굴 패각과 같은 반응성 재료는 사용 목적에 적합한 전처리 조건을 선택할 필요가 있다. 본 연구에서는 인 농도 제어를 목적으로 효율적인 굴 패각 사용을 위한 전처리 조건을 제안하는데 목적을 둔다. 굴 패각의 전처리(소성 온도, 소성 시간, 입자 크기)에 따른 인산염 제거 효율을 조사하였다. 또한 XAFS 분석 및 등온 흡착 실험을 통해 굴 패각의 인산염 제거특성에 대해 조사하였다. 실험 결과 소성 온도는 $600^{\circ}C$, 소성 시간은 6 h, 입자 크기는 0.355~0.075 mm에서 우수한 제거 효율을 확인하였다. 등온 흡착 실험 결과 Langmuir 모델이 굴 패각의 흡착에 적합한 것으로 나타났다. XAFS 분석 결과 $600^{\circ}C$에서 소성시킨 굴 패각에는 인산칼슘이 생성된 것이 확인되었다. 즉 굴 패각의 칼슘 이온 용출에 의한 인산칼슘 형성이 인산염의 농도 감소에 기여하고 있음을 확인하였다.
굴 패각과 같은 반응성 재료는 사용 목적에 적합한 전처리 조건을 선택할 필요가 있다. 본 연구에서는 인 농도 제어를 목적으로 효율적인 굴 패각 사용을 위한 전처리 조건을 제안하는데 목적을 둔다. 굴 패각의 전처리(소성 온도, 소성 시간, 입자 크기)에 따른 인산염 제거 효율을 조사하였다. 또한 XAFS 분석 및 등온 흡착 실험을 통해 굴 패각의 인산염 제거특성에 대해 조사하였다. 실험 결과 소성 온도는 $600^{\circ}C$, 소성 시간은 6 h, 입자 크기는 0.355~0.075 mm에서 우수한 제거 효율을 확인하였다. 등온 흡착 실험 결과 Langmuir 모델이 굴 패각의 흡착에 적합한 것으로 나타났다. XAFS 분석 결과 $600^{\circ}C$에서 소성시킨 굴 패각에는 인산칼슘이 생성된 것이 확인되었다. 즉 굴 패각의 칼슘 이온 용출에 의한 인산칼슘 형성이 인산염의 농도 감소에 기여하고 있음을 확인하였다.
In this study, we investigated phosphate removal efficiency according to pretreatment (pyrolysis temperature, pyrolysis time, particle size) of oyster shells as a basic study for their recycling. And XAFS analysis and isothermal adsorption experiments were performed to investigate the phosphate remo...
In this study, we investigated phosphate removal efficiency according to pretreatment (pyrolysis temperature, pyrolysis time, particle size) of oyster shells as a basic study for their recycling. And XAFS analysis and isothermal adsorption experiments were performed to investigate the phosphate removal characteristics of oyster shells. As a result, the removal efficiency was good at $600^{\circ}C$ pyrolysis temperature with 6 hour pyrolysis time and 0.355 ~ 0.075 mm particle size. Isothermal adsorption experiments showed that the Langmuir model is suitable for adsorption of oyster shells. XAFS analysis showed that calcium phosphate formed on the oyster shell pyrolyzed at $600^{\circ}C$. In other words, it was confirmed that the formation of calcium phosphate by the calcium ion elution of the oyster shell contributes to the decrease of phosphate concentration.
In this study, we investigated phosphate removal efficiency according to pretreatment (pyrolysis temperature, pyrolysis time, particle size) of oyster shells as a basic study for their recycling. And XAFS analysis and isothermal adsorption experiments were performed to investigate the phosphate removal characteristics of oyster shells. As a result, the removal efficiency was good at $600^{\circ}C$ pyrolysis temperature with 6 hour pyrolysis time and 0.355 ~ 0.075 mm particle size. Isothermal adsorption experiments showed that the Langmuir model is suitable for adsorption of oyster shells. XAFS analysis showed that calcium phosphate formed on the oyster shell pyrolyzed at $600^{\circ}C$. In other words, it was confirmed that the formation of calcium phosphate by the calcium ion elution of the oyster shell contributes to the decrease of phosphate concentration.
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문제 정의
굴 패각을 연안저서환경 개선을 위한 재료로 재활용하기 위한 기초 조사로 굴 패각의 전처리 조건에 대한 효율을 평가하였다. 굴 패각의 전처리는 입자 크기, 소성 시간, 소성 온도를 고려하여 인산염 제거 효율을 비교하였다.
