3.1. 자기장의 직접 이용

자기장을 직접 이용해서 폐수처리 분야에서 적용할 수 있 는 원리는 다음과 같이 2개가 있다. 첫째, 자기장을 이용해서 폐수 속 자성 고형물을 부착시킨 후 분리제거함으로써 폐수 를 정화한다. 둘째, 자기장이 폐수 속에 물질에 영향을 줄 수 있으므로, 스케일 제거 및 억제, 멸균 플록 침전 촉진, 미생 물 활동 촉진 등을 통해 해당 물질을 분리 및 제거한다(^{Zaidi et al., 2014}). 자기장을 직접 이용한 자기분리 기술이 폐수처 리 분야에서 이용된 것은 1970년대 부터이다. 미립자 자기분 리 기술에 대한 가장 중요한 제한 요소는 입자 크기이다. 자 기분리 장치의 구조 및 설계의 개발로 인해 전계 강도가 지 속적으로 향상되며 미크론 또는 나노 크기의 입자도 제거 효 과를 얻을 수 있다.

Ditsch 등은 고구배 자기분리(1.4T)를 이용하여 자기성 나 노 클러스터를 제거하여 입자경, 자기 반응기의 길이 및 유 속이 제거효율에 미치는 영향을 탐구하였다. 결과를 보면 입 자경과 자기 반응기의 길이를 확대하거나 유속을 줄이는 것 은 제거효율을 항상시키는 결과로 나타났다. 따라서 높은 유 속(4 cm/s)에서 50 nm 이상 크기를 가진 입자를 99.9 % 제 거할 수 있으며 자기 반응기의 길이를 적절하게 증가시키면 더 작은 입자의 제거효율도 더욱 향상시킬 수 있다는 결론을 얻었다(^{Ditsch et al., 2005}).

Ha 등은 초전도 자기분리(6T)를 이용하여 화력 발전소의 폐수 처리효율을 연구한 결과에 의하면 강도를 증가시키고 자성매체의 입자경을 감소해도 제거효율을 향상시키는 것을 알 수 있다. 이 방법으로 철 자성입자를 잘 제거할 수 있을 뿐만 아니라 다른 약한 자성 및 무자성 입자도 크게 제거되 는 것을 나타냈다. 폐수처리 분야에서 자기분리 기술의 연구 개발과 응용이 지속적으로 발전함에 따라 연구원들은 자기 분리에서 입자의 이동 과정과 분리 메커니즘에 대한 관심이 높아지고 있으며, 컴퓨터 모델링과 실험을 결합하는 수단으 로 자기분리 메커니즘을 깊게 이해하고 이론을 완성 시키고 있다(^{Ha et al., 2011}). 그러나 자기분리 기술로 초미세 입자 와 자성매체, 오염물질, 복합물질을 분리하기 위하여 최적의 기술을 탐구할 필요가 있다(^{Sarikaya et al., 2006}).

스케일 침전물 자화제거 기술은 또 다른 직접 자기장를 이 용한 기술로 많은 연구 및 응용되는 기술이고 화학 물질을 첨 가할 필요가 없고, 무독성 및 무공해이며, 관로 및 장비 스케 일링을 효과적으로 방지할 수 있으며, 투자 및 운영비가 저렴 하고 에너지를 절약하는 친환경 폐수처리기술이다. 스케일 침전물 자화제거 기술의 처리 메커니즘과 처리효과는 여전히 논란의 여지가 있지만(^{Baker et al., 1997}; ^{Wang, 2001}), 기본 적인 원리는 자기장이 CaCO₃, CaSO₄·2H₂O, SiO₂, BaSO₄, SrSO₄, Ca₃(PO₄)₂, 철 및 알루미늄 수산화물과 같은 일반적인 오염물질의 조성을 변경하고, 오염물질의 분자 형태가 정전 기 반발력을 유발하여 관로 또는 퍼니스(Furnace) 벽에 부착 하는 것을 어렵게 한다. Baker 등은 스케일 침전물 자화제거 기술을 사용하여 RO를 통과하는 물을 전처리하여 막오염을 줄였으며, 자화된 물이 CaCO₃ 침전의 구성을 변경하여 RO 막과 PVC 관로에 부착되는 것을 방지할 수 있다고 하였다 (^{Baker et al., 1997}).

