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문제 정의
- 본 연구에서는 폐기물로 발생되는 부산석회 Core를 연속식 칼럼을 이용하여 수중의 인산염을 효과적으로 제 거할 수 있는 방안을 찾고 산업폐기물을 인 제거처리제 로서 재활용하는 방안에 대하여 연구하였다.
가설 설정
- 0으로 조절하여 시간별 인산염인 농도 변화를 측정하였다[12]. 부산석회 Core 칼럼의 인제거 효 능을 평가하기 위하여 초기 인 농도의 90%이하 제거율 을 나타낼 때 파과시간에 도달하는 것으로 가정하였다. pH 측정은 pH meter(sens ion3, HACH)를 사용하였고 PO4-P는 PhosVer 3 with Acid Persulfate Digestion Method를 이용하여 측정하였다.
제안 방법
- 인산염인 농도는 국내 하 수의 농도를 기준으로 농도범위를 정하였으며 유량은 연 속식칼럼에서 일반적으로 사용되는 값을 기준으로 결정 하였다. 기존의 연속식칼럼(내경 10cm, 높이 60cm)으로 는 파과시간이 수개월 이상인 것으로 나타나 연속식칼럼 의 변수를 고려하는 실험에 적합지 않아서 칼럼의 용량 을 최소한으로 설정(내경 2cm, 높이 30cm)하고 실험을 수행하였다. 부산석회 Core를 이용한 수중의 인산염인 제거반응은 화학반응이어서 실제 현장에 적용시 반응기 의 용량을 충분히 증가시키면 필요한 파과시간을 확보할 수 있을 것으로 사료된다.
- 본 연구에서는 소다회 생성시 발생되는 무기성 슬러지 인 부산석회 Core로 충진된 연속식 칼럼을 이용하여 부 산석회 Core size와 유입수의 인산염인 농도, 유량의 변화에 따른 용액 내 인산염인 제거특성을 평가하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 부산석회 Core size 1, 2에 대한 잔류 인산염인의 시간에 따른 농도변화를 그림 5와 6에 나타내었다. 부산 석회 Core size 1로 충진한 칼럼에 10 mg/L의 인산염인 오염수를 유량을 10, 20, 30mL/min으로 변화시키며 통과 시키자 실험에 사용된 모든 유량범위에서 25시간까지 90% 이상의 인산염인 제거율을 보였으며 10, 20, 30mL/min의 유량 변화에 따라 파과시간은 196, 59, 25시 간으로 측정되었다. Core size 2에서도 유입수 유량 변화에 관계없이 90% 이상의 인산염인 제거율을 보여주었으 며 파과시간은 유입수 유량이 증가함에 따라 70, 10, 4시 간으로 감소하는 경향을 보여주었다.
- 부산석회 Core size와 유입수내 인산염인의 농도변화에 따른 인 제거특성을 알아보기 위하여 부산석회 Core 가 충진된 칼럼에 10 mg/L과 50 mg/L 농도의 인산염을 연속적으로 통과시켜 부산석회 Core의 인 제거 정도를 조사하였다. 그림 3, 4와 같이 부산석회 Core size 1로 충 진한 칼럼에 10 mg/L의 인산염인 유입수를 통과시키자 유출수가 0.
- 부산석회 Core size와 유입수의 유량변화에 따른 잔류 인산염인 농도변화를 조사하기 위하여 10 mg/L의 인산 염인 오염수를 연속적으로 칼럼에 통과시켜 실험을 실시하였다. 부산석회 Core size 1, 2에 대한 잔류 인산염인의 시간에 따른 농도변화를 그림 5와 6에 나타내었다.
- 채취된 시료는 전처리를 위해 증류수 세척 후 자연건조 시켰다. 부산석회 Core의 size는 회분실험결과를 바탕으로 크기에 따라 체가름을 실시하여 각각 size 1(2.0 —4.75mm), size 2(4.75 —20mm) 로 구분하여 사용하였으며, 표 Ie 부산석회의 화학적 조 성을 보여주고 있다. 인공폐수 내 인은 KH2PO4(SHOWA Chemical Industries Ltd, Japan)을 증류수 IL에 녹여 100 mg/L의 농도로 조제 후 사용 농도에 따라 증류수로 희석 하여 사용하였다.
- 인산염 제거 실험을 위해 사용된 칼럼은 그림 1과 같 으며 두께 0.2cm, 내경 2cm, 높이 30cm로 둥근 투명 아 크릴 재질관으로 제작하였고, 내부에는 부산석회 Core를 충진시켜 상향류 제거방식으로 인산염을 제거하였다.
