다양한 반응조에서 흄드 실리카(silica(fumed))가 질산성질소 처리를 위한 영가철 공정에 미치는 영향을 알아보기 위한 회분실험(batch experiment)을 수행하였다. 반응조는 질산성질소만 주입한 경우, 질산성질소와 지하수 환경에 존재하는 이온들을 주입한 경우, 실제 질산성질소로 오염된 지하수로 구성하였다. 지하수 환경을 가진 반응조에서 질산성질소 환원 속도가 빠르게 진행되었으며, 영가철/흄드 실리카 공정이 영가철 단독 공정에 비해 약 2.5 배의 반응 상수값($k_{obs}$)을 나타냈다. 전반적으로 주요 부산물인 암모늄은 영가철 단독 공정에서 약 70% 환원율로 발생하였으며, 영가철/흄드 실리카 공정의 경우에는 암모늄 발생율이 저감되었다. 수중 pH 는 영가철이 산화되면서 pH 가 상승하였으며, 지하수 환경에서는 상대적으로 낮게 유지되었다. 모든 반응조에서 영가철/흄드 실리카 공정의 pH 가 낮게 유지되었으며, 지하수 환경에서 질산성질소가 고농도로 존재할 경우에는 저농도에 비해 pH 상승폭이 큰 것으로 나타났다. 또한 등온흡착실험을 수행한 결과, 흄드 실리카가 암모늄에 대한 흡착능을 보였다. 전반적인 결과들을 통해 흄드 실리카가 질산성질소를 처리하는 영가철 공정에 유용한 매질임을 확인하였다.
다양한 반응조에서 흄드 실리카(silica(fumed))가 질산성질소 처리를 위한 영가철 공정에 미치는 영향을 알아보기 위한 회분실험(batch experiment)을 수행하였다. 반응조는 질산성질소만 주입한 경우, 질산성질소와 지하수 환경에 존재하는 이온들을 주입한 경우, 실제 질산성질소로 오염된 지하수로 구성하였다. 지하수 환경을 가진 반응조에서 질산성질소 환원 속도가 빠르게 진행되었으며, 영가철/흄드 실리카 공정이 영가철 단독 공정에 비해 약 2.5 배의 반응 상수값($k_{obs}$)을 나타냈다. 전반적으로 주요 부산물인 암모늄은 영가철 단독 공정에서 약 70% 환원율로 발생하였으며, 영가철/흄드 실리카 공정의 경우에는 암모늄 발생율이 저감되었다. 수중 pH 는 영가철이 산화되면서 pH 가 상승하였으며, 지하수 환경에서는 상대적으로 낮게 유지되었다. 모든 반응조에서 영가철/흄드 실리카 공정의 pH 가 낮게 유지되었으며, 지하수 환경에서 질산성질소가 고농도로 존재할 경우에는 저농도에 비해 pH 상승폭이 큰 것으로 나타났다. 또한 등온흡착실험을 수행한 결과, 흄드 실리카가 암모늄에 대한 흡착능을 보였다. 전반적인 결과들을 통해 흄드 실리카가 질산성질소를 처리하는 영가철 공정에 유용한 매질임을 확인하였다.
The effect of silica(fumed) on nitrate reduction by zero-valent iron(ZVI) was studied using batch experiment. The reduction of nitrate was tested in three different aqueous media including de-ionized water, artificial groundwater and real groundwater contaminated by nitrate. Kinetics of nitrate redu...
The effect of silica(fumed) on nitrate reduction by zero-valent iron(ZVI) was studied using batch experiment. The reduction of nitrate was tested in three different aqueous media including de-ionized water, artificial groundwater and real groundwater contaminated by nitrate. Kinetics of nitrate reduction in groundwater were faster than those in de-ionized water, and first-order rate constant($k_{obs}$) of ZVI/silica(fumed) process was about 2.5 time greater than that of ZVI process in groundwater. Amendment of Silica(fumed) also decreased ammonium presumably through adsorption on silica surface. The pHs in all processes increased due to oxidation of ZVI, but the increase was lower in groundwater due to buffering capacity of groundwater. The result also showed amount of reduced nitrate increased as initial nitrate concentration increased in groundwater. Separate adsorption isotherm experiments indicated that fumed silica itself had some degree of adsorption capacity for ammonium. The overall results indicated that silica(fumed) might be a promising material for enhancing nitrate reduction by ZVI.
