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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 질산성 질소가 포함된 폐수 처리를 위해 금속 아연 분말과 설파믹산의 제어에 따른 물리화학적 질산성 질소의 효율적인 처리에 목적을 두었다. 그리고 처리 속도에 따라 칼럼을 통해 연속식 장치를 설계하여 경제적인 측면이나 기술적인 측면에서 활용이 가능한지 여부에 대해 연구하고자 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 질산성 질소가 포함된 폐수 처리를 위해 금속 아연 분말과 설파믹산의 제어에 따른 물리화학적 질산성 질소의 효율적인 처리에 목적을 두었다. 그리고 처리 속도에 따라 칼럼을 통해 연속식 장치를 설계하여 경제적인 측면이나 기술적인 측면에서 활용이 가능한지 여부에 대해 연구하고자 하였다.
- 채취한 시료들의 pH를 측정하고, NO3- , NO 2- , NH4 농도를 측정하여 질산성 질소의 환원 경향을 보고자 하였다.
- 0 mg/ L인 2 L의 용액에 아연분말과 설파믹산을 넣게 되면 제거 되는 반응속도를 측정하고자 반응 시간을 1 min, 2 min, 3 min, 4 min, 5 min 처리 하여 실험을 행하였다. 처리액을 산화 환원 반응에 의한 질산성 질소의 제거 효율을 비교해보고자 하였다.
제안 방법
- 0 mg/L이 된다. 1시간마다 처리 액을 측정하여 산화 환원 반응에 의한 질산성 질소의 제거 효율을 비교해보고자 하였다.
- pH 2 강산 분위기에서 질산성 농도 40.0 mg/ L인 2 L의 용액에 아연분말과 설파믹산을 넣게 되면 제거 되는 반응속도를 측정하고자 반응 시간을 1 min, 2 min, 3 min, 4 min, 5 min 처리 하여 실험을 행하였다. 처리액을 산화 환원 반응에 의한 질산성 질소의 제거 효율을 비교해보고자 하였다.
- 0 mg/L 으로 조제하여 실험을 진행하였다. 그리고 산성 분위기 조성을 위하여 H2SO4 (95.0%, Daejung, 1급, Korea)를 사용하여 pH를 조절하였다. 또한 질산성 질소의 탈질 반응에 중요한 Zinc powder(99.
- 농도를 분석하였다. 또한 비색계(HANNA instruments, HI 83208, U S)를 통하여 아연농도를 분석하였다. 수소이온 농도는 pH meter(EUTECH instruments, pH 600 0, Singapore)로 측정하였다.
- 0%, Daejung, 1급, Korea)를 사용하여 pH를 조절하였다. 또한 질산성 질소의 탈질 반응에 중요한 Zinc powder(99.0%, Daejung, 1급, Korea)와 Sulfamic acid(HOSO2NH2 , 99.0%, Duksan pure chemicals Co,. 특급, Korea)의 투입량은 원수의 질산이온 당량에 비례하여 결정하였다. 후속 공정인 파괴점 염소 처리법에 사용되어지는 차아 염소산(HClO)는 NaClO(Yuhan Chlorex, Kore a)를 폐수의 5.
- 본 연구에 적용된 산화 환원 반응은 산성조건에서 질산성 질소를 상온 상압에서 아연 분말을 사용하여 환원 탈질 시킬 때 질산성 질소는 다단계 반응 경로를 거쳐 암모니아성 질소로 환원된다. 수화된 수소이온의 환원력보다 표준 환원 전위(Oxidation-Reduction potentials)가 큰 금속들은 산성 조건에서 질산성 질소를 아질산성 질소로 환원시키고, 반응이 계속 진행되면 결국에는 암모니아성 질소로 환원된다.
- 또한 비색계(HANNA instruments, HI 83208, U S)를 통하여 아연농도를 분석하였다. 수소이온 농도는 pH meter(EUTECH instruments, pH 600 0, Singapore)로 측정하였다.
- 수용액의 H+ 이온 농도가 질산이온의 환원에 관여하기 때문에 질산 이온 환원 속도에 미치는 영향을 실험하기 위하여 초기 pH를 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0로 조정하였고, 질산성 농도 40.0 mg/ L인 2 L의 용액을 아연 분말 1340.0mg/L, 설파 믹산 1780.0 mg/L 씩 일정한 양을 1시간 처리하여 실험을 행하였다. 처리액을 산화 환원 반응에 의한 질산성 질소의 제거 효율을 비교하였다.