Li 등은 초음파 TDR(Time Domain Reflectometry) 측정법 을 사용하여 나노 여과막에서 CaCO₃ 표면에 대한 전자기장 의 영향을 분석했으며, 자기 처리 후 막오염층이 얇아지고 느슨해졌으며 막오염 문제가 개선되었다. 이는 자기장이 CaCO₃의 결정 구조 및 증착 형태에 큰 영향을 미친다는 것 을 보여주였다(^{Li et al., 2007}). Luo 등이 스케일 침전물을 자기장에서 억제 공정에 대한 알칼리도, 경도 및 물의 유속 의 영향을 조사한 결과에 의하면 자기장 스케일 침전물의 제 거 메커니즘이 여전히 명확하지는 않지만 자기장의 스케일 침전물의 제거효과가 있다고 믿어졌다(^{Luo and Lu, 2000}). Liu 등은 실험을 통해 자화수의 스케일 방지 효과에 대한 스 케일 제거 및 방지 조건을 최적화하였으며 Ca²⁺ 및 Mg²⁺의 농도, 알칼리도, pH 값의 영향을 연구하였다. 스케일 유발이 온의 아크오 반응을 확대함으로써 스케일 방지가 이루어지 고 또는 자화에 인한 CO₂ 용해도의 변화가 칼슘과 마그네슘 탄산물의 평형상태를 변화시키기 때문에 스케일을 방지하는 것을 확인할 수 있었다(^{Liu and Sun, 2000}).

Lee 등은 자성분리에 의한 폐절삭유(연마유)의 처리 및 부 산물 재활용 공정기술 개발을 실행하였다. 절삭유내 슬러지 감량효율이 평균 85 %이상인 자성분리 장치를 개발하고, 철 강 칩 슬러지(Steel Chip Sludge)만을 분리하여 90 % 재활용 함으로써 폐기물 처리비용은 80 %로 절감한 결과를 얻었다 (^{Lee et al., 2006}).

Han은 유전개발 및 운영과정 중 나온 유전폐수를 자기분리 기술에 통해 폴리염화알루미늄(poly aluminium chloride, PAC) 85 kg/d, 철분 37 kg/d, 폴리아크릴아마이드 (Polyacrylamide) 18 kg/d을 주입하여 폐수중 전유 오일 농도 300 mg/L, 부유물 질 농도 300 mg/L이하의 수질기준을 만족하였다(^{Han, 2017}).

자기장의 작용을 통해 물의 물리적 및 화학적 특성(굴절률, 전기전도도, 유전상수, 표면장력, 점도 및 적외선 흡수율 등) 이 변화하여 물과 각 성분이 용해, 결정화 및 중합된다. 습 윤, 응고, 증발 특성 및 미생물 시스템은 특정한 영향을 미치 므로 자기장에 의해 처리된 물을 자화수라고 한다. 자화수의 사용은 폐수처리분야에 자기장을 직접 적용하기 위한 중요 한 연구 방향이며, 또한 자기장이 스케일 방지 성능을 갖는 중요한 이유로 여겨진다. 자기장은 물에서 콜로이드의 안정 성을 변화시켜 콜로이드의 침전을 초래하여 이러한 종류의 오염물질 제거에 적용될 수 있다(^{Wang et al., 1994}). 그러나 이것은 여전히 논쟁의 여지가 있으며 일부 연구자들은 자기 장이 일부 콜로이드의 응집 속도를 감소시키는 것을 발견하 였다(^{Higashitani et al., 1992}).

또한, 자기장은 미생물의 거동에 영향을 미치는 것으로 입 증되었으며, 생물학적 효과는 폐수처리 분야에서도 연구되었 다(^{Narsetti et al., 2006}). 물속의 일부 박테리아는 자기장의 전류를 감지할 수 있으며, 유도 전류가 충분히 크면 세포가 파괴되어 단백질이 변성되거나 효소 활성이 파괴되어 살균 효과를 나타내다(^{Narsetti et al., 2006}). Wu 등이 대장균에 대한 일정한 자기장의 살균 효과를 연구한 결과, 자기장은 대장균에 불활성화 효과가 있으며, 강도는 균종, 온도와 처 리 시간 등의 특성과 관련이 있는 것으로 밝혀졌다(^{Wu and Lin, 2004}). 자기장의 살균 효과에 대한 또 다른 이유는 자성 물질에 의한 미생물의 흡착 및 소수의 특정 미생물 자체의 자성 변형 때문이다. 또한 폐수처리 분야에서 자기장은 생물 학적 처리공정에서의 균종분포 및 생물학적 활성에 상당한 영향을 미침으로 처리효과를 향상시키는 것으로 밝혀졌다 (^{Shi, 2005}).

