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문제 정의
- (2014)은 수돗물에 50~700 μg/L의 비소를 추가하여 ED 막여과를 수행한 결과 약 45분간의 운전을 통해 평균4 μg/L의 처리수를 생산할 수 있음을 밝혔다. 따라서 본 연구에서는 국내 지하수 조건에서 ED를 적용함에 있어 운전에 필요한 운전시간, 전압조건, 원수내 비소농도에따른 제거효율 등을 파악하고자 한다. 또한 비소가 검출된 국내 지하수를 취수하여 실제지하수 조건에서 ED를 적용하여 비소제거효율을 파악하고자 한다.
- 구동력이 일정한 상황에서 비소보다 전기적 이 동력이 큰 여타 이온들의 농도가 높으면 ED에 의한 비소제거가 제한적일 수 있다. 따라서 자연수계 환경에서 염이온농도가 비소제거율에 미치는 영향을 파악하고자 일감인공수를 조제하여 막여과를 수행하였다. 일 감지하수에 염화물과 비소를 첨가한 일감인공수의 수질은 Table 4에 제시되어 있다.
- 따라서 본 연구에서는 국내 지하수 조건에서 ED를 적용함에 있어 운전에 필요한 운전시간, 전압조건, 원수내 비소농도에따른 제거효율 등을 파악하고자 한다. 또한 비소가 검출된 국내 지하수를 취수하여 실제지하수 조건에서 ED를 적용하여 비소제거효율을 파악하고자 한다.
- 막표면에서 막면유속을 증가 시킬 경우 용액상의 농도가 균일해지고 계면두께가 얇아져 ED에 의한 이온제거율을 증가 시킬 수 있다. 본 실험은 희석조와 농축조의 막면유속 변화에 따른 비소제거 특성을 고찰하고자 인공수도수를 이용하여 막여과를 수행하였다. 희석조의 막면유속은 1.
제안 방법
- 먹는물 수질기준에 적합한 처리수를 생산하는데 필요한 시간을 파악하기 위해 인공수도수를 ED로 막여과 하였다. 12 V 전압으로 운전하였으며 여과시간 1, 3, 5, 9, 12. 15분 경과시 시료를 채취하여 분석하였다.
- 12 V 전압으로 운전하였으며 여과시간 1, 3, 5, 9, 12. 15분 경과시 시료를 채취하여 분석하였다. 시료의 비소농도와 전기전도도 변화를 다음 Fig.
- ED시스템 운전인자를 변경하여 비소제거율을 실험하기 위해 수도수와 일감호수를 배경원수로 하여 인공수를 제작하여 사용하였다. 비소 스톡용액은 1 L 초 순수에 sodium arsenate (Na2HAsO4·H2O, Sigma-Aldrich, Germany)을 4.
- , 2010)”와 “2012 SGIS토양지하수 시스템의 지하수 수질측정망 자료(국립환경과학원, 2012)”를 활용하여 수집하였다. 두 개의 자료를 토대로 비소로 오염되어 있을 가능성이 높은 지역의 지하수를 채수하였다. 선정 지역은 충청북도 진천군 상백리와 금곡리 수문마을 그리고 충청남도 당진시 성북리 이다.
- 막여과시 처리시간과 배경이온농도, 인가전압에 따른 비소제거율을 분석하였다. 또한 4개 지역의 지하수를 취수하여 ED를 적용하여 비소제거율을 분석하였다. 전기투석 막여과를 이용한 비소오염 지하수내 담수화 효율을 파악한 결과를 고찰하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 이 때 비소농도는 앞서 언급한 경상남도 마을상수도에서 검출된 농도수준인 100 μg/L로 하였다. 또한, 실제지하수에 근접한 수질 특성을 이용하여 ED의 운전조건을 파악하기 위해 일감지하수에 일정량의 비소와 NaCl용액을 첨가하여 일감인공수를 조제하였다. 조제된 수도수와 일감지하수의 수질특성을 Table 4에 나타내었다.
