아프리카의 많은 국가와 지역에서 불소제거를 위하여 사용되는 Nalgonda 기술은 응집/침전반응 기반의 제거기술로써 인도의 NEERI (National Environmental Engineering Research Institute)에서 처음 개발된 공정기술이다. 석회(lime)와 알럼(alum, Al₂(SO₄)₃ xH₂O)을 사용하여 CaF₂를 형성해 침전시켜 제거하는 방법으로써 간단하게 먹는물을 확보할 수 있어서 각 가정과 소규모 마을단위의 공동지역에서 보편적으로 사용하고 있다. 그러나 높은 농도의 불소 제거를 위해서는 다량의 알럼 주입이 필요하고, 이에 따른 슬러지 발생 및 운반문제, 높은 용존 고형물 존재시 화학적 특성에 따른 낮은 제거효율(18~33%), 원수의 알칼리도 및 오염정도와 무관한 과량의 알럼주입으로 인한 알츠하이머 증후군 유발 가능성 등의 문제가 제기되고 있다. Nalgonda 공정에 의한 대용량의 효율적 운영을 위해서는 지속적인 모니터링과 함께 숙련된 작업자에 의한 관리가 요구된다. 그러나 아프리카 대륙의 주요도시를 제외한 대부분의 지역사회는 시설운영을 위한 도로 및 전력과 같은 기본적인 인프라 상황이 낙후되어 있고 전문인력이 부족하여 수처리시설을 통하여 생산된 물은 수질이 낮고 수요자의 만족도가 매우 낮은 것으로 조사되었다[17,23]. 이러한 단점들로 인해서 응집/침전에 의한 단일 기술로 적용하는 사례는 드물고 원수의 오염 부하를 줄이기 위한 전처리 공정으로써 일부 적용하고 있다.

불소오염 지하수를 대상으로 전기를 이용한 응집공정으로 불소를 제거시키는 방안도 고려될 수 있다. 알루미늄 또는 철로 만들어진 전극(양극)에 전류를 공급하여 전기적 산화반응으로 생성된 응집성분으로 불소를 제거하고 음극에서 기체(수소)가 발생하여 응집된 고형물을 부유시켜 제거하는 기술이다[24]. 전기화학, 응집, 부상의 반응으로 불소를 제거할 수 있는 전기응집은 화학 응집제를 사용하지 않기 때문에 슬러지의 발생량이 적고 제거효율이 높으며 빠른 반응시간으로 기술의 집약화가 가능하여 처리시설을 위한 많은 공간이 불필요하다. 최적 반응을 위한 pH조정과 불소이온과 경쟁관계에 있는 음이온이 존재하면 제거율이 저하되며 안정적인 전력의 공급과 높은 초기 시설비 및 전극 오염 방지 등을 위한 유지관리의 대안이 요구되는 처리방법이다[24,25]. Emamjomeh 연구진(2009)은 연속흐름식 전기응집 파일럿 시설을 운전하여 불소제거능과 운영비용을 검토하였다. 전기응집공정은 많은 양의 불소제거를 위해서는 높은 전류밀도가 요구되지만 불소 초기 농도가 5 mg/L인 조건에서는 동일한 처리용량에 대한 Nalgonda 공정에 비하여 0.36~0.61배의 비용이 소요되어 경제적인 것으로 분석되었다[26]. 그러나 전기응집에 사용되는 알루미늄 전극 유지관리에 소요되는 비용은 총 운영비의 53%를 차지하고 공급하는 전류밀도와 초기 불소오염 농도가 증가할수록 총 비용이 증가하는 것으로 분석되어 전기 응집공정의 경제성 확보를 위해서는 초기 불소농도 및 전극의 오염을 고려한 재질의 선정과 최적 전류밀도가 고려된 공정의 선정이 필요하다.