전체적으로, 자기장이 폐수처리분야에 직접 이용되는 기술 원리는 수중의 다양한 성분에 대해 영향이 있으므로, 이는 주로 자성 입자의 제거 및 자화수의 이용으로 나눌 수 있다. 그러나 현재 대부분의 수질오염물질은 무자성이므로 직접 분리는 상대적으로 큰 한계가 있으며, 기존의 자기장을 직접 적용한 기술은 발전소 폐수, 제강 슬래그 폐수, 광물 폐수 등 에 주로 사용된다. 자화수의 생화학적 효과와 스케일 방지 메커니즘은 명확하게 설명되지 않았으며 논쟁의 여지가 있 으며, 이 기술이 적용되어 생산 가치를 가져왔음에도 불구하 고 연구 및 사업은 계속 깊이 수행되어야 한다.

3.2. 자성응집-자기분리 기술

폐수의 무자성 또는 약한 자성 오염물질의 경우, 자기장만 으로 이상적인 분리 효과를 얻을 수 없으며, 오염물질 제거 목적을 달성하기 위해 자성매체를 추가하고 이를 오염물질 과 결합한 다음 자기장을 사용하여 제거한다. 자성응집⁃자 기분리 기술은 응집과 자기분리를 결합하는 분리 방법으로 주로 응집 및 자기분리 두 가지 과정를 포함한다. 즉 자성매 체 및 응집제를 동시에 투입함으로써, 응집제는 응집되고, 자성매체을 함유하는 플록은 자기장 조건에서 분리 및 제거 된다. 응집기능을 갖는 특정 자성매체을 투입함으로써, 응집 은 자성매체 표면의 특정 기능에 의해 달성되고, 최종적으로 자기장에서 분리된다. 일반적인 자성응집-자기분리공정은 Fig. 1과 같게 자기매체 투입, 응집제 투입, 자성응집, 플록분 리 및 자성매체 회수로 구성된다.

Fig. 1. The flow diagram of magnetic flocculation for wastewater treatment.

자성응집-자기분리 기술은 물의 색도, 탁도, 기물, 고형물 질, 중금속, 질소, 인 및 방사성 오염물질을 효과적으로 제거 할 수 있는 새로운 폐수처리 기술이다(^{Zaidi et al., 2014}). Table 1에 나타낸 바와 같이, 자성응집-자기분리 기술은 수중 입자상 물질 및 유기물질을 효과적으로 제거할 수 있다. 특히 자성응집과 고구배 자기분리 기술과 결합하는 경우가 폐수처 리 분야에서 널리 사용되었다. Chin 등은 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 폐수에서 이산화규소 나노입자를 제거 하기 위해 자성응집-자기분리를 사용했으며, 결과를 보면 800G 외부 자기장에서 처리된 폐수의 탁도가 99 % 이상 제 거되어 1NTU로 감소되고 자성매체도 재활용되어 여러 번 사 용될 수 있다. 또한 동시에, 나노 자기미분자의 분산성이 입 자들의 충돌에 필수적 유인이며, pH도 자기분리의 효율에 영 향을 미치는 중요한 요소라는 것을 발견하였다(^{Chin et al., 2006}).

