[논문]실험 및 밀도범함수이론을 이용한 질소, 인 저감 효과 분석을 위한 여재의 흡착 특성 연구

김태윤; 권용주; 강충현; 김종영; 신현석; 권순철; 차성민

doi:10.17663/jwr.2018.20.3.263

실험 및 밀도범함수이론을 이용한 질소, 인 저감 효과 분석을 위한 여재의 흡착 특성 연구
The investigation of adsorption properties of filter media for removal efficiency of nitrogen, phosphorus using experimental and density functional theory 원문보기

한국습지학회지 = Journal of wetlands research, v.20 no.3, 2018년, pp.263 - 271

김태윤 (부산대학교 토목공학과) , 권용주 (부산대학교 토목공학과) , 강충현 (부산대학교 토목공학과) , 김종영 (부산대학교 토목공학과) , 신현석 (부산대학교 토목공학과) , 권순철 (부산대학교 토목공학과) , 차성민 (전라남도 환경산업진흥원)

초록
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생활 하수 및 농축산 폐수를 통한 하천으로의 다량의 질소와 인의 유입은 부영양화를 초래하여 하천 자정작용에 악영향을 끼친다. 본 연구에서는 컬럼 실험을 통한 흡착제(활성탄, 제올라이트, 여과사)의 여재층 높이에 따른 암모니아성 질소, 인산염 제거특성을 분석하고, 밀도범함수이론(density functional theory, DFT)를 바탕으로 한 양자역학적 전산 모사를 통해 흡착제와 암모니아성질소($NH_4{^{+}}$)와 인산염($PO_4{^{3-}}$)에 대한 화학적 흡착 거동을 분석하였다. 컬럼 실험 결과, 암모니아성 질소에 대한 제거효율은 제올라이트(95.1%)>활성탄(65.8%)>여과사(10.7%), 인산염의 제거효율은 활성탄(99.6%)>제올라이트(18.8%)>여과사(10.9%) 순으로 나타났다. 제올라이트의 경우, 여재층의 높이에 관계없이 90%이상의 암모니아성 질소에 대한 높은 흡착력을 가졌고, 활성탄의 경우 여재층의 높이가 증가할수록 인과 질소에 대한 높은 흡착효율을 가졌다. DFT를 이용한 흡착제(산화 알루미늄, 활성탄, 여과사)와 영양염류($PO_4{^{3-}}$, $NH_4{^{+}}$)에 대한 흡착거동 분석결과, 제올라이트는 암모니아성 질소($NH_4{^{+}}$)에 대한 높은 흡착에너지(-6.43 eV)를 가졌다. 활성탄의 경우 여과사보다 좁은 HOMO-LUMO 밴드갭을 가져, 전자 이동에 유리한 환경을 조성하여 높은 흡착에너지(-7.10eV)로 영양염류가 제거되는 것을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we analyzed the removal efficiency of ammonia nitrogen and phosphate dependant on the column depths using various absorbents such as zeolite silica sand, and activated carbon through the column test. In addition, we analyzed electrochemical adsorption behaviors of ammonia nitrogen and phosphate through the quantum mechanical calculation based on density functional theory calculation. Experimental results represent the removal efficiency of ammonia nitrogen and phosphate are zeolite > activated carbon > silica sand, and activated carbon > zeolite > silica sand, respectively. Zeolite shows high adsorption property for ammonia nitrogen over 90%, regardless of the column depth, while activated carbon exhibits high adsorption property for both ammonia nitrogen and phosphate as the column depth for filter media increases. Theoretical findings using DFT calculation for the adsorption behaviors of adsorbents (activated carbon and silica sand) and nutrients ($PO_4{^{3-}}$, $NH_4{^{+}}$) show that activated carbon represented narrower HOMO-LUMO band gap with high adsorption energy, and even more favorable environment for electron adsorption than silica sand, which leads to the effective removal of nutrients.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

