총질소(T-N) 정의 - 총질소 (T-N) : 자외선 흡광광도법, 카드뮴환원법, 킬달(Kjeldahl)법

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1 총질소(T-N) 정의 - 총질소 (T-N) : 자외선 흡광광도법, 카드뮴환원법, 킬달(Kjeldahl)법
- 총킬달질소 (TKN): Kjeldahl법 = 유기성 질소 + 암모니아성 질소 - 알부미노이드성 질소: 단백질이 분해되어 NH3-N으로 되기 전의 질소화합물 T-N 유기성 질소 --- 알부미노이드성 질소, 요산 - 무기성 질소 --- NH3-N (암모니아성 질소) NO2-N (아질산성 질소) NO3-N (질산성질소) - 총킬달질소 (TKN) --- 유기성 질소 + NH3-N 박테리아에 의한 질산화 2NH O NO H+ + 2H2O Nitrosomonas 2NO2- + O NO3- Nitrobacter 유기성질소 암모니아성질소 아질산성질소 질산성질소 질소농도 (mg/L) 킬달 질소법( Total Kjedahl Nitrogen ,TKN) [측정원리] 시료에 황산을 가해 가열농축해서 유기성 질소를 분해한 후, 알칼리성으로 하여 증류하고 유출액을 암모니아성 질소 측정법에 의해 암모니아성 질소의 양을 측정하여 시료중의 암모니아성 질소 및 유기성 질소의 합계량(킬달질소)을 구하고, 따로 시료중의 아질산성 질소 및 질산성 질소양을 각각 측정하여 이것들을 합하여 총 질소를 정량하는 방법이다. 시간 (일)

2 총질소(T-N) 총인(T-P) (2) 영향 - 산화과정에서 수중의 용존산소 (DO) 다량 소모
- 정수과정에서 소독제의 소모량 증가 - 부영양화 유발 원인물질 - NO2-N (아질산성 질소): 낮은 농도에서도 수중생물에 유독 - NO3-N (질산설 질소): NO2-N + hemoglobin – Met hemoglobin 청색증 (3) 수처리 공정 - 필수영양염류 - 단백질 합성의 필수영양소, 폐수의 생물학적처리 가능성 평가 총인(T-P) H3PO4 인산, H2PO4-인산이온, HPO42- 인산이수소이온, PO43- 인산수소이온 공급: 분뇨, 쓰레기, 합성세제의 인산염이 주요공급원 pH 2 이하: H3PO4, pH 5-9: H2PO4-와 HPO42-, pH 12이상: PO43- (3) 인 대량 유입, 조류가 급성장, 수화현상과 부영양화 (4) 수처리 공정: 산업폐수, 폐수슬러지에서 중요하게 취급

3 pH(수소이온농도) (1) 정의 - 용액 1L 중에 존재하는 수소이온의 역수의 상용대수로 표현 (2) 수처리 공정
- 수질의 산이나 알칼리의 강도 파악 - 오염에 따른 수질변화를 발견할 수 있는 수단 - 염소소독에 있어 경제적인 문제와 결부 - 생물학적 폐수처리의 중요한 환경인자

4 이온화된 물질의 용액 이온화 (Ionization)
모든 산염기 및 염들이 물에 녹아 용액으로 되면 양이온과 음이온으로 해리되는 현상 1 ) 이온의 평형상태 용해된 전해질 분자가 이온으로 해리되는 속도와 용액 중의 전해질의 이온이 결합하여 다시 분자로 되는 속도가 같을 때, 각 이온의 농도 일정 ◈이온화도 ( Ionization degree ) α = 이온화된 몰수 / 전해질의 총 몰수 ≤ 1 이온화도가 큰 물질- 강전해질 ( HCl, HNO3 ) 이온화도가 낮은 물질- 약전해질 ( CH3COOH, H2CO3, NH3 )

5 이온화된 물질의 용액 2 ) 이온의 독립 (1) 이온강도 (Ionic Strength) Ci: i 이온의 몰농도, Zi: 전하
ex) NaCl 0.2 M의 이온세기 = 1/2 {(0.2)(+1)2 + (0.2)(-1)2} = 0.2 0.2 M MgCl2의 이온세기 Mg2+의 농도 0.2, Cl-의 농도 0.4 = 1/2(0.2x(+2)2+0.4x(-1)2)=0.6

