LC-OCD-OND를 이용한 정수처리용 GAC 흡착공정에서 용존유기물질 제거특성 평가

손희종; 염훈식; 서창동; 김상구; 김용순

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저자정보: 손희종 (부산광역시 상수도사업본부) 염훈식 (부산광역시 상수도사업본부) 서창동 (부산광역시 상수도사업본부) 김상구 (부산광역시 상수도사업본부) 김용순 (부산광역시 상수도사업본부)

저널정보: 대한환경공학회 대한환경공학회지 대한환경공학회지 제42권 제5호

발행연도: 2020.5

수록면: 239 - 250 (12page)

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목적 : 본 연구에서는 입상활성탄(granular activated carbon, GAC) 흡착공정에서 활성탄의 다양한 특성에 따른 NOM 분획별 흡착 및 파과 특성을 평가하기 위하여 liquid chromatograph-organic carbon detector-organic nitrogen detector (LC-OCD-OND)를 이용하였으며, NOM 분획별(biopolymers (BP), humic substances (HS), building blocks (BB), low molecular weight (LMW) 유기물질) 파과 특성을 평가하여 활성탄의 특성이 NOM 흡착에 미치는 영향을 파악하고자 하였다.
방법 : 본 연구에서는 석탄계, 야자계 및 목탄계 재질 활성탄들을 충진한 실험실 규모의 GAC 흡착컬럼을 이용하여 NOM 분획별(BP, HS, BB 및 LMW-O)로 파과 특성, 흡착용량 및 분배계수를 평가하였다. 실험실 규모의 GAC 흡착컬럼은 공탑체류시간 10분으로 고정하여 운전하였다. 활성탄 재질별 공극 특성은 automated gas sorption analyzer (Autosorb iQ3, Quantachrome, USA)를 이용 평가하였으며, 유입수와 유출수 중의 NOM 분획들의 농도는 크기 배제 크로마토그래피인 LC-OCD-OND (Model 8, DOC-Labor, Germany)를 이용하여 분석하였다.
결과 및 토의 : 실험실 규모의 GAC 흡착컬럼에서 다양한 재질의 GAC에 대해 NOM 흡착능을 평가하였다. 운전기간에 따른 개별 NOM 분획의 흡착 거동을 연구하기 위해, LC-OCD-OND을 이용하여 BP, HS, BB 및 LMW-O 로 분별하고, NOM 분획들을 정량화하였다. 고분자인 BP는 GAC에는 흡착되지 않았으며, 대조적으로, HS, BB 및 LMW-O는 초기에 양호하게 제거되었으나 운전기간 증가에 따라 유출수 중의 농도는 pseudo steady-state에 도달할 때까지 점진적으로 증가하였다. GAC 흡착에서 BP의 불량한 제거는 큰 분자량인 BP가 GAC pore를 blocking하여 세공으로 접근이 차단된 결과일 수 있다. 그러나 HS, BB 및 LMW-O의 경우, 분자 크기가 감소함에 따라 GAC 내부 세공으로의 접근이 용이해져 이들 NOM 분획의 흡착능이 분자량에 비례하여 증가한 것을 분배계수를 통하여 확인할 수 있었다. 또한, GAC 흡착공정에서 높은 NOM 제거 효율을 달성하려면 활성탄이 가지는 세공의 비표면적, 세공용적 및 세공의 폭이 커야 할 뿐만 아니라 pHzpc도 중성 pH 부근 이상으로 높아야 NOM 흡착능이 높게 나타났다.
결론 : GAC 흡착공정에서 높은 NOM 제거 효율을 달성하려면 활성탄이 가지는 세공의 비표면적, 세공용적 및 세공의 폭이 커야 할 뿐만 아니라 pHzpc도 중성 pH 부근 이상으로 높아야 했다. 또한, NOM 분획들에서는 BP가 GAC에 흡착되지 않은 반면, 나머지 NOM 분획의 흡착능은 NOM 분획들의 분자량이 감소함에 따라 증가하였다. LMW-O가 가장 많이 흡착되었고, 다음으로 BB, HS, BP 순으로 나타났다. BP와 HS는 국내･외 정수장에 많이 도입되어 있는 membrane의 오염에 있어서 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 GAC 공정의 흡착 메카니즘으로는 BP가 제거되지 않았음을 보여주었다. 또한, HS는 운전 초기에는 흡착 제거되었으나 운전 기간이 증가할수록 다른 NOM 분획들에 비해 급격히 흡착 용량이 감소하였다. 따라서 GAC 흡착공정은 membrane의 오염물질 제거를 위한 효과적인 전처리 기술이 될 것으로 기대되지는 않는다. DBPs 전구물질의 관점에서 보면 이전 연구결과에서 고분자 휴믹물질과 저분자 비휴믹 분획들에서의 DBPs 생성수율(μmol DBP/μmol C)이 유사하다는 것을 보여주었다. 따라서 GAC 흡착공정은 더 높은 비율의 저분자 NOM을 함유하는 물에서 DBP 전구물질 제어에 더 효과적임을 시사한다.

