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$Cl^-$ 형태의 음이온 교환 수지를 이용한 오쏘인산 이온의 제거에 관한 연구
Removal of Orthophosphate Ions from Aqueous Solutions Using the Anion Exchange Resin in the Form of $Cl^-$ Ion 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.34 no.3, 2012년, pp.162 - 167  

김기철 (연세대학교 환경공학부) ,  박수진 (연세대학교 환경공학부) ,  차란 (연세대학교 환경공학부) ,  정태영 (연세대학교 환경공학부) ,  정형근 (연세대학교 환경공학부)

초록
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$Cl^-$ 형태의 음이온 교환 수지를 이용하여 오쏘인산 이온의 제거에 관한 연구를 수행하여, 오쏘인산의 형태에 따른 이온 교환 메커니즘을 살펴보았다. 또한, 알칼리도의 영향 및 타 이온의 영향을 조사하였다. 유입수에 포함된 오쏘인산 이온의 산화수가 2와 3인 화학종($HPO{_4}^{2-}$ and $PO{_4}^{3-}$)의 경우, 이온 교환 반응을 통해 완전히 제거되었으나, 1가 화학종($H_2PO_4{^-}$)인 경우는 음이온 교환 수지에 대한 친화도가 $Cl^-$ 이온과 경쟁적으로 작용하여 부분적인 제거만 이루어졌다. 이온 교환 반응을 거친 유출수의 pH는 유입수에 포함된 오쏘인산 이온의 당량에 해당하는 $Cl^-$ 이온이 유출수에 포함된 것을 근거로 계산한 수치에 비해 상당히 낮은 pH 값을 나타내었다. 이는 1가 이온은 2가 이온으로, 2가 이온은 3가 이온으로 변환되어 이온 교환되었기 때문으로 해석할 수 있었다. 알칼리도가 증가할 경우, pH 강하는 최소화되었다, 알칼리도가 100 mg/L ($CaCO_3$) 이상일 경우, 100 mg/L의 오쏘인산 이온($H_2PO_4{^-}$ 이온 포함)을 용액에서 모든 오쏘인산 이온이 제거되었다. 수용액에 포함된 $SO{_4}^{2-}$$NO_3{^-}$ 이온은 오쏘인산 이온과 함께 제거가 되었으며, 이에 해당하는 만큼 이온 교환 용량이 감소되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The removal of orthophosphate ions from aqueous solutions by the anion exchange resin in the form of $Cl^-$ ion was investigated to elucidate the ion exchange mechanism which depends on the forms of orhthophoshate ions. In addition, the effects of alkalinity and other common anions were s...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 또한, 실제 폐수에 나타나는 알칼리도에 대한 영향 연구는 체계적으로 이루어진 바 없다. 따라서, 본 연구에서는 오쏘인산 이온 형태에 따른 이온 교환 경향, 알칼리도의 영향 및 타 음이온의 영향에 대한 연구를 수행하였다. 아울러, 실제 하수 종말 처리장의 방류수를 대상으로 음이온 교환 수지를 이용한 오쏘인산 이온의 제거에 대한 정보를 제공하고자 한다.
  • 한편, 하수의 전형적인 특징인 알칼리도는 오쏘인산 이온의 제거에 긍정적 효과를 나타낼 수 있음을 보였다. 본 연구에서는 오쏘인산 이온의 농도가 약 1.0 mg/L를 나타내는 실제 하수처리장의 유출수를 대상으로, 오쏘인산의 제거에 영향을 미치는 여러 인자들의 기여도를 살펴보았다. 본 연구에 사용된 하수에는 알칼리도, SO42-, NO3-이온의 농도가 각각 70.
  • 따라서, 본 연구에서는 오쏘인산 이온 형태에 따른 이온 교환 경향, 알칼리도의 영향 및 타 음이온의 영향에 대한 연구를 수행하였다. 아울러, 실제 하수 종말 처리장의 방류수를 대상으로 음이온 교환 수지를 이용한 오쏘인산 이온의 제거에 대한 정보를 제공하고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
생물학적 처리를 거친 유출수에는 인의 대부분이 무엇으로 존재하는가? 생물학적 처리를 거친 유출수에는 인의 대부분이 오쏘인산 이온으로 존재하는데, 이러한 오쏘인산 이온을 가장 효율적으로 처리하는 방법에는 화학적 공정을 들 수 있다.3) 주로 철염과 알룸(alum, Al2(SO4)3 18H2O)이 침전제 또는 응집제로 사용되고 있으며, 적절한 조건에서 99% 이상의 인 제거 효율을 나타낼 수 있다고 보고되고 있다.
음이온 교환 수지는 어떠한 점에서 오쏘인산 이온의 제거에 적용될 수 있는가? 음이온 교환 수지는 음이온을 완전히(99% 이상) 제거를 할 수 있다는 점에서 오쏘인산 이온의 제거에 적용될 수 있다.10) 현재까지 음이온 교환 수지는 지하수 및 자연수에 포함된 F- , Br- , NO3- , AsO43- 등의 제거에 효과적으로 적용되어 왔으며,11~13) 하수 처리 시스템의 유출수에 포함된 오쏘인산 이온의 제거에는 제한적인 연구가 진행되었다.
오쏘인산 이온을 가장 효율적으로 처리하는 화학적 공정의 특징은 무엇인가? 생물학적 처리를 거친 유출수에는 인의 대부분이 오쏘인산 이온으로 존재하는데, 이러한 오쏘인산 이온을 가장 효율적으로 처리하는 방법에는 화학적 공정을 들 수 있다.3) 주로 철염과 알룸(alum, Al2(SO4)3 18H2O)이 침전제 또는 응집제로 사용되고 있으며, 적절한 조건에서 99% 이상의 인 제거 효율을 나타낼 수 있다고 보고되고 있다.4,5) 2가 철인 FeSO4 또는 FeCl2가 첨가될 경우는 불용성의 vivianite [Fe3(PO4)2·8H2O]가 정량적으로 침전되며,6) 3가 철 이온(FeCl3) 또는 알룸이 첨가될 경우에 인의 제거 경로는 흡착 메커니즘으로 보고되고 있다.
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참고문헌 (16)