굴 패각과 같은 반응성 재료는 전처리 방식에 따라 재료의 경제성과 효율이 결정되므로, 사용 목적에 적합한 전처리 조건을 선택할 필요가 있다. 본 연구에서는 인산염 제어를 목적으로 효율적인 굴 패각 사용을 위한 전처리 조건을 제안하는데 목적을 둔다.
제안 방법
이후 소성 처리된 굴 패각 2 g을 각각의 인산염 수용액에 투입하여 인산염 농도 및 pH 변화를 측정하였다. pH는 LAQUA F-73으로 측정하였으며, 인산염 농도 측정은 분광광도계(DR/890)을 사용하여 측정하였다. 실험은 Shaking Water Bath(Maxturdy-30)에서 20°C, 100 rpm의 조건 하에서 수행되었다.
굴 패각과 인산염의 반응에 의한 생성물질을 확인하기 위해 XAFS 분석을 수행하였다. 시료는 인산염 용액과의 반응 전/후의 POS600을 사용하였다.
굴 패각의 입자 크기에 따른 인산염 제거 효율을 평가하기 위해 600°C로 6시간 동안 소성시킨 굴 패각을 입자 크기에 따라 분류하였다. 굴 패각의 입자 크기는 7~12 mm, 0.6~1 mm, 0.075~0.355 mm 로 분류하여 실험을 수행하였다. 시약 제조 및 실험방법은 2.
굴 패각의 입자 크기에 따른 인산염 제거 효율을 평가하기 위해 600°C로 6시간 동안 소성시킨 굴 패각을 입자 크기에 따라 분류하였다.
굴 패각을 연안저서환경 개선을 위한 재료로 재활용하기 위한 기초 조사로 굴 패각의 전처리 조건에 대한 효율을 평가하였다. 굴 패각의 전처리는 입자 크기, 소성 시간, 소성 온도를 고려하여 인산염 제거 효율을 비교하였다. 실험 결과 입자 크기는 0.
본 연구에서는 600°C로 소성시킨 굴 패각을 인산염 수용액과 반응시켜, 반응 전·후의 화학조성 변화를 XAFS 분석을 통해 비교하였다.
소성 시간에 따른 인산염 제거 효율을 확인하기 위해 굴 패각의 소성 온도는 600°C로 고정 시킨 후 소성 시간을 0 h, 1 h, 3 h, 6 h, 12 h으로 분류하여 인산염 제거 실험을 수행하였다.
소성 온도는 100°C, 300°C, 400°C, 500°C 및 600°C로 분류하여 실험하였다.
소성 온도에 따른 굴 패각의 화학적 조성 차이를 확인하기 위해 부경대학교 공동실험실습관의 X’Pert-MPD System을이용하여 XRD 분석을 시행하였다.
소성 온도는 100°C, 300°C, 400°C, 500°C 및 600°C로 분류하여 실험하였다. 소성에 의한 굴 패각의 화학적 조성을 파악하기 위하여 X-ray diffraction(XRD) 분석을 함께 수행하였다.
시약을 이용하여 20 mg/L의 인산염 수용액을 제조 하였으며 100 mL의 듀란병(PYREX)에 80 mL의 수용액을 채워 넣었다. 이후 소성 처리된 굴 패각 2 g을 각각의 인산염 수용액에 투입하여 인산염 농도 및 pH 변화를 측정하였다. pH는 LAQUA F-73으로 측정하였으며, 인산염 농도 측정은 분광광도계(DR/890)을 사용하여 측정하였다.
인산염 수용액의 농도는 5 mg/L, 10 mg/L, 20 mg/L, 40 mg/L, 60 mg/L로 제조하였으며 실험에 사용한 굴 패각은 입경 0.075 ~ 0.355 mm, 소성 온도 600°C, 소성 시간 6 h으로 전처리를 하였다.
편의를 위해 입경이 0.075 ~ 0.355 mm, 소성 시간이 6 h인 조건에서 100°C, 300°C, 400°C, 500°C, 600°C로 소성시킨 굴패각을 각각 POS100, POS200, POS300, POS400, POS600으로 명명하였다.
대상 데이터
본 실험에는 우리나라 최대 굴 생산지인 경남 거제시에서 생산된 굴을 사용하였다. 굴 패각의 화학적 조성을 Table 1에 나타내었다.
본 연구에서는 600°C로 소성시킨 굴 패각을 인산염 수용액과 반응시켜, 반응 전·후의 화학조성 변화를 XAFS 분석을 통해 비교하였다. 분석은 일본 히로시마대학 방사광 연구센터(HiSOR)의 BL-11에서 수행되었다. 분석은 Hayakawa et al.
