【환경화학】 2016 국가공무원 5급(기술) 제4문

2016 국가공무원 5급(기술) 제4문^]

 

추천글 : 【환경화학】 환경화학 목차 

---

a. 산화환원반응 

b. 화학적 산소요구량

---

Eco 님 지적사항 수정 (22.08.10)

당근 님 지적사항 수정 (24.05.02)

---

 

Q. 과염소산염(ClO₄^-)은 로켓에서 산소를 공급하는 연료로 널리 사용되어 왔으며, 지하수에서 흔히 발견되는 오염물질이다. 지하수에서 과염소산염을 생물학적(perchlorate reducing bacteria)으로 제거하기 위하여 전자공여체로 프로피온산 나트륨(CH₃CH₂COONa)을 이용하고 ClO₄^-를 Cl^-로 환원시키려고 한다. 다음 물음에 답하시오.

 

Q1. ClO₄^- / Cl^-의 반쪽반응식을 완결하시오. 이로부터 과염소산염 1 mM을 제거하기 위해 필요한 이론적인 COD 농도(mg / L)를 계산하시오.

 

A1. 

ClO₄^-에서 Cl의 산화수는 +7, Cl^-에서 Cl의 산화수는 -1이다; 따라서 전자가 8개 움직인다.

 

ClO₄^- + 8H⁺ + 8e^- → Cl^- + 4H₂O

 

과염소산염 1 몰의 경우 8 몰의 전자와 대응한다.

산소 1 몰의 경우 4 몰의 전자와 대응한다.

 

O₂ + 4e^- → 2O^2-

 

따라서 과염소산염 1 mM은 산소 2 mM과 대응하므로 COD 농도는 64 mg / L이다. (참고 산소의 분자량은 32 g / mol이다.)

 

Q2. 첨가된 CH₃CH₂COONa가 1 mM 과염소산염(ClO₄^-)을 Cl^-로 환원시키는데 사용된다면 용액의 알칼리도(mg / L as CaCO₃)는 어떻게 변화하는지 설명하시오. (단, 첨가된 유기물에 의한 미생물 합성은 무시한다.)

 

A2. 

미생물은 CH₃CH₂COONa을 전자공여체로 사용하기 위하여 탄소를 CO₂로 산화시킨다. 

 

○ 산화 반쪽 반응식 : CH₃CH₂COO^- + 5H₂O → 2CO₂ + HCO₃^- + 14H⁺ + 14e^- 

○ 환원 반쪽 반응식 : ClO₄^- + 8H⁺ + 8e^- → Cl^- + 4H₂O

○ 전체 반응식 : 4CH₃CH₂COO^- + 7ClO₄^- + → 8CO₂ + 4HCO₃^- + 7Cl^- + 8H₂O

 

따라서 1 mM ClO₄^-를 첨가하면 알칼리도는 증가하며, 그 증가량은 다음과 같다.

 

알칼리도 증가량

= 1 mM × (4/7) mol HCO₃^- / mol ClO₄^- × 1 mol CaCO₃ / 2 mol HCO₃^- × 100 g/mol CaCO₃

= 28.57143 mg/L as CaCO₃ 

 

Q3. 지하수에 과염소산염 이외에 질산염이 공존하고 있었다면 프로피온산나트륨의 첨가량은 어떻게 변화하며, 그 이유는 무엇인지 설명하시오.

 

A3.

가설 1. 프로피온산 나트륨은 과염소산염보다 질산염과 더 먼저 반응한다.

 

2020 환경화학 제1문을 참고하자.

첫째, 질산염 NO₃^-은 질소로 환원되면서 5개의 질소가 이동하기 때문에 열역학적으로 과염소산염보다 더 우선하여 반응한다.

다만, 이는 추정에 기반한 방법으로서 실제 자유에너지 변화에 대한 데이터가 있다면 그것을 따라야 한다.

 

둘째, 질산염 환원반응이 과염소산 환원반응보다 표준환원전위가 높으므로 환원되려는 경향이 강하다.

 

2NO₃^- + 12H⁺ + 10e^- → N₂(g) + 6H₂O, E° = 0.74 V (출처)

ClO₄^- + 8H⁺ + 8e^- → Cl^- + 4H₂O, E° = 0.56 V (출처)

 

셋째, 호수에 용존해 있던 질산이온이 먼저 사라지는 화학적/비화학적 요인이 다수 있다.

따라서 질산염이 더 우선하여 반응한다.

 

가설 2. 프로피온산 나트륨은 (비슷하게) 과염소산염 및 질산염과 경합하여 반응한다.

 

Sawyer 환경화학 Table 2.4를 보면 과염소산염의 E0 =1.388 V, 질산염의 E0= 1.244 V이다.

이는 가설 1에서 소개한 경향성과 정반대로 과염소산염과 질산염의 반응 선호도가 실험 조건에 따라 다소 달라질 수 있음을 암시한다.

또한, 과염소산염과 질산염 모두 강한 산화제로서 반응이 상당히 잘 일어나는 것으로 알려져 있다.

그러므로 두 개의 염이 공존했을 때 어느 한 염만 반응을 진행한다고 보기보다는 동시에 반응이 진행한다고 보는 게 자연스럽다.

 

가설 3. 미생물 특유의 기전이 있어서 질산염과 과염소산이 경합할 때 질산염을 먼저 사용한다. (ref1, ref2) 

 

가설 1, 가설 3에 따르면, 질산염을 대부분 환원시켜야 과염소산 환원반응이 원활히 일어나므로 프로피온산나트륨의 첨가량은 증가해야 한다.

또한, 가설 2에 따르면, 질산염이 경합하여 프로피온산나트륨과 반응하므로 프로피온산나트륨의 첨가량은 증가해야 한다.

 

입력: 2019.03.31 16:02

수정: 2024.05.02 08:53