2.1. 실험재료

분말 활성탄은 정수처리용 활성탄을 구입하였고(SGW-100, 신기화학), 층상이중수산화물은 합성 하이드로탈사이트를 구입하였으며(Hi-TALTM, 신원산업주식회사), 탄소나노튜브 의 경우 다중층 탄소 나노튜브를 구입하였다(CNT regular, 카본 나노텍). 실험용 인공폐수 조제를 위한 analytical grade 의 1000 ppm 카드뮴 표준용액과 인공폐수 pH 조절을 위 한 염산(HCl) 및 수산화나트륨(NaOH)은 모두 Kanto에서 구입하였다(Kanto, Japan). 흡착제 제거를 위해서 0.45 마이 크로미터의 멤브레인 필터를 사용하였으며(Millipore, USA), 증류수 제조를 위한 초순수 제조 장치는 Milli-Q system (Milipore, USA)를 이용하였다.

2.2. 흡착제 분석

흡착제 표면의 형태와 화학적 조성을 확인하기 위해 scanning electron microscope(JSM-7610F, JEOL, USA)과 energy dispersive X-ray analysis(X-MAX 50, OXOFRD, GBR) 를 15kV에서 측정하였다. 비표면적에 대한 정보를 구하기 위해 질소가스 흡-탈착법을 이용하였으며(ASAP2420, Micrometrics, USA) BET 법을 이용해 표면적을 계산하였다. 표 면전하는 Zeta analyzer (ELSZ-1000, Photal Otsuka Electronics, Japan)를 이용하여 측정하였다.

2.3. 수질 분석

폐수 내 총 중금속 양을 측정하기 위하여 ICP-OES (Perkin Elmer optical emission spectrometer, optima 7300DV) 가 이용되었다. 기기의 운전 조건으로 Gas (Argon 99.9999% 이상), Plasma (15L/min), Aux (0.2L/min), 온도(5,500~8,000K), 유량(1.5mL/min)으로 설정하였다.

2.4. 흡착 실험

3종의 상용 흡착소재별 카드뮴 흡착량은 batch 실험으로 평가하였다. 반응시간과 온도에 따른 영향을 확인하고 흡착 효율을 확인하기 위해 키네틱 실험들이 수행되어졌다. 실험 은 다음과 같은 순서로 진행되어졌다: (1) 실험 용도에 맞 는 카드뮴 인공폐수를 제조한다(100 mg L^-1); (2) 인공폐수 의 pH를 0.5 N 의 HCl 혹은 NaOH 용액으로 조절 한다 (pH 2~7); (3) 흡착제 별로 주입량을 조절하여 팔콘 튜브에 담은 뒤(0.2 g, 0.4 g, 0.6 g, 0.8 g, 1.0 g, 1.2 g) 인공폐수 를 40 mL 주입한다; (4) 인공 폐수와 흡착제를 담은 팔콘 튜브를 항온반응기에 넣은 뒤 25 C, 20 rpm를 유지하여 정해진 시간별로 샘플링 한다(2 hr ~ 48 hr); (5) 정해진 시 간 이후 수집된 샘플들은 0.45 um 멤브레인 필터를 통해 즉시 필터링한 후 분석한다; (6) pH 영향을 제외한 실험의 경우에만 초기 pH를 조정하였으며 그 이외의 경우 모든 실험에서 초기 pH는 도금공정에서 발생하는 산성폐수 조 건과 비슷한 pH 2로 설정하였다. 흡착된 금속 이온은 다음 과 같이 계산된다:

q 는 각 흡착제에 흡착된 중금속의 양을 나타내며(mg g^-1), C₀ 는 금속 이온의 초기농도(mg L^-1), C_t 는 최종 반응 이후 의 중금속 농도를 나타낸다(mg L^-1). V 의 경우 초기 인공 폐수의 부피를 나타내며(L), m 은 각 흡작제별 주입량을 나 타낸다(g).

2.5. 세포배양 및 흡착제 독성평가

흡착제 3종의 독성을 테스트 하기 위해 인간세포가 사용 되었다. 3종의 인간세포 모두 한국 세포주 은행에서 주문하 였다. 흡착소재의 인체 3대 노출경로에 대한 독성을 확인하 기 위하여 호흡기 독성 테스트에는 인간 폐암세포 A549를 이용하였고, 소화기 독성 테스트를 위해 인간 소장세포 Ht-29, 피부 독성 테스트를 위해 피부암세포인 HS294t를 선 정하였다. 세종의 세포 모두 10%의 fetal bovine serum (FBS; GIBCO BRL, USA)를 추가한 RPMI^-1640 배지를 이 용하여 배양되었고, 감염 방지를 위해 1 mM의 sodium pyruvate와 100 U mL^-1의 페니실린, 100 μg mL^-1의 streptomycin을 추가한 뒤 37°C, 5 % CO₂의 환경에서 배양 되었다. 이후 2,3 일 간격으로 계대배양을 하고 이주에 한번 씩 sub-culture를 수행하였다(^{Riss et al., 2015}).