이온교환수지를 이용하여 오염물의 이온을 치환하여 제거하는 기술로써 유해이온을 무해이온으로 치환하여 제거, 용존된 다양한 이온을 수지와의 친화력으로 분리 제거, 양이온 수지 및 음이온 수지의 조합으로 제거하는 방안 등이 있다. 보일러 용수의 경도 제거, 폐수 내 중금속 제거 및 회수 등에 이온 교환수지 기술이 적용되고 있으며 불소 제거를 위해서는 암모늄 작용기를 갖는 강한 음이온 교환 수지를 이용해 오염수 내 불소 이온을 수지의 염소 이온과 대체하여 제거가 가능하다. 이 반응은 레진이 모두 소진될 때까지 진행되고 이후 과량의 NaCl이 용해된 용수로 세척시키면 불소이온이 새로운 염소이온으로 대체되어 강한 전기음성도를 갖는 불소를 연속으로 제거시킬 수 있다[27]. 10 mg/L 이상의 불소로 오염된 오염수의 정화를 위해서는 화학 침전법으로는 한계가 있고 불소이온을 선택적으로 제거할 수 있는 응집제(CeO₂)는 있으나 경제성이 낮아 이를 위해서 수지에 의한 이온교환능을 증대시키는 연구가 수행되었다. Ho 연구진(2004)은 다공성 구조의 mesoporous TiOx(OH)y(Ti oxohydroxide)을 제조하여 지르코니아(zirconia)와 실리카(silica)를 반응시켜 이온교환능을 개선시켰다[28]. 그러나 음이온 교환수지를 이용한 불소제거는 불소이온에 대한 선택도가 낮아 제거율이 낮아지는 결과가 도출되어 많은 연구들이 실리카 및 알루미나 겔과 같은 무기 양이온 교환제나 철(III), 란탄(III), 세륨(IV), 지르코늄(IV)과 같은 양이온 교환기를 포함한 고가의 금속을 활용한 연구가 수행되었고 실용화 단계로는 진행되지 못했다[29].

분리막을 활용한 기술은 주로 담수를 얻기 위한 기술로 적용되고 있으나 불소제거에도 활용이 가능한 기술로써 역삼투, 전기투석 등이 있다. 막을 중심으로 둘 이상의 오염물이 섞인 혼합물이 용매와 함께 반투과성 막을 통하여 서로 다른 속도로 이동하여 분리되며 막은 생산하고자 하는 용수의 수질에 따라서 다양한 재질로 제작되는 얇은 고분자 필름으로 용매에 의하여 용해되거나 구김이 발생하지 않는 특성을 갖는다.

역삼투는 반투막을 통과하는 공급수에 고압을 인가하여 음이온을 제거하는 물리적 공정으로써 많은 장점이 있지만 막세정 및 유지를 위한 전처리 시설 및 높은 유지관리비 요구, 높은 압력 공급에 의한 에너지 필요, 처리 후 농축수 처리 및 탈염에 의한 미네랄 추가 필요 등이 요구되어 저개발국가에 도입하기 위해서는 사전에 검토되어야만 하겠다. Kettunen과 Keskitalo(2000)는 먹는물에서 불소와 알루미늄의 제거를 위하여 분리막(역삼투 및 나노여과) 기술과 석회석 여과 공정을 적용하여 각각 95%와 76% 정도의 불소 제거 효율을 보였다[30]. Ndiaye 연구진(2005)은 전자기기 제조 과정에서 발생되는 불산폐수로부터 불소제거를 위하여 역삼투 공정을 적용하였고 불소 제거율이 98% 이상으로 유지될 수 있었으며 Diawara 연구진(2011)은 세네갈의 높은 불소와 염분이 포함된 지하수를 정화시키기 위하여 나노여과 및 저압역삼투(Low Pressure Reverse Osmosis, LPRO) 공정을 적용하였고 97~98.9%의 불소 제거율을 달성하였다[31,32]. 한편 나노여과막은 역삼투막보다는 막의 기공이 커서 용매 및 용질의 통과에 대한 저항이 적다. 결과적으로 요구되는 압력과 에너지가 역삼투 공정보다 낮아서 일부 기수에서 높은 효과를 보이고 있다. 불소를 포함한 모든 염을 제거하는 역삼투 공정과 비교하여 나노여과 공정은 부분적인 불소제거가 가능하고 운전방법에 따라서 투과수 내 적정 불소함량 조절이 가능하다[33]. Dolar 연구진(2011)은 비료 산업폐수로부터 불소와 인산염 부하를 감소시키기 위하여 역삼투/나노여과 공정을 적용하여 역삼투막에서는 96% 이상, 나노여과로부터는 50-90%의 불소 제거 성과를 보였다[34]. Pontie 연구진(2012)은 나노여과가 다른 할로겐화물 이온으로부터 선택적으로 불소를 제거할 수 있고 역삼투막보다 낮은 에너지 소비로 총 염도를 줄이고 불소를 제거할 수 있다고 제시하였다[35].

