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문제 정의
- 대부분 활성탄 흡착 처리시 수중에 제거하고자 하는 유기물이 단일성분이 아닌 다성분으로 존재하기 때문에 단일성분의 흡착과는 달리 흡착의 형태가 매우 복잡해진다(Fettig and Sontheimer, 1987a, 1987b). 이와 같은 배경을 바탕으로 본 연구에서는 실제 원수에 존재하는 이취미 물질 및 유기물을 대상으로 활성탄 입자크기가 응집 및 흡착 효율에 미치는 영향을 조사하였다.
제안 방법
- 모든 응집실험은 Jar tester(PB900TM Programmable Jar tester, 7790-912, Phipps&Bird, VA, USA) 와 2L의 사각형 Jar(B-KER2, Phipps&Bird, VA, USA)를 이용하였다(Hudson, 1981 : Hudson and Wagner, 1981). Jar test는 응집 제 만 투입 한 경우와 응집 제 와 활성 탄을 동시에 투입한 경우에 대해서 수행하였으며, 응집제, 소석회, 그리고 활성탄을 동시에 투입하여 급속교반 (250rpm) 1분, 완속교반 15분(70, 50, 30rpm에서 각각 5분씩 점감식 교반), 그리고 침전 15분으로 수행하였다. 침전이 끝난 다음 유출수를 채취하여 탁도 및 UV, 를 분석하였다.
- Virgin 활성탄과 325번 체를 통과한 활성탄 입자를 대상으로 단일성분에 대한 흡착능을 평가하였다. 이를 위해 Table 2에 나타낸 바와 같이 가장 일반적으로 사용하는 요오드 수를 측정하였다.
- 대청댐 원수를 취수원으로 사용하고 있는 정수장의 원수를 대상으로 4종류의 활성탄을 이용하여 등온흡착실험과 흡착동역학실험을 수행하였다. 활성탄 입자크기 에 따른 흡착능을 비 교하기 위하여 등온흡착실험은 유기물의 흡착정도를 흡착동역학실험은 유기물 및 이취미물질의 흡착정도를 평가하였다.
- 29), pH 조절을 위하여 소석회를 2,000mg/L로 제조하여 사용하였다. 모든 응집실험은 Jar tester(PB900TM Programmable Jar tester, 7790-912, Phipps&Bird, VA, USA) 와 2L의 사각형 Jar(B-KER2, Phipps&Bird, VA, USA)를 이용하였다(Hudson, 1981 : Hudson and Wagner, 1981). Jar test는 응집 제 만 투입 한 경우와 응집 제 와 활성 탄을 동시에 투입한 경우에 대해서 수행하였으며, 응집제, 소석회, 그리고 활성탄을 동시에 투입하여 급속교반 (250rpm) 1분, 완속교반 15분(70, 50, 30rpm에서 각각 5분씩 점감식 교반), 그리고 침전 15분으로 수행하였다.
- 등온흡착실험은 먼저 원수를 여러 개의 1L 갈색병에 각각 나누어 담고 각각의 활성탄을 갈색병에 다양한 비율로 투입한 다음 교반기에 놓고 상온에서 100 rpm의 교반속도로 2일간 반응시켰다. 반응이 끝난 다음 모든 시료는 활성탄에 의한 오차를 최소화하기 위하여시 료채 취 즉시 GF/C(47mm, Whatman International Ltd., UK) 여지와 0.45㎛ cellulose membrane (Millipore HA type, MA, USA)으로 여과한 다음 DOC와 UVw를 분석하였다. 한편, 흡착동역학 실험은 등온홉착실험과 마찬가지로 2L의 시료에 일정량의 활성탄을 투입 한 후 반응시간에 따라 시료를 채취하여 UV254와 TON (threshold odor number) 을 분석하였다.
