전기투석을 이용한 음용수에서 질산성질소의 제거

연경호, 문승현,

광주과학기술원 환경공학과

Removal of nitrate from drinking water by electrodialysis

Kyeong-Ho Yeon, Seung-Hyeon Moon,

Dept. of Environ. Sci. & Eng., K-JIST, Kwangju, Korea

서론

지하수와 음용수에서 질산성 질소의 오염은 중요성이 날로 증가되고 있으며 특히 농작물을 수확하는 지역에서의 질산성 질소의 오염은 공공적인 관심사가 되고 있다. 또한 정책적, 기술적인 해결책들이 강도 높게 논의되고 있다.

주요한 기술적인 대책으로서 주로 이온교환수지, 생물학적 탈질, 그리고 막공법이 질산성 이온농도를 감소시키기 위하여 적용되고 있다. 막공법에서는 주로 전기투석과 역삼투공정이 단독으로 또는 접합공정으로 적용되고 있다. 이온교환수지와 전기투석의 경제성을 비교하면 설치비용과 처리비용면에서 이온교환법이 유리하지만 폐기물 처리비용면에서 전기투석이 유리하여 결국 전기투석이 다소 경제적인 공정으로 보고되었다.[1]. 생물학적 탈질은 다른 두 공정처럼 다른 오염물질을 발생하지는 않지만 미생물을 위한 탄소원으로 에탄올 또는 메탄올을 요구하며 온도에 의한 영향이 매우 크고 운전이 까다롭고 연속적으로 운전해야 하는 단점이 있다. 이에 반하여 전기투석은 운전이 쉽고 자동화가 가능하며 불연속적인 운전과 불연속적인 부하에 상관없이 신뢰성 있는 처리가 가능하다.[2].

음용수중에 포함된 질산성 이온을 전기투석에 의해 제거함에 있어서 기초적인 자료인 한계전류밀도와 본 실험에 적용된 두 음이온교환막의 질산성 이온에 대한 선택성을 분석하기 위한 전기전도도와 셀저항의 변화, 상대적인 Transport number를 실험에 의해 결정하였다.

전기투석의 원리

양이온교환막(C막)은 양이온을 선택적으로 투과시키고 음이온은 투과하기 어렵게 하며 음이온교환막(A막)은 음이온을 투과시키고 양이온은 투과하기 어렵게 한다. 일반적으로 전해조 용액, 예를 들면 NaCl 용액 중에 전극을 설치하고 한쪽을 양극, 다른 한쪽을 음극으로 하여 그 사이에 전위구배를 주면 Fig. 1.에 보인 것처럼[eqn: rm Na^+]는 음극방향으로[eqn: rm Cl^-]는 양극방향으로 이동한다.[eqn: rm Na^+]는 C막을 투과하여 옆의 실로 이동할 수 있지만 A막을 투과하기는 어렵다. 마찬가지로[eqn: rm Cl^-]이온은 A막을 투과하여 옆실로 이동하지만 C막의 투과는 어렵게 된다. 따라서 Fig.1.에 보인 것처럼 제 1과 3실의 용액 중에는 점점[eqn: rm Na^+]와[eqn: rm Cl^-]가 축적되어 농도가 높아지며 제 2와 4실의 용액은 점점 희석된다.[3].

실험 방법

실험에 사용된 전기투석기는 Tokuyama Soda Co.의 TS-2-10 Electrodialyzer로서 일반적인 스택의 구조는 Fig.2.와 같다. 유속은 3.1 □/min 이며 Electrode용액은 6%[eqn: rm Na_2 SO_4]이고 농축조 용액은 0.5%[eqn: rm Na_2 SO_4]이다. 유입원수는 수돗물에

82.2 mg/□[eqn: RM NaNO_3], 49.5 mg/□ NaCl, 247.6 mg/□[eqn: RM MgSO_4], 407.6 mg/□[eqn: RM CaSO_4]를 넣어서 제조하였다. 이온분석은 DX-500 Ion Chromatography(CS 12 4x250 mm, AS 14 4x250 mm)를 사용하여 분석하였다. 전력공급은 HP-IB DC Power Supplies Series 6674A를 사용하였다.

실험 결과

1. 한계전류밀도 측정

이온막을 통하여 직류전류를 흐르게 할 때 막과의 계면에 가까운 용액 중에 탈염된 확산경계층이 형성되는데 전류밀도의 증가와 함께 이 경계층의 탈염도가 증가하는 농도분극현상이 있다. 농도분극이 심해지면 전기저항이 증가할 뿐 아니라 물의 해리가 일어나 pH변화가 생기는 경우가 있는데 전기투석 조작상 여러 가지 문제의 원인이 되므로 농도분극을 일으키는 전류밀도 즉 한계전류밀도를 넘지 않도록 조작하여야 한다.

Fig.3. Current(A) vs. Cell resistivity(ohm)   Fig.4. Current(A) vs. Cell voltage(V)

한계전류밀도 이상으로 전류가 흐르는 경우 전류를 운반시키는 이온이 막 계면에서 공급이 부족하기 때문에 막 계면에서 물의 수소이온과 수산이온으로의 해리가 일어나며 그러한 이온에 의해서 일부의 전류를 운반하게 된다. 이와 같이 전류는 본래 목적인 전해질 이온의 이동에는 전혀 관여하지 않으므로 무익하게 되며 또 물의 해리에 의하여 희석측의 용액은 산성이 되며 농축측의 용액은 염기성이 되어 pH에 민감한 용액을 취급하는 경우에는 대단히 유해하며 실용상 전기투석은 한계전류밀도의 50-80%에서 조작하는 것이 필요하다.

