[논문]CaO/CaCO3 다공체로 이루어진 활성 굴 패각의 물성 및 인 제거 효능에 관한 연구

이찬원; 전홍표; 권혁보

doi:10.4191/kcers.2010.47.6.524

[국내논문] CaO/CaCO3 다공체로 이루어진 활성 굴 패각의 물성 및 인 제거 효능에 관한 연구
Physical Properties of Pyrolized Oyster Shell Consisting of Porous CaO/CaCO3 and Phosphorus Removal Efficiency 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.47 no.6 = no.331, 2010년, pp.524 - 528

이찬원 (경남대학교 환경공학과) , 전홍표 (경남대학교 환경공학과) , 권혁보 (경남대학교 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the structure and properties of waste oyster shell and its phosphorus removal efficiency were investigated. Waste oyster shells are troublesome environmental waste in the coastal region where the oysters are produced. Waste oyster shells were pyrolyzed by bench-scale rotary kiln for its activation. It shows maximum 76% of phosphorus removal efficiency for the municipal wastewater and livestock wastewater. We found that the activated oyster shells can be used as a phosphorus removal agent with the consideration of high efficiency, easy processing, and cost effectiveness.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한, CaO로 이루어진 다공질 활성 패각은 수용액 내에서 표면에 Ca²⁺ 및 OH를 형성하여 폐수내의 PO₄^3--P와 반응하여 Hydroxyapatite (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂)를 결정형태로 폐수 중의 인을 다공질 활성 굴 패각에 부착하여 제거할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 제조된 다공질 활성 굴 폐각의 인과의 반응을 이용한 폐수처리용 물질로서의 특성 평가가 이루어졌다.
본 연구에서는 CaCO₃로 이루어진 굴 패각의 재활용 가능성을 높이기 위하여 기존의 연구와 달리 대량 생산에 용의한 rotary kiln을 사용하여 굴 패각을 다양한 조건하에서 열처리하여 활성 굴 패각을 제조하였으며, rotary kiln 열처리 공정에 따른 활성 굴 패각의 결정상 및 미세구조 변화를 조사하였다. 또한, CaO로 이루어진 다공질 활성 패각은 수용액 내에서 표면에 Ca²⁺ 및 OH를 형성하여 폐수내의 PO₄^3--P와 반응하여 Hydroxyapatite (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂)를 결정형태로 폐수 중의 인을 다공질 활성 굴 패각에 부착하여 제거할 수 있다.
본 연구에서는 퓨리에 변환 적외선 분광기(Fouryer Transform-Infrared : Research I series, MAtton U.K)를 이용하여 CaO와 HOS, POS의 유-무기 결합상을 조사하기 위하여 FT-IR spectra를 조사하였다. Fig.
이러한 굴 패각을 열분해 해서 제조된 CaO/CaCO₃ 다공체의 폐수 적용시 인제거 효율을 평가해 상업적 폐수 처리 물질로서의 사용 가능성을 조사하기 위하여 인근 하수 종말 처리장의 활성오니조 유입수와 인근 축산 농가에서 채수한 폐수를 이용해 인제거 실험을 행하였다. CaO/CaCO₃ 다공체로 이루어진 다공질 활성 패각은 수용액 내에서 표면에 Ca²⁺및 OH를 형성하여 폐수내의 PO₄^3--P와반응하여 Hydroxyapatite (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂)를 결정형태로 폐수 중의 인을 제거시키며 반응식은 아래와 같다.
활성 굴 패각의 인과 반응을 이용한 폐수처리 물질로서의 사용가능성 파악 및 굴패각의 자원으로 재이용 할 수 있는 방안을 알아보기 위하여, 활성 굴 패각의 물리적 특성과 이용에 관하여 연구한 결과는 다음과 같다.

제안 방법

본 실험에서는 수거한 굴 패각을 실험의 방해요인이 될 수 있는 염분과 굴 패각 표면의 잡물 제거를 위하여 세척한 후 건조 하여 사용하였다. 건조된 굴 패각은 실험 조건에 따라 Fig. 1에서 보여주는 것과 같은 로타리 킬른(rotary kiln)을 이용하여 질소 분위기 하에서 열분해하여 활성 굴 패각을 제조하였다.
본 실험에서는 수거한 굴 패각을 실험의 방해요인이 될 수 있는 염분과 굴 패각 표면의 잡물 제거를 위하여 세척한 후 건조 하여 사용하였다. 건조된 굴 패각은 실험 조건에 따라 Fig.
수세 후 건조시킨 굴 패각을 2~5 kg의 굴 패각을 입경 1 cm 이하로 분쇄한 후 로타리 킬른에서 동일 온도에서 1시간 동안 열분해시킬 수 있도록 rotary kiln speed를 제어하여 연속적으로 열처리 시키면서 활성 굴 패각(Pyrolized Oyster Shell, POS) 시료를 만들었다. 열처리시 750℃까지 승온된 rotary kiln 내에 질소를 500 cc/min 속도로 20분간 주입한 후 분쇄된 굴 패각을 투입하면서 연속적으로 활성 굴 패각을 제조하였다.
수세 후 건조시킨 굴 패각을 2~5 kg의 굴 패각을 입경 1 cm 이하로 분쇄한 후 로타리 킬른에서 동일 온도에서 1시간 동안 열분해시킬 수 있도록 rotary kiln speed를 제어하여 연속적으로 열처리 시키면서 활성 굴 패각(Pyrolized Oyster Shell, POS) 시료를 만들었다. 열처리시 750℃까지 승온된 rotary kiln 내에 질소를 500 cc/min 속도로 20분간 주입한 후 분쇄된 굴 패각을 투입하면서 연속적으로 활성 굴 패각을 제조하였다. 제조된 활성 굴 패각은 냉각시킨 후 desicater에서 보관하여 사용하였다.
제조된 활성 굴 패각은 냉각시킨 후 desicater에서 보관하여 사용하였다. 제조된 활성 굴패각의 인과 반응 특성을 조사하기 위하여 하수 종말 처리장의 활성오니조 유입수와 인근 축산 농가에서 채수한 폐수를 이용해 인제거 실험을 수행하였다. 활성굴패각 투여량은 30 g, 유입수(페수)유량은 60 mL/min으로 설정하였다.