- 2mL의 전분 지시약을 넣은 후, 용액이 무색이 될 때까지 계속 적정하여 사용된 티오황산나트륨 부피를 기록하였다. 실험에 사용된 세 종류의 활성탄에 흡착된 요오드 량(X/M)과 요오드 농도(C)간의 상관관계를 최소자 승법으로 구하고, 잔류 요오드 농도(C)가 0.02N인 지점의 X/M 값을 택하여 요오드 수로 결정하였다. AWWA 에서는 분자량이 작은 이취미 유발물질을 제거하기 위한 PAC를 선택하는데 있어 요오드 수가 최소한 500mg/g 정도는 되어야 한다고 권고하였다(AWWA, 1996).
- 실험을 위해 100번 체, 200번 체, 그리고 325번 체를 사용하였으며, 먼저 수분에 대한 영향을 배제하기 위하여 105℃ 오븐에서 2시간 동안 건조 및 방냉시킨 다음, 활성탄 일정량을 각각의 체에 통과시켜 통과한 양의 무게를 측정하여 입도분포를 구하였다 (ASTM D5158, 1993). 한편, 활성탄의 흡착능을 정량적으로 조사하기 위하여 요오드 수(iodine number)를 측정 하였다(ASTMD4607, 1995).
- Jar test는 응집 제 만 투입 한 경우와 응집 제 와 활성 탄을 동시에 투입한 경우에 대해서 수행하였으며, 응집제, 소석회, 그리고 활성탄을 동시에 투입하여 급속교반 (250rpm) 1분, 완속교반 15분(70, 50, 30rpm에서 각각 5분씩 점감식 교반), 그리고 침전 15분으로 수행하였다. 침전이 끝난 다음 유출수를 채취하여 탁도 및 UV, 를 분석하였다.
- 한편, 활성탄의 물리적 특성을 파악하기 위하여 입도 분포(particle size distribution)> 조사하였다. 실험을 위해 100번 체, 200번 체, 그리고 325번 체를 사용하였으며, 먼저 수분에 대한 영향을 배제하기 위하여 105℃ 오븐에서 2시간 동안 건조 및 방냉시킨 다음, 활성탄 일정량을 각각의 체에 통과시켜 통과한 양의 무게를 측정하여 입도분포를 구하였다 (ASTM D5158, 1993).
- 45㎛ cellulose membrane (Millipore HA type, MA, USA)으로 여과한 다음 DOC와 UVw를 분석하였다. 한편, 흡착동역학 실험은 등온홉착실험과 마찬가지로 2L의 시료에 일정량의 활성탄을 투입 한 후 반응시간에 따라 시료를 채취하여 UV254와 TON (threshold odor number) 을 분석하였다.
- 활성탄 입자가 응집에 미치는 영향을 평가하기 위하여 저탁도인 대청호 원수와 대청호 원수에 카오린 (kaolin)을 첨가한 고탁도(100NTU 내외) 인공원수를 이용하여 PAC 투입여부에 따른 응집실험을 수행하였다. 활성탄은 SGPAC를 사용하였으며, 응집실험을 위해 응집 제는 Alum (aluminium sulfate, A12SO4 .
- 흡착동역학실험을 수행하였다. 활성탄 입자크기 에 따른 흡착능을 비 교하기 위하여 등온흡착실험은 유기물의 흡착정도를 흡착동역학실험은 유기물 및 이취미물질의 흡착정도를 평가하였다. Virgin 활성 탄과 325번 체를 통과한 활성 탄 입자를 105℃ 오븐에서 2시간 동안 건조시킨 다음 초순수에 넣어 1, 000 mg/L stock 용액을 만들어 실험에 사용하였다.
대상 데이터
- 활성탄 입자크기 에 따른 흡착능을 비 교하기 위하여 등온흡착실험은 유기물의 흡착정도를 흡착동역학실험은 유기물 및 이취미물질의 흡착정도를 평가하였다. Virgin 활성 탄과 325번 체를 통과한 활성 탄 입자를 105℃ 오븐에서 2시간 동안 건조시킨 다음 초순수에 넣어 1, 000 mg/L stock 용액을 만들어 실험에 사용하였다. 등온흡착실험은 먼저 원수를 여러 개의 1L 갈색병에 각각 나누어 담고 각각의 활성탄을 갈색병에 다양한 비율로 투입한 다음 교반기에 놓고 상온에서 100 rpm의 교반속도로 2일간 반응시켰다.
