본 연구에서는 $TiCl_4$ (0.12-0.18 mM)를 이용하여 합성 폐수(2 mg P/L)내 인을 제거할 때, 칼슘이온($Ca^{2+}$) (0-0.55 mM)이 인 제거에 미치는 영향을 알아보았다. $TiCl_4$ 0.12 mM일 때 초기 pH(4.0-10.0)에 따른 실험결과 pH 7에서 인 제거율이 95.1%로 가장 높았고, pH 8에서 인 제거율이 51.4%로 떨어졌다. $TiCl_4$ 0.12 mM에서 $Ca^{2+}$농도 0 mM일 때 인 제거율은 55.6%, $Ca^{2+}$농도 0.045 mM에서는 90.5%로 증가하였다. 반면에 $TiCl_4$ 0.15-0.18 mM에서는 $Ca^{2+}$농도에 따른 인 제거율(96.5-99.5%)의 차이는 미미하였다. $TiCl_4$ 농도를 0.12 mM로 고정하고, 초기 pH 7.0-9.0, $Ca^{2+}$ 농도 0.00-0.18 mM 범위에서 반응표면분석법을 이용하여 분석한 결과, 실험 범위내에서 인 제거율 90%이상을 얻기 위해서는 $Ca^{2+}$ 농도는 pH 8.0에서 0.10 mM, pH 9.0에서 0.12 mM 이상이 필요하다.
본 연구에서는 $TiCl_4$ (0.12-0.18 mM)를 이용하여 합성 폐수(2 mg P/L)내 인을 제거할 때, 칼슘이온($Ca^{2+}$) (0-0.55 mM)이 인 제거에 미치는 영향을 알아보았다. $TiCl_4$ 0.12 mM일 때 초기 pH(4.0-10.0)에 따른 실험결과 pH 7에서 인 제거율이 95.1%로 가장 높았고, pH 8에서 인 제거율이 51.4%로 떨어졌다. $TiCl_4$ 0.12 mM에서 $Ca^{2+}$농도 0 mM일 때 인 제거율은 55.6%, $Ca^{2+}$농도 0.045 mM에서는 90.5%로 증가하였다. 반면에 $TiCl_4$ 0.15-0.18 mM에서는 $Ca^{2+}$농도에 따른 인 제거율(96.5-99.5%)의 차이는 미미하였다. $TiCl_4$ 농도를 0.12 mM로 고정하고, 초기 pH 7.0-9.0, $Ca^{2+}$ 농도 0.00-0.18 mM 범위에서 반응표면분석법을 이용하여 분석한 결과, 실험 범위내에서 인 제거율 90%이상을 얻기 위해서는 $Ca^{2+}$ 농도는 pH 8.0에서 0.10 mM, pH 9.0에서 0.12 mM 이상이 필요하다.
This study experimentally determined the effect of calcium ion ($Ca^{2+}$) (0-0.55 mM) and intial pH (4.0-10.0) on phosphorus (P) removal in synthetic wastewater (2 mg P/L) using titanium tetrachloride ($TiCl_4$) (0.12-0.18 mM). At TiCl4 concentration ([$TiCl_4$]) = ...
This study experimentally determined the effect of calcium ion ($Ca^{2+}$) (0-0.55 mM) and intial pH (4.0-10.0) on phosphorus (P) removal in synthetic wastewater (2 mg P/L) using titanium tetrachloride ($TiCl_4$) (0.12-0.18 mM). At TiCl4 concentration ([$TiCl_4$]) = 0.12 mM, the P removal efficiency was the highest (95.1%) at pH 7 but the efficiency decreased to 51.4% at pH 8. The P removal efficiency was 55.6% at $Ca^{2+}$ concentration ([$Ca^{2+}$]) = 0 mM but the efficiency increased to 90.5% at [$Ca^{2+}$] = 0.045 mM at [$TiCl_4$] = 0.12 mM. On the other hand, the P removal efficiency difference was not large (96.5-99.5%) with [$Ca^{2+}$] at [$TiCl_4$] = 0.15-0.18 mM. Within the design boundaries of $0.00{\leq}[Ca^{2+}]{\leq}0.18mM$ and $7.0{\leq}initial$$pH{\leq}9.0$ at [$TiCl_4$] = 0.12 mM, the 90% P removal efficiency could be achieved at $[Ca2+]{\geq}0.10mM$ with pH 8.0 and $[Ca2+]{\geq}0.12mM$ with pH 9.0.