소성 온도에 따른 굴 패각의 인산염 제거 효율 확인을 위해 예비실험을 통해 인산염 제거 효율이 가장 좋았던 6 h, 0.075 ~ 0.355 mm로 전처리한 굴 패각 2 g을 사용하였다. 소성 온도는 100°C, 300°C, 400°C, 500°C 및 600°C로 분류하여 실험하였다.
굴 패각과 인산염의 반응에 의한 생성물질을 확인하기 위해 XAFS 분석을 수행하였다. 시료는 인산염 용액과의 반응 전/후의 POS600을 사용하였다. 굴 패각 및 표준 시료의 XAFS 분석 결과는 Fig.
실험에 사용된 굴 패각은 앞선 소성 온도에 따른 실험 결과에 의해 가장 우수한 효율인 600°C로 소성시킨 굴 패각을 사용하였다.
데이터처리
(2008)에 기술된 조건과 동일 조건에서 실시하였다. 분석된 데이터는 REX2000 소프트웨어를 이용하여 정규화하였다.
이론/모형
등온 흡착은 흡착하는 물질에 대한 흡착법의 적용 여부를 판단하기 위해 동일한 온도에서 흡착량과 평형농도와의 관계를 나타내는 실험으로 일반적으로 최대 흡착 용량을 예측하고 흡착제의 표면 성질 및 친화력을 예측하는데 사용된다(Kang, 2013). 본 연구에서는 등온 흡착 모델 중 가장 대표적인 모델인 Langmuir 모델과 Freundlich 모델을 이용하였다.
인산염 농도에 따른 굴 패각의인산염 제거 실험 결과를 Langmuir 모델과 Freundlich 모델에 적용하였다. 등온 흡착 모델의 분석 결과 및 상관계수는 Fig.
성능/효과
600°C로 소성시킨 굴 패각은 두 흡착 모델에서 상관계수 (R2)가 각각 0.9758, 0.9554로 나타나 두 모델 모두와 잘 일치하였으며, 상대적으로 Langmuir 모델이 더 적합한 것으로 나타났다.
POS100~POS600의 인산염 제거량은 각각 3 mg/L, 3 mg/L, 3 mg/L, 4 mg/L, 17 mg/L로, POS600에 의한 인산염 제거량은 다른 케이스와 비교하여 유의하게 높은 것으로 나타났다(P<0.05).
375 mm, 소성 시간은 6 h, 소성 온도는 600°C에서 가장 우수한 효율을 확인하였다. 굴 패각의 인산염 흡착은 Langmuir 모델을 통해 해석하기 적합하였으며, 굴 패각의 인산염 제거 기구는 인산칼슘 생성에 의한 것임을 XAFS 분석을 통해 확인하였다. 따라서 본 연구결과로부터 제안된 전처리 방법을 통해 굴 패각을 효율적인 인산염 제거제로 활용 가능한 것으로 결론지을 수 있다.
그러나 본 실험에서는 600°C에서 소성시켰을 때 화학적 조성의 변화가 거의 나타나지 않았지만(Fig. 1), POS600의 인산염 제거량 및 pH 증가량은 타 실험케이스에 비해 월등히 높았다.
굴 패각의 인산염 흡착은 Langmuir 모델을 통해 해석하기 적합하였으며, 굴 패각의 인산염 제거 기구는 인산칼슘 생성에 의한 것임을 XAFS 분석을 통해 확인하였다. 따라서 본 연구결과로부터 제안된 전처리 방법을 통해 굴 패각을 효율적인 인산염 제거제로 활용 가능한 것으로 결론지을 수 있다.
이는 굴 패각에 의한 인산염의 농도 감소가 인산칼슘 형성에 기인한 것임을 시사한다. 또한 반응 후의 POS600의 칼슘 화합물의 구성은 반응전의 POS600에서 Ca(OH)4와 CaO가 각각 0.5 %, 0.9 % 감소하고, CaHPO4가 0.7 % 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이 결과 또한 POS600으로부터 산화칼슘의 가수분해에 의한 칼슘이온의 용출이 인산염 제거에 기여하고 있음을 확인할 수 있었다.
1에 나타내었다. 분석 결과 모든 케이스에서 CaCO3 복합물이 주성분인 것으로 나타났으며, 소성 온도에 따라 intensity의 차이가 소폭 존재하였으나 화학적 조성의 큰 변화는 나타나지 않았다.
소성 시간 1 h, 3 h에 비해 6 h의 인산염 제거량은 유의하게 높게 나타났으나(P<0.05), 소성시간 6 h과 12 h 사이의 인산염 제거량 차이는 약 3 mg/L로 유의한 차이는 나타나지 않았다 (P>0.05).