- 0 mg/L이다. 아연 분말의 양이 전체 반응에 미치는 영향을 실험하기 위하여 180.0 %의 배수만큼 늘려서 pH 2.0 강산 분위기에서 질산성 농도 40.0 mg/L인 2 L의 용액을 1시간 처리하여 실험을 행하였다. 처리액을 산화 환원 반응에 의한 질산성 질소의 제거 효율을 비교하 였다.
- 0 mg/L이다. 아연의 양은 일정한 조건에서 설파믹산의 양에 따라 환원된 암모니아성 농도 변화를 실험하기 위하여 160.0 %의 배수만큼 늘려서 pH 2.0 강산 분위기에서 질산성 농도 40.0 mg/L인 2 L의 용액을 1시간 처리하여 실험을 행하였다. 처리액을 산화 환원 반응에 의한 질산성 질소의 제거 효율을 비교하였다.
- 질산성 질소 환원 반응에서 부반응으로 생성된 암모니아성 질소를 줄이기 위하여 아연 분말과 같이 설파믹산을 투여하여도 암모니아성 질소를 완전히 제거할 수 없어 질산성 질소 40.0 mg/L 인 합성폐수 2 L에 황산을 넣어 pH 2.0로 조절후 아연 분말과 설파믹산으로 1시간 반응하여 여과시킨 여과액에 후속 공정으로 NaOCl과 HCl를 넣어 차아염소산을 발생시켜 반응시킨 용액에 투입하여 총 질소 저감에 미치는 영향을 실험하고자 하였다.
- 질산성 질소의 분석은 수질오염공정시험기준에 따라 비색계(Merck, NOVA 30A, Germany)를 통하여 NO3- , NO2- , NH4+ 농도를 분석하였다. 또한 비색계(HANNA instruments, HI 83208, U S)를 통하여 아연농도를 분석하였다.
- 0 mg/L인 2 L의 용액을 1시간 처리하여 실험을 행하였다. 처리액을 산화 환원 반응에 의한 질산성 질소의 제거 효율을 비교하 였다.
- 0 mg/L인 2 L의 용액을 1시간 처리하여 실험을 행하였다. 처리액을 산화 환원 반응에 의한 질산성 질소의 제거 효율을 비교하 였다.
- 0인 합성 폐수 2 L에 아연 분말과 설파믹산의 양을 조절하여 한꺼번에그 양을 넣었다. 하지만, 아연 분말과 설파믹산의 양을 한꺼번에 넣지 않고 아연 분말 1340.0 mg/ L, 설파믹산 1780.0 mg/L을 1시간마다 일정한 양을 4번에 나눠서 투입하였을 때 제거 효율의 변화를 실험하고자 하였다. 최종적으로 4시간 반응하면 아연 분말의 양은 1340.
- 특급, Korea)의 투입량은 원수의 질산이온 당량에 비례하여 결정하였다. 후속 공정인 파괴점 염소 처리법에 사용되어지는 차아 염소산(HClO)는 NaClO(Yuhan Chlorex, Kore a)를 폐수의 5.0%, HCl(35.0%, Daejung, 1급, Korea)를 NaOCl 양의 6.0% 첨가하여 제조하였다. 모든 실험은 3회의 실험값을 평균하여 결과 값을 제시하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 합성폐수는 일반적인 산업폐수의 질산성 질소를 주 제거 대상으로 정하였으며 다른 고농도의 유기성 물질과 난분해성 물질을 포함하여 제조하였다. KNO 3 (99.0%, Daejung, 1급, Korea)를 사용하여 NO3- 40.0 mg/L, KH2PO4 (99.0%, Daejung, 1급, Korea)를 사용하여 PO42- 10.0 mg/L, Dextrose Anhydrous(98.0%, Daejung, 1급, Korea)를 사용하여 COD 농도를 200.0 mg/L 으로 조제하여 실험을 진행하였다. 그리고 산성 분위기 조성을 위하여 H2SO4 (95.
- 실험에 사용된 합성폐수는 일반적인 산업폐수의 질산성 질소를 주 제거 대상으로 정하였으며 다른 고농도의 유기성 물질과 난분해성 물질을 포함하여 제조하였다. KNO 3 (99.
데이터처리
- 0% 첨가하여 제조하였다. 모든 실험은 3회의 실험값을 평균하여 결과 값을 제시하였다.
성능/효과
- pH 2.0인 합성 폐수 2 L에 아연 분말의 양 1340.0 mg/L, 설파믹산의 양 1780.0 mg/L를 1시 간마다 일정한 양을 4번에 나눠서 투입한 결과 Fig.4.에서 보듯이 4시간 후 NO3- 의 농도가 40.0mg/L에서 2.8 mg/L로 제거율이 93.0 %였다. 같은 양을 한꺼번에 넣었을 때와 NO3- 제거율은 거의 동일하였지만, 반응 후 pH는 한꺼번에 넣었을 때는 변화가 거의 없었지만 일정한 양을 4번에 나눠서 넣었을 때는 Fig.