This study experimentally determined the effect of calcium ion ($Ca^{2+}$) (0-0.55 mM) and intial pH (4.0-10.0) on phosphorus (P) removal in synthetic wastewater (2 mg P/L) using titanium tetrachloride ($TiCl_4$) (0.12-0.18 mM). At TiCl4 concentration ([$TiCl_4$]) = 0.12 mM, the P removal efficiency was the highest (95.1%) at pH 7 but the efficiency decreased to 51.4% at pH 8. The P removal efficiency was 55.6% at $Ca^{2+}$ concentration ([$Ca^{2+}$]) = 0 mM but the efficiency increased to 90.5% at [$Ca^{2+}$] = 0.045 mM at [$TiCl_4$] = 0.12 mM. On the other hand, the P removal efficiency difference was not large (96.5-99.5%) with [$Ca^{2+}$] at [$TiCl_4$] = 0.15-0.18 mM. Within the design boundaries of $0.00{\leq}[Ca^{2+}]{\leq}0.18mM$ and $7.0{\leq}initial$$pH{\leq}9.0$ at [$TiCl_4$] = 0.12 mM, the 90% P removal efficiency could be achieved at $[Ca2+]{\geq}0.10mM$ with pH 8.0 and $[Ca2+]{\geq}0.12mM$ with pH 9.0.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
하지만 TiCl4를 이용한 인 응집 처리 시 Ca2+이 인 제거에 미치는 영향을 보고한 문헌은 찾아보기 힘들다. 이에 TiCl4 농도([TiCl4])에 따른 pH와 Ca2+ 농도([Ca2+])가 인 제거효율에 미치는 영향을 알아보고자 하였다.
가설 설정
2mg P/L로 강화하였다.1) 인은 호소의 부영양화 원인 물질 중 하나로 농도가 높아지면 조류의 증가로 수질오염의 원인이 된다. 인의 발생원으로는 농약, 축산폐수, 생활하수 등이 있다.
즉 제타전위의 절댓값을 작게 해줌으로써 콜로이드를 활성화시키고 그에 따라 응집효율을 증가시킨다.9) 알칼리 토금속은 물에 넣으면 가수분해 되어 (+)전하를 가진 미립자가 발생하게 된다. 이렇게 나온 (+)전하를 가진 미립자는 TiCl4의 제타전위 중화를 도와준다.
제안 방법
0%, 대정화금)을 1 N로 제조하여 pH를 조절하였다. TiCl4 (20 wt%, (주)빛과 환경, 대한민국)와 CaCl2 (99%, Junsei Chenical Co., Ltd.)를 이용하여 [TiCl4] (0.12-0.18 mM)에 따라 [Ca2+] (0.00-0.55 mM)가 인 제거에 미치는 영향을 알아보았다. 이 때 pH는 조절하지 않았다.
pH는 pH meter (UB-10, DENVER instrument)를 이용하여 측정하였다. 인 농도는 상등액을 GF/C (0.
2). pH와 [Ca2+]를 이용한 2인자설계를 하기 위하여 총 9개의 실험점과 실험 자체의 순수오차를 보정하기 위해 중앙점(pH 8.0, [Ca2+] 0.09 mM)을 5번 반복하여 총 13개의 실험을 수행하였다(Table 1).
본 연구는 초기 pH와 [Ca2+]를 독립변수로 하여 중심합성설계법에 따라 실험을 계획한 후 실험을 수행하였다. [TiCl4]는 0.
중심합성설계법에 의해 계획된 실험을 수행하여 데이터를 얻은 후에 회귀분석을 통해 반응표면을 추정한다. 추정된 반응표면식을 이용해 독립변수의 변화에 따른 반응변수의 변화정도를 분석하는 민감도 분석을 행하며 실험결과들을 연속적으로 분석하여 체계적이고 신뢰도가 높은 최적조건을 산출할 수 있도록 한다. 실험설계 및 분석은 통계프로그램인 미니텝(Minitab Inc.
