[논문]TiCl4 농도와 교반강도가 수중 인 제거에 미치는 영향

서완우; 이봉희; 박화수; 김종호; 안종화

doi:10.4491/ksee.2016.38.3.150

TiCl4 농도와 교반강도가 수중 인 제거에 미치는 영향
Effect of TiCl4 Concentration and Mixing Intensity on Phosphorus Removal in Synthetic Wastewater 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.38 no.3, 2016년, pp.150 - 153

서완우 (강원대학교 환경공학과) , 이봉희 (강원대학교 환경공학과) , 박화수 (강원대학교 환경공학과) , 김종호 (전남대학교 응용화학공학부) , 안종화 (강원대학교 환경공학과)

초록
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본 연구는 $TiCl_4$의 농도(0.25-0.59 mM)와 급속교반속도(100-250 rpm), 완속교반속도(30-60 rpm)의 변화가 인 제거효율에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 응집제 농도가 $0.25{\leq}[TiCl_4]{\leq}0.39mM$ 범위에서 인 제거 효율은 $TiCl_4$의 농도가 증가 할수록 증가하였으며 처리후 인의 농도는 0.2 mg/L 이하였다. 응집제 농도 0.39 mM, 급속교반속도 100 rpm, 완속교반속도 30 rpm에서 인 제거효율이 약 99%로 가장 높았다. $TiCl_4$의 농도가 낮을 경우(0.25-0.27 mM) 인제거효율의 편차는 급속교반속도 변화(2-3%)보다 완속교반속도 변화(7-10%)에서 더 민감하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study evaluates the efficacy of titanium tetrachloride ($TiCl_4$) on phosphorus (P) removal in synthetic wastewater. Jar test experiments were performed at various $TiCl_4$ concentration (0.25-0.59 mM), and intensities of slow (30-60 rpm) and rapid (100-250 rpm) mixings to determine the conditions at which P removal was most efficient. The P-removal efficiency was highest (about 99%) at $TiCl_4$ concentration $([TiCl_4])=0.39mM$ with rapid-mixing intensity=100 rpm and slow-mixing intensity=30 rpm. The slow-mixing intensity was more sensitive than the rapid-mixing intensity to the P removal efficiency when [$TiCl_4$] was low ($0.25{\leq}[TiCl_4]{\leq}0.27mM$).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

1) 하․폐수의인 처리는 부영양화를 방지하고 조류 성장을 억제하기 위한 목적으로 이루어진다. 하․폐수 중 인의 발생원은 분뇨, 세제, 비료 생산 공정, 동물 사육장, 육류 및 음식 가공공정, 축산폐수, 펄프 및 제지 공정 등 다양하다.
⁷⁾ 따라서 현재 많이 사용되고 있는 알루미늄계열의 응집제에 비해 유해하지 않으며 안정적이라 판단된다. 알루미늄계열 응집제를 이용하여 교반속도에 따른 인 제거에 미치는 영향에 관한 연구는 있었지만, 8,9) TiCl₄에 관한 연구는 찾아 볼 수 없어 TiCl₄ 농도([TiCl₄])와 교반속도에 따른 인제거효율을 살펴보고자 하였다.

가설 설정

1) 인은 비교적 용해도가 낮아 침전물 생성이 용이하다. 화학적 처리공정에서 응집제와 화학적 또는 물리적으로 혼합하여 생성된 침전물의 형태로 제거된다.

제안 방법

본 연구에 사용된 Jar-tester는 6개의 패들로 이루어져 있으며 교반속도 조절이 가능한 Jar-tester (M-Tops사(社), SF6, 대한민국)를 사용하였다. Jar-test 처리 조건은 1분 동안 급속교반후, 20분 동안 완속교반을 거쳐 30분 동안 침전하였다. ²⁾ 급속교반속도에 따른 인 제거효율에 미치는 영향 실험에서는 교반속도 범위를 100 rpm부터 250 rpm까지 50 rpm 간격으로 실험하였으며 완속교반속도는 30 rpm으로 고정하였다.
동일한 시료량(500 mL)을 사용하여 [TiCl₄]와 교반속도에 따른 인 제거실험을 진행하였다. 실험에 사용한 인공폐수는 K 2HPO 4 (98%, 대정화금), NaHCO₃ (99.
응집실험 전, 후 pH (UB-10, DENVER instrument)를 측정하였다. 인 농도는 상등액을 GF/C (0.