The effect of silica(fumed) on nitrate reduction by zero-valent iron(ZVI) was studied using batch experiment. The reduction of nitrate was tested in three different aqueous media including de-ionized water, artificial groundwater and real groundwater contaminated by nitrate. Kinetics of nitrate reduction in groundwater were faster than those in de-ionized water, and first-order rate constant($k_{obs}$) of ZVI/silica(fumed) process was about 2.5 time greater than that of ZVI process in groundwater. Amendment of Silica(fumed) also decreased ammonium presumably through adsorption on silica surface. The pHs in all processes increased due to oxidation of ZVI, but the increase was lower in groundwater due to buffering capacity of groundwater. The result also showed amount of reduced nitrate increased as initial nitrate concentration increased in groundwater. Separate adsorption isotherm experiments indicated that fumed silica itself had some degree of adsorption capacity for ammonium. The overall results indicated that silica(fumed) might be a promising material for enhancing nitrate reduction by ZVI.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
/g 표면적을 가지며, 침전제나 소금과 같은 식재료에 첨가하는 안티케이킹 재료(anticaking agent)로 사용되고 있다. 본 실험에서는 흄드 실리카를 반응 촉매제로 사용하여 흄드 실리카가 영가철 공정에 미치는 영향을 다양한 반응조를 이용하여 규명하고자 한다. 질산성질소 농도, 부산물로 발생하는 암모늄 농도, 수중 pH의 변화에 대해 관찰하고 부가적으로 흄드 실리카의 암모늄 흡착에 대한 실험을 수행하였다.
제안 방법
1 g 을 넣었으며, 용액의 부피는 동일하게 20 mL 씩 주입하였다. 반응 시간은 4, 8, 12, 24, 36 시간으로 5 구간을 설정하였다.
영가철 단독 공정과 영가철/흄드 실리카 혼합 공정의 질산성질소 환원 반응 속도를 DW, GW-1, GW-2 반응조에서 비교 실험을 수행하여 Fig. 1에 나타내었으며, 질산성질소환원에 대한 반응 상수값을 Table 2에 나타내었다.
본 실험에서는 흄드 실리카를 반응 촉매제로 사용하여 흄드 실리카가 영가철 공정에 미치는 영향을 다양한 반응조를 이용하여 규명하고자 한다. 질산성질소 농도, 부산물로 발생하는 암모늄 농도, 수중 pH의 변화에 대해 관찰하고 부가적으로 흄드 실리카의 암모늄 흡착에 대한 실험을 수행하였다.
45 ㎛ 플루오르화 비닐리덴 (PVDF) 재질의 실린지 필터(syringe filter)를 이용하여 여과시켰다. 질산성질소 농도는 이온 크로마토그래피(ion chromatography, Dionex-120)를 이용하여 분석하였고, 암모늄 농도는 UV-VIS 분광 광도계(DR/4000)로 암모늄 농도를 측정할 수 있는 시약(ammonia cyanurate reagent powder pillows, HACH)을 이용하여 분석하였다. 칼슘과 마그네슘 농도는 유도 결합 플라즈마(ICPAES, HORIBA Jobin Yvon)를 이용하여 분석하였으며, 탄산염 농도는 적정기(basic titrino, Methromn 794)로 분석하였다.
질산성질소 농도는 이온 크로마토그래피(ion chromatography, Dionex-120)를 이용하여 분석하였고, 암모늄 농도는 UV-VIS 분광 광도계(DR/4000)로 암모늄 농도를 측정할 수 있는 시약(ammonia cyanurate reagent powder pillows, HACH)을 이용하여 분석하였다. 칼슘과 마그네슘 농도는 유도 결합 플라즈마(ICPAES, HORIBA Jobin Yvon)를 이용하여 분석하였으며, 탄산염 농도는 적정기(basic titrino, Methromn 794)로 분석하였다.