  1. 환경부, "공공 하수 처리 시설 운영 실태 결과보고서"(2010). 

  2. 환경부, "환경 기준"(제2조 관련)(2009). 

  3. Ferguson, J. F., Jenkins, D. and Menar, A. B., "Chemical processes for phosphate removal," Water Res., 5, 369-381(1971). 

  4. Donnert, D. and Salecker, M., "Elimination of phosphorus from waste water by crystallization," Environ. Technol., 20, 195-202, 735-742(1999). 

  5. Penetra, R. G., Reali, M. A. P., Foresti, E. and Campos, J. R., "Post-treatment of effluents from anaerobic reactor treating domastic sewage by dissolved-air flotation," Water Sci. Technol., 40, 137-143(1999). 

  6. Frossard, E., Bauer, J. P. and Lothe, F., "Evidence of vivianite in FeSO4 - flocculated sludges," Water Res., 31, 2449- 2454(1997). 

  7. Nowack, B. and Stone, A. T., " The influence of metal ions on the adsorption of phosphonates onto goethite," Environ. Sci. Technol., 33, 3627-3633(1999). 

  8. Galarneau, E. and Gehr, R., "Phosphorus removal from waste waters: experimental and theoretical supports for alternative mechanisms," Water Res., 31, 328-338(1997). 

  9. Ozacar, M. and Sengil, I. A., "Enhancing phosphorus removal in a full-scale UCT process," Water Res., 31, 2719- 2726(1997). 

  10. Zhao, D. and Sengupta, A. K., "Ultimate removal of phosphate from wastewater using a new class of polymeric ion exchangers," Water Res., 32, 1613-1625(1998). 

  11. 권순국, 유명진, 정태명, 김민석, "이온 교환 수지를 이용한 농?어촌 지하수 중의 질산 이온 제거," 한국환경농학회지, 16(2), 193-198(1997). 

  12. Awual, M. R., Urata, S., Jyo, A., Tamada, M. and Katakal, A., "Arsenate removal from water by a weak-base anion exchange fibrous adsorbent," Water Res., 42, 689-696(2008). 

  13. Hsu, S. and Singer, P. C., "Removal of bromide and natural organic matter by anion exchange," Water Res., 44, 2133- 2130(2010). 

  14. Gregory, J. and Dhond, R. V., "Anion exchange equilibria involving phosphate, sulphate and chloride," Water Res., 6, 695-702(1972). 

  15. Zhao, D. and Sengupta, A. K., "Selective removal and recovery of phosphate in a novel fixed-bed process," Water Sci. Technol., 33(10-11), 139-147(1996). 

  16. Blaney, L. M., Cinar, S. and Sengupta, A. K., "Hybrid anion exchanger for trace phosphate removal from water and waste water," Water Res., 41, 1313-1602(2007). 

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