- 회분식 결과를 바탕으로 연속 칼럼 실험에서는 부산석회 Core의 입자크기(size 1, size 2), 인산염인의 농도(10 mg/L, 50 mg/L), 유량(10mL/min, 20mL/min, 30mL/min)에 따른 인 산염인 제거효율을 조사하였다. 인산염인 농도는 국내 하 수의 농도를 기준으로 농도범위를 정하였으며 유량은 연 속식칼럼에서 일반적으로 사용되는 값을 기준으로 결정 하였다. 기존의 연속식칼럼(내경 10cm, 높이 60cm)으로 는 파과시간이 수개월 이상인 것으로 나타나 연속식칼럼 의 변수를 고려하는 실험에 적합지 않아서 칼럼의 용량 을 최소한으로 설정(내경 2cm, 높이 30cm)하고 실험을 수행하였다.
- 실험에 사용한 부산석회는 인천에 위치한 D화학(주) 의 야적장에서 직접 채취하였다. 채취된 시료는 전처리를 위해 증류수 세척 후 자연건조 시켰다. 부산석회 Core의 size는 회분실험결과를 바탕으로 크기에 따라 체가름을 실시하여 각각 size 1(2.
- 서 부산석회 Core를 이용한 회분 식 인산염인 제거 실험어)서, 인의 농도가 증가할수록 제 거량은 증가하나 제거율은 낮아지고 비표면적이 증가할수록 인제거 효율은 상승하는 결과를 얻었다. 회분식 결과를 바탕으로 연속 칼럼 실험에서는 부산석회 Core의 입자크기(size 1, size 2), 인산염인의 농도(10 mg/L, 50 mg/L), 유량(10mL/min, 20mL/min, 30mL/min)에 따른 인 산염인 제거효율을 조사하였다. 인산염인 농도는 국내 하 수의 농도를 기준으로 농도범위를 정하였으며 유량은 연 속식칼럼에서 일반적으로 사용되는 값을 기준으로 결정 하였다.
- 연속식 칼럼의 물리적인 인자 는 표 2에 나타내었다. 효율적으로 인산염인을 제거하기 위해서는 Hydroxyapatite의 용해도 곡선부근에 Ca*와 pH를 조절하는 것이 바람직하기 때문에 온도를 상온으로 유지하고 pH는 7.0으로 조절하여 시간별 인산염인 농도 변화를 측정하였다[12]. 부산석회 Core 칼럼의 인제거 효 능을 평가하기 위하여 초기 인 농도의 90%이하 제거율 을 나타낼 때 파과시간에 도달하는 것으로 가정하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용한 부산석회는 인천에 위치한 D화학(주) 의 야적장에서 직접 채취하였다. 채취된 시료는 전처리를 위해 증류수 세척 후 자연건조 시켰다.
- 75 —20mm) 로 구분하여 사용하였으며, 표 Ie 부산석회의 화학적 조 성을 보여주고 있다. 인공폐수 내 인은 KH2PO4(SHOWA Chemical Industries Ltd, Japan)을 증류수 IL에 녹여 100 mg/L의 농도로 조제 후 사용 농도에 따라 증류수로 희석 하여 사용하였다.
이론/모형
- 부산석회 Core 칼럼의 인제거 효 능을 평가하기 위하여 초기 인 농도의 90%이하 제거율 을 나타낼 때 파과시간에 도달하는 것으로 가정하였다. pH 측정은 pH meter(sens ion3, HACH)를 사용하였고 PO4-P는 PhosVer 3 with Acid Persulfate Digestion Method를 이용하여 측정하였다.
성능/효과
- 7%의 높은 제거율을 보여주었 으며 반응시간 11시간까지 인산염인 제거율이 90%이상 으로 유지되었다. 50 mg/L의 농도로 인산염인을 주입시 킨 경우에도 반응초기 에는 인산염인 농도 10 mg/L와 유 사하게 99% 이상의 높은 인산염인 제거율을 보여주었으 나 파과점은 L5시간으로 빠르게 나타났다.
- 부산석회 Core size와 유입수내 인산염인의 농도변화에 따른 인 제거특성을 알아보기 위하여 부산석회 Core 가 충진된 칼럼에 10 mg/L과 50 mg/L 농도의 인산염을 연속적으로 통과시켜 부산석회 Core의 인 제거 정도를 조사하였다. 그림 3, 4와 같이 부산석회 Core size 1로 충 진한 칼럼에 10 mg/L의 인산염인 유입수를 통과시키자 유출수가 0.03 mg/L으로 99.7%의 높은 제거율을 보여주 었으며 파과점은 56시간에 나타나 파과시간 전까지 90% 이상의 제거율을 보여주었다. 이는 액 중 인산염이 부산 석회의 Ca2+, 아T와 반응하여 Hydroxyapatite를 형성하였 기 때문에 수중의 인산염에 제거된 것으로 사료된다.
- Core size 2에서도 유입수 유량 변화에 관계없이 90% 이상의 인산염인 제거율을 보여주었으 며 파과시간은 유입수 유량이 증가함에 따라 70, 10, 4시 간으로 감소하는 경향을 보여주었다. 따라서 부산석회 칼 럼통과유량을 lOmL/min 이하로 운전하는 경우 파과시간 70시간까지 90% 이상의 안정적인 처리효율을 확보할 수 있을 것으로 판단되었다. 또한 유량이 증가할수록 부산석 회 Core 칼럼의 파과시간이 감소하며 감소하는 정도는 인제거 반응이 일어나는 다공성 미세구조로 이루어진 부 산석회 Core 표면적의 차이와 밀접하게 관련이 있음을 알 수 있었다.
