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문제 정의
- 본 연구에서는 GAC 공정에서의 geosmin과 2-MIB의 제거 특성을 살펴보기 위하여 석탄계, 야자계 및 목탄계 재질의 활성탄을 신탄, 3년 및 5년 사용탄으로 사용연수별로 분류하여 각각에 대한 geosmin과 2-MIB 의 흡착특성을 조사하여 이취물질 제거를 위한 GAC 공정의 기초 운전자료로 사용하고자 하였다.
제안 방법
- 4에 나타내었다. 운전기간 동안 석탄계와 야자계 신탄에서는 파과에 도달하지 않아 bed volume(BV) 34,948 까지의 유입 농도와 유출농도를 가지고, 식 (1)에 나타낸 Freundlich 등온흡착식을 이용하여 XM과 Ce를 구하였으며, 이를 회귀분석하여 k와 1/n을 구한 후, 최종적으로 파과에 도달하는 BV을 k와 1/n을 이용하여 시뮬레이션하여 도출하였다.
- 유입수는 염소처리 공정이 배제된 최종처리수에 순도 99% 이상인 geosmin과 2-MIB(sigma-aldrich社)를 투입하여 유입되는 각각의 성분 농도가 500 ng/L가 되도록 하였다. 증류수가 아닌 수중에 DOC가 잔존하는 물을 유입수로 사용한 이유는 실제로 정수장에서의 활성탄 흡착조의 운전조건과 유사하게 만들기 위해서이며, 실험에 사용된 시료수의 특성을 Table 1에 나타내었다.
- 하였다. 이취물질 전처리는 시료수 10 mL를 20 mL vial에 취한 후 길이 10 mm, 두께 3.2 mm인 교반막대(Twister)를 투입하여 1200 rpm으로 90분 동안 회전시키면서 시료 수에 함유된 이취 물질을 흡착 추출한 후 수분이 제거되고 이 취미 물질이 흡착되어 있는 교반막대를 auto sampler가 부착되어 있는 TDS-2 system(Gerstel, Germany)을 이용하여 280 ℃ 까지 열을 가하여 5분 동안 이취미 물질을 탈착시켰다. 탈착된 이취 물질은 GC 도입부(injector)에 설치되어 있는 CIS4 PTV(Gerstel, Germany)에서 액체질소에 의해 -120℃로 응축되어 있다가 일시에 GC/MSD로 주입되어 분석된다.
- 입상활성탄 연속 흡착실험은 미생물에 의한 생물분해(bio-degradation)# 방지하기 위해 4 ℃ 로 냉장보관된 geosmin과 2-MIB 희석액 조에서 정량펌프를 사용하여 32 mL/min으로 분배조(distributor)로 이송한 후 직경 20 mm인 8개의 투명아크릴 활성탄 흡착조로 4 mL/min씩 균등하게 분배되도록 하였다. 컬럼 내 활성탄을 30 mL씩 충진하여 EBCT가 7.
- 활성탄 신탄 및 사용탄들은 실험에 들어가기 전에 증류수로 충분히 세척하여 미탄들과 이물질들을 제거한 후 실온에서 7일간 건조시킨 다음 105℃의 건조기에서 3일간 건조시켜 실험에 사용하였다. 실험에 사용된 활성탄의 세공용적과 비 표면적은 활성 탄 세공용적 측정기(AUTOSORB-1 MP, Quanta- chrome, U.
- 2에 개략적인 연속 컬럼 흡착조를 나타내었다. 활성탄 흡착조의 역세척은 2~3일에 한번 씩 하였고, 역세척 방법은 활성탄 컬럼 하부로 역세수(처리수)를 공급하여 활성탄 충이 50% 정도 팽창되도록 하였으며, 공세는 실시하지 않았다.
대상 데이터
- 본 실험에서는 석탄계 재질(coal-based)의 활성탄(F400, Calgon), 야자계 재질 (coconut-based)의 활성탄(1급, Samchully), 목탄계 재질(wood-based)의 활성탄(pica, Picabiol)을 사용연수별로 신탄 3년 및 5년 사용탄으로 선별하여 실험에 사용하였으며, 사용탄들은 낙동강 원수를 처리하는 1일 300톤 처리 규모의 pilot-plant에서 사용중인 활성탄을 이용하였다. 활성탄 신탄 및 사용탄들은 실험에 들어가기 전에 증류수로 충분히 세척하여 미탄들과 이물질들을 제거한 후 실온에서 7일간 건조시킨 다음 105℃의 건조기에서 3일간 건조시켜 실험에 사용하였다.
