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문제 정의
- 시료의 양이나 Oxalic acid 및 Citric acid의 농도는 pH 변화에 따른 처리효율에 대한 실험과 동일하였다. UV/H2O2를 병용하는 경우와 UV 또는 H2O2를 단독으로 적용하는 경우에 따른 유기물질의 처리효율을 평가하기 위하여 UV 또는 H2O2를 단독으로 적용하는 경우에 따른 실험도 수행하였다. 이 경우 UV Lamp는 주도파장이 254 nm 또는 365 nm 이었다.
- 본 연구에는 제염폐수의 주성분인 Oxalic acid와 Citric acid의 제거 방안을 수립하기 위한 기초 실험으로 Oxalic acid와 Citric acid가 UV/H2O2 광분해 반응에 의하여 분해되는 반응기작과 이 반응에 미치는 영향 인자를 조사하여 효율적인 제염폐수처리에 적용 가능한 기초자료를 제시하는데 그 목적을 두었다.
가설 설정
- 제거효율, H2O2 소모량, 반응속도상수 둥을 종합하여 결정하는 것이 타당할 것이다. Table 2와 Table 3은 각 대상 물질별로 처리조건을 비교한 결과이다.
제안 방법
- 유량은 3 L/min으로 유지하였고, 시료는 반응조를 순환한 후 storage tank 에 유입되기 전에 별도의 val.,e 에서 채취하여 유기물 잔류량을 TOC로 분석하여 처리효율을 평가하였다.
- 200, 300, 400 mg/L인 경우에서 Oxalic acid와 Citric acid의 분해정도를 조사하였다. 시료의 양이나 Oxalic acid 및 Citric acid의 농도는 pH 변화에 따른 처리효율에 대한 실험과 동일하였다.
- Oxalic acid와 Citric acid의 농도 변화 실험에 따른 처리효율을 조사하기 위하여 현재 제염폐수에 함유되어 있는 각 유기물질의 실제농도를 고려하여 Oxalic acid의 경우에는 2, 400 mg/L(TOC 기준) 까지 Citric acid의 경우에는 300 mg/L(TOC 기준)까지 변화시켜 실험하였다. 과산화수소는 과산화수소 주입량 변화에 따른 효율성을 조사한 실험에서 도출된 결과를 근거로 하여 초기 주입량을 200 mg/L로 정하고 과산화수소 잔류량이 10 mg/L 이하로 감소할 경우 재주입하여 유기물질이 목표 농도인 1 mg/L(TOC 기준) 이하로 제거될 때까지의 반응시간 및 소요되는 과산화수소 주입량을 조사하였다.
- Oxalic acid와 Citric acid의 초기농도의 변화에 따른 산화효율을 조사하였다. 이 경우에도 설정된 각각의 유기물질의 농도가 1 mg/L(TOC 기준) 이하로 제거되는데 소요되는 반응시간과 과산화수소의 주입량을 비교 검토하였으며 그 결과를 Fig.
- 변화시켜 실험하였다. 과산화수소는 과산화수소 주입량 변화에 따른 효율성을 조사한 실험에서 도출된 결과를 근거로 하여 초기 주입량을 200 mg/L로 정하고 과산화수소 잔류량이 10 mg/L 이하로 감소할 경우 재주입하여 유기물질이 목표 농도인 1 mg/L(TOC 기준) 이하로 제거될 때까지의 반응시간 및 소요되는 과산화수소 주입량을 조사하였다.
- 14에 나타내었다. 과산화수소의 주입농도는 주입 량 실험에서 결정된 200 mg/L를 초기농도로 하고 잔류하는 과산화수소 농도가 10 mg/L 이하가 될 경우 같은 농도로 재주입하여 실험을 수행하였다.
- 반응시간 변화에 따른 산화효율을 측정하여 각 물질의 분해 특성을 조사하였다. 이에 사용된 실험장치, 시료 및 시약, 실험방법은 다음과 같다.
