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화학 반응 속도 (시계반응) 평가A좋아요

1실험 제목: 화학 반응 속도 (시계반응)1. 실험 목적반응 물질의 농도를 달리하여 시계반응으로 속도를 측정하고, 반응속도 상수와반응차수를 구한다.2. 실험 이론① 반응 속도물체의 운동을 나타낼 때 물체가 얼마나 빠르게 이동하고 있는가에 대한 척도로 속도(velocity)를 이용한다. 화학 반응에 대해서도 반응이 얼마나 빠르게 일어나는가에 대한 척도로 반응 속도(reaction rate)를 사용한다.반응 속도는 평형과는 엄격히 구분되어야 한다. 그래서 화학자들은 반응 속도 측면에서 안정한 물질(즉, 속도론적으로 안정한 물질)과 평형적 측면에서 안정한 물질(즉, 열역학적으로 안정한 물질)을 구분해서 사용한다.열역학적으로 안정하지만 분해 속도가 매우 빨라 속도론적으로 불안정해 쉽게 분해되는 물질이 있는 반면, 열역학적으로 불안정해도 분해 속도가 매우 느려 속도론적으로 안정하여 오랫동안 그 상태로 남아있는 다이아몬드와 같은 물질도 있다. 그러므로 반응 속도만으로 물질의 안정성을 판단해서는 안된다.반응 속도는 단위 시간 동안 반응 물질 또는 생성 물질의 농도 변화량으로 정의되며, M/s(mol/L?sec)의 단위를 갖는다. 또한 화학 반응식만으로 반응 속도에 대해서 언급하게 되면 정확히 어떤 물질의 소멸 속도인지 생성 속도인지 의미가 모호해지기 때문에 어떤 물질의 소멸 속도 혹은 생성 속도를 명시해 주는 것이 좋다.정반응역반응생성물반응물vtt농도반응 속도를 생성물질의 농도변화량이라고 정의하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.반응 속도 = 반응 물질 농도의 변화량 = 생성 물질 농도의 변화량반응 시간 반응 시간반응 속도를 측정하기란 쉬운 일이 아니다. 반응 속도는 온도에 매우 민감한데, 반응할 때 나오는 반응열 때문에 온도를 일정하게 유지시키기는 어렵다. 또한 반응 속도는 시간에 따라 달라지는데, 시간마다 물질의 농도를 측정할 수 없다. 그렇기 때문에 엄밀하게 순간적인 반응 속도를 구하는 것은 불가능하다. 따라서 보통 반응 속도를 측정할 때 여러 가지 근사를 이용하거나 평감소한 질량이 발생한 기체의 질량과 같으므로 시간에 따른 질량 변화를 측정하여 반응 속도를 구한다.반응 속도(g/s) = 감소한 기체의 질량(g)반응 시간(s)이 경우도 부피 측정법과 마찬가지로 질량을 기체의 분자량으로 나누어 주면 mol/s의 단위를 가지는 반응 속도를 구할 수 있다.- 앙금 생성 반응 : 앙금 생성 반응은 일정량의 앙금이 형성될 때까지 걸리는 시간을 측정하여 반응 속도를 구한다. 하지만 이 방법은 절대적인 반응 속도값을 얻을 수 없으며 앙금의 색에 따라 개인 차이가 날 수도 있다.반응 속도(s?¹) = 1반응 시간(s)② 반응 속도 상수와 반응 차수반응 aA + bB → C에 대한 C의 생성 속도를 반응 속도로 정의하면 다음과 같다.v = d[C] over dt = - 1 over a d[A] over dt그렇지만 실험을 통해 반응의 속도를 측정해 보면 다음과 같은 관계로 나타나는데, 이를 반응 속도식이라고 한다.v = k[A]^m [B]^n반응 속도식에서는 k는 속도 상수(reaction constant)라고 하며, 이는 온도에 따라 변하는 값이다. 일반적으로 온도가 높을수록 k값이 커지는 경향이 있다. 반응 속도식에서 m과 n은 각각 A와 B에 대한 반응 차수(order of reaction)라고 한다. 반응 속도식이 이와 같이 나타날 때 이 반응은 A에 대해서 m차 반응, B에 대하여 n차 반응이며, 전체적으로 (m+n)차 반응이라고 한다. 지수인 m, n은 각각 A와 B의 농도 변화에 딸 반응 속도가 어떻게 변하는 지를 알려주는데, 보통은 양의 정수이지만 분수 또는 음수일 수도 있다. 이러한 반응 차수는 실험에 의해서만 결정이 가능하다. 단일 단계 반응일 경우 m, n의 값이 반응식의 계수와 같은 값을 가진다. 하지만 전체 반응식의 경우 여러 개의 단일 단계 반응들이 모여 이루어져 있기 때문에 전체 반응식의 계수가 항상 반응 차수가 된다고 할 수 없다.농도-시간 그래프의 패턴은 반응 차수에 의해 결정되며, 속도 상수의 단위도 반응 차 된다. 즉, 반응 속도식은 항상 초기 반응 속도(t=0에서의 순간 속도)만을 기준으로 생각해야 한다.앞서 다루었듯이 평형 상수와 달리 반응 차수는 실험적으로 결정해야 한다. 이는 화학 반응식이 aA + bB → C라고 해서 a개의 A분자와 b개의 B분자가 직접 만나서 반응하는 것이 아니기 때문이다. 반응 속도식의 반응 차수는 반응 속도가 물질의 농도의 몇 제곱을 한 것에 비례하느냐에 따라 달라진다. 즉, 반응 속도는 0차 반응에서는 물질의 농도와 무관하고 1차 반응에서는 물질의 농도에 비례하며 2차 반응에서는 물질의 농도의 제곱에 비례한다. 이를 바탕으로 반응 차수가 음수이거나 정수가 아닌 반응 또는 3차 반응에 대해서도 생각해 볼 수 있다. 하지만 3차 반응 이상은 분자 세계에서 일어나기 힘든 반응이며 실제 거의 존재하지 않는다.