환 경 화 학

환 경 화 학

(Environmental Chemistry)

충북대학교 환경공학과

담당교수: 임동희 교수, E8-10동 803호

E-mail: limkr@cbnu.ac.kr

학습 목표

7장 용존 물질 제거 (On-line class: Ch.7-1)

 Membrane Process

 Gas Transfer Process



중요 개념 정리

용존 물질 (Dissolved species) 제거

환경공학 처리공정의 대부분의 목적은 용존 고형 물질 제거 

자연수계에서 용존 물질의 다양한 제거 기작은 상당부분 유사한 형태로 진행 

 산화/환원(Oxidation/Reduction) (“Conversion”)

 흡착(Adsorption) (“Removal”)

 멤브레인(Membranes) (“Removal”)

 Gas Transfer (“Removal”)

 침전(Precipitation) (“Removal”)

산화/환원 처리방법은 유해화합물을 다소 덜 유해한 또는 무해한 화합물로 전  화시키거나 또는 파괴시키는 프로세스

따라서, 산화/환원을 통해 처리된 물질들은 다른 처리방법에 비해 상대적으로  적은 문제를 일으킨다.

III. Membrane Processes

 멤브레인 방법들이 수처리 및 폐수처리 공법에 활발히 적용되고 있음

 장점: 다양한 크기의 오염물질들(분자, 이온, 입자, 병원균)을 제거 가능

 제거원리: 특정한 물질들을 통과하는 투과성(permeability)의 차이

 Driving forces: 농도, 압력, 전기장의 차이

 Objectives

 멤브레인 제거 기작에 대한 원리 이해

 역삼투압(Reverse osmosis, RO) 멤브레인에 대한 이해

1) Driving Forces (제거원리 원동력/기작)

멤브레인의 양쪽 면에서 일어나는 물질의 분리 현상을 유도하는 힘

 압력 차이(Pressure gradient)

 농도 구배(Concentration gradient)

 전기적 포텐셜 차이(Electrical potential gradient)

환경공학적 응용분야에서 대부분 사용되는 제거원리 기작

 Filtration (체거름) 또는 Diffusion (확산) 원리에 의한 분리

 멤브레인에 물은 통과시키고, 용질(Solute)은 배제시킴

 정역학적 압력 차이로 인해 야기됨(hydrostatic pressure difference)

Pr essure Gradient Systems (압력 차이에 의한 제거 기작)

h ydrostatic pressure difference (정수압 차이)

Pre ssure Gradient Systems

유입수(Feed): 멤브레인에 유입되는 흐름 • 투과액(Permeate): 멤브레인을 통과한 흐름 •

농축액(Retentate): 멤브레인을 통과하지 못한 흐름 • 농축수(Concentrate) •

투과수(Filtrate) •

Reverse osmosis (역삼투압) – 0.1 nm 정도의 입자 제거  확산에 의한 제거 Nanofiltration – 1 nm 정도 입자 제거  확산에 의한 제거

Ultrafiltration – 10 nm 이상의 입자 제거  체거름에 의한 제거 Microfiltration – 100 nm 이상의 입자 제거  체거름에 의한 제거

비용증가

종 류와 비용

이온의 전기적 이동(Electrical migration)을 야기시키기 위해, 전기장(Electric field, DC voltage)을 흘려보내줌  Driving force는 전압의 차이(∆V)

음의 전하(-)를 가진 이온은 Anode (+) 극으로, 양의 전하(+)를 가진 이온은 Cathod (-) 극 쪽으로 이동된다

오직 이온들에 대해서만 분리가능, 중성적 분자 또는 병원균 분리 안됨

Elec trical Potential Gradient Methods (전기적 포텐셜 차이에 의한 제거 기작)

Cathod (-)극

Anode (+)극

Anion-exchange membrane

Anion-exchange membrane Cation-exchange membrane Cation-exchange membrane

Demineralized product

Concentrate

Concentrate

∆V

“음이온을 통과 시키는 멤브레인”

