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문제 정의
- 본 연구에서는 영양염류인 암모늄과 인산염, 그리고 중금속인 카드뮴이 동시에 존재할 때 이를 제거하기 위한 반응벽체공법의 반응성 매질로 제올라이트와 제강슬래그를 함께 사용하는 경우 복합오염물질 제거 효과를 분석하였다. 회분식실험(batch test)을 수행하여 영양염류와 중금속의 제거능을 비교하였다.
- 본 연구에서는 중금속과 영양염류의 복합오염물질 제거를 위하여 제올라이트와 제강슬래그를 반응벽체공법의 반응성 매질로써 활용하는 경우 반응순서에 복합오염물질의 제거능 변화를 분석하기 위하여 카드뮴, 암모늄, 인산염의 복합오염물질에 대한 연속회분식실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
- 회분식실험(batch test)을 수행하여 영양염류와 중금속의 제거능을 비교하였다. 또한 두 가지 매질을 연속반응시키는 경우 반응순서에 따른 복합오염물질의 제거 효과를 연속 회분식실험을 통해 분석하였다.
- 후)제강 슬래그의">제강슬래그의 순서로 연속 반응시키는 연속회분식실험(Test Z-S)과 그 역순으로 반응시키는 실험(Test S-Z)을 각각 수행하였다. 또한 제올라이트와 제강슬래그를 혼합하여 반응시킨 실험(Test MIX)을 수행하여 복합오염물질의 제거능을 비교하였다. 첫 번째 매질과의 반응이 종료된 후 채취한 용액을 이용하여 두 번째 매질과의 반응성을 파악하기 위한 실험이 연속적으로 수행되었다.
- 후)회분식 실험은">회분식실험은 ASTM D4646-03(ASTM, 2008) 규정에 따라 수행하였다. 매질과 용액의 비를 1:20이 되도록 매질 3 g과 암모늄, 인산염, 카드뮴 혼합용액 60 mL를 혼합하여 상온에서 24시간 동안 교반하였다. 반응 후 매질의 반응순서에 따른 복합오염물질의 제거능을 평가하기 위하여 두 번의 회분식실험을 순차적으로 실시하는 연속회분식실험을 수행하였다.
- 모든 회분식실험은 동일한 조건에 대해 2회 이상 반복수행하여 분석하였다.
- 매질과 용액의 비를 1:20이 되도록 매질 3 g과 암모늄, 인산염, 카드뮴 혼합용액 60 mL를 혼합하여 상온에서 24시간 동안 교반하였다. 반응 후 상등액을 채취하여 pH를 측정하고, IC(Ion Chromatograph, Dionex, ICS-3000), ICP-AES(ICP-Atomic Emission Spectrometer, PerkinElmer, Optima-4300 DV)로 농도를 분석하였다.
- 암모늄, 카드뮴, 인산염의 복합오염물질과 제올라이트 및 제강슬래그의 순서로 연속 반응시키는 연속회분식실험(Test Z-S)과 그 역순으로 반응시키는 실험(Test S-Z)을 각각 수행하였다. 또한 제올라이트와 제강슬래그를 혼합하여 반응시킨 실험(Test MIX)을 수행하여 후)연속회분식 실험에서">연속회분식실험에서 1차 회분식실험은 매질 3 g과 암모늄, 인산염, 카드뮴 혼합용액 60 mL를 혼합하여 수행하였으며, 2차 회분식실험에서는 1차 회분식실험에서 추출된 상등액을 사용하기 때문에 양이 감소하여 45 mL를 사용하였다. 이때 매질과 용액의 비를 1:20으로 유지하기 위하여 매질 2.
- 후)연속회분식 실험은">연속회분식실험은 제올라이트와 먼저 반응시킨 후 남은 상등액을 제강슬래그에 반응시키는 실험(Test Z-S)과 반대로 제강슬래그와 먼저 반응시키고 제올라이트를 반응시키는 실험(Test S-Z), 제올라이트와 제강슬래그를 혼합하여 반응시키는 실험(Test MIX)으로 구분하여 실시하였다.
- 후)회분식 실험에서">회분식실험에서 추출된 상등액을 사용하기 때문에 양이 감소하여 45 mL를 사용하였다. 이때 매질과 용액의 비를 1:20으로 유지하기 위하여 매질 2.25 g과 혼합하여 2차 회분식실험을 수행하였다.
- 제올라이트와 제강슬래그의 경우 현장적용 시 전처리 공정 없이 원재료를 그대로 활용하는 것이 경제적이므로 이를 고려하여 회분식실험 시 별도의 전처리를 수행하지 않고 사용하였다.
- 제올라이트와 제강슬래그의 복합오염물질 제거능을 평가하기 위하여 회분식실험을 실시하였다.
- 제올라이트와 제강슬래그의 성분은 XRF(X-Ray Fluorescence Spectrometer, Shimadzu, XRF-1700)를 통해 분석하였고, 결과를 Table 1에 정리하였다. 또한 비표면적, 후)복합 오염물질의">복합오염물질의 제거능을 비교하였다. 첫 번째 매질과의 반응이 종료된 후 채취한 용액을 이용하여 두 번째 매질과의 반응성을 파악하기 위한 실험이 연속적으로 수행되었다.
