J. Environ. Sci. Eng. (2012), 15, 1-5

pH변화에 따른 영가철을 이용한 질산성질소의 화학적 환원

(Nitrate Nitrogen of Chemical Reduction by Iron Powder at Different pHs)

김가영

한국외국어대학교 환경학과

질산성질소의 WHO권고 기준치는 10 ppm 이하이며 (한국,일본,미국), 유럽에서는 11.3 mg/L, 오스트리아 에서

는 9.0 mg/L, 덴마크는 5.7 mg/L, 스위스는 4.3 mg/L 등과 같이 10 mg/L 이하의 기준을 채택하고 있다. 영가철을

사용하는 경우 반응을 중성조건, 혹은 산성 조건에서 진행 시킬수 있지만 중성조건에서는 반응속도가 느려 제거율

이 떨어지기 때문에 산을 첨가하여 산성조건을 만들어 낮은 pH조건에서 진행하는 것이 유리하다 (Gordon et al.,

2004). 따라서 본 연구에서는 황산과 수산화나트륨을 이용하여 pH3, 7, 9의 상태를 만들어 질산성질소의 제거 효

율을 보았으며, 그 결과 황산을 첨가하여 만든 pH3의 조건에서 가장 눈에 띄게 반응을 하였고 제거효율도 가장 좋

게 관찰되었다.

서 론

영가철에 의한 질산성질소의 제거는 1990년대 초반부터

활발히 이루어 졌으며, 최근에는 전기화학적 환원처리를 위

해 다양한 전자 공여체를 이용한 연구가 활발히 진행되었

다. 그 중 영가철은 질산성질소의 환원 처리에 적합한 재료

중 하나로 알려져 있다 (정 등, 2011). 질산성질소는 농경지

에 살포된 질소비료, 가정하수, 사람, 가축 등의 분뇨에 의

한 오염원에서 기인한다. 질산성질소를 제거하는 것에 있어

질소의 음용수 WHO권고 기준치 중 암모니아성질소는

0.5 mg/L (0.5 ppm)을 넘지 않아야 하고, 수소이온 농도는

pH5.8 이상 8.5 이하여야 한다. 질산성질소는 10 mg/L (10 ppm)

이하여야 하며 최대 44 ppm을 넘지 않아야 한다 (유아가 마

시는 물의 질산성질소의 최대 기준치는 22 ppm 이하).

질산성질소가 수질의 지표가 되는 이유는 지하수 뿐만 아

니라 지표수에서도 가장 대표적인 오염 물질로서 수계의 부

영양화, 녹조 및 적조현상을 포함한 질소 성분의 생태계 독

성과 인체 위해성으로 인하여 국민적인 관심이 고조되고 있

다(최 등, 2003).

또한 질산성은 화학적으로 불활성이나 미생물작용에 의

해 환원되어 2차, 3차적인 반응을 하면서 인체에 유해하다

는 점에서 주목할 필요가 있다. 질산성질소는 기준치 (10 ppm)

이상 농도의 물을 장기간 복용하게 되면 타액의 효소에 의

해 체내에서 아질산성질소로 환원되고 이렇게 생성된 아질

산성질소는 혈류내로 흡수되어 높은 pH에서 혈액속의 헤모

글로빈과 반응하여 산소운반능력을 저하시킨다. 성인의 위

산은 pH2-3인 것에 비해 유아의 위산은 pH가 4 이상이므

로 유아에게서는 질산성질소가 아질산성질소로 환원되는

2차적 변형이 더 빈번하게 일어나게 된다. 이러한 2차, 3차

적인 변형을 통해 아질산성질소는 높은 pH에서 혈액속의

헤모글로빈과 반응하여 산소운반능력을 저하시킴으로 성인

의 경우 질식에 이르게 하고, 유아에게는 청색증을 유발해

유해한 물질로 분류되어 있다. 질산성 질소는 pH1 (산성)의

조건에서 영가철을 이용하여 질산성 질소를 제거하였을 경

우 24시간 안에 완벽히 암모니아성질소로 환원된다는 것을

다른 논문에서 발견하였고, 질산성질소 제거에 있어 pH는

아주 중요한 관련이 있다 (Zhang et al. 2004). 따라서 본 실

험에서는 pH의 변화에 따른 질산성질소의 제거 효율을 보

았고 pH3, 7, 9의 조건으로 만들어 실험을 진행하였다.

