption capacity of each media by analyzing the properties of adsorption, the maximum adsorption capacity, and dynamic properties.
As the metals with specific gravity for 4.0 or up, the heavy metals are absorbed into human body through the water, air, soil, and organism; they circulate in the ecosystem and permeate into organism without being easily discharged or decomposed; when the internal concentration gets high, they could cause the chronic toxicity and acute poisoning; and some heavy metals are a lot flown in following the channels of water system by industrial activities. The heavy-metal contamination by artificial production activities is caused by wastes discharged from industries, agricultural industry, and mining industry, and especially, it is reported that a lot of them are generated in the chemical industry, manufacturing process, and metal refining process.
The heavy metal treatment methods in aqueous solution include chemical precipitation, ion exchange, membrane separation, dissolved air flotation, and electro-oxidative decomposition method. Regarding the treatment method by double-adsorption, recently, there have been researches including complex treatment technologies more than one in the aspect of treatment mechanism. What is remarkable in those recent attempts to more increase the efficiency of heavy metal treatment is the method of accelerating the maximum adsorption capacity by specifically fixing the adsorbate onto the surface, which has improved the treatment efficiency. On top of researches like surface modification as a method of improving the treatment efficiency, recently, there have been many researches using the adsorption materials that could be easily obtained from natural environment such as Zeolite, Pyrite, Bentonnite, or Fly ash, as an economical method.
In order to examine the aspect of adsorption of Pb, Cu, Zn, Fe, Cd, Mn in aqueous solution by using Zeolite and FeS among adsorbent media, this study used the Freundlich isotherm adsorption equation and Langmuir isotherm adsorption equation, and then comparatively analyzed it through the linear regression equation analysis. This study aimed to examine the adsorption properties of heavy metals like Pb, Cu, Zn, Fe, Mn, and Cd based on the Zeolite media and FeS media, to analyze the Pseudo-first order reaction or Pseudo-second order reaction, and to examine if the restriction factors of adsorbent media would be originated from mechanism like molecular diffusion or chemical adsorption, through the reaction equation.
The adsorption properties of heavy metals targeting the Zeolite & FeS media were more suitable in the Langmuir isotherm adsorption equation than the Freundlich isotherm adsorption equation, which means the adsorption of surface does not have interactions between monolayer adsorption and adsorbed solute. The adsorption preference of Zeolite was shown in the order of Pb > Cu > Fe > Cd > Zn > Mn while the heavy metal adsorption preference of FeS was shown in the order of Cd > Fe > Cu > Pb > Zn > Mn.
In the results of comparatively analyzing the adsorption capacity of both Zeolite and FeS media based on the maximum adsorption quantity(qm) value, in case of Cu, Zn, Fe, Cd, Mn except for Pb, the FeS media showed more effective adsorption capacity than the Zeolite that is more widely and generally used as an adsorbent media. The aspect of adsorption was suitable for the Langmuir isotherm adsorption equation. When reviewing the results of analysis through the Pseudo-first order rate equation or Pseudo-second order rate equation, in the results of analysis using the linear equation through the Pseudo-first order rate equation using Zeolite, the R2 value was shown as ( 0.998 < R2 < 0.665 ), which showed the lower determination coefficient( 0.966 < R2 < 0.999 ) than the results of analysis using the linear equation through the Pseudo-second order kinetics. Also, in case of FeS media, the result of analysis using the linear equation through the Pseudo-second order kinetics was shown as ( 0.959 < R2 < 1.000 ), which was higher than the R2 value( 0.638 < R2 < 0.986 ) analyzed by using the linear equation through the Pseudo-first order kinetics. Regarding the adsorption mechanism of both media, this is probably caused by Ion exchange, Adsorption-complexation on surface and pores, Micro precipitation, and Chemisorption. The results of this study verified that the Zeolite or FeS media could be an efficient means for treating heavy metals containing the divalent cations such as Pb, Cu, Zn, Fe, Mn, and Cd in aqueous solution.