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문제 정의
- 그리고 현재까지 느릅나무 수피를 사용하여 수중에 함유된 질산성질소 제거효율에 관한 실험적 고찰이 이루어지지 않았다. 따라서, 본 연구에서는 느릅나무 수피를 이용하여 고농도 질산성질소를 효과적으로 제거하는 수처리 기술로 개발함으로써 수체의 부영양화 방지 대책으로 활용하고자 하였다.
- 본 실험에서는 강원 지역에서 발생하는 느릅나무 수피를 활용하여 수중에 함유된 질산성질소를 효과적으로 처리하고자 하였다. 느릅나무 수피는 목재 표면에서 2 mm에 존재하는 부분에서 채취하였으며, 여기서 얻어진 시료는 믹서기(FM-909T, Hanil Co.
- 본 연구에서는 강원 지역에서 발생되는 느릅나무 수피를 사용하여 수중에 함유된 질산성질소의 제거효율에 대하여 살펴보았다. 또한 느릅나무 수피의 함산소불화 처리에 의하여 질산성질소의 흡착량과 수중에 함유된 10, 20, 40 mg/L 질산성질소의 제거능 향상에 대한 실험적 고찰이 이루어졌다.
- 본 연구에서는 수체(water body)의 부영양화 문제를 해결하기 위하여 느릅나무 수피를 흡착제로 사용하여 수중에 함유된 질산성질소를 효과적으로 제거하였다. 회분식 실험을 통하여 수용액의 초기 pH가 3.
- 05 MPa에서 불소가스와 산소가스의 분압비가 각각 1 : 9, 2 : 8, 3 : 7이 되도록 주입하였으며 10 min 동안 반응이 이루어졌다. 이 함산소불화 처리에 의하여 물리적으로 개질된 느릅나무 수피를 이용하여 수중에 함유된 질산성 질소 제거능력 향상에 관한 실험을 수행하였다.
제안 방법
- Figure 4에 나타낸 것과 같이, 최적의 함산소불화 조건(불소가스와 산소가스 분압비가 1 : 9)에서 얻은 느릅나무 수피를 이용하여 수중에 함유된 10, 20, 40 mg/L 질산성질소 제거효율에 관하여 고찰하였다. 그 결과 10 mg/L 질산성질소는 4 h 반응이 이루어졌을 때 96%의 높은 제거효율을 얻을 수 있었으며, 그 이후 거의 일정한 제거효율을 나타내는 흡착 평형에 도달함을 알 수 있었다.
- 그리고 미처리 및 함산소 불화 처리된 느릅나무 수피 비표면적과 기공 특성 변화는 ASAP 2020 (Micromeritics Ins. Corp., US)을 이용하였으며, 77 K에서 질소기체 흡 ⋅탈착에 의하여 분석이 이루어졌다[14].
- 그리고 수중에 함유된 10과 20 mg/L 질산성질소의 흡착능력 향상을 위하여 느릅나무 수피에 불소가스와 산소가스 분압비 변화(1 : 9, 2 : 8, 3 : 7)에 의한 함산소불화 처리 공정을 수행하였다. Figure 3(a)에 나타낸 것과 같이, 10 mg/L 질산성질소를 처리한 경우 산소가스 분압비가 높을수록 수중에 함유된 질산성질소 흡착량이 증가되었으며, 또한 흡착 시간이 경과할수록 질산성질소 흡착량이 증가함을 알 수 있었다.
- , Korea)를 사용하여 분쇄 공정을 2 h 동안 수행하였다. 그리고 시료는 체진동기(Analysette 3, Fritsch Co., Germany)를 사용하여 입자를 분리하였다. 또한 분리된 시료는 건조기(J-DSA1, Jisico Co.
- 또한 FO-2 : 8 및 FO-3 : 7의 경우에서는 함산소 불소관능기가 느릅나무 표면과 직접 반응하여 흡착제 표면에서 식각 반응을 일으킨 것으로 나타났다. 그리고 흡착제 표면의 식각 반응 정도에 따라 비표면적이 증가(FO-3 : 7)하거나 감소(FO-2 : 8)하였다. 즉, FO-2 : 8인 경우에서는 식각 반응으로 인하여 세공구조가 크게 무너지게 되어 비표면적과 총기공 부피가 감소하게 되었다.