98eV로 나타나 화학적흡착을 하기에는 활성탄, 산화알루미늄과 비교하였을 때 낮은결합에너지를 보이며 이는 위의 실험값과 유사한 경향을 보였다. 또한 이 연구에서는 여재의 흡착 메커니즘을 조사하기 위해화학적 결합에너지와 분자오비탈에 기인한 에너지 경향을 평가하였다. 또한 이 연구에서는 여재의 흡착 메커니즘을 조사하기위해 화학적 결합에너지와 분자오비탈에 기인한 에너지 경향을 평가하였다.
98eV로 나타나 화학적흡착을 하기에는 활성탄, 산화알루미늄과 비교하였을 때 낮은결합에너지를 보이며 이는 위의 실험값과 유사한 경향을 보였다. 또한 이 연구에서는 여재의 흡착 메커니즘을 조사하기 위해화학적 결합에너지와 분자오비탈에 기인한 에너지 경향을 평가하였다. 또한 이 연구에서는 여재의 흡착 메커니즘을 조사하기위해 화학적 결합에너지와 분자오비탈에 기인한 에너지 경향을 평가하였다.

제안 방법

Figure 2는 흡착제(제올라이트 여과사, 활성탄)에 대한 양자 역학적 구조 최적화를 수행한 것으로, Materials Studio의 Dmol3모듈을[Dassault Systèmes BIOVIA, 2017] 사용하여 재료의 전자적인 구조와 속성을 평가하였다.
[Enrlich et al., 2011; Burns et al.,2011] 원자 간의 주기 경계조건과의 상호작용을 피하기 위해 진공 공간은 z축을 따라 20Å로 설정하였고, Self-Consistent Field(SCF) 수렴오차는 10-5 Ha로 설정하여 3차원 모델을 설계했다.
본 연구는 제올라이트, 여과사, 활성탄과 같은 다양한 흡착성 여재를 이용하여 부영양화를 유발시키는 주요 영양염류인 인산염(PO₄^3-)과 암모니아성 질소(NH₄⁺)에 대한 흡착성 제거 실험을 수행하였으며, DFT 양자역학 계산을 통해 여재에 따른 흡착 메커니즘을 연구한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 인산염 및 암모니아성 질소 제거를 위해 여러 흡착제(제올라이트, 여과사, 활성탄)를 이용한 컬럼 실험을 통해 여재층 높이에 따른 흡착특성을 분석하고, 특히밀도범함수이론(density functional theory, DFT)를 바탕으로 한 양자역학적 전산 모사를 통해 흡착제와 암모니아성질소(NH₄⁺)와 인산염(PO₄^3-)에 대한 화학적 흡착 거동을 분석하였다. 양자역학 전산모사는 슈뢰딩거 방정식을 이용해 파동함수와 에너지 준위를 결정하여 해를 구하지만 N개의 전자 시스템에 대하여 3N좌표에 대한 계산하는 것이 거의 불가능하여, 전자밀도를 하나의 집합으로 가정하여 단지 3차원인 전자밀도의 범함수로 해석하는 밀도범함수이론을 이용하여 원자간의 흡착메커니즘을 분석할 수 있다.
Table 2는 위에서 제시된 농도의 인공폐수 제조에 사용된 표준용액 시약을 나타낸다. 실험 프로세스는 Table 2 와 같이 유입유량은 100mL/min으로 설정하고 컬럼으로시험원수를 유입 후 유출되는 시간을 고려하여 1시간 동안 수행했으며, 15분 단위로 시료채취를 실시했다. 채취된 시료는 수질오염공정처리 기준[Ministry of environment, 2017]에따라 TN(총질소-자외선/가시선분광법-산화법), TP(총인자외선/가시선분광법)에 대한 분석을 실시하였다.