6 이온화된 물질의 용액 2 ) 이온의 독립 (2) 이온의 활동도
Debye-Hückel법칙: 용액안에 존재하는 이온의 포텐셜 에너지가 용액의 이온의 세기에 어떻게 의존하는가, P145 식중의 활동도계수 f 에 있어서 fi 는 i번째 이온의 원자만이 아니고 그 이온의 이온강도에 영향을 받는다. 여기서 는 상태에 따른 상수로 1기압, 25하에서

7 이온화된 물질의 용액 2 ) 이온의 독립 (2) 이온의 활동도 값이 작은값이므로 이온농도가 작은 경우에는
그래서 묽은 용액의 활동도 (Activities)는 M농도와 실제로 같다. 활동도 계수 ( Activity coefficient; fi )

8 액중의 화학평형 1 ) 산-염기 평형 (1) 산(acid) - 수용액 중에서 독자적으로 수소이온 [H+]를 낼 수 있는 것
- 물과 반응하여 H3O+ (Hydronium)을 생성하는 이온이나 분자 [강산]: 황산(H2SO4), 염산(HCl), 질산(HNO3), 과염소산(HClO4) 산 해리상수 Ka값이 클수록 더욱 강산이 된다. [약산]: 초산(CH3COOH), 아황산(H3SO4), 인산(H3PO4), 아질산(HNO2), 시안화수소산(HCN) [아주약산]: 탄산(H2CO3), 붕산(H2BO4), 페놀(C6H5OH)

9 액중의 화학평형 1 ) 산-염기 평형 (2) 염기(Base) - 수용액 중에서 독자적으로 수산이온 [OH-]를 낼 수 있는 것
[강염기]: 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2) [약염기]: 암모니아(NH3), 피리딘(C5H5N), 탄산이온(CO32-), 하이포아염소산이온(ClO-)

10 액중의 화학평형 1 ) 산-염기 평형 (3) 염 (Salt)
- 산과 염기가 반응하는 경우 물과 함께 생성되는 이온 결합성 물질을 총칭 [중성염]: 강산+강염기, 약산+약염기 강산+강염기 예) NaCl, 무수황산나트륨(Na2SO4), KNO3 등 약산+약염기 예) 초산암모늄(CH3COONH4), 아황산암모늄((NH4)2SO3) 등 [염기성염]: 약산+강염기 예) CH3COONa, Na2CO3, KCN 등 [산성염]: 강산+약염기 예) 염화암모늄(NH4Cl), 황산암모늄((NH4)2SO4)

11 액중의 화학평형 1 ) 산-염기 평형 (4) 해리상수 물과 완전히 반응하여 양이온과 음이온의 평형을 이룰때의 평형상수
Ka : 산해리상수, Kb : 염기해리상수, P147 (5) 물의 이온화적과의 관계 화학평형의 원리 『두 반응을 합하여 제3의 반응이 될 때 제3에 대한 평형상수는 두 반응의 평형상수의 곱』 Ka X Kb = [H+][OH-] = Kw Kw = Ka X Kb = 1 X P151

12 액중의 화학평형 1 ) 산-염기 평형 (6) 완충작용 ① 완충작용: 공통 이온효과에 의해 강산이나 강염기를 가하여도 pH가
크게 변하지 않는 것 ② 완충용액 (Buffer Solution) : 약산과 그 약산의 강염기의 염을 함유하는 수용액 또는 약염기와 그 약염기의 강산의 염이 함유된 수용액 ③ 완충용액과 pH와의 관계 : 완충용량은 pH가 크게 변화되기 이전에 중화시킬 수 있는 산 또는 염기의 양, 완충용액 중에 함유돤 산과 염가의 양으로 결정 ④ 완충방정식: Henderson-Hasselbalch식 pH = pKa + log [염/산]

