개념 한 쪽
공정의 산화·환원 파트는 중화에 필요한 염기량 계산, 환원제 소요량 산정, 흡착제 필요량 계산, 그리고 응집조 교반 동력 산출 같은 기본 계산 문제를 다룬다. 각 문제는 화학량론적 비율, 당량 개념, 흡착 등온식, 그리고 교반 동력식을 정확히 적용하는지를 묻는다.
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출제기준 단원 「공정의 산화·환원」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 동일 농도 중화 대체량 계산 | 1 | 1가·2가 염기 당량과 분자량을 적용해 대체 부피 산정 |
| 응집조 교반기 동력 산정 | 1 | 유량·체류시간으로 용적 구한 뒤 G²μV로 이론 동력 계산하고 효율 보정 |
| Freundlich 흡착제 필요량 계산 | 1 | Freundlich 식으로 단위흡착량 구해 제거 총량으로 필요 흡착제 양 산출 |
중화 계산에서는 핵심이 수산화이온(OH-)의 몰 수를 같게 하는 것임을 이해해야 한다. NaOH는 1가 염기로 1몰당 1몰의 OH-를 제공하고, Ca(OH)2는 2가 염기로 1몰당 2몰의 OH-를 제공한다. 동일 농도 용액을 비교할 때는 분자량과 가수를 함께 고려하여 당량을 맞춰야 한다.
환원제 소요량 산정은 대상 원소의 총 몰수를 계산한 뒤, 반응식에 나타난 계수비를 곱해 환원제의 몰수를 구하고 이를 몰질량과 기간으로 환산하는 방식으로 수행한다. 반응식의 계수비를 역으로 적용하거나 단위 환산을 실수하면 오차가 발생한다.
흡착제 필요량 계산은 제거해야 할 물질의 총량을 먼저 구하고, 흡착 등온식으로 단위당 흡착량을 산정한 뒤 제거량을 단위흡착량으로 나누어 구한다. Freundlich 식처럼 지수 1/n이 1인 경우 선형으로 단순화해 계산할 수 있다.
교반 동력 계산에서는 응집조의 용적을 체류시간과 유량으로부터 구하고, 이론 동력 P는 P = G² μ V 공식을 사용해 산정한다. 실제 모터 동력은 이론 동력을 모터 효율로 나누어 얻는다.
흡착 계산 예시로 Freundlich 식 K=0.5, n=1, 평형농도 C=2mg/L을 적용하면 단위흡착량 q = K × C^(1/n) = 0.5 × 2 = 1g/g이 된다. 제거해야 할 유기물량이 8g이면 필요한 활성탄량은 8g ÷ 1g/g = 8g이 됨을 보인다.
어떤 산업폐수를 중화처리하는데 NaOH 0.1% 용액 40mL가 필요 하였다. 이를 0.1% Ca(OH)2로 대체할 경우 몇 mL가 필요한가? (단, Ca : 40)
정답 ④ · 동일한 당량의 중능력을 비교하기 위해 몰질량을 이용합니다. NaOH의 분자량은 약 40이고, Ca(OH)2의 분자량은 Ca(40)+O2(32)=74 입니다.
중화 당량 비교 시 Ca(OH)2는 2가이므로 NaOH 대비 분자량 비와 가수를 고려해 계산한다.
처리장에 22500m³/day의 폐수가 유입되고 있다. 체류시간 30분, 속도구배 44sec-1 의 응집조를 설계하고자 할 때 교반기 모터의 동력효율을 60%로 예상한다면 응집조의 교반에 필요한 모터의 총 동력은 얼마인가? (단, μ=10-3kg/m·s 이다.)
정답 ④ · 폐수 유량 22500m³/day, 체류시간 30분(0.5시간)이므로 응집조의 용적 V = 22500 × (0.5/24) = 468.75m³입니다. 필요한 교반 동력 P = G² × μ × V 입니다.
교반 동력은 속도구제 제곱에 점성계수와 용적을 곱한 값이며, 효율로 나누어 모터 동력을 구한다.
어떤 공장폐수에 미처리된 유기물이 10 mg/L 함유되어 있다. 이 폐수를 분말활성탄 흡착법으로 처리하여 2 mg/L까지 처리하고자 할 때 분말활성탄은 폐수 1m³당 몇 g 이 필요한가? (단, Freundlich 식을 이용, K=0.5, n=1)
정답 ② · 프로인들리히 흡착 등온식 q = K × C^(1/n)을 적용합니다. K=0.5, n=1이고 흡착 후 평형 농도 C = 2mg/L이므로 q = 0.5 × 2^1 = 1g/분말활성탄 g이 됩니다.
흡착 필요한 활성탄량은 제거된 유기물 총량을 단위 흡착량으로 나누어 구한다.
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