본 논문에서는 체계적인 실험을 통하여 음이온 교환 수지를 이용하여 오쏘인산염 제거에 관한 연구를 수행하였다. 첫째, 오쏘인산염은 pH에 따라 그 형태가 달리 존재하는데, 이에 따른 이온 교환을 살펴보았다. 둘째, 0.1 N 염산(HCl)을 이용하여 음이온 교환 수지의 재생 가능성을 검토하였다. 셋째, ...
본 논문에서는 체계적인 실험을 통하여 음이온 교환 수지를 이용하여 오쏘인산염 제거에 관한 연구를 수행하였다. 첫째, 오쏘인산염은 pH에 따라 그 형태가 달리 존재하는데, 이에 따른 이온 교환을 살펴보았다. 둘째, 0.1 N 염산(HCl)을 이용하여 음이온 교환 수지의 재생 가능성을 검토하였다. 셋째, 알칼리도(HCO3-) 증가에 따른 이온 교환을 확인하였다. 넷째, 오쏘인산염 외 음이온 존재에 따른 이온 교환을 검토하였다. 다섯째, 음이온 교환 수지를 실제 하수 종말 처리장 최종 방류수에 적용하여, 오쏘인산염 제거 타당성을 실험적으로 제시하였다. 본 연구에 사용된 음이온 교환 수지는 (주) 삼양사의 강염기성 음이온 교환 수지인 TRILITE SAR 10MB이였다. 이는 폴리스타이렌(polystyrene)과 다이비닐벤젠(divinyl-benzene)의 3 급 아민화된 공중합체(copolymer)로, 이온 교환 형태는 Cl- 이였다. 오쏘인산염 용액은 NaH2PO4, Na2HPO4, Na3PO4 1 급 시약을 이용하여 조제하였다. 음이온 교환 수지 10 g이 들어있는 이온 교환 컬럼에, 오쏘인산염 용액 및 하수 종말 처리장 최종 방류수 등을 연동식 정량 펌프를 이용하여 200 mL/h 유속으로 이온 교환 컬럼 아래에서 위로 흘려주었다. 컬럼을 통과한 유출수를 단위 시간으로 회수하여 오쏘인산염 농도 및 pH 측정을 하였다. 100 ppm P 용액을 각각 (a) NaH2PO4, (b) NaH2PO4+Na2HPO4 (50:50), (c) Na2HPO4, (d) Na3PO4로 조제하였다. 이 용액의 초기 pH는 (a) 5.14, (b) 7.24, (c) 8.86, (d) 11.52이었다. 2,000 mL를 흘려준 것에 대한 제거 효율은 (a) 77.72 %, (b) 73.35 %, (c) 98.40 %, (d) 81.38 %로 나타났으며, 오쏘인산염 형태에 따른 제거 효율은 H2PO4- < PO43- < HPO42- 이었다. 음이온 교환 수지 재생에 따른 이온 교환 용량의 차이는 크지 않았다. 0.1 N HCl을 이용하여 (a) NaH2PO4와 (b) NaH2PO4+Na2HPO4(50:50)는 7 회, (c) Na2HPO4와 (d) Na3PO4는 10 회 반복 재생하였고, 100 ppm P 용액 2,000 mL를 흘려준 것에 대한 평균 제거 효율은 (a) 77.19 %, (b) 73.80 %, (c) 96.07 %, (d) 79.61 %로 나타났다. 일반적인 하수의 pH가 6.5 ~ 7.5임을 감안할 때, 오쏘인산염은 주로 H2PO4-와 HPO42- 형태로 존재하며, 알칼리도는 HCO3- 형태로 존재한다. 알칼리도에 따른 이온 교환을 확인하고자, 100 ppm P 용액을 NaH2PO4+Na2HPO4(50:50)로 조제하였다. 여기에 NaHCO3 시약을 이용하여 (a) 0 ppm HCO3-, (b) 50 ppm HCO3-, (c) 100 ppm HCO3-, (d) 200 ppm HCO3-를 넣어주었다. 초기 pH는 (a) 7.10, (b) 7.21, (c) 7.27, (d) 7.39이었다. 2,000 mL를 흘려준 것에 대한 제거 효율은 (a) 76.76 %, (b) 88.43 %, (c) 95.91 %, (d) 98.06 %로 나타났으며, 알칼리도가 증가할수록 이온 교환 제거 효율 또한 증가하였다. 