환 경 화 학

(1)

환 경 화 학

(Environmental Chemistry)

충북대학교 환경공학과

담당교수: 임동희 교수, E8-10동 803호 E-mail: limkr@cbnu.ac.kr

(2)

충북대학교 환경공학과 환경화학 (Environmental Chemistry), 임동희 2

학습 목표

6장 물 오염물질과 물 오염 (On-line class: Ch.6-1)

 수질 오염 지표: pH(수소이온지수) 계산

 중요 개념 정리

(3)

수질오염지표

① 화학적 지표

: pH, DO, BOD, COD, TOC, TOD, 산도, 알칼리도, 독성물질 등

②물리적 지표

: SS, 탁도, 색도, 온도 등

③생물학적 지표

: 병원균, 대장균군 등

(4)

1. pH(수소이온지수)

 중요성

① 수질의 산이나 알칼리의 강도를 파악한다

② 생물학적 폐수처리의 중요한 환경인자이다

③ 정수과정에서 약품주입량의 결정과 작업의 적합여부를 판단할 수 있다

 pH 계산 종류

Case I: 100% 완전 해리 용액  강산, 강염기 Case II: 약산, 약염기 용액(일부 해리)

Case III: 액성혼합  서로 다른 pH 용액을 혼합

① 같은 액성

② 다른 액성

③ 중화 적정

(5)

Case I: 100% 완전 해리 용액  강산, 강염기

문제1) 수산화칼슘(Ca(OH)

₂

) 200mg/L 용액의 pH? (완전해리)

(6)

Case II: 약산, 약염기 용액(일부 해리)

문제1) 수산화암모늄(NH

₄

OH) 140 mg/L 5% 해리될 때, 용액의 pH?

(7)

문제2) CH

₃

COOH 300 mg/L 용해될 때 용액의 pH?

(8)

문제2) CH

₃

COOH 300 mg/L 용해될 때 용액의 pH?

 적절한 가정 수립 후 계산 간략화

앞서 계산식에서

(9)

환 경 화 학

(Environmental Chemistry)

(10)

학습 목표

6장 물 오염물질과 물 오염 (On-line class: Ch.6-2)

 수질 오염 지표: pH(수소이온지수) 계산

 중요 개념 정리

Case I: 100% 완전 해리 용액  강산, 강염기 Case II: 약산, 약염기 용액(일부 해리)

Case III: 액성혼합  서로 다른 pH 용액을 혼합

① 같은 액성

② 다른 액성

③ 중화 적정

(11)

Case III: 액성혼합  서로 다른 pH 용액을 혼합

(i) 같은 액성 / (ii) 다른 액성 / (iii) 중화 적정

(1) 같은 액성: (산+산 또는 염기+염기)

물질 수지: N ₁ V ₁ + N ₂ V ₂ = N ₃ (V ₁ +V ₂ )

• 노말농도 용질의 당량수

용액

•

당량수(equivalent, eq)

화학반응 할 수 있는 개수 의미

= 반응물의 무게(g)/당량무게(g/eq)

(12)

문제1) H

₂

SO

₄

300 mg/L + HCl 100 mg/L 용액의 pH?

Case III: 액성혼합 (1) 같은 액성

(13)

₁

V

₁

– N

₂

V

₂

= 0

문제1) 0.01% HCl 100 m

³

를 중화 처리하려면 4% NaOH 몇 m

³

필요한가?

(단, 두 용액의 비중은 1.0으로 가정)

(16)

환 경 화 학

(Environmental Chemistry)

(17)

학습 목표

6장 물 오염물질과 물 오염 (On-line class: Ch.6-3)

 완충 용액 개념 및 Henderson-Hasselbalch Eq.

 용존 산소 및 산소전달속도

 중요 개념 정리

(18)

2. 완충 용액

•

산이나 염기를 가해도 그 용액의 수소 이온 농도(pH)가 크게 바뀌지 않는 용액

• 산 완충액은 약산과 그 약산의 짝염기의 염으로 조제한다

CH₃COOH  CH₃COO^‒ + H⁺ (부분해리) CH₃COONa



CH₃COO^‒ + Na⁺ (완전해리)

 염(salt) – 양이온과 음이온이 정전기적 인력으로 결합하고 있는 이온성 물질의 화합물

(19)

2. 완충 용액

• 산이나 염기를 가해도 그 용액의 수소 이온 농도(pH)가 크게 바뀌지 않는 용액

• 산 완충액은 약산과 그 약산의 짝염기의 염으로 조제한다

CH₃COOH  CH₃COO^‒ + H⁺ (부분해리) CH₃COONa  CH₃COO^‒ + Na⁺ (완전해리)

(20)

<완충 용액 pH 계산>

Henderson-Hasselbalch equation (헨더슨-하셀바흐 식)

(21)

(문제1) CH₃COOH와 CH₃COOK로 pH 5인 완충액을 만들려면 각각 어떤 비로 취하면 되겠는가?

