[논문]호소수내 암모니아성 질소 및 인 동시 제거를 위한 란탄-제올라이트 복합체 개발

백주헌; 김금용; 류홍덕; 이상일

호소수내 암모니아성 질소 및 인 동시 제거를 위한 란탄-제올라이트 복합체 개발
Development of La(III)-zeolite Composite for the Simultaneous Removal of Ammonium Nitrogen and Phosphate in Confined Water Bodies 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.32 no.8, 2010년, pp.761 - 766

백주헌 (충북대학교 환경공학과) , 김금용 (충북대학교 환경공학과) , 류홍덕 (충북대학교 환경공학과) , 이상일 (충북대학교 환경공학과)

초록
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본 연구에서는 인 및 암모니아 흡착에 효과적인 La(III) 및 제올라이트를 적절히 결합하여 호소수 및 연못 등의 질소 및 인을 동시에 효과적으로 제거할 수 있는 La(III)-zeolite 복합체 개발을 목적으로 하였다. 연구 결과 La(III)-zeolite 복합체 제조 시 최적 결합 비는 0.0048 La(III) g:1 zeolite g 인 것으로 나타났다. 복합체 제조 시 건조 온도는 인 흡착에 결정적인 영향을 주는 것으로 나타났는데 상온 건조가 가장 적합한 것으로 관찰되었다. La(III)-zeolite 복합체 최적 주입량은 4.052 g/L로 나타났다. La(III)-zeolite 복합체 주입 시 최적 흡착 시간은 90 분으로 나타났다. 수용액상에서 알칼리도의 존재는 암모니아 및 인흡착에 긍정적인 영향을 주는 것으로 관찰되었다. 상온에서 건조시킨 La(III)-zeolite 복합체는 용액 내에서 La(III)의 탈리 현상이 관찰되지 않았으며, 이는 La(III)-zeolite 복합체가 인을 흡착하여 바닥에 가라앉은 후 바닥으로부터 용출되는 인을 효과적으로 차단 할 수 있음을 의미한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was aimed to propose La(III)-zeolite composite which can effectively and simultaneously remove ammonia and phosphate in confined water bodies such as lakes and ponds. The optimum ratio of La(III):zeolite for the simultaneous removal of ammonia and phosphate was 0.0048 La(III) g:1 zeolite g. The drying temperature of La(III)-zeolite composite severely affected phosphate adsorption showing optimum condition at room temperature. It was revealed that the optimum dosage of La(III)-zeolite composite was 4.052 g/L at adsorption time of 90 min. The presence of alkalinity in aqueous solution brought positive effect on phosphate adsorption. Detachment of La(III) from La(III)-zeolite composite, which was dried at room temperature, was not observed in aquous solution. It indicates that La(III)-zeolite composite could effectively block phosphate released from sediment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

La(III)-zeolite 복합체가 용액에 주입되어 PO₄^3--P을 흡착하고 바닥에 가라앉았을 때 La(III)이 용출된다면 바닥으로 부터 용출되는 PO₄^3--P을 capping할 능력이 없는 것이므로 이를 검증하기 위한 실험을 수행하였다. La(III) 용출 실험은 NH₄⁺-N와 PO₄^3--P을 넣지 않고 pH를 5, 7, 10으로 조절한 인공수 250 mL에 상온(25℃), 100, 200, 300, 400 및 550℃에서 제조된 La(III)-zeolite 복합체를 1.
따라서 본 연구에는 La(III)-zeolite의 질소 및 인 흡착 효율을 극대화하기 위해 (1) La(III) 및 제올라이트의 최적 결합조건, (2) La(III)-zeolite 주입량, (3) 질소 및 인 흡착을 위한 최적 pH 및 알칼리도의 영향 등에 관한 연구 등을 수행하였다.
본 연구에서는 호소내의 인뿐만 아니라 질소도 동시에 제거할 수 있는 복합체를 개발하려는데 목적이 있다. PO₄^3--P의 흡착능이 있는 La(III)을 NH₄⁺-N의 흡착능이 있는 제올라이트와 결합시키면 수중의 질소와 인을 동시에 제거할 수 있다.