하수에는 오쏘인산염 외 음이온이 존재하는데, 이에 따른 이온 교환을 확인하고자, NaH2PO4+Na2HPO4(50:50)를 이용하여 (a) 5 ppm P, (b) 10 ppm P, (c) 50 ppm P, (d) 100 ppm P 용액을 조제하였다. 여기에 NaHCO3, NaCl, NaNO3, Na2SO4 시약을 이용하여 [100 ppm HCO3-, 50 ppm Cl-, 30 ppm NO3-, 30 ppm SO42-]을 넣었다. 초기 pH는 (a) 7.90, (b) 7.79, (c) 7.31, (d) 7.37이었다. 이온 교환 결과 (a) ~ (d) 모두 유출수의 오쏘인산염 농도가 유입수의 오쏘인산염 농도보다 높게 나타나는 구간이 나타났다. 이는 오쏘인산염 외 음이온의 경쟁 및 방해의 효과로, 두 종류 이상의 음이온이 이온 교환 수지에 의해 경쟁적으로 제거될 때, 상대적으로 선택성이 낮은 이온이 먼저 유출되고, 선택성이 높은 이온은 컬럼에 오래 머물게 되기 때문이다. 이온 교환 수지의 용량이 거의 다 소모되면 유입수에 포함된 이온은 이온 교환 수지에 의해 제거되지 못하고 그대로 유출되고, 또 이온 교환 컬럼에 머물고 있던 선택성이 낮은 이온이 유입수 중에 포함된 선택성이 높은 이온에 의해 치환된다. 따라서 유입수보다 유출수의 농도가 높아지게 된다. 음이온 교환 수지 10 g을 강원도 원주시 소재 원주 하수 종말 처리장 최종 방류수(1.05 ppm P, pH 6.82)에 적용하였을 때, 최종 방류수 2,400 mL에 대하여 오쏘인산염 100 %를 제거할 수 있었다. 종합적으로 본 연구는 음이온 교환 수지를 이용한 오쏘인산염의 제거가 가능하다는 것을 제시하였다는 데 큰 의의가 있다.
본 논문에서는 체계적인 실험을 통하여 음이온 교환 수지를 이용하여 오쏘인산염 제거에 관한 연구를 수행하였다. 첫째, 오쏘인산염은 pH에 따라 그 형태가 달리 존재하는데, 이에 따른 이온 교환을 살펴보았다. 둘째, 0.1 N 염산(HCl)을 이용하여 음이온 교환 수지의 재생 가능성을 검토하였다. 셋째, 알칼리도(HCO3-) 증가에 따른 이온 교환을 확인하였다. 넷째, 오쏘인산염 외 음이온 존재에 따른 이온 교환을 검토하였다. 다섯째, 음이온 교환 수지를 실제 하수 종말 처리장 최종 방류수에 적용하여, 오쏘인산염 제거 타당성을 실험적으로 제시하였다. 본 연구에 사용된 음이온 교환 수지는 (주) 삼양사의 강염기성 음이온 교환 수지인 TRILITE SAR 10MB이였다. 이는 폴리스타이렌(polystyrene)과 다이비닐벤젠(divinyl-benzene)의 3 급 아민화된 공중합체(copolymer)로, 이온 교환 형태는 Cl- 이였다. 오쏘인산염 용액은 NaH2PO4, Na2HPO4, Na3PO4 1 급 시약을 이용하여 조제하였다. 음이온 교환 수지 10 g이 들어있는 이온 교환 컬럼에, 오쏘인산염 용액 및 하수 종말 처리장 최종 방류수 등을 연동식 정량 펌프를 이용하여 200 mL/h 유속으로 이온 교환 컬럼 아래에서 위로 흘려주었다. 컬럼을 통과한 유출수를 단위 시간으로 회수하여 오쏘인산염 농도 및 pH 측정을 하였다. 100 ppm P 용액을 각각 (a) NaH2PO4, (b) NaH2PO4+Na2HPO4 (50:50), (c) Na2HPO4, (d) Na3PO4로 조제하였다. 이 용액의 초기 pH는 (a) 5.14, (b) 7.24, (c) 8.86, (d) 11.52이었다. 2,000 mL를 흘려준 것에 대한 제거 효율은 (a) 77.72 %, (b) 73.35 %, (c) 98.40 %, (d) 81.38 %로 나타났으며, 오쏘인산염 형태에 따른 제거 효율은 H2PO4- < PO43- < HPO42- 이었다. 