본 연구에서는 연안어장 준설퇴적물에 대한 영양염류(인공수 중 질산염과 인산염)의 흡착반응에서 흡착제, pH, 이온강도가 미치는 영향을 살펴보았다. 그리고 준설퇴적물을 이용해서 영양염류를 제거할 수 있는 가능성을 평가하고자했다. ${NO_3}^-$-N($100{\mu}M$, 10mM), ${PO_4}^{3-}$-P($100{\mu}M$, 10mM)에 대한 흡착반응은 10분 이내에 완료되었고, 정상상태에서 $100{\mu}M$${NO_3}^-$-N과 $100{\mu}M$${PO_4}^{3-}$-P가 각각 61%, 77% 제거 되었다. $900^{\circ}C$에서 준설퇴적물을 열처리했을 때 영양염류 제거율은 증가하지 않았다. CaO와 MgO 같은 첨가제를 사용하면 질산염의 제거율은 0%까지 감소했으나, 인산염 제거율은 98%까지 증가했다. 질산염과 인산염의 등온흡착은 Freundlich 식에 의해 잘 설명되었다($R^2$>0.99). 흡착반응은 pH와 이온강도에 의해 거의 영향을 받지 않았다. 흡착반응시간이 짧고 영양염류 제거율이 상당히 높다는 연구결과는 연안어장 준설퇴적물이 영양염류 제거를 위해 실제로 사용될 수 있는 가능성을 보여준다.
본 연구에서는 연안어장 준설퇴적물에 대한 영양염류(인공수 중 질산염과 인산염)의 흡착반응에서 흡착제, pH, 이온강도가 미치는 영향을 살펴보았다. 그리고 준설퇴적물을 이용해서 영양염류를 제거할 수 있는 가능성을 평가하고자했다. ${NO_3}^-$-N($100{\mu}M$, 10mM), ${PO_4}^{3-}$-P($100{\mu}M$, 10mM)에 대한 흡착반응은 10분 이내에 완료되었고, 정상상태에서 $100{\mu}M$${NO_3}^-$-N과 $100{\mu}M$${PO_4}^{3-}$-P가 각각 61%, 77% 제거 되었다. $900^{\circ}C$에서 준설퇴적물을 열처리했을 때 영양염류 제거율은 증가하지 않았다. CaO와 MgO 같은 첨가제를 사용하면 질산염의 제거율은 0%까지 감소했으나, 인산염 제거율은 98%까지 증가했다. 질산염과 인산염의 등온흡착은 Freundlich 식에 의해 잘 설명되었다($R^2$>0.99). 흡착반응은 pH와 이온강도에 의해 거의 영향을 받지 않았다. 흡착반응시간이 짧고 영양염류 제거율이 상당히 높다는 연구결과는 연안어장 준설퇴적물이 영양염류 제거를 위해 실제로 사용될 수 있는 가능성을 보여준다.
In the present study, experiments have been performed to investigate the effects of the type of adsorbent, pH, and ionic strength on the adsorption of nutrients (nitrate and phosphate in artificial solution) onto the dredged sediment from a coastal fishery. In addition, this study aims to evaluate t...
In the present study, experiments have been performed to investigate the effects of the type of adsorbent, pH, and ionic strength on the adsorption of nutrients (nitrate and phosphate in artificial solution) onto the dredged sediment from a coastal fishery. In addition, this study aims to evaluate the possibility of removing the nutrients from the water using the dredged sediment. In the adsorption experiments of the nutrients, the reactions were completed within 10 minutes using ${NO_3}^-$-N($100{\mu}M$, 10mM) and ${PO_4}^{3-}$-P($100{\mu}M$, 10mM). In the steady state, 61% and 77% of the initial amounts were removed respectively for $100{\mu}M$${NO_3}^-$-N and $100{\mu}M$${PO_4}^{3-}$-P. The thermal treatment of the dredged sediment at $900^{\circ}C$ was not helpful to increase the removal efficiencies of the nutrients. Additives such as CaO and MgO dropped the removal efficiency of ${NO_3}^-$ to 0%, but increased that of ${PO_4}^{3-}$ up to 98%. Adsorption isotherms of ${NO_3}^-$ and ${PO_4}^{3-}$ could be explained by the Freundlich equation ($R^2$>0.99). The adsorption reaction was little influenced by the pH and ionic strength. Based on the results showing short reaction time and considerably high removal efficiencies of the nutrients, it is proposed to apply the dredged sediment from a coastal fishery to removing nutrients such as nitrate and phosphate in the water.
