[논문]다기능 금속산화물의 하수처리 적용-흡착 및 살균

김희곤; 박덕신; 안병렬

doi:10.11001/jksww.2019.33.4.251

다기능 금속산화물의 하수처리 적용-흡착 및 살균
The application of multifunctional metal oxide for wastewater treatment: Adsorption and disinfection 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.33 no.4, 2019년, pp.251 - 258

김희곤 (한국과학기술연구원 물자원순환연구센터) , 박덕신 (철도기술연구원 교통환경연구팀) , 안병렬 (상명대학교 건설시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The physical treatment such as chemical precipitation or adsorption was usually added after biological treatment in wastewater treatment process since it was enforced to reduce the concentration of phosphate for wastewater effluent to 0.2 mg/L as P which was well known as one of main nutrient causing eutrophication in waterbody. Therefore, the new material functioned for both adsorption and disinfection was prepared with Fe and Cu, and $TiO_2$, respectively, by changing the ratio of concentration referred to tri-metal (TM). According to SEM-EDS, $TiO_2$ was 30~40% composition for any TM regardless of any synthesis condition. However, the ratio of composition for Fe and Cu was dependent on the initial Fe and Cu concentration, respectively. The removal efficiency of phosphate was obtained to 15% at low initial concentration and the maximum uptake (Q) was calculated to ~11 mg/g through Langmuir isotherm model using TM1 which was synthesized at 1000 mg/L, 1000 mg/L, and 2 g (10 g/L) for $Fe(NO_3)_3$, $Cu(NO_3)_2$, $TiO_2$, respectively. In disinfection test, the efficiency of virus removal using TM was increased with increase of dosage of TM and can be reached 98% at 0.2 g.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 LDH의 흡착제 합성을 기본으로 한 tri-metal (TM) 산화물을 이용한 흡착제 및 살균제 개발을 목표로 하고 있으며, 되고 안정적인 TM 산화물을 이용하여 하수처리를 대상으로 흡착을 이용한 인산염 제거와 살균을 통한 박테리아파지의 동시제거를 목표로 하고 있다. 이를 위해서 1) 최적의 TM 산화물 합성조건과 물리적 특성을 분석하였으며, 2) 인산염 및 박테리아파지 제거실험을 회분식 실험을 통해서 제거효율을 비교분석 하였다.

가설 설정

, 2001; Langmuir, 1932). (1) 모든 흡착 표면은 독립적이며 동일하다. (2) 각 흡착표면은 하나의 흡착물질만 결합할 수 있다.
(1) 모든 흡착 표면은 독립적이며 동일하다. (2) 각 흡착표면은 하나의 흡착물질만 결합할 수 있다. (3) 흡착된 물질은 다른 흡착에 영향을 주지 않는다.
(2) 각 흡착표면은 하나의 흡착물질만 결합할 수 있다. (3) 흡착된 물질은 다른 흡착에 영향을 주지 않는다. (4) 흡착은 동적으로 역반응이 일어날 수 있는 공정이다.
(3) 흡착된 물질은 다른 흡착에 영향을 주지 않는다. (4) 흡착은 동적으로 역반응이 일어날 수 있는 공정이다.

제안 방법

본 연구는 LDH의 흡착제 합성을 기본으로 한 tri-metal (TM) 산화물을 이용한 흡착제 및 살균제 개발을 목표로 하고 있으며, 되고 안정적인 TM 산화물을 이용하여 하수처리를 대상으로 흡착을 이용한 인산염 제거와 살균을 통한 박테리아파지의 동시제거를 목표로 하고 있다. 이를 위해서 1) 최적의 TM 산화물 합성조건과 물리적 특성을 분석하였으며, 2) 인산염 및 박테리아파지 제거실험을 회분식 실험을 통해서 제거효율을 비교분석 하였다.
이를 페트리디쉬에 옮겨 담아 굳히고, host bacteria 성장 온도(37°C)에서 1일 동안 배양한다. 배양된 페트리디쉬에 나타난 plaque의 수를 계산하여 단위 환산(PFU/mL)값을 이용해 실험 결과를 정리한다 (Fig. 1).
일정한 양(0.015 g)의 TM을 이용하여 초기 인산염 농도를 0, 5, 10, 25, 100 mg/L로 설정하여 50 mL 코니컬 튜브를 이용하여 실험을 진행하였다.
합성된 4종류의 TM을 이용하여 회분식 인산염 제거 실험을 진행하였다. 50 mL의 코니컬 튜브를 이용하여 초기 인산염 농도를 ~50 mg/L로 결정하여 실험을 진행하였으며, 17시간 동안 rotator를 이용하여 교반하였다.
합성된 tri-metal의 인산염 제거 효율을 결정하기 위해서 다양한 종류의 TM을 이용하여 서로 다른 농도의 초기 인산염 용액을 이용하여 흡착효율 실험을 진행하였다. 최소 2회 이상의 반복 실험을 진행하여 평균값을 이용하였으며 각각의 결과는 에러바를 포함하여 나타내고 있다.

대상 데이터

2 g의 TiO₂, 1000 mg/L의 Fe(NO₃)₃, 1000 mg/L의 Cu(NO₃)₂를 이용하여 TM을 합성하였다. 일정량(50 mL)을 코니컬 튜브에 주입하여 혼합용액을 준비하고 5N NaOH 용액을 1 mL 넣고 24시간 동안 반응시킨다.
분말 형태의 TM을 500℃ 분위기로에서 N₂ 가스를 주입하면서 1시간 동안 소성한다. 위의 주입량으로 최종 생산된 TM을 TM1이라고 명명하며, 최적 질량비를 구하기 위해서 TM1을 기준으로 Fe 질량을 2배(TM2), TiO₂ 질량을 2배 (TM3), Ti와 Cu의 질량을 2배(TM4)로 해서 총 4종류의 TM을 준비하였다.

