마그네슘 금속 부식에 의한 돼지 폐수에서 인산염의 결정화 및 침전

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 16601(2015) 이 기사 인용

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이 논문은 Mg 금속 부식에 의한 스트루바이트 침전에서 마그네슘 투여량에 대한 독특한 접근 방식을 제시합니다. 실험 결과에 따르면 마그네슘 투입량을 위해 Mg 금속과 흑연 펠렛으로 채워진 공기 버블링 컬럼을 사용하는 것이 최적의 작동 모드였으며 흑연 과립의 존재로 인해 Mg 금속 펠렛의 부식을 크게 가속화할 수 있는 것으로 나타났습니다. 반응 메커니즘 실험을 통해 용액 pH가 공정에 의한 스트루바이트 결정화에 대한 지표로 사용될 수 있음이 밝혀졌습니다. Mg 금속 투여량, 흑연과 마그네슘 금속의 질량비(G:M) 및 공기 흐름 속도의 증가는 용액 pH를 빠르게 증가시킬 수 있습니다. 세 가지 조건 모두 각각 10g L–1, 1:1 및 1L min–1일 때 인산염 회수 효율은 97.5%에 도달했습니다. 인산염 회수 공정의 자동화 수준을 높이기 위해 흑연-마그네슘 공기 버블링 컬럼이 담긴 연속 흐름 반응기를 실제 돼지 폐수에서 인산염을 수확하도록 설계했습니다. 소량의 Mg 금속 펠렛을 간헐적으로 보충하는 조건에서 약 95%의 인산염을 95.8%(±0.5) 순도의 스트루바이트로 안정적으로 회수할 수 있었습니다. 경제적 분석에 따르면 제안된 프로세스는 기술적으로 간단하고 경제적으로 실현 가능했습니다.

인(P)은 모든 생명체에 존재하는 필수 원소일 뿐만 아니라 수역에서 부영양화를 일으키는 주요 영양소라는 것은 잘 알려져 있습니다1. 동시에, 인광석에서 파생된 인은 매장량이 제한된 재생 불가능한 자원이며, 매년 농업 및 산업 생산의 막대한 소비로 인해 점차적으로 고갈됩니다. 일부 연구자들은 현재 증가된 고갈율이 변하지 않는다면 세계의 알려진 인산염 매장량이 100년 이내에 고갈될 것이라고 예측했습니다2,3. 이 중요한 재생 불가능한 자원을 보호하기 위해 중국, 미국 등 일부 주요 인산염 생산 국가에서는 인광석을 전략적 자원으로 지정하고 수출 통제 관리를 시행하고 있습니다4. 지난 몇 년 동안 인광석의 국제 시장 가격은 여러 가지 이유로 급격히 상승했습니다. 따라서 폐수에서 인산염을 회수하는 것은 부영양화를 방지하고 인산염 암석을 보호하는 데 매우 중요합니다.

돼지 폐수는 인산염 농도가 높은 전형적인 폐수 유형입니다5,6. 폐수의 인은 일반적으로 부영양화 가능성이 큰 정인산염(PT)으로 존재합니다. 공공 수역의 부영양화를 방지하기 위해 양돈 농장은 지표수로 유입되는 P 수준을 줄이고 설정된 수질 법규 기준을 준수해야 합니다. 이를 위해 향상된 생물학적 인 제거7, 인산칼슘(Cax(PO4)y, CP)/스트루바이트(MgNH4PO4·6H2O) 결정화8,9,10, 해양 거대 조류(Kappaphycus alvarezii) 생체흡수11 및 활성화된 산화알루미늄 흡착1이 조사되었습니다. 이들 공정 중 스트루바이트 결정화는 높은 반응속도와 인 회수 효율로 인해 인산염 회수에 이상적인 공정으로 인식되고 있다. 돼지 폐수의 Mg2+ 결핍으로 인해 MgCl2 및 MgSO4는 종종 스트루바이트 침전을 위한 마그네슘 공급원으로 사용됩니다. 이러한 염을 마그네슘 공급원으로 사용하면 높은 수준의 인산염 제거가 달성될 수 있지만 폐수의 인산염 농도 변동으로 인해 복용량과 용액 pH 조정을 잘 제어하기가 어려웠습니다. 또한 이러한 염을 사용하면 폐수의 염도가 쉽게 증가하여 이후의 생물학적 처리 과정에서 미생물 활동이 억제됩니다12,13. 또한, 인산염 회수 비용을 줄이기 위해 저등급 MgO 및 Mg(OH)2와 같은 일부 저가의 마그네슘 공급원도 마그네슘 공급원으로 활용되었습니다. 불행하게도, 이러한 시약은 MgO/Mg(OH)2의 과잉 첨가로 인해 수확된 스트루바이트의 순도를 크게 감소시키는 것으로 밝혀졌습니다.