In the present study, experiments have been performed to investigate the effects of the type of adsorbent, pH, and ionic strength on the adsorption of nutrients (nitrate and phosphate in artificial solution) onto the dredged sediment from a coastal fishery. In addition, this study aims to evaluate the possibility of removing the nutrients from the water using the dredged sediment. In the adsorption experiments of the nutrients, the reactions were completed within 10 minutes using ${NO_3}^-$-N($100{\mu}M$, 10mM) and ${PO_4}^{3-}$-P($100{\mu}M$, 10mM). In the steady state, 61% and 77% of the initial amounts were removed respectively for $100{\mu}M$${NO_3}^-$-N and $100{\mu}M$${PO_4}^{3-}$-P. The thermal treatment of the dredged sediment at $900^{\circ}C$ was not helpful to increase the removal efficiencies of the nutrients. Additives such as CaO and MgO dropped the removal efficiency of ${NO_3}^-$ to 0%, but increased that of ${PO_4}^{3-}$ up to 98%. Adsorption isotherms of ${NO_3}^-$ and ${PO_4}^{3-}$ could be explained by the Freundlich equation ($R^2$>0.99). The adsorption reaction was little influenced by the pH and ionic strength. Based on the results showing short reaction time and considerably high removal efficiencies of the nutrients, it is proposed to apply the dredged sediment from a coastal fishery to removing nutrients such as nitrate and phosphate in the water.
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문제 정의
본 연구실에서는 이전에 연안어장 준설퇴적물을 이용해서 적조생물인 Cochlodinium polykrikoides을 효과적으로 제거하는 연구결과를 발표했다(선 등, 2010). 본 연구는 적조 제어에 대한 추가연구로써 Cochlodinium polykrikoides을 제거하기 위해 뿌려진 연안어장 준설퇴적물이 영양염류를 동시에 제거할 수 있는가를 알아보기 위해 수행되었다.
일반적으로 영양염류의 농도가 높은 연안어장 준설퇴적물을 이용해서 NO3-와 PO43- 이온을 제거하는 연구 및 활용은 그 한계가 있을 수 있으나 다음 목적을 위해 본 연구를 진행하였다. 본 연구실에서는 이전에 연안어장 준설퇴적물을 이용해서 적조생물인 Cochlodinium polykrikoides을 효과적으로 제거하는 연구결과를 발표했다(선 등, 2010).
제안 방법
01M NaCl)로 조절하여 등온흡착 실험을 다음과 같이 실시하였다. 11개의 200mL 삼각플라스크에 준설퇴적물과 11 가지 농도(0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 0.7, 1, 2, 3, 5, 7, 10mM)의 NO3--N 인공수(0M NaCl)를 1:10의 비율(2g:20mL)로 각각 넣은 후, 2시간 동안 교반하여 평형에 이르도록 하였다. 평형에 도달하는 충분한 시간은 흡착반응속도 실험결과를 바탕으로 선택하였다.
의 양을 파악하는 바탕실험을 다음과 같이 실시하였다. 4개 삼각플라스크에 4 가지 물질(준설퇴적물, 900℃에서 열처리한 준설퇴적물, CaO, MgO) 2g을 각각 넣고 초순수 20mL를 각각 더하여 앞과 같은 방법으로 실험한 다음 용출된 NO3--P와 PO43--N의 농도를 측정했다.
NO3-, PO43- 인공수는 KNO3, KH2PO4 각각을 초순수에 녹여서 만들었다.
NO3-, PO43- 인공수의 이온강도를 각각 두 가지(0M, 0.01M NaCl)로 조절하여 등온흡착 실험을 다음과 같이 실시하였다. 11개의 200mL 삼각플라스크에 준설퇴적물과 11 가지 농도(0.
NO3-, PO43-의 흡착반응에 대한 pH 영향을 초기 NO3-, PO43- 농도를 세 가지로(100μM, 1mM, 10mM) 달리해서 살펴보았다.
NO3--N(100μM, 10mM), PO43--P(100μM, 10mM) 인공수를 가지고 흡착반응속도 실험을 다음과 같이 실시했다.
NO3--N(50μM, 100μM), PO43--P(50μM, 100μM) 인공수를 다양한 흡착제와 반응시켜 흡착성능을 비교하였다.