- 그리고, 수중에 존재하는 질산성질소의 흡착량을 향상하고자, 함산소불화 반응을 수행하였다. 이 함산소불화 반응은 상온에서 2 g 느릅나무 수피에 질소가스를 사용하여 2회 배기하고, 총 반응압력이 0.
- 수용액의 pH는 오염물질들의 이온화 정도와 흡착제 표면 전하에 영향을 미치고, 수소 이온과 수산 이온은 흡착제에 강하게 흡착 현상을 나타낸다고 밝혀졌으며, 그 결과 수용액의 pH는 다른 이온들의 흡착에 영향을 미친다고 보고되었다[16]. 따라서, 본 실험에서는 초기 pH 변화(3.5, 5.5, 7.5 9.5)에 따른 수중에 함유된 10, 20 mg/L 질산성 질소의 제거효율을 고찰하였다. Figure 1(a)에 나타낸 것과 같이, 10 mg/L 질산성질소는 8 h 흡착 반응 기준으로 초기 pH를 3.
- 본 연구에서는 강원 지역에서 발생되는 느릅나무 수피를 사용하여 수중에 함유된 질산성질소의 제거효율에 대하여 살펴보았다. 또한 느릅나무 수피의 함산소불화 처리에 의하여 질산성질소의 흡착량과 수중에 함유된 10, 20, 40 mg/L 질산성질소의 제거능 향상에 대한 실험적 고찰이 이루어졌다.
- 본 연구에서는 Shaking incubator를 사용하여 일정한 시간 동안 흡착 반응이 이루어진 후 시료를 채취하였다. 여기서 채취한 시료는 5000 rpm에서 15 min 동안 원심분리기(Micro-12 Hanil, Korea)를 사용하여 고액 분리가 이루어졌다.
- 그리고, 수중에 존재하는 질산성질소의 흡착량을 향상하고자, 함산소불화 반응을 수행하였다. 이 함산소불화 반응은 상온에서 2 g 느릅나무 수피에 질소가스를 사용하여 2회 배기하고, 총 반응압력이 0.05 MPa에서 불소가스와 산소가스의 분압비가 각각 1 : 9, 2 : 8, 3 : 7이 되도록 주입하였으며 10 min 동안 반응이 이루어졌다. 이 함산소불화 처리에 의하여 물리적으로 개질된 느릅나무 수피를 이용하여 수중에 함유된 질산성 질소 제거능력 향상에 관한 실험을 수행하였다.
- 이때 얻어진 상등액은 0.45 µm micro filter (MFS, Japan)를 이용하여 여과하였으며, UV/VIS Spectro-photometer (UV-1601PC Shimadzu, Japan)를 사용하여 410 nm 파장에서 수중에 존재하는 질산성 질소의 농도를 분석하였다.
- 그리고 수중에 잔존하는 질산성질소 제거효율 향상을 위하여 흡착제의 물리적 개질 공정이 필요함을 알 수 있었다. 이를 위하여 본 연구에서는 함산소불화 조건에 의한 흡착제 개질 반응을 수행하였다. 이 함산소불화 개질 반응에서 질산성질소의 흡착능 향상을 위한 최적의 불소와 산소 분압비가 1 : 9임을 알 수 있었다.
대상 데이터
- 수중에 함유된 질산성질소를 제조하고자 KNO3 (Samchun Chemical Co., Korea)를 이용하였다. 이때 표준 용액 100 mg/L을 제조한 후 10, 20, 40 mg/L 질산성 질소로 희석하여 실험에 사용하였다.
이론/모형
- , US)을 이용하였으며, 77 K에서 질소기체 흡 ⋅탈착에 의하여 분석이 이루어졌다[14]. 모든 시료는 423 K에서 6 h 동안 전처리를 실시하였고 비표면적과 총기공은 각각 Brunauer-Emmett-Teller (BET), Density-Functional Theory (DFT) 방법을 사용하여 계산 하였다[15].
성능/효과
- 5)에 따른 수중에 함유된 10, 20 mg/L 질산성 질소의 제거효율을 고찰하였다. Figure 1(a)에 나타낸 것과 같이, 10 mg/L 질산성질소는 8 h 흡착 반응 기준으로 초기 pH를 3.5로 조절한 경우 43%의 가장 높은 제거효율을 나타내었으며, 초기 pH를 9.5로 조 절한 경우 17%의 가장 낮은 제거효율을 구하였다. 또한, 운전 시간이 증가할수록 질산성질소의 제거효율이 향상됨을 알 수 있었다.