- 선정 지역은 충청북도 진천군 상백리와 금곡리 수문마을 그리고 충청남도 당진시 성북리 이다. 또한, 지리적으로 가까워 채수가 용이한 점을 활용하고자 건국대학교내 일감호로 유입되는 지하수를 이용하였다. Table 2에 나타난 바와 같이 취수된 4군데 지하수의 비소농도는 7~118 μg/L로 편차가 심하였다.
- 지하수오염의 주요물질인 비소를 처리하기 위해 ED막여과를 적용하였다. 막여과시 처리시간과 배경이온농도, 인가전압에 따른 비소제거율을 분석하였다. 또한 4개 지역의 지하수를 취수하여 ED를 적용하여 비소제거율을 분석하였다.
- 먹는물 수질기준에 적합한 처리수를 생산하는데 필요한 시간을 파악하기 위해 인공수도수를 ED로 막여과 하였다. 12 V 전압으로 운전하였으며 여과시간 1, 3, 5, 9, 12.
- 45 μm의 GFC(Whatmen TM, UK) 을 이용하여 부유물질을 제거하였다. 비소, 납 그리고 망간 농도는 유도결합플라즈마 분광분석기(inductively coupled plasma optical emission spectroscopy, ICP-OES) (Thermo scientific, ICP-6000 series, Japan)로 분석하였다. 용적 플라스크에 시료를 넣고, 질산과 염산 용액을 각각 1 ml씩 주입하여 pH를 2 이하로 낮추고 최종 용량이 100 ml이 되도록 조제 하였다.
- 비소제거율측면에서 적정전압을 찾고자 약 2,000 μS/cm의 일감농축수를 여러 전압조건에서 ED를 적용하였다.
- 조제된 비소 스톡용액 농도는 5가비소로 1,000 mg/L이었다. 수돗물에 일정량의 비소와 NaCl용액 등을 첨가하여 인공수도수를 제조하였다. 이 때 비소농도는 앞서 언급한 경상남도 마을상수도에서 검출된 농도수준인 100 μg/L로 하였다.
- 1~30 voltage까지 운전이 가능하다. 실험은 일정 전압을 유지하는 정전압 방식으로 진행되었다. 전기전도도와 전류변화는 데이터 저장장치를 이용하여 실험이 진행되는 동안 실시간 모니터링 되었다.
- 운전은 12 V전압으로 진행하였고, 처리수의 운전 종료는 원수의 전도도가 20 μS/cm에 도달하였을 때 비소의 농도가 먹는물 수질 기준에 충족하였기 때문에, 20 μS/cm지점에서 운전을 종료하였다.
- 원수의 수질 분석을 위해 0.45 μm의 GFC(Whatmen TM, UK) 을 이용하여 부유물질을 제거하였다.
- , 2013). 이에 실제 고농도 비소오염지하수와 비슷한 조건에서 비소 제거 실험을 수행하고자 성북 지하수를 농축하여 사용하였다. 이를 위해, TORAY사의 나노여과막(NE1812-70, Toray, Japan)을 이용하여 92~97%로 농축하여 사용하였다.
- 2%의 제거율을 나타내었다. 자연적인 조건에서 상대적으로 높은 농도의 비소가 존재할 때의 ED효율을 파악하고자 상백지하수에 비소를 추가하여 ED막여과를 수행 하였다. 높아진 농도에서 전기투석을 수행한 결과, 상백지하수는 89.
- 61 nm이 었다. 전기전도도와 pH는 Orion 5 Star(Thermo Fisher Scientific Inc. Beverly, USA)기기를 이용하여 분석하였다. 탁도는 2100N Turbidity matter (Hach, USA)기기를 이용하였고, 총유기탄소(total organic carbon, TOC)는 자외선 산화법을 사용하는 Sivers사의 분석기 (Sivers 5310C Laboratory Total Organic Cabon Analyzer, USA)를 이용하였다.
- 실험은 일정 전압을 유지하는 정전압 방식으로 진행되었다. 전기전도도와 전류변화는 데이터 저장장치를 이용하여 실험이 진행되는 동안 실시간 모니터링 되었다.