(단, K_HAc = 1.8 10^‒⁵)

(22)

3. 용존 산소(DO: Dissolved Oxygen)

정의

① 수중에 용존 되어 있는 산소량

② 용존산소 농도(mg/L)는 평형상태의 농도 아님

③ 산소의 용해도에 의해서 제한된 상태의 농도 중요성

① 유기물 생물학적 분해의 중요 지표  호기성 미생물 호흡대사를 지배 DO 증가요건

① 유기물 함량 낮을 수록, 오염도가 낮을 수록

② 조류에 의한 동화작용이 왕성할 수록 (CO₂ + H₂O  CH₂O + O₂)

③ 낮에 증가, 수심이 얕고, 유속 빠른 곳 산소의 용해도

① 순수한 물 20 의 포화용존산소량 = 8.84mg/L, 0 = 14.16 mg/L

② 수온 낮을 수록, 산소 분압이 높을 수록 용해도 증가

(빛)

(23)

3. 용존 산소(DO: Dissolved Oxygen)

산소전달속도

① 기포가 작을 수록, 교반 강도가 클 수록 커진다.

② 수중의 용존 산소 농도가 낮을수록 크다.

③ 공기중의 산소 분압이 낮아지면 감소한다.

• dO/dt: 시간에 따른 용존산소농도 변화(mg/(L.hr))

• K_La: 산소전달계수(1/hr)

• C_s: 포화산소농도(mg/L)

• C: 물속의 용존산소농도(mg/L)

• α, β: 상수

(문제1) 20 하천수에 있어서 바람에 의한 DO 공급량이

0.02mgO₂/(L day)이며, 이 강은 항상 DO 농도가 5mg/L 이상 유지 되어야 한다면, 이 강의 산소전달계수(1/hr)는? (단,

α, β

는 무시하

(24)

(문제1) 20 하천수에 있어서 바람에 의한 DO 공급량이 0.02mgO₂/(L day)이며, 이 강은 항상 DO 농도가 5mg/L 이상 유지되어야 한다면, 이 강의 산소전달 계수(1/hr)는? (단,

α, β

는 무시하고, 포화 DO는 9.17mg/L)

(25)

(문제2) 어떤 물의 수중 용존 산소 농도를 10mg/L에서 4mg/L로 낮출 경우 액상으로의 산소이전 속도는 어떻게 달라지나? (단, 이 물의 포화용존산소 농도 는 12mg/L)

환 경 화 학

환 경 화 학

(Environmental Chemistry)

학습 목표

6장 물 오염물질과 물 오염 (On-line class: Ch.6-1)

 수질 오염 지표: pH(수소이온지수) 계산

 중요 개념 정리

수질오염지표

① 화학적 지표

②물리적 지표

③생물학적 지표

1. pH(수소이온지수)

 중요성

 pH 계산 종류

Case I: 100% 완전 해리 용액  강산, 강염기

문제1) 수산화칼슘(Ca(OH)

) 200mg/L 용액의 pH? (완전해리)

Case II: 약산, 약염기 용액(일부 해리)

문제1) 수산화암모늄(NH

OH) 140 mg/L 5% 해리될 때, 용액의 pH?

문제2) CH

COOH 300 mg/L 용해될 때 용액의 pH?

문제2) CH

COOH 300 mg/L 용해될 때 용액의 pH?

 적절한 가정 수립 후 계산 간략화

환 경 화 학

(Environmental Chemistry)

학습 목표

6장 물 오염물질과 물 오염 (On-line class: Ch.6-2)

 수질 오염 지표: pH(수소이온지수) 계산

 중요 개념 정리

Case III: 액성혼합  서로 다른 pH 용액을 혼합

(i) 같은 액성 / (ii) 다른 액성 / (iii) 중화 적정

(1) 같은 액성: (산+산 또는 염기+염기)

물질 수지: N 1 V 1 + N 2 V 2 = N 3 (V 1 +V 2 )

•

문제1) H

SO

300 mg/L + HCl 100 mg/L 용액의 pH?

Case III: 액성혼합 (1) 같은 액성

문제2) pH

= 10 용액 200 mL와 pH

= 8인 용액 50 mL 혼합 시 pH?

Case III: 액성혼합 (1) 같은 액성

해법1) 해법2) 해법3)

해법4)

( ? )

( ? )

( ? )

문제1) 0.01 N HCl 100 mL + 0.02 N NaOH 200 mL 혼합 시 pH?

Case III: 액성혼합 (2) 다른 액성(산+염기)

반응 후 중화되고 남은 양 계산: N

V

– N

V

= N

(V

+V

)

Case III: 액성혼합 (3) 중화 적정

반응 후 중화되고 남는 양이 없음: N

V

– N

V

= 0

문제1) 0.01% HCl 100 m

를 중화 처리하려면 4% NaOH 몇 m

필요한가?

(단, 두 용액의 비중은 1.0으로 가정)

환 경 화 학

(Environmental Chemistry)

학습 목표

6장 물 오염물질과 물 오염 (On-line class: Ch.6-3)

 완충 용액 개념 및 Henderson-Hasselbalch Eq.

 용존 산소 및 산소전달속도

 중요 개념 정리

2. 완충 용액

•



2. 완충 용액

물질 수지: N ₁ V ₁ + N ₂ V ₂ = N ₃ (V ₁ +V ₂ )

Case III: 액성혼합 ^{(1) 같은 액성}

Case III: 액성혼합 ^{(3) 중화 적정}