대상 데이터

본 연구는 2010년도 경남대학교 학술연구장려금 지원으로 이루어졌다.
굴 패각의 화학조성을 정량 분석한 결과는 Table 1에서 보여주는 것과 같다. 사용된 굴 패각의 성분은 열분해 시키지 않은 조건에서 CaCO₃가 93.5%로 주성분을 이루고 있으며, 그 외 Na, Mg, Si 등의 미량성분으로 구성되어 있다.

이론/모형

활성굴패각 투여량은 30 g, 유입수(페수)유량은 60 mL/min으로 설정하였다. 실험에 사용된 폐수의 특성 및 활성굴패각의 폐수 적용시 인제거 효율을 평가하기 위해 수질오염공정시험법 중 흡광광도법(아스코르빈산 환원법)에 준하여 인의 농도를 측정하였다.⁴⁾

성능/효과

1. N₂ 분위기 하에서 열분해한 굴패각은 54.1%의 중량 감소를 보이는 반면, O₂ 분위기에서 열처리 굴 패각은 45.1%의 중량감소를 보였으며, 중량 감소 증가는 CaCO₃의 열불해에 의한 CaO 형성에 따른 것이다.
2. N₂ 분위기하에서 열분해된 굴패각의 주성분은 열분해 온도가 증가됨에 따라 주성분이 CaCO₃에서 CaO로 변함을 확인하였으며, 750℃ 이상의 온도에서 열분해된 굴 패각의 미세구조는 CaO/CaCaCO₃로 이루어진 다공체 구조를 갖는다.
3. N₂ 분위기하에서 열분해된 굴패각은 O₂ 분위기하에서 열분해된 굴 패각과 달리 강한 OH^-작용기를 갖는다.
4. N₂ 분위기 하에서 열분해된 굴 패각을 적용한 실제 폐수 적용 실험에서 76%의 인 제거율을 나타내어 다공질 CaO/CaCO₃로 이루어진 열분해 굴 패각의 상업적 이용 가능성이 있다고 판단된다.
23 m²/g으로 활성탄에 비해 표면적이 상당히 작은 것으로 나타났다. 또한, 열분해한 굴패각(POS)의 12.3으로 강한 염기성을 갖는 것으로 나타났다. 열분해된 굴 패각에서 존재하는 OH^-작용기가수용액 상태에서 용출되기 때문에⁸⁾ 강한 염기성을 갖는 것으로 생각된다.
7은 활성오니조 유입수와 인근 축산 농가에서 채수한 폐수내 인성분의 제거 효율의 변화를 반응 시간에 따라 보여준다. 반응 초기에는 급격하게 제거 효율이 증가하였으며 10분이 경과한 시점부터는 인성분 제거 효율이 일정하게 유지되는 것으로 나타났다. 인근 하수 종말처리장의 활성 오니조 유입수와 인근 축산 농가에서 채수한 실제 폐수를 이용한 실험 결과 처리 효율은 최대 76%로 나타났다.
4은 수거된 굴 패각 및 산소 및 질소 분위 하에서 열처리된 굴 패각의 XRD pattern을 보여준다. 산소 분위기 하에서 열처리된 굴 패각에서는 CaCO₃H₂O가 열분해시 CaCO₃로 변화되면서 CaCO₃ peak가 열처리하지 않은 시료보다 커져 CaCO₃ 성분이 증가하는 것으로 나타났다. 질소 분위기 하에서 열처리된 시료에서는 열처리시 CaCO₃가 열분해되어 CaO가 형성되고 열처리 온도가 증가됨에 따라서 열분해에 의해 생성되는 CaO 함량이 증가되는 것으로 나타났다.
반응 초기에는 급격하게 제거 효율이 증가하였으며 10분이 경과한 시점부터는 인성분 제거 효율이 일정하게 유지되는 것으로 나타났다. 인근 하수 종말처리장의 활성 오니조 유입수와 인근 축산 농가에서 채수한 실제 폐수를 이용한 실험 결과 처리 효율은 최대 76%로 나타났다. CaO/CaCO₃ 다공체로 이루어진 활성 굴 패각의 높은 인 성분 제거 효율은 열분해된 활성 굴 패각내 존재하는 OH^-기에 의한 pH 변화에 대한 완충능이 강해 pH 10 이상의 조건에서 생성되는 Hydroxyapatite (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂)양이 늘어났기 때문으로 판단된다.
산소 분위기 하에서 열처리된 굴 패각에서는 CaCO₃H₂O가 열분해시 CaCO₃로 변화되면서 CaCO₃ peak가 열처리하지 않은 시료보다 커져 CaCO₃ 성분이 증가하는 것으로 나타났다. 질소 분위기 하에서 열처리된 시료에서는 열처리시 CaCO₃가 열분해되어 CaO가 형성되고 열처리 온도가 증가됨에 따라서 열분해에 의해 생성되는 CaO 함량이 증가되는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	rotary kiln의 장점은?	본 연구에서는 CaCO3로 이루어진 굴 패각의 재활용 가능성을 높이기 위하여 기존의 연구와 달리 대량 생산에 용의한 rotary kiln을 사용하여 굴 패각을 다양한 조건하에서 열처리하여 활성 굴 패각을 제조하였으며, rotary kiln 열처리 공정에 따른 활성 굴 패각의 결정상 및 미세구조 변화를 조사하였다. 또한, CaO로 이루어진 다공질 활성 패각은 수용액 내에서 표면에 Ca2+ 및 OH를 형성하여 폐수내의 PO43--P와 반응하여 Hydroxyapatite (Ca10(PO4)6(OH)2)를 결정형태로 폐수 중의 인을 다공질 활성 굴 패각에 부착하여 제거할 수 있다.
