The potential energy surfaces of ammonia molecule adsorptions on the symmetrically chlorinated Si(100)-$2{\times}1$ surface were explored with SIMOMM:MP2/6-31G(d). It was found that the initial nucleophilic attack by ammonia nitrogen to the surface Si forms a $S_N2$ type transition state, which eventually leads to an HCl molecular desorption. The second ammonia molecule adsorption requires much less reaction barrier, which can be rationalized by the surface cooperative effect. In general, it was shown that the surface Si-Cl bonds can be easily subjected to the substitution reactions by ammonia molecules yielding symmetric surface Si-$NH_2$ bonds, which can be a good initial template for subsequent surface chemical modifications. The ammonia adsorptions are in general more facile than the corresponding water adsorption, since ammonia is better nucleophile.
Lee, Seung Bin;Park, Sang Hyun;Lee, Bok Rye;Kim, Tae Hwan
한국초지조사료학회지
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제42권1호
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pp.47-53
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2022
The objective of this study was to verify the effect of pig slurry application with acidification and biochar on feed value, nitrogen use efficiency (NUE) of maize forage, and ammonia (NH3) emission. The four treatments were applied: 1) non-pig slurry (only water as a control, C), 2) only pig slurry application (P), 3) acidified pig slurry application (AP), 4) acidified pig slurry application with biochar (APB). The pig slurry and biochar were applied at a rate of 150 kg N ha-1 and 300 kg ha-1, respectively. The AP and APB treatments enhanced all feed values compared to C and P treatments. The NUE for plant N was significantly increased 92.1% by AP and APB treatment, respectively, compared to the P treatment. On the other hand, feed values were not significantly different between AP and APB treatments. The acidification treatment with/without biochar significantly mitigated NH3 emission compared to the P treatment. The cumulative NH3 emission throughout the period of measurement decreased by 71.4% and 74.8% in the AP and APB treatments. Also, APB treatment reduced ammonia emission by 11.9% compared to AP treatment. The present study clearly showed that acidification and biochar can reduce ammonia emission from pig slurry application, and pig slurry application with acidification and biochar exhibited potential effects in feed value, NUE, and reducing N losses from pig slurry application through reduction of NH3 emission.
생활 하수 및 농축산 폐수를 통한 하천으로의 다량의 질소와 인의 유입은 부영양화를 초래하여 하천 자정작용에 악영향을 끼친다. 본 연구에서는 컬럼 실험을 통한 흡착제(활성탄, 제올라이트, 여과사)의 여재층 높이에 따른 암모니아성 질소, 인산염 제거특성을 분석하고, 밀도범함수이론(density functional theory, DFT)를 바탕으로 한 양자역학적 전산 모사를 통해 흡착제와 암모니아성질소($NH_4{^{+}}$)와 인산염($PO_4{^{3-}}$)에 대한 화학적 흡착 거동을 분석하였다. 컬럼 실험 결과, 암모니아성 질소에 대한 제거효율은 제올라이트(95.1%)>활성탄(65.8%)>여과사(10.7%), 인산염의 제거효율은 활성탄(99.6%)>제올라이트(18.8%)>여과사(10.9%) 순으로 나타났다. 제올라이트의 경우, 여재층의 높이에 관계없이 90%이상의 암모니아성 질소에 대한 높은 흡착력을 가졌고, 활성탄의 경우 여재층의 높이가 증가할수록 인과 질소에 대한 높은 흡착효율을 가졌다. DFT를 이용한 흡착제(산화 알루미늄, 활성탄, 여과사)와 영양염류($PO_4{^{3-}}$, $NH_4{^{+}}$)에 대한 흡착거동 분석결과, 제올라이트는 암모니아성 질소($NH_4{^{+}}$)에 대한 높은 흡착에너지(-6.43 eV)를 가졌다. 활성탄의 경우 여과사보다 좁은 HOMO-LUMO 밴드갭을 가져, 전자 이동에 유리한 환경을 조성하여 높은 흡착에너지(-7.10eV)로 영양염류가 제거되는 것을 확인할 수 있었다.
Recently, the interests on economical nitrogen removal from wastewater are growing. As a method of the novel nitrogen removal technology, nitrogen removal via nitrite pathway by selective inhibition of free ammonia and free nitrous acid on nitrite oxidizing bacteria have been intensively studied. The inhibition effects of free ammonia and free nitrous acid are low when domestic wastewater is used, however, because of its relatively lower nitrogen concentration than the wastewater from industry and landfill, etc. In this study, a sequencing batch reactor (SBR) is proposed for nitrogen removal to investigate the effect of the low nitrogen concentration on nitrite accumulation. Nitrification efficiency reached almost 100% during the aerobic cycle and the maximum specific nitrification rate ($V_{max,nit}$) reached $17.8mg\;NH_4{^+}-N/g\;MLVSS{\bullet}h$. During the anoxic cycle, average denitrification efficiency reached 87% and the maximum specific denitrification rate ($V_{max,den}$) reached $9.8mg\;NO_3{^-}-N/g\;MLVSS{\bullet}h$. From the analysis the main reason of nitrite accumulation in the SBR was free nitrous acid rather than free ammonia. Nitrite accumulation increased with the decrease of organic content in the wastewater and the mechanism is not well understood yet. From the result of fluorescent in situ hybridization, the distribution of nitrite oxidizing bacteria was in equilibrium with ammonium oxidizing bacteria when nitrite accumulation did not occur.
