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문제 정의
- 2 본 연구는 활성탄(activated carbon), 황토(yellow sand), 비산재(fly ash)와 같은 다양한 흡착제를 이용하여 수중에 있는 질소와 인을 제거할 수 있는 가능성을 탐구하고자 하였다. 이를 위해 온도, 접촉시간, 흡착제의 양 등 다양한 실험조건 별로 흡착 특성을 비교 분석하였다.
- 본 연구내용은 활성탄, 황토, 비산재와 같은 다양한 흡착제를 이용하여 수중으로 부터 부영양화 원인물질인 질소와 인을 흡착, 제거하는 실험에 관한 것이다. 위 흡착제 중에서 가장 흔히 쓰이는 활성탄은 액상에서의 오염물을 흡착하는데 이용되고 있으나 비교적 높은 비용이 소요된다.
제안 방법
- BET 비표면적, 동공부피, 평균동공직경 수치는 ASAP 2010 (Micrometrics, USA)을 이용하여 온도 77 K에서 질소의 흡착과 탈착되는 질소의 양으로부터 흡착등온선을 구하여 측정하였다. 질소의 흡착 분석에 앞서, 흡착제 동공에 있는 오염물질을 제거하기 위해서 흡착제 시료들을 403 K 온도에서 15시간 동안 미리 건조시켰다.
- 각 흡착제별 입자크기 분배(0.02−2,000μm)는 입자크기분석기(Mastersizer 2000, Malvern, England)를 사용하여 측정하였다.
- 비산재, 황토, 활성탄을 이용한 수중의 질소와 인의 흡착능력을 흡착제의 양과 접촉시간의 변수를 이용하여 측정하였다. 흡착 실험은 다음과 같이 행하였다.
- 2 본 연구는 활성탄(activated carbon), 황토(yellow sand), 비산재(fly ash)와 같은 다양한 흡착제를 이용하여 수중에 있는 질소와 인을 제거할 수 있는 가능성을 탐구하고자 하였다. 이를 위해 온도, 접촉시간, 흡착제의 양 등 다양한 실험조건 별로 흡착 특성을 비교 분석하였다.
- 위 흡착제 중에서 가장 흔히 쓰이는 활성탄은 액상에서의 오염물을 흡착하는데 이용되고 있으나 비교적 높은 비용이 소요된다. 이에 우리 주변에서 흔히 구할 수 있는 황토와 비산재를 이용하여 현재 수처리 분야에서 문제시 되고 있는 질소와 인을 흡착, 제거하고자 하였고, 더불어 활성탄과의 흡착효율과 흡착 등온선을 상호 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이후 일정시간 간격마다 일정한 양의 용액을 피펫을 이용해서 반응조로부터 회수하였다. 총질소와 총인의 분석은 시료를 3,000 rpm으로 5 분간 원심분리 후 상등액만을 채취하여 총질소는 자외선법, 총인은 아스코르빈산 환원법으로 처리한 후 UV-spectrometer (S 3100, SCINCO)를 이용하여 질소와 인의 최대흡수파장인 520 nm에서 측정하였으며 검량선을 통하여 흡착 후 수용액에 잔존하는 질소와 인의 농도(ppm)를 산정하였다.
- 02−2,000μm)는 입자크기분석기(Mastersizer 2000, Malvern, England)를 사용하여 측정하였다. 활성탄, 황토 비산재 흡착제들의 성분과 조성 함량은 원소분석기(Thermoelectron, Italy)와 X-선 형광분석기(ZSX Primus II, Rigaku, Japan)를 이용하여 분석하였다.
- 흡착제들의 일정 양(0.5, 1.0, 2.5, 5.0 g)을 2 ppm의 질소와 1 ppm의 인이 함유되어 있는 인공수가 들어 있는 회분식 반응조에 넣고 실온에서 일정하게 교반(200 rpm)하여 접촉시간(2−24 시간) 경과에 따른 농도의 변화를 조사하여 이에 따른 흡착효율을 조사하였다.
대상 데이터
- (인; 1mg/L)이었다. NH4Cl와 KH2PO4는 일본에 있는 관동화학으로부터 구입하여 사용하였다. 본 실험에서 사용한 활성탄은 20−40 mesh 크기로 미국 Aldrich로부터 구입하였고, 황토는 국내 경주에서 채취하였으며, 비산재는 포항의 electrical power generating station로부터 구하였다.
- 본 실험에서 사용한 활성탄은 20−40 mesh 크기로 미국 Aldrich로부터 구입하였고, 황토는 국내 경주에서 채취하였으며, 비산재는 포항의 electrical power generating station로부터 구하였다.
- 실험에 사용한 원수는 인공적으로 제조하였으며 조성은 NH4Cl (질소; 2mg/L)과 KH2PO4 (인; 1mg/L)이었다. NH4Cl와 KH2PO4는 일본에 있는 관동화학으로부터 구입하여 사용하였다.