“양이온을 통과 시키는 멤브레인”

3) Reverse Osmosis (RO) (역삼투압 멤브레인)

역삼투압 막은 용매(Solvent)를 투과시킬 수 있는 막이며, 분리시키는 힘은 압력  역삼투압 막 사용의 성공여부를 결정짓는 중요한 압력은 미네랄이 포함되어 있  는 용액의 삼투압(Osmotic pressure)

삼투압의 원리 

[두 개의 셀로 구성된 장치는 semi-permeable 막으로써 분리되어 있으며 각각 의 셀에는 소금물과 순수한 물이 채워져 있는 상황]

 순수한 물이 채워져 있는 셀로부터 소금물이 채워져 있는 셀로 물이 이동

 물의 농도가 균일되기 위해 이동되는 현상

 물의 이동/확산으로 인해, 소금물 셀의 용액 부피와 물의 수두가 높아진다

 따라서, hydrostatic head (정역학적 수두) 차이가 발생됨

RO 시스템의 작동 원리

Fresh Saline

Osmosis

역 삼투압 시스템 작동원리

물의 이동/확산으로 인해, 소금물 셀의 용액 부피와 물의 수두가 높아진다

 따라서, hydrostatic head (정역학적 수두) 차이가 발생됨

 수두차이로 인해 물의 방향이 다시 반대 방향(순수한 물 셀)으로 이동

 결국, 시스템은 물의 확산과 수두차에 의한 포텐셜 사이의 평형을 이룸

 최종 평형을 이루도록 하는 압력수두: osmotic pressure of the solution 삼투압보다 큰 압력을 주면 물의 방향이 왼쪽으로 이동  역삼투압

Fresh Saline Fresh Saline Fresh Saline

Osmosis Osmotic equilibrium Reverse osmosis

수두



IV. Gas Transfer Processes

환경공학적 오염물질 처리기법에서 가스를 물에 녹이는 기술 또는 휘발성인 물질을  물로부터 제거(Remove, Strip)하는 목적

 gas-liquid equilibrium (가스-액체 평형)

 gas mass transfer (가스질량 이동) 다양한 환경공학적 응용 예 

1) 약산성/약염기 물질의 용해도

암모니아(NH₃)의 pH에 따른 용해도의 특성 

 폐수로부터 암모니아를 제거(Stripping)하는 것은 nitrogenous 산소요구량을 줄일 수 있는 중요한 일

(Nitrogenous oxygen demand – 질소물질을 산화하기 위해 필요한 산소요구량 = NBOD)

chloramine

앞서 언급한 가스들(예: O₂, N₂, CO)과 많은 유기오염물질들(예: TCE, MTBE, benzene)은 pH에 따라 물에서의 용해도(Solubility)가 변하지 않는다

하지만, 환경공학적으로 중요한 일부 가스들(예: CO₂, NH₃, SO₂, H₂S)들은 pH에 따른 용해도의 영향이 상당히 크다  약산성 또는 약염기 물질

평형상수 (K

)  산분해 상수(Acid dissociation constant)

• NH₃ (ammonia)  휘발성 성분

• NH₄⁺ (ammonium)

NH₄⁺ ⬌ NH₃ + H⁺

[H⁺] = 10^–9.3 mol/L  pH = 9.26 일 때 [NH₃] = [NH₄⁺]

pH

화학종분율(%) NH₄⁺ NH₃

환경공학적 목적1: 암모니아(NH

 휘발성을 가진 NH₃ 형태일 때 제거 효율이 가장 높을 것임

 따라서, pH 9.3 이상일 때의 조건 유지 필요

 Air stripping 공법 처리 전/후, pH의 조정이 필요함

pH에 따른 암모니아 분포도

pH

화학종분율(%) NH₄⁺ NH₃

환 경공학적 목적2: NH

( 예: Chloramine 소독 공정: Cl₂와 NH₃ 가스가 함께 주입됨으로써 Chloramine 생성)

Ammonium (NH₄⁺) 형태로 존재 시 더 유리함: Why? 

