산화환원전위를 이용한 철산화 미생물의 FeSO4 산화

정성록·차월석·신성의

조선대학교 화학공학과

The Ferrous sulfate Oxidation of Iron-Oxidizing

Microorganism using ORP

Sung-Rock Jeoung·Wol-Suk Cha·Sung-Euh Shin

Dept. of Chem. Eng., Chosun University.

서  론

산업폐수 중에서 광산지역에서의 산성 광산폐수(acid mine drainage)의 배출은 중금속이 함유되어 있어 장시간 방치되면 금속이 서서히 이온화되면서 침출수와 함께 유출되어 토양 생태계를 오염시키고 토양내의 중금속은 일부 지하수로 유입되어 지하수 오염을 초래한다.1) 이러한 산성 광산 배수에 가장 크게 기여하는 것은 황철석으로 황철석의 산화는 무기적으로 또는 미생물에 의해 진행되는데 이 중 미생물을 이용한 산화반응은 광산배수의 산성화가 빠르게 진행되는 것  뿐만 아니라 경제적 측면, 2차 오염물질 발생 측면에서도 가장 유리한 것으로 알려져 있다. 이러한 황 함유광물의 오염을 막기 위해서는 중금속 처리가 선행되어져야 하는데 최근의 연구들은 생물학적 침출을 이용하여 석탄의 연소 전 탈황공정중의 하나로 미생물을 이용하여 석탄에 포함되어 있는 황을 연료의 손실 없이 제거하는 탈황공정과 금속함량이 30% 미만으로 물리·화학적 방법으로 금속을 침출하는데 있어서 경제성이 없는 저품위 광석의 침출에 생물학적 침출을 적용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.2) 그러나 이들 연구결과들은 석탄의 종류나 황의 함량에 따라 현저하게 다르고, 각 연구진에 의해 발표된 탈황속도도 동일한 균주 임에도 불구하고 많은 차이가 있다.

그리하여 본 연구에서는 생물학적 탈황제거를 더욱 효율적으로 수행하는데 있어서 도움이 될 수 있도록 유해 물질을 특이적으로 분해하는 미생물 즉, 철 산화 박테리아인 Thiobacillus ferrooxidans(ATCC 19859)와 광주시 위생처리장 촉매탱크의 분뇨로부터 시료를 채취하여 분리한 균주인 Thiobacillus ferrooxidans류를 FeSO4의 농도를 변화시켜 ferrous iron과 ferric iron의 비에 대한 redox potential과의 관계를 규명하여 생물학적 침출을 위한 기초적인 연구를 제공하고자 한다.

실험

균주 및 배지

실험균주는 Thiobacillus ferrooxidans(ATCC #19859)와 광주시 위생처리장에서 분리한 철 산화세균을 사용하였고 자가 영양성 세균의 증식 배양액으로는 Leathen, M(Beck)등의 여러 가지가 있으나 Fe2+ 농도가 높은 9K 배양액이 높은 균체 증식과 Fe2+산화율을 보인다고 보고하고 있다.3) 그리하여 균주 분리 또는 배양에 사용된 medium은 Membrane filter(Millipore Co., 0.45□)로 여과 멸균한 자가 영양성 증식 배양액인 Silverman's 9K medium 이다.4)

FeSO4 농도와 균체량에 영향  반응기운전 최적조건

생물학적 침출 실험에서 iron농도의 영향을 조사하기 위하여 초기 pH를 10N H2SO4를 이용하여 2.0으로 조절하고 200rpm과 온도는 30℃로 유지한 후, Basal Salts에 FeSO4 1□당 2.5g∼50g을 첨가한 후 농도변화에 따른 ferrous iron의 산화를 조사하였다. 또한 Thiobacillus ferrooxidans를 Cell Suspension하여 각각 1□, 2□, 3□를 Basal salts에 FeSO4 1□당 2.5g∼50g을 첨가하여 접종한 후 농도변화에 따른 ferrous iron의 산화를 조사하였다.

결과 및 토론

Ferrous iron과 ferric iron농도의 비와 온도에 따른 ORP의 검량선의 표준치를 얻어 검량선은 Fig. 1. 에 나타내었고 이 검량선에서 기울기와 y절편을 Table 1. 에 나타내었다.

Table 1. Standard potential of the Fe+3/Fe+2 couple and RT/nF at dif

ferent temperatures

Temperature	E0(mV)	RT/nF(mV)
20	462.08	22.23
25	472.30	25.53
30	481.14	27.19
35	491.68	29.06

Fig. 1. Redox potentials of solutions containing different ratios  of ferric of ferrous iron at different temperatures

그리고 Fig. 2.와 Fig. 3.에서는 FeSO4 농도변화에 따른 ferrous iron의 산화를 나타내었다. 이결과 Thiobacillus ferrooxidans와 분리균주 모두 반응시간이 경과함에 따라 점차적인 ferrous iron의 산화가 증가함이 관찰되었으며, 또한 ferrous iron의 초기 농도와 최종적으로 생성된 ferric iron의 농도 차이는 ferric iron의 침전물인 jarosite에 기인하는 것으로 배양 40시간 이후엔 육안으로 적갈색 침전이 확인되었다. jarosite는 K+, Na+, NH4-, H3O+와 같은 양이온과 황산염이 결합되어 MFe3(SO4)2(OH)6형태로 침전되는 불용성 물질이다. 그 반응은 아래와 같다.

4FeSO4 + 2H2SO4 + O2 → 2Fe2(SO4)3 + 2H2O

2Fe2(SO4)3 + 12H2O → 4Fe(OH)3 + 6H2SO4

Fig. 2. Effect of FeSO4 concentration on the iron oxidation by  Thiobacillus ferrooxidans at 30℃, 200rpm, 1□ and pH 2.0

Fig. 3. Effect of FeSO4 concentration on the iron oxidation by the isolated microorganism at 30℃, 200rpm, 1□      and pH 2.0

또한 초기 pH를 10N H2SO4를 이용하여 2.0으로 조절하고 200rpm과 최적온도인 30℃로 유지하여 Cell Suspension한 것 2□를 Basal Salts에 FeSO4 1□당 2.5g∼50g을 첨가하여 접종한 후, 농도변화에 따른 ferrous iron의 산화를 조사하여 Thiobacillus ferrooxidans와 분리균주에 대해 각각 Fig. 4.과 Fig. 5.에 나타내었다.

Fig. 4. Effect of FeSO4 concentration on the iron oxidation by Thiobacillus ferrooxidans at 30℃, 200rpm, 2□ and pH 2.0

Fig. 5. Effect of FeSO4 concentration on the iron oxidation by  the isolated microorganism at 30℃, 200rpm, 2□ and pH 2.0

참고문헌

1. Schalscha, E. B., "Heavey metal movement in irrigated soil", Encyclopdia of     Environmental control Technology, 3, 543 (1989).

2. Korgi, F., "Microbial Coal Desulphurization", Enzyme Microb. Technol., 4,

13∼19 (1982).

3. 이현섭, □저품위 우라늄 광석의 세균침출에 관한 연구□, 석사학위 논문,

아주대학교.

4. Silverman, M. P. and Lundgren, D. G.,"Studies on the chemoautotrophic        iron bacterium Ferrobacillus ferrooxidans", J. Bacteriol., 77, 642-647 (1959).