대상 데이터

59 mM)를 사용하였다. 본 연구에 사용된 Jar-tester는 6개의 패들로 이루어져 있으며 교반속도 조절이 가능한 Jar-tester (M-Tops사(社), SF6, 대한민국)를 사용하였다. Jar-test 처리 조건은 1분 동안 급속교반후, 20분 동안 완속교반을 거쳐 30분 동안 침전하였다.
]와 교반속도에 따른 인 제거실험을 진행하였다. 실험에 사용한 인공폐수는 K 2HPO 4 (98%, 대정화금), NaHCO₃ (99.5-100.3%, Wako) 등을 이용하여 2 mg P/L, 알칼리도 100 mg CaCO 3/L로 제조하여 사용하였다. 제조된 인공폐수의 pH는 7.
3이었다. 티타늄계열의 응집제는 TiCl₄(20 wt%, (주)빛과 환경)(0.25-0.59 mM)를 사용하였다. 본 연구에 사용된 Jar-tester는 6개의 패들로 이루어져 있으며 교반속도 조절이 가능한 Jar-tester (M-Tops사(社), SF6, 대한민국)를 사용하였다.

이론/모형

인 농도는 상등액을 GF/C (0.45 µm)로 여과하여 Standard method 4500-P 10) 에 따라 분석한 후 제거효율을 구하였다.

성능/효과

하수에 포함된 인의 형태는 총 인 함량 농도 6-20 mg/L 중 유기성 인이 2-5mg/L로 전체의 약 30%를, 무기성 인이 4-15 mg/L로 전체의 약 70%를 차지한다. ¹⁾ 인은 생명체의 성장에 필수적인 요소이지만, 농도가 높아지면 조류 등의 증식으로 수질오염의 원인이 된다. 2) 환경부는 공공수역의 생태계 보전을 목적으로 공공하수 처리시설의 방류수 수질기준 중 총인(total phosphorus, T-P)을 2012년부터 I지역(처리용량 500 m³이상)기준 0.
Jar-test 처리 조건은 1분 동안 급속교반후, 20분 동안 완속교반을 거쳐 30분 동안 침전하였다. ²⁾ 급속교반속도에 따른 인 제거효율에 미치는 영향 실험에서는 교반속도 범위를 100 rpm부터 250 rpm까지 50 rpm 간격으로 실험하였으며 완속교반속도는 30 rpm으로 고정하였다. 또한 완속교반속도 실험에서는 30 rpm부터 60 rpm까지 10 rpm 간격으로 실험하였으며 급속교반속도는 100 rpm로 고정하였다.
¹⁾ 인은 생명체의 성장에 필수적인 요소이지만, 농도가 높아지면 조류 등의 증식으로 수질오염의 원인이 된다. 2) 환경부는 공공수역의 생태계 보전을 목적으로 공공하수 처리시설의 방류수 수질기준 중 총인(total phosphorus, T-P)을 2012년부터 I지역(처리용량 500 m³이상)기준 0.2 mg/L로 강화하였다.³⁾
⁶⁾티타늄은 인체에 해로운 생물학적 문제가 발생하지 않고, 부식 저항성 등의 장점으로 티타늄계 재료는 체내 이식재료로도 많은 관심을 받고 있다. ⁷⁾ 따라서 현재 많이 사용되고 있는 알루미늄계열의 응집제에 비해 유해하지 않으며 안정적이라 판단된다. 알루미늄계열 응집제를 이용하여 교반속도에 따른 인 제거에 미치는 영향에 관한 연구는 있었지만, 8,9) TiCl₄에 관한 연구는 찾아 볼 수 없어 TiCl₄ 농도([TiCl₄])와 교반속도에 따른 인제거효율을 살펴보고자 하였다.
¹⁴⁾이러한 현상은 응집제 농도가 낮을수록 심해지는 것으로 추정된다. 이러한 결과를 통해 TiCl₄를 인 제거 응집제로 사용하였을때 교반속도보다는 주입량에 영향을 더 많이 받는 것을 확인할 수 있었다.
3 전후로 pH 감소폭이 큰 이유라 할 수 있다. 즉, TiCl₄의 주입량이 0.43에서 pH는 4.3으로 이 때 탄산수소 이온이 탄산으로 모두 전환되어 주입되는 산에 완충작용을 못할 뿐만 아니라 추가적으로 응집제가 주입되어 pH가 급격하게 감소하였다고 판단된다.TiCl₄를 0.
또한 [TiCl₄]가 저농도일 때 완속교반 속도가 40-50 rpm에서 인 제거효율이 상대적으로 높았다. 즉, 응집제의 주입량이 많아질수록 교반속도에 따른 인제거 효율의 차이가 줄어들었고, 90%의 인 제거율을 보이는 0.34 mM 이상에서는 제거 효율의 차이가 미미하였다. 완속교반속도가 적정속도보다 낮을 때는 플럭 생성속도(floc growth rate)가 느리고, 높을 때는 플럭이 깨지면서 정상상태의 플럭 크기(steady floc size)가 작아질 수 있다.
하지만 급속교반속도(100rpm)를 일정하게 하고 완속교반속도를 달리한 경우 0.25mM에서 인 제거효율이 57.2±10.0%, 0.27 mM에서는 71.6± 7.1%, 0.31 mM에서는 84.7±2.4%, 0.34 mM에서는 92.7±2.8%, 0.37 mM에서는 95.4±1.7%, 0.39 mM에서는 96.8±1.7%로나타났다(Fig. 4).

