【환경화학】 2012 국가공무원 5급(기술) 제2문

2012 국가공무원 5급(기술) 제2문^]

 

추천글 : 【환경화학】 환경화학 목차 

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a. 세포와 에너지대사 

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당근 님 지적사항 수정 (23.06.11)

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Q. 폐수 중의 질산 이온(NO₃^-)은 메탄올을 이용한 생물학적 탈질반응에 의해 질소(N₂)로 변환시켜 제거할 수 있다. 이와 관련하여 다음 물음에 답하시오.

 

Q1. 메탄올을 이용한 질산 이온 제거에 대한 총괄 반응(세포합성에 대한 반쪽 반응, 전자공여체의 반쪽 반응, 전자수용체의 반쪽 반응)의 균형방정식을 세우시오. (단, f_s (전자공여체의 세포합성분율, 0.36) + f_e (전자공여체가 에너지로 이용되는 분율) = 1를 이용하고, 질산 이온이 박테리아의 영양원으로 사용되는 것으로 가정한다.)

 

세포합성의 반쪽 반응(R_c) :

 

0.036NO₃^- + 0.179CO₂ + 1.036H⁺ + e^- → 0.036C₅H₇O₂N + 0.393H₂O

 

전자 공여체의 반쪽 반응(R_d) :

 

0.167CO₂ + H⁺ + e^- → 0.167CH₃OH + 0.167H₂O

 

전자 수용체의 반쪽 반응(R_a) :

 

0.2NO₃^- + 1.2H⁺ + e^- → 0.1N₂ + 0.6H₂O

 

A1. 

세포합성은 환원반응이다. 따라서 R_c는 정반응이다.

전자 공여체의 반쪽 반응은 산화반응이다. 따라서 R_d는 역반응이다.

전자 수용체의 반쪽 반응은 환원반응이다. 따라서 R_a는 정반응이다.

앞서 전자공여체의 전자의 36%가 세포합성에 쓰이고, 64%가 에너지로 이용되므로 총괄반응은 다음과 같다.

 

0.36R_c + 0.64R_a - R_d

⇔ 0.167CH₃OH + 0.141NO₃^- + 0.141H⁺ → 0.013C₅H₇O₂N + 0.103CO₂ + 0.358H₂O + 0.064N₂

 

Q2. 폐수 중의 질산 이온 농도가 100 mg / L일 때, 이를 완전히 제거하기 위해서는 메탄올 농도를 얼마로 하여야 하는가?

 

A2. 

(100 mg NO₃^- / L) ÷ (62 g NO₃^- / mol NO₃^- ) × (0.167 mol CH₃OH / 0.141 mol NO₃^- ) × (32 g CH₃OH / mol CH₃OH)

따라서 메탄올은 61.1 mg / L가 필요하다.

 

Q3. 박테리아의 영양원으로 암모늄 이온(NH₄⁺)이 사용되는 경우의 세포 합성에 대한 반쪽 반응식을 세우시오.

 

A3. 

NH₄⁺ + 5CO₂ + 19H⁺ + 20 e^- → C₅H₇O₂N + 8H₂O 

⇔ 0.05NH₄⁺ + 0.25CO₂ + 0.95H⁺ + e^- → 0.05C₅H₇O₂N + 0.4H₂O 

 

 

Q4. 탈질과정에서 세포합성 반응에 질산 이온 대신 암모늄 이온이 사용되는 경우에 f_s가 어떻게 변할 것인지 그 이유를 들어 설명하시오. (단, 질소 이외의 다른 조건은 동일하다.)

 

A4. 

○ 가정 1. 문제에서 주어진 f_s가 f_s = 세포 합성에 이용되는 전자 몰수 / 전자공여체가 공여하는 전자 몰수인 경우

○ Q3는 암모늄 이온이 질산 이온보다 세포 합성에 이용되는 전자 1몰당 세포 합성량이 높음을 암시하고 있음

○ 그것이 전체 전자 몰수 중 세포 합성에 이용되는 전자 몰수에 영향을 줄 것 같지는 않음

○ 그러므로 암모늄 이온이 반응물로 사용된다고 해도 f_s가 변하지 않음

○ 가정 2. 문제에서 주어진 f_s가 f_s = g cell COD / g COD(즉, 단위 메탄올 당 미생물 합성량)인 경우

○ Q1에서 세포합성의 반쪽 반응(R_c)을 보면, 전자 1몰당 0.036몰의 세포합성이 이루어짐

○ Q3에서 암모니아성 질소가 반응물이 되면, 전자 1몰당 0.05몰의 세포합성이 이루어짐

○ f_s가 전자 공여체 g COD 당 미생물 합성량(g cell COD)이라면 암모늄 이온 사용되는 경우가 질산 이온보다 f_s가 더 큼

○ 비슷하게, 2006년 제3문 3번 문항을 보면, "만일 폐수에 암모니아성 질소가 존재한다면, 암모니아성 질소가 존재하지 않는 경우에 비하여 단위 메탄올 당 미생물 합성량이 증가"한다고 기술

 

입력: 2019.04.02 13:40

수정: 2023.06.12 00:16