골탄 제조 공정 최적화를 통한 불소 흡착능 향상에 관한 연구
A study on the improvement of fluoride adsorption capacity through optimization of bone char manufacturing process
- 주제(키워드) 골탄 , 불소 , 흡착
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 신귀암
- 발행년도 2020
- 학위수여년월 2020. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 환경안전공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000029564
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
세계보건기구(WHO)에서는 지하수의 불소 농도를 1.5 mg/L로 정하고 있지만 아프리카 지역의 불소 농도는 10 mg/L 이상이 되는 지역이 많다. 불소로 오염된 지하수를 식수로 장기간 섭취할 경우 불소증이라 불리는 골격기형, 치아 부식증 등과 같은 질병이 나타나고 있다. 지하수 내의 불소를 제거하기 위해 역삼투, 활성탄, 활성 알루미나 등 여러 가지 기술을 사용하고는 있지만 개발도상국이라는 특성상 유지관리하기 어렵거나 경제적 조건이 맞지 않아 지속적으로 사용하기에 무리가 있다. 따라서 상대적으로 저렴하고 유지 관리하기 쉬운 흡착제인 골탄을 사용하고 있다. 하지만 골탄의 가장 큰 문제점은 낮은 불소 흡착능과 처리수에서 탁도의 발생이다. 따라서 본 연구에서는 불소 흡착능을 향상시키고 탁도 제거를 위해 에티오피아 골탄의 제조 공정의 문제점을 찾고 새로운 제조 공정을 제안하였으며, 배치 스케일 테스트와 현지에서의 적용성을 위해 칼럼 스케일 테스트를 실시하였다. 배치 스케일 테스트에서 개량한 골탄과 에티오피아 골탄을 각각 1 g을 5 mg/L, 10 mg/L의 불소 수용액 1 L에 넣고 자테스트를 실시하였다. 불소 초기 농도 5 mg/L에서 개량한 골탄은 3.17 mgF/g, 에티오피아 골탄은 0.729 mgF/g 이었으며 10 mg/L에서는 4.5 mgF/g, 1.52 mgF/g으로 약 3~4배 정도의 흡착능에 차이를 보였다. 탁도는 개량한 골탄은 1.34 NTU, 에티오피아 골탄은 14.6 NTU로 큰 차이를 보였다. 개량한 골탄의 불소 흡착능 향상과 탁도 저하의 원인을 규명하기 위해 SEM-EDS, XRD, BET를 통해 물리 ∙ 화학적 특성을 분석한 결과 유기물과 비표면적의 영향으로 밝혀졌다. 칼럼 스케일 테스트에서는 최대 불소 흡착능은 EBCT 2.5분의 경우 개량한 골탄은 1.102 mgF/g, 에티오피아 골탄은 0.269 mgF/g 이었고, EBCT 13분의 경우 1.925 mgF/g, 0.615 mgF/g으로 차이를 보였다. 경쟁 이온은 5 mg/L의 불소수용액에 CaCO3 300 mg/L , 100 mg/L 와 Cl 300 mg/L, 200 mg/L를 넣어주었다. 그 결과 골탄의 불소 흡착 효율에 영향은 미비했다. 결과적으로, 본 연구의 결과는 새로운 제조 공정으로 개량한 골탄은 에티오피아 골탄보다. 처리수에서 탁도의 발생을 현저히 줄였으며 약 4배의 불소 흡착능을 향상시켰다. 또한 지하수 내의 경쟁 이온의 영향은 미비하므로 불소를 효율적으로 흡착할 수 있으며 골탄에 파과까지의 시간을 늘림으로써 더 많은 처리수를 생산할 수 있어 경제성까지 향상시켰다.
