1. 수질공학의기초 1-1. 물의특성 (1) 물분자의구조와상태변화 물분자의구조 - H2O, M.W 18, 1개의산소원자와 2개의수소결합 - 공유결합 - 극성분자 - 수소결합 - 육각형의결정구조 물의상태변화 - 물은분자량이유사한다른화합물에비해비열 (Specific heat) 및잠열 (Latent heat) 이높음 급격한상태변화방지 - 융해열 (heat of fusion) 이큼 생물체의결빙이쉽게일어나지않도록완충역할 - 생물이살아갈수있는적절한생태환경의제공및생물체에서의다양한역할수행 (2) 물의성질 물의밀도변화 - 얼음의경우 1개의물분자가다른 4개의물분자와수소결합 액상인물보다밀도가작다. - 밀도는 4 의수온에서최대밀도 (1g/ cm3 ) - 4 초과에서온도증가하면물분자운동이활발해져말도감소 - 수온이 100 이상이면물분자는수소결합을끊고가채로변환 물의극성과용해도 - 상온의물은분자내에양전하와음전하를동시에가지고있으므로극성을띠고있음 - 비극성물질 ( 기름등 ) 에비해다양한물질을용해시킬수있어우수한용매로활용 극성및공유, 이온결합화합물을잘용해시킨다. - 이러환특성은물질의용해및용액의이온화, 생체내에서영양물질및폐기생성물운반매체에중요하게작용 - 물은광합성의수소공여체이며, 호흡의최종산물로서주요대사산물이다.
물의열전달율 - 열전달율이높음 환경계로유입된열에너지가생물체내부또는인접환경계에빠르게전달되어원활한화학반응및생화학반응도모 물의표면장력 - 공기와접하는경계면에큰표면장력을가짐 식물의생리작용에관여, 표면장력에의한모세관현상은식물의뿌리에서부터나뭇일까지수분을이동시켜신진대사에필요한물질수송역할 (3) 물의역할 자연계에서의역할 역할 물의특성 기능 온도조절 높은비열과증발열 환경계에서급격한온도변화를막아줌 에너지분산 잠열 열흡수에따른환경계의에너지분산 물질이동 극성, 표면장력 유기물과무기물의용해와순환및자정작용 생물의생존 / 증식 수소공여체, 가시광선의투과 수중생물의광합성, 유해자외선으로부터생물체보호 경관형성 안정, 유동적, 거울효과 정적 동적경관창출, 반영에의한경관창출 생물계에서의역할 역할 기능 형태유지 생물체의일정한형태를유지시킴 ( 생물체의 70~80% 가수분으로구성 ) 체온유지 물이열을흡수하여온도변화에완충적인역할을수행함 저외선흡수 태양광선에유해한자외선을흡수하여생물체를보호 생화학반응유지 생물체의물질대사에필요한다양한물질을용해하여공급하고배출함 (4) 자연수의수질특성 강우 - 정상강우 ; 공기중이산화탄소 (CO 2 ) 의농도가 350ppm 존재, 이산화탄소가대기중의수분이나운적에용해되면약산성인탄산을형성하여 ph 5.6으로유지 강우는사실상증류수이므로이론적으로는순수에가깝지만대기중의분진이나미스트또는세균, 미생물등의불순물을하뮤 해수의주성분과거의동일함 지표수에비해용해성분이적기때문에완충작용이작음 산성비 - 정의 ; ph 가 5.6이하 - 발생기구 ; 대기중의황산화물 (SO x ) 및질소산화물 (NO x ), 염소및염화수소 (HCl) 알데하이드류등의산성가스가상공의구름에접하여용해되거나우적에충돌하여흡수됨으로그산고 (ph) 가 5.6이하로떨어진다. - 영향 호수 토양의산성화와그에따른각종피해
동식물및농작물의피해, 금속및대리석의부식등그영향은매우광범위함 - 산성비산출과정 자연수의수질변화 - 교란포기의영향 자연수의 ph는일반적으로 CO 2 와 CO 2-3 의비율로결정, 자연계에서포기는교란과포기로 CO 2 를제거, CO 2 는산성이므로이를제거할수록 ph 증가 공기중의 O 2 는 CO 2 를중탄산이온 (HCO -- 3 ) 형태로변화시키기때문에수증의알카리도를변화시켜물의완충작용을크게함
- 조류의영향 광합성작용을통해수중의 CO 2 를소모 ph 증가 조류에의해 DO가과포화상태가되면 ph가더욱높아지면서알카리도가중탄산염 -. 탄산염 -> 수산화물알카리도로변화되고 ( 이때총알카리도는변화없음 ) 이과정에서조류의성장에필요한 CO 2 가부생하면서 ph는소폭감소하기시작. 이때유리된탄산염 (CO 2-3 ) 은수중의칼슘등경도유발물질과반응하여침전물을형성하므로물의연수화에기여하기도함 - 가열에의한영향 물을끓이면물속의 CO 2 가발산되면서 ph 증가하여탄산염을형성하고있던경도유발물 질도제거되기때문에경도가낮은연수가됨 2. 단위개념의이해 (1) 원자량 / 분자량 원자량 ; 원소기호와관계되며실제질량과관계없이원자의상대적질량 분자량 - 분자를구성하는모든원자량의총합 - 분자량의단위 ; 원자량으로구한값이므로원자량과같이상대적질량 ( 단위가없음 )
