비소는 지구상에 존재하는 유독성 물질 중 독성이 가장 큰 물질로 알려져 있다. 비소오염은 화산활동, 토양 및 암석 기원 등과 같은 자연적인 원인 또는 광산 활동, 산업 및 농업활동과 같은 인위적인 원인으로부터 초래된다. 지하수에서 비소는 유기 또는 무기 비소로 존재하며, 무기 비소는 환원 환경에서 아비산염, 산화 환경에서 비산염의 형태로 존재한다. 아비산염은 비산염보다 독성이 25-60배 강하며, 금속(수)산화물의 표면에 흡착이 잘 되지 않아 유동성이 높다.
철, 망간은 국내외 음용수 및 지하수 수질 기준에서 심미적 오염물질로 분류되어 있다. 하지만 많은 양의 철, 망간을 섭취할 경우 기형 유발, 신경성 독성이 발병할 수 있으며, 물맛이 변함에 따라 음용수로서 이용이 제한될 수 있다.
본 연구는 지하수 내 존재하는 아비산염의 제거를 위하여 자외선 광원과 자연 상에서 존재하는 철, 망간을 이용한 친환경적인 광촉매 산화 공정의 적용성을 평가하고자 수행되었다. 이를 위하여 본 연구에서는 광원과 광촉매의 특성을 분석하여 아비산염의 제거 양상을 비교하였으며, 아비산염의 광촉매 산화 공정에서의 주요한 영향인자 도출, 지하수 내 존재하는 용존 철, 망간을 이용한 아비산염의 제거 등 세 가지 목표에 따른 실험을 수행하였다.
아비산염의 광촉매 산화 공정에서 최적의 광촉매 투여량을 선정하기 위한 실험 수행 결과 0.05 g/L의 투여량에서 아비산염의 제거 효율이 91.1 %로 가장 높았으며, 0.05 g/L 이상의 광촉매 투여 시 용액의 탁도를 증가시켜 아비산염의 제거효율이 감소하는 경향을 보였다.
광원의 종류 및 파장에 따른 아비산염의 산화 효율 비교실험 결과 자외선램프가 자외선 LED에 비하여 높은 아비산염의 제거효율을 보였으며, 겉보기 제거 효율은 UVC>UVA>UVB>365 nm LED 순으로 높은 제거효율을 보였다. 하지만 제거효율을 표준화하여 평가하기 위하여 자외선 방사량 당 아비산염의 제거량과 전력 소모량 당 아비산염의 제거량을 산출한 결과 자외선 LED가 자외선램프보다 매우 높은 제거효율을 보였다.
아비산염의 광촉매 산화 공정에서 다양한 인자들이 광촉매 산화 반응에 미치는 영향을 분석한 결과, 우선 pH가 높은 환경에서 아비산염을 비산염으로 산화시키는 수산기라디칼(OH?)이 주로 생성되고 낮은 pH 환경에서는 수산기라디칼이 비교적 느리게 생성되기 때문에 아비산염의 광촉매 산화 효율은 높은 pH 환경에서 높게 나타났으며, 아비산염과 비산염의 혼합비에 따른 실험에서는 두 오염물질이 공존해도 아비산염의 광산화 공정에는 큰 영향을 미치지 않는 것을 알 수 있었다. 그리고 아비산염의 광촉매 산화 공정에서 1 mg/L 이하의 휴믹산을 투여할 경우 광산화 공정에 미치는 영향이 없었지만, 5 mg/L 농도의 휴믹산을 투여할 경우 수산기라디칼, 슈퍼옥사이드 음이온라디칼(O2?-)과 휴믹산의 반응이 증가하여 아비산염의 광촉매산화 효율이 감소하였다. 또한 산소를 주입하였을 때 산소가 전자 수용체 역할을 하여 아비산염의 광촉매 산화 효율이 증진되는 것으로 나타났다.
지하수 내 자연 상으로 존재하는 용존 철, 망간을 이용한 아비산염의 제거공정에 대한 실험결과, 용존 상으로 존재하는 철, 망간이 광산화 반응을 통해 침철석(FeOOH), 자철석(Fe3O4), 하우스먼나이트(Mn3O4) 등과 같은 산화물 형태로 산화되는 것을 확인하였다. 또한 아비산염의 제거 공정 동안 용존 철, 망간으로부터 생성된 철, 망간 침전물이 광촉매 및 산화제로 적용 가능한 것을 알 수 있었다. 아비산염의 광촉매 산화 공정 동안 철, 망간 침전물의 입자에 흡착된 아비산염의 산화 상태를 분석결과 흡착된 아비산염 또한 비산염으로 산화되는 것을 확인하였다.