[A]tv농도tv농도[A][A]?tv농도③ 시계반응의 개념시계 반응은 마치 중화점을 찾는 반응처럼 반응 도중에 갑자기 색이 변해 그것이 마치 자명종처럼 보인다고 해서 붙여진 이름이다. 화학 반응에는 단순한 과정을 거쳐서 일어나는 것도 있지만 여러 가지 반응들이 몇 단계에 걸쳐 일어나는 것도 있는데, 이 원리를 이용한 것이다.지시약을 같이 넣어두었다가 첫 번째 반응에서 생성되었던 물질과 두 번째 반응에서 반응하는 물질이 모두 소모되면 첫 번째 과정에서 생성되었던 물질이 남게 되어 그것이 지시약의 색을 갑자기 변화시킨다. 그러나 그 전에는 아무런 변화도 느끼지 못한다. 이처럼 갑자기 변하는 반응이 시계와 같다고 해서 시계반응(clock reaction)이라고 하며, 이것으로 반응이 종결되었음을 알 수 있다.④ 반응 속도에 영향을 주는 인자유효 충돌의 횟수가 증가할수록 반응 속도는 빨라진다. 충돌 횟수와 관련된 반응 속도를 조절하는 요인에는 반응물의 농도, 반응물의 표면적이 있다.일반적으로 농도가 진해질수록 반응 속도가 빨라지는데, 농도가 진할수록 단위 부피당 분자의 수가 많아져 분자들의 충돌 횟수가 증가되기 때문이다. 농도가 반응 속도 늘어나 충돌 횟수가 증가하기 때문에 반응 속도가 빨라지게 된다.활성화 에너지와 관련하여 반응 속도를 조절하는 요인으로는 온도와 촉매가 있다.반응의 활성화 에너지가 일정하다 하더라도 분자가 갖는 에너지 분포는 온도에 따라 달라진다. 즉, 온도가 높아질수록 활성화 에너지보다 더 큰 에너지를 갖는 분자들의 수가 증가하므로 온도가 높아질수록 반응 속도가 빨라진다. 참고로 온도가 10℃ 올라가면 반응 속도는 약 2~3배 정도 빨라진다. 이때 온도가 변하므로 평형 상수도 변하게 된다.촉매를 이용하여 반응 속도를 조절하는 것은 온도와 약간 다르다. 촉매는 화학 반응에서 반응 메커니즘을 변화시켜 자신은 변화되지 않으면서 활성화 에너지를 증가 또는 감소시켜 반응 속도를 변화시키는 물질이다. 이때 활성화 에너지를 증가시켜 반응 속도를 느리게 하는 촉매를 부촉매라고 하고, 활성화 에너지를 감소시켜 반응 속도를 빠르게 하는 촉매를 정촉매라고 한다. 촉매는 단지 반응이 종결될 때까지의 시간만을 단축시킬 뿐이지 생성 물질의 양을 증가 또는 감소시킬 수는 없다. 즉, 평형 상태에 도달하기까지의 시간이 단축될 뿐 평형 상수는 변하지 않는다.이번 실험은 화학양론적으로 다음과 같다.2I? + S2O82? = I2 (aq) + 2SO42?이 반응은 동시에 세 가지 이온의 충돌이 필요하다. 그러한 충돌이 일어날 확률은 매우 작다.첫째로 2개 아이오딘과 1개 과황산 이온(S2O82?)간의 가능한 순차 반응은 다음과 같다.메커니즘1 1?a I? + S₂O?²? = SO₄²? + SO₄I?1?b SO₄I? + I? = I₂ +5SO₄²?이 반응 중 한 가지는 다른 반응보다 더 느리다. 다단계 반응 중 더 느린 반응을 속도 결정단계라고 한다. 이것은 그 과정의 전체 속도가 느린 단계의 속도에 따라 결정된다는 것을 의미한다. 메커니즘 1에서 첫째 단계가 속도 결정 단계이면 첫째 단계의 속도는 다음과 같다.속도 = k [I?][S₂O?²?](메커니즘 1?a의 속도식)둘째 단계가 첫째 단계보다 느리면 속도₃²? → 2I? + S₄O?²?이 반응에서 I₂가 형성되자마자 S₂O₃²? 이온과 매우 빨리 반응하여 없어지고 S₂O₃²?이온이 모두 소모되면 I₂ 분자가 용액에 남게 되며, 이것이 녹말과 반응하여 청색을 띠게 된다. 따라서 S₂O₃²? 이온이 모두 반응하여 없어지는데 필요한 시간을 색깔로 알려주므로 시계와 같은 구실을 한다.I₂ + 녹말 → blue complex본 실험에서 결정하려는 반응 속도식은 다음의 첫 번째 반응에 관한 것이며,2I? + S₂O?²? → I₂ + 2SO₄²?Na₂S₂O₃ 가 다 소모될 때까지, 즉 I₂가 반응 용기에 존재하기 시작하는 순간까지의 반응 속도를 측정하는 것이다.3. 실험 기구 및 시약실험기구- 눈금실린더(10mL) : 액체의 부피를 측정하는 기구- 초시계- 스포이드9: 소량의 액체를 빨아내거나 한 방울씩 떨어뜨리는 데 사용- 씻기병 : 세척액을 넣어두는 용기- 고무마개- 시험관 : 간단한 화학 반응에 주로 사용하는 기다란 원통형 기구- 시험관대 : 시험관이 쓰러지지 않도록 고정시켜주는 틀시약- 0.200M 요오드화 칼륨 용액(KI): 투명하거나 무색 또는 불투명한 6각형의 결정. 강화제.- 0.200M 염화 칼륨 용액(KCl): 전해질. 보라색 불꽃 반응.- 0.100M 과산화이황산 칼륨 용액 (K2S2O8 ): 산화제- 0.0050M, 0.0075M 티오황산 나트륨 용액(Na2S2O3 ): 무색의 주상 결정. 사진 현상의 정착제. 표백제.- 0.100M 황산 칼륨 용액(K2SO4 ): 각종 비료와 배합. 무색의 가루.- 0.4% 녹말 용액: D-글루코스의 축합 중합체.- 0.100M CuSO4 용액: 푸른색의 투명한 결정.4. 참고 문헌숨마쿰라우데 화학2, 김인섭 외 3인, 이룸이앤비, 2007일반화학, Ralph A Burns, 녹문당, 2008네이버 백과사전(http://100.naver.com)5. 실험 과정다음 표(실험A set 와 B set)와 같이 시약을 넣은 후 0.100M 과산화이황산 칼륨 용액(K2S2O0