(2) 몰 (mol) / 당량 몰 (mol) - 물질량의표준단위는 mole, 기호로는 mol - 물질량 = 몰수 = 그램몰수 - 1 mol 이란? 6.023 1023 의입자를가지며 ( 아보가드로의수 ), 물질의분자량이란아보가드 로수만큼분자를그램수 (g mole) 로나타내기도함, - 몰과부피 ; 기체 1mol 의부피는 STP(0, 1 기압 ) 에서기체의종류와관계없이 22.4L 인데, 이를몰부피라고함 당량 (Equivalent) - 수소 1 원자량 ( 즉, 1.008) 과결합하고있는어떤원소의양을그원소의화학당량또는간단히 당량 원자량 - 원자또는이온의당량 (eq) = 원자가 분자량 - 분자 ( 화합물 ) 의당량 (eq) = 양이온의산화수 또는교환전자수 - 원자가 ; 어떤원소의원자가분자내에서다른원자와결합하고있는 Bond 의수를그원소 의원자가라한다. - 산화수 ; 산화또는환원을정의하는척도 -> 산화수가증가하면산화 ( 전자를잃는반응 ), 감소하면환원 ( 전자를얻는반응 ) (3) 농도표시 몰농도 / 노르말농도 / 몰랄농도 - 몰농도 (Molarity, Mol/L) ; 몰농도는용액또는혼합기체 1L 당대상물질또는용질의몰수를 말하며, 가호는주로 M 으로표시한다. 용질 용액 - 노르말농도 (Normality, Equivalent/L) ; 규정농도라고도하며, 용액 1L 당용질의 g 당량 수 로말하고 "N" 으로표현 - 몰랄농도 (Molality, Mol/kg) ; 몰랄농도는용매 1kg 당용질의몰수 용질 용매 분율 / 백분율 / 천분율 / 백만분율 / 1 억분율 / 10 억분율 - 분율 (fraction) ; 오염물질의농도를표시하는데있어분율이많이사용되며, 부피, 몰, 질량분 율으로표기 몰분율 (mole fraction) ; 전체몰수에대한특정물질의몰수 질량분율 (mass fraction) ; 전체 wlffidd 에대한특정성분의질량을나타내며질량비 (= 중량 분율 ) 과그값이동일함 - 백분율 ; %, Parts per hundred - 천분율 ; ppt, Parts per thousand - 백만분율 ; ppm, Parts per million - 1 억분율 ; pphm, Parts per hundred million - 10 억분율 ; ppb, Parts per billion
(4) 단위와단위계 국제단위 SI 기본단위 (7개) SI 기본단위 (12개중일부 ) 물리적양 단위명칭 기호 물리적양 단위명칭 기호 물질량 몰 (mole) mol or M 힘 (force) 뉴턴 (newton) N 질량 킬로그램 (kilogram) kg 에너지 ( 열량 ) 줄 (joule) J 길이 미터 (meter) m 동력 ( 일률 ) 와트 (watt) W 시간 초 (second) msec or s 압력 파스칼 (pascal) Pa 온도 절대온도 (kelvin) K 광도 칸델라 (candela) cd 전류 암페어 (ampare) A 접두어 접두어 기호 의미 / 배량 메가 (mega-) M 10 6 킬로 (kilo-) k 10 3 데시 (deci-) d 10-1 센티 (centi-) c 10-2 밀리 (milli-) m 10-3 마이크로 (micro-) μ 10-6 나노 (nno) n 10-9 밀도 / 비중량 / 점도 / 동점도 / 비중 / 압력 - 밀도 (density, ρ) ; 단위제적당질량 g/cm 3 (CGS), kg/m 3 (MKS)... [ML -3 ] - 비중량 (Specific weight, γ) ; 단위체적당중량 g f /cm 3 (CGS), kg f /m 3 (MKS)... [FL -3 ] - 점성계수 (Dynamic Viscosity, μ) ; 접선방향의힘또는전단응력에대한저항의크기 SI 단위에서는 N sec/m 2 1 포이즈 (P, poise) ; 1g/cm sec = 1 10-1 kg/m sec 1 센티포이즈 (cp, centi-poise) ; 10-2 poise = 1mg/mm sec = 1 10-1 kg/m sec 1 밀리포이즈 (mp, milli-poise) ; 10-3 poise = 1 10-4 kg/m sec - 동점성계수 (Kinematic Viscosity, ν) ; 점성계수를밀도로나눈값, m 2 /sec or cm 2 /sec... [L 2 T -1 ] - 비중 (S) ; 표준물질에대한대상물질의밀도비또는비중량비... 무차원 - 압력 (P) ; 단위면적당작용하는힘 N/m 3, dyne/cm 2, g f /cm 2, kg f /m 2... [FL -2 ], [ML -1 T -2 ]bf/in2)
1 기압 (atm) = 780mmHg = 10,322mmH 2 O = 10.332kg f /m 2 = 14.7 PSI(l/in 2 ) 1N/m2 = 1Pa( 파스칼 )