이론/모형
- Geosmin과 2-MIB에 대하여 실험에 사용된 활성탄의 흡착용량(adsorption capacity)을 평가하기 위하여 Snoeyink의 연구 23)에서 사용한 활성탄 사용율(carbon usage rate: CUR) 과활성탄 수명 (bed life: Y)에 관한 식 (2), 식 (3)을 사용하였다.
- Polydimethylsiloxane(PDMS)이 코팅되어 있는 교반막대 (TwisterTM, Gerstel, Germany)에 이취 물질을 흡착시켜 수중에서 분리하는 교반막대 흡착추출법 (stir bar sorptive extrac- tion: SBSE)을 전처리 법으로 사용하였으며:122)분석은 GC/ MSD로 하였다. 이취물질 전처리는 시료수 10 mL를 20 mL vial에 취한 후 길이 10 mm, 두께 3.
- 활성탄 신탄 및 사용탄들은 실험에 들어가기 전에 증류수로 충분히 세척하여 미탄들과 이물질들을 제거한 후 실온에서 7일간 건조시킨 다음 105℃의 건조기에서 3일간 건조시켜 실험에 사용하였다. 실험에 사용된 활성탄의 세공용적과 비 표면적은 활성 탄 세공용적 측정기(AUTOSORB-1 MP, Quanta- chrome, U.S.A.)로 측정하였고, 그 밖의 일반적인 물성치 실험은 KSI 규격18)과 수처리제 기준'9)에 준하여 분석하였다. Table 2에 각 활성탄들의 물성치를 나타내었으며, Fig.
성능/효과
- 많은 투자와 관심을 기울이고 있다.'2)하천수나 호소수에는 다양한 이취미 물질들이 함유되어 있지만 민원 발생 빈도와 수돗물 불신에 영향을 미치는 비중으로 보면 geosmin 과 2-methylisoborneol(2-MIB)가 가장 대표적이라 할 수 있다. Geosmin과 2-MIB는 남조류나 방선균의 대사산물로 수돗물에서 매우 낮은 농도로 검출된다.
- 1) 활성탄 재질별 geosmin과 2-MIB의 최대 흡착량은 석탄계 재질의 활성탄이 가장 우수한 것으로 나타났고, 다음으로 야자계, 목탄계 활성탄 순으로 나타났으며, geosmin과 2-MIB에 대한 석탄계 활성탄의 최대 흡착량(XXM)은 신탄의 경우 야자계와 목탄계 활성탄에 비해 각각 1.2 ~ 1.9배 및 2.1 ~2.6배 정도 높은 것으로 조사되었다. 또한, 3.
- 2) 활성탄에서의 흡착용량을 나타내는 k값의 경우 활성탄 재질별, 사용연수별 geosmin과 2-MIB에 대해 전체적으로 geosmin이 크게 나타나고 있어 활성탄 흡착공정에서 2-MIB 보다 제거가 용이한 것으로 조사되었다.
- 3) 활성탄 사용율(CUR)은 석탄계 재질의 활성탄이 geosmin 과 2-MIB에 대해 1.72 g/day 및 1.44 g/day, 야자계나 목탄계 활성탄의 경우는 각각 1.72와 2.05 g/day 및 2.12와 1.90 g/day의 활성탄을 사용하여야만 제어가 가능한 것으로 조사되었으며, 또한, 3.1 년과 5.9년 사용탄의 경우는 목탄계 재질의 활성탄이 geosmin과 2-MIB에 대해 각각 3.13과 4.57 g/day 및 2.87과 4.14 g/day로 나타나 다른 재질의 활성탄들에 비해 적은 양으로도 geosmin과 2-MIB를 제어할 수 있는 것으로 나타났다.
- 4) 석탄계와 야자계 재질의 신탄, 3.1 년 및 5.9년 사용 탄들에 대해 geosmin과 2-MIB의 최대 흡착량(ng/g)과 비표면적 (nF/g) 및 총 세공용적 (cm3/g)에 대한 상관성 조사결과, 최대 흡착량은 비표면적 보다는 총 세공용적이 높은 상관성을 가지는 것으로 나타났으며, 최대 흡착량과 총 세공용적의상관식 은 geosmin의 경우는 y = 264, 459 x-79, 047(R2 = 0.95), 2-MIB는 y = 319, 650 x -101, 762(R2 = 0.93)으로 나타났다.
