실험 및 밀도범함수이론을 이용한 질소, 인 저감 효과 분석을 위한 여재의 흡착 특성 연구

• 영문명: The investigation of adsorption properties of filter media for removal efficiency of nitrogen, phosphorus using experimental and density functional theory
• 발행기관: 한국습지학회
• 저자명: 김태윤(Taeyoon Kim) 권용주(Yongju Kwon) 강충현(Choonghyun Kang) 김종영(Jongyoung Kim) 신현석(Hyun Suk Shin) 권순철(Soo
• 간행물 정보: 『한국습지학회지』제20권 제3호, 263~271쪽, 전체 9쪽
• 주제분류: 자연과학 > 지질학
• 파일형태: PDF
• 발행일자: 2018.08.31

국문 초록

생활 하수 및 농축산 폐수를 통한 하천으로의 다량의 질소와 인의 유입은 부영양화를 초래하여 하천 자정작용에 악영향을 끼친다. 본 연구에서는 컬럼 실험을 통한 흡착제(활성탄, 제올라이트, 여과사)의 여재층 높이에 따른 암모니아성 질소, 인산염 제거특성을 분석하고, 밀도범함수이론(density functional theory, DFT)를 바탕으로 한 양자역학적 전산 모사를 통해 흡착제와 암모니아성질소(NH4+)와 인산염(PO43-)에 대한 화학적 흡착 거동을 분석하였다. 컬럼 실험 결과, 암모니아성질소에 대한 제거효율은 제올라이트(95.1%)>활성탄(65.8%)>여과사(10.7%), 인산염의 제거효율은 활성탄(99.6%)>제올라이트(18.8%)>여과사(10.9%) 순으로 나타났다. 제올라이트의 경우, 여재층의 높이에 관계없이 90%이상의 암모니아성 질소에 대한 높은 흡착력을 가졌고, 활성탄의 경우 여재층의 높이가 증가할수록 인과 질소에 대한 높은 흡착효율을 가졌다. DFT를 이용한 흡착제(산화 알루미늄, 활성탄, 여과사)와 영양염류(PO43-, NH4+)에 대한 흡착거동 분석결과, 제올라이트는 암모니아성 질소(NH4+)에 대한 높은 흡착에너지(-6.43 eV)를 가졌다. 활성탄의 경우 여과사보다 좁은 HOMO-LUMO 밴드갭을 가져, 전자 이동에 유리한 환경을 조성하여 높은 흡착에너지(-7.10eV)로 영양염류가 제거되는 것을 확인할 수 있었다.

영문 초록

In this study, we analyzed the removal efficiency of ammonia nitrogen and phosphate dependant on the column depths using various absorbents such as zeolite silica sand, and activated carbon through the column test. In addition, we analyzed electrochemical adsorption behaviors of ammonia nitrogen and phosphate through the quantum mechanical calculation based on density functional theory calculation. Experimental results represent the removal efficiency of ammonia nitrogen and phosphate are zeolite > activated carbon > silica sand, and activated carbon > zeolite > silica sand, respectively. Zeolite shows high adsorption property for ammonia nitrogen over 90%, regardless of the column depth, while activated carbon exhibits high adsorption property for both ammonia nitrogen and phosphate as the column depth for filter media increases. Theoretical findings using DFT calculation for the adsorption behaviors of adsorbents (activated carbon and silica sand) and nutrients (PO4 3-, NH4+) show that activated carbon represented narrower HOMO-LUMO band gap with high adsorption energy, and even more favorable environment for electron adsorption than silica sand, which leads to the effective removal of nutrients.

목차

1. 서 론

2. 연구방법

3. 결과 및 고찰

4. 결 론

키워드

활성탄 제올라이트 여과사 밀도범함수이론 흡착에너지 Activated carbon Zeolite Silica sand Density functional theory Binding energy