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	티타늄계 재료는 알루미늄계열의 응집제에 비해 유해하지 않으며 안정적이라 판단되는 이유는 무엇인가?	2) 현재 TiO2는 광촉매 기능이나 자외선 차단기능을 활용하여 첨가제로서 특히 섬유나 화장품의 중요한 성분으로 많이 사용되고 있다. 6) 티타늄은 인체에 해로운 생물학적 문제가 발생하지 않고, 부식 저항성 등의 장점으로 티타늄계 재료는 체내 이식재료로도 많은 관심을 받고 있다. 7) 따라서 현재 많이 사용되고 있는 알루미늄계열의 응집제에 비해 유해하지 않으며 안정적이라 판단된다.
	하․폐수의인 처리는 어떠한 목적으로 이루어지는가?	조류 건조 세포 생체량의 약 1%를 차지하는 인(phosphorous)은 호소의 부영양화 원인 물질 중 하나이다. 1) 하․폐수의인 처리는 부영양화를 방지하고 조류 성장을 억제하기 위한 목적으로 이루어진다. 하․폐수 중 인의 발생원은 분뇨, 세제, 비료 생산 공정, 동물 사육장, 육류 및 음식 가공공정, 축산폐수, 펄프 및 제지 공정 등 다양하다.
	하․폐수 중 인의 발생원은 어디인가?	1) 하․폐수의인 처리는 부영양화를 방지하고 조류 성장을 억제하기 위한 목적으로 이루어진다. 하․폐수 중 인의 발생원은 분뇨, 세제, 비료 생산 공정, 동물 사육장, 육류 및 음식 가공공정, 축산폐수, 펄프 및 제지 공정 등 다양하다. 하수에 포함된 인의 형태는 총 인 함량 농도 6-20 mg/L 중 유기성 인이 2-5mg/L로 전체의 약 30%를, 무기성 인이 4-15 mg/L로 전체의 약 70%를 차지한다.

참고문헌 (14)

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