여재층 높이에 따른 인산염(PO₄^3-)과 암모니아성질소(NH₄⁺)에 대한 흡착특성을 분석하기 위해 여재층 높이를 40, 60, 80cm로 구분하여 암모니아성질소(NH₄⁺)와 인산염(PO₄^3-)에 대한 평균제거효율을 동일한 실험조건으로 3회 측정하였다. Figure 3, 4 (a), (b), (c)는 여재층 높이에 따른제올라이트 여재의 인산염, 암모니아성 질소 평균제거효율을 나타낸다.
,2016] 쉽게 말해서 전자 하나하나의 움직임을 전자 집합체로 해석하는 방식으로 파동함수를 이용하여 전자밀도를 구하고, 이를 이용하여 외부포텐셜을 계산, 콘-샴 방정식을 해석하여 self-consistent 방법으로 에너지 값을 결정하는 방법이다. 우리는 실험적 검증과 밀도범함수 이론을 바탕으로 암모니아성 질소(NH₄⁺)와 인산염(PO₄^3-)과 같은 영양염류 흡착제거 효율성을 분석한 후 흡착 특성 해석을 통해 흡착제로써의 적용 가능성을 검토하였다.
) 대한 흡착특성을 조사하기 위해 원자 단위에서의 양자역학적 전산재료모사를 이용하여 흡착제와 오염원 간의 흡착거동을 분석하였다. 제올라이트 흡착제의 경우 다양한 금속산화물로 구성된 물질로 오염물질 흡착에 지배적인 영향을 주는 Al₂O₃에 대한 구조최적화를 통해 흡착반응을 조사하였고, 여과사는 실리카(SiO₂) 구조를, 그리고 활성탄은 비정질 탄소구조를 채택하였다. Figure 2는 흡착제(제올라이트 여과사, 활성탄)에 대한 양자 역학적 구조 최적화를 수행한 것으로, Materials Studio의 Dmol³모듈을[Dassault Systèmes BIOVIA, 2017] 사용하여 재료의 전자적인 구조와 속성을 평가하였다.
8cm, 높이 100cm의 아크릴 재질의 원기둥 컬럼이며, 20L의 교반조, 임펠러, 유량계로 구성되어 있다. 컬럼 실험은 여재층 높이의 변화(40,60 80cm)에 따른 오염물질 저감효율 실험을 여재별로 각각 3회 수행하였다. 본 실험에 사용된 유입수 성상은 [Lee etal.
컬럼 실험을 통해 흡착제의 여과를 통한 오염물질 제거효율 분석을 포함하여 여재의 흡착을 통한 오염물질 제거 메커니즘을 파악하기 위해 산화알루미늄, 실리카, 활성탄을 양자역학적 전산모사를 이용한 밀도범함수이론 계산을 통해 여재와 오염물질 간의 흡착거동을 분석하였다. Figure 5는 산화알루미늄, 실리카 및 활성탄 여재와 오염물질(PO₄^3-, NH₄⁺)에 대한 흡착거동을 보여준다.
또한 이 연구에서는 여재의 흡착 메커니즘을 조사하기위해 화학적 결합에너지와 분자오비탈에 기인한 에너지 경향을 평가하였다. 평가는 시스템의 최고점유분제궤도(Highestoccupied molecular obital, HOMO)과 최저비점유분자궤도(Lowest unoccupied molecular orbital, LUMO) 사이의 밴드 갭을 조사를 통해 전자를 이동시키기 위한 필요한 에너지를 파악했다. 밴드갭은 오염물질이 흡착된 여재의 HOMO와LUMO의 에너지 차이이며 분자 반응에 중요한 인자이다.
흡착제(제올라이트, 활성탄, 여과사)의 암모니아성질소(NH₄⁺)와 인산염(PO₄^3-) 대한 흡착특성을 조사하기 위해 원자 단위에서의 양자역학적 전산재료모사를 이용하여 흡착제와 오염원 간의 흡착거동을 분석하였다. 제올라이트 흡착제의 경우 다양한 금속산화물로 구성된 물질로 오염물질 흡착에 지배적인 영향을 주는 Al₂O₃에 대한 구조최적화를 통해 흡착반응을 조사하였고, 여과사는 실리카(SiO₂) 구조를, 그리고 활성탄은 비정질 탄소구조를 채택하였다.