more초록/요약
Although WHO specifies the tolerable fluorine concentration of groundwater to be 1.5 mg/L, a lot of places in Africa show over 10 mg/L in fluorine concentration of groundwater. If people take the fluorine-contaminated groundwater as a drinking water for long time, skeletal deformity or dental caries, which are called the fluorosis, typically appear. Various measures such as reverse osmosis, activated charcoal, activated alumina, etc. were used to eliminate the fluorine within groundwater. However, it is not easy for the developing countries in their nature to consistently use those measures due to the difficulties in maintenance and administration or the inappropriate economic conditions. Therefore, they are mostly using the bone char, which is a relatively cheap and easy solution to perform maintenance and administration, as an absorbent. The biggest problems of the bone char, in this case, are low efficiency in fluorine adsorption and occurrence of turbidity in treatment water. In this context, this study identified problems in production process of the bone char in Ethiopia and proposed a new production process in order to improve the fluorine adsorption efficiency and eliminate the turbidity. Moreover, to measure this study conducted not only a batch scale test for measuring the level of enhancement in the fluorine adsorption efficiency and turbidity by such a changed process but also a column scale test for a local adaptability. In a batch scale test, the jar-tests were performed by adding 1g of the improved bone char and the conventional bone char from Ethiopia each into the 1L solution having fluorine of 5 mg/L and 10 mg/L, respectively. From the initial fluorine concentration of 5 mg/L, the improved bone char exhibited 3.17 mgF/g and the conventional bone char from Ethiopia exhibited 0.729 mgF/g, in case of 10 mg/L, 4.5 mgF/g and 1.52 mgF/g were shown, respectively, indicating about 3~4 times differences in fluorine adsorption efficiency. Regarding a turbidity, the improved bone char showed 1.34 NTU and the conventional bone char from Ethiopia showed 14.6 NTU, indicating a significant difference. SEM-EDS, XRD, and BET were conducted to elucidate the root causes of increased fluorine adsorption efficiency and lowered turbidity in the improved bone char, and the root causes of such changes were organisms and specific surface area. In a column scale test, the maximum fluorine adsorption capacity was 1.102 mgF/g for the improved bone cahr at 2.5 minutes for EBCT and 0.269 mgF/g for the Ethiopian bone char, and 1.925 mgF/g and 0.615 mgF/g for the EBCT 13 minutes. As the competing ions, 300 mg/L and 100 mg/L in CaCO3 as well as 300 mg/L and 200 mg/L in Cl were added into the 5 mg/L fluorine solution. In result, no significant impact was shown in the fluorine adsorption efficiency for the bone char. In conclusion, the results of this study revealed that the improved bone char with a new production process significantly reduced an occurrence of turbidity in the treatment water and improved the fluorine adsorption efficiency about 4 times compared to the conventional bone char from Ethiopia. In addition, since the impact by competitive ions is insignificant in the groundwater, the fluorine can be efficiently absorbed and it was able to secure an economic benefit because more treatment water can be produced by extending the time for breakthrough in bone char.
more목차
Ⅰ. 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구의 목적 3
Ⅱ. 이론적 고찰 4
1. 지하수 4
1.1 아프리카의 지하수 현황 4
1.2 지하수 수질 4
1.3 불소에 의한 오염 6
1.4 지하수 오염 원인과 위해성 8
1.5 지하수 내의 불소 제거 기술 10
2. 불소 11
2.1 불소 특성 11
2.2 불소 산출 현황 12
2.3 불소와 같은 음이온류 측정 방법 13
3. 흡착 14
3.1 흡착의 정의 14
3.2 흡착의 종류 14
3.3 다양한 종류의 흡착제의 특성 15
4. 골탄 17
4.1 골탄의 정의 17
4.2 골탄의 특성 17
4.3 골탄의 불소 흡착 메커니즘 19
4.4 에티오피아 골탄의 제조 공정 20
4.4.1 에티오피아 골탄 제조 공정의 문제점 21
Ⅲ. 재료 및 방법 22
1.1 골탄의 제조 22
1.2 불소 유입수 제조 23
1.3 불소 농도 측정 방법 23
Ⅳ. 실험 결과 및 고찰 25
1. 골탄의 물리적 화학적 표면 특성 분석 25
1.1 SEM-EDS 25
1.2 XRD 28
1.3 BET 29
2. Batch-Scale 실험 31
2.1 탄화 온도 변화에 따른 개량한 골탄의 최대 불소 흡착 효율과 탁도의 영향 32
2.2. 불소 초기 농도 변화에 따른 흡착 효율 34
2.3 SEM을 이용한 처리수의 탁도 원인 분석 36
3. Column-Scale 실험 38
3.1 불소의 초기 농도 변화에 따른 흡착 효율과 처리수의 양 40
3.2. 유속 변화가 불소의 흡착에 미치는 영향 44
3.3 Bed Volume에 따른 골탄 분석 46
3.4 경쟁 이온이 골탄의 불소 흡착에 미치는 영향 48
4. 고찰 51
Ⅴ. 결론 53
Ⅵ. 참고문헌 54
Abstract 60