- 유기물질의 농도는 TOC (Rosemount, DC-180 model) 농도를 분석하여 평가하였으며. 잔류하는 과산화수소의 양은 analytical test strip(MERCK) 으로 분석하였다.
- 잔류하는 과산화수소의 양은 analytical test strip(MERCK) 으로 분석하였다. 실험에 사용된 시약은 First grade 의 Oxalic acid(Yakuri pure chemical), Citric acid(Duksan Pure chemical) 시약으로 stock solution(10 mg/mL, TOC 기준)을 각각 제조하여 적절한 농도로 회석하여 실험에 사용하였다.
대상 데이터
- 1N, IN. 10N의 NaOH 또는 HC1 을 사용하였다.
- 실험에 사용된 시약은 First grade 의 Oxalic acid(Yakuri pure chemical), Citric acid(Duksan Pure chemical) 시약으로 stock solution(10 mg/mL, TOC 기준)을 각각 제조하여 적절한 농도로 회석하여 실험에 사용하였다. 과산화수소는 35% H202(Junsei chemical)를 사용하여 실험조건에 적정하게 희석하여 주입하였다.
- 1은 실험장치의 개략도이다. 반옹기는 Stainless steel로 제작되었으며 크기는 외경이 60 mm (D)x460mm(H)이고 반응기 중앙에는 내부에 IW Lamp가 설치된 외경 40 mm인 석영관을 설치하였다. 시료는 반옹기와 석영관 사이(10 mm)로 통과하는데 유효 용량은 644 mL이다.
- 본 연구에서 주로 사용한 UV 램프의 주도파장인 254 nm에서 Oxailc acid, Citric acid, H2O2의 몰 흡수 도는 각각 7.0 L/mol - cm. 0.
- 12에서의 처리 특성을 평가하였다. 시료는 100 mg/L(T0C 기준)의 Oxalic acid 및 Citric acid를 각각 함유한 인공시료를 제조하여 사용하였으며, 실험에 사용된 시료의 양은 각각 5L 이었다. 과산화수소는 50 mg/L씩 주입 하였으며 과산화수소 잔류량이 10 mg/L 이하로 감소될 경우에는 재주입하였다.
- 반옹기는 Stainless steel로 제작되었으며 크기는 외경이 60 mm (D)x460mm(H)이고 반응기 중앙에는 내부에 IW Lamp가 설치된 외경 40 mm인 석영관을 설치하였다. 시료는 반옹기와 석영관 사이(10 mm)로 통과하는데 유효 용량은 644 mL이다. 시료는 pump를 사용하여 storage tank에서 반응기로 유입시켰으며.
- 잔류하는 과산화수소의 양은 analytical test strip(MERCK) 으로 분석하였다. 실험에 사용된 시약은 First grade 의 Oxalic acid(Yakuri pure chemical), Citric acid(Duksan Pure chemical) 시약으로 stock solution(10 mg/mL, TOC 기준)을 각각 제조하여 적절한 농도로 회석하여 실험에 사용하였다. 과산화수소는 35% H202(Junsei chemical)를 사용하여 실험조건에 적정하게 희석하여 주입하였다.
- 반옹 후의 유출수는 다시 storage tank로 유입 시켜 재순환시키는 반응 형태로 수행하였다. 이때 UV 램프는 실험목적에 따라 주도파장이 254 nm 또는 365 nm인 Lamp(Sankyo DenkiX 사용하였다. 반응조는 실험에 소요되는 시간에 따라 2개에서 6개를 연결하여 설치하였으며, 과산화수소 및 pH 조정에 사용되는 시약은 storage tank에 주입하였다.
성능/효과
- 2) 과산화수소 또는 UV를 단독으로 사용하여 Oxalic aicd와 Citric acid의 분해특성을 조사한 결과 Oxalic acid의 경우에는 주도파장이 254 nm인 UV만에 의하여서도 충분히 분해가 가능한 것으로 조사되었다. 반면 Citric acid의 경우에는 254 nm 파장의 UW만으로는 분해가 잘 되지 않는 것으로 조사되었다.
