도시고형폐기물 침출수에서 부식물질 추출 예측을 위한 인공신경망 및 동적흡착모델 적용

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12421(2023) 이 기사 인용

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지속 가능한 도시 고형폐기물 침출수(MSWL) 관리에는 오염물질 제거에서 자원을 효과적으로 회수하는 동시에 오염물질을 감소시키는 패러다임 전환이 필요합니다. 본 연구에서는 MSWL에서 두 가지 유형의 휴믹산인 풀빅산(FA)과 휴믹산(HA)을 추출했습니다. HA는 HCl과 NaOH 용액을 사용하여 추출한 후, 유속, 투입 농도, 층 높이 등 다양한 작업을 통해 컬럼 베드를 사용하여 FA를 추출했습니다. 또한 본 연구는 FA 예측에 있어서 인공 신경망(ANN)과 동적 흡착 모델의 효율성을 평가하는 것을 목표로 합니다. 유속 0.3 mL/min, 층 높이 15.5 cm, 투입 농도 4.27 g/mL에서 FA의 최대 용량은 23.03 mg/g으로 얻어졌습니다. HA 및 FA의 FTIR 분석에서는 카르복실산, 페놀성, 지방족 및 케톤을 포함한 여러 산소 함유 작용기가 밝혀졌습니다. ANN을 사용하여 높은 상관 계수 값(R2)과 더 낮은 평균 제곱 오차 값(MSE)을 얻었는데, 이는 ANN이 기존 모델링에 비해 흡착 용량을 예측하는 능력이 우수함을 나타냅니다.

도시 고형 폐기물 매립지(MSWL)에서 생산되는 침출수는 생분해성 폐기물1이 분해되는 부산물입니다. 매년 도시 고형 폐기물(MSW) 매립지는 유기물 함량이 높은 수십만 입방미터의 침출수를 생성합니다2. 현재 순환경제를 향한 움직임은 이전에 폐기물로 간주되었던 재료를 귀중한 자원으로 재사용하는 데 초점을 맞추고 있습니다3.

MSWL에서 부가가치 제품을 성공적으로 복구하려면 효율적인 기술을 활용해야 합니다4. 기존의 MSWL 처리는 종종 복잡하여 환경에 부정적인 결과를 초래하고 비용을 집행합니다5. MSWL은 고부가가치 제품6,7을 복구하기 위한 잠재적인 자원이 될 수 있습니다. MSWL에서 효율적으로 회수할 수 있는 수많은 물질 중에서 휴믹 물질(HS)은 다방향 작용과 광범위한 적용으로 인해 가장 중요합니다8,9,10.

HS는 동식물 폐기물의 미생물 분해에 의해 생성되는 고분자산, 방향족산, 지방족산의 조합입니다. 다양한 pH 값에서 물에 대한 H2S 용해도에 따라 풀빅산(FA), 휴믹산(HA) 및 휴민(Hu)11,12,13의 세 부분으로 나눌 수 있습니다. 구조와 능력으로 인해 HS는 토양 컨디셔닝, 뿌리 발달, 영양분 흡수 및 식물 성장을 개선합니다. 최근 이러한 물질은 유기 오염물질(항생제, 제초제, 살균제 및 기타 페놀 화합물)과 중금속을 처리하는 것으로 인식되었습니다15,16,17. 따라서 높은 효율로 H2S를 추출할 수 있는 방법을 찾는 것이 필요합니다. 비이온성 또는 이온성 수지 흡착, 막 여과 등을 포함하여 H2S에 대한 다양한 추출 기술이 개발되었습니다18,19. 수지 흡착 기술은 단순성, 쉬운 설계, 경제성 및 낮은 에너지 소비로 인해 FA 추출에 가장 널리 사용되는 접근 방식 중 하나입니다.

FA는 국제 휴믹 물질 협회(International Humic Substances Society)에서 권장하는 수지 흡착을 통해 소수성에 따라 다양한 화학 그룹으로 추출될 수 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 수지는 Suplite DAX-8(이전에는 XAD-8로 알려짐)입니다. 여러 연구에서 MSWL에서 FA를 추출하기 위해 DAX-8 수지를 사용했습니다. Baccot et al.20 토양 구조를 개선하기 위한 유기 개량제로 MSWL에서 추출된 HS. DAX-8 컬럼을 사용하여 HA, FA 및 기타 유기 물질을 추출하기 위해 유사한 절차도 사용되었습니다.

동적 흡착 실험은 돌파 곡선(BTC)을 예측하고 모델링할 수 있습니다. 또한 업계에서 사용하기 위해 쉽게 확장할 수 있어 실험실 규모의 실험과 실제 응용 프로그램을 연결하는 가교 역할을 합니다. 또한 많은 솔루션을 관리할 수 있기 때문에 실제 사용에서 설계 매개변수를 식별하는 데 더 정확합니다22,23. Thomas, Yun-Nelson 및 BDST(Bed Depth Service Time) 모델을 포함하여 고정층 BTC에 대한 몇 가지 전통적인 수학적 모델이 등장했습니다. 이 모델은 실험 설정 없이 현실적인 흡착 효율을 예측합니다. 또한 기둥에 대한 실용적인 설계 정보를 제공합니다25. 그러나 고정층을 사용하여 MSWL에서 FA를 추출할 때 이러한 모델을 적용하는 방법에 대한 정보가 부족합니다.