[논문]영가철 개질 바이오차를 이용한 지하수의 질산성 질소 제거

한은영; 김혜빈; 김종국; 신동훈; 백기태

doi:10.7857/jsge.2020.25.4.028

영가철 개질 바이오차를 이용한 지하수의 질산성 질소 제거
Removal of Nitrate from Groundwater using Zero-valent Iron-modified Biochar 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.25 no.4, 2020년, pp.28 - 34

한은영 (전북대학교 환경에너지융합학과 및 토양환경연구센터) , 김혜빈 (전북대학교 환경에너지융합학과 및 토양환경연구센터) , 김종국 (전북대학교 환경에너지융합학과 및 토양환경연구센터) , 신동훈 (전북대학교 환경에너지융합학과 및 토양환경연구센터) , 백기태 (전북대학교 환경에너지융합학과 및 토양환경연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Nitrate released from chemical fertilizer, animal wastes, and synthetic detergents can cause methemoglobinemia to infants, thus the standard in drinking water is set to 10 mg/L as World Health Organization recommended. In this study, zero-valent iron-modified rice straw biochar was used to reduce and remove nitrate in the aqueous phase. The rice straw biochar was prepared by pyrolyzing the biomass at 700℃ for 3 hours, and the biochar was modified using 1 M Fe(III), and the Fe(III) on the biochar was reduced to zero-valent iron using sodium borohydride. The modified biochar removed nitrate effectively, which removed more than 91% of nitrate. For the synthetic groundwater, the nitrate removal was lowered to 82% due to the presence of other anions.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. FTIR spectra of biomass (RS), biochar (RB), and ZVI-impregnated biochars (RBZVI-1 & RBZVI-2).
표 Table 1. Components of the synthetic groundwater
표 Table 2. Composition of RS and RB
그림 Fig. 2. (a) Removal of Nitrate and (b) Removal of Total Nitrogen (Initial concentration of nitrate was 25 mg/L, and 50 g/L of RBZVI was used).
표 Table 4. Proposed reaction pathways for nitrate reduction by ZVI
표 Table 3. pH of nitrate solution after reaction according to pH of biochar
그림 Fig. 3. Pourbiax diagram of nitrogen.
그림 Fig. 4. (a) Removal rate of Nitrate, (b) Removal rate of Total Nitrogen (Initial concentration of Nitrate solution = 25 mg/L).
그림 Fig. 5. (a) Removal rate of Nitrate, (b) Removal rate of Total Nitrogen (Initial pH of Nitrate solution = 5).

AI 본문요약
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제안 방법

지하수의 질산성 질소를 제거하기 위해 볏짚 바이오차를 영가철로 개질하여 적용하였다. 영가철 개질 바이오차는 HCl로 전처리하여 적용하였고, 낮은 pH의 바이오차가 질산성 질소에 대한 더 높은 제거율을 보였다.

데이터처리

바이오차 표면의 결정구조는 Multi-Purpose High Performance X-ray Diffractometer (X’pert Pro Powder, Malvern Panalytical, Germany) 분석하였고, Specific Surface Area Analyzer(BET, micromeritics, USA)으로 바이오차의 비표면적을 분석하였다.
바이오차를 왕수(염산:질산=3:1) 추출하여 ICP-OES(720-OES, Agilent Technologies, USA)로 금속 함량을 분석하였고, 바이오차의 원소 분석은 Elemental Analyzer(IT/Flash 2000, Thermo Fisher Scientific, Germany)를 사용하였다. 바이오차 표면의 작용기는 Fourier Transform Infrared Spectrometer(FT-IR)(Frontier, Perkin Elmer, USA)를 통해 분석하였다. 바이오차 표면의 결정구조는 Multi-Purpose High Performance X-ray Diffractometer (X’pert Pro Powder, Malvern Panalytical, Germany) 분석하였고, Specific Surface Area Analyzer(BET, micromeritics, USA)으로 바이오차의 비표면적을 분석하였다.
바이오차의 pH는 바이오차와 증류수를 1 g : 10 ml의 비율로 혼합하여 1시간 정치후 pH-meter(K2200-pH, ISTEK, Korea)로 측정하였다. 바이오차를 왕수(염산:질산=3:1) 추출하여 ICP-OES(720-OES, Agilent Technologies, USA)로 금속 함량을 분석하였고, 바이오차의 원소 분석은 Elemental Analyzer(IT/Flash 2000, Thermo Fisher Scientific, Germany)를 사용하였다. 바이오차 표면의 작용기는 Fourier Transform Infrared Spectrometer(FT-IR)(Frontier, Perkin Elmer, USA)를 통해 분석하였다.
질산성 질소는 220 nm에서 Spectrophotometer(HS-3700, HUMAS, Korea)로 측정하였고, 총 질소는 Total Organic Carbon Analyzer(TOC-L CPH, SHIMADZU, Japan)를 사용하여 측정하였다. 바이오차의 pH는 바이오차와 증류수를 1 g : 10 ml의 비율로 혼합하여 1시간 정치후 pH-meter(K2200-pH, ISTEK, Korea)로 측정하였다.