- 사용하였다. 실험에 사용할 GAC의 입도분포를 PAC와 유사하게 만들기 위해 각각의 GAC를 막자사발을 이용하여 분쇄하였으며, 분쇄한 GAC와 PAC를 100번 체(체눈금 크기: 150/im), 200번 체(체눈금 크기 : 75㎛), 그리고 325번 체 (체눈금 크기 : 45㎛)를 통과시켜 각 체를 통과한 입자를 따로 모아 실험에 사용하였다.
- 활성탄 입자크기의 다양화를 위해 목탄계, 석탄계, 그리고 역청탄 재질의 PAC와 GAC 각각 2종류를 실험에 사용하였다. 실험에 사용할 GAC의 입도분포를 PAC와 유사하게 만들기 위해 각각의 GAC를 막자사발을 이용하여 분쇄하였으며, 분쇄한 GAC와 PAC를 100번 체(체눈금 크기: 150/im), 200번 체(체눈금 크기 : 75㎛), 그리고 325번 체 (체눈금 크기 : 45㎛)를 통과시켜 각 체를 통과한 입자를 따로 모아 실험에 사용하였다.
- 활성탄은 SGPAC를 사용하였으며, 응집실험을 위해 응집 제는 Alum (aluminium sulfate, A12SO4 . 51H, O. A12O3 8%, 비중 1.29), pH 조절을 위하여 소석회를 2,000mg/L로 제조하여 사용하였다. 모든 응집실험은 Jar tester(PB900TM Programmable Jar tester, 7790-912, Phipps&Bird, VA, USA) 와 2L의 사각형 Jar(B-KER2, Phipps&Bird, VA, USA)를 이용하였다(Hudson, 1981 : Hudson and Wagner, 1981).
이론/모형
- pH는 pH Meter(Orion), 탁도는 Turbidimeter (2100P, Hach), DOC는 TOC 분석 기 (Rosemount DC-180, Dohrmann), UV254는 UVAHS spectrophotometer (UV-1601, Shimadzu), 그리고 TONe Standard Methods의 215OB 방법으로 측정하였다 (APHA. 1998).
- 실험을 위해 100번 체, 200번 체, 그리고 325번 체를 사용하였으며, 먼저 수분에 대한 영향을 배제하기 위하여 105℃ 오븐에서 2시간 동안 건조 및 방냉시킨 다음, 활성탄 일정량을 각각의 체에 통과시켜 통과한 양의 무게를 측정하여 입도분포를 구하였다 (ASTM D5158, 1993). 한편, 활성탄의 흡착능을 정량적으로 조사하기 위하여 요오드 수(iodine number)를 측정 하였다(ASTMD4607, 1995). 각각의 건조된 활성탄을 세 종류의 무게로 정량한 후, 250mL 용량의 삼각플라스크에 각각 넣고, 5% 염산용액 10mL를 각각의 플라스크에 넣어 활성탄이 완전히 젖을 때까지 흔들어 주었다.
성능/효과
- 1) Virgin 활성 탄의 경우 PAC 가 GAC를 갈아서 만든 활성탄에 비해 요오드 수가 약간 높은 값을 보인 반면, 325번 체를 통과한 활성탄의 요오드 수는 Virgin 활성탄에 비해 모두 높은 값을 보였다. 이는 입도 분포가 다양한 Virgin 활성 탄에 비해 입 자크기 가작은 활성탄이 단일성분인 요오드에 대한 흡착속도가 빨라 흡착능이 우수하게 나타난 것으로 판단된다.
- 2) 유기물에 대한 활성 탄의 흡착능은 Virgin GAC 에 비해 Virgin PAC가 약간 더 우수한 경향을 보였다. 325번 체를 통과한 입경이 작은 활성탄은 Virgin 활성탄에 비해 모두 K값이 증가하였으며 , 특히 .