대상 데이터

컬럼 실험은 여재층 높이의 변화(40,60 80cm)에 따른 오염물질 저감효율 실험을 여재별로 각각 3회 수행하였다. 본 실험에 사용된 유입수 성상은 [Lee etal., 1998]이 제시한 우리나라 하수처리장의 평균 유입농도 범위의 값인 NH₃-N 20mg/L, TP 3mg/L를 기준으로 제조하였다. Table 2는 위에서 제시된 농도의 인공폐수 제조에 사용된 표준용액 시약을 나타낸다.
본 연구에 사용된 여재는 제올라이트, 여과사, 활성탄이며, 제올라이트는 J사의 제품을 구입하였고, 여과사와 활성탄은 S사의 제품을 구입하여 사용하였다. 해당 여재의 물리적 특성은 Table 1과 같다.
단위중량의 경우 제올라이트 1,300kg/m³, 여과사 2,550kg/m³, 활성탄 460kg/m³으로 활성탄의 단위중량이 가장 작은 것으로 나타났다. 성능 평가에 사용된 여재는 컬럼 실험에 사용하기에 앞서 증류수로 세척한 후, 열풍건조기에 24h 건조 후에 사용하였다.
본 연구에 사용되는 여재의 오염물질 저감효율 분석은 Lab-Scale의 컬럼 실험을 통해 수행되었다. 실험에 사용된컬럼의 규격은 Figure 1과 같이 내경 4.8cm, 높이 100cm의 아크릴 재질의 원기둥 컬럼이며, 20L의 교반조, 임펠러, 유량계로 구성되어 있다. 컬럼 실험은 여재층 높이의 변화(40,60 80cm)에 따른 오염물질 저감효율 실험을 여재별로 각각 3회 수행하였다.

이론/모형

양자역학적 밀도범함수이론(DFT) 계산은 흡착제 표면 위에 물질의 흡착 특성 분석에 관한 연구에 사용되어 왔다.[Kwon et al., 2014] Dmol³모듈에서 전자교환-상관성 범함수(exchange-correlationfunctiional)는 Perdew-Burke-Ernzerhof correlation(PBE)와 함께 Generalized Gradient Approximation(GGA) functional을 선택하여 적용하였다.[Perdew et al.
흡착에너지는 값이 음수(-)일수록 안정적인 상태이며, Ea가 음의 값으로 클수록 오염물질 흡착능력이 강하다는 것을 의미한다. 또한 오염물질과 여재부의 흡착거동과 함께 전자 이동 특성을 평가하기 위해 뮬리칸(Mulliken)분석을 이용하여 전하분석을 수행하였다. 뮬리칸 분석은 분자오비탈 파함수에 대한 전자 집단 분석을 통해 각 원자들의 부분 전하를 계산하여 흡착에 따른 전자교환 특성을 분석할 수 있는 방법으로 양자계산에 널리 사용되고 있는 방법이다.
본 연구에 사용되는 여재의 오염물질 저감효율 분석은 Lab-Scale의 컬럼 실험을 통해 수행되었다. 실험에 사용된컬럼의 규격은 Figure 1과 같이 내경 4.
하지만 GGA 방식에서 분산력에 대한 상호작용을 해석하기 어려우므로 van der waals 상호작용에 대한 보정이 필요하다. 본 연구에서는 GGA 방법에서의 분자 상호작용을 분석하기 위해 Grimme DFT-D 분산보정을 수행하였다.[Enrlich et al.
, 1996;Perdew et al 1996] GGA는 전자교환에 의한 에너지 포텐셜을 국소적인 범위가 아닌 넓은 범위에 대한 선형근사법으로 PBE 보정을 통해 정확도를 향상 시킬 수 있다. 양자계산에서 모든 전자에 대해 Kohn-Sham 파함수와 큰 분자, 유기 금속화합물 등에 사용되는 수치계산법인 Double Numerical basis set with Polarization(DNP)를 적용하여 원자 간의 흡착거동을 조사하였다. 또한 분자흡착거동 분석에서 van der waals 상호작용은 중요한 역할을 한다.
여러 흡착제의 오염물질 흡착에 따른 전자밀도 변화를 파악하기 위해 뮬리칸(Mulliken)분석을 수행하였다. Figure 6은 전자밀도를 iso-surface화 한 것으로 파란색 영역이 짙을수록 강한 전자밀도장을 형성하며, 전하의 변화가 클수록 짙어진다.
실험 프로세스는 Table 2 와 같이 유입유량은 100mL/min으로 설정하고 컬럼으로시험원수를 유입 후 유출되는 시간을 고려하여 1시간 동안 수행했으며, 15분 단위로 시료채취를 실시했다. 채취된 시료는 수질오염공정처리 기준[Ministry of environment, 2017]에따라 TN(총질소-자외선/가시선분광법-산화법), TP(총인자외선/가시선분광법)에 대한 분석을 실시하였다.