공학/기술| 2021.04.10| 12페이지| 1,500원| 조회(425)

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평형상수의 결정과 Le Chatelier(르샤틀리에) 원리 확인

1. 실험 제목 : 평형상수의 결정과 Le Chatelier 원리 확인2. 실험목적반응용액의 흡광도를 측정하여 반응물과 생성물의 평형농도, 평형상수를 결정한다. 또한 이 반응에서 Le Chatelier 원리를 확인한다.3. 실험원리FeSCN ^{2+}질산철(Ⅲ)용액과 티오시안산칼륨 용액을 섞으면 다음 반응에 따라 붉은색을 띤 착이온인 이 생긴다.Fe ^{3+} (aq)``+``SCN ^{-} (aq)```` LRHARPOONS `````FeSCN ^{2+}(진한 노랑) (무색) (적갈색)착 이온의 농도(x)를 측정하면 아래와 같이 이 반응의 평형상수를 계산할 수 있다.K= {[FeSCN ^{2+} ]} over {[Fe ^{3+} ][SCN ^{-} ]} = {x} over {(a-x)(b-x)}여기서a와b는 각각Fe^{3+ }및SCN^{-}의 초기농도이다. 생성된 착이온의 평형농도는 착이온의 표준용액과 색을 비교하여 구할 수 있는데 분광광도계를 이용하여 흡광도를 측정함으로써 계산할 수 있다.빛을 흡수하는FeSCN^{2+ }착이온의 녹아있는 용액의 흡광도는 Beer's rule을 따른다. 즉 혼합용액에 의하여 빛이 흡수되는 정도는 용액의 농도와 빛이 용액을 통과하는 거리의 곱에 비례한다.Beer prime s```````rule`````A= epsilon bCε : 몰 흡광계수 (Lcm-1mol-1)b : 흡수 cuvette 두께 (cm)C : sample 의 농도 (mol/L)또한FeSCN^{2+ }착이온은 450nm의 파장에서 빛을 흡수하고 혼합용액의FeSCN^{2+ }착이온의 농도가 진할수록 흡광도는 증가한다.Le chatelier 의 원리: 평형에 있는 어떤 계에 외부에서 변화를 주면 그 계는 외부의 변화를 완화 시키는 방향으로 반응이 진행된다.-화학평형과 평형상수의 개념화학 평형은 물리에서의 힘의 평형과 달리 계속 변화하는 것임을 염두에 두어야 한다. 동적 평형 상태가 곧 화학 평형의 본질이다. 실질적으로는 매우 활발한 변화가 일어나지만 서로 반대 방관계없이 최종적으로 같은 평형 상태에 도달한다.? 한 계에서 두 개 이상의 반응이 공존할 수 있다면 평형 상태에서는 모든 반응이 평형에 도달한다.한편, 가역반응과 반대로 어느 한 쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응(Irreversible reaction)이라고 하는데 대표적인 예로는 금속과 산이 반응하여 수소가 발생하는 반응이다.vtt농도평형을 결정하는 인자에는 에너지(엔탈피)와 무질서도(엔트로피)가 있다. 모든 반응은 에너지는 낮아지려고 하고, 무질서도는 증가하려고 한다. 이는 화학 평형 뿐만 아니라 모든 자연 현상에 대해 공통적으로 적용된다.반응이 에너지가 낮아지는 방향으로 진행되는 것은 반응성이 없는 안정한 상태로 반응이 진행되는 것을 의미한다. 반응이 무질서도가 증가하는 방향으로 진행되는 것은 질서 정연한 상태보다는 무질서한 상태를 더 선호하는 자연 현상과 같다.하지만 평형에서 더 중요한 것은 평형 상수(Equilibrium constant, K)이다. 일반적으로 aA + bB ? cC+ dD 와 같은 반응에서 평형 상수 K ={[C]^c [D]^d} over {[A]^a [B]^b}로 주어지는데, 이를 질량 작용의 법칙이라고 한다. 이 식을 살펴보면 평형 상수는M^{(c+d)-(a+b)}의 단위를 가질 것 같지만 실제로 K는 단위가 없는 값이다. 이는 평형 상수식에서 반응 물질과 생성 물질의 농도가 아닌 활동도(Activity)이기 때문이다. 활동도는 기준이 되는 어떤 농도(1M, 1atm 등)에 대한 실제 물질이 영향을 미치는 농도의 비로서, 물질의 농도와 크기가 거의 같지만 단위가 없는 양이다. 용질의 활동도값은 용액 상태에서는 용질의 몰 농도와 크기가 거의 같고 기체 상태에서는 기체의 부분 압력(atm)과 크기가 거의 같다. 순수한 고체와 액체는 활동도가 1이므로 평형 상수식에 나타내지 않는다.또한, 온도가 일정하면 평형 상수가 일정하다는 것은 매우 중요한 개념이다. 앞서 설명하였듯이, 대부분의 일반적인 경우에 있어서 평형을 결정하는 인자인 에 Chatelier's Principle) 또는 평형 이동의 법칙이라고 한다.평형 상태에 도달해 있는 상태에서 반응 물질 또는 생성 물질을 첨가 또는 제거하면, 조건이 바뀌면서 평형 상태는 깨지고 새로운 조건의 평형을 형성하는 쪽으로 반응이 이동한다. 반응물을 제거하거나 생성물을 첨가하면 반응지수 Q값은 평형 상수 K값보다 커지므로 평형은 역반응 쪽으로 이동한다. 반대로 반응물을 첨가하거나 생성물을 제거하면 Q값이 K값보다 작아지므로 평형은 정반응 쪽으로 이동한다.온도 변화에 따른 평형의 이동은 그 반응이 흡열 반응인지 발열 반응인지에 따라 달라진다. 흡열 반응에서는 반응물 보다 생성물의 엔탈피가 더 높으므로 에너지를 흡수한다. 온도가 높을수록 주위에 에너지가 풍부하므로 에너지를 흡수하기 쉬워진다. 그러므로 흡열 반응에서는 온도가 높을수록 평형상수가 커진다. 반대로 온도가 낮을수록 에너지를 방출하기는 쉬워진다. 그러므로 발열반응에서는 온도가 낮아질수록 평형상수가 커진다.압력 변화에 따른 평형의 이동은 대체적으로 기체와 관련된 반응에 한해 적용된다. 이는 압력에 따른 부피 변화가 액체나 고체는 거의 없는 반면, 기체는 매우 크기 때문이다. 기체의 몰 수가 증가하는 반응의 경우 정반응이 진행되면 전체 압력이 높아지고 역반응이 진행되면 전체 압력이 낮아진다. 이때 르 샤틀리에의 원리에 의해 반응계의 압력을 높이면 압력을 낮추는 쪽(역반응)으로 평형이 이동하고 반응계의 압력을 낮추면 압력을 높이는 쪽(정반응)으로 평형이 이동한다. 반대로 기체의 몰 수가 감소하는 반응의 경우에는 반응계의 압력을 높이면 정반응 쪽으로, 반응계의 압력을 낮추면 역반응 쪽으로 평형이 이동한다.-Lambert-Beer 의 법칙기체 빛 용액에서의 빛의 흡수에 관한 람베르트의 법칙 및 베르의 법칙을 합친 것이다. 기체나 용액에 빛을 쪼인 뒤 통과해서 나온 빛의 세기는 흡수층의 두께와 몰농도의 영향을 받고, 기체나 용액이 빛을 흡수하는 정도는 흡수층의 분자수에 비례하고 희석도나 압력과는 무관하다는 번호를 매기고, 1번 시험관에 메스실린더로 0.001M KSCN 용액 5ml 넣는다.② 메스실린더로 1번 시험관에 0.02M Fe(NO3)3용액 15ml를 넣고 흔든다. 이 시험관의 [Fe3+]농도는 [SCN-]의 60배가 되며 SCN-는 전부 FeSCN2+ 로 바뀐다고 가정하고 1번 시험관을 표준용액으로 사용한다.(즉, 표준용액의 FeSCN2+의 농도는 SCN-의 처음 농도와 같다고 가정한다.)③ 0.001M KSCN 용액 5ml와 0.02M Fe(NO3)3용액 1.25ml를 10ml 눈금실린더로 측정하여 50 ml 메스실린더에 넣은 후 전체 부피가 20ml가 되도록 물로 채우고 2번 시험관에 옮겨 담고 흔들어 준다.(이 시험관의 [Fe3+] 농도는 [SCN-]의 5배가 된다.)④ 0.001M KSCN 5ml와 0.02M Fe(NO3)3용액 0.5ml를 10ml 눈금 실린더로 측정하여 50ml 메스실린더에 넣은 후 전체 부피가 20ml가 되도록 물을 채우고 3번 시험관에 옮겨 담고 흔들어 준다.((이 시험관의 [Fe3+] 농도는 [SCN-]의 2배가 된다.)2. 혼합용액의 흡광도를 측정하여 평형농도를 구한다.① spectronic 20D+ spectrophotometer 의 전원을 켜고 15분간 예열한다.② 450nm의 파장으로 설정하고 mode 버튼을 눌러 absorbance 측정 mode로 변환시킨다.(기기 왼쪽 하단의 filter bar를 측정파장이 들어있는 bar으로 옮겨 놓는다.)③ 왼쪽의 다이얼을 시계방향으로 돌려 흡광도(A)가 1.950과 되도록 맞춘다.④ 증류수를 넣은 cuvette 을 넣은 후 뚜껑 닫고 다이얼을 조절하여 흡광도가 0.0가 되도록 조절한다.⑤ cuvette을 빼고 뚜껑을 닫은 후 흡광도가 1.950가 되었는지 확인하고 맞지 않다면 ③과 ④의 과정을 반복한다.⑥ cuvette 의 증류수를 버리고 농도가 가장 낮은 4번 시험관의 시료부터 cuvette 안에 넣어 흡광도를 측정한다.3. Le Chtalier 원리를 확인한다.① 흡2개: 소량의 액체를 빨아내거나 한 방울씩 떨어뜨리는데 사용증류수병고무마개spectronic 20D+ spectrophotometer: 빛의 양을 전기 에너지로 바꾸어서 측정하는 분광 광도계cuvette: 비색 분석 또는 분광 분석에서 시료 용액을 넣는 그릇Kimwipes- 시약Fe(NO3)3?9H2O용액: 무색 또는 엷은 보라색. 용융점 47.2℃. 철안료, 분석용 시약, 의약품0.001M KSCN 용액: 조해성. 검출 시약 또는 염료나 의약품.Safety NoteFe(NO3)3?9H2O: 피부를 자극하여 산화시킬 수 있다.KSCN: 피부 발진 및 정신병을 유발할 수 있다.6. 참고문헌일반화학, Ralph A Burns, 녹문당, 2008숨마쿰라우데 화학2, 김인섭 외 3인, 이룸이앤비, 2007네이버 백과사전(http://100.naver.com)7. 실험결과 : 실험결과값은 유효숫자 3자리까지 기록하세요.(1) 혼합용액의 초기농도와 흡광도혼합용액의 농도혼합용액의 초기 농도흡광도A[Fe^3+ ]_초기 = a[SCN^- ] _초기 = b10.0152.50×10?⁴0.80022.00 ×10?³2.50×10?⁴0.18231.00×10?³2.50×10?⁴0.1033번+0.5mlFe(NO_3 )_31.46×10?³2.44×10?⁴0.170(2) 혼합용액의 평형농도와 평형상수혼합용액의 번호[FeSCN^2+ ] _eq[Fe^3+ ] _eq[SCN ^- ] _eqKC(=x_eq)a-xb-x12.50×10?⁴0.014750-25.69×10??1.94×10?³1.93×10?⁴15233.22×10??9.68×10?⁴2.18×10?⁴1533번+0.5mlFe(NO_3 )_35.31×10??1.41×10?³1.91×10?⁴1971. 1번 혼합용액의 흡광도를 이용하여epsilonb값을 구한다.Beer's rule에 의해 A =εbCepsilonb = A over C #~~= 0.8over {2.5times 10^-4} #~~= 32002. 2~5번 혼합용액의 평형농도를 구한다.A= 4}#