- 전기투석막 여과에 의한 담수화 효율을 파악하기 위하여 취수한 시료와 처리수의 수질을 분석하였다. 원수의 수질 분석을 위해 0.
- 지하수오염의 주요물질인 비소를 처리하기 위해 ED막여과를 적용하였다. 막여과시 처리시간과 배경이온농도, 인가전압에 따른 비소제거율을 분석하였다.
대상 데이터
- ED장치는 회분식 시스템으로 ㈜창조(Seoul, Korea) 에서 제작한 CJ-S3를 사용하였다. 장치는 크게 이온교환막 스택, 전원 공급 장치, 희석조(유입) 농축조(유출), 전극액조, 펌프 그리고 데이터 수집 시스템으로 구성되었다.
- 용적 플라스크에 시료를 넣고, 질산과 염산 용액을 각각 1 ml씩 주입하여 pH를 2 이하로 낮추고 최종 용량이 100 ml이 되도록 조제 하였다. 검출시 사용한 파장은 비소 193.70 nm, 납 220.35 nm 그리고 망간 257.61 nm이 었다. 전기전도도와 pH는 Orion 5 Star(Thermo Fisher Scientific Inc.
- 두 개의 자료를 토대로 비소로 오염되어 있을 가능성이 높은 지역의 지하수를 채수하였다. 선정 지역은 충청북도 진천군 상백리와 금곡리 수문마을 그리고 충청남도 당진시 성북리 이다. 또한, 지리적으로 가까워 채수가 용이한 점을 활용하고자 건국대학교내 일감호로 유입되는 지하수를 이용하였다.
- 시리즈이며, 양이온교환막은 CMX-SB모델, 음이온교환막은 AMX-SB모델이었다. 양이온과 음이온 교환막의 면적은 각각 55cm2이며, 다섯 쌍을 사용 하여 총면적은 275 cm2이었다. CMX-SB와 AMX-SB 이온교환막의 막 두께는 각각 170, 140 μm이었다.
- 열수변질에 대한 정보와 지하수 수질자료는 “2010 해수침투 사업 보고서(Kim et al., 2010)”와 “2012 SGIS토양지하수 시스템의 지하수 수질측정망 자료(국립환경과학원, 2012)”를 활용하여 수집하였다.
- 이에 실제 고농도 비소오염지하수와 비슷한 조건에서 비소 제거 실험을 수행하고자 성북 지하수를 농축하여 사용하였다. 이를 위해, TORAY사의 나노여과막(NE1812-70, Toray, Japan)을 이용하여 92~97%로 농축하여 사용하였다. 농축된 지하수의 수질 특성은 Table 3에 나타내었다.
- 이온교환막은 ASTOM사(Tokyo, Japan)에서 구입한 NEOSEPTA®시리즈이며, 양이온교환막은 CMX-SB모델, 음이온교환막은 AMX-SB모델이었다.
- ED장치는 회분식 시스템으로 ㈜창조(Seoul, Korea) 에서 제작한 CJ-S3를 사용하였다. 장치는 크게 이온교환막 스택, 전원 공급 장치, 희석조(유입) 농축조(유출), 전극액조, 펌프 그리고 데이터 수집 시스템으로 구성되었다. ED장치의 구성도는 Fig.
이론/모형
- Beverly, USA)기기를 이용하여 분석하였다. 탁도는 2100N Turbidity matter (Hach, USA)기기를 이용하였고, 총유기탄소(total organic carbon, TOC)는 자외선 산화법을 사용하는 Sivers사의 분석기 (Sivers 5310C Laboratory Total Organic Cabon Analyzer, USA)를 이용하였다.
성능/효과
- 1) 원수의 전기전도도 범위 1,200~10,020 μS/cm에서 처리수 전기전도도를 20 μS/cm까지 낮아지도록 충분한 시간 동안 운전하면 비소농도 4~8 μg/L인 처리수를 얻을 수 있다.