전기투석은 이온교환막을 설치하고 전기장을 형성시키면 수용액 내의 전해질 이온물질이 정제 또는 농축되는 기술로써 양이온 교환막과 음이온 교환막 등을 교대로 위치시킴으로써 염 물질의 분리가 가능하다. 상온에서 상(Phase)의 변화없이 운전이 가능하여 에너지 효율적이고 적은 에너지의 투입으로도 오염물의 제거가 가능한 방법으로 알려져 있다[36]. Zeni 연구진(2005)은 셀레늄 음이온막과 광중합성 음이온막을 이용하여 전기투석으로 불소제거 실험을 진행하였고 전류밀도에 따라서 셀레늄 음이온막에 의한 불소제거율이 69~97%로 나타났으며 염화물(1가)이나 황산염(2가)과 같은 이온이 없을 때 제거율이 높은 것으로 나타났다. 또한 막을 통한 불소의 이동은 전류밀도와 주입농도에 따라서 증가하는 결과를 보였다[37,38].

흡착은 이온 물질간의 물리적 또는 화학적 상호 작용에 의해서 오염물이 분리되어 물질의 표면으로 고정되는 표면 현상으로써 지하수 및 지표수에 과량으로 함유된 불소를 제거할 수 있는 가장 선호하는 방법으로 알려져 있다. 물에서의 불소의 흡착은 pH, 온도, 흡착질의 종류와 농도, 흡착제의 비표면적 등에 의해서 영향을 받고 그 중에서도 pH 조건이 불소제거에 있어서 중요한 영향을 주는 것으로 알려져 있다[39]. 특별한 재질의 분리막과 높은 에너지가 요구되는 역삼투 공정이나 슬러지 발생이 많은 화학적 응집/침전을 이용하는 방법에 비해서 제거효과가 우수하고 공정 설계 및 운영이 용이하며 경제적 측면에서 가장 높은 선호도를 갖는 기술이다[19,40]. 원수의 다양한 pH 조건에서도 응집/침전에 의한 제거보다 낮은 불소함량의 제거가 가능하고 활성 알루미나, 활성탄, 코코넛 껍질, 왕겨, 골탄, 커피박 등과 같이 다양한 흡착제를 제조 및 선택할 수 있어서 더욱 활용도가 높은 기술이며 가장 많이 적용되는 흡착제는 활성알루미나와 활성탄으로 대표되고 있다[38,41-43]. Ku와 Chiou (2002)는 불소제거를 위한 운전 조건의 영향을 살펴보기 위해서 활성알루미나를 흡착제로 하는 Lab 반응기(2 L)를 통한 실험을 진행하였다[44]. 음이온의 불소를 제거하기 위해서는 pH가 가장 중요하여 4.0~6.0 구간에서 가장 높은 제거율을 보였고 온도는 크게 영향을 주지는 않는다는 결과를 제시하였다. 또한 음으로 하전된 알루미나 표면에 대한 불소 이온의 정전기적 반발로 인해서 불소의 흡착이 산성조건에서는 지연되고 평형조건의 pH가 7.0보다 높을 때, 불소 흡착이 감소되는 것을 실험을 통하여 밝혔다. Gebrewold 연구진(2018)은 왕겨와 옥수수대로부터 화학적으로 개량시킨 활성탄을 비교 연구하였다. Column 실험에서 옥수수대 활성탄(제거율: 89% (5.8 mg/g))에 비하여 왕겨 활성탄은 최대 91%의 불소 제거율(흡착능 7.9 mg/g)을 보였고 흡착 동역학의 결과는 높은 상관 계수를 갖는 유사 2차 동역학 모델을 따르는 것으로 나타났다[45]. 화학적으로 제조한 커피박과 옥수수대 기반의 흡착제로 불소이온 제거 실험을 수행한 Getachew 연구진(2015)은 pH 2.0의 조건에서 커피박 흡착제 주입량은 18 g/250 mL(접촉시간, 3 hr)이었으며 초기 불소 농도 10 mg/L에 대하여 제거율은 86%로 나타나 반응시간 및 흡착제 주입량 측면에서 옥수수대보다 우수한 것으로 나타났다[43].

