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마이크로웨이브 가열을 이용한 합성폐수 내 붕소의 화학적 침전 제거
Abstract
Objectives
The objective of this study is to investigate the potential for the removal of boron(B) from synthetic wastewater through chemical precipitation using microwave heating to identify the optimal conditions for the removal of boron.
Methods
Synthetic wastewater was prepared using boric acid(H3BO3) and distilled water. The range of variables that exert an influence on boron removal included the initial pH 3-13, the calcium hydroxide(Ca(OH)2) dosage of 0.5-10 g per 30 mL(17–333 g/L), and the boron concentration of 100-1,500 mg/L. A face-centered design in response surface method was employed to identify the optimal conditions for boron removal in a continuous scale and to ascertain the interaction of the factors.
Results and Discussion
In discontinuous conditions, the maximum removal efficiency was observed at initial pH 3, Ca(OH)2 of 2 g, and the boron concentration of 1,500 mg/L. As the pH value decreased, the removal of boron increased. The greatest removal efficiency was observed when the dosage of Ca(OH)2 was 2-5 g. It was also found that the higher the concentration of boron, the greater the removal efficiency. In the continuous scale, the optimal conditions for boron removal were identified as initial pH 3.3, the dosage of 6.2 g Ca(OH)2, and the boron concentration of 1,500 mg/L, with the removal efficiency of 93%. All independent variables exerted a statistically significant influence on chemical precipitation removal(p<0.05). In comparison to pH(p=0.047), boron concentration(p<0.001) and Ca(OH)2 dosage(p<0.001) demonstrated a more pronounced impact on boron removal. The interaction between boron concentration and Ca(OH)2 dosage was also identified as statistically significant(p<0.001).
Conclusion
Chemical precipitation using microwave heating was effective in removal of boron from wastewater, and the optimal conditions in continuous scale through response surface analysis were initial pH 3.3, boron concentration 1,500 mg/L, and Ca(OH)2 dosage 6.2 g(207 g/L).
Key words: Microwave, Response surface analysis, Boron, Optimization, Chemical precipitation
요약
목적
마이크로웨이브(microwave)가열을 이용하여 합성폐수 내 붕소(B)를 화학적 침전을 통해 제거하고, 붕소를 효율적으로 제거하기 위한 최적 인자조건을 제시하고자 하였다.
방법
붕산(H3BO3)과 증류수를 사용하여 합성폐수를 제조하였다. 영향 인자의 범위로 초기 pH 3–13, 수산화칼슘(Ca(OH)2) 30 mL 당 0.5–10 g(17–333 g/L), 붕소 농도 100–1,500 mg/L를 설정하여 실험을 진행하였다. 연속적인 스케일(continuous scale)에서 붕소제거를 위한 최적의 조건과 인자의 상호작용을 확인하기 위해 반응표면분석(response surface analysis) 중 면중심설계(face centered design)를 사용하였다.
결과 및 토의
비연속조건의 경우 pH 3, Ca(OH)2양 2 g, 붕소 농도 1,500 mg/L에서 최대 제거율을 보였다. pH는 산성일수록 제거율이 높았다. Ca(OH)2양은 2–5 g의 범위에서 최대 제거율을 보였다. 붕소농도는 높을수록 제거율이 높았다. 연속적인 스케일에서 붕소 제거의 최적 조건은 초기 pH=3.3, Ca(OH)2양= 6.2 g, 붕소 농도=1,500 mg/L으로 나타났으며, 이 때 제거율은 93%이었다. 모든 독립 변수가 p<0.05로 화학적 침전 제거에 유의미한 영향을 미쳤다. pH(p=0.047)에 비해 붕소농도(p<0.001)와 Ca(OH)2양(p<0.001)은 붕소 제거에 있어 더 큰 영향을 미쳤으며, 붕소 농도와 Ca(OH)2양의 교호작용도 유의미하였다(p<0.001).