성능/효과

1) 여재층 높이에 따른 컬럼 실험 결과 암모니아성 질소에 대한 제거효율은 제올라이트>활성탄>여과사, 인산염에 대한 제거효율은 활성탄>제올라이트>여과사로 나타났다.
2) DFT를 이용한 흡착제 제올라이트(산화알루미늄), 여과사(실리카), 활성탄(비정질 탄소)와 PO₄^3-, NH₄⁺에 대한 흡착거동 분석결과 제올라이트는 암모니아성 질소에 대하여 높은 흡착반응을 보이고, 활성탄은 좁은 HOMOLUMO 밴드갭을 가져 전자 이동에 유리한 환경으로 인한 높은 흡착에너지를 가져 영양염류를 더 강하게 흡착 제거하는 것을 확인할 수 있었다.
3) 흡착제와 영양염류간의 전자밀도 분석결과 활성탄이 여과사보다 더 높은 전자밀도를 가지며 전하교환이 쉽게 발생하여, 결론적으로 활성탄 흡착제가 영양염류와 가장 강한 흡착반응이 일어나는 것을 알 수 있었다.
3가지 여재에 대한 오염물질 제거효율 실험결과 인산염의 경우 활성탄>제올라이트>여과사 순으로 높았으며, 암모니아성 질소의 경우 제올라이트>활성탄>여과사 순으로 나타났다.
65eV로 나타났으며, 산화알루미늄의경우 암모니아성 질소에 대해 좁은 밴드갭을 가지고 활성탄의 경우 NH₄⁺, PO₄^3- 두 가지 물질에 좁은 밴드갭과 강한흡착력을 보였다. 결과적으로 산화알루미늄은 암모니아성 질소에 대해 강한 화학적 흡착경향을 보였고, 활성탄은 암모니아성 질소, 인산염 모두의 반응에서 강한 화학적 흡착능력과 전자를 교환하기에 흡착에 유리한 구조를 가지고 있는 것을 확인하였다.
5~5배 이상의 활발한 전자 교환이 나타났다. 따라서 흡착제의 암모니아성 질소와 인산염 흡착에 대한 실험과 이론적 검증을 통하여 제올라이트 여재는 암모니아성 질소에 대해 강한 흡착능을 보이고, 활성탄 여재의 경우 암모니아성 질소, 인산염 두 가지 모두에 대하여 뛰어난 흡착능력을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
3가지 여재에 대한 오염물질 제거효율 실험결과 인산염의 경우 활성탄>제올라이트>여과사 순으로 높았으며, 암모니아성 질소의 경우 제올라이트>활성탄>여과사 순으로 나타났다. 또한여재층 높이에 따른 영양염류에 대한 제거효율 실험결과 여재층에서의 물질과의 접촉시간이 증가할수록 흡착능력은 증가하는 경향을 보였다.
3%의 제거효율을 보여준다. 분석결과여과사는 여재층 높이에 따라 제거효율은 증가하는 경향이지만, 제올라이트나 활성탄에 비해 낮은 제거효율을 나타내며 제올라이트나 활성탄에 비해 낮은 흡착능력을 보였다. 3가지 여재에 대한 오염물질 제거효율 실험결과 인산염의 경우 활성탄>제올라이트>여과사 순으로 높았으며, 암모니아성 질소의 경우 제올라이트>활성탄>여과사 순으로 나타났다.
즉 밴드갭이 좁을수록 전자가 교환되기 위해 더 적은 에너지가필요하고, 흡착반응이 더 활발하게 나타나는것을 의미한다. 산화알루미늄과 PO₄^3-, NH₄⁺간의 벤드갭은 각각 4.30eV,2.48eV이며, 활성탄과 PO₄^3-, NH₄⁺간의 밴드갭은 각각0.20eV, 0.18eV로 나타난 반면 SiO₂와 PO₄^3-, NH₄⁺간의밴드갭은 5.411eV, 4.65eV로 나타났으며, 산화알루미늄의경우 암모니아성 질소에 대해 좁은 밴드갭을 가지고 활성탄의 경우 NH₄⁺, PO₄^3- 두 가지 물질에 좁은 밴드갭과 강한흡착력을 보였다. 결과적으로 산화알루미늄은 암모니아성 질소에 대해 강한 화학적 흡착경향을 보였고, 활성탄은 암모니아성 질소, 인산염 모두의 반응에서 강한 화학적 흡착능력과 전자를 교환하기에 흡착에 유리한 구조를 가지고 있는 것을 확인하였다.