공학/기술| 2021.04.10| 8페이지| 1,500원| 조회(750)

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[수질화학및실험]총질소TN 실험레포트(예비,결과 포함)

수질화학 및 실험총질소(TN;Total Nitrogen)1. 실험 목적물은 모든 생명의 원천이며, 현대 산업 활동에 필수불가결한 자원의 하나이다. 물은 다른 자원과 같이 ‘소비되는 자원’이 아니고 ‘순환?재생하는 자원’이다. 물의 사용은 그 ‘질을 소비’하는 것이며, 그 양 자체를 소비하는 것은 아니다. 즉 수자원의 관리는 그 ‘수질의 관리’없이는 불가능하다.산업의 발달과 인구의 급증에 따라 생활하수 및 공장폐수의 양적인 증가뿐만 아니라 질적으로 수많은 유독한 성분들이 배출되어 수원인 강과 호수 그리고 지하수들이 오염되고, 수원의 절대량이 급격히 줄어들고 있는 실정이며, 유독성 물질에 의한 수원의 오염은 인간의 건강을 크게 위협하고 있다. 반면에 생활용수, 공업용수, 농업용수 등의 수요량은 급격히 증가하고 있어 국가적, 나아가 세계적 차원에서의 물이라는 자원의 확보와 효율적 관리의 중요성이 점차 증대되고 있다.환경공학도로서 우리의 임무는 수질을 진단하고, 문제 해결을 처방하여 수질을 치료하는 것이다. 이러한 활동을 위해서는 수질에 대한 이해가 필수적이다. 「수질화학 및 실험」은 수질관리학문을 위한 기초 핵심 선수 도구과목으로써, 수질의 이해에 필요한 화학적 이론 및 분석원리를 배우고, 수질을 측정하는 데 이용되는 여러 가지 수질항목에 대한 이론을 배우며 수질항목의 실제 실험을 통한 문제수행능력을 배양할 수 있는 과목이다. 이번 실험은 여러 가지 수질항목 중 총질소의 측정을 다뤄보고자 한다.총질소는 수중에 함유된 질소화합물의 총량을 말한다. 일단 생각을 해보았을 때 질소는 우리의 대기의 구성성분 중 가장 많은 비율을 차지하고 있다. 그렇다면 수중에도 많은 양의 질소가 용해되어 있을 가능성이 있다. 이런 질소는 인과 더불어 부영양화에 영향을 주게 된다.총질소의 자료는 총인의 자료와 함께 사용되며 우리가 수업시간에 TP-TN의 자료를 배운 적이 있을 것이다. 총인, 총질소의 경우 총인에 대한 총질소의 농도비율이 7미만일 경우에는 총인의 기준은 적용하지 아니하며 그 기에 과학자들은 산업공정에서 생산된 전기불꽃으로 질소 분자를 식물에 필요한 화합물로 전환시키는 방법을 발견하였다. 이 방법으로 비료의 질소 함량을 크게 증가시킬 수 있었다. 오늘날 상업적으로 생산되고 있는 질소비료는 질소 순환에서 다량의 질소의 주요 고정과정이 되었다. 질소는 높은 온도의 대기 상태에서 산소와 결합하는데 이 반응은 온도와 압력 상태만 적당하면 어디에서나 방생한다. 그 결과 오늘날 많은 산업적인 연소 공정은 질소의 산화물을 생성하고 있다. 이 공정을 위해서, 가솔린과 디젤 엔진 안에서 화석연료를 연소시켜야 한다. 그 결과 질소의 산화물은 일종의 대기 오염물로 현대 산업 활동과 현대 기술의 간접적 결과이며 도시 스모그의 주원인이 된다. 요약하면 질소 화합물은 사회와 환경에 득이 되면서 동시에 독이 되기도 한다. 이 화합물은 현대의 농업과 많은 기술공정에 사용되나 동시에 공기와 물의 오염원이 되고 있다. 질소의 순환-1질소분자는 두 원자를 연결하는 세 개의 공유결합, N≡N, 을 가진다. 하나의 화합물이 형성되기 위해서는 이들 결합이 끊어져야 하는데, 세 개 모두의 결합을 끊기 위해서는 950kJmol-1의 에너지가 필요하다. 이처럼 큰 에너지 에도 불구하고 많은 미생물들은 이 에너지 장벽을 극복할 수 있는 조직을 발달 시켜왔다. 그 결과 식물의 성장을 방해하는 예외적인 조건이 없는 한 적절 한 양의 물만 있다면 어디에서나 식물이 자랄 수 있도록 질소가 충분한 속도 로 자연계 내에서 순환한다. 질소순환을 나타내는 도식적인 묘사는 그 순환 내에서 이동가능하고 화학적으로 서로 다른, 질소가 포함된 많은 화학종들의 존재를 보여준다. 순환계 내의 이동에 대한 정량적인 면들은 잘 알려져 있지 않다. 그리고 순환계 내의 흐름에 대해 주어진 값이 경험을 토대로 얻어진 추정 값보다 더 좋지 않은 경우도 종종 있다. 다양한 질소 화학종의 상대적인 열역학적 안정도가 결정될 수 있는데, 이를 다음에 생성 자유 에너지, ΔG의 척도로 나타냈다. 질소순환에서 나타난 화학종의 알칼리도는 약 7.14mg CaCO3/mg NH4+-N 이다.② 탈질미생물에 의한 탈질반응은 무산소 상태에서 유기 에너지원이 있을 때 종속 영양 미생물이 질산을 전자수용체로 활용할 때 진행된다. 탈질은 내생호흡 조건에서도 일어나지만 그 속도는 아주 느리다.4NO3- + 5[CH2O] + 4H+ → 2N2(g) + 5CO2(g) + 7H2O질산성 질소는 NO, N2O, H2와 같은 물질로도 환원된다. 탈질 반응 중에 탄소원인 유기물의 분해는 호기성 과정에서와 마찬가지이다. 열역학 자료에 의하면, 무산소 조건에서의 탈질 반응에 비해 유기 탄소의 호기성 대사에 서의 에너지량이 큰데, 이는 탈질 반응에서 엄격한 무산소 상태가 필요함을 의미한다. 침전조에서 일어나는 탈질 반응 때문에 슬러지 침강성이 악화될수 있다.* 유기성 질소는 시간이 지나면서 점점 질산화과정에 의해 NO3-으로 변한다. 따라서 오염물질이 유입된 지 얼마 안된 곳에서는 유기성질소가 주로 검출되며 오염원에서 멀리 떨어진 곳에서는 상대적으로 NO3-가 많이 검출된다. 