재료 및 방법

질산성질소의 제거는 철가루가 질산성질소와 반응하는

48시간 동안 철이 산화되어 암모니아성질소로 환원되는 것

이다. 이 환원된 암모니아성질소에 대한 후처리 작업이 필

요하나 본 실험에서는 질산성질소의 제거에만 집중하였다.

질산성질소의 제거율을 보기위해 암모니아성질소의 상승률

역시 같이 보았고 암모니아성질소가 상승하는 만큼 질산성

질소가 암모니아성질소로 환원된 것이다. 결국 암모니아성

질소의 상승률과 질산성질소의 하락률의 합은 질산성질소

의 초기 농도와 비례한다.

이 실험에 사용된 전해철분말은 지택 앤 코리아에서 주

문하여 사용하였다. 다양한 pH를 맞추기 위해 Task1, 2, 3

로 나누어 Task1은 pH7, Task2는 pH3, Task3은 pH9로 정

해 놓았고 측정항목은 NO3

−-N, pH, NH4+-N이다. 먼저 실

*Corresponding author

Tel. 031-330-4777, Fax. 031-330-4529

E-mail: rmaksgogo@naver.com

2 김가영

험에 쓰일 임의로 만든 질산성질소 표준용액 농도는 KNO3

를 사용하여 24 mg NO3

−

as N/L로 정하였으며 계산법은 이

하이다.

준비한 질산성질소 표준용액 시료와, 철가루, 여과지, 3차

증류수 (DDW)를 준비해 놓고 실험 전 일 준비 절차를 밟

는다. 처음 준비했던 질산성질소 표준용액 (2 mg/mL) 60 mL

를 1 L 메스플라스크에 넣은 뒤 3차 증류수로 1 L를 채워

잘 섞은 후 5 L 갈색 병에 넣는다.

최대한의 오차범위를 줄이기 위해 위에 사용한 1 L 메스

2mgNO3

N–

mL--------------------------------

60mg

5L--------------× 24 mg/L=

Fig. 1. The result of the TASK 1 (pH7)

Fig. 2. Average for TASK 1

Fig. 3. The result of the TASK 2 (pH3)

Fig. 4. Average for TASK 2

pH변화에 따른 영가철을 이용한 질산성질소의 화학적 환원 3

플라스크에 증류수만을 넣어 헹구어 주듯 잘 흔들어준 다

음 5 L 갈색 병에 넣는데, 이것을 4번 반복하여 총 5 L가 되

게 한다. 그런 후 5 L 갈색 병에 교반 봉을 넣고 실험 직전

까지 교반한다. 다음날 쓰일 170 mL 사각병 총 27개를 준

비하고 (1-1~9-3) 실험당일 Task1 에서 교반시키던 5 L 갈

색 병의 시료 일부를 채취하여 pH가 7이 되었는지 확인한

후 사각병 27개의 번호를 잘 확인하여 170 mL씩 넣고 사각

병 1-1, 1-2, 1-3을 제외한 나머지 24개의 사각병에 철가루

무게를 측정 후 기록하고 투입한다. 철가루를 투입하지 않

은 세 개의 사각병을 (1-1,1-2,1-3)을 제외하고 모두 텀블러

에 넣은 뒤 흔들리지 않게 잘 정돈하여 2일 (48시간) 혼합

반응 시킨다. 2일 (48시간) 후 운전을 마치고 시료를 여과

한 후 아래의 항목들을 측정하여 기록하였다.