- 0 %로 가장 컸다. pH 2.5과 pH 3.0에서 NO3- 의 농도 변화는 미미하였지만, pH 3.5부터 NO3- 의 농도가 다시 증가하는 경향을 보이며, pH 4.0에서는 7.3 mg/L으로 점차 증가하였으며 오히려 제거율도 81.7 %로 낮아졌다. 강산 분위기일수록 산화 반응이 잘 일어나 pH 2.
- 강산 분위기에서 금속 아연 분말과 설파믹산을 이용하여 산화 환원 반응을 통한 질산성 질소 제거하기 위한 여러 가지 변수를 비교해본 결과 아연 분말의 양은 1340.0 mg/L, 설파믹산의 양은 1780.0 mg/L 일 때 질산성 질소의 농도가 93.0 % 제거됨으로써 변화율이 가장 컸다. 그리고 질산성 질소의 환원 과정에서 제거된 질산성 질소의 양만큼 암모니아성 질소가 생성되야 하는데 실제로 실험해본 결과 암모니아성 질소로 전부 환원되지 않고 일부는 질소(N2)로 환원되었다.
- 강산 분위기일 때 아연 분말과 함께 질산 이온의 환원에 관여하기 때문에 아연 분말 과 설파믹산 투여량을 고정시킨 후 초기 pH를 2.0~4.0 범위에서 질산 이온 제거 효율을 비교해본 결과 Fig. 5에서 보듯이 초기 pH가 2일 때 NO3- 가 40.0 mg/L에서 2.8 mg/L으로 제거율이 93.0 %로 가장 컸다. pH 2.
- 0 % 제거됨으로써 변화율이 가장 컸다. 그리고 질산성 질소의 환원 과정에서 제거된 질산성 질소의 양만큼 암모니아성 질소가 생성되야 하는데 실제로 실험해본 결과 암모니아성 질소로 전부 환원되지 않고 일부는 질소(N2)로 환원되었다. 이는 설파믹산을 넣어줌으써 H+ 이온 소모량이 적기 때문에 같은 아연 양에 따라 설파믹산을 넣지 않으면 질산성 질소가 46.
- 0 mg/L에서 더이상 증가하지 않았다. 또한, 전체적인 총 질소의 농도를 비교해보면 점차 감소하는 경향을 보였다. 이는 질산성 질소가 환원되면서 암모니아성 질소로 전부 환원되지 않고 일부는 질소(N2)로 환원 되는 것으로 사료된다.
- 0 % 제거 되지만, 반대로 질산성 질소가 증가하는 경향을 보여 질산성 질소를 제거하는 방법으로는 효과가 미미하였다. 실험에서 사용한 아연 분말은 입자가 파우더 형태로 제조되어 반응성이 다른 일반 아연 금속보다 크기 때문에 반응 후 1분 만에 제거율이 80.0 % 로 매우 높았다. 따라서, 반응성이 매우 빠르기 때문에 칼럼을 통해 연속식 장치를 설계하여 경제적인 측면이나 기술적인 측면에서 활용이 가능할 것이다.
- 아연 분말의 양이 전체 반응에 미치는 영향을 확인하기 위해 질산성 농도 40.0 mg/L의 폐수 p H 2.0 강산 분위기에서 아연의 투입량을 조절한 결과 아연의 양이 많을수록 질산성 질소의 제거 효율이 높았으며 그 중 아연의 양이 1340.0 mg/L일 때 NO3-의 농도 변화가 40.0 mg/L에서 3.4 mg/L으로 제거율이 91.5 %로 가장 컸다. 그리고 질소의 환원 과정에서 질산성 질소가 감소하면서 암모니아성 질소가 증가하여야 되는데 Fig.
- 따라서, 반응성이 매우 빠르기 때문에 칼럼을 통해 연속식 장치를 설계하여 경제적인 측면이나 기술적인 측면에서 활용이 가능할 것이다. 이로써, 산 처리를 통하여 아연 분말과 설파믹산을 이용하여 산화 환원 반응 결과 폐수 속에 존재하는 질산성 질소를 제거하여 방류수 수질 기준을 만족한다는 결론을 도출할 수 있었다.