- 4) 최적 pH 조건에서 과산화수소의 최적 주입 량은반응속도상수와 처리효율을 고려할 때 Oxalic acid는 과산화수소 주입량 100 mg/L에서, Citric acid는 200 mg/L에서 가장 높은 제거효율을 나타내었으며 , 과산화수소 주입 량이 200 mg/L 이상으로 주입되면 과산화수소에 의한 OH radical trap 효과가 발생하여 제거율이 감소하는 것으로 조사되었다.
- 5) Oxalic acid와 Citric acid의 초기농도의 변화에 따른 처리효율을 조사한 결과 Oxalic acid는 초기농도가 증가함에 따라 반응시간 및 과산화수소 주입량이 비례적으로 증가하는 것으로 조사되었다. 그러나 Citric acid는 Oxalic acid와는 달리 농도가 300 mg/L(as TOC) 이상으로 증가하면 산화에 소요되는 반응시간 및 과산화수소 주입량이 급격히 증가하는 것으로 조사되었다.
- 4X lO-4/s로 가장 크게 조사되었으며 과산화수소를 그 이상 주입하였을 경우에는 반응속도가 감소하는 것으로 조사되었다. Citric acid는 과산화수소를 200 mg/L 주입하였을 경우 반응속도상수는 3.1x 10-4/s 로 가장 크게 조사되었고 과산화수소를 그 이상 주입하였을 경우에는 Oxalic acid와 마찬가지로 반 옹 속도가 감소하는 것으로 조사되었다. 이같이 과산화수소 농도가 증가함에 따라 반응속도가 감소하는 이유는 과산화수소가 OH radical scavengers.
- 4%로 비슷하였고 과산화수소의 주입 량은 오히려 pH 2인 경우보다 50% 정도 감소시킬 수 있는 것으로 평가되었다. Citric aicd는 pH 8에서 반응시간 및 반응속도가 좋은 것으로 나타났으나, pH 4와 6에서도 반응속도에서 약간의 차이가 있을 뿐 분해효율 및 과산화수소의 주입량을 감안한다면 pH 8보다 더 효율적인 것으로 평가되었다.
- 12는 과산화수소의 주입량 변화에 따른 Oxalic acid와 Citric acid외 초기 반응속도를 비교한 결과이다. Oxalic acid는 과산화수소 농도를 100 mg/L 주입하였을 경우 반응속도상수는 6.4X lO-4/s로 가장 크게 조사되었으며 과산화수소를 그 이상 주입하였을 경우에는 반응속도가 감소하는 것으로 조사되었다. Citric acid는 과산화수소를 200 mg/L 주입하였을 경우 반응속도상수는 3.
- Oxalic acid는 과산화수소의 주입 량을 100 mg/L 까지 증가시킬 경우에는 완전히 분해되는데 소요되는 반응 시간이 감소하였으나 과 산화수소를 100 mg/L 이상 주입하였을 경우에는 오히려 완전분해 되는데 소요되는 시간이 점차적으로 증가하는 것으로 조사되었다. Citric acid는 과산화수소의 주입량이 증가함에 따라 분해효율이 증가하는 것으로 조사되었으며 완전분해에 소요되는 시간 역시 감소하는 것으로 조사되었다.
- Oxalic acid의 경우 초기농도를 300-2400 mg/L (TOC 기준)로 변화시켜서 분해특성을 조사한 결과농도가 증가함에 따라 반응시간 및 과산화수소 주입량이 비례적으로 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 Citric acid는 Oxalic acid와는 달리 초기농도가 300 mg/L(TOC 기준) 이상으로 증가함에 따라 제거에 소요되는 반응시간 및 과산화수소 주입 량이 급격히 증가하는 것으로 나타났다.