제안 방법

-P을 capping할 능력이 없는 것이므로 이를 검증하기 위한 실험을 수행하였다. La(III) 용출 실험은 NH₄⁺-N와 PO₄^3--P을 넣지 않고 pH를 5, 7, 10으로 조절한 인공수 250 mL에 상온(25℃), 100, 200, 300, 400 및 550℃에서 제조된 La(III)-zeolite 복합체를 1.013 g씩 주입하고 흡착시간과 동일하게 90분 동안 용출시킨 후 인공수에 La(III)의 농도를 측정하였다.
La(III)-zeolite 복합체 제조 시 최적 건조 온도 결정 실험은 상온(25℃), 100, 200, 300, 400 및 550℃에서 1시간 동안 건조시켜 La(III)-zeolite 복합체를 제조한 후 탈리되는 정도를 조사하여 최적 온도를 도출하였다.¹³⁾
La(III)-zeolite 복합체 제조 시 최적의 결합 비 결정 실험을 하였다. NH₄⁺-N와 PO₄^3--P를 각각 10 mg/L, 1 mg/L로 제조한 인공수에 La(III) 0.
La(III)-zeolite 복합체의 최적 주입량을 결정 실험은 NH₄⁺-N 10 mg/L와 PO₄^3--P 1 mg/L의 인공수 250 mL를 최적 비율로 제조된 La(III)-zeolite 복합체 0.5065, 1.013, 1.5195 및 2.026 g와 함께 삼각플라스크에 넣고 200 rpm으로 120분 동안 흡착시킨 후 질소와 인의 흡착능을 조사하였다.
La(III)-zeolite 복합체의 최적 흡착 시간 결정 실험은 NH₄⁺-N10 mg/L와 PO₄^3--P 1 mg/L의 인공수 250 mL를 La(III)-zeolite 복합체 0.5065, 1.013, 1.5195 및 2.026 g와 함께 삼각플라스크에 넣고 200 rpm으로 10, 20, 40, 60, 90 및 120분 동안 흡착시킨 후 여과된 인공수의 질소와 인의 농도를 측정하여 시간에 따른 흡착능을 조사하였다.
La(III)와 제올라이트의 비율 0.0048:1 (g base)로 결합하여 자연 건조(25℃)를 거쳐 제조된 La(III)-zeolite 복합체의 최적 주입량을 알아보기 위해 복합체의 주입량을 달리하여 흡착 실험을 하였다. Fig.
-P을 각각 10 mg/L, 1 mg/L로 주입하고, pH를 2, 4, 6, 7, 8, 9, 10, 11 및 12로 각각 조절하였다. 그리고 제조된 인공수 250 mL와 La(III)-zeolite 복합체 1.013 g을 삼각플라스크에 넣고 200 rpm으로 90분 동안 흡착시킨 후 pH의 변화를 관찰하였다.
를 사용하였다. 인공수의 질소와 인의 농도는 각각 10 mg/L, 1 mg/L로 제조하였다.
증류수와 알칼리도를 60~70(mg CaCO₃/L)으로 조절한 경수(Table 3)에 NH₄⁺-N와 PO₄^3--P을 각각 10 mg/L, 1 mg/L로 주입하고, pH를 2, 4, 6, 7, 8, 9, 10, 11 및 12로 각각 조절하였다. 그리고 제조된 인공수 250 mL와 La(III)-zeolite 복합체 1.

대상 데이터

La(III)의 공급원으로는 LaCl3·7H2O를 사용하였다.
본 연구에서 사용된 제올라이트는 일반적으로 시중에 판매되는 제올라이트 A type을 구입하여 사용하였다. 제올라이트 A type은 양이온교환능력(CEC)이 우수하기 때문에 세제용으로 사용되고 있으며, 균일한 입도분포를 가지고 있다.
본 연구에서 채취된 시료는 공극 크기가 1.2 µm인 GF/C filter (Whatman 사, 직경 47 mm)로 여과하여 Standard Method,12) HACH DR/4000 manual에 준하여 이루어졌으며, 측정 항목과 방법은 Table 2에 나타냈다.
인공수를 제조하기 위해 질소는 NH₄Cl, 인은 KH₂PO₄를 사용하였다. 인공수의 질소와 인의 농도는 각각 10 mg/L, 1 mg/L로 제조하였다.