결론적으로 본 연구의 결과를 종합해 볼 때 아비산염의 광촉매 산화 공정에서 심미적 오염물질로 분류된 철, 망간을 침전시켜 제거시킴과 동시에 생성된 철, 망간 침전물을 광촉매로 사용하여 아비산염과 철, 망간으로 오염된 지하수를 친환경적인 동시 제거공법으로 정화시키는데 적용이 가능하다고 판단된다. 또한, 광촉매 산화 공정에서 주로 사용되고 있는 자외선램프를 대신하여 자외선 LED를 광원으로 사용할 경우 광산화 공정의 경제성 및 공정 효율을 향상 시킬 수 있을 것으로 사료된다.

Arsenic (As) has been known to be the most toxic substance in the Earth. Groundwater contamination of As can be brought about by natural causes, such as volcanic activity and soil and rock sources, as well as by anthropogenic activities, such as mining, industry, and agriculture. Arsenic in groundwater exists as organic and/or inorganic forms. In addition, inorganic As appears in different speciations depending on the oxidation/reduction conditions, i.e., arsenite [As(III)] and arsenate [As(V)] are predominant in reducing and oxidizing environments, respectively. Furthermore, it is well known that arsenite is 25-60 times as toxic as arsenate and more mobile than arsenate because of its lower affinity onto the surface of metal (oxy)hydroxides.
Iron and manganese are classified as aesthetic pollutants in the domestic drinking water standard, because their high concentration in drinking water can deteriorate its taste. However, if they are intaken in the abnormally high levels, they can cause deformity and stimulate the nerve.
This study was conducted to evaluate the applicability of photocatalytic oxidation process using the light source of UV LED and the photocatalyst of naturally-occurring iron and manganese oxides to the removal of arsenite from groundwater. To attain the goals, the removal efficiencies of arsenite were compared according to the features of light sources and photocatalysts used. Additionally, the major factors affecting the removal of arsenite were investigated and the feasibility of simultaneous removal of dissolved iron and manganese and arsenite from groundwater was examined.
The optimum dosage of photocatalyst was determined to be 0.05 g/L and the highest removal efficiency (91.1%) of arsenite was obtained at that dosage. If the dosage of photocatalyst exceeded that level, the arsenite removal efficiencies were rather decreased due to the decrease in the penetration of irradiation as a result of the increase of turbidity.
In terms of the dependency of arsenite removal on the type and wavelength of light-sources used, apparent removal efficiencies of arsenite were investigated to be increased in the order of UVC > UVA > UVB > 365 nm LED, indicating the overall performance of the UV lamp was superior to UV LED. On the contrary, the removal efficiencies normalized per irradiation of UV and electric power consumption were estimated to be much higher in the UV LED than in the UV lamp.
The results of the study scrutinizing the effects of major factors on the performance of the process indicate that the higher pH conditions were more favorable owing to the fast production rate of hydroxyl radical (OH?) oxidizing arsenite to arsenate. In addition, it was examined that the mixing ratios between arsenite and arsenate did not affect the oxidation efficiency of arsenite. With regard to the effect of organic matters on the process, the humic acid of lower than 1 mg/L concentrations seemed not to influence the process, but its over than 5 mg/L concentration was investigated to significantly reduce the performance of the process as a result of the interactions of humic acid with hydroxyl and superoxide (O2?-) radicals. Finally, the results show that the injection of oxygen enhanced the oxidation of arsenite to arsenate because the oxygen injected acted as an electron acceptor.
The results of study on the removal of arsenite using naturally- occurring iron and manganese dissolved in the groundwater indicate that they were oxidized and precipitated to goethite (FeOOH), magnetite (Fe3O4), and hausmannite (Mn3O4) and also they acted as photocalyst to oxidize arsenite to arsenate. Furthermore, it was proven that the arsenite adsorbed onto the surface of those precipitates could be oxidized to arsenate.
Consequently, this study confirmed that the process for photocatalytic oxidation of arsenite can simultaneously remove dissolved iron and manganese which are classified aesthetic pollutants, as a result of oxidation and precipitation. In particular, it was demonstrated that the simultaneous removal of iron, manganese, and arsenite is environmentally-favorable because the process can be feasible without the injection of any chemical agents. Furthermore, the study verified that the use of UV LED as light-sources can improve the economy and performance of the process.