각 흡착제별 cytotoxicity를 확인하기 위하여 MTS assay 가 이용되었다. MTS [3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-5-(3-carboxymethoxyphenyl)- 2-(4-sulfophenyl)-2H-tetrazolium]는 생존해 있는 세포에 의해 발색이 일어나게 되는데 이는 540 nm의 파장에서 확인이 가능하다. A549, Ht-29, HS294t 모두 24 well cell culture plate (BD Falcon, USA)에 심어진 후 다양 한 농도의 흡착제와 48 시간동안 반응시킨다. 노출시킨 이 후 세포들은 3시간 동안 5mg mL^-1의 phosphate buffered saline (PBS)에 3시간 동안 반응시킨다. 반응을 중지시키기 위해 배지는 모두 제거되고 dimethyl sulfoxide (DMSO; Sigma aldrich, USA)가 첨가된다. 각 샘플의 흡광도는 540 nm에서 측정되며 대조군으로서 흡착제에 노출되지 않은 세포를 사용한다. MTS assay는 각 샘플마다 4회 측정되 었다.

3.1. 흡착제별 특성

Fig. 1에 흡착제별 형태와 Energy disperxive X-ray (EDAX) 패턴 확인 결과를 제시해 두었다. 활성탄(activated carbon) 과 다중층탄소나노튜브(MWCNT)의 대부분은 탄소로 구성 되어져 있었고 마그네슘, 알루미늄, 철, 규소, 염소 등의 기 타 elements들도 포함하고 있다는 것이 확인되어졌다. 층상 이중층수산화물(LDH) 표면확인 결과 산소가 높은 비율을 차지하고 있었으며 그 다음으로 탄소, 마그네슘, 알루미늄, 그리고 칼슘을 포함하는 것으로 나타났다.

Fig. 1. Scanning electron microscope and energy dispersive X-ray patterns of (a) MWCNT, (b) activated carbon, and (c) LDH.

세 흡착제 중 activated carbon이 가장 큰 surface area 를 가지고 있었고, 두 번째로 큰 pore volume을 가지고 있었다 (Table 1). MWCNT는 두 번째로 큰 surface area를 가지고 있었으며, 가장 큰 pore volume을 가지고 있었다. 또한, SEM 을 이용하여 흡착제 표면을 관측한 결과 흡착에 유리한 open cell structure를 가지고 있는 것으로 확인되어졌다. LDH는 작은 surface area와 pore volume을 가지고 있어 흡착에 불 리한 조건을 가지고 있는 것이 확인되었다. MWCNT의 pH는 activated carbon과 LDH보다 높은 것으로 확인되었다. MWCNT, LDH 순이었다. Zeta potential 값을 통해 세 흡착 소재 모두 입자에 대해 negative charge 상태를 보이고 있음 을 확인할 수 있었고, activated carbon, MWCNT, LDH 순 으로 낮은 값을 가지고 있으므로 이와 같은 순서로 수용액 상에서 분산이 더 잘 이루어질 것을 예측해 볼 수 있었다. 또한, activated carbon이 가장 낮은 zeta potential 값을 가지 는 것은 탄소계 활성탄 제조공정 중 표면처리에 의한 음전 하를 지닌 작용기에 의한 것으로 보인다(^{Nam et al., 2015}).

3.2. 반응시간 영향 및 반응속도

흡착제와 피흡착제의 반응 시간은 오염물질 제거의 중요한 요인 중 하나이다. Fig. 2에 시간에 따른 흡착제별(MWCNT, Activated carbon, LDH) 카드뮴의 제거 효율을 나타내었다. MWCNT를 이용했을 경우 흡착평형에 도달하기 이전까지 흡착이 급격히 이루어진 후 24시간에 흡착평형에 도달한 뒤 98.5%의 카드뮴이 제거된 반면 Activated carbon과 LDH의 경우 카드뮴의 제거는 거의 일어나지 않았다. Activated carbon의 경우 약 10.3%의 카드뮴 제거 효율을 보였으나, LDH의 경우 6% 이하의 카드뮴 제거효율을 보였다.

Fig. 2. Effect of contact time on the adsorption of Cd(II) from the aqueous solution by MWCNT, activated carbon, and LDH (experimental conditions: pH0= 2 ± 0.1; Adsorbent dosage 1.2 g; 25°C; 20 rpm; metal ion concentration = 100 mg L-1; n=2).