성능/효과

1) La(III)-zeolite 복합체 제조 시 제올라이트의 양을 증가시킬 경우 NH₄⁺-N의 제거율도 증가하지만 이에 따라 감소하는 PO₄^3--P의 제거율을 고려하여 La-zeolite 복합체의 최적 결합비는 0.0048:1 (g base)로 결정하였다.
제올라이트의 결정 구조 중 금속성 이온은 다른 양이온과 교환될 수 있고 이온 간의 친화력이 다르기 때문에 양이온의 종류에 따라 이온교환이 선택적으로 나타나게 된다.¹⁰⁾ 제올라이트에 있어서 이온교환은 양이온의 종류, 이온교환 온도, 양이온의 농도, 용매의 종류 등의 인자에 영향을 받는데 2가 양이온보다 1가 양이온이 이온교환이 잘 일어난다.¹¹⁾
2) La(III)-zeolite 복합체 제조 시 25, 100, 200, 300, 400 및 550℃의 건조 온도 중 NH₄⁺-N 흡착의 경우 온도 영향을 거의 받지 않았으나, PO₄^3--P의 경우에는 온도가 증가함에 따라 흡착 효율이 급격히 감소하였으며, 25℃에서 가장 좋은 제거율을 나타냈다. 따라서, 질소와 인의 제거율을 동시에 고려해 볼 때 자연 건조(25℃)가 최적의 건조 온도로 관찰되었다.
3) NH₄⁺-N의 경우에는 주입량이 증가함에 따라 흡착 효율이 증가함을 알 수 있었으나, 1.013 g 이상에서는 큰 변화가 없었다. PO₄^3--P의 경우 역시 주입량이 1.
3) 부영양화를 억제하는 방법에는 호소로의 질소와 인의 유입을 억제하는 방법과 유입된 질소와 인을 호소 내에서 처리하는 방법이 있다.²⁾
5) NH₄⁺-N의 경우 pH 4 이하, pH 8 이상에서 흡착 효율이 떨어졌고, pH 5에서 흡착 효율이 가장 좋은 것으로 나타났다. PO₄^3--P의 경우 pH 4 이하, pH 8 이상에서 흡착 효율이 떨어졌고, pH 7에서 흡착 효율이 가장 좋은 것으로 나타났다.
6) 흡착 전·후 pH 변화를 살펴본 결과 초기 pH 2~7 범위에서 경수와 증류수 모두 흡착 후 pH가 상승했다.
7) La(III) 용출은 건조 온도에 따라 영향을 거의 받지 않는 것으로 나타났는데 건조 온도와 pH가 감소할수록 용출되는 La(III)의 농도가 조금씩 감소하는 것으로 나타났고, 건조 온도와 pH 전체 범위를 살펴보았을 때 용출 농도는 La(III)-zeolite 복합체의 La(III) 농도 19.2 mg/L와 비교했을 때 매우 적은 양이므로 거의 용출되지 않는 것으로 사료된다.
2는 La(III)-zeolite 복합체 제조 시 건조 온도에 따른 질소와 인의 흡착 특성을 나타내고 있다. NH₄⁺-N의 경우에는 전체적으로 80% 이상의 제거율을 보였는데 그 중에서도 300℃에서 약 100%로 가장 좋은 제거율을 보였다. PO₄^3--P의 경우에는 건조 온도 25℃에서 가장 좋은 제거율을 보였고 나머지 온도 범위에서는 40% 미만의 제거율을 보였다.
-N의 경우 pH 4 이하, pH 8 이상에서 흡착 효율이 떨어졌고, pH 5에서 흡착 효율이 가장 좋은 것으로 나타났다. PO₄^3--P의 경우 pH 4 이하, pH 8 이상에서 흡착 효율이 떨어졌고, pH 7에서 흡착 효율이 가장 좋은 것으로 나타났다. 그리고 NH₄⁺-N와 PO₄^3--P 모두 경수가 pH 변화에 따른 흡착 효율의 변화가 증류수보다 작은 것으로 나타났는데, 이는 경수의 완충능 때문인 것으로 사료된다.
6은 건조 온도 25, 100, 200, 300, 400 및 550℃서 제조된 La-zeolite 복합체가 pH 5, 7, 10의 용액에 주입되었을 때 복합체로부터의 La(III) 용출 특성을 나타냈다. 건조 온도와 pH가 감소할수록 La(III)의 용출 농도가 조금씩 감소하는 것으로 나타났다. 전체 건조 온도와 pH 범위의 용출 농도를 살펴보면 La(III)-zeolite 복합체의 La(III) 농도 19.
PO₄^3--P의 경우 pH 4 이하, pH 8 이상에서 흡착 효율이 떨어졌고, pH 7에서 흡착 효율이 가장 좋은 것으로 나타났다. 그리고 NH₄⁺-N와 PO₄^3--P 모두 경수가 pH 변화에 따른 흡착 효율의 변화가 증류수보다 작은 것으로 나타났는데, 이는 경수의 완충능 때문인 것으로 사료된다.
PO₄^3--P의 경우에는 pH 4 이하에서 흡착 효율이 떨어지고 pH 8 이상에서 흡착 효율이 급격히 떨어지는 것으로 관찰되었다. 그리고 pH 7에서 흡착 효율이 가장 좋은 것으로 나타났다. 또한 NH₄⁺-N와 마찬가지로 알칼리도를 조절한 경수가 증류수보다 흡착 효율의 변화가 작게 나타났다.
-P의 경우에는 온도가 증가함에 따라 흡착 효율이 급격히 감소하였으며, 25℃에서 가장 좋은 제거율을 나타냈다. 따라서, 질소와 인의 제거율을 동시에 고려해 볼 때 자연 건조(25℃)가 최적의 건조 온도로 관찰되었다.
그리고 pH 7에서 흡착 효율이 가장 좋은 것으로 나타났다. 또한 NH₄⁺-N와 마찬가지로 알칼리도를 조절한 경수가 증류수보다 흡착 효율의 변화가 작게 나타났다. 이는 경수의 완충능 때문인 것으로 사료된다.
그리고 pH 5에서 흡착 효율이 가장 좋은 것으로 나타났다. 또한 알칼리도를 60~70 (mg CaCO₃/L)으로 조절한 경수가 pH 변화에 따라 NH₄⁺-N 흡착 효율의 변화가 증류수보다 작은 것으로 나타났다. PO₄^3--P의 경우에는 pH 4 이하에서 흡착 효율이 떨어지고 pH 8 이상에서 흡착 효율이 급격히 떨어지는 것으로 관찰되었다.
이는 경수의 완충능 때문인 것으로 사료된다. 흡착 전과 후의 pH 변화를 살펴본 결과 pH 2~7 범위에서는 경수와 증류수 모두 흡착 후 pH가 상승했다. 하지만 흡착 전 pH 7 이상에서는 경수의 pH 변화가 거의 없는 반면에 증류수는 흡착 후 pH가 상승하였다.