골탄은 동물뼈를 약 600℃에서 탄화시킨 다공성 물질로써 칼슘성분을 다량 함유하고 있어서 아프리카의 많은 지역에서 불소제거를 위한 수처리 공정에 적용하고 있다. 육류 소비가 지속적으로 증가함에 따라서 폐기되는 뼈의 양도 증가되기 때문에 폐기물 재활용 측면에서도 유익한 방안이 될 수 있고 동물의 종류, 연령, 골격의 부위에 따라서 성분 및 조직이 다른 특성을 갖고 있어 흡착제로써의 유리한 측면이 있다[46]. 주로 소각을 통해서 폐기되는 동물뼈의 무기 인산칼슘(Ca₅(PO₄)₃⁺, apatite) 성분은 생물학적 형태로써 탄화 또는 소결과정에서 수산화인회석(hydroxyapatite (HAP))으로 형태가 변화되어 이온교환, 침전 및 정전기적 상호작용의 복합적 반응으로 불소인회석(Ca₁₀(PO₄)₆F₂, fluoroapatite)을 생성 및 침전시켜 불소를 제거시킬 수 있다. 최적의 흡착성능을 위해서는 인산칼슘의 양과 형태가 중요하고 이는 탄화 온도 및 체류 시간이 중요한 요소이다. 소 대퇴골 골탄 소성시에 온도가 650℃에서 700℃로 증가되면 비표면적이 62에서 69 m²/g으로 증가하고 총 공극 부피가 0.2에서 0.23 cm³/g으로 증가되었다. 그러나 1000℃ 이상으로 증가되면 부피는 0.02 cm³/g로 감소하였고 불소 제거능도 5.92에서 0 mg F/g으로 감소하였다[47]. 동물 뼈의 종류 및 크기에 따라 다양할 수 있으나 일반적인 적정 소성온도는 500-700℃로써 이보다 낮으면 골탄에 유기물이 불완전 연소되어 처리된 물에 더 많은 유기물이 유출되고 더 높은 온도로 소성 및 탄화되면 HAP의 디하이드록실화(dehydroxylation)가 진행되어 불소제거능이 저하된다. 또한 금속 양이온(Al³⁺, Fe³⁺ 등)으로 골탄의 표면을 개질 또는 코팅하여 CaF₂, AlF₃, FeF₃의 형태로 표면에 형성시켜 불소제거능을 증대시킬 수도 있다[48,49]. Shahid 연구진(2019)은 소뼈를 열분해(350℃) 및 표면처리하여 골탄을 제조하였고 79.34 m²/g의 비표면적으로 약 10.56 mg F/g의 불소를 제거하였다[48]. Kaseva (2006)은 탄자니아의 식수로부터 불소제거를 위해 골탄을 500℃(2시간)에서 탄화시켜 제조하였고 0.5-1.0 mm로 분쇄시켜 불소제거능을 실험한 결과 0.75 mg F/g의 불소를 흡착시켜 2분 동안의 접촉시간으로 70.64% 불소제능 결과를 도출하였다[50,51]. 이와 같이 골탄은 불소에 오염된 지표수 또는 지하수를 경제적인 측면, 처리 용량, 지속가능적 측면 등에서 적용될 수 있는 가장 대표적인 방안이다. 불소오염 원수의 탁도, pH, 잔류 이온농도 등이 불소제거에 영향을 주는 것으로 연구를 통하여 밝혀졌으나 아프리카 현지에서 이러한 모든 조건을 고려하기는 어렵다. 주로 골탄 제조를 위하여 동물뼈 종류, 소성온도, 소성을 위한 가마의 형태, 체류시간, 탄화된 골탄의 입자크기 정도를 검토할 수 있으며 Maeng 연구진(2020)은 에티오피아 현지 적용을 위한 골탄 생산을 위하여 동일한 조건의 가마 구현을 통해 소뼈를 대상의 적정 탄화온도와 체류시간에 따른 골탄의 성상을 분석하였다. 또한 에티오피아에서 가장 많이 사용되고 있는 골탄과 성능비교를 통하여 골탄 제조방안과 골탄에 의한 흡척공정의 최적 운전조건을 도출하여 적정기술을 제안하였다[51]. 대상국의 현지에서 불소제거를 위하여 용이하게 적용할 수 있는 골탄에 의한 원료별 탄화조건에 대한 내용을 Table 2에 정리하였고 원료 및 탄화조건에 따라서 다양한 흡착능을 갖는 것으로 분석된다.