흄드 실리카의 암모늄에 대한 흡착능력을 알아보기 위해 수행된 흡착 실험에서는 염화암모늄(NH4Cl)을 1 L 증류수에 주입하여 조성한 저장용액(stock solution)을 이용하여 암모늄 농도별(NH4+= 4-82 mg/L)로 구성된 용량 20 mL 플라스틱 반응조들에 흄드 실리카를 0.1 g 씩 주입한 후 24 시간 반응시켰다.
대상 데이터
본 실험은 100 mesh 이하의 입자 크기를 가지는 순도 99.9%의 영가철(Aldrich)과 7 nm의 입자크기를 가진 흄드 실리카(Aldrich)를 추가적인 정제 없이 사용하였다. 반응조는 총 3 가지 종류의 용액으로 구성되어 있다.
질산성질소 표준용액(nitrate standard solution)은 NaNO3 시약 (Aldrich)을 이용하여 1000 mg/L NO3- 로 조성하였다. 조성된 질산성질소 표준용액을 희석하여 만든 용액은 DW 반응조, DW 반응조와 동일한 방법으로 조성한 후 CaCl2, MgSO4, NaHCO3을 첨가하여 만든 인공 지하수는 GW-1 반응조, 실제로 충청남도 홍성에서 채취한 질산성 질소로 오염된 지하수는 GW-2 반응조로 명시하였다. 용액들에 존재하는 이온들의 농도는 Table 1 에 나타냈다.
반응조는 총 3 가지 종류의 용액으로 구성되어 있다. 질산성질소 표준용액(nitrate standard solution)은 NaNO3 시약 (Aldrich)을 이용하여 1000 mg/L NO3- 로 조성하였다. 조성된 질산성질소 표준용액을 희석하여 만든 용액은 DW 반응조, DW 반응조와 동일한 방법으로 조성한 후 CaCl2, MgSO4, NaHCO3을 첨가하여 만든 인공 지하수는 GW-1 반응조, 실제로 충청남도 홍성에서 채취한 질산성 질소로 오염된 지하수는 GW-2 반응조로 명시하였다.
이론/모형
질산성질소의 환원에 대한 반응 속도는 식(1) 과 같이 유사 일차 반응모델(pseudo first-order kinetic model)을 이용하여 모사하였다. 이 모델은 질산성질소 제거 속도에 대한 지표로, kobs 는 반응 상수(observed first-order rate constant)이며, C 는 수중에 잔존하고 있는 오염물의 농도이며, C0 는 초기 오염물질 농도이다.
성능/효과
1) DW 반응조보다 GW-1 반응조에서 질산성질소 환원 반응 속도가 빠르게 나타났다. 또한 상대적으로 GW-1 반응조에 비해 고농도의 질산성질소로 오염된 GW-2 반응조에서 동일한 시간 동안 환원된 질산성질소 농도가 높게 나타났다.
2) 모든 반응조에서 영가철 단독 공정과 영가철/흄드 실리카 공정의 주요 반응 생성물로 암모늄이 발생하였다. DW 반응조와 GW-1 반응조의 경우, 영가철 단독 공정보다 영가철/흄드 실리카 공정에서 암모늄 농도가 낮게 검출되었다.
3) 전반적으로 DW 반응조에서는 pH가 급격하게 상승하였으며, GW-1 반응조에서는 상대적으로 pH가 낮게 유지되었다. GW-2 반응조는 GW-1 반응조에 비해 높은 pH를 나타냈다.
비교적 낮은 pH 2 조건에서 초기 질산성질소 농도에 대해 영가철과 질산성질소의 반응은 일차 반응(first-order reaction)을 따른다는 것은 보고된바있다.36) 일차 반응을 따른다는 것은 수중에 존재하는 초기 질산성질소 농도가 높을수록 환원되는 질산성질소 반응속도가 높아지는 것을 의미한다. 본 실험을 통해 초기 pH가 비교적 높은 지하수 환경(＞7.
4) 암모늄 농도별로 흄드 실리카의 등온흡착실험을 수행한 결과, 최대 흡착량은 약 1.6 mg/g 으로 나타났다.