-P(50μM, 100μM) 인공수를 다양한 흡착제와 반응시켜 흡착성능을 비교하였다. Table 1에서 보는 바와 같이 6가지 종류의 흡착제를 만들었는데, 준설 퇴적물을 별다른 처리 없이 그냥 사용하기도 했고, 이것을 열처리하거나 CaO 또는 MgO를 첨가하여 영양염류 제거실험을 하였다.
본 연구에서는 연안어장 준설퇴적물을 NO3-와 PO43- 이온에 대한 흡착제로 사용해서 다음 실험을 수행하였다: 1) 흡착제의 흡착성능 비교, 2) 흡착 반응속도, 3) 등온흡착, 4) pH에 따른 흡착특성 파악.
인공수의 NO3-와 PO43-의 농도가 매우 낮으므로(100μM 이하) 준설퇴적물과 첨가제 자체로부터 용출되는 NO3-와 PO43-의 양을 파악하는 바탕실험을 다음과 같이 실시하였다.
7, 1, 2, 3, 5, 7, 10mM)의 NO3--N 인공수(0M NaCl)를 1:10의 비율(2g:20mL)로 각각 넣은 후, 2시간 동안 교반하여 평형에 이르도록 하였다. 평형에 도달하는 충분한 시간은 흡착반응속도 실험결과를 바탕으로 선택하였다. 나머지 자세한 실험과정은 “2.
대상 데이터
100μM NO3--N, PO43--P을 각각 61%, 77% 제거했다.
흡착제 성능비교” 실험에서 기술한 바와 같다. NO3-(0.01M NaCl), PO43-(0M, 0.01M NaCl) 인공수를 가지고 동일한 등온흡착 실험을 각각 실시했다.
본 연구에 사용한 연안어장 준설퇴적물은 약 20년간 피조개 양식장으로 사용된 곳에서 준설선을 이용하여 채취하였다. 시료를 그늘지고 통풍이 잘되는 곳에서 상온 건조한 후 분말상태에서 200 μm 체로 걸렀다.
성능/효과
입자크기가 작을수록 흡착반응이 완료되는데 걸리는 시간은 짧았다. 두 연구에서 반응완료 시간의 차이가 있는 것은 흡착제와 흡착물질의 비율, 흡착제에 포함된 광물질의 구성비 등이 다르기 때문이라고 판단되며 준설퇴적물을 이용한 영양염류의 흡착반응속도가 상당히 빠름을 확인할 수 있다.
이온강도의 크기에 상관없이 모든 실험조건에서 NO3-, PO43- 용액의 농도가 증가함에 따라 흡착된 양이 계속 증가했다. 등온흡착 실험결과를 Langmuir 식과 Freundlich 식에 적용했을 때, 다음 Freundlich 식을 잘 만족한다는 결과를 얻었다.
900℃에서 열처리했을 때 NO3-(55～58%), PO43-(52～61%)를 제거했다. 또한 준설퇴적물에 CaO나 MgO를 첨가했을 때 NO3-제거율은 0%에 가까웠으나, PO43- 제거율은 98%까지 증가했다.
본 연구결과에 의하면 연안어장 준설퇴적물은 부영양화의 주원인이 되는 영양염(NO3-, PO43-)을 제거하는데 매우 효과적이다. 100μM NO3--N, PO43--P을 각각 61%, 77% 제거했다.
상수슬러지를 2g/L 비율로 해수에 첨가하여 연속교반하면 32～100%의 인이 제거가 되었고 상수슬러지 입자크기가 작을수록 제거율이 증가했다(이 등, 2004). 본 연구와 기존 연구의 실험조건이 다르기 때문에 연구결과를 직접 비교하기는 어렵지만 연안어장 준설퇴적물의 영양염류 제거율이 황토나 다른 흡착제에 비해 결코 낮지 않음을 확인할 수 있다.
실험에서 선택한 모든 pH(2∼12), 모든 농도(100μM, 1mM, 10mM)에서 PO43-의 흡착율이 NO3-보다 높았고, 농도에 따른 흡착율 차이도 PO43-의 경우에 더 크게 나타났다.
준설퇴적물은 다공질이며 대부분(92%)의 입자크기가 100μm 이하로 작았다. 양이온 교환능력은 15.4meq/100g로 높은 편이었고, Ca 함량도 26%로 높았다. pHPZC 값은 5.