실험 결과 pH는 소성 온도 조건과 마찬가지로 인산염 제거량과 양의 상관관계가 있다는 것을 확인하였다. 소성 시간에 따른 인산염 제거량은 짧은 시간 순으로 1.0 mg/L, 1.8 mg/L, 8.0 mg/L, 17.3 mg/L, 19.8 mg/L 로 나타나, 소성 시간이 길어질수록 인산염 제거량이 증가하는 것을 확인하였다. 소성 시간이 3 h의 경우 1 h에 비해 4배 이상 증가하였으며, 6 h은 3 h에 비해 약 2배 증가하였다.
실험에 사용된 굴 패각은 앞선 소성 온도에 따른 실험 결과에 의해 가장 우수한 효율인 600°C로 소성시킨 굴 패각을 사용하였다. 실험 결과 pH는 소성 온도 조건과 마찬가지로 인산염 제거량과 양의 상관관계가 있다는 것을 확인하였다. 소성 시간에 따른 인산염 제거량은 짧은 시간 순으로 1.
실험 결과 입자 크기는 0.035~0.375 mm, 소성 시간은 6 h, 소성 온도는 600°C에서 가장 우수한 효율을 확인하였다.
실험 결과 입자 크기에 따른 최대 인산염 제거량은 각각 17 mg/L, 13 mg/L, 4 mg/L로 나타났으며 입자 크기가 가장 작은 0.075~0.355 mm에서 가장 높은 제거량을 확인하였다(P<0.05).
7 % 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이 결과 또한 POS600으로부터 산화칼슘의 가수분해에 의한 칼슘이온의 용출이 인산염 제거에 기여하고 있음을 확인할 수 있었다.
6에 나타내었다. 인산염 수용액과 반응 후 4057 eV에 작은 피크가 나타났으며 표준 시료로부터 CaHPO4의 피크임을 확인하였다. 이는 굴 패각에 의한 인산염의 농도 감소가 인산칼슘 형성에 기인한 것임을 시사한다.
POS600의 높은 pH 증가는 소성에 의해 산화칼슘이 생성되면서, 산화칼슘의 가수분해에 의한 OH- 의 증가에 기인한 것으로 판단된다(Lee, 2000). 인산염 제거량은 pH의 결과와 유사하게 소성 온도가 높을수록 제거량이 함께 증가하는 것으로 나타났다. POS100~POS600의 인산염 제거량은 각각 3 mg/L, 3 mg/L, 3 mg/L, 4 mg/L, 17 mg/L로, POS600에 의한 인산염 제거량은 다른 케이스와 비교하여 유의하게 높은 것으로 나타났다(P<0.
행된 600°C, 6 h로 전처리한 굴 패각은 상대적으로 흡착친화력은 낮으나 Langmuir 모델의 최대흡착량은 높은 것으로 확인되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
굴 패각의 현실은 어떠한가?
우리나라 연안에서는 대규모의 굴 양식 사업이 이루어지고 있고, 굴 양식 사업의 확대에 따라 굴 패각 발생량은 함께 증가하여 2016년 기준 연간 약 30만톤이 발생하고 있는 것으로 집계되고 있다(Korea Maritime Institute, 2017). 하지만굴 패각은 폐기물관리법에 의해 산업폐기물로 지정되어 있어서 단 10 %만이 폐화석 비료나 공업원료로 재활용되고 있으며, 나머지는 대부분 매립(39 %)되거나 해안에 불법으로 야적(51 %)되고 있는 실정이다(Lee, 2004). 그러나 굴 패각의 매립을 위한 매립지 확보에는 어려움이 있으며, 매립 혹은 야적 시 발생하는 누출수는 악취문제 및 연안 수질오염을 야기하므로 굴 패각의 친환경적인 재활용 방안 마련에 대한 필요성이 제기되고 있다.
굴 패각의 친환경적 재활용 방안을 고민해야 하는 이유는 무엇인가?
하지만굴 패각은 폐기물관리법에 의해 산업폐기물로 지정되어 있어서 단 10 %만이 폐화석 비료나 공업원료로 재활용되고 있으며, 나머지는 대부분 매립(39 %)되거나 해안에 불법으로 야적(51 %)되고 있는 실정이다(Lee, 2004). 그러나 굴 패각의 매립을 위한 매립지 확보에는 어려움이 있으며, 매립 혹은 야적 시 발생하는 누출수는 악취문제 및 연안 수질오염을 야기하므로 굴 패각의 친환경적인 재활용 방안 마련에 대한 필요성이 제기되고 있다.
굴 패각으로 인산염 제어가 가능한 이유는 무엇인가?
굴 패각은 탄산칼슘(CaCO3)이 주성분인 칼슘계 폐기물이며, 칼슘은 인과 반응하여 인산칼슘을 형성할 수 있다(Yu et al., 2010; Lee et al.
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