다음 Task2는 위 Task1과 방법은 같으나 처음 만들어 놓

았던 시료, 질산성질소 표준용액 (2 mg/L) 60 mL를 1 L 메

스플라스크에 넣고 pH3을 맞추기 위해 1 N 황산 1 mL를 넣

은 뒤 3차 증류수로 채운다. 이하방법은 모두 같다(Fig. 3, 4).

마지막으로 Task3, pH9의 상태를 측정하기 위해 질산성

질소 표준용액 (2 mg/L) 60 mL를 1 L 메스플라스크에 넣고

1 N NaOH 0.6 mL 넣은 뒤 위와 같은 방법으로 실험을 진

행하였다 (Fig. 5, 6).

결과 및 고찰

Fig. 8과 Fig. 9에서 볼 수 있듯이 pH를 3으로 맞춘 경우

(Task2)를 제외한 Task1과 Task3의 질산성질소 제거율과 암

모니아성질소의 환원율이 비슷한 농도로 진행되었다. 큰 차

이를 볼 수 있었던 부분은 pH3일 때 (Task2)의 사각병 NO.2

부터였는데 pH가 3에서 9로 급격하게 상승하였으며 (Fig.

7), 암모니아성질소의 경우도 Task1 (0.3), Task3 (0.2)와 다

르게 약 9로 급상승하였다 (Fig. 8). 질산성 질소 1M이 암

모니아성 1M로 환원됨으로 Task2의 NO.7을 보면 1.25%의

질산성 질소가 제거된 것이고 98.88%가 암모니아성질소로

환원된 것이다 (Fig. 4). 또한 pH3인 조건에서 질산성질소

의 경우도 암모니아성질소로 급 환원되어 질산성질소의 제

거율이 가장 좋았다는 결과를 볼 수 있었으며, 사각병 NO.2

부터 NO.7까지 조금씩 제거가 되었고 NO.8, NO.9는 거의Fig. 5. The result of the TASK 3 (pH9)

Fig. 6. Average for TASK 3 Fig. 7. Transition of the pH site

4 김가영

완벽하게 제거되었다는 것을 볼 수 있었다 (Fig. 9). 이것은

pH3의 조건에서 영가철을 투입하였을 때 수중내의 용존산

소 및 H2O가 영가철과 반응함으로 수산화기를 생성시켜 반

응이 시작되어 pH가 급격히 상승한 것이다 (정 등, 2011)

영가철이 수중에 존재시 열 역학적으로 불안정 하기 때문

에 영가철과 H2O 경계면에서 부식이 발생하고, 호기성 상

태에서는 수중의 용존산소가 산화제로 작용하여 부식을 가

속화 시킨다고 알려져 있다 (Tratnyek et al. 1995) (Fig. 7~9).

최종 결과그림 (Fig. 10)을 보면 R-Squared 값이 pH3일

때 99.8%, pH7일 때 83.6%, pH9일 때 87.4% 로 거의 정확

한 실험이었고, Kf (Freundlich 등온식)의 값은 pH3일 때

0.883mgNO3

−-N/1gFe0, pH7일 때 0.169mgNO3

−-N/1gFe0,

pH9일 때 0.768mgNO3

−-N/1gFe0가 된다. 황산을 넣었던 pH3

조건 일 때 질산성질소의 제거 효율이 가장 좋았고 이것은

질산성 질소를 제거함에 있어 pH의 변화가 아주 중요한 역

할을 하는 것임을 보여준다.

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8. Tian C. Zhang, Yong H. Huang. 2004. Effect of low pH on

Fig. 8. Reduction of NH4+-N

Fig. 9. Rate of Removing NO3

−-N

Fig. 10. End result

Initial pH Kf (mg NO3

−-N/g Fe0) 1/n r2 (%)

3.0 0.883 0.91457 99.8

7.0 0.169 0.94120 83.6

9.0 0.769 0.243019 87.4

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10. 폐수처리공학1 (고광백, 김영관, 윤주환, 임재영, 한무영, 문병

헌, 민경석, 안영호, 유규선, 이병헌, 이상호, 이인형, 임봉수)

2007년 1월 10일 발행.

(Received November 23, 2012)