성능/효과

영가철 개질 바이오차는 HCl로 전처리하여 적용하였고, 낮은 pH의 바이오차가 질산성 질소에 대한 더 높은 제거율을 보였다. Pourbiax diagram을 통해 영가철 개질 바이오차와 반응 후에 질산성 질소가 암모늄 이온 형태로 환원된 것을 확인하였고, 질산성 질소가 제거되면서 총질소도 제거된 것으로 보아 환원된 암모늄이 흡착되어 제거된 것으로 보인다. 순수한 질산성 질소 용액에서는 영가철 개질 바이오차는 최대 91%의 질산성 질소 제거 효율을 보였고, 인공지하수 조건에서는 최대 82%의 제거 효율을 보였다.
Pourbiax diagram을 통해 영가철 개질 바이오차와 반응 후에 질산성 질소가 암모늄 이온 형태로 환원된 것을 확인하였고, 질산성 질소가 제거되면서 총질소도 제거된 것으로 보아 환원된 암모늄이 흡착되어 제거된 것으로 보인다. 순수한 질산성 질소 용액에서는 영가철 개질 바이오차는 최대 91%의 질산성 질소 제거 효율을 보였고, 인공지하수 조건에서는 최대 82%의 제거 효율을 보였다. 결과적으로, 본 연구에서 합성한 영가철 개질 바이오차는 실제 지하수 내의 질산성 질소를 효과적으로 제거할 수 있을 것으로 판단된다.
지하수의 질산성 질소를 제거하기 위해 볏짚 바이오차를 영가철로 개질하여 적용하였다. 영가철 개질 바이오차는 HCl로 전처리하여 적용하였고, 낮은 pH의 바이오차가 질산성 질소에 대한 더 높은 제거율을 보였다. Pourbiax diagram을 통해 영가철 개질 바이오차와 반응 후에 질산성 질소가 암모늄 이온 형태로 환원된 것을 확인하였고, 질산성 질소가 제거되면서 총질소도 제거된 것으로 보아 환원된 암모늄이 흡착되어 제거된 것으로 보인다.

후속연구

순수한 질산성 질소 용액에서는 영가철 개질 바이오차는 최대 91%의 질산성 질소 제거 효율을 보였고, 인공지하수 조건에서는 최대 82%의 제거 효율을 보였다. 결과적으로, 본 연구에서 합성한 영가철 개질 바이오차는 실제 지하수 내의 질산성 질소를 효과적으로 제거할 수 있을 것으로 판단된다.
하지만, 여전히 pH 5, 6의 RBZVI-1는 지하수 생활용수 및 먹는 물 수질기준(10 mg N/L)을 모두 충족하였고, pH 7의 RBZVI1는 생활용수 기준(20 mg N/L) 이하로 질산성 질소를 제거하였다. 따라서, 실제 지하수 조건에서도 영가철로 개질한 바이오차를 질산성 질소 제거에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

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