Study of Utilization of Natural Zeolites as Functional Materials for Water Purification (II): Adsorption Properties of Heavy Metal Ions by Domestic Zeolites

The adsorption property and ability of domestic zeolites for some heavy metal ions (Ag, Pb, Cr, Cu, Zn, Mn), which may cause a serious environmental problem in industrial wastewater, were evaluated on ore unit through a series of adsorption experiments together with careful examinations of mineral composition and properties of the zeolites. Though the adsorption behavior basically took place in the form of a cation exchange reaction, the higher CEC value does not necessarily to imply the higher adsorption capacity for a specific heavy metal. A general trend of the adsorption selectivity for heavy metals in the zeolites is determined to be as follow: $Ag\geq$Pb>Cr,Cu$\geq$Zn>Mn, but the adsorption properties of heavy metal ions somewhat depend on the species and composition of zeolite. Clinoptilolite tends to adsorb selectively Cu in case of Cr and Cu, whereas heulandite prefers Cr to Cu. A dominant adsorption selectivity of the zeolite ores for Ag and Pb is generally conspicuous regardless of their zeolite species and composition. The zeolite ores exhibit a preferential adsorption especially for $Ag^{+}$ so as not to regenerate when treated with $Na^{+}$ . In the adsorption capacity for heavy meta ions, the zeolites differ in great depending on their species: ferrierite>clinoptilolite>heulandite. Considering the CEC value of mordenite, the mordenite-rich ore appears to be similar to the clinoptilolite ore in the adsorption capacity. The adsorption capacity for heavy metals is not positively proportional to the CEC values of the zeolites measured by the exchange reaction with ammonium ion. In addition, the adsorption capacity roughly tends to depend on the zeolite contents, i.e., the grade of zeolite ore, but the trend is not consistent at all in some ores. These may be caused by the adsorption selectivity for some specific heavy metals, the presence of possible stacking micro-faults and natural cations such as K hardly to exchange in the zeolite. Considering the economic availability and functional effectiveness as natural zeolite resources, clinoptilolite ores could be applicable to utilize the domestic zeolites for the removal of heavy metals.

천연 제올라이트의 수환경 개선용 기능성 소재로의 활용에 관한 연구 (II): 국내산 제올라이트의 중금속 이온 흡착 특성

각종 산업폐수에서 심각한 환경문제를 야기시킬 수 있는 중금속(Ag, Pb, Cr, Cu, Zn, Mn) 이온들에 대한 국내산 주요 제올라이트의 흡착 성향 및 능력을 광물 조성 및 특성 분석과 일련의 흡착실험을 통해서 광석 단위로 평가해 보았다. 국내산 제올라이트 광석의 중금속 흡착 반응은 기본적으로는 양이온 교환방식에 의존되지만, 높은 CEC 값이 반드시 보다 많은 중금속 흡착능력을 의미하는 것은 아닌 것으로 나타난다. 제올라이트 광석의 중금속 흡착성향은 광종별로 다소 차이를 보이지만, 일반적으로 흡착선호도에 있어서 $Ag\geq$Pb>Cr, $Cu\geq$Zn>Mn와 같은 흡착 서열을 이루는 것으로 밝혀졌다. 휼란다이트는 Cr을 보다 더 선호하는 성향을 보이는 반면에, 클리놉틸로라이트는 Cu를 더 선호하는 경향을 나타낸다. 일반적으로 제올라이트의 광종에 관계없이 Ag와 Pb는 상대적으로 월등한 흡착선호도를 나타낸다. 특히 Ag는 Na에 의한 재용출 과정에서 전혀 유리되지 않을 정도로 제올라이트에 대한 높은 흡착성향을 보인다. 제올라이트 광석의 중금속 흡착능력은 광종별로 현격한 차이를 보인다: 페리어라이트>클리놉틸로라이트>휼란다이트. 이에 비해서 모오데나이트는 CEC 성향으로 보아 클리놉틸로라이트와 비슷한 수준인 것으로 해석된다. 제올라이트의 암모늄 이온에 대한 CEC 값과 중금속 이온 흡착능력은 엄밀히 잘 부합되지 않는 것으로 나타난다. 또한 제올라이트 광석들의 중금속 흡착능력은 대개 제올라이트의 함량, 즉 광석의 품위에 의존되는 경향을 보이지만, 광석에 따라 그 일반적 추이에서 크게 벗어난 흡착 양상을 보이기도 한다. 이는 제올라이트의 선택적 흡착특성, 중합단층의 존재와 같은 구조적 결함이나 천연상 교환성 양이온의 조성(특히 흡착선호도가 높은 K의 함유도)에 의한 효과로 추정된다. 국내산 제올라이트를 중금속 흡착제거용으로 응용하는 데에는 부존자원의 활용성, 경제성 및 성능을 고려하여 클리놉틸로라이트 계열의 광석을 사용하는 것이 합리적일 것으로 판단된다.