Zhao 등은 자성응집-자기분리로 도시 하수처리한 연구결 과를 보면 15분 이내에 부유물질 제거효율이 80 % 이상인 것으로 나타났으며, 침전지의 설계 부피를 크게 줄일 수 있 었다(^{Zhao and Wang, 2002}). Wang 은 자성응집-자기분리를 사용하여 유성 폐수를 처리하고 응고제, 응집보조제 및 자성 매체가 처리 효과에 미치는 영향을 조사하여 ① 오일 함량이 100 ~ 200 mg/L 인 경우 제거효율이 83 % 이상에 도달할 수 있으며, 유출수의 탁도는 7 NTU 이하로 낮아지게 하였다. ② 자기 플록 구조가 더 튼튼하고 침전에 필요한 시간을 단 축하고 응집 효율을 향상 시키므로 고체 및 액체의 분리를 쉽게 할 수 있고 슬러지의 수분 함량이 감소하였다(^{Wang et al., 2007}). Sun 등은 음식물 폐수처리에 자성응집-자기분리 을 적용했으며, 자성 시드(Magnetic seed)를 추가하면 폐수의 분리 시간을 단축하고 슬러지 발생량을 절반으로 줄이면서 COD 제거효율을 높이는 데 도움이 되었다. 예를 들어, COD 가 4,300 ~ 5,000 mg/L인 폐수는 최대 98 %의 높은 COD 제 거효율로, COD (2,800 ~ 3,400 mg/L)인 폐수는 83 %의 제거 효율을 달성할 수 있었다(^{Sun et al., 2006}).

Zhang 등은 석탄광산폐수를 처리하면서 Lab-scale 규모의 자기응집-지기분리 시스템을 세우고 응집제 사용량, 자성입 자의 크기 및 투입량, pH, 교반소독과 침강소독의 최선 조건 을 탐구하였다. 결과에 따라 PAC 투입량 100 mg/L, 음이온 고분자응집제(Anionic Polyacrylamide) 투입량 4 mg/L, 자성 입자 크기 74 μm 투입량 1 g/L, 응고탱크 교반속도 300 r/min, 교반탱크 교반속도 200 r/min, 응집탱크 교반속도 100 r/min의 조건에서 탁도 제거효율은 95 %까지 올라갔다(^{Zhang et al., 2019}). Guan 등은 석탄 액화 폐수처리에 자성응집을 적 용한 결과 자기응집의 효과가 전통적인 응집보다 더 우수하 다는 것을 발견하였다. 자성 입자의 투입에 때문에 수중 SS의 농도를 증가시키고 입자간에 충돌률은 높아졌다. 또한 자성 입자의 비중이 커서 응집플록의 체적은 쉽게 확대하여 더 좋 은 침전력을 나타내였다. 그밖에 투입된 자성입자과 응집플 록은 결합하여 서로 흡인력 항상시킨 복합성플록으로 되며 더 큰 플록을 이루어졌다. 따라서 자성입자 미투입한 경우보 다 응집플록의 형상도 빠르고 단단하게 응집되므로 침전시간 이 단축되었고 COD 및 탁도의 제거율이 각각 56.9 % 및 99.7 %에 나타내였다(^{Guan et al., 2014}). 자성 응집은 또한 고농 도 독성 및 유해한 유기성 산업폐수 및 양돈장 폐수에도 적용 되었으며 좋은 결과를 얻었다. 자성응집-자기분리는 중금속 (비소, 카드뮴, 크롬, 구리, 아연, 니켈 등) 및 인에 대한 제거 효과가 우수하며 중금속 폐수처리 및 자원회수에 효과적인 수단도 된다(^{Cui et al., 2010}; ^{Shen et al., 2014}).

Zhao 등은 폐수 중의 As(V)과 PO₃^-4를 처리하기 위해 전처 리 기술로 개방구배 자기분리를 사용했으며 자성응집⁃초전 도 자기분리를 사용하여 모두 98 % 이상 제거하였다(^{Zhao et al., 2012}). Kang 등은 산업폐수에서 Cu²⁺ 이온을 제거하기 위해 자성응집에 대한 실험적 연구를 수행하여 우수한 처리 결과를 확인할 수 있었다. 폴리황산 제2철(Poly Ferric Sulfate, PFS)이 100 mg/L, pH가 8, 침전시간이 20 min, 자성매체 투 입량이 400 mg/L의 경우에 Cu²⁺ 이온 제거효율은 97 %를 초과하였으며, 유출수 Cu²⁺ 이온 농도는 0.5 mg/L보다 낮게 나타났다(^{Kang and Yang, 2011}). Kim 등은 전기응고법을 이 용하여 자성응집제를 투입하고 부유물질을 제거하는 실험을 실행한 결과 표층액체 유속의 증가에 따른 제거효율의 저하 는 마그네이트/부유 고형물의 질량비가 증가할수록 감소하였 다는 것으로 나타났다(^{Kim et al., 2014}). 자성응집-자기분리 는 산업폐수처리 뿐만 아니라 강과 호수의 생태 복원, 특히 인과 부유 생물에 대한 특정 연구와 적용이 가능하다(^{De Vicente et al., 2011}).