이론/모형
- 수중의 질소와 인에 대한 활성탄, 황토, 비산재의 흡착 능력을 평가하기 위해서 회분식(batch type) 방법으로 흡착실험을 실시하였다. 흡착 실험을 위해 반응조 안에 있는 내용물들을 실온에서 교반기를 이용하여 일정한 속도(200 rpm)로 교반하였다.
성능/효과
- 5는 실온에서 24 시간 경과동안 황토의 양의 변화에 따른 수중의 인 농도의 변화를 나타낸 그림이다. 0.5 g의 황토 사용 시 시간의 경과에 따라 인의 농도는 1 ppm에서 점차로 감소하여 24시간의 흡착시간에 이르러서는 0.72ppm에 도달하였고 이에 상응하는 인의 흡착효율은 대략 28.4%이었다. 전반적으로 황토의 양을 증가시켰을 때 인의 흡착도 증가하였고 이들의 흡착효율은 24시간의 흡착 시간에서 각각 38.
- 흡착효율은 활성탄의 양을 증가시킴에 따라 증가하는 경향을 보였다. 5.0 g의 활성탄을 사용했을 경우 24 시간의 평형 흡착시간에서 0.33 ppm의 질소 농도가 수중에 잔존하였고 이에 따른 수중의 질소 흡착효율은 약 83.5%로 비교적 높은 수치를 보였다.
- 실온에서 활성탄에 의한 수중의 질소와 인의 흡착효율은 시간에 따라, 활성탄의 양에 따라 증가하였다. Freundlich 흡착등온 상수 1/n 값을 통해서 활성탄이 인보다는 질소에 대해 흡착 능력이 더 뛰어남을 알 수 있었다.
- 74로서 활성탄의 Freundlich 상수 값 과 거의 큰 차이를 보이지 않았다. 결과적으로 활성탄과 황토 모두가 수중의 인에 대하여 거의 비슷한 흡착능력을 지니고 있다는 것을 알 수 있었다.
- 황토를 이용한 수중으로부터의 인의 흡착특성은 위에서 서술한 질소의 경우와는 확연히 다른 결과를 보였다. 결과적으로 황토를 이용하여 수중으로부터 질소는 제거할 수 없으나 인은 제거할 수 있는 능력을 지니고 있음을 확인할 수 있었다.
- 물/비산재 계에서 비산재의 양을 증가시키거나 흡착 반응시간을 늘인다 하더라도 질소의 초기농도 2 ppm과 비교하여 질소의 농도가 증가하거나 감소하지도 않았다. 결론적으로 비산재는 수중으로부터 질소를 흡착하기 위한 흡착제로서의 능력을 전혀 갖추지 못하였다.
- 0 mm 범위 내에 있었으며 활성탄은 2 mm 이상이었다. 비산재, 황토, 활성탄의 비표면적 크기는 각각 2.25, 40.72, 653.97 m2/g로 활성탄이 비산재보다 290배 크고 황토와 비교해서는 16배 더 높은 수치를 보였다. 흡착제 종류별 총동공부피도 비표면적의 경향과 마찬가지로 비산재, 황토, 활성탄 순으로 높았으며 그 수치는 각각 0.
- 활성탄과는 다르게 황토를 이용한 수중으로부터 질소의 흡착실험은 정반대의 결과를 나타내었다. 시간의 경과에 따라 수중으로부터 질소의 농도는 감소되는 것이 아니라 점차적으로 증가하는 경향을 보였다. 5.
- 06이었다. 이 두 수치의 비교를 통해서 수중의 인보다는 질소가 보다 훨씬 더 활성탄에 잘 흡착된다는 것을 보여주었다. 황토에 의한 Freundlich 상수 1/n은 2.
- 0 g까지 증가시켜도 인 농도의 증감이 관찰되지 않았다. 이러한 결과는 비산재를 이용한 수중에서의 질소 흡착특성과 거의 유사하였고, 결론적으로 비산재는 수중에 존재하는 질소와 인을 제거할 수 있는 흡착제로서의 능력이 부족하다는 것을 보여준다. 그러나 본 연구결과와는 달리 비산재를 이용한 폐수 중의 페놀과 그 유사화합물의 흡착실험을 통해서 비산재가 비교적 우수한 흡착제라는 것이 알려져 있다.
- 2%에 이르렀다. 활성탄에 의한 질소와인의 흡착효율을 비교하였을 때 질소가 인보다 같은 실험 조건에서 약 2배 정도 높은 흡착을 보였다.
- 66 cm3/g이었다. 활성탄의 총동공부피는 비산재에 비해 330배, 황토와 비교해서는 7.3배 정도 높았다. 각 흡착제의 흡착평균동공직경(4V/A)은 비산재, 활성탄, 황토 순으로 높았으며 이들의 값은 31.
- 황토를 이용한 수중의 질소는 시간과 황토 양의 증가에 따라 농도가 감소되는 것이 아니라 점차적으로 증가하는 경향을 보였다. 이러한 이유는 황토로부터 질소가 유출되기 때문인 것으로 판단된다.
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