- 5%가 분해되는 것으로 나타났다. pH 4에서도 반응시간과 반웅속도는 pH 2보다 떨어지나 분해효율은 99.4%로 비슷하였고 과산화수소의 주입 량은 오히려 pH 2인 경우보다 50% 정도 감소시킬 수 있는 것으로 평가되었다. Citric aicd는 pH 8에서 반응시간 및 반응속도가 좋은 것으로 나타났으나, pH 4와 6에서도 반응속도에서 약간의 차이가 있을 뿐 분해효율 및 과산화수소의 주입량을 감안한다면 pH 8보다 더 효율적인 것으로 평가되었다.
- 과산화수소 주입량 변화에 따른 반응속도상수를 계산한 결과에 의하면 Oxalic acid와 Citric acid의 처리에 효과적인 과산화수소 주입량은 각각 100 mg/L와 200 mg/L인 것으로 조사되었다. 그러나 Citric acid의 반응속도가 느리므로 제거에 소요되는 시간이 긴 점을 감안한다면 두 물질이 함유된 제염폐수를 처리하는 경우에는 Citric acid의 산화에 적정한 과산화수소 주입 조건으로 적용하는 것이 타당할 것으로 판단되므로 초기 과산화수소 주입량은 200 mg/L로 정하는 것이 적정한 조건인 것으로 결론지을 수 있다.
- 그러나 Citric acid는 Oxalic acid와는 달리 농도가 300 mg/L(as TOC) 이상으로 증가하면 산화에 소요되는 반응시간 및 과산화수소 주입량이 급격히 증가하는 것으로 조사되었다. 이는 Oxalic acid의 경우 H2O2와 UV 반응에 의하여 생성되는 OH 라디칼에 의한 분해와 UV에 의한 분해가 동시에 일어나기 때문인것으로 판단되며, Citric acid의 경우에는 UV 에 의한 분해 반응 보다 OH 라디칼에 의한 분해 반 옹이 주도적이기 때문인 것으로 판단된다.
- 그러나 Citric acid는 Oxalic acid와는 달리 초기농도가 300 mg/L(TOC 기준) 이상으로 증가함에 따라 제거에 소요되는 반응시간 및 과산화수소 주입 량이 급격히 증가하는 것으로 나타났다. 이는 Oxalic acid 는 H2O2와 UV 반응에 의하여 생성되는 OH 라디칼에 의한 분해와 UV에 의한 분해가 동시에 일어나기 때문인 것으로 판단되며.
- 그러나 Citric acid의 반응속도가 느리므로 제거에 소요되는 시간이 긴 점을 감안한다면 두 물질이 함유된 제염폐수를 처리하는 경우에는 Citric acid의 산화에 적정한 과산화수소 주입 조건으로 적용하는 것이 타당할 것으로 판단되므로 초기 과산화수소 주입량은 200 mg/L로 정하는 것이 적정한 조건인 것으로 결론지을 수 있다. 아울러 과산화수소 잔류량이 10 mg/L 이하로 감소할 경우 과산화수소를 재주입하여 주는 것이 효율적일 것으로 판단된다.
- 동일한 농도에서 Oxalic acid와 Citric acid의 과산화수소 소모량을 비교할 경우 Citric acid가 Oxalic acid보다 과산화수소 소모량이 큰 것으로 나타났다. 따라서 Oxalic acid와 Citric acid가 동일한 농도로 혼합되어 있을 경우에는 Citric acid가 Oxalic acid 보다 과산화수소 주입량 및 전체 제거효율에 큰 영향을 미칠 것으로 판단되었다.
- pH 8 이상에서는 Oxalic acid의 경우와 마찬가지로 pH가 중가함에 따라 분해 효율이 감소하는 것으로 조사되었다. 두 유기산의 분해에 소요되는 반응시간은 Oxalic acid의 경우 pH 4 이하에서 약 60분 정도의 반응시간에서 1 mg/L (TOC 기준) 이하로 분해가 가능하였으나, Citric acid의 경우에는 pH가 4에서 6 범위에서 약 210분 정도의 반웅시간이 필요한 것으로 조사되었다. 이는 UV(254 nm)/H2O2에 의하여 두 물질을 제거하고자 할 경우 동일한 농도 조건에서 Oxalic acid가 Citric acid 보다 더 쉽게 분해가 가능함을 나타내는 결과이다.