	일반적으로 굴 패각은 무엇을 이루고 있는가?	일반적으로 굴 패각은 CaCO3로 이루어진 layered structure를 이루고 있으며 유기물이 layered structure 사이에 부착된 layered structured composite 구조를 갖는 것으로 알려져 있으며, 굴 패각 내면의 광택이 있는 면은 SiO2로 이루어진 것으로 알려져 있다. Fig.
	국내 해양 환경 보호를 위해 굴 패각의 처리 방안과 재활용이 이루어져야 하는데 어떤 현황 때문인가?	우리나라의 해안 양식업 중 굴 양식업은 다량의 굴 패각을 발생시키고 있으며 이는 연안 어장의 오염과 공유 수면 관리상의 문제 그리고 자연경관을 훼손시키는 등 문제를 일으키고 있다. 경남 지역에서만 발생하는 굴 패각은 년간 28만톤에 이르고 있으며 그중에서 약 10% 정도만 가공 처리되고 있다. 이러한 현황을 감안하여 볼 때 국내 해양 환경 보호를 위하여 수산 폐기물인 굴 패각의 처리 방안과 재활용이 이루어져야 되는 것으로 알려져 있다.

참고문헌 (9)

S. K. Kim, “A Study on the Recycling of Oyster Shell,” Gyungnam Institute of Health and Environment., 4 246-49 (1996).
M. K Kim, J. H. Park, K. H. Lee, and H. J. Joo, “Phosphorus Removal from Wastewater by $CaCO_3$ Media,” J. Kor. Soc. Water Quality., 25 [4] 515-21 (2009).
P. M. Kim and J. D. Han, “Adsorption Properties of Oyster Shell Powder as Landfill Cover,” Environ. Eng. Res., 19 [1] 98-9 (1996).
“Standard Methods for the Examination of Water,” Ministry of Environment, 191-93 (2007).
C.-W. Lee, H.-B. Kwon, Y.-J. Kim, and H.-P. Jeo, “Nutrient Recovery by Struvite Formation from Waste Water in a Fluidized Bed Reactor,” Mater. Sci. Forum, 486-487 387-90 (2005).
C.-W. Lee, H.-B. Kwon, H.-P. Jeon, and B. Koopman, “Phosphate Recovery From Water As Hydroxyapatite With Activated Oystershel,” Mater. Sci. Forum, 486-487 177-80 (2005).

상세보기
Y. H. Kim, P. K. Chang, and Y. M. Lim, “Synthesis of the Refined Calcium Phosphate for Bone China Porcelain from Oyster Shell,” J. Kor. Solid Wastes Eng. Soc., 14 [7] 623-70 (1997).
C.-W. Lee, H.-B. Kwon, and B. Koopman, “A New Recycling Material for Removing Phophorus from Water,” J. Clean. Product., 17 [7] 638-87 (2008).
M.-K. Kim, J.-H. Park, K. H. Lee, and H. J. Joo, “Phosphorus Removal from Wastewater by $CaCO_3$ Media,” J. Kor. Soc. Water Quality, 25 [4] 515-21 (2009).

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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