데이터처리

합성된 tri-metal의 인산염 제거 효율을 결정하기 위해서 다양한 종류의 TM을 이용하여 서로 다른 농도의 초기 인산염 용액을 이용하여 흡착효율 실험을 진행하였다. 최소 2회 이상의 반복 실험을 진행하여 평균값을 이용하였으며 각각의 결과는 에러바를 포함하여 나타내고 있다. Fig.

이론/모형

인산염의 흡착특성을 Langmuir와 Freundlich 모델을 이용해서 설명할 수 있으며 최대흡착량을 구할 수 있다. Langmuir 모델은 흡착물질의 흡착제의 표면적에 단일층이라는 가정하에 모든 흡착 면적이 동일한 에너지를 가지고 있고 Freudlich는 각기 다른 흡착에너지가 표면에 존재하기 때문에 흡착 속도가 각기 다르다는 가정을 할 수 있다.

성능/효과

본 결과는 합성조건과 SEM-EDS의 분석 결과를 토대로 볼 때 중금속 성분의 영향은 크게 미치지 않은 것으로 판단된다. TM3 와 TM4는 합성과정에서 2 g의 TiO₂에서 4 g으로 증가시켰으며, 표면 함량 구성비에서도 40%의 나타내고 있지만 증가된 TiO₂가 인산염 제거에는 증가에 도움을 주지 못하는 것으로 나타났다. 일반적으로 단일 금속을 사용하여 합성한 입자의 경우보다는 이중 또는 삼중의 금속을 이용하여 합성한 입자의 특정 오염물질 제거시 시너지 효과를 보여줌으로써 제거효율을 증가시킨다.
4는 Langmuir (a)와 Freundlich (b)모델을 이용한 등온흡착 결과이며, 각 모델식을 이용한 결과는 Table 2에 정리 하였다. 가장 높은 최대 흡착량의 TM1에서 ~11 mg/g의 값을 얻었으며, 다음으로 TM2, TM4, TM3의 순으로 결과를 얻었다. 이는 총 제거효율의 결과와 유사하다.
또한, TM의 주입량의 증가에 의한 살균력은 증가하며, 소재는 적은 양으로도 수중에 존재하는 virus에 대한 우수한 살균력을 갖고 있음을 확인할 수 있었다.
5%를 나타냄으로써, 제거효율의 순서는 TM1>TM2>TM3>TM4 순으로 결정되어 졌으며, TM1는 TM4의 2배에 가까운 높은 제거효율을 보여주고 있다. 본 결과는 합성조건과 SEM-EDS의 분석 결과를 토대로 볼 때 중금속 성분의 영향은 크게 미치지 않은 것으로 판단된다. TM3 와 TM4는 합성과정에서 2 g의 TiO₂에서 4 g으로 증가시켰으며, 표면 함량 구성비에서도 40%의 나타내고 있지만 증가된 TiO₂가 인산염 제거에는 증가에 도움을 주지 못하는 것으로 나타났다.
인산염 제거 효율은 TiO₂의 주입량이 상대적으로 적은 TM1과 TM2에서 높은 제거 효율은 얻을 수 있으며 이를 통해서, TiO₂에 의한 인산염 제거 효율은 오히려 감소하는 것으로 나타난다. 즉, TM을 이용한 인산염의 제거는 Ti 뿐만 아니라 Fe의 비율에 의해 결정됨을 확인할 수 있다.
, 2015). 즉 본 연구에서는 증가된 TiO₂가 인산염 제거에 도움을 주지 못하며 상대적으로 감소된 Fe와 Cu의 질량은 낮은 인산염 제거효율을 보여준다. 따라서 인산염 제거는 TiO₂만 작용하는 것이 아니라 Fe의 혼합 비율에 의한 것으로 사료된다.
즉, TM을 이용한 인산염의 제거는 Ti 뿐만 아니라 Fe의 비율에 의해 결정됨을 확인할 수 있다.
총 제거 효율은 TM1, TM2, TM3, M4에서 각각 40.5, 34.8, 24.6, 21.5%를 나타냄으로써, 제거효율의 순서는 TM1>TM2>TM3>TM4 순으로 결정되어 졌으며, TM1는 TM4의 2배에 가까운 높은 제거효율을 보여주고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	흡착공정의 장점은 무엇인가?	, 2001). 흡착공정은 다양한 소재의 선택을 통해서 인에 대한 높은 제거효율을 달성할 수 있으며, 편리한 운전이 가능한 장점을 가지고 있다 (An et al., 2018).
	화학 약품을 이용한 침전법의 특징은 무엇인가?	, 2001). 현재 인제거를 위한 가장 일반적인 방법은 화학 약품을 이용한 침전법이 있으나, 이는 약품비용과 다량의 슬러지 발생/처리에 대한 문제점을 안고 있다. (Shin et al.
	TM 산화물을 이용하여 하수처리를 대상으로 흡착을 이용한 인산염 제거 시 어떤 결과를 얻을 수 있는가?	인산염 제거 효율은 TiO2의 주입량이 상대적으로 적은 TM1과 TM2에서 높은 제거 효율은 얻을 수 있으며 이를 통해서, TiO 2에 의한 인산염 제거 효율은 오히려 감소하는 것으로 나타난다. 즉, TM을 이용한 인산염의 제거는 Ti 뿐만 아니라 Fe의 비율에 의해 결정됨을 확인할 수 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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