자연 발생 비소를 제거하기 위해 철 염을 사용하는 원리가 무엇인가요?

Question

자연 발생 비소를 제거하기 위해 철 염을 사용하는 원리를, 철 이온이 가수분해되어 형성된 수산화철 앙금 표면의 양전하가 음전하를 띤 비산 이온을 정전기적 인력으로 강력하게 포집하는 무기 계면 반응으로 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

지하수나 토양 등에 존재하는 자연 발생 비소를 제거하기 위해 철 염을 투입하면, 철 이온은 물속에서 급격한 가수분해 반응을 거치며 수산화철 또는 산화수산화철 형태의 불용성 앙금을 형성합니다. 이 과정에서 생성된 수산화철 입자의 표면은 주변 환경의 수소 이온 농도에 따라 특정한 전하를 띠게 되는데, 일반적으로 중성이나 약산성 조건에서는 입자 표면의 수산화기가 수소 이온을 흡수하여 양전하를 강하게 띠는 상태가 됩니다.

​이때 물속에 녹아 있는 비소는 주로 산소와 결합한 비산 이온 또는 아비산 이온 형태의 음전하를 띤 다원자 이온으로 존재합니다. 양전하로 대전된 수산화철 앙금 입자는 무기 계면에서 일종의 거대한 자석과 같은 역할을 수행하며, 반대 전하를 가진 비산 이온들을 정전기적 인력으로 강하게 끌어당깁니다.

​이러한 정전기적 인착은 단순히 입자 표면에 머무는 수준을 넘어, 비산 이온이 수산화철 표면의 수산화기와 직접 화학적 결합을 형성하는 내권 착물 형성 과정으로 이어지기도 합니다. 결과적으로 액체 속에 분산되어 있던 독성 비소 이온들은 고체 앙금의 표면에 견고하게 포집되며, 이후 침전이나 여과 공정을 통해 수산화철 덩어리와 함께 물리적으로 완전히 분리·제거되는 원리입니다. 이 방식은 별도의 복잡한 장치 없이도 무기 화학적 계면 반응을 통해 높은 효율로 중금속을 정화할 수 있다는 장점이 있습니다.

Answer 2

안녕하세요.

지하수나 일부 온천수에는 암석 속 광물에서 유래한 자연 발생 비소가 녹아 있는 경우 Fe₂(SO₄)₃이나 FeCl₃ 같은 철 염을 물에 투입하는 방식으로 비소를 제거합니다. 이 과정에서 철 이온이 물속에서 가수분해되며 매우 미세한 수산화철 입자와 앙금을 형성하고, 그 표면이 비소 이온을 강하게 흡착합니다. 물속에 들어간 Fe³⁺ 이온은 물 분자와 반응하여 가수분해되고, 이때 생성되는 수산화철 앙금은 표면적이 매우 크고, 표면에는 수산기가 많이 노출되어 있습니다. 중성 부근 pH에서는 이 표면이 부분적으로 양전하를 띠게 되는데, 자연수 속 비소는 주로 비산염 형태의 음이온으로 존재하며 H₂AsO₄⁻, HAsO₄²⁻와 같은 비산 이온이 많습니다.

이러한 음전하 비산 이온은 양전하를 띠는 수산화철 표면에 정전기적 인력으로 끌려가 흡착되며, 표면의 수산기와 비산 이온 사이에서 리간드 교환 반응이 일어나 비교적 강한 내구성을 가진 표면 착물을 형성하기도 합니다. 즉, 수산화철 표면의 -OH 자리에 비산 이온이 결합하면서 표면에 고정되고, 양전하를 띤 표면 활성 부위가 음전하 비산 이온을 붙잡아 표면 복합체를 만듭니다. 또한 수산화철 앙금은 매우 미세한 플록 형태로 응집되는데, 비소를 흡착한 뒤 서로 뭉쳐 큰 입자가 되면서 침전됩니다. 이후 침전 및 여과 공정을 거치면 비소가 제거된 물을 얻을 수 있습니다. 감사합니다.