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암모니아성 질소는 생활하수, 축산폐수, 산업폐수 등의 점오염원과 화학적 비료 남용에 의한 유출 등의 비점오염원으로부터 수계로 방류되어 부영양화 등의 수질 오염을 유발할 수 있다. 생활하수 등에서 암모니아성 질소를 제거하기 위해 생물학적 처리공정이 주로 적용되고 있으나 운영상의 어려움, 비점오염원 저감의 어려움으로 인하여 대체방안이 요구된다. 바이오차를 흡착제로 활용하는 방안은 적용이 간단하며 효율적으로 수중 암모니아를 제거하는 방안으로 주목받고 있다. 선행 연구에서는 대부분 암모니아성 질소 흡착을 NH4+ 양이온 흡착으로 설명하고 있으나 수중의 암모니아성 질소는 pH에 따라 NH4+와 NH3(aq)로 분배될 수 있어 적용 조건에 따라 두 화학종이 모두 흡착에 참여할 가능성이 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 화학종 분배를 함께 고려하는 것의 필요성을 검증하고자 하였다. 바이오차는 발생량이 많은 농업부산물인 볏짚을 300, 400, 500, 600℃ 네 가지 최고온도로 열분해하여 얻었다. 암모니아성 질소 용액은 NH4Cl을 이용하여 준비하였다. 이후 20℃에서 바이오차 투여량 5 g/L 조건으로 초기농도 10 ~ 500 mg/L 용액에 대하여 등온흡착실험을 진행하였다. 흡착반응속도실험은 20℃에서 투여량 5 g/L 조건으로 초기농도 50 mg/L에서 진행하였다. 바이오차 투여 이후 pH는 NH4+의 pKa인 9.25 부근까지 증가하여 NH3(aq)가 액상에 존재할 수 있음을 확인하였다. 등온흡착곡선은 BET 모형에 의해 설명되었기에 응축에 의한 다층 흡착이 진행되는 것을 확인하였다. NH4+만이 흡착에 참여할 경우 쿨롱 반발력에 의해 응축이 일어날 수 없다. NH3(aq)가 흡착에 참여한다면 극성 분자의 쌍극자모멘트 또는 약한 수소결합으로 부터 응축에 의한 다층 흡착을 설명할 수 있다. 반응속도 실험결과 300℃에서 제조한 바이오차에 의한 암모니아성 질소 흡착은 유사 1차 반응속도 모형으로부터 설명할 수 있어 NH4+ 흡착이 주요한 것으로 생각된다. 300℃보다 높은 온도에서 제조한 바이오차의 경우 Elovich’s Equation이 암모니아성 질소의 흡착반응속도를 더 잘 설명하여 흡착 메커니즘을 NH4+ 흡착으로 설명할 수 없었다. Elovich’s Equation은 분자 상 물질의 화학적 흡착을 설명하는 모형이므로 NH3(aq)이 흡착에 참여하는 것으로 해석할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 바이오차에 의한 암모니아성 질소 흡착은 NH4+ 이온의 흡착뿐만 아니라 NH3(aq)의 흡착도 함께 고려해야 함을 확인하였다.