- 0 %으로 강산일수록 산화 반응이잘 일어나 제거 효율이 높았다. 질산성 질소 환원 과정을 통해 생성된 암모니아성 질소를 제거 하기 위하여 차아염소산 처리를 한 결과 암모니 아성 질소는 거의 100.0 % 제거 되지만, 반대로 질산성 질소가 증가하는 경향을 보여 질산성 질소를 제거하는 방법으로는 효과가 미미하였다. 실험에서 사용한 아연 분말은 입자가 파우더 형태로 제조되어 반응성이 다른 일반 아연 금속보다 크기 때문에 반응 후 1분 만에 제거율이 80.
- 질산성 질소 환원 반응에서 생성된 암모니아성 질소를 줄이기 위하여 아연 분말과 같이 설파믹 산을 투여하지만 암모니아성 질소를 완전히 제거할 수 없어 후속 공정으로 차아염소산을 투입한 결과 Fig. 6, 7, 8, 9에서 보듯이 암모니아성 질소는 거의 100.0 % 제거되지만, 반대로 NO3- 가증가하는 경향을 보였다. 대체적으로 총 질소 저감에는 효과가 있는 것으로 보였지만, 아연 분말을 많이 넣은 경우는 Fig.
- 질산성 질소의 농도가 40.0 mg/L인 원액에서 강산 분위기의 pH 2.0로 아연 분말 1340.0 mg/ L과 설파믹산 1780.0 mg/L를 넣었을 때 반응 시간을 5분 이내로 처리한 결과 NO3- 농도 변화는 Fig. 10 에서 보듯이 1분 만에 40.0 mg/L에서 8.3 mg/L으로 제거율이 80.0 %로 동일한 양을 1시간 처리한 제거율 93.0 % 비하여 이미 전체 반응의 86.0 % 가 1분 만에 질산성 질소의 농도가 제거되었고, 이후 5분 동안은 변화가 미미하였다. 이는 아연 분말 형태가 파우더 형태로 제조되어 반응성이 다른 일반 아연 금속보다 크기 때문에 반응시간 1분 이내에 반응평형에 도달 하는 것으로 나타났다.
- 질산성 질소의 제거 효율이 가장 좋았던 아연의 양은 동일한 1340.0 mg/L 조건에서 설파믹산의 양에 따라 환원된 암모니아성 농도 변화를 확인하기 위해 질산성 농도 40.0 mg/L의 폐수 pH 2.0 강산 분위기에서 설파믹산 투입량을 조절한 결과 Fig. 3에서 보듯이 설파믹산의 양이 1780.0mg/L일 때 NO3- 의 농도 변화가 40.0 mg/L에서 3.0 mg/L으로 제거율이 92.5 %로 가장 컸다. 그리고 설파믹산을 넣지 않으면 총 질소로 보면 조금 줄어든 경향이 있지만 같은 아연 양에도 불구 하고 NO3- 의 제거율이 46.
- 8에서 보듯이 오히려 증가하였다. 차아염소산 처리는 암모니아성 질소를 제거하는 방법으로는 효과적이나 질산성 질소 제거에는 효과가 미미한 것으로 나타났다.
- 0 % 제거된다. 초기 pH에 따른 질산성 질소 제거 효율을 비교해본 결과 pH 4.0일 때보다 pH 2.0일 때제거율이 93.0 %으로 강산일수록 산화 반응이잘 일어나 제거 효율이 높았다. 질산성 질소 환원 과정을 통해 생성된 암모니아성 질소를 제거 하기 위하여 차아염소산 처리를 한 결과 암모니 아성 질소는 거의 100.
후속연구
- 0 % 로 매우 높았다. 따라서, 반응성이 매우 빠르기 때문에 칼럼을 통해 연속식 장치를 설계하여 경제적인 측면이나 기술적인 측면에서 활용이 가능할 것이다. 이로써, 산 처리를 통하여 아연 분말과 설파믹산을 이용하여 산화 환원 반응 결과 폐수 속에 존재하는 질산성 질소를 제거하여 방류수 수질 기준을 만족한다는 결론을 도출할 수 있었다.
- 이는 아연 분말 형태가 파우더 형태로 제조되어 반응성이 다른 일반 아연 금속보다 크기 때문에 반응시간 1분 이내에 반응평형에 도달 하는 것으로 나타났다. 따라서, 반응성이 매우 빠른 것으로 보았을 때 칼럼을 통해 연속식 장치를 설계하여 경제적인 측면이나 기술적인 측면에서 활용이 가능할 것으로 사료된다.
- 9로 점차 증가하는 경향을 보였다. 이는 연속식 장치를 설계 하여 처리하게 되면 질산성 질소의 높은 제거 효율과 같이 처리액의 pH가 중성에 가까워서 배출시 규제를 줄일 수 있어 경제적인 측면이나 환경 적인 측면에서 활용이 가능할 것으로 사료된다.
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