전체적으로 자성응집-자기분리는 응집 및 자기분리의 특성 을 결합하고 일부 미립자 오염물질, 고분자 유기물질, 중금 속 물질 및 인산 이온에 대한 우수한 제거효과를 가지며 널 리 사용되었다. 그러나 대부분의 이온 및 소분자 유기 오염 물질을 제거할 수 없기 때문에, 기술 촉진 및 적용에 대한 한계도 있다.

3.3. 자성흡착-자기분리 기술

자기분리는 자성 담체를 첨가한 후 오폐수 속에 오염물질 을 물리적이나 화학적 방법으로 결합한 후, 마지막으로 자성 체-오염물 복합체는 외부 자기장에 의해 효과적으로 분리되 는 폐수처리분야에서 중요한 수단이다. 자성매체 및 응집제 를 물에 첨가하는 것은 매우 효과적인 방법이지만, 많은 이 온 또는 용해성 유기물질, 특히 소분자 유기물의 경우 응집 에 의해 일반 자성매체와 결합하기가 어렵기 때문에 자기분 리로 제거하는 목적을 달성하지 않는다. 자철광, 적철광 및 나노 Fe₃O₄와 같은 종래의 자성매체는 흡착력과 미세 오염 물질 제거 효과를 갖지만, 지금까지 자성매체의 흡착능은 제 한적이고 선택성도 적으며, 생활오수나 산업폐수를 직접 처 리하면 원하는 효과를 얻기 어려웠다(^{Fang et al., 2010}; ^{Xing et al., 2014}). 그러나 전통적인 흡착기술과 자기분리를 결합하는 것이 효과적인 해결책이다. Table 2는 폐수처리 분 야에 사용된 자성흡착-자기분리 기술의 흡착제, 처리대상물 질, 처리효과를 나타내고 있다. 자성흡착체-자기분리의 핵심 은 우수한 흡착 성능을 가진 특정 자기매체을 제조하는 것이 다. 일부 특정 기능성 물질과 화학물질은 화학침강, 공침법, 수열합법, 코팅 및 기타 방법으로 자기매체의 표면에 첨가하 므로써 자성매체의 흡착력을 증가시킨다. 일반적인 자성흡착 체는 주로 자성핵형, 자성표면형 및 균일분포형을 가지며, 이는 주로 제조 공정과 관련이 있다 (Fig. 2과 Fig. 3 참조). 이러한 조합은 자성흡착체⁃자기분리의 응용 범위를 효과적 으로 넓힐 수 있으며, 현재 이 기술은 수중 중금속 이온, 유 기물질, 무기물질 및 방사성물질의 제거에 적용되어 만족스 러운 결과를 달성하였다.

Fig. 2. The structures of magnetic beads.

Fig. 3. The TEM images of magnetic beads.

Kim 등은 Mesostructured Silica Containing Magnetite (MSM)를 사용하여 자성매체을 제조하였으며 Cu²⁺의 흡착을 실험하였다. 결과를 보면 흡착 기능성 층으로 사용되었으며,

Cu²⁺ 흡착량이 속 되고 외부 자기장를 통하여 자성매체를 신 속하게 회수되는 것으로 밝혀졌다(^{Kim et al., 2003}). Lim 등 은 자기분리가 가능한 지르코늄음(Zironium)을 이용하여 가 성 흡착제를 합성하고 이의 흡착특성을 연구하였다. 결과를 보면 인 제거과정에서는 공존 음이온의 영향이 거의 없이 중 성 영역인 pH 6에서 가장 높은 인 제거효율을 나타내었고 1 % NaOH와 1.5 % H₂SO₄를 이용하여 재생이 가능하였다는 것을 보였다(^{Lim et al., 2012}).

Li 등은 공침법으로 자성 흡착제(Fe₃O₄-FeOOH)를 제조하 여 초도전 자기분리기과 결합하고 도시하수 중에 인을 제거 하는 연구를 시행하였다. Fe₃O₄/FeOOH의 몰 비율은 1:8일 때 는 뚜렷한 자화성능을 보였고 도시하수중 인 농도 1.8 mg/L 에 0.1 mg/L이하까지 처리하였다. 자성 흡착제에 흡착된 인 을 수산화나트륨(NaOH)으로 탈리시킨 후에 자성 흡착제는 회수할 수 있고 재활용도 가능하였다(^{Li et al., 2018}).