나노물질은 넓은 표면적, 전기화학적 특성, 크기에 의한 물리화학적 특성변화 등으로 수처리 기술에 다양하게 적용되고 있다. 나노물질을 이용한 기술은 원자 및 분자 규모(1-100 nm)에서 대상물질을 제거하는 재료나 이를 이용한 시스템에 대한 기술을 포함하며 높은 비표면적, 우수한 선택성, 가변적인 세공크기, 빠른 반응속도 등으로 다양한 흡착공정에 적용되고 있다. Sundaram 연구진(2009)은 생체 고분자인 키틴을 이용한 나노하이드록시아파타이트/키틴(n-HApCh) 합성물을 이용하여 표면에 불소를 흡착시키는 연구를 수행하였다. n-HApCh 합성물에 의한 불소의 흡착속도는 유사 2차 및 기공 확산 패턴을 따르고 나노하이드록시아파타이트(n-HAp)의 흡착능(1.30 mg/g)보다 더 높은 2.84 mg/g의 흡착능을 갖는 것으로 나타났다[52]. Bhaumik 연구진(2010)은 Fe₃O₄/polypyrrole 자성 나노 복합체를 흡착제로 불소제거 실험을 수행한 결과, 나노 입자의 매우 작은 비표면적에 의해서 빠른 불소 흡착력을 보였고 온도, 반응 pH, 흡착제 주입량에 대해서 높은 친화성을 갖는 것으로 나타났다. 20.0 mg/L의 불소 잔류농도에 대하여 제작된 흡착제 주입으로 0.3 mg/L까지 제거 가능한 것으로 나타났다[53]. Chen 연구진(2009)은 고분자 라텍스를 바인더로 하는 나노크기의 Fe-Al-Ce를 모래에 코팅한 흡착제를 사용하여 pH 7.0에서 2.22 mg/g (27.5% 코팅)의 불소 흡착능을 보였고 컬럼 테스트에서는 초기 불소농도 5.5 mg/L의 조건에서 최종 유출수가 1.0 mg/L 이하로 처리되는 결과를 보였다[54]. Nanomagnesia의 제조를 통하여 수질정화 가능성을 실험한 Maliyekkal 연구진(2008)은 개발 소재에 의한 불소 흡착 제거가 매우 우수하고 지하수에서 일반적으로 발생하는 pH 범위에서 흡착량이 변하지 않는다는 것을 보였다. 다양한 이온들의 존재에 대한 불소 제거율에 미치는 영향도 조사하여 인산염은 가장 큰 경쟁 이온이었고 다음이 중탄산염 이온으로 나타났다[55]. 이와 같은 나노기술에 의한 불소제거는 원수의 온도, pH의 영향, 흡착제 주입량, 반응속도 등의 내부분의 측면에서 우수한 흡착제거능을 나타내는 것으로 연구결과를 나타내고 있다. 그러나, 아프리카 지역과 같이 높은 오염도를 보이는 지하수 및 지표수를 대상으로 안전한 먹는 물 확보를 위한 적용 방안으로 좋은 대안 일수 있으나 지속가능성을 위해서는 흡착제 합성을 위한 기술력 확보, 현지의 대량 생산 및 먹는물 처리 시설운영을 위한 인프라 구축 등이 함께 고려된 유지관리 방안 및 계획의 고려가 요구된다. 이상의 기술에 대한 장단점과 경제성을 Table 3에 요약 정리하였다.