【환경화학】 2022 국가공무원 5급(기술) 제1문

2022 국가공무원 5급(기술) 제1문^]

 

추천글 : 【환경화학】 환경화학 목차

---

a. 여러 가지 폐수 처리 공정 

---

 

Q. 폐수에 존재하는 질소와 인은 수환경에 유입될 경우 부영양화(eutrophication)를 발생시키는 주요 인자이다. 폐수 속 질소와 인의 제거에 대하여 다음 물음에 답하시오. 

 

Q1. 칼슘 이온(Ca²⁺)의 농도가 높은 폐수에 포기율을 높게 유지하여 이산화탄소 기체(CO₂(g))를 대기 중으로 방출하였다. pH가 높아진 이 폐수에 함유된 인산염의 형태가 모두 HPO₄^2-라고 가정하였을 때, 폐수처리에 따른 인 제거 공정을 화학식으로 표현하시오. 

 

A1. 

○ 인의 제거 방법은 크게 4가지 : 이 중 주어진 문제는 두 번째 방법에 해당함 

○ 방법 1. 금속염 첨가법

○ 방법 2. 석회 첨가법 (정석탈인법)

○ 방법 3. 생물학적 인 제거 (혐기성) : 스트레스 상태 → 유기물 흡수, 인 방출

○ 방법 4. 생물학적 인 제거 (호기성) : 인의 과잉 흡수

○ 일반적인 석회 첨가법의 인 제거 공정

○ step 1. CO₂ (g) + H₂O (l) → H₂CO₃ (aq)

○ step 2. H₂CO₃ (aq) → HCO₃^- (aq) + H⁺ (aq) 

○ step 3. 인 제거 반응 (hydroxyapatite 생성 반응) : 5Ca(OH)₂ (s) + 3HPO₄^2- (aq) → Ca₅(PO₄)₃(OH) (s) + 3H₂O + 6OH^- 

○ step 4. 탄산염 제거 반응 : HCO₃^- (aq) + Ca(OH)₂ → CaCO₃ (s) + H₂O (l)  

○ 답안 1. 5Ca²⁺ + 3HPO₄^2- + 3OH^- → Ca₅(PO₄)₃ ↓ (hydroxyapatite) + 3H₂O 

○ 고려사항 : 이 폐수에 함유된 인산염의 형태가 모두 HPO₄^2-임

○ 고려사항 : 이미 Ca²⁺가 충분히 존재한다는 조건이 주어져 있어 별도로 탄산칼슘 등을 첨가할 필요 없음 

○ 고려사항 : 이산화탄소 제거(CO₂ stripping)로 pH를 상승시켰기 때문에 별다른 약품 첨가 없이도 반응할 수 있음 

A pH of 8.0-8.5, sufficient to obtain a co-precipitation of HAP(hydroxyapatite, Ca₅(PO₄)₃(OH)) and MAP(magnesium ammonium phosphate), can be easily reached by CO₂ stripping. (ref)

 

○ 답안 2. Ca²⁺ + HPO₄^2- → CaHPO₄ ↓ (dicalcium phosphate; brushite; DCP)

○ 고려사항 : 답안 2에 해당하는 반응은 OH^-에 대한 의존성이 적어져서 mild basic condition에서 선호됨

○ 답안 3. 3Ca²⁺ + 2HPO₄^2- + 2OH^- → Ca₃(PO₄)₂ (s) + 2H₂O 

 

 

Q2. 폐수에 질소가 암모늄 이온(NH₄⁺)으로 존재할 때, 이를 제거하기 위해 하이포염소산(HOCl)을 투입하여 질소 기체(N₂(g))를 발생시키는 반응식을 쓰시오.  

 

A2.

○ 질소의 제거 방법은 크게 5가지 : 이 중 주어진 문제는 2번째 방법에 해당함 

○ 방법 1. 공기탈기법(air stripping)

○ 방법 2. 파괴점 염소주입법(breakpoint chlorination)

○ 방법 3. 선택적 이온교환법

○ 방법 4. 생물학적 질소제거

○ 방법 5. 메탄올 주입 총괄반응

○ 파괴점 염소주입법의 질소 제거 공정은 다음과 같음

○ 2NH₄⁺ (aq) + 3HOCl (aq) → N₂ (g) + 3Cl^- (aq) + 3H₂O (l) + 5H⁺ (aq) 

 

입력: 2022.08.07 14:54