[논문]영가철 나노입자가 충진된 컬럼을 이용한 질산성 질소 환원 성능 평가

홍영표; 서영교; 김효원; 황유훈

doi:10.11001/jksww.2018.32.3.243

영가철 나노입자가 충진된 컬럼을 이용한 질산성 질소 환원 성능 평가
Evaluation of nanoscale zero valent iron filled column for nitrate reduction 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.32 no.3, 2018년, pp.243 - 251

홍영표 (서울과학기술대학교 환경공학과) , 서영교 (서울과학기술대학교 환경공학과) , 김효원 (서울과학기술대학교 환경공학과) , 황유훈 (서울과학기술대학교 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we compared the MZVI (Microscale Zero-Valent Iron) and NZVI (Nanoscale Zero-Valent Iron) for reactivity and mobility in a column to reduce nitrate, which is a major pollutant in Korea, and investigated the effect of operational parameters on the NZVI filled column. For the comparison of MZVI and NZVI, samples were collected for 990 minutes using fractionator in the similar operation conditions (MZVI 10g, NZVI 2g). The nitrate reduction efficiency of NZVI was about 5 times higher than that of MZVI, which was about 7.45% and 38.75% when using MZVI and NZVI, respectively. In the mobility experiment, the MZVI descended due to gravity while NZVI moved up with water flow due to its small size. Furthermore, the optimum condition of NZVI filled column was determined by changing the flow rate and pH. The amount of Fe ions was increased as the pH of the nitrate solution was lowered, and the nitrate removal rate was similar due to the higher yield of hydroxyl groups. The removal rate of nitrate nitrogen was stable while flow rate was increased from 0.5 mL/min to 2.0 mL/min (empty bed contact time: 2.26 min to 0.57 min). NZVI has a high reduction rate of nitrate, but it also has a high mobility, so both of reactivity and mobility need to be considered when NZVI is applied for drinking water treatment.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구는 영가철이 충진된 컬럼의 오염물질 환원을 위한 처리 공정으로의 적용 가능성을 평가하며, 운전 조건에 따른 변화를 파악하기 위하여 진행되었다. 나노 영가철은 마이크로 영가철에 비하여 5배나 적은 양을 사용하였음에도, 질산성 질소의 환원 효율이 38.

제안 방법

이러한 컬럼 형태의 양수처리로써의 적용에 대한 연구는 미진한 실정이며, 양수처리 시에는 압력의 증가와 영가철의 이동에 의한 음용수로의 유입 등의 문제점이 있다. 따라서 본 연구에서는 질산성 질소를 활용하여 마이크로 영가철과 나노 영가 철의 반응성을 비교하였고, 두 경우에 있어서 이동성에 어떠한 차이가 있는지 관찰하였다. 또한 나노 영가철 충진 컬럼 운전 시 pH, 유량 등의 운전 조건 변화를 통해 나노 영가철을 양수 처리용 충진 컬럼으로의 적용 시의 최적 조건을 파악해 보려고 한다.
따라서 본 연구에서는 질산성 질소를 활용하여 마이크로 영가철과 나노 영가 철의 반응성을 비교하였고, 두 경우에 있어서 이동성에 어떠한 차이가 있는지 관찰하였다. 또한 나노 영가철 충진 컬럼 운전 시 pH, 유량 등의 운전 조건 변화를 통해 나노 영가철을 양수 처리용 충진 컬럼으로의 적용 시의 최적 조건을 파악해 보려고 한다.
컬럼 운전 중 영가철의 이동성을 관찰하기 위하여,990분간의 실험이 종료된 이후 컬럼의 사진을 통해 이동성을 비교하였으며, 유출 수 내의 철 이온 농도를 측정하여 실제로 유출된 양을 평가하였다.

대상 데이터

2 cm, 높이 20 cm의 Pyrex 컬럼을 이용하여 제작하였다. 컬럼의 충진재로 모래를 충진하였고, 컬럼의 중간에 나노 영가철 및 마이크로영가철 (Junsei, 90%, 250 mesh, 63 μm)을 충진하였다. 컬럼의 제작 중의 산화를 방지하기 위하여 컬럼의 제작은 혐기성 챔버에서 진행하였다.