대상 데이터
실험에 사용한 인공폐수는 하수처리장 2차 침전조 유출수 수질을 고려하여 인 2 mg P/L, 알칼리도 100 mg CaCO3/L가 되도록 증류수에 KH2PO4 (98%, 대정화금)와 NaHCO3(99.5-100.3%, Wako)를 첨가하여 제조하였다. 초기 pH에 따른 실험은 NaOH (97.
이 때 pH는 조절하지 않았다. 응집 실험을 위해서 jar tester (M-Tops 사(社), SF6, 대한민국)를 사용하였다. 교반 시간은 급속(120rpm) 1분, 완속(30 rpm) 20분으로 실험하였고, 30분간 침전하였다.
데이터처리
추정된 반응표면식을 이용해 독립변수의 변화에 따른 반응변수의 변화정도를 분석하는 민감도 분석을 행하며 실험결과들을 연속적으로 분석하여 체계적이고 신뢰도가 높은 최적조건을 산출할 수 있도록 한다. 실험설계 및 분석은 통계프로그램인 미니텝(Minitab Inc. Release 14)을 사용하였다.
인 제거효율을 종속변수로 중심합성설계법에 따라 진행된 실험결과는 실험범위 내에서 인 제거효율은 40-95%로 나타났다(Table 1). 우선 실험점에 대한 1차 선형모델의 결정계수(coefficient of determination, R2)가 70.2%로 낮아 2차모델로 분석하였다. pH2 항의 p-value가 0.
실험에 사용한 실험계획법은 일반적으로 2차 모형의 추정을 위한 연구에 사용되는 최적화 알고리즘인 반응표면분석법(response surface analysis, RSA)의 중심합성설계법(central composite design, CCD)이다. 중심합성설계법에 의해 계획된 실험을 수행하여 데이터를 얻은 후에 회귀분석을 통해 반응표면을 추정한다. 추정된 반응표면식을 이용해 독립변수의 변화에 따른 반응변수의 변화정도를 분석하는 민감도 분석을 행하며 실험결과들을 연속적으로 분석하여 체계적이고 신뢰도가 높은 최적조건을 산출할 수 있도록 한다.
이론/모형
실험에 사용한 실험계획법은 일반적으로 2차 모형의 추정을 위한 연구에 사용되는 최적화 알고리즘인 반응표면분석법(response surface analysis, RSA)의 중심합성설계법(central composite design, CCD)이다. 중심합성설계법에 의해 계획된 실험을 수행하여 데이터를 얻은 후에 회귀분석을 통해 반응표면을 추정한다.
45 µm)로 여과하여 Standard method 4500-P10)에 따라 분석한 후 제거효율을 구하였다. 인 농도 분석에는 UV-Vis Spectrophotometer (Libra S60, Biochrom)를 사용하였다.
인 농도는 상등액을 GF/C (0.45 µm)로 여과하여 Standard method 4500-P10)에 따라 분석한 후 제거효율을 구하였다.
성능/효과
1) [TiCl4]가 낮을 때는(0.12 mM) Ca2+을 주입함에 따라 인 제거효율이 증가하였다.
2) [TiCl4] = 0.12 mM일 때 인 제거율 90% 이상을 얻기 위해서는 pH 7.0에서 Ca2+이 0.06 mM, pH 8.0에서 0.10 mM, pH 9.0에서 0.12 mM이상 필요하다.
철염은 부식성이 높고 중화제 소요량이 높으며 최적 pH 영역이 좁으며 알칼리 한정 적용성이 있어 한정적이다.3) 특히 알루미늄은 독성효과가 있는 것으로 알려져 있고, 적은 농도의 알루미늄이라도 생물에 농축되어 독성을 유발할 수 있다.4,5) 티타늄 계열 응집제는 기존 응집제들의 문제점을 보완하기 위한 물질로 국내외에서 연구되고 있다.
