Valorization of Mn-Rich Sludge from an Acid Mine Drainage Treatment Facility via Alginate Encapsulation for Aqueous Manganese Removal

Abstract

산성광산배수（acid mine drainage, AMD） 처리 과정에서 대량으로 발생하는 폐기물인 함망가니즈 슬러지（manganese-rich acid mine drainage sludge, Mn-AMDS）는 잠재적인 유해 망가니즈의 용출 위험으로 인해 재활용이 제한되며 지속적인 환경적 부담을 초래한다. 본 연구는 이러한 함망가니즈 슬러지의 구조적 불안정성을 극복하고 수계 망가니즈 제거용 흡착제로 자원화하기 위해, 천연 고분자인 알지네이트（alginate）를 활용한 캡슐화 공정을 도입하여 3 차원 하이드로겔 비드를 제조하고 그에 따른 물리화학적 기작을 규명하였다. 원시료에 대해 다각적인 특성 분석（XRD, FTIR, Raman, SEM/EDS）을 수행한 결과, Mn- AMDS 내 망가니즈 산화물은 얀-텔러 왜곡（Jahn-Teller distortion）을 유발하는 고스핀 Mn³⁺가 풍부한 무질서 상 버네사이트（c-disordered birnessite）로 존재하였다. 그러나 알지네이트 캡슐화 과정에서 고분자 사슬의 수산화기（-OH）가 전자 공여체로 작용하여 산화되면서, 불안정한 Mn³⁺를 Mn²⁺로 환원시킴으로써 [MnO₆] 팔면체의 대칭성을 회복하고 구조를 안정화하는 현상이 확인되었다. 또한, 이 연쇄 산화 과정에서 환원되어 용출된 Mn²⁺ 이온은 알지네이트와 즉각적인 가교 결합을 맺어 겔 네트워크 내에 사전 가교（pre-crosslinking）를 형성하며 2 차 오염물질을 자가 포집하는 능동적인 안정화 기작을 나타내었다. 이후, 수처리 흡착제로의 활용을 위해 비드의 제조 조건을 최적화하고 그에 따른 성능을 평가하였다. 가교 시간 및 초기 pH 조건에 따른 용출·흡착 실험 결과, 30 분의 짧은 가교 시간만으로도 충분한 화학적 안정성을 확보하였으며, 약산성 및 중성의 pH 조건에서 안정적인 망가니즈 제거 효율을 달성하였다. 또한, 건조 방식（동결건조, 오븐건조, 자연건조）에 따른 흡착 성능을 비교한 결과, 동결건조 방식을 적용하였을 때 비드의 내부 기공 네트워크와 비표면적이 극대화되어 가장 우수한 망가니즈 흡착 효율을 나타냈다. 결론적으로 본 연구는 함망가니즈 슬러지가 본질적으로 지닌 구조적 불안정성을 천연 고분자와의 융합을 통한 화학적 제어로 극복함과 동시에, 이를 오염된 수계 복원 공정에 재투입할 수 있는 실효성 있는 자원 순환형 환경 정화 소재로서의 활용 가능성을 입증하였다.