결론
마이크로웨이브 가열을 이용한 화학적 침전이 폐수 내 붕소를 제거하는데 효과적이었으며, 반응표면분석을 통한 연속적인 스케일에서 최적 조건은 초기 pH 3.3, 붕소 농도 1,500 mg/L, Ca(OH)2양 30 mL 당 6.2 g(207 g/L)이 었다.
주제어: 마이크로웨이브, 반응표면분석, 붕소, 최적화, 화학적 침전
1. 서 론
붕소(B)는 비금속 원소로, 전 세계적으로 널리 분포되어 있으며, 자연 상태에서는 원소 형태로 존재하지 않고 다양한 형태의 붕산 및 붕산염으로 물에 존재한다[ 1]. 붕소는 유리, 세라믹, 도자기, 화장품, 반도체 등 여러 산업 분야에서 중요한 원료로 사용되며[ 2], 그 중에서도 가장 큰 사용처는 유리 산업으로 붕소 화합물의 절반 이상이 이 분야에서 소비된다. 또한 붕소는 비료, 용접, 세척, 연료, 촉매 등 다양한 용도로도 활용된다. 오늘날 자연계의 붕소의 농도는 인위적 및 자연적 요인으로 인해 증가하고 있으며, 특히 붕소가 포함된 제품의 생산과 폐기 과정에서 발생하는 붕소 폐수는 심각한 환경 문제를 초래한다[ 1]. 또한 붕소는 환경에 배출될 때 휘발성이 높아 공기 중에서 산성비를 형성하고, 이로 인해 토양에 퇴적되거나 식물에 흡수될 수 있으며, 이는 식수원을 오염시키고 다양한 환경 및 건강 문제를 야기할 수 있다. 현재 전 세계적으로 붕소의 음용수 기준이 설정되어 있지만, 나라별로 규제 수준은 상이하다[ 1, 3]. World Health Organization (WHO)는 음용수에 대해 권장 함량을 0.5 mg/L으로 제시하고 있으며[ 4], 많은 국가들이 자체적으로 기준을 마련하고 있다[ 1, 3]. 우리나라[ 5]를 포함한 영국[ 6], 일본[ 7] 등의 나라는 1 mg/L의 기준을 채택하고 있다. 음용수 기준 1 mg/L을 만족하기 위해서는 폐수에서 붕소를 효과적으로 제거할 수 있는 방법이 필요하다. 붕소 제거를 위한 여러 공정을 개발하고 있으며[ 8], 이온 교환(ion exchange)과 역삼투(reverse osmosis)는 안정적인 처리 과정을 제공하여 음용수 처리에 사용하지만, 비용이 많이 들고 폐수 처리 시 성능이 저하될 수 있다. 금속 수산화물, 소성 알루나이트, 비산재(fly ash), 석탄 등 다양한 재료를 사용한 흡착 제거법은 비용 면에서 유리하지만, 붕소 제거 효율이 낮고 많은 슬러지를 생성하는 단점이 있다[ 9, 10]. 그리고 Ca(OH) 2 [ 11], Fe(OH) 3 [ 12], Al(OH) 3 [ 13], Mg(OH) 2 [ 13]등의 금속 수산화물을 붕소의 제거에 연구하고 있다. 일반적으로 금속 수산화물을 이용한 붕소의 제거는 제거 속도가 낮고 다량의 금속 수산화물이 필요하며 다량의 재활용 불가능한 폐기물이 배출되어 비효율적이고 친환경적이지 않다[ 14]. Fe(OH) 3와 Al(OH) 3의 경우에는 고농도 폐수를 처리하기 힘들고[ 15], Mg(OH) 2는 염수에서의 붕소 제거에 효과적이다[ 16]. 반면에 Ca(OH) 2는 고농도의 폐수에도 적용 가능하고 화학적 침전에 자주 사용되며, 여러 산업 분야에 사용되어 쉽게 구할 수 있고 저렴하다[ 11, 17]. Ca(OH) 2 수열작용으로 생긴 침전물은 붕사(Na 2B 4O 7·10H 2O) 생산 공정에서 원료로 재사용될 수 있어 기존의 금속 수산화물을 이용한 붕소 제거 기술에 비해 친환경적이다[ 14]. 