이를 이용하여 오염원의 위치를 찾을 수 있다.6) 질소로 인한 문제점지금까지 살펴본 바와 같이 대기 중 분자상 질소(N2)로 변환되어 대기 중으로 돌아가는 지연적 순환 과정은 공생, 비공생 미생물의 작용에 의해서만 가능하고 이 과정으로 순환하는 물질량은 그렇게 많지 않은 편이며, 또 이 자연적 과정만으로 질소가 순환한다면 대기 중 질소물질의 양과 조성의 변화는 거의 없을 것이다. 실질적으로 질소화합물은 생물의 생존에 절대적인 영양물 질로서 상당량이 필요하지만, 육상생태계 및 수계에서 순환하는 물질양은 부족한 상태이기 때문에 생물의 생존에 제한요인으로 작용하게 되어 충분한 유기물 생산성을 확보할 수 없었다. 따라서 인류는 과학 기술력을 이용하여 공중 질소를 인공적으로 대량 고정하여 용해성 물질(비료)을 만들고 이를 농경지에 유입시켰다. 즉 순환량을 증가시켜 농업생산성을 높이게 되었다. 이러한 강제순환의 결과 농업생산성을 향상시켜 인류의 식관리의 중요성이 증가되고 있다. 이러한 물질은 현재 법적으로 규제 대상이 되어 있으며, 기준이 하천이나 호소의 효율적 관리의 측면에서 점진적으로 강화될 것으로 예상된다.물리화학적인 질소 제거 방법과 생물학적인 질소 제거 방법이 있으며 각각의 세부 내용은 아래와 같다.1) 물리화학적 질소제거 방법 물리화학적 질소 제거 방법구 분설 명암모니아 탈기오염 폐수를 충진탑, 산기폭기, 트레이폭기, 그리고 스프레이 폭기 등의 다양한 폭기 법에 의해 공기를 주입하여 휘발성 오염물질고가 공기간의 접촉 면적을 증대시켜 줌으로써 암모니아를 휘발, 제거하는 방법이다. 탈기기법은 휘발성 오염물질을 물에서 공기로 이동시킨다. 주로 지하수 정화에 쓰이는 방법으로써, 충진 탑이나 폭기 조에서 이루어진다.파괴적 염소 주입파괴점 염소주입 공정은 폐수에 파괴점 이상으로 염소를 주입하여 암모니아성 질소를 산화시켜 질소 가스나 기타 안정된 화합물로 바꾸는 공정으로 충분한 염소를 주입하기 전에 유기 물질 등과 같이 쉽게 산화되는 물질을 우선적으로 산화시켜야한다. 산화되기 쉬운 유기물질 등이 존재하면 염소는 일차적으로 이들과 반응하고 이차로 암모니아와 반응하게 되므로 제거효율이 극히 낮아진다.선택적 이온교환일반적으로 암모니아는 낮은 헨리상수로 인해 물에 쉽게 용해되어 NH4+ 이온과 NH3의 농도가 pH에 따라 평형을 이루고 있다. pH 7이하에서는 대부분 NH4+상태로 존재하게 되고 pH 11이상에서는 대부분 NH3로 존재한다. 이에 따라 pH를 중성에 가깝게 조절한 후에 암모늄염을 제거하기 위한 이온교환법을 사용하게 된다. 선택적 이온교환법은 암모늄 이온에 높은 감수성을 나타내는 천연 제올라이트인 클리노프타일라이트 컬럼에 폐수를 통과시켜 암모늄 이온을 제거하는 방법이다.2) 생물학적 질소제거 방법생물학적 질소제거방법은 미생물에 의한 질산화와 탈질반응을 이용하는데 인의 제거와 동시에 진행되도록 개발된 방법들이 많다. 생물학적 질소제거방법에는 미생물의 성장방식에 따라 부유성장식과 부착성장식으로 대별된이것을 대조액이라 한다.흡광도를 이용한 램버트-비어의 법칙을 식으로 표시하면 A = εcl 이 되므로 농도를 알고 있는 표준액에 대하여 흡광도를 측정하고 흡광계수( ε )를 구해 놓으면 시료액에 대해서도 같은 방법으로 흡광도를 측정함으로서 정량을 할 수가 있다.그러나 실제로는 ε를 구하는 대신에 농도가 다른 몇 가지 표준액을 사용하여 시료액과 똑같은 방법으로 조작하여 얻은 검량선으로 부터 시료중의 목적성분을 정량하는 것이 보통이다.3. 소요 기자재 및 시약3)1) 소요 기자재① 광전광도계 또는 광전분광광도계 : 220nm에서 측정 가능한 것 실험시 사용하는 흡광광도계(UVmini-1240)② 고압증기 멸균기 : 약 120℃에서 가열이 가능한 것③ 분해병(흡수셀) : 용량 약 100mL의 내압, 내열의 마개가 있는 유리병 또는 테프론병흡수셀의 재질로는 유리, 석영, 플라스틱 등을 사용한다. 유리제는 주로 가시(可視)및 근적외(近赤外)부 판장범위, 석영제는 자외부 파장범위, 플라스틱제는 근적외부 파장범위를 측정할 때 사용한다. 흡수셀은 일반적으로 그림 3과 같이 4각형 또는 시험관형의 것을 사용한다.④ 여지2) 소요 시약① 알칼리성 과황산칼륨용액이 용액은 용액 속의 질소가 산화되는 과정을 촉진시키기 위해 넣어준다.(산화제 역할)물 500mL에 수산화나트륨(NaOH, 질소, 인 시험용 또는 질소함량이 0.0005% 이하인 것) 20g을 녹인 다음 과황산칼륨(K2S2O8, 질소, 인 시험용 또는 질소함량이 0.0005% 이하인 것) 15g을 넣어 녹인다. 이 용액은 사용 시 조제한다.② 염산(1+16)질소는 고온, 강산 환경에서 산화되기 때문에 시료를 산성(pH 2~3)으로 만들기 위해넣는다. 염산과 증류수를 1 : 16 으로 희석하여 만든다.③ 염산(1+500)질소는 고온, 강산 환경에서 산화되기 때문에 시료를 산성(pH 2~3)으로 만들기 위해넣는다. 염산과 증류수를 1 : 500 으로 희석하여 만든다.④ 질산성 질소 표준원액 (0.1mg NO3-N/mL)검량선을- ℃

공학/기술| 2021.04.10| 33페이지| 6,000원| 조회(461)

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[대기화학공학 및 실험]염화수소 측정 실험 결과보고서