7) 이는 염기성 조건에서 제타전위는 음의 값을 나타내고 있는데, TiCl4가 제타전위를 중화시켜 응집하는데 도움을 주지만,8) 낮은 농도와 높은 pH에서는 제타전위의 중화를 기대하기 어려운 것으로 보인다. 콜로이드 안정성은 응집의 중요한 인자인데, 이것은 제타전위에 따라 정해진다.
13) 이는 Ca2+이 주입되면 TiCl4의 제타전위 중화를 도와 응집을 촉진시키기 때문인 것으로 보인다.9) 상대적으로 농도가 높은 [TiCl4] = 0.15-0.18 mM일 때는 인 제거효율이 [Ca2+] = 0 mM에서 96.5-98.9%, [Ca2+] = 0.22-0.27 mM에서 98.1-99.5%, [Ca2+] = 0.45-0.55 mM에서 98.3-99.5%로 Ca2+의 효과는 미미하였다. 그 이유는 TiCl4가 제타전위의 중화를 하기 때문인 것으로 보인다.
잔차 그래프가 실험값과 잔차가 어떠한 형식이나 경향을 나타내지 않았으므로, 실험점 간의 영향이 없는 것으로 보인다. 본 실험에서 전체적으로 pH가 증가함에 따라 인 제거율이 감소하지만, Ca2+을 주입하였을 때 같은 pH에서 인 제거율이 증가함을 알 수 있다(Fig. 4). 또한 같은 인 제거효율을 얻기 위해서는 pH가 높을수록 [Ca2+]도 높아짐을 알 수 있다.
12) 또한 산성일 때가 염기성일 때보다 전체적인 인 제거율이 높은데, 그 이유는 최종 pH의 영향으로 보인다. 본 연구에서 초기 pH가 8-10일 때 최종 pH는 6.5-7.3이었고, 초기 pH가 4-7일 때 최종 pH는 3-5.5이었다. 본 연구진에서 최종 pH와 [TiCl4]의 관계를 조사한 결과 최종 pH가 3-5.
본 연구진에서 발표한 티타늄을 이용한 응집 관련 연구자료를 보면 낮은 응집제(TiCl4) 농도와 높은 pH에서 인 제거효율이 낮았다.7) 이는 염기성 조건에서 제타전위는 음의 값을 나타내고 있는데, TiCl4가 제타전위를 중화시켜 응집하는데 도움을 주지만,8) 낮은 농도와 높은 pH에서는 제타전위의 중화를 기대하기 어려운 것으로 보인다.
5이었다. 본 연구진에서 최종 pH와 [TiCl4]의 관계를 조사한 결과 최종 pH가 3-5.6일 때 인 제거효율이 우수한 것으로 나타났다(자료는 제시하지 않음). 이는 초기 pH가 염기성일 때가 산성일 때보다 전체적인 인 제거효율이 낮음을 간접적으로 보여주고 있다.
이에 pH2 항을 소거하여 모델을 분석한 결과, 적합성 결여는 p-value가 0.225(p>0.05)로 적합한 모델로 분석되었고, 항별 p-value는 1차 항인 [Ca2+]의 경우 0.001 이하, pH의 경우 0.018, 2차 항인 [Ca2+]2의 경우 0.002, 교차항인 [Ca2+] × pH의 경우 0.012로 적합한 모델로 분석되었다(Table 2).
인 제거효율을 종속변수로 중심합성설계법에 따라 진행된 실험결과는 실험범위 내에서 인 제거효율은 40-95%로 나타났다(Table 1). 우선 실험점에 대한 1차 선형모델의 결정계수(coefficient of determination, R2)가 70.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
알루미늄염, 철염과 같은 응집제의 문제는 무엇인가?
응집과 침전 과정에서 쓰이는 응집제의 종류로 알루미늄염, 철염이 있다. 하지만 기존 응집에 쓰이는 대부분의 응집제는 많은 하수슬러지를 발생시키고 처리에 어려움을 겪고 있다. 철염은 부식성이 높고 중화제 소요량이 높으며 최적 pH 영역이 좁으며 알칼리 한정 적용성이 있어 한정적이다.3) 특히 알루미늄은 독성효과가 있는 것으로 알려져 있고, 적은 농도의 알루미늄이라도 생물에 농축되어 독성을 유발할 수 있다.4,5) 티타늄 계열 응집제는 기존 응집제들의 문제점을 보완하기 위한 물질로 국내외에서 연구되고 있다.