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후)반응벽체 공법의">반응벽체공법의 반응성 매질로 제올라이트와 제강슬래그를 함께 사용하는 경우 복합오염물질 제거 효과를 분석하였다. 회분식실험(batch test)을 수행하여 영양염류와 중금속의 제거능을 비교하였다. 또한 두 가지 매질을
대상 데이터
- 본 연구에서 대상오염물질로 사용된 영양염류인 암모늄 (NH4+) 및 인산염(PO43-)과 중금속인 카드뮴(Cd2+)은 각각 NH4Cl, PO4 표준용액, Cd 표준용액을 이용하여 조제하였다. 본 연구에서 사용된 제올라이트는 국내 경상북도 포항 구룡포에서 생산되는 제올라이트(왕표화학)를 사용하였다. 제올라이트는 입경에 대한 균질성을 확보하고 85 mm) 에 남는 부분을 사용하였다. 제강슬래그는 광양제철소에서 발생한 슬래그를 이용하였고, 슬래그 또한 제올라이트와 같은 입도 범위의 슬래그를 사용하였다.
- 후)제올라이트(왕표 화학)를">제올라이트(왕표화학)를
- 후)초기 농도가">초기농도가 100 mg/L가 되도록 각각 용액을 준비하고, 세 가지 용액을 동일한 비율로 혼합한 복합오염물질을 조제하여 실험에 사용하였다.
이론/모형
- 후)제강 슬래그의">제강슬래그의 성분은 XRF(X-Ray Fluorescence Spectrometer, Shimadzu, XRF-1700)를 통해 분석하였고, 결과를 Table 1에 정리하였다. 또한 비표면적, 양이온교환능 (CEC)과 pH를 각각 BET법(ASAP2010 기기이용), 토양화학분석법(Ammonium acetate method)과 토양오염공정시험 법에 따라 분석하여 Table 2에 제시하였다.
- 후)회분식 실험은">회분식실험은 ASTM D4646-03(ASTM, 2008) 규정에 따라 수행하였다. 매질과 용액의 비를 1:20이 되도록 매질 3 g과 암모늄, 인산염, 카드뮴 혼합용액 60 mL를 혼합하여 상온에서 24시간 동안 교반하였다.
성능/효과
- (1) 제올라이트의 경우 복합오염물질에서 암모늄 제거능이 우수하지만, 인산염과 카드뮴의 제거 효과는 크지 않았다. 반면 제강슬래그의 경우에는 암모늄 제거능은 크지 않았지만, 인산염과 카드뮴의 제거에는 효과적인 것으로 나타났다.
- (3) 암모늄, 인산염, 카드뮴의 복합오염물질의 제거를 위한 제올라이트와 제강슬래그를 매질로 사용하는 반응벽체 적용 시 암모늄 제거능을 기준으로 설계가 이루어져야 하며, 암모늄의 제거능을 향상시키기 위해서 제올라이트와 먼저 반응하고 제강슬래그와 순차적으로 반응하는 연속식 반응벽체를 적용하는 것이 효과적이다.
- 후)혼합 여부나">혼합여부나 반응순서에 관계없이 오염물질이 대부분 제거되었다. 그러나 암모늄의 경우 제올라이트와 제강슬래그를 혼합하여 반응시킨 경우 (Test MIX) 최종반응완료 후 77.7 %까지 제거되었으나, 제올라이트와 먼저 반응시키고 제강슬래그와 반응시킬 경우 (Test Z-S)에는 96.6 %의 제거율을 나타내어 제거율이 크게 향상되었다. 반면 제강슬래그를 먼저 반응시킨 경우(Test S-Z) 에는 78.
- 이는 혼합하여 반응시킨 경우 (Test MIX)와 크게 차이가 나지 않는 결과이다. 따라서 암모늄, 인산염, 카드뮴의 복합오염물질의 제거를 위하여 제올라이트와 제강슬래그 혼합 반응벽체 설계 시 암모늄의 제거능을 향상시키기 위하여 제올라이트와 먼저 반응하도록 설계하는 것이 효과적이다. 또한 암모늄의 제거능이 반응순서에 따른 제거율 변화가 가장 크므로 인산염의 경우에는 칼슘이온과 결합하여 침전되기 때문에 용액상에서 제거되는 것으로 판단된다. 따라서 제강슬래그는 칼슘성분의 용해와 pH 상승으로 인하여 카드뮴과 인산염 이 두 가지 오염물질을 제거하는데 효과적인 매질임을 확인할 수 있었다. 그러나 암모늄의 경우 77.
- 0 %가 제거된 것으로 나타났다. 반면 제강슬래그와 암모늄, 인산염, 카드뮴 복합오염물질을 혼합하여 24시간 반응시킨 이후의 농도를 분석한 결과 인산염과 카드뮴은 거의 100 % 제거 되었으나, 암모늄은 24.7 % 정도만 제거되었다.
- 후)우수하지만,">우수하지만, 인산염과 카드뮴의 제거 효과는 크지 않았다. 반면 제강슬래그의 경우에는 암모늄 제거능은 크지 않았지만, 인산염과 카드뮴의 제거에는 효과적인 것으로 나타났다.
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후)연속회분식 실험을">연속회분식실험을 수행한 결과를 종합적으로 비교하면 반응성 매질의 혼합 여부나 연속반응 시의 반응순서가 오염물질의 종류에 따라 제거능에 영향을 받는 것을 알 수 있다. 다만 카드뮴과 인산염의 경우에는
후)양이 온성의">양이온성의 오염물질 제거에 효과적일 것임을 나타낸다. 제강슬래그의 경우 제올라이트에 비해 비표면적과 양이온교환능은 작게 나타났으나, pH가 12 이상으로 강한 알칼리성을 보였다. Weng & Huang(1994)은 CaO, MgO, K2O의 함량이 높을수록 pH가 높아진다고
제올라이트는 비표면적과 양이온교환능이 큰 것으로 확인되었으며, 이러한 특성은 양이온교환에 의한 중금속을 포함한 양이온성의 오염물질 제거에 효과적일 것임을 나타낸다. 제강슬래그의 경우 제올라이트에 비해 비표면적과
후속연구
- 후)설계시">설계 시
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