- 그리고 수중에 함유된 10과 20 mg/L 질산성질소의 흡착능력 향상을 위하여 느릅나무 수피에 불소가스와 산소가스 분압비 변화(1 : 9, 2 : 8, 3 : 7)에 의한 함산소불화 처리 공정을 수행하였다. Figure 3(a)에 나타낸 것과 같이, 10 mg/L 질산성질소를 처리한 경우 산소가스 분압비가 높을수록 수중에 함유된 질산성질소 흡착량이 증가되었으며, 또한 흡착 시간이 경과할수록 질산성질소 흡착량이 증가함을 알 수 있었다. 이 실험에서 불소가스와 산소가스 분압비가 1 : 9 조건에서 8 h 반응이 이루어졌을 때 1.
- 또한, 수중에 함유된 질산성질소의 제거효율은 비표면적과 총 기공 부피 모두 영향을 받지만, 더욱 크게 영향을 받는 것은 느릅나무 표면에 도입된 표면관능기의 불소와 산소 비율임을 알 수 있었다. 결과적으로 비표면적과 총 기공부피가 큰 조건에서 함산소 불소화 반응에 의하여 도입된 관능기가 느릅나무 표면에 존재할 경우 수중에 함유된 질산성질소의 제거효율을 향상시킨 것으로 판단되었다.
- Figure 4에 나타낸 것과 같이, 최적의 함산소불화 조건(불소가스와 산소가스 분압비가 1 : 9)에서 얻은 느릅나무 수피를 이용하여 수중에 함유된 10, 20, 40 mg/L 질산성질소 제거효율에 관하여 고찰하였다. 그 결과 10 mg/L 질산성질소는 4 h 반응이 이루어졌을 때 96%의 높은 제거효율을 얻을 수 있었으며, 그 이후 거의 일정한 제거효율을 나타내는 흡착 평형에 도달함을 알 수 있었다. 또한 20 mg/L 질산성질소의 경우에서도 반응 초기 단계부터 질산성질소의 높은 제거효율을 보였으며, 8 h 반응이 이루어졌을 때 95%의 제거효율을 나타내었다.
- 0 g/100 mL 흡착제가 사용되었을 때 20 mg/L 질산성질소의 제거효율은 68%를 나타내었다. 그리고 수중에 잔존하는 질산성질소 제거효율 향상을 위하여 흡착제의 물리적 개질 공정이 필요함을 알 수 있었다. 이를 위하여 본 연구에서는 함산소불화 조건에 의한 흡착제 개질 반응을 수행하였다.
- 또한, 운전 시간이 증가할수록 질산성질소의 제거효율이 향상됨을 알 수 있었다. 그리고, 초기 pH에 변화에 의한 20 mg/L 질산성질소의 제거효율은 10 mg/L 질산성질소의 경우의 거의 유사한 제거 특성을 나타내었으며, 8 h 흡착 반응 기준으로 초기 pH를 3.5로 조절하였을 때 37%의 가장 높은 제거효율과 3.48 mg/g의 최대 흡착량을 구할 수 있었다. 그러나 Figure 1(b)에 보인 것과 같이, 초기 pH를 9.
- 또한, 최적의 함산소불화 조건에서 개질된 느릅나무 수피를 이용하여 8 h 운전이 이루어졌을 때, 10, 20, 40 mg/L 질산성질소 제거효율은 각각 96, 95, 59%를 나타내었다. 따라서, 본 실험에서 얻어진 결과들은 수중에 함유된 비교적 고농도 질산성질소를 효과적으로 제거하는 수처리 기술로서 충분히 활용될 수 있음을 보여주었다.
- 그리 고 40 mg/L 질산성질소의 경우 8 h 반응이 이루어졌을 때 59% 제거 효율을 나타내었다. 따라서, 수중에 존재하는 40 mg/L 질산성 질소 제거효율을 향상시키기 위한 추가적 공정이 필요함을 알 수 있었다. 이를 위하여 향후, 느릅나무 수피에 산성 또는 염기성 약품 첨가에 의한 화학적 개질 반응에 관한 연구가 이루어져야 할 것이다.
- 그 결과 10 mg/L 질산성질소는 4 h 반응이 이루어졌을 때 96%의 높은 제거효율을 얻을 수 있었으며, 그 이후 거의 일정한 제거효율을 나타내는 흡착 평형에 도달함을 알 수 있었다. 또한 20 mg/L 질산성질소의 경우에서도 반응 초기 단계부터 질산성질소의 높은 제거효율을 보였으며, 8 h 반응이 이루어졌을 때 95%의 제거효율을 나타내었다. 한편, 40 mg/L 질산성질소는 반응 30 min에 도달하였을 때 31%의 낮은 제거효율을 보였으며 그 이후 제거효율이 소폭 증가하였다.