인의 특징은 무엇인가?
2mg P/L로 강화하였다.1) 인은 호소의 부영양화 원인 물질 중 하나로 농도가 높아지면 조류의 증가로 수질오염의 원인이 된다. 인의 발생원으로는 농약, 축산폐수, 생활하수 등이 있다.
인의 제거에서 물리-화학적 처리방법이 효과적인 이유는 무엇인가?
이러한 인을 제거하기 위하여 물리적 처리, 화학적 처리, 생물학적 처리, 식생을 이용한 처리 등의 다양한 방법을 병행하고 있다. 생물학적 처리방법은 다양한 운전조건이 요구되며 제거 가능한 인 농도의 한계가 있어 방류수 수질기준에 적합하도록 인을 처리하기 위해서는 물리-화학적 처리방법의 도움이 필요하다.2) 물리-화학적 처리에서 가장 많이 쓰이는 방법은 응집-침전이다.
참고문헌 (13)
Ministry of Environment (MOE), "Water quality and ecosystem conservation Act," Ministry of Envionment, Korea(2016).
Rittmann, B. E. and McCarty, P. L., Environmental biotechnology : Principles and applications, McGraw-Hill(2001).
Galloux, J., Chekli, L., Phuntsho, S., Tijing, L. D., Jeong, S., Zhao, Y. X., Gao, B. Y., Park, S. H. and Shon, H. K., "Coagulation performance and floc characteristics of polytitanium tetrachloride and titanium tetrachloride compared with ferric chloride for coal mining wastewater treatment," Sep. Purific. Technol., 152, 94-100(2015).
Park, C. J., Kim, D. H., Han, S. H. and Myung, C. G., "Toxic effects of aluminium on freshwater animals : review," Korean J. Environ. Biol., 32(4), 271-285(2014)
Han, S. H. and Choi, D. H., "Effects of aluminum feedings on aluminum, phospholipid and catecholamine concentrations in old rat brain tissue," J. Korean Food Culture, 24(2), 236-243(2009).
Shon, H. K., Vigneswaran, S., Kim, I. S., Cho, J., Kim, G. J., Kim, J. B. and Kim, J. H., "Preparation of titanium dioxide ( $TiO_2$ ) from sludge produced by titanium tetrachloride ( $TiCl_4$ ) flocculation of wastewater," Environ. Sci. Technol., 41(4), 1372-1377(2007).
Shin, S. Y., Kim, J. H. and Ahn, J. H., "Optimization of $TiCl_4$ concentration and initial pH for phosphorus removal in synthetic wastewater," J. Korean Soc. on Water Environ., 31(6), 619-624(2015).
Zhao, Y. X., Gao, B. Y., Cao, B. C., Yang, Z. L., Yue, Q. Y., Shon, H. K. and Kim, J. H., "Comparison of coagulation behavior and floc characteristics of titanium tetrachloride ( $TiCl_4$ ) and polyaluminum chloride (PACl) with surface water treatment," Chem. Eng. J., 166, 544-550(2011).
Tambo, N. and Watanabe, Y., "Physical characteristics of flocs-I. the floc density function and aluminium floc," Water Res., 38(5), 409-419(1979).
APHA, Standard method for the examination of water & wastewater, 22nd ed, American Public Health Association, Washington D. C., USA(2012).
Zhao, Y. X., Gao, B. Y., Shon, H. K., Cao, B. C. and Kim, J. H., "Coagulation characteristics of titanium(Ti) salt coagulant compared with aluminum(Al) and iron(Fe) salts," J. Hazard. Mater., 185, 1536-1542(2011).
Matsumura, H. and Furusawa, K., "Electrical phenomena at the surface of phospholipid membranes relevant to the sorption of ionic compounds," Adv. Colloid Interface Sci., 30, 71-109(1989).
Zhao, Y. X., Shon, H. K., Phuntsho, S. and Gao, B. Y., "Removal of natural organic matter by titanium tetrachloride: The effect of total hardness and ionic strength," J. Environ. Manage., 134, 20-29(2014).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.