Development of Mixed-bed Ion Exchange Resin Capsule for Water Quality Monitoring

This study was conducted to develop and assess the applicability of mixed-bed ion exchange resin capsules for water quality monitoring in small agricultural watershed. Recoveries of resin capsules for inorganic N and P ranged from 96 to 102%. The net activation energies and pseudo-thermodynamic parameters, such as ${\Delta}G^{o\ddag},\;{\Delta}H^{o\ddag},\;and\;{\Delta}S^{o\ddag}$ for ion adsorption by resin capsules, exhibited relatively low values, indicating the process might be governed by chemical reactions such as diffusion. However, those values increased with temperature coinciding with the theory. The reaction reached pseudo-equilibrium within 24 hours for $NH_4-N\;and\;NO_3-N$, and only 8 hours for $PO_4-P$, respectively. The selectivity of resin capsules were in the order of $NO_3\;^-\;>\;NH_4\;^+\;>\;PO_4\;^{3-}$, coinciding with that of encapsulated Amberlite IRN-150 resin. At the initial state of equilibrium, the resin adsorption quantity was linearly proportional to the mass of ions in the streams, but the rate of movement leveled off, following Langmuir-type sorption isotherm. The overall results demonstrated that the resin capsule system was suitable for water quality monitoring in small agricultural watershed, judging from the reaction mechanism(s) of the resin capsule and the significance of model in field calibration.

수질 중 질소와 인 모니터링을 위한 혼합이온교환수지 캡슐의 개발

본 연구는 혼합이온교환수지 캡슐이 수질 모니터링 도구로 활용가능한지를 평가하기 위해 수행되었다. 이를 위해 수지의 질소$(NH_4\;^+-N,\;NO_3\;^--N)$와 인산$(PO_4\;^{3-}-P)$에 대한 물리적, 화학적 반응 특성을 구명하고, 현장적용시험을 수행하였다. 실험결과 유속이 증가함에 따라 수지의 이온 흡착량은 감소하였으며, 이온 종류에 따른 흡착량은 $NO_3\;^--N\;>\;NH_4\;^+-N\;>\;PO_4\;^{3-}-P$ 순으로 나타나 수지의 흡착 선택성과 일치하였다. 온도와 시간에 따른 이온의 농도 변화를 일차반응속도모델에 적용하였을 때, 반응비상수$({\kappa})$는 반응온도가 증가함에 따라 증가하였고, 이온의 농도가 증가함에 따라 증가하였다. 온도가 증가함에 따라 ${\Delta}H^{o\ddag}$값과 ${\Delta}G^{o\ddag}$값은 증가하였으나, $E_a$값과 ${\Delta}S^{o\ddag}$값은 감소하여 열역학 이론과 일치하였다. $E_a$는 $155.38{\sim}682.89\;kJ{\cdot}mol^{-1},\;{\Delta}H^{o\ddag}$는 $153.03{\sim}680.54\;kJ{\cdot}mol^{-1},\;{\Delta}S^{o\ddag}$는 $525.02{\sim}610.99\;J{\cdot}mol^{-1},\;K^{-1}\;{\Delta}G^{o\ddag}$는 $525.02{\sim}610.99\;J{\cdot}mol^{-1}$의 범위를 나타냈다. 현장적용시험에서 삽입시간과 수지흡착량의 관계는 Langmuir 형태를 따랐으며, 질소는 24시간 경과 후, 인산은 8시간 후에 의사평형에 도달하였다. 따라서 현장에서의 최대 삽입시간은 인산의 평형 도달시간과 하천 내 인산 농도에 의해 결정될 것으로 판단된다. 이상의 결과를 통해 이온교환수지를 수질 중 질소와 인의 모니터링 도구로 활용할 수 있을 것으로 판단되며, 실제 현장에 활용하기 위해서는 온도, 유속, 삽입시간 등의 인자와 하천수 내 이온조성과의 상관관계에 대한 규명과 경험상수의 도출이 필요할 것으로 판단된다.