Wang 등은 공침법에 의해 Fe_3-xLa_xO₄ 나노 복합성 흡착제 를 제조하여 콩고레드(Congo Red) 폐수처리에 적용하였으 며, 란타넘(La) 원소를 첨가하여 자성매체의 콩고레드 재료 의 흡착능력을 37.4 mg/g에서 79.1 mg/g로 크게 향상시켰다, 자성매체는 La를 첨가한 후에도 여전히 우수한 강자성을 나 타냈다(^{Wang et al., 2011}). Zhang 등은 공침법을 사용하여 크러스트 맨틀 구조의 자성 흡착제 Fe₃O₄/MnO₂를 제조하고 납을 제거하는 데 사용했으며 최대 흡착량은 142 mg/g인 결 과를 얻었다. 전체적으로, 자성 복합 흡착 재료의 연구는 최 근 매우 인기 있는 연구 영역으로 되고 자성 코어 재료의 용 이한 분리 특성 및 흡착제의 흡착 특성에 기초하여 유기 오 염물질, 중금속 이온 및 방사성 오염물질이 효율적으로 제거 될 수 있다(^{Zhang, Chen et al., 2013}).

나노 물질의 특정한 표면 활성 및 거대한 비표면적으로 인 해, 최근에 나노-흡착제가 자기 분리분야에서 사용되어 왔으 며, 이는 나노-자기분리 기술의 응용에서 큰 진전을 이루었다 (^{Sharma et al., 2009}). 자성 나노입자의 표면 물리적 및 화학 적 특성이 크게 변화하여 오염물질을 흡착할 수 있게 되었으 며 Fe₃O₄ 나노흡착제의 처리 능력은 해당 미크론 크기의 물 질에 비해 5 ~ 10배 크다. 현재, 자성 나노입자는 다양한 중금 속 이온, 유기 오염물질, 방사성 오염물질 등의 제거를 위한 흡착제로 사용하여 우수한 제거효과를 나타냈다(^{Tuutijärvi et al., 2009}). 나노 물질과 그 환경에서의 응용은 현재 뜨거운 연 구 방향이고, 자성 나노 흡착물질은 잠재적으로 건강 위험이 있지만(^{Tang and Lo, 2013}), 자성 물질의 도입과 고구배 자기 분리 기술의 결합 및 응용은 건강 위험을 크게 감소시킬 것이 며 나노 흡착물질의 재활용도 촉진한다. 초전도 자기분리 기 술 및 자기분리장치 설계의 추가 개발 및 개선으로, 자성 나 노 흡착제는 폐수처리 분야에서 큰 응용 전망을 가질 것으로 예상된다. 총체적으로, 폐수처리 분야에서 중요한 처리기술으 로써 자성흡착제-자기분리 기술은 많은 관심을 받았지만, 핵 심은 특정 자성흡착제 및 자성 나노흡착제의 개발이다. 재료 과학의 결합을 통해 이 기술은 폐수처리 분야에서 중요한 분 리 방법이 될 것이다.

3.4. 자성촉매⁃자기분리 기술

촉매 산화는 난분해성 유기물, 일부 중금속 이온 및 기타 오염물질을 처리하는 효과적인 방법이지만 폐수처리분야에 서 응용의 큰 문제는 촉매 회수이며, 이 문제는 폭넓은 연구 와 응용에 따라 더 많은 관심을 끌고 있다. 자성 물질 및 촉 매 물질에 의한 자성 촉매 복합제(자성촉매)의 제조는 촉매 회수를 해결하는 효과적인 방법이며, 최근에 점점 주목을 받 고 있다. 일반적인 자성촉매 구조와 이미지 사진(TEM)은 Fig. 2와 Fig. 3에 각각 나타내고 있다. 촉매의 촉매 분해성 및 자성 물질의 용이한 분리로 인해 오염물질의 제거 및 촉 매 물질의 회수 및 재활용이 효과적으로 달성될 수 있으며 나노 촉매의 환경 건강에 대한 위험성도 줄였다.