붕소와 수산화칼슘의 수열반응은 붕산이 증류수에 용해된 후, H 3BO 3 분자가 두개 형성되고 하나의(H–O) 2BOB(O–H) 2·H 2O가 형성된다( 식 1). 이 후 (H–O) 2BOB(O–H) 2·H 2O와 두 개의 Ca(OH) 2와 반응하여 Ca 2B 2O 5·H 2O 분자와 물 분자 4개를 형성한다( 식 2). 수열작용에 의한 화학적 침전법은 반응 시간이 길고 온도의 영향을 많이 받아 가열을 위한 에너지가 많이 소모된다[ 18]. 이러한 단점을 보완하기 위해 마이크로웨이브(microwave)기술이 효과적인 대안이 될 수 있다. 마이크로웨이브 기술은 빠르고 균일하며 선택적이고 효율적인 가열 기능으로 인정받고 있으며 다양한 산업에서 광범위하게 활용되고 있다[ 1]. 마이크로웨이브 가열을 이용하여 붕소의 제거하기 위한 기존 연구에서 마이크로웨이브의 반응온도를 60–160°C로 조절하여 붕소의 제거효율에 미치는 영향을 분석한 결과, 130°C에서 최대 제거효율을 보였으며 그 이후로는 비슷한 제거효율을 보였다[ 18]. 온도 외에도 붕소의 제거효율을 결정하는 여러 인자(초기 pH, 붕소 농도, Ca(OH) 2양, 온도, 교반 속도 등)가 있다[ 1, 18]. 붕소 폐수에서 pH의 변화에 따라 붕산염 이온의 조성이 달라진다[ 20]. 초기 pH 변화에 따른 붕산염 이온의 조성은 Ca(OH) 2와 붕소의 반응을 결정하며 이에 따라 붕소의 제거효율에 영향을 미칠 것으로 예상된다. 한편 붕소를 배출하는 공정(붕사 제조, 유리 제조, 세라믹 제조, 채굴, 석탄 발전 등)에서는 고농도(50–6,000 mg/L)의 붕소를 배출한다[ 21]. 이에 고농도의 붕소를 제거하기 위한 효율적인 기술이 필요하다. 또한 Ca(OH) 2는 폐수 내에서 붕소와 직접적으로 반응하여 침전물의 형태로 붕소를 제거하기 때문에 Ca(OH) 2의 양은 붕소의 제거효율에 직결된다[ 1, 18] 반응표면분석법(response surface analysis)은 최적화 실험 계획법으로, 반응값에 영향을 주는 중요한 실험인자를 찾은 다음 소수의 중요인자를 활용하여 최적의 반응값을 찾는 분석법이다[ 22]. 이는 최적의 운영 조건을 식별하기 위해 개발되었으며 다양한 분야에서 사용되어 실험 및 시스템을 최적화한다[ 23]. 반응표면분석은 변수에 대한 다항식 함수를 생성하며 이 함수를 근사하여 최적화 및 모델링을 실시하며[ 24], 실험횟수를 최소화할 수 있다는 장점을 가지고 있다[ 22]. 마이크로웨이브 가열을 이용한 기존 논문에서는 붕소 제거를 위한 다양한 인자에 대한 실험이 부족하고, 연속적인 스케일(continuous scale)에서 결과를 보고한 문헌은 찾아볼 수 없었다. 이에 본 연구에서는 비연속 조건에서 초기 pH, 붕소 농도, Ca(OH)2 양의 인자별 최적 조건을 찾고, 이를 바탕으로 반응표면분석을 통해 연속적인 스케일(continuous scale)에서 붕소 제거를 위한 최적의 조건을 도출하고 인자의 상호작용을 확인하고자 한다. 이를 바탕으로 폐수 내 붕소를 제거하기 위해 마이크로웨이브 가열 방식과 Ca(OH)2를 이용하여 효율적인 화학적 침전 방식을 제안하고자 한다.