Objectives : In this study, we used liquid chromatograph-organic carbon detector-organic nitrogen detector (LC-OCD-OND) to evaluate adsorption and breakthrough characteristics of NOM fractions (biopolymers (BP), humic substances (HS), building blocks (BB) and low molecular weight organic substances (LMW-O)) according to the various characteristics of the different materials of granular activated carbons (GACs).
Methods : Breakthrough characteristics, adsorption capacity and partition coefficients were evaluated by NOM fractions (BP, HS, BB, and LMW-O) using a lab-scale GAC adsorption column filled with coal-, coconut- and wood-based GAC. The GAC column test was operated with 10 minutes empty bed contact time (EBCT). The pore characteristics of each GAC were evaluated using an automated gas sorption analyzer (Autosorb iQ3, Quantachrome, USA) and the concentrations of NOM fractions in the influent and effluent were analyzed using chromatography LC-OCD-OND (Model 8, DOC-Labor, Germany).
Results and Discussion : NOM adsorption capacity was evaluated for different materials of laboratory scale GAC adsorption column test. To study the adsorption behavior of individual NOM fractions according to the operation time, NOM was fractionated into BP, HS, BB and LMW-O by LC-OCD-OND, and the individual NOM fractions were quantified. Higher MW like BP was not adsorbed to GAC, in contrast, HS, BB, and LMW-O were well removed during the initial operation period, the concentrations in the effluent gradually increased as increase the operation period until reaching to the pseudo steady-state. Poor removal of BP in GAC adsorption may be a result of blocking the pores with large MW BP and hinder the access to the pores. However, in the case of HS, BB, and LMW-O, as the molecular size decreased, these organic matters easily access to the pores inside of GAC. It was confirmed through the partition coefficient that the adsorption capacity of these NOM fractions increased in proportion to the MW. In addition, in order to achieve a high NOM removal efficiency in the GAC adsorption process, not only the specific surface area, pore volume, and pore width of the GAC must be large, but also the pHzpc must be higher than the neutral pH level.
Conclusions : In order to achieve a high NOM removal efficiency in the GAC adsorption process, not only the specific surface area, pore volume, and pore width of the GAC must be large, but also the pHzpc must be higher than the neutral pH level. In addition, in the NOM fractions, BP were not adsorbed to GAC, while the adsorption capacity of the remaining NOM fractions increased as the MW of the NOM fractions decreased. LMW-O was the most adsorbed, followed by BB, HS and BP. BP and HS play an important role in the membrane fouling that are introduced a lot into domestic and foreign water treatment plants. This study showed that the BP was not removed by the adsorption mechanism of the GAC process. In addition, HS was adsorbed and removed at the beginning of the operation, but the adsorption capacity of HS decreased rapidly as the operation period increased compared to other NOM fractions. Therefore, the GAC adsorption process is not expected to be an effective pre-treatment technology for reducing membrane foulants. Previous studies showed that the yields of DBPs (μmol･DBP/μmol･C) in the high MW humic and low MW non-humic fractions are similar. Therefore, it is suggested that the GAC adsorption process is more effective for DBP precursor control in water containing a larger percentage of LMW NOM.

#Natural Organic Matter (NOM) #Adsorption #Granular Activated Carbon (GAC) #NOM Fraction #LC-OCD-OND #천연유기물질 #흡착 #입상활성탄 #천연유기물질 분획

참고문헌 (39)

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