대기화학·공학 및 실험1. Abstract이번 실험은 티오시안산제이수은법을 이용하여 염화수소의 농도를 측정하는 실험이다. 이 실험은 화학반응 등에 따라 굴뚝 등에서 배출되는 배기가스 중에 염화수소의 양을 분석하기 위해 시행되는 실험이며, 이 측정값으로 대기 환경 기준과 비교하여 배기가스의 오염물질인 염화수소의 양을 규제하여 대기 질 개선에 이바지 하는 것이다. 여기서 염화이온은 보통 자극성이 강한 염화물로서 인체에 영향을 일으키며, 또 그 부식성으로 인하여 금속이나 콘크리트에 침식하여 직접 또는 간접적으로 많은 피해를 준다. 이것은 화학적으로 반응성이 크며, 매우 강한 산화제이기 때문에 대기 중의 수증기 방울에 녹아서 염산과 과염소산을 생성하기도 한다. 특히 염화수소 가스는 쉽게 물에 용해하여 염산이 되기 때문에 산성우의 한 요인로 작용하고 강산성 반응이 식물체에 현저하게 피해를 주며 건물이나 설치물 등을 침식할 수 있다.개략적인 실험 원리는 분석용 시료 용액에 티오시안산제이수은 용액과 황산제이철암모늄 용액을 가하여 염소이온과 반응해서 생성한 티오시안산제이철의 흡광도를 측정하여 염화수소를 정량하는 방법으로 시료가스중의 염화수소를 수산화나트륨용액에 흡수시킨 후, 티오시안산제이수은용액과 황산제이철암모늄용액을 가하여 발색시켜, 흡광도 (460nm)를 측정하는 방법이다. 이 발색액은 등적색(노란색)을 나타내는데 이 때문에 우리는 등적색 부근의 파장인 460nm에서 흡광도를 측정하는 것이다. 이 용액은 염소 이온의 농도에 비례하여 그 색이 진해지며 이 특성을 바탕으로 하여 계산식을 이용해 염소 이온의 농도를 구한다. 이번 실험에서는 흡수 과정은 생략하고 염화나트륨에 포함되어 있는 염소 이온을 이용 하여 흡수 완료 되었다고 가정한 분석용 시료용액으로 실험을 진행 하였다.참고로 이번 실험에서 쓰는 측정 방법은 시료의 양이 40L일 때 시료 가스 중의 염화수소 농도 2~40ppm인 것의 분석에 적당하며, 다른 이산화황, 기타 할로겐화물, 시안화물 및 황화물의 영향이 무시되물을, 약산의 염과 반응하여 약산을 생성한다. 염산은 또한 염소 이온의 특징적인 화학반응을 한다. 여러 가지 무기·유기 화합물과 염소화반응을 일으키는 시약으로 쓰이며 금속 또는 금속산화물이 염소를 포함하고 있는 복잡한 이온(예를 들면 백금과 반응하면PtCl, 구리와 반응하면CuCl)을 만드는 데 쓰인다. 특정 금속과 금속화합물이 염산과 같은 세기를 갖는 다른 산(황산·질산)에는 서서히 녹지만, 염산에는 잘 녹는 사실을 후자의 반응으로 설명할 수 있다. 따라서 염산은 금속의 공정과 일부 광석을 농집하는 과정에 널리 쓰인다. 염산은 사람의 위에 소화액으로 존재한다. 산이 과다하게 분비되면 위궤양을 일으 대기화학·공학 및 실험키고, 부족하면 소화장애와 빈혈을 일으키는 주원인이 된다. 대기 부피의 0.1％ 정도의 염화수소 기체에 노출되면 수분 내에 사망할 수 있다. 진한 염산이 피부에 닿으면 화상을 입고 염증이 생긴다.2) 분석 방법의 종류 및 개요배기 가스 중 염화수소를 분석하는 방법에는 흡광 광도법 (티오시안산 제이수은), 질산은 적정법, 이온 크로마토그래피법, 이온 전극법이 있다.환경대기 중 염화수소는 흡광광도법과 이온크로마토그래피법에 의해 분석이 가능하다. 그러나, 환경대기 중염화수소의 측정에는 시료채취방법에서 배기 가스 중 염화수소를 분석하는 방식과 구분이 된다. 환경대기 중 염화수소의 시료채취방법은 소형 임핀저 (impinger)에 흡수시키는 방법과 nnular Denuder System을 이용하는 방법이 더 고려된다. 대기화학·공학 및 실험 염화수소 분석방법의 종류 및 개요분석방법의종 류분석 방법의 개요적 용 조 건요 지시 료 채 취정량 범위vol ppm(mg/Sm3)질산은적정법시료가스중의 염화수소를 수 산화나트륨 용액에 흡수시킨 후, 약산성으로 하고 질산은을 가하여, 티오시안산암모늄용 액으로 적정한다.흡수병법흡수액:0.1mol/L의 수산화나트륨용액액량: 50ml×2표준채취량: 80 L140∼2,800(230∼4,600){} ^{{} ^{1)}}이 방법은_{o}의 관계에서{ { I}_{t } } over { {I }_{o }} ~=~t를 백분율로 표시한 것즉 t×100=T를 투과 퍼센트라 하고 투과도의 역수(逆數)의 상용대수 즉log` { 1} over {t }~=~A를 흡광도(吸光度)라 한다. 램버어트-비어의 법칙은 대조액층을 통과한 빛의 강도를 I{} _{o}, 측정하려고 하는 액층을 통과한 빛의 강도를rm I_t로 했을 때도 똑같은 식이 성립하기 때문에 정량이 가능한 것이다. 대조액층(對照液層)으로는 보통 용매 또는 바탕시험액을 사용하며 이것을 대조액이라 한다. 흡광도를 이용한 램버어트-비어의 법칙을 식으로 표시하면 A=εcℓ이 되므로 농도를 알고 있는 표준액에 대하여 흡광도를 측정하고 흡광계수(ε)를 구해 놓으면 시료액에 대해서도 같은 방법으로 흡광도를 측정함으로서 정량을 할 수가 있다.그러나 실제로는 ε를 구하는 대신에 농도가 다른 몇 가지 표준액을 사용하여 시료액과 똑같은 방법으로 조작하여 얻은 검량선으로부터 시료중의 목적성분을 정량하는 것이 보통이다. 