Transcript 7.Pcycle(가천대)

녹조 방지를 위한 효과적이고 경제적인 인 회수 기술
Department of BioNano Technology, Gachon University, Gyeonggi-do 461-701, Korea
[P cycle] Song Eun Lim, Solmin Jung, Hanna Jeon, Young-Chul
*
Lee
Introduction
Cause of Water-Bloom
Damage caused by Water-Bloom
Limitation & Purpose of Sewage Treatment
<하수 처리과정의 한계>
우리나라의 경우 6월, 수온이 높아지고,
유속이 느려짐에 따라 녹조가 증가함.
• 하수처리시설이라는 대규모 시설을 통해야 정제가
가능함.
• 인을 선택적으로 제어할 수 없음.
• 슬러지로 만들어진 인은 재사용이 힘듦.
녹조의 발생원인은 강의 부영양화 때문.
(부영양화는 물속에 인과 질소가 많은 상태)
증가한 녹조는 부패 시 대량의 이산화탄소
와 메탄가스를 발생시키는데, 이는 악취를
일으킬 뿐 아니라 용존산소량을 감소시켜
물고기의 집단 폐사의 원인이 됨.
부패한 녹조와 남조류로부터 기인하는
독성 물질은 물을 오염시켜 식수는 물론
농업수로도 이용을 힘들게 만듦.
<과제목표>
이러한 부영양화가 녹조 증가에 영향
(인과 질소가 DNA 합성의 주된 물질로
이용되기 때문.
특히, DNA 합성 정도는 인의 양에
가장 큰 영향을 받음.)
• 인 제거를 위한 흡착제 제작
-인의 제거를 통해 녹조 발생을 미연에 방지
• 회수된 인을 이용한 액체 농축비료 생산
-흡착제에 붙은 인을 다시 분리하여 액체 비료로
재활용.
Experiments & Results
흡착제 선정
재료 선택의 이유
결과
Heated oyster shell powder
(AIr 조건)
300, 500, 700, 900도의 조건에서 열처리를 통해 CaCO3에서 CO2가
생겨 빠져나가며, 다공성 물질이 만들어질 것으로 예상
인 흡착 효능이 전혀 없음
Heated coffee waste
(Ar gas 조건)
300, 500, 700, 900도의 조건을 통해 숯과 같은 흡착 기능이 있는
Bio-char가 만들어질 것으로 예상
인 흡착 효능이 전혀 없음
Lanthianum (La2O3)
양이온기 입자를 이용해 전정기적 인력으로 인 흡착
인 흡착이 가능
Mg aminoclay
아미노기를 가지고 있는 점토를 활용하여
전정기적 인력을 통해 인을 흡착
인 흡착이 되지만, 점토가
물에 녹아 회수가 어려움
아미노기를 가지고 있는 점토를 활용하여
전정기적 인력을 통해 인을 흡착
인 흡착이 되지만, 점토가
물에 녹아 회수가 어려움
FeCl3와 MgCl2를 Coffee waste 와 함께 열처리 하여 성질 변화
정전기적 인력을 통해 인을 흡착
인 흡착이 되며, 자성을
띄기 때문에 회수에 용이함
Fe-SH aminoclay
MgO-Fe2O3-biochar
(4% H2/96% Ar gas 조건)
Experiment Method
1. 3 ppm의 인 용액 10 mL에 흡착제를 0.005 g, 0.01 g,
0.02 g 넣는다.
2. 24 시간 기다린 후 상층액을 5 mL 빼낸다.
3. 5 mL의 상층액에 Ascorbic acid method 의 combined
reagent를 넣고 1시간 30분 후 880 nm에서 흡광도를 측
정한다.
4. 미리 만들어 놓은 phosphate calibration curve와 비교 하
여 인의 농도를 산출한다.
5. 효능이 좋은 재료는 0.5 ppm의 인 용액에서 다시 흡착률
을 평가한다.
6. 인 농도 측정은 세 개의 동일한 실험으로부터 평균을 냄.
Ascorbic acid Method
SEM Image
Water-Bloom State of River
ammonium molybdate (NH4)6Mo7O24·4H2O)
+
antimony potassium tartrate (K(SbO)C4H4O6·½H2O)
+
묽은 orthophosphate
1시간
30분
colored antimony-phospho-molybdate complex
녹조가 발생한 강의 모습으로 인의 농도를 측정한 결과 한강과
영산강은 각각 0.463 ppm, 0.518 ppm의 농도를 나타냈다.
3일
4% H2/96% Ar 가스 조건 하에서
400도에 가열한 MgO-Fe2O3-biochar
는 Fe3+의 성질로 인해 자성을 띈다.
이러한 성질은 이후 인의 수거에 용
이하게 이용될 것으로 판단된다.
water
액체 농축비료의 독성을 확인하기 위해 제작된 MgOFe2O3-biochar와 Fe-SH aminoclay의 성분이 섞여있는 인
용액 10 ppm, 5 ppm, 2.5 ppm을 각각 무순에 주어 독성
을 평가하였다.