2. 재료 및 방법
붕소 합성 폐수 30 mL를 메디아병(round media storage bottle)에 넣고 Ca(OH)2(0.5–10 g)를 투여하였다. 반응이 종료된 후에는 붕소의 재용해를 방지하기 위해 즉시 유리미세섬유 필터(glass microfiber filters, GF/C)를 이용하여 1회 여과한 후, 붕소의 농도를 측정하였다.
2.1. 용액
합성 폐수는 붕산(H3BO3)(대정화금,대한민국)와 증류수를 사용하여 제조하였다. 화학적 침전반응을 위한 Ca(OH)2(삼전순약 공업주식회사, 대한민국)를 사용하였다. 붕소 합성폐수의 농도는 100, 500, 1,000, 1,500 mg/L으로 제조하였고 용액의 초기 pH 조절을 위해 염산(HCl)(대정화금, 대한민국)과 수산화나트륨(NaOH)(포바이오코리아, 대한민국)을 희석하여 사용하였다.
2.2. 마이크로웨이브와 일반가열
마이크로웨이브(microwave) 가열을 위해 전력량 1,600 W, 온도 130°C로 설정한 MARS 5 (CEM Corporation, 2,450 MHz, 최대출력 1,600 W)을 사용하였다. 설정 온도까지 도달하기 위한 승온시간을 5분으로 설정하고, 승온이 끝난 시점을 반응시작점으로 하였다. 일반가열(conventional heating)에는 온도를 130°C설정한 항온 오븐(constant temperature oven, DKL 610C, Yamato, 1,650W)을 사용하였으며, 오븐에 시료를 투입한 후 온도가 130°C가 되는 시점을 반응시작점으로 하였다. 실온(room temperature, 25°C)을 Control로 설정하여 두 가열 조건(마이크로웨이브 가열, 일반가열)과 비교하였다. 시료 30 mL에 대해 붕소 농도 1,000 mg/L, 초기 pH 6, Ca(OH)2양 5 g, 반응시간 0–20분 등은 모든 실험에서 동일하게 적용하였으며, 시료에 대해 5분, 10분, 20분의 지점에서 측정을 실시하였다. 모든 실험은 2회 반복하였다.
2.3. 영향인자
마이크로웨이브 가열을 사용하여, 초기 pH, 붕소 농도, Ca(OH)2양의 비연속 조건에서 붕소의 제거효율에 미치는 영향을 분석하였다. 시료량(30 mL), 전력량(1,600 W), 온도(130°C), 조사 시간(10분)은 고정인자로 하고, 마이크로웨이브를 조사하였다. 초기 pH 실험의 경우 pH 3부터 13까지 조절하였고, 붕소 농도 1,000 mg/L, Ca(OH)2양 5 g으로 고정하였다. 붕소 농도 영향 분석 시 100–1,000 mg/L까지 조절하였고, 초기 pH 6, Ca(OH)2양 5 g으로 고정하였다. Ca(OH)2양의 영향을 분석하기 위해 Ca(OH)2의 주입량을 0.5–10 g(17–333 g/mL)으로 조절하고, 초기 pH 6, 붕소 농도 1,000 mg/L으로 고정하였다.
2.4. 반응표면분석
실험 설계를 위해 반응표면분석 방법 중 면중심설계(face centered design)를 선택하였다. 면중심설계에 의한 독립 변수는 붕소의 화학적 침전 제거 과정에 영향을 미치는 변수인 초기 pH 3–9, 붕소 농도 500–1,500 mg/L, Ca(OH) 2양 1–9 g(33–300 g/L)으로 선정하였다. MARS5(1,600 W, 130°C, 10분 조사)를 이용하여 마이크로웨이브를 조사하였다. 본 연구에서는 면중심설계에 따라 6번의 중앙점을 포함한 20번의 실험을 설계하여 진행하였다( Table 1). 독립 변수와 중앙값의 수를 이용하여 총 실험 수를 구할 수 있다( 식3) [ 25]. 여기서, N은 총 실험 수, n은 독립변수 수, m은 중앙값 수이다.