- 3) 활성탄 종류에 관계없이 TON과 W254 모두 반응 10분 이내에 흡착가능한 양의 대부분이 제거되었으나, 325번 체를 통과한 활성탄은 반응시간 10분 이후부터 W254 제거 율이 급격 하게 증가하는 경향을 보였다. 이는 입자크기가 작은 활성탄이 원수에 존재하는 저분자 이취미 유발물질은 빠르게 홉착하는 반면.
- 4) 응집제만 투입한 경우가 응집제와 활성탄을 동시에 투입한 경우에 비해 비교적 우수한 잔류 탁도를 나타내었으나. 이와는 반대로 유기물 제거효율은 활성탄을 응집제와 동시에 투입한 경우가 우수하였고 활성탄 입자크기가 작을수록 좋은 제거효율을 보였다.
- 2는 상수원수를 대상으로 4종류 활성탄의 DOC에 대한 등온흡착실험 결과이다. Fig. 1에서와 같이 활성탄 흡착능을 의미하는 K값은 Virgin GAC 에 비해 VirgktPAC가 약간 더 우수한 경향을 보였다. 그러나 325번 체를 통과한 입경이 작은 활성탄은 Virgin 활성탄에 비해 모두 K값이 증가하였으며, 특히, PAC에 비해 GAC를 갈아서 만든 활성탄의 K값이 크게 증가하였다(Fig.
- 096 정도의 고탁도 인공원수를 대상으로 Virgin 활성탄과 325번체를 통과한 활성탄을 각각 20mg/L 투입하여 응집실험을 수행한 결과이다. 응집제만 투입한 경우가 응집제와 활성탄을 동시에 투입한 경우에 비해 비교적 우수한 잔류 탁도를 나타내었으나, 이와는 반대로 유기물 제거효율은 활성탄을 응집제와 동시에 투입한 경우가 우수하였고 활성탄 입자크기가 작을수록 좋은 효율을 보였다. 이는 활성탄 입자가 탁질로 작용하여 탁도에는 좋지 않은 영향을 준 반면, 유기물 제거에는 유리한 영향을 미쳤기 때문이다(Letterman, etal.
- 이와는 반대로 유기물 제거효율은 활성탄을 응집제와 동시에 투입한 경우가 우수하였고 활성탄 입자크기가 작을수록 좋은 제거효율을 보였다. 이는 활성탄 입자가 탁질로 작용하여 탁도에는 좋지 않은 영향을 준 반면.
- 3과 동일한 조건에서의 실험결과를 나타낸 것이다. 이전 결과에서와 마찬가지로 활성탄 종류에 관계없이 TONe 반응 10분 이내에 제거되어 평형상태에 도달하였다. U254의 경우 접촉시간 10분까지는 제거율에 변화가 거의 없었으나, 10분 이후부터 제거율이 급격하게 증가하는 경향을 보였다.
- Alum만 투입한 경우, 투입량이 증가함에 따라 탁도 및 UV2S4 제거율이 증가하는 추세를 보였다. 한편, 응집제와 활성탄을 동시에 투입한 경우, 10~20mg/L 범위의 낮은 응집제 투입량에서 활성탄 투입량이 증가함에 따라 탁도가 증가하는 경향을 보였으나, 응집 제 와 활성 탄 투입량이 증가할수록 응집 제 만 투입 했을 경우에 비해 uv254 제거율이 증가하였다. 활성탄과 응집제 30mg/L를 동시에 투입한 경우.
후속연구
- 따라서 정수장에서 이취미 유발물질과 같이 저분자 물질 제거를 위해 입경이 작은 활성탄을. NOM과 같이 고분자 물질 제거를 위해 입경 분포가 다양한 활성탄을 사용한다면 각 대상물질의 제거효율을 증대시킬 수 있을 것이다.
- 상대적으로 분자량이 큰 유기물질은 늦게 흡착하기 때문이다. 따라서 정수장에서 이취미 유발물질과 같이 저분자 물질 제거를 위해 입경이 작은 활성탄을, N0M과 같이 고분자 물질 제거를 위해 입경 분포가 다양한 활성 탄을 사용한다면 각 대상물질의 제거효율을 증대시킬 수 있을 것이다.
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