TiO₂는 일반적인 광촉매이며 촉매 효과가 좋아서 현재 자 성 TiO₂ 촉매에 대한 많은 연구가 있다. Su 등은 공침법-소성 에 의해 TiO₂/SiO₂/Fe₃O₄ 복합 촉매를 제조하고 이를 안식향 산의 분해에 적용하였으며 pH 3과 온도 750°C의 조건에서 거의 97 %를 제거하고, 자기장 하에서 촉매의 회수율이 90 % 이상의 결과를 성취하였다(^{Su et al., 2012}). Ma 등은 수열법 과 졸겔법(Sol-gel Method) 결합하여 제조하는 CoFe₂/TiO₂, CoFe₂/CoFe₂O₄/TiO₂, CoFe₂O₄/TiO₂의 구조, 모습, 자화강도와 메틸렌 블루(Methylene Blue) 처리효능을 연구시행하였다. 목 적은 강자성촉매를 얻고 폐수처리후에 편하게 촉매를 회수 및 재활용이다. 이 촉매중에 CoFe₂O₄/TiO₂의 메틸렌 블루 처 리효율은 72 % 높게 나타냈다. 또한 분석결과에 의하여 촉내 의 성능은 입자 크기, 계면 조성(Interfacial Compositions), 결 정화도와 TiO₂ 및 기타 입자의 비율에 관련된다고 하였다(^{Ma et al., 2018}). Zhang 등은 공침법으로 Fe₃O₄/BiOCl 기반인 나 노 복합 재료를 제조하여 로다민 B(Rhodamine B)과 메틸렌 블루를 처리하는 과정중에 자성 광촉매로 사용하여 결고 처 리효율은 100 %로 나타냈다. 처리 메카니즘의 연구 결과에 따라 이 복합 재로은 Core-shell 구조인 TiO₂ 재료보다 더 강 한 광촉매 활성을 가지고 있고 자기정에서도 분산과 수집 가 능하니까 촉매효과와 촉매 회수율을 상승시킨다(^{Zhang et al., 2009}). Zhang 등은 공침법에 의해 ZnFe₂O₄/BiVO₄ 복합 자성 광촉매를 제조하고 이를 메틸렌 블루 염료의 가시광 촉매 처 리에 적용한 결과를 보면 복합의 촉매 능력이 BiVO₄ 촉매의 촉매 능력보다 우수함을 발견하였다(^{Zhang et al., 2013}). Table 3는 폐수처리 분야에 사용된 자성촉매-자기분리 기술의 흡착제, 합성방법, 처리대상물질, 처리효과를 나타내고 있다.

자성 촉매제는 폐수처리, 심지어 대기 및 토양 오염 처리에도 응용 가능성을 가지고 있다. 기존 촉매 공정에 비해 자성촉매- 자기분리기술은 자성 매체의 회수율을 크게 향상시켜 경제성 이 높은 처리 수단이고 잠재적인 환경 위험도 줄일 수 있다. 따라서, 자성 촉매제의 연구는 향후 자성촉매분리 분야, 특히 폐수처리 분야에서 더 큰 관심을 가지게 될 연구이다.

3.5. 자기분리 결합 기술

자기장은 자성 입자에만 작용할 수 있으므로 폐수처리 분 야에서 더 효과적이기 위해서는 응집 또는 흡착과 결합되어 야 한다. 그러나, 수질 요건의 개선으로, 단일 폐수처리 기술 에서는 원하는 효과를 달성할 수 없고 다중 처리기술의 결합 이 미래의 폐수처리 개발 방향이다. 높은 분리 성능으로 인 해, 고구배 자기분리 기술은 촉매 산화, 생화학 처리기술 및 막분리기술을 포함한 다른 많은 폐수처리 기술과 결합될 수 있다. Table 4는 폐수처리 분야에 자기분리 결합 기술의 응 용 연구를 나타냈다. Ihara 등은 전기응집, 고구배 자기분리 및 전기 화학적 산화공정을 결합하여 매립장 침출수를 처리 하였다. 일부 유기오염 물질과 대부분 총인은 자성응집-자기 분리 단계에서 효과적으로 제거하여 유량이 100 L/h인 경우 에도 총인 제거율은 여전히 90 %를 초과하는 것을 발견하고 자성응집-자기분리 단계를 통과하여 남은 유기물질과 암모 니아성 질소는 전기화학적 산화공정으로 제거될 수 있다 (^{Ihara et al., 2004}). 또한, 전기 응집⁃자기분리 단계는 후속 전기화학적 산화공정의 효율을 향상시킬 수 있고, 매립지 침 출수에서 COD, TP, NH₄⁺-N을 효과적으로 제거할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 자기분리와 생명공학의 조합은 또 다른 중 요한 응용 방향이며, 자기장의 생물학적 영향은 미생물 처리 의 효율성을 향상시킬 수 있다. 현재 가장 인기 있는 공정은 BioMag 공정과 MagBR(Magnetic Bio-Reator) 공정이고 (^{Zhou and Ni, 2009}), 원칙적으로 생물 반응기를 사용하여 유기 오염물질을 분해한 다음 고구배 자기분리로 인을 제거 하는 효과가 좋기 때문에 일부 하수처리장에서 사용된다. 자 기분리가 막처리기술과 결합되는 연구 방향은 자기분리에 의한 막오염을 감소시켜 전체 막시스템의 처리 효율 및 수명 을 향상시킨다(^{Baker et al., 1997}).