13 액중의 화학평형 1 ) 산-염기 평형 (7) 용해도적 P155 고형물의 활동도는 일정한 온도에서는 일정
Ks를 용해도 상수(Solubility constant), 용해도적(Solubility product) ① 공통이온화효과 : 약전해질과 강전해질이 같은 용액중에 공존하여 서로 공통이온을 이온화시킬 때 약전해질 쪽이 강전해질에 눌려 이온화도 감소 ② 이존이온 효과 : 미량의 물질만 녹는 물질의 용해도에서 이것과 관련이 없는 이온들이 나타내는 역효과

14 산화 환원 2 ) 산화 환원 (1) 산화 (Oxidation) - 원래는 순물질이 산소와 화합하는 것
- 수소 및 전자를 빼앗기는 변화 또는 그것에 수반되는 화학적 반응 - 물질의 산화수가 증가되는 반응 (2) 환원 (Reduction) - 산화된 물질을 본래로 되돌리는 것 - 산소를 잃거나 수소 또는 전자를 얻는 화학적 반응 - 물질의 산화수가 감소하는 반응

15 산화 환원 2 ) 산화 환원 (3) 중요성과 응용: 폐수처리 관련 ① 유기물의 산화 환원
- 화학적 산화: 포기, 오존에 의한 산화 처리 등 - 생물화학적 산화: 살수여상법, 산화지 등에 의한 유기물 산화 처리 등 - 생물화학적 환원: 메탄발효법 ② 무기물의 산화 환원 - 화학적 산화: 사안등의 독성제거, 대장균의 염소 살균처리 등 - 화학적 환원: 6가 크롬 환원처리

16 액중의 화학평형 - 관련예제 [예제] 전리상수 Ka = 1.8 X 10-5 인 초산 ( CH3COOH )용액의 농도는 10-3 M이었다. 초산 음이온의 염기 해리상수 ( Kb )를 구하시오. (해) Kw = Ka X Kb 1.0 X = 1.8 X 10-5 X Kb Kb = 5.6 X 10-10

17 용존산소(DO) (1) 정의 - 수중의 용존되어 있는 산소량, 유기물의 생물학적 분해 등에 관여 [DO의 증가요건]
  - 수중의 용존되어 있는 산소량, 유기물의 생물학적 분해 등에 관여 [DO의 증가요건] 수중의 유기물질의 함량이 낮을수록 증가 물의 오염도가 낮을수록 증가 조류에 의한 동화작용이 왕성할수록 증가 낮에는 증가 수심이 얕고, 유속이 빠르고, 교란흐름이 있을 때 증가 (2) DO의 측정방법 - 공정시험법에 의한 Winkler-azide 나트륨 변법 MnSO4 + 2NaOH ⇔ Mn(OH)2 ↓ + Na2SO4 (백색침전) Mn(OH)2 + ½O2 + H2O ⇔ 2Mn(OH)3 ↓ (갈색침전) 2Mn(OH)3 + 2KI + 3H2SO4 ⇔ MnSO4 + I2 + K2SO4 + 6H2O 티오황산나트륨(Na2S2O3)로 적정 I2 + 2S2O32- ⇔ 2I- + S4O62- Mn(OH)2 수산화제1망간, Mn(OH)3 수산화제2망간

18 유기물 함유량 측정 BOD 생화학적 산소 요구량 (Biochemical Oxygen Demand, BOD)
화학적 산소 요구량 (Chemical Oxygen Demand, COD) 총유기탄소량 ( Total Organic Carbon, TOC) 이론적 산소 요구량 (Theoretical Oxygen Demand, ThOD) BOD (1) 정의: 수중의 유기물질을 호기성 미생물이 분해 산화할 떄 소비하는 산소의 양 (2) 의의 - 생물학적으로 분해가능한 유기물 또는 부패성 유기물의 총량을 간접적으로 파악 - 폐수중의 유기물의 함량 파악 - 하천의 자정능력 및 오염도 파악: 높으면 용존산소의 고갈, 혐기성 상태, 물의 자정작용 저하, 악취가스 발생 - 생물학적 처리시 소요돠는 산소(공기)량의 예측 및 부대시설의 설께자료로 이용 - 하천의 허용 가능한 오염부하량의 결정과 오염물질의 유입을 제한하기 위한 기초자료로 이용