산화알루미늄이 인산염과 암모니아성 질소에 대하여 각각 0.89, 1.32, 활성탄이 2.43, 1.22를 보였고, 여과사가 0.26, 0.52로 나타나 활성탄이 여과사와 비교하여 2.5~5배 이상의 활발한 전자 교환이 나타났다. 따라서 흡착제의 암모니아성 질소와 인산염 흡착에 대한 실험과 이론적 검증을 통하여 제올라이트 여재는 암모니아성 질소에 대해 강한 흡착능을 보이고, 활성탄 여재의 경우 암모니아성 질소, 인산염 두 가지 모두에 대하여 뛰어난 흡착능력을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
이 경우는 해당 유입 유량에서 여재와 오염물질과의 반응 접촉시간이 충분하지 않았고, 시간이 경과함에 따라 영양염류 제거를 위한 화학적 흡착 사이트가 감소하였기 때문이다. 실험 결과 암모니아성 질소를 제거하기 위해 제올라이트 여재가 높은 효율을 보이고, 활성탄의 경우 인산염과 암모니아성 질소 모두에 적절한 제거효율을 제시하여 동시에 질소와 인을 제거하기 위한 흡착제로써 활용 가능한 후보군으로 확인되었다.
Figure 3 (g), (h), (i)는 활성탄 여재의 여재층 높이에 따른 인산염, 암모니아성질소의 평균제거효율을 나타낸다. 인산염 평균 제거효율은 94.7%, 96.8%, 99.1%로 높은 제거효율을 보였고, 암모니아성 질소의 경우 55.8%, 58.5%,67.0%로 여재층의 높이가 증가할수록 오염물질에 대한 제거효율도 증가하였지만 시간이 경과함에 따라 제거효율이 감소하는 경향을 보였다. 하지만 활성탄은 두 가지 양이온성, 음이온성 물질에 대해 높은 흡착성능을 보이는데 이는 활성탄이 산성 및 염기성 산화물을 함유하고 있어 암모니아성 질소 및 인산염 인에 대해 높은 제거효율을 보인 것으로 판단된다.
Figure 3, 4 (a), (b), (c)는 여재층 높이에 따른제올라이트 여재의 인산염, 암모니아성 질소 평균제거효율을 나타낸다. 인산염 평균제거효율의 경우 높이에 따라 각각 3.0%, 9.2%, 17.2%였으며, 암모니아성질소의 경우 96.6%, 94.2%, 95.5%의 평균제거효율을 보인다. 제올라이트 여재의 경우 인산염에 대해서는 여재층 높이가 증가함에 따라 제거효율이 증가하지만, 20%미만의 낮은 제거효율을 보여준다.
최적화된 구조체를 보면 결합길이가 각각 3Å에서 1.28Å로, 3.1Å에서 2.28Å로 감소하였고,binding energy는 –7.30eV, -6.31eV로 높은 화학적 결합력을 가지며, 활성탄은 PO43-, NH4+,에 대한 흡착이 용이하였으며 특히 PO4-분자에 대하여 상대적으로 강한 흡착력을 보여주었다.
특히, 활성탄의 경우 양이온 및 음이온에 대한 흡착이 모두 높았다. 하지만 제올라이트와 인산염 흡착의 경우와 활성탄과 암모니아성 질소흡착의 경우 시간이 경과함에 따라 초기흡착에 비해 성능이 떨어지는 것을 알 수 있었다. 이 경우는 해당 유입 유량에서 여재와 오염물질과의 반응 접촉시간이 충분하지 않았고, 시간이 경과함에 따라 영양염류 제거를 위한 화학적 흡착 사이트가 감소하였기 때문이다.