- 2) 전압의 증가는 ED막여과 소요시간의 감소로 이어지지만 비소제거율 향상으로는 이어지지는 않았다. 또한 원수의 전도도가 2,000 μS/cm 범위에서 ED막여과의 효율적인 적정운전전압은 페어당 2.
- 3) 비소 농도가 너무 낮거나 높은 경우에는 제거율이 상대적으로 낮았다. 원수의 비소농도가 높은 경우 먹는물 수질기준을 만족하기 위해서는 제거율을 높이기 위해 충분한 처리시간이 필요하다.
- 4) 비소검출 지역의 지하수를 ED여과한 결과, 비소농도 43~97 μg/L범위에서는 약 93.8~94.2%의 제거율을 보였다. 하지만 같은 조건에서 전기전도도 감소는 비소제거율 보다 항상 높게 나타났다.
- 4개의 지하수를 이용한 ED 막여과의 비소제거경향을 살펴보면 비소농도가 상대적으로 낮은 수문지하수는 제거율이 84.3%로 낮은 값을 나타내었다가 42.91~97.41 μg/L인 원수는 약 93.8~94.2%의 제거율을 보이고, 1,013.3 μg/L로 높은 경우는 다시 제거율이 낮아져 76.5%를 보였다.
- 높아진 농도에서 전기투석을 수행한 결과, 상백지하수는 89.8%의 비소제거율을 보여 먹는물 수질 기준 이하인 비소농도 9.65 μg/L의 처리수를 생산하였다.
- 희석조의 막면유속이 증가하면 ED스택의 막경계면의 두께가 얇아져 ED막으로의 이온 전달율이 빨라짐으로써 선택적 분리가 증가하는 것으로 알려져 있다. 막면 유속이 1.9에서 13.56 cm/sec로 증가할 때 전기전도도 처리시간은 34분에서 15분으로 줄어드는 것으로 나타났다. 하지만 비소제거율은 Fig.
- 배경이온농도에 따른 비소제거를 파악한 결과 약 2,000~10,000 μS/cm의 원수를 사용할 때 처리시간이 19분에서 30분으로 증가하였으며, 비소 제거율은 약 93~96%로 높게 유지됨을 알 수 있었다.
- , 2014). 실험 결과에서도 보이듯이 전압의 증가는 농도분극의 증가로 이어져 전기저항이 증가하고 초기 전류의 선형적인 증가로 이어졌으며, 전기전도도 처리시간은 감소하였다. 인가된 전압과 분리된 이온농도에 비례해서 증가하는 비에너지 소모량을 고려한다면 낮은 전압이 유리하다.
- 하지만 전기전도도 변화율이 비소제거율보다 크게 나타났다. 용존이 온들의 집합농도가 전기전도도로 표현되는 것을 감안할 때, 비소보다 수중에 통상적으로 존재하는 Na+ , Cl- , SO42-들의 제거가 더 많이 일어남을 알 수 있었다.
후속연구
- 배경이온농도에 따른 비소제거를 파악한 결과 약 2,000~10,000 μS/cm의 원수를 사용할 때 처리시간이 19분에서 30분으로 증가하였으며, 비소 제거율은 약 93~96%로 높게 유지됨을 알 수 있었다. 따라서 지하수 염수농도에 비례하여 처리시간을 증가 시키면, 비소에 오염된 지하수는 먹는물 수질기준 이내로 처리할 수 있을 것으로 판단된다.
- 일정 전압조건에서 ED막에서의 이온 제거율은 이온이 얼마나 효과적으로 막면으로 이동하고, 이온교환막에서 얼마나 빠른 속도로 전달하느냐에 의해 결정된다. 본 실험에서와 같이 일정 전압조건에서는 전기장세기가 정해져 있으므로 이 전기장 세기를 최대한 이용한다면 이온의 제거율이 높을 것으로 판단된다. 전기전도도 감소는 88~98%로 나타났으며 이는 비소제거율 보다 높은 값이다.
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