- Fig. 3에 나타낸 geosmin의 경우 파과에 도달하는 BVe석탄계 재질의 신탄, 3.1 및 5.9년 사용탄들이 각각 65, 512 (예측), 30, 345 및 14, 669로 나타났으며, 야자계 재질에서는 신탄 59, 162(예측), 3.1 년 사용탄 22, 148로 나타났고, 목탄계재질의 신탄, 3.1 년 및 5.9년 사용탄에서는 각각 31, 352, 22, 580 및 16, 683으로 조사되어 신탄과 사용탄들에서 파과에 도달하는 BV에는 많은 차이가 있음을 알 수 있었다.
- Fig. 4에 나타낸 2-MIB의 경우 전체적으로 파과곡선의 형태는 geosmin의 파과곡선과 유사하게 나타나고 있고, 파과에도달하는 BVe 석탄계 재질의 신탄, 3.1 및 5.9년 사용 탄들이 각각 78, 188(예측), 32, 216 및 18, 121로 나타났으며, 야자계 재질에서는 신탄 49, 537(예측), 3.1 년 사용탄 25, 169로 나타났고, 목탄계 재질의 신탄, 3.1 년 및 5.9년 사용탄에서는 각각 34, 229, 24, 593 및 18, 409로 조사되어 신탄과 사용탄들에서파과에 도달하는 BV에는 많은 차이가 있음을 알 수 있었다. XIM= k .
- 이는 수중의 유기물질이 가지는 전하(charge)와 활성탄 세공의 표면전하와 밀접한 관련이 있는 것으로 Bjelo- pavlic 등26)은 목탄계 재질인 pica의 경우 수중의 pH가 4 부근에서는 활성탄 세공의 표면전하가 0 부근으로 나타나지만 수중의 pH가 증가할수록 활성탄이 가지는 음전하가 더욱 커진다고 보고하고 있으며, 야자계나 석탄계 활성탄의 경우는 수중의 pH가 산성에서는 양전하를 띠며, pH가 증가할수록 표면전하의 감소폭이 목탄계 활성탄 보다는 작아 pH 7 부근에서는 표면전하가 0 부근으로 되기 때문으로 보고하였다. 따라서, geosmin과 2-MIB 같은 유기물질들은 중성 부근의 pH에서는 음전하를 띠고 있어 목탄계 재질의 활성탄에서는 활성탄 표면전하와의 수중 유기물질과의 반발력으로 인하여 흡착능이 매우 낮게 나타나는 것으로 판단되었다.
- 6배 정도 높은 것으로 조사되었다. 또한, 3.1 년 사용 탄의 경우는 석탄계와 목탄계 재질의 활성탄에서 높게 나타났으며, 5.9년 사용탄의 경우는 목탄계 재질의 활성탄이 석탄계 재질의 활성탄보다도 높게 나타났다.
- 6배 정도 높게 조사되었다. 또한, 3J년 사용탄의 경우는 석탄계와 목탄계 재질의 활성탄에서 높게 나타났으며, 야자계 활성탄이 가장 낮게 나타났으며, 5.9년 사용탄의 경우는 목탄계 재질의 활성탄이 석탄계 재질의 활성탄보다도 높게 나타났다.
- 있다. 또한, 목탄계 사용탄의 경우 석탄계나 야자계재질 사용탄 보다 비표면적과 세공용적 데이터가 훨씬 낮은 값을 나타내었다. 이러한 이유로는 목탄계 신탄의 세공표면의 산소 관능기가 활성탄 사용연수의 증가로 세공표면에서 산화되어 활성탄 표면의 소수성화가 일어나 야기된 결과로 보여지며, 여기에 대한 구체적인 연구가 더 진행되어야 할 것이다.
- 목탄계 재질의 신탄의 경우는 실험에 사용된 활성탄들 중에서 세공용적과 비표면적이 가장 높게 나타났으나 geosmin 과 2-MIB에 대한 흡착능은 다른 재질의 신탄에 비해 낮게 나타났다. 이는 수중의 유기물질이 가지는 전하(charge)와 활성탄 세공의 표면전하와 밀접한 관련이 있는 것으로 Bjelo- pavlic 등26)은 목탄계 재질인 pica의 경우 수중의 pH가 4 부근에서는 활성탄 세공의 표면전하가 0 부근으로 나타나지만 수중의 pH가 증가할수록 활성탄이 가지는 음전하가 더욱 커진다고 보고하고 있으며, 야자계나 석탄계 활성탄의 경우는 수중의 pH가 산성에서는 양전하를 띠며, pH가 증가할수록 표면전하의 감소폭이 목탄계 활성탄 보다는 작아 pH 7 부근에서는 표면전하가 0 부근으로 되기 때문으로 보고하였다.