- 따라서 Citric acid는 과산화수소의 소모율이 높고, 반응시간이 긴 점을 감안할 때 UV/H2O2롤 이용하여 제염폐수내에 함유된 Oxalic acid와 Citric acid의 처리시 pH 4에서 과산화수소 주입 량을 200 mg/L로 하여 처리하는 것이 가장 효과적인 것으로 판단된다.
- 따라서 Oxalic acid는 주도파장이 254 nm인 UN만 조사하여도 충분히 분해가 가능할 것으로 판단되나 Citric acid의 경우에는 주도파장이 254 nm인 UV만을 조사하여서는 분해가 용이하지 않을 것으로 판단되었다. 또한, 과산화수소만을 사용할 경우 Oxalic acid와 Citric acid의 경우 공히과산화수소의 소모량이 5 mg/L 이하로 대부분의 과산화수소가 유기물질과 반웅하지 않고 잔류하는 것으로 조사되었다.
- 작용하였기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 Oxalic acid와 Citric acid 분해시 과산화수소의 농도를 200 mg/L 이하로 주입하는 것이 과산화수소로 인한 OH radical의 trap을 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 따라서 Oxalic acid와 Citric acid가 동일한 농도로 혼합되어 있을 경우에는 Citric acid가 Oxalic acid 보다 과산화수소 주입량 및 전체 제거효율에 큰 영향을 미칠 것으로 판단되었다.
- 또한, 과산화수소만을 사용할 경우 Oxalic acid와 Citric acid의 경우 공히과산화수소의 소모량이 5 mg/L 이하로 대부분의 과산화수소가 유기물질과 반웅하지 않고 잔류하는 것으로 조사되었다. 따라서 UV/H2O2 조합에 의하여 두 가지 물질을 분해할 경우 사용된 과산화수소의 대부분은 유기물질과 직접 반응하여 소모된다기보다는 OH 라디칼 생성반옹에 의하여 소모되는 것으로 결론지을 수 있었다.
- 제거율, 반 옹 시간, 과산화수소 소모량을 종합적으로 감안한다면 Oxalic acid는 pH 4 이 하가 가장 효과적인 것으로 조사되었으며 , Citric acid는 pH 4~ 6에서 가장 효과적인 것으로 조사되었다. 따라서 두 물질이 공존하는 제염폐수의 경우에는 pH 4에서 처리하는 것이 효과적일 것으로 결론지을 수 있다.
- cm로 254 nm에서의 몰흡수도는 H2O2>Oxalic acid>Citric acid의 순으로 조사되었다. 따라서 파장이 254 nm의 UV 램프를 사용할 경우에는 Oxalic acid가 Citric acid 보다 분해가 용이할 것으로 추측되었다.
- 따라서 현재 제염공정이 pH 2~3 부근에서 실시되고 있다는 점을 감안한다면 반응 pH 조건을 4 이하로 결정하는 것이 타당할 것으로 판단된다. 이상의 결과에 의하면 Oxalic acid와 Citric acid가 흔합되어 있는 제염폐수를 UV(254 nm)/H26에 의하여 처리할 경우 pH 4에서 처리하는 것이 효율적인 것으로 결론지을 수 있다.
- 이 결과에 의하면 Oxalic acid와 Citric acid 공히 pH가 4~8 부근에서 과산화수소의 소모량이 적었으나 pH가 8 이상에서는 과산화수소의 소모량이 증가하는 것으로 조사되었다. 또한, pH 2 부근에서도 pH 4~8보다 과산화수소의 소모량이 증가하는 것으로 조사되었다. 이는 pH 2 부근에서는 UV와 과산화수소가 직접 반응하여 과산화수소가 분해되기 때문인 것으로 추정된다.
- 반면 Citric acid의 경우에는 254 nm 파장의 UW만으로는 분해가 잘 되지 않는 것으로 조사되었다. 또한, 과산화수소만 을 사용하였을 경우에는 두 물질 모두 과산화수소와 반응성이 낮아 과산화수소만으로는 분해가 되지 않는 것으로 조사되었다.