Fig. 3.과 4.에서 Stack current가 0.28 A일 때 Cell voltage는 3.6 V이어서 한계전류밀도의 80 %가 되는 Stack current는 0.22 A이며 Cell voltage는 2.88 V이다.

2. 질산성 질소의 탈염

음용수에서 질산성 질소를 제거하기 위한 전기투석실험에서 음이온교환막의 질산성 질소에 대한 선택성을 조사하기 위하여 두 가지 음이온교환막을 선정하여 조사하였다. 실험에 사용된 음이온교환막은 ACS (Monovalent anion permselective membrane)와 AM-1(Multivalent anion permselective membrane)이다.

Fig.5에서 AM-1이 ACS보다 전기전도도 감소율이 우수한 것을 알 수 있다. 이것은 AM-1이 다가의 음이온에 대해서 선택성이 있는 반면 ACS는 1가의 음이온에 대해서만 선택성이 있고 다가의 음이온에 대해서는 선택성이 없기 때문이다. 즉 ACS는 nitrate는 통과시키나 sulfate는 배척함으로서 1가의 음이온이 2가에 비해서 상대적으로 많이 제거되어진다. 이것은 Table 1.에서도 입증되었다.

Fig.6.에서 30분까지의 cell저항을 분석해보면, ACS가 1가 이온을 제외한 다가의 이온들을 배척하기 때문에 셀저항이 AM-1보다 크며 40분부터 AM-1에서의 급격한 저항 증가는 희석조에서 이온농도가 감소하기 때문이다.

Fig.7.에서 전력소비량을 비교   해보면, ACS는 nitrate등 1가의 이온들만을 이동시키는데 전력이 소비되지만 AM-1은 1가와 다가의 이온들을 이동시키는데 전력이 소비되어 실제적으로 제거될 필요가 없는 이온을 이동시키는데 전력이 소비되어 ACS보다 AM-1의 전력소비량이 크게 된다.

Table 1. Ion analysis of Diluted compartment     Table 2. Relative transport number

(unit : □/□)

time (min)	ACS			AM-1
	[eqn: RM Cl^-]	[eqn: RM NO_3 ^-]	[eqn: RM SO_4 ^2-]	[eqn: RM Cl^-]	[eqn: RM NO_3 ^-]	[eqn: RM SO_4 ^2-]
0	38.8	64.9	578.3	40.2	66.9	583.7
5	23.6	20.5	542.4	16.5	19.9	278.4
10	8.6	6.6	510.4	9.2	11.5	166.1
20	3.4	3.3	426.4	4.5	5.7	43.2
30	3.5	3.5	350.9	3.3	4.5	11.6
40	3.1	3.1	280.9	2.8	3.8	4.9
50	3.2	3.2	207.9	2.2	3.3	0.9

time (min)	ACS	AM-1
	[eqn: RM NO_3 ^- / SO_4 ^2-]	[eqn: RM NO_3 ^- / SO_4 ^2-]
0	0	0
5	32.7	2.1
10	66.4	1.9
20	52.7	1.2

수돗물 속에 음이온들이 각각 다른 농도로 들어있기 때문에 상대적인 transport number를 구하여 두 음이온교환막을 비교하였다. Table 2.에서보면 ACS가 AM-1보다[eqn: RM SO_4 ^2-]이온에 대한[eqn: RM NO_3 ^-]이온의 transport number가 매우 큼을 알 수 있다. 이것은 ACS의 1가 이온에 대한 선택성과 다가이온에 대한 배척성을 입증하고 있는 것이다.

결 론

전기투석을 이용하여 음용수에서 질산성질소를 처리한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. ACS는 1가의 음이온에 대해 선택성이 있는 반면 다가의 음이온에 대해서는 선택성이 없다. 따라서 nitrate, chloride와 같은 1가의 음이온은 통과시키나 sulfate와 같은 2가의 음이온은 상대적으로 배척하기 때문에 1가와 다가의 음이온에 대해서 배척성이 없는 AM-1이 전기전도도 감소율이 크며 또한 1가와 다가의 이온에 대해 모두 통과시키기 때문에 셀저항이 작게 된다. 또한 질산성 질소에 대한 두 음이온교환막의 선택성을 분석한 결과 ACS가 AM-1보다 sulfate에 대한 nitrate의 transport number가 약 30배정도 큰 것을 알 수 있었다.

ACS가 nitrate등 1가의 이온들을 이동시키는데 전력이 소비되는 반면 AM-1은 제거될 필요가 없는 이온들을 이동시키는데 전력이 소비되어 비경제적이며 같은 양의 nitrate와 sulfate가 음용수중에 들어 있으면 sulfate에 비해 nitrate가 30배정도 ACS에서 AM-1보다 빨리 이동함을 알 수 있기 때문에 낮은 에너지 소비 하에서 전기투석에 의한 선택적인 질산성 질소의 제거가 monovalent anion ACS membrane을 사용하여 효과적으로 처리됨이 입증되었다.

참고문헌

1. Christopher J. Martin, Ernest O. Kartinen, Jr. and Jim Condon, "Examination of processes for multiple contaminant removal from groundwater", Desalination, 102, 35-45 (1995)

2. K. Kesore, F. Janowski, V.A. Shaposhnik, "Highly effective electrodialysis

for selective elimination of nitrates from drinking water", J. of Membrane Science, 127, 17-24,(1997).

3. Heinrich Strathmann, In : Membrane Handbook, Edited by W.S. Winston Ho, Kamalesh K. Sirkar, VNR(Van Nostrand Reinhold), 223-229, (1992).