19 BOD (3) 표시 - 검수를 20℃에서 5일간 배양했을 때 소모되는 용존산소량을 mg/L로 표시 (4) BOD 결과 사용
- 유기물의 생물학적 분해에 필요한 산소량을 산정 - 하수처리시설 규모를 결정 - 처리공정의 처리효율을 측정 - 처리된 방류수의 수질이 법적규제를 충족시키는지의 여부 판단 (5) BOD 파라미터 아래와 같은 결합을 가지고 있지만, 수중의 유기물질의 분해반응은 생물학적 반응이므로 폐수처리효율을 나타내는 파라미터로 사용중 - 측정된 값은 배양기간 내에 생물분해 가능한 유기물질만을 나타냄 - 식종된 미생물의 질과 농도에 따라 BOD반응이 다름 - 함유된 독성물질은 BOD 반응에 영향 - 시험오차가 큼 (BOD5 의 표준편차 18.5%) Sr: 스트론튬

20 ThOD와 TOD (1) 이론적 산소요구량 (ThOD) - 정의
: 유기물질이 화학양론적으로 산화 분해될 때 이론적을 요구되는 산소량 - 의의 : 화학양론적으로 구한 BOD값은 유기물질이 산화하는 과정에서 소비한 산소 량 뿐만 아니라 유기물질의 양으로 해석 가능 Pt 등의 촉매하에서 900℃ 이상에서 완전 산화한 경우에 소비되는 총산소요량 과 일치 (2) 총산소 요구량 (TOD; Total Oxygen Demand) - 연소실에서 촉매 ( Pt, Co 등)와 접촉시켜 시료를 완전 연소시켰을 때 소비된 산소량 - TOD 파라미터 : 무기물질의 산소요구량도 포함 (탄소, 수소, 3가 질소, 황화이온, 아황산이온) 생물학적 폐수처리에는 잘 이용되지 않음

21 COD 정의 : 수중의 유기물질을 화학적 산호제를 사용하여 화학적으로 분해 산화하는데 소요되는 산화제의 양을 산소 상당량으로 환산한 것 (2) 의의 : 공장폐수, 해수, 호소의 수질은 COD로써 유기물의 햠유정도를 표시 유기물이 많고, 체류시간이 김, 해수는 BOD 값에 오차가 큼 (3) 표시 : 과망간산칼륨 (KMnO4) 중크롬산칼륨 (K2Cr2O7)등으로 산화시킨 후 소비되는 산화제의 양을 대응산소의 양으로 표시 CODMn, (유기물 분해도 60%) CODCr (유기물 분해도 80%) (4) 측정방법 : 과망간산칼륨법과 중크롬산칼륩법, 수중의 염소이온 농도에 따라 산성방법과 알칼리성 방법 (5) COD와 BOD의 관계 - 일반적인 값: 생활하수 COD/BOD 약 2-3 범위 COD < BOD: BOD 시험중에 질산화 발생, COD시험중 방해물질이 폐수에 존재 COD > BOD: 생물학적으로 분해 불가능한 유기물로 구성 또는 독성물질 함유 - 실제보다 COD값이 높게 나타날 때: 검수중 무기성 환원물질 포함 - 실제보다 COD값이 낮게 나타날 때: 검수중 산화제와 산화성물질 포함

22 TOC (1) 정의 시료중 용존탄소를 고온에서 완전연소시켰을 때 발생되는 CO2 가스를 적외선 분석장치로 정량적으로 측정
- BOD, COD 분석시험보다 소요 시간 단축 - 오염물질의 다양성, 난분해성에 대응성이 높음 - 저농도에 대한 재현성이 높음 - 고형물에 대한 오차가 유발, 여과된 용존 탄소만을 정량 - 실제값보다 약간 낮게 측정되는 경향 - 생물학적 분해가능한 유기물의 정량화가 어려움 - 자연상태의 유기물질 분해속도를 알 수 없음 (3) TOC와 COD의 관계 - TOC값과 COD값의 차이 : COD값에는 산화가능한 무기물 (Fe2+, Mn2+)의 산소요구량이 포함 TOC값에는 불포함 - TOC값은 동일하나 COD값이 낮아지는 경우 : 처리과정에서 유기물의 일부가 CO2까지 분해되지 안혹 중간생성물질로 전환