Chen 등은 막여과 공정의 무기 오염을 연구하기 위해 고 구배 자기분리기를 사용했으며, 자화 전처리를 사용하면 막 투과플럭스의 감쇄를 효과적으로 줄일 수 있으며 저압 세척 후 막투과플럭스 회복율이 90 %이며 무자기 전처리 조건보 다 32.4 % 더 높다. 자화전처리 후 여과막의 표면에 형성된 CaCO₃은 더 이상 조밀한 방해석 구조가 아니라 부드럽고 여 과하기 쉬운 아라고나이트(Aragonite) 구조이며, 이는 여과막 의 안정적인 작동을 유지하는데 유리하다(^{Chen et al., 2015}).

Gao 등은 자력 응집과 고구배 자기분리 기술로 사탕수수 혼합액을 전처리하여 후기 단계에서 초여과막의 부하를 줄 였으며, 자기 응집은 분명히 오염물질을 제거하고 막오염을 줄이며 초여과막의 막투과플러스를 유지할 수 있음이 밝혀 졌다. 또한 전체 공정의 색도 및 탁도 제거에 원하는 효과를 달성했으며 사탕수수 혼합액의 순도는 80.2 % 이상 유지된다 (^{Gao et al., 2009}).

Wang 등은 자기분리와 막여과를 결합하고 원하는 세정 효 과를 달성하기 위해 자기 강화 세정공정을 설계하였다. 자기 분리는 촉매 산화와 같은 폐수처리 기술과 결합하여 특정 오 염물질을 제거한 후 처리 부하를 줄이고 후처리수 조건을 개 선하기 위해 자기분리를 사용한다. 단위 결합은 폐수처리 문 제를 해결하는 매우 효과적인 방법이며 다양한 기술의 결합 을 통해 효율성이 높고 소비량이 적은 오염물질을 제거할 수 있다. 따라서, 자기분리 기술의 대중화 및 적용은 다른 처리 기술과 반드시 결합될 필요가 있으며, 고구배 자기분리와 결 합한 기술은 폐수처리 분야에서 매우 중요한 위치를 차지할 것으로 예상된다(^{Wang et al., 2014}).

Dong 등은 가스보조식 자기분리(gas assisted magnetic separation, GAMs)기술을 이용하여 인공폐수 중 카드뮴(II) 을 제거 실험을 시행하였다. 결과를 보면 거품의 부상덕분에 큰 거리에 무질을 보획 제한을 극복하고 분리 속도을 대폭 증 가하였다. 이 연구 중에 에틸렌디아민 기반으로 개량한 자성 폴리-글리시딜 메타크릴산 미립자(ethylenediamine-modified magnetic poly-(glycidyl methacrylate) microspheres, EMPs)는 카드뮴의 흡착제로 제조되었고, 카드뮴(II)을 90 % 흡착된 EMPs는 넓은 가스유량의 범위에서 5분 이내 회수하였다 (^{Dong et al., 2015}). 가스보조식 자기분리 기술은 낮은 에너 지 요구, 작은 공간 요구 및 작동 편리한 장점이 있어서 폐수 처리분야에서 넓은 응용의 가능성을 판단할 수 있다.