이론/모형

암모니아의 농도를 측정하기 위하여 인도페놀법을 사용하였다 (APHA, 2005). 발색 반응에 영향을 미칠 수 있는 철 이온의 간섭을 막기 위하여 탄산나트륨 용액을 사용하여 시료의 전처리를 진행하였다.
)에 의한 화학적 환원법을 사용하였다. 황산제일철 용액과 수소화붕소나트륨 용액의 혼합을 통해 나노 영가철이 합성되었으며, 상세한 합성 과정은 사전 연구에서 보고한 바와 동일하게 진행하였다(Hwang et al., 2014).

성능/효과

본 연구는 영가철이 충진된 컬럼의 오염물질 환원을 위한 처리 공정으로의 적용 가능성을 평가하며, 운전 조건에 따른 변화를 파악하기 위하여 진행되었다. 나노 영가철은 마이크로 영가철에 비하여 5배나 적은 양을 사용하였음에도, 질산성 질소의 환원 효율이 38.8%로 마이크로 영가철의 7.45%에 비하여 약 5배 높아, 나노 사이즈에 기인한 높은 반응성을 확인할 수 있었다. 하지만 작은 사이즈로 인하여 유출되는 철 이온의 양이 마이크로 영가철에 비하여 약 21배 높게 측정되었으며, 컬럼에서 전체적으로 상단부로 이동한 것을 관찰할 수 있었다.
1 조건에서 1일 미만의 단기 실험에서는 그 차이가 크지 않았으나, 후반부에서 pH의 변화가 관측되어 장기적인 영향을 살펴볼 필요가 있다. 유량의 경우에도 약 49시간의 기간 동안 유량을 0.5~2.0 mL/min으로 상승시켰을 때에도 유사한 질산성 질소 환원 효율을 보였다. 본 연구에서 사용한 반응성 컬럼과 간단한 발색 반응을 활용한 암모니아, 철 이온 농도 측정 및 pH 측정을 통하여 영가철이 충진된 반응성 컬럼의 성능을 성공적으로 평가할 수 있었다.
45%에 비하여 약 5배 높아, 나노 사이즈에 기인한 높은 반응성을 확인할 수 있었다. 하지만 작은 사이즈로 인하여 유출되는 철 이온의 양이 마이크로 영가철에 비하여 약 21배 높게 측정되었으며, 컬럼에서 전체적으로 상단부로 이동한 것을 관찰할 수 있었다. pH 및 유량 등의 운전 조건에 따른 영향을 살펴보았을 때, 운전 조건을 변화하였음에도 그 효율의 변화는 크지 않아 적용 가능성이 높은 것으로 판단하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	나노 기술의 특징은 무엇인가?	환경 나노 기술은 첨단 소재의 합성 및 응용에 기초한 개선에 있어 새로운 도구를 제공하고 기능화 되어 환경 분야에 활발히 적용되고 있다 (Adeyemi et al.,2016).
	나노 영가철을 토양 주입을 하였을 때 발생하는 응결현상을 억제하기 위한 해결책은 무엇인가?	, 2010). 응결 현상의 억제를 통해 이동성을 향상시키기 위하여 계면활성제 (Gomes et al., 2014), 고분자 (Krol et al.,2013), 합성 점토 (Hwang et al., 2014) 등을 활용한 표면 개질을 통해 분산성을 향상시키기 위한 노력이 있어 왔다. 사전 연구로써 수행되었던 에틸렌 글리콜로 표면 개질된 나노 영가철의 경우에는 분산성이 일반 나노 영가철에 비하여 크게 향상되는 것으로 보고 된 바 있다(Ruiz-Torres et al.
	나노 영가철은 어디에 사용되는가?	,2016). 나노 영가철(Nanoscale Zero-Valent Iron; NZVI)은 기존의 마이크로 영가철(Microscale ZVI; MZVI)에비해 뛰어난 반응성과 높은 비표면적으로 인해 토양 및 지하수 내의 여러 유기오염물질의 처리에 널리 사용되고 있으며 (Crane and Scott, 2012), 최근에는 perchlorate (Cao et al., 2005), brominated compounds (Liet al., 2007) 등 신종독성물질의 처리를 위한 연구에도 적용되고 있다. 또한 Pd, Ni 등의 전이금속을 이용하여 나노 영가철의 성능을 향상시킨 후 고분자 전해질 등의 지지체에 고정시켜 오염물질 분해에 이용한 연구결과도 보고된 바 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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