1) DW 반응조보다 GW-1 반응조에서 질산성질소 환원 반응 속도가 빠르게 나타났다. 또한 상대적으로 GW-1 반응조에 비해 고농도의 질산성질소로 오염된 GW-2 반응조에서 동일한 시간 동안 환원된 질산성질소 농도가 높게 나타났다. 모든 반응조에서 영가철 단독 공정보다 영가철/흄드 실리카 공정에서 질산성질소 환원 반응 속도가 빠르게 나타났다.
9 범위로 나타내며 중성 pH를 유지하였다. 또한 영가철 단독 공정에서도 DW 반응조에 비해 환원된 질산성질소의 농도가 높았지만 DW 반응조보다 낮은 9.5를 나타냈다. 그 원인은 수중에 존재하는 중탄산염이 pH 완충제 역할을 하거나 그린러스트가 형성되는 과정 중에 수산화 이온이 포획하면서 전반적으로 DW 반응조에 비해 pH가 낮게 유지되는 것으로 추정된다.
GW-2 반응조는 GW-1 반응조에 비해 높은 pH를 나타냈다. 모든 반응조에서 영가철 단독 공정보다 영가철/흄드 실리카 공정에서 수중 pH가 낮게 유지되었다.
또한 상대적으로 GW-1 반응조에 비해 고농도의 질산성질소로 오염된 GW-2 반응조에서 동일한 시간 동안 환원된 질산성질소 농도가 높게 나타났다. 모든 반응조에서 영가철 단독 공정보다 영가철/흄드 실리카 공정에서 질산성질소 환원 반응 속도가 빠르게 나타났다.
36) 일차 반응을 따른다는 것은 수중에 존재하는 초기 질산성질소 농도가 높을수록 환원되는 질산성질소 반응속도가 높아지는 것을 의미한다. 본 실험을 통해 초기 pH가 비교적 높은 지하수 환경(＞7.5)에서도 초기 질산성질소 농도가 높을수록 환원되는 질산성질소의 양이 높아지는 것을 확인하였다. GW-2 반응조에서도 영가철/ 흄드 실리카(0.
15 mM 값을 나타냈다. 영가철/흄드 실리카 공정에서 영가철 단독 공정 보다 암모늄 농도가 낮게 검출되었지만, DW 반응조에 비해 지하수 환경에서 흄드 실리카의 암모늄 흡착량이 감소하는 것으로 관찰되었다. 다음 식(3)과 같이 GW-1 반응조에 존재하는 칼슘과 마그네슘 등 양전하를 띄는 이온이 실리노기에 흡착되어 상대적으로 암모늄 이온이 실라노기에 흡착되는 것을 방해하는 경쟁이온 역할을 하는 것으로 추정 된다.
33 mM 이다. 제거된 질산성질소 농도를 최종 암모늄 발생 농도와 비교하여 물질균형(mass balance)을 계산하면 영가철 단독 공정은 73%, 영가철/흄드 실리카공정은 45% 환원율로 암모늄이 발생한 것으로 나타났다. 영가철/흄드 실리카 공정에서 높은 암모늄 농도가 검출된 것은 흄드 실리카에 암모늄이 흡착된 후 잔존한 암모늄의 농도가 영가철 공정에서 발생한 암모늄의 농도보다 높은 것으로 사료된다.
3(c)를 보면 영가철 단독 공정과 영가철/흄드 실리카 공정에서 GW-1 반응조에 비해 전반적으로 수중 pH 변화폭이 크게 나타났다. 최종 pH를 비교해보면 pH 완충 작용이 전혀 없는 DW 반응조(9.9, 8.7) 보다도 높게 각각 10.1, 8.9까지 상승하였다. 중탄산염과 흄드 실리카가 pH 완충 작용을 하였음에도 불구하고 고농도의 질산성농도가 환원되는 과정 중에 수소 이온을 다량 소모하여 pH가 크게 상승한 것으로 사료된다.
85배 높은 값을 나타내었다. 흄드 실리카 단독 공정에서는 질산성질소가 감소하는 경향을 보이지 않아 질산성질소에 대한 흡착능은 없는 것으로 판단되지만, 영가철과 혼합 시 영가철의 반응성을 증진시키는 효과를 보였다. 영가철이 질산성질소를 환원시키기 위해서는 수소 이온을 다량 소모하기 때문에 수중의 급격한 pH 상승을 가져와 영가철 표면의 철산화물 침전을 가속화시키게 되어 결국 영가철의 비활성화를 일으킨다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
DW, GW-1, GW-2 세 가지 반응조에 대해 영가철 단독 공정과 영가철/흄드 실리카 공정의 질산성질소 환원 반응 속도는 어떤 차이를 보였나?