This study evaluated the performance of a membrane aerated biofilm reactor (MABR) for nitrogen removal from a high-strength ammonia nitrogen-containing wastewater. The experimental setup consisted of four compartments that are sequentially anaerobic and aerobic to achieve complete nitrogen removal. The last compartment of the reactor setup contained a membrane bioreactor (MBR) to reduce sludge production in the system and to obtain a better-quality effluent. Continuous experiment over a period of 47 days showed that MABR exhibited excellent NH4+-N removal efficiency (99.5%) compared to the control setup without MABR (56.5%). The final effluent NH4+-N concentration obtained in the MABR was 2.99±1.56 mg/L. In contrast to NH4+-N removal, comparable TOC removal values in the MABR and the control reactor (99.2% and 99.3%, respectively) showed that air supply through MABR is much more critical for denitrification than for organic removal. Further study to understand the effect of air supply rate and holding pressure on NH4+-N removal in MABR revealed that an increase in both these parameters positively impacted reactor performance. These parameters are related to oxygen supply to the biofilm formed over the membrane surface, which in turn influenced NH4+-N removal in MABR. Among the two different strategies to control biofilm over the membrane surface, results showed that scouring for a duration of 10 min on a weekly basis, along with mixing air supply, could be an effective method.
The effects of liquid potassium permanganate (KMnO4) on the litter quality of poultry were investigated. Two-hundred-forty 0-day-old broiler chickens (Arbor Acres) were randomly assigned to two treatments with four replicated pens of 30 chickens each. Treatment liquid KMnO4 at a rate of 50 g of liquid KMnO4/kg of poultry litter was sprayed onto the litter surface using a small hand pump; others served as a control that was applied without liquid KMnO4 additions. Compared with controls, the treatment liquid KMnO4 showed no differences in pH, total nitrogen and ammonia concentration. It was concluded that liquid KMnO4 did not significantly increase poultry litter quality. Mechanisms relating to increasing litter pH and ammonia using liquid KMnO4 are an oxidant agent (not acid-foaming agents).
A novel estimation method was investigated for determining the concentrations of residual biomass, poly-3-hydroxybutyrate (PHB), and main nutrients including carbon and nitrogen sources, phosphate, and mineral ions from the supplied amount of ammonia solution used for a pH-control solution and nitrogen source in a PHB fermentation. The estimation equations for a batch culture and a fed-batch culture were derived from the relationship between the growth rate of residual biomass and the feed rate of the pH-control solution, and then were applied to the batch culture and the fed-batch cultures of Alcaligenes latus. This method was successfully applied to estimate the concentrations of residual biomass, PHB, and nutrients.
Large efforts have recently been made on research and development of sustainable and energy-efficient short-cut nitrogen removal processes owing to strong attention to the energy neutral/positive wastewater treatment system. Anaerobic ammonium oxidizing bacteria (anammox bacteria) have been highlighted since 1990's due to their unique advantages including 60% less energy consumption, nearly 100% reduction for carbon source requirement, and 80% less sludge production. Side-stream short-cut nitrogen removal using anammox bacteria and partial nitritation anammox (PN/A) has been well established, whereas substantial challenges remain to be addressed mainly due to undesired main-stream conditions for anammox bacteria. These include low temperature, low concentrations of ammonia, nitrite, free ammonia, free nitrous acid or a combination of those. In addition, an anammox side-stream nitrogen management is insufficient to reduce overall energy consumption for energy-neutral or energy positive water resource recovery facility (WRRF) and at the same time to comply with nitrogen discharge regulation. This implies the development of the successful main-stream anammox based technology will accelerate a conversion of current wastewater treatment plants to sustainable water and energy recovery facility. This study discusses the status of the research, key mechanisms & interactions of the protagonists in the main-stream PN/A, and control parameters and major challenges in process development.
The effluent discharge standards of industrial wastewater has become more stringent since 2003. Many industrial wastewater treatment plants has been upgraded to advanced treatment facilities. There are high concentrations of nitrate(>200 mg/L) and ammonium(>50 mg/L) nitrogen in the acrylic fiber wastewater of H textile Co. Wastewater from acrylic fiber industry containing acrylonitrile, which may affect the subsequent biological treatment process. Manufacturing of acrylic fiber also produces shock loadings. Excessive acrylonitrile and polymer debris produced in the polymerization process was screened, coagulated with CaO and settled down. A preaeration system was added to treat this high pH effluent to remove volatile organic compound and ammonia nitrogen by the air stripping effect. it was found that nitrification rate was not sufficient in the Anoxic/Oxic(AO) process. One denitrification tank was converted to nitrification reactor to extend HRT of nitrification. Nitrification rate of ammonia nitrogen was promoted from 32% to 67% by this modification and effluent nitrogen concentration was well satisfied with the effluent standards since then.
Tribological behaviors of nitrogen incorporated amorphous diamond-like carbon films were experimentally measured under a vacuum ($3 \times 10^{-5}$ Torr) using a ball (AISI 52100 steel)-on-disk wear-rig. Nitrogen incorporated DLC films were deposited by r.f. plasma assisted chemical vapor deposition method. Mixtures of benzene and ammonia or nitrogen gases were used as the reaction gases for the r.f. PACVD, and Si (100) wafer was used as the substrate. In the tribo-test, effects of DLC film thickness and normal load in friction were measured and discussed. Results showed that friction of nitrogen incorporated DLC films from a mixture gas of benzene and ammonia was lower than that of 100% benzene, specially in the measurement of minimum coefficient of friction. Differences in frictional characteristics of nitrogen incorporated DLC films were explained with the changes in chemical structures of the films. Result also showed that friction of DLC films increased with the sliding contact cycle, which remarkably accompanied with roll-shaped wear debris. Mechanisms and roles of the polymer-like wear debris were presented and discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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