후속연구

4) 결론적으로 이러한 밀도범함수이론을 이용한 제일원리 계산을 통해 환경분야에서 흡착제 개발 및 오염물질간의 흡착매커니즘을 규명하는데 사용될 수 있으며, 이론과 실험을 융합시켜주는 중요한 역할을 할 수 있는 기초자료로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다량의 질소와 인의 유입이 미치는 악영향은?	생활 하수 및 농축산 폐수를 통한 하천으로의 다량의 질소와 인의 유입은 부영양화를 초래하여 하천 자정작용에 악영향을 끼친다. 본 연구에서는 컬럼 실험을 통한 흡착제(활성탄, 제올라이트, 여과사)의 여재층 높이에 따른 암모니아성 질소, 인산염 제거특성을 분석하고, 밀도범함수이론(density functional theory, DFT)를 바탕으로 한 양자역학적 전산 모사를 통해 흡착제와 암모니아성질소($NH_4{^{+}}$)와 인산염($PO_4{^{3-}}$)에 대한 화학적 흡착 거동을 분석하였다.
	총 질소를 저감하는 공정 중 흡착법이란?	[Yang et al., 2008] 이 중에서 흡착법은 적정흡착 여재의 선정과 여과 속도, 여과 장치의 크기 등이 제거 효율에 큰 영향을 끼치며, 오염물질에 대한 우수한 효율과 경제성을 가지는 것으로 잘 알려져 있다. 인의 제거 방법에는 물리적, 화학적, 생물학적 방법 중 생물학적 처리방법이 일반적으로 수행이 용이하고 경제적인 측면에 장점이 있어 많이 쓰이지만 사후 슬러지 처리에 관한 문제 등 많은 단점이 따른다.
	컬럼 실험 결과는?	본 연구에서는 컬럼 실험을 통한 흡착제(활성탄, 제올라이트, 여과사)의 여재층 높이에 따른 암모니아성 질소, 인산염 제거특성을 분석하고, 밀도범함수이론(density functional theory, DFT)를 바탕으로 한 양자역학적 전산 모사를 통해 흡착제와 암모니아성질소($NH_4{^{+}}$)와 인산염($PO_4{^{3-}}$)에 대한 화학적 흡착 거동을 분석하였다. 컬럼 실험 결과, 암모니아성 질소에 대한 제거효율은 제올라이트(95.1%)>활성탄(65.8%)>여과사(10.7%), 인산염의 제거효율은 활성탄(99.6%)>제올라이트(18.8%)>여과사(10.9%) 순으로 나타났다. 제올라이트의 경우, 여재층의 높이에 관계없이 90%이상의 암모니아성 질소에 대한 높은 흡착력을 가졌고, 활성탄의 경우 여재층의 높이가 증가할수록 인과 질소에 대한 높은 흡착효율을 가졌다.

참고문헌 (24)

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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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