또한 상대적으로 GW-1 반응조에 비해 고농도의 질산성질소로 오염된 GW-2 반응조에서 동일한 시간 동안 환원된 질산성질소 농도가 높게 나타났다. 모든 반응조에서 영가철 단독 공정보다 영가철/흄드 실리카 공정에서 질산성질소 환원 반응 속도가 빠르게 나타났다.
영가철의 특징은?
영가철은 다양한 오염물질에 대한 환원제로 염소계 화합물,2~4) 나이트로 화합물,5,6) 크롬,7~9) 비소10) 등을 처리하는데 유용한 것으로 알려져 있다. 최근에는 영가철로 질산성질소를 환원/제거시키는 연구가 활발하다.
질산성질소가 유아에게 치명적일 수 있는 이유는?
전세계적으로 지하수에 널리 퍼져 있는 질산성질소는 부영양화의 원인으로 작용하는 대표적인 오염물질이다. 또한 질산성질소로 오염된 음용수를 섭취 시 어른의 경우에는 신장을 통해 쉽게 배설되기 때문에 비교적 독성이 적지만, 생후 6개월 미만의 유아에게는 10 mg NO3--N/L 이상의 질산성질소가 피부와 입술이 푸른색을 띠게 되는 청색증 (Methemoglobinemia)을 유발시켜 치명적일 수 있다.1) 세계 각국에서 질산성질소 농도를 규제하고 있는데 미국 환경청(US EPA)에서는 10 mg NO3--N/L, 유럽 연합(EU)은 11.
참고문헌 (37)
Winton, E. F., Tardiff, R. G., and McCabe, J. L., "Nitrate in drinking Water", J. Am. Water Works Assoc., 63(2), 95-98 (1971).
Kim, Y.-H., and Carraway, E., "Dechlorination of pentachlorophenol by zero valent iron and modified zero valent irons," Environ. Sci. Technol. 34(10) 2014-2017(2000).
Zhang, P., Tao, X., Li, Z., and Bowman, R. S., "Enhanced perchloroethylene reduction in column systems using surfactant-modified zeolite/zero-valent iron pellets," Environ. Sci. Technol. 36(16), 3597-3603(2002).
Klausen, J., Vikesland, P. J., Kohn, T., Burris, D. R., Ball, W. P., and Roberts, A.L., "Longevity of granular iron in groundwater treatment processes: solution composition effects on reduction of organohalides and nitroaromatic compounds," Environ. Sci. Technol. 37(6), 1208-1218(2003).
Powell, R. M., Puls, W. P., Hightower, S. K., and Sabatini, D. A., "Coupled iron corrosion and chromate reduction: mechanisms for subsurface remediation," Environ. Sci. Technol. 29(8), 1913-1922(1995).
Zhou, H., He, Y., Lan, Y., Mao, J., and Chen, S., "Influence of complex reagents on removal of chromium(VI) by zero-valent iron," Chemosphere 72(6), 870-874(2008).
Liu, J., Wang, C., Shi, J., Liu, H., and Tong, Y., "Aqueous Cr(VI) reduction by electrodeposited zero-valent iron at neutral pH: acceleration by organic matters," J. Hazard. Mater. 163(1), 370-375(2009).
Biterna, M., Antonoglou, L., Lazou, E., and Voutsa, D., "Arsenite removal from waters by zero-valent iron: Batch and column tests" Chemoshere 78(1), 7-12(2010).
Sohn, K., Kang, S. W., Ahn, S., Woo, M., and Yang, S. K., "Fe(0) nanoparticles for nitrate reduction: Stability, reactivity, and transformation," Environ. Sci. Technol. 40(17), 5514-5519(2006).
Ahn, S. C., Oh, S. Y., and Cha, D. K., "Enhanced reduction of nitrate by zero-valent iron at elevated temperatures," J. Hazard. Mater. 156(1-3), 17-22(2008).