- 3배 긴 것을 알 수 있었다. 또한 부산석회 Core 칼럼 내 유입수의 유량 변화에 따른 실 험에서는 부산석회 Core size와 관계없이 유입수 유량이 증가할수록 파과시간이 줄어드는 것을 알 수 있었다. 본 연구를 통하여 폐기물로 다량 발생되는 부산석회 Core가 연속식 칼럼장치에 충진되어 용액내의 인산염인 제거에 효과적으로 사용될 수 있는 것으로 나타났으며, 추후 하수나 오수시설에서의 인 제거제로서 적용가능성을 보여주고 있는 것으로 사료된다.
- 따라서 부산석회 칼 럼통과유량을 lOmL/min 이하로 운전하는 경우 파과시간 70시간까지 90% 이상의 안정적인 처리효율을 확보할 수 있을 것으로 판단되었다. 또한 유량이 증가할수록 부산석 회 Core 칼럼의 파과시간이 감소하며 감소하는 정도는 인제거 반응이 일어나는 다공성 미세구조로 이루어진 부 산석회 Core 표면적의 차이와 밀접하게 관련이 있음을 알 수 있었다.
- 본 연구에 사용된 부산석회 Core의 표면미세구조를 SEM(Scanning Electron Microscope, JSM 5410LV, Japan) 으로 관찰한 결과 그림 2에서와 같이 다공성이 큰 표면적 을 가진 물질로 인을 제거하기에 유리한 조건을 가지고 있는 것으로 나타났다.
- 부산석회 Core size 1의 인산염인 제거율은 유입수 내의 인산염인 농도에 관계없이 90% 이상으로 높게 나타 났으며 유입 인산염인 농도 10 mg/L의 경우 파과시간은 50 mg/L에 비해서 6배 긴 것을 알 수 있었다. 부산석회 size 2의 경우, size 1과 비슷한 경향을 나타내어 인산염 인의 농도에 관계없이 초기 11시간동안 90% 이상의 높은 제거율을 보였고 저농도(10 mg/L)에서의 파과시간이 고농도(50 mg/L)에 비해 7.
- 6%의 제거율을 나타냈으며 파과시간은 9시간으로 측 정되었다. 부산석회 size 2로 충진한 칼럼에 인 농도가 10 mg/L인 유입수를 통과시킨 결과 잔류 인산염인 농도가 0.03 mg/L으로 떨어져 99.7%의 높은 제거율을 보여주었 으며 반응시간 11시간까지 인산염인 제거율이 90%이상 으로 유지되었다. 50 mg/L의 농도로 인산염인을 주입시 킨 경우에도 반응초기 에는 인산염인 농도 10 mg/L와 유 사하게 99% 이상의 높은 인산염인 제거율을 보여주었으 나 파과점은 L5시간으로 빠르게 나타났다.
- 연속칼럼 실험에 잎.서 부산석회 Core를 이용한 회분 식 인산염인 제거 실험어)서, 인의 농도가 증가할수록 제 거량은 증가하나 제거율은 낮아지고 비표면적이 증가할수록 인제거 효율은 상승하는 결과를 얻었다. 회분식 결과를 바탕으로 연속 칼럼 실험에서는 부산석회 Core의 입자크기(size 1, size 2), 인산염인의 농도(10 mg/L, 50 mg/L), 유량(10mL/min, 20mL/min, 30mL/min)에 따른 인 산염인 제거효율을 조사하였다.
- 인 농도와 Core size에 따른 인산염인 제거 실험결과 로부터 size 1과 size 2의 인 제거율은 모두 90% 이상으 로 큰 차이가 없었으나 파과시간은 유입수의 인 농도에 관계없이 size 1이 size 2에 비해 약 5배 가량 길어짐을 알 수 있었다. 이는 size 1이 size 2에 비해 입자크기가 작 기 때문에 더 많은 표면적을 통하여 인과 석회의 흡착, 침전 반응이 활발하게 일어난 것으로 추측된다.
후속연구
- 또한 부산석회 Core 칼럼 내 유입수의 유량 변화에 따른 실 험에서는 부산석회 Core size와 관계없이 유입수 유량이 증가할수록 파과시간이 줄어드는 것을 알 수 있었다. 본 연구를 통하여 폐기물로 다량 발생되는 부산석회 Core가 연속식 칼럼장치에 충진되어 용액내의 인산염인 제거에 효과적으로 사용될 수 있는 것으로 나타났으며, 추후 하수나 오수시설에서의 인 제거제로서 적용가능성을 보여주고 있는 것으로 사료된다.
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