2.5. 분석 방법
붕소 농도는 Carmine Method를 이용하여 측정하였다[ 26]. 자외선/가시선 분광광도계(UV-VIS spectrophotometer, Livra S60, Biochrom, UK)로 610 nm에서 흡광도를 측정하였다[ 27]. pH는 pH meter(UB-10, Denver Instrument, USA)로 측정하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 마이크로웨이브와 일반가열
붕소 제거 효율은 일반가열에 비해 마이크로웨이브로 가열할 때 더 높았다. 초기 pH 6, 붕소 1,000 mg/L, Ca(OH) 2 5 g 조건에서 일반가열과 마이크로웨이브 가열을 이용하여 온도 130°C, 가열시간 0–20분에서 처리한 결과, 마이크로웨이브에서 10분 가열 시 76%의 붕소가 제거되었고 그 이후에는 일정하게 유지되었다( Fig. 1). 일반가열에서는 붕소의 제거율이 10분 후 40%, 20분 후에는 48%가 되었다. 즉, 마이크로웨이브 가열에 의한 붕소의 제거율이 일반가열에 비해 높았다. 이는 마이크로웨이브 가열에 의한 에너지 전달 속도가 더 빠르기 때문이다[ 18]. 그러나 일반가열의 경우 붕소 제거율이 처리시간에 따라 증가하는 경향을 보이기 때문에 처리시간이 충분히 주어진다면 마이크로웨이브 가열과 비슷한 제거율을 보일 것으로 예상된다[ 18]. 같은 조건으로 25℃에 방치한 control의 경우 일반가열 방법 보다 제거율이 낮았으며 20분에 37.8%의 제거율을 보여주었다. 기존 연구에서도 본 연구 결과와 유사한 경향을 보였다[ 18]. Tsai 등이 수행한 붕소처리 연구에서는 붕소 500 mg/L 용액에 Ca(OH) 2 30 mL 당 2 g(67 g/L)을 투여한 시료를 온도 130℃, 가열시간 10–240분 동안 처리한 결과 마이크로웨이브 가열에서 10분 후 붕소의 제거율 90%가 되었고 그 이후에는 일정하게 유지되었다. 일반가열에서는 10분 후 붕소의 제거율이 39%, 30분 이후로는 88%로 유지되는 경향을 보였다. 하지만 마이크로웨이브 가열과 일반가열 처리시간이 길어지면서 침전된 붕소가 재용해 되어 붕소 농도가 상승한다고 보고하였다[ 18]. 한편 25℃에서는 본 연구와 마찬가지로 붕소 제거율이 10%로 가장 낮았다.
3.2. 마이크로웨이브 가열 방식에 미치는 영향인자
3.2.1. 초기 pH
붕소 농도 1,000 mg/L, Ca(OH) 2 5 g 조건에서 초기 pH(3–13)가 낮을수록 붕소의 제거율이 상승하였다( Fig. 2(a)). Ca(OH) 2를 첨가했을 때 초기 pH에 관계없이 최종 pH는 12 이상으로 나타났다. 붕소의 제거율은 pH 3에서 80%로 가장 높은 제거 효율을 보였으며 pH 13에서는 30%로 가장 낮았다. 전반적으로 용액의 초기 pH가 증가함에 따라 붕소의 제거율이 감소하였다. 붕소가 용해되어 생성된 붕산염 이온의 조성은 pH에 따라 변화한다[ 11]. Ca(OH) 2 투여로 인한 높은 pH 조건에서는 monoborate 이온(B(OH) 4−)으로 바뀐다[ 28, 29]. Monoborate 이온의 형성은 Ca(OH) 2과 붕소 이온의 반응을 감소시키고[ 11], 이는 화학적 침전을 통한 붕소의 제거효율에 영향을 미치며 pH가 증가할수록 제거효율이 감소되는 원인이 된다. 기존 연구에서도 본 연구 결과와 유사한 경향을 보였다[ 11]. Yilmaz 등이 수행한 붕소처리 연구에서는 붕소 1,000 mg/L 용액을 초기 pH 0.5, 1, 2, 4, 6으로 조정한 뒤 Ca(OH) 2 100 mL 당 10 g(100 g/L)을 투여한 시료를 교반 속도 150 rpm, 20℃에서 처리하였고 모든 용액에서 최종 pH는 평균 12이었다. 붕소의 제거율은 pH 1에서 30%로 가장 높은 반면 pH 6에서는 8%로 가장 낮았다.
