【환경화학】 2017 국가공무원 5급(기술) 제4문

2017 국가공무원 5급(기술) 제4문

 

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a. 산·염기 반응

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당근 님 지적사항 수정 (23.12.26)

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Q. 음식물 쓰레기 및 하수 슬러지 등의 유기성 폐기물은 혐기성 소화를 통해 메탄가스화되어 에너지원으로 활용될 수 있다. 유기성 폐기물의 혐기성 분해에 대한 다음 물음에 답하시오.

 

Q1. C₈H₃₂O₄N₈의 분자식을 가지는 유기화합물 1몰이 혐기소화를 통해 발생시킬 수 있는 메탄과 이산화탄소의 이론적 몰수를 구하시오.

A1. 

C₈H₃₂O₄N₈ → aCH₄ (메탄) + bCO₂ (이산화탄소) + cH₂O + dH₂ + eNH₃ + fN₂  

메탄과 이산화탄소가 최대로 생산되는 몰수를 구하자.

C : a + b = 8

O : 2b ≤ 4

H : 4a ≤ 32 

따라서 가능한 조합은 (a, b) = (6, 2), (7, 1), (8, 0)이다.

 

Q2. 해당 유기화합물이 혐기성으로 분해되는 과정에서 발생하는 중간 및 최종생성물이 각각 pH에 미치는 영향을 설명하고, 최종생성물만을 고려할 때 소화를 마친 용액의 pH는 소화 전에 비하여 어떻게 변화될지 예측하시오.

A2. 

혐기성 미생물(e.g., 메탄생성고세균)이 폐기물 내 유기화합물을 혐기성 분해하는 과정에서 pH는 ammonia-carbonate-VFA 삼중버퍼계(ternary pH buffer system)에 의해 영향을 받는다. 

 

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⑴ 중간 생성물 

○ 휘발성 지방산(VFA, volatile fatty acid) : propionic acid, butyric acid, acetic acid 등 저탄소 유기산을 지칭한다. 특유의 산성으로 인해 용액의 pH를 떨어트린다. 휘발성 지방산은 이후 미생물에 의해 추가적으로 분해된다. 

○ 암모니아 (NH₃) : 혐기성 미생물이 분비하는 노폐물로서, NH₃ + H⁺ → NH₄⁺ 반응으로 VFA에 의한 pH 감소를 완충시킨다.

 

⑵ 최종 생성물 : 혐기성 미생물이 높은 암모니아 농도에 적응하여 후기 단계가 진행된다.

○ 암모니아 : 혐기성 미생물은 계속해서 노폐물을 분비하기 때문에 pH를 감소시키는 요인이 된다. 다만, 중탄산염 완충 체계에 의해 pH 변화에 크게 기여하지 못한다. 

○ 중탄산염 (HCO₃^-) : 혐기성 미생물이 기체상 CO₂를 고정하여 용액 내 HCO₃^-의 양을 증가시킨다. HCO₃^-이 major species가 되도록 하여, 결국 HCO₃^-에 의해 용액 내 pH가 8로 수렴한다. 

 

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입력: 2019.03.31 11:56