액상에서의 카드뮴 이온과 흡착제 사이의 반응속도 산출 을 통하여 흡착효율 향상과 흡착제 표면과 중금속 간의 제 거 메커니즘에 대한 이해를 도모할 수 있다. 따라서 개발 된 여러 흡착모델을 이용하여 MWCNT, activated carbon, 그리고 LDH 에 가장 적합한 흡착모델을 적용시켰으며 이 용되어진 모델은 Lagergren equation (pseudo-first order model) 이다. Lagergren equation 은 가장 흔히 이용되어지는 모델 이며 특히 pseudo-first order kinetics에 주로 이용되어진다 (^{Yuh-Shan, 2004}).

K₁ (min^-1)은 pseudo-first order adsorption rate coefficient 이며 q_e 와 q_t 는 흡착평형 농도와 시간별 흡착농도를 나타 내며 이에 따른 결과는 Table 2에 표기되어 있다. 초기 pH 를 2로 설정했을 때, activated carbon과 LDH의 경우 흡착이 잘 이루어지지 않아 kinetic을 제시할 수 없었다. MWCNT 를 이용해 중금속을 처리한 기타 연구에서도 카드뮴에 대 한 제거가 잘 일어나는 것을 확인했으나 초기 농도가 높고, 다중흡착이 이루어졌으며, MWCNT 주입량이 1.25 g L^-1 로 적어 반응 상수는 본 연구보다 낮은 2.5 × 10^-5로 확인되 어졌다(^{Salam et al., 2012}).

3.3. pH 영향

초기 pH가 2일 경우, 3종의 흡착제 중 MWCNT에서는 상당히 유의미한 중금속 흡착 능력을 보여주었다. 이는 MWCN에 의한 pH 상승효과에 기인한 것으로 판단된다. Fig. 3의 시간별 pH 변화량 그래프에서 볼 수 있듯 MWCNT 를 주입할 경우 반응 종료 후 최종 pH가 8.91까지 상승한 다. 반면에 Activated carbon 과 LDH의 경우 반응 종료 후 최종 pH는 각각 3.43과 4.23에 머무르는데 산성 조건 하에 서 중금속 흡착은 일반적으로 잘 이루어지지 않는다. 이는 Surface complex formation theory와 일치하는 결과로 pH 가 pHpzc 보다 낮을 경우 흡착소재 표면의 전하는 수소이 온의 흡착으로 인해 양전하를 띄게 되는데 이때 동일한 양 전하를 띄는 금속 이온들의 전기적 반발력과, 수소이온과 금속 양이온의 흡착 경쟁으로 인해 중금속 흡착이 상대적 으로 잘 이루어지지 않기 때문이다(^{Mishra and Patel, 2009}). 따라서 흡착제 주입 이후 pH가 대폭 상승하는 MWCNT 만이 초기 pH = 2의 산성조건 폐수에서 처리효과를 보였다.

Fig. 3. Effect of contact time on the adsorption of Cd(II) from the aqueous solution by (a) MWCNT, (b) activated carbon, (c) LDH, and (d) pH evolution (experimental conditions: pH0= 2 ± 0.1, 7 ± 0.1; Adsorbent dosage 1.2 g; 25°C; 20 rpm; metal ion concentration = 100 mg L-1; n = 2).

추가적으로 초기 pH를 7로 조정하였을 경우 pH가 상승 함에 따라 수소이온과 금속 양이온의 흡착 경쟁이 감소하 여 MWCNT 뿐만 아니라 활성탄에서도 95% 이상의 높은 처리 효율을 볼 수 있었으며 MWCNT의 경우 흡착 평형을 달성하는 시간이 pH = 2일 때 24시간에서 pH = 7일 때 4시 간으로 급격히 줄어들었다. 또한 이는 pH 상승에 의한 수 산화 침전물 생성의 영향으로도 볼 수 있다(^{Salam et al., 2012}). pH가 9 이상일 경우 카드뮴은 Cd(OH)₂를 형성하는 데 수산화물의 경우 소수성이기 때문에 흡착제에 의한 흡 착효율이 증가하게 된다. 이러한 결과는 다른 연구결과에서 도 확인된다. 초기 pH를 9 이상으로 조정했을 때 탄소계 활성탄을 통해 90% 이상 카드뮴을 제거했다는 기타 연구 결과를 확인할 수 있다(^{Babić et al., 2002}; ^{Ku and Peters, 1987}). 중금속 흡착에서 pH가 매우 중요한 역할을 수행하 는 것을 확인할 수 있다.

LDH의 경우 pH 변동에 상관없이 카드뮴의 제거가 일어 나지 않는 것으로 확인되었다. 이는 LDH가 가지고 있는 비표면적 자체가 적을 뿐 아니라 분산이 잘 일어나지 않는 물리적 특성을 지니고 있었기 때문으로 판단된다.