3.2.2. 붕소 농도
pH 6, Ca(OH) 2 5 g 조건에서 붕소 농도(100–1,500 mg/L)가 높을수록 붕소의 제거율이 상승하였다( Fig. 2(b)). 붕소 제거율은 1,500 mg/L에서 90%, 100 mg/L에서 37%로 나타났다. 붕소 농도 1,500 mg/L일때의 잔여 붕소 농도는 150 mg/L이었고, 붕소 농도 100 mg/L일때의 잔여 붕소 농도는 63 mg/L이었다. 초기 붕소의 농도는 1,500 mg/L과 100 mg/L이 15배 가량 차이가 나지만, 최종적으로는 약 2.4배의 차이가 났다. 또한 붕소의 제거 질량당 Ca(OH) 2 투입량을 비교한 결과, 붕소 농도 1,500 mg/L에서 119 g Ca(OH) 2/g H 3BO 3, 100 mg/L에서 4,505 g Ca(OH) 2/g H 3BO 3 이었다. 즉, 고농도 붕소 농도 제거 시 붕산 제거 질량 당 Ca(OH) 2 투입량이 적어 효과적임을 알 수 있다. 일반적으로 낮은 붕소 농도의 용액에는 monoborate 이온 만이 존재한다[ 11]. 고농도의 붕소 용액에서는 붕소 원자가 중합(polymerization) 효과에 의해 polyborate 이온으로 변한다[ 29]. Polyborate 이온은 다른 이온 보다 이동 속도가 더 빨라 Ca(OH) 2와 반응이 활성화되어 붕소의 제거율에 영향을 미친다[ 20, 29]. 붕소 제거율은 2,500 mg/L에서 가장 높았고(50%), 100 mg/L에서 가장 낮았다(10%). 기존 문헌에서도 붕소 농도 100–2,500 mg/L, 시료량 100 mL, 온도 20℃, pH 1, 교반 속도 150 rpm, Ca(OH) 2 10 g(100 g/L) 조건에서 붕소의 처리효율은 붕소 농도 2,500 mg/L에서 가장 높았고(50%), 100 mg/L에서 가장 낮은 것으로 보고되었다[ 11].
3.2.3. Ca(OH)2 투입량
pH 6, 붕소 농도 1,000 mg/L, Ca(OH) 2양 0.5–10 g에서 2-5 g(67–167 g/L)일 때 붕소의 제거율이 가장 높았다(78%)( Fig. 2(c)). 기존 논문에 따르면 Ca(OH) 2가 증가하면 붕산염 이온 당 Ca(OH) 2가 증가하지만[ 11], 본 연구에서는 일정 양 이상의 Ca(OH) 2가 투여될 경우 Ca(OH) 2 질량 당 붕소의 제거량이 감소하였다. 기존 연구에 의하면 붕소 농도 500 mg/L, 마이크로웨이브 130℃, 30분 조사, Ca(OH) 2 30 mL 당 0.1–5 g(3–167 g/L)의 조건으로 실험한 결과 Ca(OH) 2 0.3 g(10 g/L)을 투여했을 때 붕소의 제거효율이 90%에 도달한 후 일정하게 유지되었다[ 18]. Ca(OH) 2와 H 3BO 3의 비가 333 g Ca(OH) 2/g H 3BO 3이 되도록 Ca(OH) 2를 10 g 투입한 결과 붕소 제거효율이 감소하는 경향을 보였으나, 기존 연구에서는 약 90%의 제거효율을 유지하였다. 다른 연구에서는 붕소 농도 1,000 mg/L, 시료량 100 mL, pH 1, 온도 80℃, 교반 속도 150 rpm, Ca(OH) 2 2.5–10 g(25–100 g/mL)의 조건으로 실험한 결과 Ca(OH) 2와 H 3BO 3의 비가 100 g Ca(OH) 2/g H 3BO 3이 되도록 Ca(OH) 2을 10 g 투입한 경우 붕소 제거효율이 90%로 가장 높았다[ 11]. 한편 본 연구 결과에서는 Ca(OH) 2와 H 3BO 3의 비가 100 g Ca(OH) 2/g H 3BO 3인 경우 기존 문헌[ 11]에 비해 12% 정도 낮은 제거효율을 보였다. 이와 같이 Ca(OH) 2와 H 3BO 3의 비가 같더라도 제거효율이 다른 이유는 실험 조건(붕소 농도, pH, 반응 온도, 반응 시간, 가열 방법, 교반 등)이 다르기 때문으로 추정된다.