음이온 교환 수지 재생에 따른 이온 교환 용량의 차이는 크지 않았다. 0.1 N HCl을 이용하여 (a) NaH2PO4와 (b) NaH2PO4+Na2HPO4(50:50)는 7 회, (c) Na2HPO4와 (d) Na3PO4는 10 회 반복 재생하였고, 100 ppm P 용액 2,000 mL를 흘려준 것에 대한 평균 제거 효율은 (a) 77.19 %, (b) 73.80 %, (c) 96.07 %, (d) 79.61 %로 나타났다. 일반적인 하수의 pH가 6.5 ~ 7.5임을 감안할 때, 오쏘인산염은 주로 H2PO4-와 HPO42- 형태로 존재하며, 알칼리도는 HCO3- 형태로 존재한다. 알칼리도에 따른 이온 교환을 확인하고자, 100 ppm P 용액을 NaH2PO4+Na2HPO4(50:50)로 조제하였다. 여기에 NaHCO3 시약을 이용하여 (a) 0 ppm HCO3-, (b) 50 ppm HCO3-, (c) 100 ppm HCO3-, (d) 200 ppm HCO3-를 넣어주었다. 초기 pH는 (a) 7.10, (b) 7.21, (c) 7.27, (d) 7.39이었다. 2,000 mL를 흘려준 것에 대한 제거 효율은 (a) 76.76 %, (b) 88.43 %, (c) 95.91 %, (d) 98.06 %로 나타났으며, 알칼리도가 증가할수록 이온 교환 제거 효율 또한 증가하였다. 하수에는 오쏘인산염 외 음이온이 존재하는데, 이에 따른 이온 교환을 확인하고자, NaH2PO4+Na2HPO4(50:50)를 이용하여 (a) 5 ppm P, (b) 10 ppm P, (c) 50 ppm P, (d) 100 ppm P 용액을 조제하였다. 여기에 NaHCO3, NaCl, NaNO3, Na2SO4 시약을 이용하여 [100 ppm HCO3-, 50 ppm Cl-, 30 ppm NO3-, 30 ppm SO42-]을 넣었다. 초기 pH는 (a) 7.90, (b) 7.79, (c) 7.31, (d) 7.37이었다. 이온 교환 결과 (a) ~ (d) 모두 유출수의 오쏘인산염 농도가 유입수의 오쏘인산염 농도보다 높게 나타나는 구간이 나타났다. 이는 오쏘인산염 외 음이온의 경쟁 및 방해의 효과로, 두 종류 이상의 음이온이 이온 교환 수지에 의해 경쟁적으로 제거될 때, 상대적으로 선택성이 낮은 이온이 먼저 유출되고, 선택성이 높은 이온은 컬럼에 오래 머물게 되기 때문이다. 이온 교환 수지의 용량이 거의 다 소모되면 유입수에 포함된 이온은 이온 교환 수지에 의해 제거되지 못하고 그대로 유출되고, 또 이온 교환 컬럼에 머물고 있던 선택성이 낮은 이온이 유입수 중에 포함된 선택성이 높은 이온에 의해 치환된다. 따라서 유입수보다 유출수의 농도가 높아지게 된다. 음이온 교환 수지 10 g을 강원도 원주시 소재 원주 하수 종말 처리장 최종 방류수(1.05 ppm P, pH 6.82)에 적용하였을 때, 최종 방류수 2,400 mL에 대하여 오쏘인산염 100 %를 제거할 수 있었다. 종합적으로 본 연구는 음이온 교환 수지를 이용한 오쏘인산염의 제거가 가능하다는 것을 제시하였다는 데 큰 의의가 있다.
Keyword
#오쏘인산염 음이온 교환 수지 이온 교환 수소이온농도 알칼리도 제거 효율 Orthophosphate Anion exchange resin Ion exchange pH Alkalinity
학위논문 정보
저자
박수진
학위수여기관
연세대학교 대학원
학위구분
국내석사
학과
환경공학과
지도교수
정형근
발행연도
2010
총페이지
viii, 67장
키워드
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