어떤 처리도 하지 않은 준설퇴적물은 NO3-와 PO43-를 각각 61～64%, 77～78% 제거했다. 준설퇴적물을 열처리하면 효율이 높아질 것이라는 예상과 달리 NO3-, PO43- 제거율이 모두 감소했다. 900℃에서 열처리했을 때 NO3-(55～58%), PO43-(52～61%)를 제거했다.
흡착제 없이 NO3-, PO43-만을 삼각플라스크에 넣고 실시한 바탕실험 결과, 인공수에서 NO3-, PO43- 농도변화는 무시할 정도로 작았다. 반면에 흡착제에 대한 바탕실험 결과, 준설퇴적물로부터 용출된 NO3--N 농도는 10.
후속연구
본 연구결과는 연안어장 준설퇴적물로 부영양화와 적조의 원인이 되는 영양염류를 효과적으로 제거할 수 있다는데 그 의의가 있으며, 적조와 동시에 영양염류를 제거할 수 있어서 적조예방에도 매우 도움이 되기를 기대한다.
본 연구결과만으로 pH와 영양염류 제거 메커니즘의 관계를 규명하기는 어렵지만, 연구결과를 종합하면 일반적인 해수의 pH가 7.5∼8.5이므로 준설퇴적물을 바닷물에 살포할 경우 PO43- 제거율이 매우 높고 NO3- 제거율도 상당하리라고 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
영양염류 제거를 위해 어떠한 방법들이 있는가?
지금까지 영양염류 제거를 위해 화학적 침전, 생물학적 처리, 흡착제 이용 등의 방법이 시도되어왔다. 화학적 침전을 이용한 방법은 화학약품이 고가이고 슬러지 처리가 어렵다는 것이 단점이고, 생물학적 처리는 환경친화적이지만 미생물이 주위 환경의 변화에 민감하게 반응하기 때문에 운영이 어렵다는 단점이 있다.
영양염류 제거 방법 중, 생물학적 처리 방법의 장단점은?
지금까지 영양염류 제거를 위해 화학적 침전, 생물학적 처리, 흡착제 이용 등의 방법이 시도되어왔다. 화학적 침전을 이용한 방법은 화학약품이 고가이고 슬러지 처리가 어렵다는 것이 단점이고, 생물학적 처리는 환경친화적이지만 미생물이 주위 환경의 변화에 민감하게 반응하기 때문에 운영이 어렵다는 단점이 있다. 흡착 및 침전방법으로 질소와 인을 제거하기 위해 국내외에서 다양한 재료들을 가지고 연구가 수행되었다.
부영양화로 인해 발생하는 문제점은?
최근 몇 십년동안 호수나 강, 해안, 외해에서 영양염류 농도는 10～20배 증가하여 부영양화를 가중시키고 있다. 부영양화는 1차생산자의 증가, 조류의 종조성 변화, 유해조류의 번성, 용존산소의 감소, 저서생물의 감소 등의 문제를 유발하기 때문에 적절한 대책이 필요하다(Billen et al., 1999).
참고문헌 (10)
김정애, 정경훈, 최형일, 문경도, 이호령(2011), "참나무 탄화물을 이용한 질산성질소의 흡착 특성", 한국환경과학회지, 20권 2호, pp. 215-222.
이영식, 박영태, 정정조(2004), "상수슬러지에 의한 해수 중의 인 및 Cochlodinium polykrikoides의 제거 특성", 대한환경공학회지, 26권 2호, pp. 127-131.
Babatunde, A.O. and Zhao, Y.Q.(2010), "Equilibrium and kinwtic analysis of phosphorus adsorption from aqueous solution using waste alum sludge", J. Hazard. Mater., Vol. 184, pp. 746-752.
Billen, G., Garnier, J., Deligne, C. and Billen, C.(1999), "Estimates of early-industrial inputs of nutrients to river systems: implication for coastal eutrophication", Sci. Total Environ., Vol. 243-244, pp. 43-52.
Khelifi, O., Kozuki, Y., Murakami, H., Kurata, K and. Nishioka, M.(2002), "Nutrients adsorption from seawater by new porous carrier made from zeolitized fly ash and slag", Mar. Pollut. Bull., Vol. 45, pp. 311-315.
Lee, S. H., Vigneswaran, S. and Chung, Y.(1997), "A detailed investigation of phosphorus removal in soil and slag media", Environ. Technol., Vol. 18, pp. 699- 710.
Ozturk, N. and Bektas, T.E.(2004), "Nitrate removal from aqueous solution by adsorption onto various materials", J. Hazard. Mater., Vol. B112, pp. 155-162.
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