3.3. 면중심설계
면중심설계에 따라 진행된 실험 결과, 초기 pH가 감소하고( Fig. 3(a), (c)), 붕소 농도가 증가함에 따라 붕소의 제거 효율이 증가하였다( Fig. 3(a), (b)). 독립 인자의 p 값은 초기 pH = 0.047, 붕소 농도 = 0.000, Ca(OH) 2양 = 0.000으로 붕소의 제거에 유의미한 영향을 미쳤다 (p < 0.05)( Table 2). 초기 pH 보다 붕소 농도와 Ca(OH) 2양이 붕소 제거에 더 많은 영향을 미쳤음을 알 수 있었다. 결정계수의 범위는 0≤ R 2 ≤1이며, 결정계수가 1에 가까운 모델일수록 정확히 예측할 수 있다[ 30]. 이에 결정계수 R 2=0.97, 적합성 결여 p 값은 0.052(>0.05)로 모델로서 적합하였다( 식 4). 여기서, X 1은 초기 pH, X 2는 붕소 농도, X 3는 Ca(OH) 2양이다. 붕소 농도와 Ca(OH) 2양 간의 상호작용은 p = 0.000로 붕소의 화학적 침전 제거에 있어 두 변수 간의 영향력이 유의미하다( Table 2). 실험 결과 범위 내에서 최적값은 초기 pH = 3.3, 붕소 농도 = 1,500 mg/L, Ca(OH) 2양 = 6.2 g(207 g/L)으로, 이 때 붕소 제거율은 93%이다.
3.4. 실험의 한계 및 향후연구
합성폐수에서 붕소 제거를 위한 다양한 방법을 연구하고 있으나, 마이크로웨이브 조사를 이용한 붕소의 화학적 침전에 대한 연구는 부족한 상태이다. 본 연구에서는 합성폐수를 대상으로 붕소 제거 실험을 수행하여 실폐수에 연구결과를 바로 적용하기에는 어려움이 있다. 이에 실폐수를 대상으로 다양한 조건에서 마이크로웨이브 조사를 활용한 붕소 제거 연구가 요구되며, 에너지 투입량 관점에서 마이크로웨이브 가열이 효과적임을 확인하는 연구가 필요하다. 그리고 마이크로웨이브 조사와 Ca(OH)2를 이용한 침전물에서 붕소를 회수하는 연구 또한 필요하다. 본 연구에서 일정량 이상의 Ca(OH)2을 투여할 경우 제거율이 감소하였는데 이에 대한 정확한 원인을 규명하기 위해서는 추가적인 연구가 필요하다.