 물의 총 암모니아 흡수능 알아보자

. (6)

i) NH_3,T가 상수가 아니다

(pH에 따라 총량이 변한다)

ii) 암모니아의 공급원은 가스로 부터 물속으로 전달

iii) P_NH3 값은 알고 있다

(암모니아의 가스 부분압력) 가정 내용:

Henry’s Law에 따르면, 수중의 NH₃ 농도는 NH_3(g)의 부분압과 Henry’s  constant에 의해 결정

따라서, 식(10)을 식(9)에 대입하여 정리하면 

물의 암모니아(NH_3,T) 흡수능을 높이기 위해서는 [H⁺] 농도 높여야 함  (pH를 낮추어야 함)

따라서, pH < 9.3 

만약, 약산성의 가스에 대해서 위와 동일한 방법을 적용한다면, 처리방  법은 약염기 가스와 반대의 경향을 나타내면 된다.

약산성 및 약염기 가스 처리시 필요한 pH 조건은 다음과 같다  (10)

, (11)

pH Conditions Favoring Gas Transfer

Operation

Stripping Absorption Weak Base High pH Low pH Weak Acid Low pH High pH

 환경공학적으로 중요한 약산성 가스들:

 Carbon dioxide (CO₂)

 Sulfur dioxide (SO₂)

 Hydrogen sulfide (H₂S)

예 제문제

At pH=7 ([H⁺]=10^-7 mol/L)

총 암모니아 용해도는 pH < 9.3 일때 급격히 증가함을 알 수 있다

(So lution)

모니아 가스 분압(P_NH3)이 10^–4 atm인 대기와 평형을 암 루고 있는 물에서의 pH 7, 10, 11일 때의 암모니아 이 해도를 비교하시오. 용

식 (9)에서

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[NaOH] = 10 ^–4 M

다 음의 경우일 때 물의 pH 계산 하시오.

H

Cl] = 10 ^–4 M

[NaOH] = 10 ^–4 M

다 음의 경우일 때 물의 pH 계산 하시오.

H Cl] = 10 ^–4 M

[10^–4]

[10

]

[NaOH] = 10 ^–4 M

다 음의 경우일 때 물의 pH 계산 하시오.

H Cl] = 10 ^–4 M

[10^–4]

[10

] [10

]

•

•

[NaOH] = 10

M

다 음의 경우일 때 물의 pH 계산 하시오.

H Cl] = 10

M

[10^–8]

[10

] [10

]

•

•

N aOH] = 10

M

다 음의 경우일 때 물의 pH 계산하시오.

[10^–4] [10^–4]

N aOH] = 10

M

다 음의 경우일 때 물의 pH 계산하시오.

[10^–4] [10^–4]

풀이 가정:

해답:

검증: OK!

N aOH] = 10

M

다

음의 경우일 때 물의 pH 계산하시오.

N aOH] = 10

M

다 음의 경우일 때 물의 pH 계산하시오.

풀이 가정:

해답:

검증:

X

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소 비된 BOD 및 잔존 BOD 계산

Time (d)

유기

물량 (

L)

L

: 분해되기 전 최초 유기물량

소 비된 BOD 및 잔존 BOD 계산

Time (d) 5 day

L

물량 (

L)

L

: 5일 후 잔존 유기물량

소 비된 BOD 및 잔존 BOD 계산

B OD

Time (d) 속 유기물량 지표 = 산소 소모량 물

5 day

BOD

 최종 BOD

 물 속 모든 유기물량^{(생물학적 분해)}

 L₀ (분해되기 전 최초 유기물량)

소 비된 BOD 및 잔존 BOD 계산

B OD

Time (d)

물 속 유기물량

5 day

BOD

 최종 BOD

 물 속 모든 유기물량^{(생물학적 분해)}

 L₀ (분해되기 전 최초 유기물량)