Liou, Y. H., Lin, C. J. Weng, S. C., Ou, H. H., and Lo, S. L., "Selective decomposition of aqueous nitrate into nitrogen using iron deposited bimetals," Environ. Sci. Technol. 43(7), 2482-2488(2009).
Su, C., and Puls, R. W., "Nitrate reduction by zero-valent iron: effects of formate, oxalate, citrate, chloride, sulfate, borate, and phosphate," Environ. Sci. Technol. 38(9), 2715-2720(2004).
Liou, Y. H., Lo, S. L., Lin, C. J., Hu, C. Y., Kuan, W. H., and Weng, S. C., "Methods for accelerating nitrate reduction using zero-valent iron at near-neutral pH: Effects of $H_2$ -reducing pre-treatment and copper deposition," Environ. Sci. Technol. 39(24), 9643-9648(2005).
Liou, Y. H., Lo, S. L., Lin, C. J., Kuan, W. H., and Weng, S. C., "Chemical reduction of an unbuffered nitrate solution using catalyzed and uncatalyzed nanoscale iron particles," J. Hazard. Mater. B127(1-3), 102-110(2008).
Oh, Y. J., Song, H., Shin, W. S., Choi, S. J., and Kim, Y. H., "Effect of amorphous silica and silica sand on removal of chromium(VI) by zero-valent iron," Chemosphere 66(5), 858-865 (2007).
Lo, I. M. C., Lam, C. S. C., and Lai, K. C. K., "Hardness and carbonate effects on the reactivity of zero-valent iron for Cr(VI) removal," Water Res. 40(3) 595-605(2006).
Liu, Y., Phenrat, T., and Lowry, G. V., "Effect of TCE concentration and dissolved groundwater solutes on NZVI-promoted TCE dechlorination and $H_2$ evolution," Environ. Sci. Technol. 41(22), 7881-7887(2007).
Liu, T., Rao, P., and Lo, I. M. C., "Influences of humic acid, bicarbonate and calcium on Cr(VI) reductive removal by zero-valent iron," Sci. Total Environ. 407(10), 3407-3414 (2009).
Lai, K. C. K., and Lo, I. M. C., "Removal of chromium(VI) by acid-washed zero-valent iron under various groundwater geochemistry conditions," Environ. Sci. Technol. 42(4), 1238-1244(2008).
Su C., and Puls R. W., "Nitrate reduction by zero-valent Iron: Effects of formate, oxalate, citrate, chloride, sulfate, borate, and phosphate." Environ. Sci. Technol. 38(9), 2715-2720 (2004).
Hansen, H. C. B., Koch, C. B., Nancke-Krogh, H., Borggaard, O. K., and Sorensen, J., "Abiotic nitrate reduction to ammonium: Key role of green rust." Environ. Sci. Technol. 30(6), 2053-2056(1996).
Hansen, H. C. B., and Koch, C. B., "Reduction of nitrate to ammonium by sulphate green rust: Activation energy and reaction mechanism", Clay Miner. 33(1), 87-101(1998).
Hansen, H. C. B., Guldberg, S., Erbs, M., and Bender Koch, C., "Kinetics of nitrate reduction by green rusts-effects of interlayer anion and Fe(II):Fe(III) ratio," Appl. Clay Sci. 18(1-2), 81-91(2001).
Ruby, C., Upadhyay, C., Gehin, A., Ona-Nguema, G., and Genin, J. M. R., "In situ redox flexibility of Fe(II)-Fe(III) oxyhydroxycarbonate green rust and fougerite," Environ. Sci. Technol. 40(15), 4696-4702(2006).
Trolard, F., Bourrie, G., Abdelmoula, M., Refait P., and Feder, F., "Fougerite, a new mineral of the pyroaurite-iowaite group: Description and crystal structure," Clays Clay Miner. 55(3), 323-334(2007).
Fan, X., Guan, X., Ma, J., and Ai, H., "Kinetics and corrosion products of aqueous nitrate reduction by iron powder without reaction conditions control," J. Environ. Sci. 21(8), 1028-1035 (2009).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.