Abstract
This study was to examine the physicochemical characteristics of coagulation reaction between ignited oyster shell powder (IOSP) and red tide organisms (RTO), and its feasibility, in developing a technology for the removal of RTO bloom in coastal sea,IOSP was made from oyster shell and its physicochemical characteristics were examined for particle size distribution, surface characteristic by scanning electron microscope, zeta potential, and alkalinity and pH variations in sea water. Two kinds of RTO that were used in this study, Cylindrotheca closterium and Skeletonema costatum, were sampled in Masan bay and were cultured in laboratory. Coagulation experiments were conducted using various c(Incentrations of IOSP, RTO, and a jar tester. The supernatant and RTO culture solution were analyzed for pH, alkalinity, RTO cell number, IOSP showed positive zeta potentials of $11.1{\~}50.1\;mV\;at\;pH\;6.2{\~}12.7$, A positive zeta potential of IOSP slowly decreased with decreasing pNa 4,0 to 2,0. When pNa reached zero, the zeta potential approached zero, When a pMg value was decreased, the positive zeta potential of IOSP increased until pMg 3.0 and decreased below pMg 3.0. IOSP showed 4.8 mV of positive zeta potential while RTO showed -9.2 mV of negative zeta potential in sea water. A positive-negative EDL (electrical double-layer) interaction occurred between $Mg(OH)_2$ adsorption layer of IOSP and RTO in sea water so that EDL attractive force always worked between them. Hence, their coagulation reaction occurred at primary minimum on which an extreme attractive force acted because of charge neutralization by $Mg(OH)_2$ adsorption layer of IOSP. As a result, the coagulation reaction was rapidly processed and was irreversible according to DLVO (Deriaguin-Landau-Verwey-Overbeek) theory. Removal rates of RTO were exponentially increased with increasing both IOSP concentration and G-value. The removal rates were steeply increased until 50 mg/l of IOSP and reached $100{\%}\;at\;400\;mg/l$ of IOSP. Removal rates of RTO were $70.5,\;70.5,\;81.7,\;85.3{\%}$ for G-values of $1,\;6,\;29,\;139\;sec^(-1)$at IOSP 100 mg/l, respectively. This indicated that mixing (i.e., collision among particles) was very important for a coagulation reaction.
IOSP를 이용하여 적조생물입자에 대한 응집실험을 한 결과는 다음과 같다. 본 실험에 사용한 IOSP의 평균 지름은 $11.6{\mu}m$이고, 약$ 77{\%}$의 입자가 $5.0{\~}20.0{\mu}$의 범위에 속하며 변동계수는 $60.1{\%}$이었다. IOSP의 금속성분을 분석한 결과는 $98{\%}$가 칼슘으로서 생석회(CaO)와 같은 성분이었다. IOSP의 전자현미경 사진을 분석한 결과 표면이 매끈한 부정형의 입자로 되어 있었다. IOSP에 해수를 첨가하면 해수중의 $Mg^(+2)$ 이온과 급속하게 반응하여 입자의 표면 주위에 점질성의 $Mg(OH)_2$ 흡수층 (absorption layer)을 형성하여 응집 침전하고 해수의 pH를 10.0 정도까지 상승시켰다. IOSP는 $pH=6.2{\~}12.7$에서 $11.1{\~}50.1 mV$로서 IOSP의 입자가 완전히 용해될 때까지 positive zeta potential을 나타낸 반면 OSP는 pH=9.2, 11.9에서 각각 -42.5, -56.9mV로서 negative zeta potential을 나타내었다. $pNa=2.0{\~}4.0 (10^(-4){\~}10^(-2)M Na^+)$에서 IOSP, OSP의 zeta potential은 거의 일정한 값을 나타내었으나 $pNa=0.0 (1 M Na^+)$에서는 IOSP의 EDL이 매우 크게 압축되어 zeta potential은 거의 0.0mV를 나타내었고 OSP는 -25.4mV의 여전히 높은 negative zeta potential을 나타내었다. IOSP는 $Mg^(+2)$ 이온의 농도가 증가함에 따라 positive zeta potential이 증가하다가 $pMg=3.0 (10^(-3)M Mg^(+2))$에서 감소하는 결과를 나타내었다. 해수 중에서 IOSP는 4.8mV의 positive zeta potential을 나타내었고, OSP와 RTO는 각각 -30.7mV, -9.2mV의 negative zeta potential을 나타내었다. 해수중에서 IOSP의 $Mg(OH)_2$ 흡수층과 적조생물입자 사이에는 positive-negative EDL 반응이 일어나서 이들 둘 사이에는 항상 전기동력학적 인력이 작용하고, 동시에 $Mg(OH)_2$ 흡수층에 의한 전하중화로 인하여 입자 상호간의 응집반응은 극단적 인력이 작용하는 primary minimum에서 일어나고, DLVO 이론에 따라 응집반응은 비가역적아며 매우 신속하게 일어났다. 적조생물입자의 응집제거 효율은 IOSP의 농도 50mg/l까지 급격한 증가를 보이다가 IOSP의 농도가 계속 증가함에 따라서 점점 완만한 증가를 나타내었다. 즉 IOSP의 농도가 증가함에 따라서 지수함수적으로 증가하였다 ($Y=53.81{\times}X^(0.1); R^2=0.9868$).응집 침전은 IOSP 400mg/l 이상에서 거의 완전히 일어났다. IOSP $100mg/l$을 사용하고 G-value를 $1, 6, 29, 139 sec^(-1)$로 단계적으로 증가시키면서 응집 실험을 한 결과 적조생물입자의 응집제거 효율이 각각 $70.5, 70.5, 81.7, 85.3{\%}$로 증가하였다. 이는 응집 반응에서 입자간 충분한 충돌이 일어날 수 있도록 교반하는 것이 매우 중요함을 나타내 주는 것이다.
(Department of Oceanography, Pukyong National University)