4. 결 론
본 연구는 가열방법, pH, 붕소 농도, Ca(OH)2양 등의 변수 조건이 합성 폐수 내 붕소 제거에 미치는 영향을 알아보았다. 붕소의 제거효율은 일반가열에 비해 마이크로웨이브로 가열하는 경우 높게 나타났다. 마이크로웨이브로 가열하는 경우 초기 pH가 낮을수록, 붕소의 농도가 높을수록 붕소 제거율이 높았으며 최적 Ca(OH)2 투입량은 2-5 g(67–167 g/L)이었다. 이러한 실험 결과를 바탕으로 마이크로웨이브 가열 조건에서 반응표면분석을 수행하였으며, 붕소 제거를 위한 최적 조건은 초기 pH 3.3, 붕소 농도 1,500 mg/L, Ca(OH)2양 6.2 g(207 g/L)이었고 붕소 제거효율은 93%이었다. 붕소 농도와 Ca(OH)2양이 pH에 비해 붕소 제거에 더 큰 영향을 미쳤으며, 붕소 농도와 Ca(OH)2 투입량 간의 상호작용이 유의미한 것으로 해석되었다. 본 연구에서는 연속적인 스케일에서 마이크로웨이브 가열을 이용하여 폐수 내 붕소를 Ca(OH)2로 침전 제거하는 최적 조건을 제시하였다.
Acknowledgments
본 연구는 2024년도 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 지자체-대학 협력기반 지역혁신 사업의 결과입니다(2022RIS-005).
Fig. 1.
Removal efficiency of boron by control, microwave heating, and conventional heating. 
Fig. 2.
Removal efficiency of boron in microwave heating method with (a) initial pH, (b) boron concentration, and (c) Ca(OH)2 dose per 30 mL. 
Fig. 3.
A three-dimensional mesh graph representing the independent variables that affect boron removal efficiency: initial pH, boron concentration, and Ca(OH)2 dose per 30 mL. 
Table 1.
Independent variables and experimental design by face centered design.
|
Run no. |
Independent variable
|
Removal(%) |
|
Initial pH (X1) |
Boron concentration (mg/L) (X2) |
Ca(OH)2 doseb (g) (X3) |
|
1 |
3 |
1,500 |
9 |
89 |
|
2 |
9 |
1,500 |
1 |
80 |
|
3 |
3 |
1,000 |
5 |
79 |
|
4 |
9 |
500 |
9 |
49 |
|
5 |
3 |
1,500 |
1 |
80 |
|
6 |
9 |
1,000 |
5 |
60 |
|
7 |
6 |
1,000 |
9 |
70 |
|
8a
|
6 |
1,000 |
5 |
74±3 |
|
9 |
6 |
1,000 |
1 |
64 |
|
10 |
6 |
1,500 |
5 |
92 |
|
11 |
9 |
1,500 |
9 |
88 |
|
12 |
6 |
500 |
5 |
41 |
|
13 |
3 |
500 |
9 |
59 |
|
14 |
9 |
500 |
1 |
7 |
|
15 |
3 |
500 |
1 |
12 |
Table 2.
Analysis of variance for face centered design.
|
Source |
DFa)
|
Adj SSb)
|
Adj MSc)
|
F-value |
P-value |
|
Model |
7 |
9,435 |
1,348 |
50.3 |
0.000 |
|
Linear |
3 |
8,222 |
2,741 |
102.3 |
0.000 |
|
Initial pH |
1 |
131 |
131 |
4.9 |
0.047 |
|
Boron conc |
1 |
6,816 |
6,816 |
254.4 |
0.000 |
|
Ca(OH)2 dose |
1 |
1,275 |
1,275 |
47.6 |
0.000 |
|
Square |
2 |
558 |
279 |
10.4 |
0.002 |
|
Boron conc × Boron conc |
1 |
121 |
121 |
4.5 |
0.055 |
|
Ca(OH)2 dose × Ca(OH)2 dose |
1 |
103 |
103 |
3.8 |
0.074 |
|
2 - Way Interaction |
2 |
655 |
328 |
12.2 |
0.001 |
|
Initial pH × Boron conc |
1 |
21 |
21 |
0.8 |
0.393 |
|
Boron conc × Ca(OH)2 dose |
1 |
634 |
634 |
23.7 |
0.000 |
|
Error |
12 |
322 |
27 |
|
|
|
Lack-of-fit |
7 |
280 |
40 |
4.8 |
0.052 |
|
Pure Error |
5 |
42 |
8 |
|
|
|
Total |
19 |
9,757 |
|
|
|
References
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