- 목탄계 순으로 나타났다. 석탄계 재질 신탄의 최대흡착량(X/M)에 대한 야자계와 목탄계 재질 신탄의 최대 흡착량(X/M)은 에 비해 geosmin이 각각 1.2 ~ 1.9배 정도 높은 것으로 나타났으며, 2-M0B의 경우는 2.1 ~2.6배 정도 높게 조사되었다. 또한, 3J년 사용탄의 경우는 석탄계와 목탄계 재질의 활성탄에서 높게 나타났으며, 야자계 활성탄이 가장 낮게 나타났으며, 5.
- 1에는 활성탄 재질별 신탄에서의 세공용적 분포를 나타내었다. 신탄들의 비표면적 및 세공용적을 비교해보면 목탄계(pica)가비표면적 1,610 nEg으로 가장 높았고, 석탄계(F-400)가 1,050m2/g으로 가장 낮았으며, 세공용적은 목탄계가 1.12 cm3/g으로 가장 큰 세공용적을 가졌고, 야자계(samchully)가 0.527 cm3/g으로 가장 적었다. 신탄들의 세공용적 분포는 목탄계(wood)가 20 A 이하의 미세세공(micro pore)이 가장 높았고, 석탄계 활성탄이 가장 낮은 것으로 나타났다.
- 527 cm3/g으로 가장 적었다. 신탄들의 세공용적 분포는 목탄계(wood)가 20 A 이하의 미세세공(micro pore)이 가장 높았고, 석탄계 활성탄이 가장 낮은 것으로 나타났다. 이에 반해 800 Å 정도까지의 중간세공(meso pore)의 분포를 보면 석탄계활성탄이 가장 높았으며, 야자계 활성탄이 가장 낮은 세공(pore) 분포를 나타내었다.
- 증류수가 아닌 수중에 DOC가 잔존하는 물을 유입수로 사용한 이유는 실제로 정수장에서의 활성탄 흡착조의 운전조건과 유사하게 만들기 위해서이며, 실험에 사용된 시료수의 특성을 Table 1에 나타내었다. 최종처리수의 성상은 DOC 농도가 0.9-1.1 mg/L, UV254는 0.008~0.012 로 조사되어 낙동강 원수를 정수처리하는 정수장의 활성탄 접촉조 유입수의 특성과 거의 유사하였다.
- 활성탄 g당 geosmin과 2-MIB에 대한 최대 흡착량(X/M) 은 석탄계 활성탄이 가장 높은 것으로 나타났으며, 다음으로야자계와 목탄계 순으로 나타났다. 석탄계 재질 신탄의 최대흡착량(X/M)에 대한 야자계와 목탄계 재질 신탄의 최대 흡착량(X/M)은 에 비해 geosmin이 각각 1.
- 활성탄 사용율(CUR)은 석탄계 재질의 활성탄이 geosmin 과 2-MIB에 대해 1.72 g/day 및 1.44 g/day, 야자계나 목탄계 활성탄의 경우는 각각 1.72와 2.05 g/day 및 2.12와 1.90 g/day의 활성탄을 사용하여야만 제어가 가능한 것으로 조사되었으며, 또한, 3.1 년과 5.9년 사용탄의 경우는 목탄계 재질의 활성탄이 geosmin과 2-MIB에 대해 각각 3.13과 4.57 g/day 및 2.87과 4.14 g/day로 나타나 다른 재질의 활성탄들에 비해 적은 양으로도 geosmin과 2-MIB를 제어할 수 있는 것으로 나타났다.
후속연구
- 또한, 목탄계 사용탄의 경우 석탄계나 야자계재질 사용탄 보다 비표면적과 세공용적 데이터가 훨씬 낮은 값을 나타내었다. 이러한 이유로는 목탄계 신탄의 세공표면의 산소 관능기가 활성탄 사용연수의 증가로 세공표면에서 산화되어 활성탄 표면의 소수성화가 일어나 야기된 결과로 보여지며, 여기에 대한 구체적인 연구가 더 진행되어야 할 것이다.
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