3.4. 흡착제 주입량 영향

초기 pH를 산성 조건으로 설정한 후 흡착제 주입량별 카 드뮴 처리효율을 확인하였다. MWCNT를 제외한 경우 산성 조건에서는 카드뮴 흡착이 거의 일어나지 않은 것을 확인할 수 있었다. MWCNT의 주입량이 0.2 g, 0.4 g, 0.6 g, 0.8 g, 1.0 g, 1.2 g이 경우의 단위 흡착량(mg g^-1)은 0.02, 0.02, 0.08, 1.05, 3.07, 3.19이다. 앞서 언급한 MWCNT의 단위흡 착량과 Fig. 4의 MWCNT의 주입량과 카드뮴 흡착결과를 보 면 주입량이 0.6 g 이하일 경우 제거가 거의 일어나지 않으 나 MWCNT 주입량이 0.8g에서 1.0 g으로 증가될 경우 카드 뮴 제거율이 급격히 상승하는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 4. Effect of adsorbent dosage on the adsorption of Cd(II) from the aqueous solution by (a) three adsorbents and (b) pH evolution (experimental conditions: pH0= 1.9 ± 0.1, Adsorbent dosage 0.2 g, 0.4 g, 0.6 g, 0.8 g, 1.0 g, 1.2 g; 25°C; 20 rpm; metal ion concentration = 100 mg L-1; n = 2).

이는 주입량 상승에 따른 흡착 반응 면적의 증가와 pH 변화에 의한 영향으로 판단되며 pH가 카드뮴 흡착에 있어 서 가장 핵심적인 역할을 수행하는 것을 확인할 수 있었다. 최종 pH가 5 이상인 조건에서는 카드뮴의 제거가 일어나 는 것을 Fig. 4에서 확인할 수 있으며 최종 pH가 5 이상 유지될 경우 수소이온과의 경쟁흡착이 줄어들어 카드뮴의 흡착이 일어나는 것으로 판단된다. 따라서 흡착제 주입량에 따른 reaction site의 증가도 카드뮴 흡착에 영향을 줄 수 있지만 가장 핵심적인 역할을 수행하는 것은 폐수의 pH 로 판단된다.

3.5. 흡착제 노출 정도에 따른 인간 세포의 활성도 확인을 통한 흡착제 독성확인

각 농도별 흡착제 노출량에 따른 세포의 활성도를 통해 3종의 흡착제(MWCNT, activated carbon, LDH)가 각각의 인간세포에 미치는 영향을 MTS assay를 통해 확인하였다. MTS assay는 대조군 용액(DMSO)과 비교했을 때의 OD value 를 이용하여 세포의 생존률을 비교하는 방식으로 진행되는 독성시험 방식이다. 독성을 평가하기 위한 방법으로는 기존 의 MTT assay가 있으나 MTT 시약이 빛에 민감하게 반응 하여 암실에서 진행해야한다는 단점이 존재하며 MTS assay 에 비해 시간이 상대적으로 오래 소요된다는 단점이 존재 하므로 MTS assay를 실험 방법으로 선정하였다. 흡착제의 농도를 50 mg L^-1에서 1000 mg L^-1로 조정하여 인간의 노 출 경로에 따른 호흡기, 소화기, 피부 세포를 노출 시킨 결 과 activated carbon을 제외한 두 종류의 흡착제는 최대 농 도에서도 50% 이상의 세포 생존률을 보였다(Fig. 5). 따라 서 activated carbon에 높은 수준으로 노출될 경우 소화기 와 피부에 악영향을 줄 것으로 판단되며 다른 흡착제들의 경우 비교적 안전한 것으로 판단할 수 있다.

Fig. 5. Toxicological effects of the three adsorbents on various human cells: (a) A549; (b) HT-29; (c) HS294t.

그러나 다른 두 종의 흡착제가 activated carbon에 비해 낮은 수치의 독성을 보여주었음에도 불구하고 MWCNT의 독성은 지속적으로 보고되어지고 있다(^{Simon-Deckers et al., 2008}; ^{Tan et al., 2009}; ^{Zhao et al., 2014}). 그리고 LDH 역시 독성이 거의 없는 것으로 알려져 있어 의약물질 전달제로 이용하기 위한 연구가 활발히 진행 중이지만 (^{Choi and Choy, 2011}; ^{Djebbi et al., 2016}) MTS assay만 으로는 흡착제가 가지고 있는 잠재적인 chronic toxicity까 지 고려하여 안정성에 대한 결정을 내리는 것은 힘들기 때 문에 안정성에 대한 결론을 내리기 위한 추가적인 연구가 필요하다.