대기화학·공학 및 실험※ 램버어트 비어의 법칙의 한계흡광도가 광로의 길이에 선형으로 비례한다는데는 예외가 없다. 그러나 광로1이 일정할 대 측정한 흡광도와 농도간의 비례관에서는 자주 편차가 발생한다는데 이는 기본적으로 램버어트 비어의 실질적인 한계를 나타낸다. 램버어트 비어의 법식에서 벗어나는 원인은 물성적인 것, 기계적인 것 및 화학적인 것 등 크게 세 가지 요인을 들 수 있다.첫째로 물성적인 요인부터 보면 램버어트 비어의 법칙에서 흡광도(A)와 용액의 농도(C)가 직선관계를 유지한다는 것은 흡광계수(ε)가 모든 농도 범위에서 상수로서 농도에 무관하다는 가정에서만 가능하다. 그러나 실제로 같은 용질의 같은 용액이라 하더라도 농도가 짙어지면 용액의 굴절율(n)이 무시 못 할 정도로 변하는데 용액의 굴절은 흡수율과 다음 식과 같은 관계에 있다.epsilon ``=`` epsilon `'`` BULLET {n} over {(n ^{2} +2) ^{2}}Spectrum)을 갖는 적당한 광원을 사용하고 그 휘선을 중심으로 전후의 좁은 파장범위에서 스펙트럼의 강도를 측정하여 그림 4와 같은 그래프 용지위에 그 눈금의 값을 기록하고 양측의 직선부분을 연장하여 그 교차점으로부터 파장 λm을 구한다.이 파장λm와 진파장(眞波長) λt와의 차 Δλ가 파장오차를 표시하는 것이므로 단색화 장치의 파장조절기구를 조절하여 Δλ가 영(Zero)이 되도록 한다.파장눈금의 교정은 일반적으로 표 2에 따른다. 파장눈금의 교정광 원 의 종 류사용하는 휘선스펙트럼의 파장(nm)수 소 방 전 관중 수 소 방 전관석 영 저 압 수은방 전 관486.13486.00253.65435.88656.28656.10365.01546.07 대기화학·공학 및 실험 파장눈금교정을 위한 선스펙트럼 측정보기② 자동기록식 광전분광광도계의 파장교정은 홀뮴(Holmium) 유리의 흡수스펙트럼을 이용한다. 그림 5는 1nm파장폭에서 측정한 홀뮴유리의 흡수스펙트럼을 표시한 보기이다. 파장을 교정할 때 주사속도(走査速度)가 너무 크면 흡수 피이크의 파장이 달라지는 수가 있으므로 적당한 속도로 주사(走査)해야 한다. 또 홀뮴유리나 간섭필터를 사용하여 파장을 교정할 때도 파장폭이 너무 크면 파장이 달라지는 수가 있으므로 주의해야 한다. 홀뮴유리의 흡수스펙트럼과 피이크의 파장(2) 흡광도 눈금의 보정110℃에서 3시간 이상 건조한 중크롬산 칼륨(1급이상)을 N/20 수산화칼륨 용액에 녹여 중크롬산 칼륨용액을 만든다.그 농도는 시약의 순도를 고려하여 K2Cr2O7으로서 0.0303 g/ℓ가 되도록 한다. 이 용액의 일부를 신속하게 10.0㎜ 흡수셀에 취하고 25℃에서 1nm이하의 파장폭에서 흡광도를 측정한다. 이 때 각 파장에 있어서의 흡광도 및 투과율은 이상이 없는한 표 2의 값을 나타내야 하며 만일 다른 값을 나타내면 표 3에 의하여 흡광도 눈금을 보정한다. 대기화학·공학 및 실험 중크롬산칼륨용액의 흡광도와 투과율(%)(25℃)파 장(nm)흡 광 도투 과 율(%)파 장(nm) 0.2～0.8의 범위에 들도록 시험용액의 농도 및 흡수셀의 길이를 선정한다.(4) 부득이 흡광도를 0.1미만에서 측정할 때는 눈금 확대기를 사용하는 것이 좋다.ㄷ. 정량조작정량조작은 원칙적으로 다음과 같은 순서로 한다. 대기화학·공학 및 실험(1) 피검액(被檢液)을 메스플라스크 같은 용기에 달아 넣는다.(2) 발색시약, 산, 알칼리, 완충액, 마스킹제, 안정제 등 각각 규정된 순서에 따라 가한다.(3) 충분한 발색이 되도록 필요하면 가열 또는 방치한다.(4) 용매를 가하여 일정용적으로 희석한다.(5) 광도계의 측정파장 또는 필터, 슬릿의 폭, 흡수셀 등을 규정한 방법에 따라 조절 또 는 준비한다.(6) 발색액의 일부를 흡수셀에 넣어 4.4의 순서에 따라 흡광도를 측정한다.(7) 측정한 흡광도를 5.1의 요령에 따라 작성한 검량선과 비교하여 목적하는 성분의 농도를 구한다.※ 비고 : 시료중의 목적성분 농도가 낮을 때는 발색액에 잘 녹지 않는 피검성분을 다시 잘 녹는 용매로 추출하여 흡광도를 측정하고 농도를 구해도 무방하다. 대기화학·공학 및 실험4. Apparatus Tested or Used1) 실험 기구가. UV-Visible spectrometer(흡광광도계)나. Pipet다. Volumetric flasks라. Beakers마. 약수저바. 전자저울사. 열판 자력 교반기아. 마그네틱바자. 유리막대 Volumetric flasks & Beakers 흡광광도계 대기화학·공학 및 실험2) 시약가. 티오시안산제이수은용액ㄱ. 질산제이수은[Hg(NO)3?H2O] 5g을 질산(N/2) 약 200㎖에 녹인다.ㄴ. 여기에 황산제이철암모늄용액 3㎖를 가하여 잘 혼합한다.ㄷ. 티오시안산칼륨용액(4%)을 액이 약간 착색될 때까지 가한다.ㄹ. 생성된 티오시안산제이수은의 백색침전은 유리여과기(G3)로 거른다.(침전은 물로 충분히 씻고 자연건조시킨다.)ㅁ. 앞에서 만든 티오시안산제이수은 0.4g을 메틸알콜(methyl alcohol) 100㎖에 녹인 다. 메틸알콜 100ml 교}} `