후속연구

또한 우리나라의 소양호와 같은 호수에서는 내적 인부하량이 전체 인부하량의 50%를 넘는다고 한다.⁴⁾ 제올라이트를 지지체로 La(III)이 결합되어 있다면 호소수내에 용존되어 있는 질소 및 인뿐만 아니라 퇴적층에서 용출되는 영양염류를 지속적으로 흡착할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	부영양화를 억제하는 방법에는 무엇이 있는가?	이러한 부영양화는 호소로 유입되는 질소와 인이 원인이다.3) 부영양화를 억제하는 방법에는 호소로의 질소와 인의 유입을 억제하는 방법과 유입된 질소와 인을 호소 내에서 처리하는 방법이 있다.2)
	부영양화의 원인은?	이러한 부영양화는 호소로 유입되는 질소와 인이 원인이다.3) 부영양화를 억제하는 방법에는 호소로의 질소와 인의 유입을 억제하는 방법과 유입된 질소와 인을 호소 내에서 처리하는 방법이 있다.
	호소의 수온이 상승하여 조류들이 서식하기 좋은 환경이 조성되면 발생하는 문제점은?	우리나라에 존재하는 많은 호소들은 부영양화 현상과 더불어 매년 여름철이 되면 수온이 상승하여 조류들이 서식하기 좋은 환경이 조성 된다. 이로 인해 조류가 대량 번식하면서 독소를 발생시키고 호소의 투명도를 저하시켜 시각적으로도 좋지 못한 결과를 초래하게 된다. 또한 정수과정에서 조류로 인해 여과지의 막힘 현상이나 음용수 맛의 저하 및 냄새를 유발하기도 한다.1) 이렇게 과다하게 발생한 조류가 사멸하게 되면 세균에 의해 분해되면서 많은 산소를 소비하게 되어 결국에는 용존 산소량이 부족하게 된다. 이로 인해 호소 바닥의 철, 망간 등의 용출을 유발시키기도 하고 물고기의 떼죽음 같은 피해도 발생하게 된다.2)

참고문헌 (13)

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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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