- 또한 느릅나무 수피 주입 농도와 흡착 시간을 증가하였을 때 질산성질소의 제거효율이 향상되었으며, 그 결과 1.0 g/100 mL 흡착제가 사용되었을 때 20 mg/L 질산성질소의 제거효율은 68%를 나타내었다.
- 이 실험에서 느릅나무 수피의 농도가 높을수록 수중에 함유된 질산성질소 제거효율이 증가됨을 알 수 있었다. 또한 반응 시간이 증가할수록 모든 주입 농도에서 질산성질소의 제거능력이 향상되었으며, 1.0 g/100 mL 느릅나무 수피를 주입하여 8 h 흡착이 수행되었을 때 20 mg/L 질산성질소는 68%의 제거효율을 도출할 수 있었다. 그러나, 수중에 잔존하는 질산성질소의 높은 제거효율을 얻기 위해서는 흡착제의 물리적 또는 화학적 개질 공정이 필요함을 알 수 있었다.
- 또한, 수중에 함유된 질산성질소의 제거효율은 비표면적과 총 기공 부피 모두 영향을 받지만, 더욱 크게 영향을 받는 것은 느릅나무 표면에 도입된 표면관능기의 불소와 산소 비율임을 알 수 있었다. 결과적으로 비표면적과 총 기공부피가 큰 조건에서 함산소 불소화 반응에 의하여 도입된 관능기가 느릅나무 표면에 존재할 경우 수중에 함유된 질산성질소의 제거효율을 향상시킨 것으로 판단되었다.
- 또한, 운전 시간이 증가할수록 질산성질소의 제거효율이 향상됨을 알 수 있었다.
- 이 함산소불화 개질 반응에서 질산성질소의 흡착능 향상을 위한 최적의 불소와 산소 분압비가 1 : 9임을 알 수 있었다. 또한, 최적의 함산소불화 조건에서 개질된 느릅나무 수피를 이용하여 8 h 운전이 이루어졌을 때, 10, 20, 40 mg/L 질산성질소 제거효율은 각각 96, 95, 59%를 나타내었다. 따라서, 본 실험에서 얻어진 결과들은 수중에 함유된 비교적 고농도 질산성질소를 효과적으로 제거하는 수처리 기술로서 충분히 활용될 수 있음을 보여주었다.
- 그리고 Table 1에 나타낸 것과 같이, 함산소 불소관능기가 느릅나무 표면에 처리됨으로써 비표면적과 총 기공 부피의 세공구조 변화 및 관능기에 의한 흡착제의 표면 특성이 크게 영향을 미치는 것으로 판단되었다. 본 실험조건인 FO-1 : 9인 경우에서는 표면 식각(분해) 반응이 아닌 함산소 불소화 관능기의 표면 돌기(anchor) 구조 도입에 의하여 비표면적이 증가하였고 총 기공 부피는 Control과 비교하여 미미하게 증가하였다. 또한 FO-2 : 8 및 FO-3 : 7의 경우에서는 함산소 불소관능기가 느릅나무 표면과 직접 반응하여 흡착제 표면에서 식각 반응을 일으킨 것으로 나타났다.
- 73 mg/g의 최대 질산성질소 흡착량 을 구할 수 있었다. 위의 실험 결과들로부터 수중에 함유된 10, 20 mg/L 질산성질소 제거효율 향상을 위한 최적의 불소가스와 산소가스 분압비가 1 : 9임을 알 수 있었다. 그리고 Table 1에 나타낸 것과 같이, 함산소 불소관능기가 느릅나무 표면에 처리됨으로써 비표면적과 총 기공 부피의 세공구조 변화 및 관능기에 의한 흡착제의 표면 특성이 크게 영향을 미치는 것으로 판단되었다.
- 76 mg/g의 최소 흡착량을 얻을 수 있었다. 위의 실험결과로부터 수용액의 초기 pH가 3.5로 조절되었을 때, 10, 20mg/L 질산성질소의 제거효율은 각각 43, 37%까지 증가하였다.