왼쪽에 나열된 sample은 MgO-Fe2O3-biochar , 오
른쪽의 sample은 Fe-SH aminocly가 섞인 액체
농축비료이다.
10ppm
위의 사진은 Fe-SH aminoclay, 아래는 MgO2-Fe2O3-biochar를 보여준다.
4일
Adsorption efficiency of Fe-SH aminoclay, MgO-Fe2O3-aiochar
3 ppm phosphate solution
5ppm
0.5 ppm(Han, Youngsan River) phosphate solution
3.5
0.6
3.0
MgO-Fe2O3-biochar
MgO-Fe2O3-biochar
Fe-SH aminoclay
Concentration (ppm)
Concentration (ppm)
-complex의 흡광도는 880
nm에서 측정된다.
Germination Test
Magnetism of MgO-Fe2O3-biochar
Coefficients:
b[0] -0.0482099533
b[1] 0.5742591602
r ² 0.9989831265
-Colored antimony-phosphomolybdate complex는
ascorbic acid 에 의해 파란
색을 띤다.
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
MgO-Fe2O3biochar
Fe-SH aminoclay
2.5ppm
Fe-SH
aminoclay
• 무순은 5 ppm 농도의 인 조건에서 가장 잘 자
라는 것을 알 수 있음.
• 10 ppm 농도의 인 조건에서는 무순이 잘 자라
지 못함.
• MgO-Fe2O3-biochar 인 농축비료를 준 무순이
가장 잘 자람.
0.4
MgO-Fe2O3-biochar
Fe-SH aminoclay
6
5
0.3
4.5
5
4
0.2
0.5
3.5
4
3
0.1
0.05
0.10
0.15
Adsorbed mass (g)
0.20
0.25
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
cm
0.00
10ppm
10ppm
5ppm
3
Adsorbed mass (g)
• 위 시료들 중 Fe-SH aminoclay와 MgO-Fe2O3-biochar가 효능이 우세하여 선정.
• 3 ppm의 인 용액 10 mL에 0.01 g, 0.05 g, 0.1 g, 그리고 0.2 g의 시료를 넣어 Ascorbic acid method를 통해 얻은 흡광도 값을 phosphate
calibration curve식에 넣어 인의 양을 측정.
• 측정 결과 3 ppm 인 용액은 1 ppm아래로 인 농도가 떨어졌으며, 녹조가 발생하는 강의 농도인 0.5 ppm의 인 용액으로 더 정밀한 실험
결과, 0.2 ppm 아래 값을 나타냄.
2.5ppm
water
2
cm
0.0
5ppm
2.5
2.5ppm
2
water
1.5
1
1
0.5
0
0
2일
3일
4일
2일
3일
4일
Conclusion & Recommendation
여섯 가지의 시료 중 굴 껍데기 가루와 커피 찌꺼기를 열처리한 시료는 흡착 성능을 보이지 않았으며, Fe-SH aminoclay, MgO-Fe2O3-biochar가 가장 뛰어난 흡착 성능을 보였다. 액체 농축비료로 이용을 위해 인이 흡착된 흡착제에 황산
(H2SO4) 처리한 결과 MgO-Fe2O3-biochar는 인의 탈착 현상이 잘 일어나는 반면에 Fe-SH aminoclay는 산에 녹았다. 이는 아민 그룹의 양성화에 의해 delamination (박리)현상이 일어나 물에 녹은 것으로 보이며, -SH기를 늘려줌으로써 해결
이 가능할 것으로 보인다. MgO-Fe2O3-biochar는 또한 비교적 강한 자성도 띄었는데, 이러한 성질은 인의 수거에 굉장히 유용할 것으로 보이며, MgO-Fe2O3-biochar가 가장 적합한 흡착제라 판단된다. 발표된 자료에 따르면 녹조가 발생
하는 인의 최소 농도는 약 0.1 ppm이며, 본 실험을 통해 강물의 농도가 0.1 ppm 까지 낮아지는 것을 확인하였다. 하지만 실제로는 강물의 인 농도가 0.1 ppm 이하로 낮아지더라도 녹조가 발생하는 모습을 볼 수 있었는데, 그 원인은 강
의 상류에서 녹조가 지속적으로 유입이 되기 때문이라 추측된다. 이러한 문제를 방지하기 위해서 초점을 맞추어야 할 부분은 강에서의 녹조 제거가 아닌 하수처리 과정에서의 1차적 인 제거이다. 이러한 과정을 통해 흡착된 인은 농
축을 통해 액체 농축비료로써 이용이 가능하다. Germination test를 통해 인 농축비료가 식물 성장에 미치는 영향을 확인하였다. 인 농축비료는 인광석 고갈 문제를 해결할 수 있을 것으로 보인다. 아직은 실험실 규모에서 진행된 실험
이지만 추후 scale-up 실험을 진행할 것이고, 이로부터 인 흡착제의 하수 처리 과정에서의 도입과 농업용 액체비료로써의 활용이 기대된다.
1.
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3.
4.
5.
6.
Reference
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