공학/기술| 2021.04.09| 45페이지| 4,000원| 조회(331)

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계곡수에 유입되는 축산폐수처리 방안(조건 및 공정설계)

계곡수 오수처리 방안 하?폐수 처리공학2계곡수에 유입되는 축산폐수처리 방안 하?폐수 공학 및 설계 2-서론????????????????????????????????11. 장치 개발 배경과 목표????????????????????????????????12. 팀 소개????????????????????????????????1-본론?????????????????????????????????21. 축산폐수????????????????????????????????22. 팀프로젝트 작품구상????????????????????????????????23. 유입수의 조건, 상태????????????????????????????????34. 공정설계????????????????????????????????44.1 미생물 배양 및 활성조?????????????????????????????54.2 살수여상 반응조?????????????????????????????64.3 침전지?????????????????????????????74.4 친환경 공정 - 역간접촉산화법?????????????????????????????85. 장치의 도면?????????????????????????????96. 장치의 사진?????????????????????????????107. 실시설 건설 소요사업비 산정??????????????????????????117.1 소요산업비 총괄?????????????????????????????117.2 공사비 내역?????????????????????????????117.3 기자재 목록?????????????????????????????13-결론???????????????????????????????????????????14-참고문헌????????????????????????????????????????16- 서론1. 장치 개발 배경과 목표산 주변에 목장이 형성됨에 따라 미처 처리되지 못한 가축 분뇨와 축사 세정수 등, 즉 축산 폐수가 계곡으로 유입되고 있다. 이 세정수 등이 섞여 폐수가 축사로부터 배출되게 되는데 이것을 축산폐수라고 한다. 축산폐수는 고농도이므로 적정 처리하여 지역의 생활환경과 상수원 및 하천의 수질개선을 도모해야만 한다(곽동희, 2006).2. 팀프로젝트 작품구상현재 사용되고 있는 축산 폐수 처리 공법에 대한 조사 후 장단점을 파악하고 하폐수 공학 및 설계Ⅱ 수업을 통해 아이디어를 얻어 해당 공법의 단점을 최소화시키는 장치를 구상하였다.대표적인 축산폐수처리공법은 아래와 같다.특징장점단점활성오니법-국내에서 널리 적용되는 공법-대규모 시설에 적합-처리기술의 신뢰성-수질기준만족곤란-부가적 처리필요혐기성소화법-축산분뇨를 혐기성미생물에 의하여 처리-슬러지발생량이 적음-부하변동에 강함-악취 발생-동력비가 많음액상부식법-호기성소화법의 단점을 보완한 공법- 시설규모가 작고 탈수성 양호- 질소, 인 제거가 우수함-전력비, 약품비등 유지관리비가 많이 소요호기성소화법-호기성 산화균을 이용 장시간 포기하여 분해처리-외부환경영향을 작게 받음-혐기성소화보다 작은 용량 운전가능-운전경비과다-혐기성 소화보다 슬러지 발생량이 많고 탈수성이 저조산화구법-산화구에서 순환되는 오수를 포기장치로 호기성처리-소규모시설에 적합-유지관리가 용이-외부환경영향을 많이 받음-악취발생자연정화법-정화능력이 뛰어난 토양균의 정화작용을 활용-토양균의 탈취특성 양호-슬러지의 안정화-외국특허 기설위의 방법 중 하나인 자연정화법과 일반적인 살수여상법을 결합하고자 한다.살수여상이란 쇄석 또는 다공질 여재를 겹쳐 쌓아올린 여상으로, 상부에 하수와 폐수의 살수 장치가 있고 하수의 적하에 따라 여재 표면에 미생물의 피막을 만들어 오물을 분해하며 윗물과 침전물로 분리하여 정상화시킨다. 단위 면적당 처리량이 적으므로 도시 하수에는 별로 이용되지 않지만, 산화 비율이 높으므로 공장 폐수 등 비교적 소규모인 처리에 이용되고 있다(환경용어연구회, 2002).살수여상법은 정화미생물을 고정된 여상에 부착시켜 상부에서 폐수를 살포함으로써 폐수가 여재 표면에 유하하는 동안, 유기영양 돼지에 해당하는 축산폐수 원단위의 대표값은 12L/두/day이지만, 1991년의 폐수량 원단위이기 때문에 현재에는 20년 전 당시보다 세정수 사용이 증가했을 것이란 가정 하에 돼지에 해당하는 폐수량 원단위를 25L/두/day로 두었다. 돼지800마리를 사육한다는 가정을 하였으므로, 유량은 20m3/d이 되고, 원수기준 BOD는 13,000ppm로 가정하고자 한다.Q=25l/두/d TIMES 800두 TIMES 1m ^{3} /10 ^{3} l`=`20m ^{3} /d원수기준 BOD는 13,000ppm이지만, 생물학적 반응조에 유입되기 전 물리, 화학적 반응조를 거친다고 가정하다. 특히, 우리가 사용하고자 하는 살수여상법의 경우 막힘 현상 저감을 위해서라도 1차 침전지 등의 물리, 화학적 공정은 필수적이다. 물리적 반응의 효율을 50%, 화학적 반응의 효율을 70%로 가정하면, 생물학적 반응조의 유입수 BOD농도는 1,950ppm이다.C=13,000ppm TIMES (1-0.5) TIMES (1-0.7)=1,950ppmLR=1,950g/m ^{3} TIMES 20m ^{3} /d=39,000g/d유입유량20m3/dBOD농도1,950ppmBOD부하량39,000g/d4. 공정설계널리 알려진 살수여상법의 단점은 여재, 벽 등에 의해 효율이 저하될 수 있고 활성슬러지법에 비해 단위 면적당 처리효율이 낮다는 점에 있다. 그렇지만 살수여상법은 운전 및 유지관리가 간편하고 적은 동력을 필요로 하기 때문에 널리 이용되고 있다. 우리가 여재로 사용한 쇄석은 재래식 여재라고 볼 수 있고 여재에 기타 찌꺼기 물질이 붙어 악취문제와 막힘 현상을 유발할 수 있지만 주기적으로 여재를 섞어주는 방법을 통해 위의 문제를 상당히 많이 저하시킬 수 있다. 최근에 들어서는 여재로 플라스틱을 사용하고 있는 추세이지만 쇄석의 여재로서의 사용은 플라스틱에 비해 간편하고 쉬운 방법이라고 볼 수 있다.이러한 쇄석을 여재로 사용하는 살수여상법에 자연정화법을 결합시키고자 한다. 위에서 언급한 것처럼 토양균이다. 우리가 가정한 유입 BOD농도는 1,950ppm이고, 유량은 20m3/d이므로 배양조의 부피는 3m3으로 설정한다.V=20m ^{3} /d TIMES 1d TIMES 0.15=3m ^{3} 배양조의 형태에 관한 언급은 없으므로 설계상 편의를 위해 정육면체의 모양을 띠게 하고자 한다. 정육면체 형태의 배양조의 한 변의 길이는 다음과 같다.l= root {3} of {3m ^{3}} =1.44m 미생물 배양 및 활성조는 토양균군의 배양과 활성화를 위한 장치로서 내부에는 미생물이 활성화되도록 작용하는 부식토 물질의 PELLET과 현무암질 부석이 충진되어 있으며 설치 위치에 따라 외장형(조 외부)과 내장형(조 내부)으로 구분된다. 활성기내의 충진재는 직경 16mm, 길이20mm 정도의 봉 형태(PELLET)로 재질은 부식질물질과 점토상의 흙을 혼합하여 이것에 Aluminum silicon 및 Fe 성분 등을 첨가해 말린 것이다. 충진재는 활성기내에서 후르보산, 후민산의 부식물질과 Al, Fe 등의 중금속이 킬레이트 반응을 하여 악취물질 등을 중축합하고 오염물질의 응집 등 미생물의 다양화 생육을 촉진한다.4.2 살수여상 반응조간단하고 쉬운 쇄석을 여재로 활용하여 반응조를 설계한다. 쇄석을 여재로 사용할 경우의 단점을 보완하기 위해 주기적인 섞임을 하고 있다고 가정한다.반응조의 직경10m, 높이2.4m로 가정했을 경우 여재의 단면적(A)과 부피(V)는 다음과 같다.A= {pi } over {4} TIMES (10m) ^{2} =78.5m ^{2}V=78.5m ^{2} TIMES 2.4m=188.4m ^{3} 살수여상법의 효율을 구하는 식은 다음과 같다.E(%)= {100} over {1+0.4432 sqrt {{W} over {VF}}}E: 효율, W: BOD부하(kg/d), V: 여재의 부피(m3), F: 재순환 계수F= {1+R} over {(1+R/10) ^{2}}F: 재순환 계수, R: 재순환비직경10m, 높이2.4m, 재순환비2:1의 살수여상법의 경우, 요한데 반응조의 가동시간을 12시간이라고 가정하면 필요한 용량은 10m3이 된다.V=20m ^{3} /12h TIMES 6h=10m ^{3} 침전지의 직경을 4m, 높이를 3m로 가정하면 침전지의 부피는 37.7m3이다.V= {pi } over {4} TIMES (4m) ^{2} TIMES 3m=37.7m ^{3} 살수여상법의 효율이 저감된 원인 중에 하나는 침전지 설계가 지금까지 턱도 없이 크게 되었다는 점이다. 하지만 미생물 활성 및 배양조를 통해 효율 증대가 예상되고, 향후 해당 지역의 유입수가 증가할 가능성이 크기 때문에 침전지 부피가 다소 크게 되어도 큰 문제점이 발생되지는 않을 것이라고 생각한다.원수 중의 SS 농도 및 처리조의 폭기량에 따라 변동되지만, 해당 공정의 잉여슬러지의 발생량은 유입BOD량의 평균20% 정도이다. 유입BOD량은 1,950ppm이므로 예상되는 잉여슬러지의 농도(XR)는 390ppm이다.X _{R} =1,950ppm TIMES 0.2=390ppm슬러지 배출유량(Qw)을 3m3/d라고 가정하면, 배출 슬러지 부하는 다음과 같다.LR=390g/m ^{3} TIMES 3m ^{3} /d=1,170g/d미생물 배양조V(m3)3l(m)1.44반응조일반 살수여상 효율(%)87.73해당 공정 효율(%)99.487D(m)10H(m)2.4침전지D(m)4H(m)3잉여슬러지 농도(ppm)390잉여슬러지 부하(g/d)1,1704.4 친환경 공정 - 역간접촉산화법접촉산화법은 피처리체를 특수한 여재 또는 생물막에 접촉시켜 산화하는 방법으로, 산화 반응을 좋게 하기 위해 다음과 같은 각종의 것이 고안되어 여러 방면에 이용되고 있다.① 배연 탈황: 배연 속의 아황산 가스를 오산화바나듐, 황산칼슘 등의 촉매를 사용해서 접촉 산화하여 황산 또는 황산암모늄으로 회수한다.② 상수 정화: 옥시수산화철(FeOH)을 피착한 모래 여과를 이용한 여과층에 원수를 통해 접촉 산화하는 방법이다. 여재는 일종의 촉매로 작용해, 단시간에 수중에 철이 산화 제거된다. 산화제는 용,000

공학/기술| 2021.04.09| 17페이지| 6,000원| 조회(240)

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