- 0 g/100 mL)에 의한 20 mg/L 질산성질소의 제거효율에 대하여 고찰하였다. 이 실험에서 느릅나무 수피의 농도가 높을수록 수중에 함유된 질산성질소 제거효율이 증가됨을 알 수 있었다. 또한 반응 시간이 증가할수록 모든 주입 농도에서 질산성질소의 제거능력이 향상되었으며, 1.
- Figure 3(a)에 나타낸 것과 같이, 10 mg/L 질산성질소를 처리한 경우 산소가스 분압비가 높을수록 수중에 함유된 질산성질소 흡착량이 증가되었으며, 또한 흡착 시간이 경과할수록 질산성질소 흡착량이 증가함을 알 수 있었다. 이 실험에서 불소가스와 산소가스 분압비가 1 : 9 조건에서 8 h 반응이 이루어졌을 때 1.55 mg/g의 질산성질소 흡착량을 구할 수 있었으며, 그 결과 물리적 개질이 수행되지 않은 느릅나무 수피(control)와 비교 하여 질산성질소 흡착량이 77% 향상된 결과를 도출하였다. 또한 Figure 3(b)에 나타낸 것과 같이, 20 mg/L 질산성질소를 처리한 경우 불소가스와 산소가스 분압비 1 : 9인 조건에서 4 h 반응 경과 후 비교 적 높은 흡착량을 나타내었으며, 그 이후 지속적으로 흡착량이 증가됨을 알 수 있었다.
- 이를 위하여 본 연구에서는 함산소불화 조건에 의한 흡착제 개질 반응을 수행하였다. 이 함산소불화 개질 반응에서 질산성질소의 흡착능 향상을 위한 최적의 불소와 산소 분압비가 1 : 9임을 알 수 있었다. 또한, 최적의 함산소불화 조건에서 개질된 느릅나무 수피를 이용하여 8 h 운전이 이루어졌을 때, 10, 20, 40 mg/L 질산성질소 제거효율은 각각 96, 95, 59%를 나타내었다.
- 이를 위하여 향후, 느릅나무 수피에 산성 또는 염기성 약품 첨가에 의한 화학적 개질 반응에 관한 연구가 이루어져야 할 것이다. 이러한 화학적 개질 반응의 최적 조건이 도출되면 수중에 함유된 40 mg/L 이상 비교적 고농도 질산성질소의 흡착 능력이 증가되어서, 그 결과 질산 성질소의 제거효율이 크게 향상될 수 있을 것으로 판단되었다. 최종적으로 위의 실험으로부터 얻은 결과들은 수중에 함유된 비교적 고농도인 10, 20, 40 mg/L의 질산성질소를 효과적으로 처리함으로써 수계의 부영양화 방지 기술로서 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
- 본 연구에서는 수체(water body)의 부영양화 문제를 해결하기 위하여 느릅나무 수피를 흡착제로 사용하여 수중에 함유된 질산성질소를 효과적으로 제거하였다. 회분식 실험을 통하여 수용액의 초기 pH가 3.5로 조절되었을 때, 10, 20 mg/L 질산성질소의 제거효율은 각각 43, 37%까지 증가하였다. 또한 느릅나무 수피 주입 농도와 흡착 시간을 증가하였을 때 질산성질소의 제거효율이 향상되었으며, 그 결과 1.
후속연구
- 따라서, 수중에 존재하는 40 mg/L 질산성 질소 제거효율을 향상시키기 위한 추가적 공정이 필요함을 알 수 있었다. 이를 위하여 향후, 느릅나무 수피에 산성 또는 염기성 약품 첨가에 의한 화학적 개질 반응에 관한 연구가 이루어져야 할 것이다. 이러한 화학적 개질 반응의 최적 조건이 도출되면 수중에 함유된 40 mg/L 이상 비교적 고농도 질산성질소의 흡착 능력이 증가되어서, 그 결과 질산 성질소의 제거효율이 크게 향상될 수 있을 것으로 판단되었다.
- 이러한 화학적 개질 반응의 최적 조건이 도출되면 수중에 함유된 40 mg/L 이상 비교적 고농도 질산성질소의 흡착 능력이 증가되어서, 그 결과 질산 성질소의 제거효율이 크게 향상될 수 있을 것으로 판단되었다. 최종적으로 위의 실험으로부터 얻은 결과들은 수중에 함유된 비교적 고농도인 10, 20, 40 mg/L의 질산성질소를 효과적으로 처리함으로써 수계의 부영양화 방지 기술로서 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
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