- 따라서 Oxalic acid는 주도파장이 254 nm인 UN만 조사하여도 충분히 분해가 가능할 것으로 판단되나 Citric acid의 경우에는 주도파장이 254 nm인 UV만을 조사하여서는 분해가 용이하지 않을 것으로 판단되었다. 또한, 과산화수소만을 사용할 경우 Oxalic acid와 Citric acid의 경우 공히과산화수소의 소모량이 5 mg/L 이하로 대부분의 과산화수소가 유기물질과 반웅하지 않고 잔류하는 것으로 조사되었다. 따라서 UV/H2O2 조합에 의하여 두 가지 물질을 분해할 경우 사용된 과산화수소의 대부분은 유기물질과 직접 반응하여 소모된다기보다는 OH 라디칼 생성반옹에 의하여 소모되는 것으로 결론지을 수 있었다.
- 또한. 본 연구의 대상 시료인 Oxalic acid 및 Citric acid와 같은 유기산은 pH에 따라 존재하는 형태가 다르므로 pH 변화에 따라 UV(254nm)/H2O2 반응에 의하여 분해되는 특성이 상이할 것으로 예상되었다.
- Table 2와 Table 3은 각 대상 물질별로 처리조건을 비교한 결과이다. 이 결과를 해석하면 Oxalic acid는 pH가 낮을수록 효과적이며 pH 2에서 가장 큰 반응속도상수값인 6.2X l07/s을 가지며 40분내에 99.5%가 분해되는 것으로 나타났다. pH 4에서도 반응시간과 반웅속도는 pH 2보다 떨어지나 분해효율은 99.
- 9는 Oxalic acid와 CiZric acid를 UV(254nm)/H202에 의하여 분해할 경우 과산화수소의 소모속도를 계산하여 도시한 결과이다. 이 결과에 의하면 Oxalic acid와 Citric acid 공히 pH가 4~8 부근에서 과산화수소의 소모량이 적었으나 pH가 8 이상에서는 과산화수소의 소모량이 증가하는 것으로 조사되었다. 또한, pH 2 부근에서도 pH 4~8보다 과산화수소의 소모량이 증가하는 것으로 조사되었다.
- 10과 11은 현재까지의 실험에서 도출된 최적 pH인 pH 4에서 Oxalic acid와 Citric acid를 분해시킬 경우 과산화수소의 주입 량 변화에 따른 분해 특성을 나타낸 결과이다. 이 결과에 의하면 UV (254 nm) 만을 적용하였을 경우보다 H2O2와 UV (254nm)를 같이 적용시켰을 경우가 Oxalic acid 및 Citric acid의 분해에 소요되는 반응시간을 단축시킬 수 있는 것으로 조사되었다.
- Oxalic acid는 286 nm까지 6 L/mol - cm 이상의 몰흡수도를 나타내었고 Citric acid의 경우 240 nm까지는 7 L/mol - cm 이상으로 Oxalic acid의 몰흡수도 보다 높은 것으로 나타났다. 이 결과에 의한다면 두 물질을 UV 에 의하여 처리하고자 할 경우 Oxalic acid는 파장이 286 nm 이하인 UV 램프가 효율적이고 Citric acid 는 파장이 240 nm 이하인 UV 램프를 사용하는 것이 적절할 것으로 판단되었다.
- 이상의 결과를 종합하면 UV/H2O2 조합에 의하여 Oxalic acid를 분해하는 경우에는 H2O2와 UV 반응에 의하여 생성되는 OH 라디칼에 의한 분해와 UV 에 의한 분해가 동시에 일어날 것으로 예측되며. Citric acid의 경우에는 UV에 의한 분해 반옹 보다 OH 라디칼에 의한 분해 반옹이 주도적으로 일어날 것으로 판단된다.
- 이상의 결과에 의하면 Oxalic acid와 Citric acid 가 공존하는 제염폐수의 UV(254 nm)/H2O2에 의한 광분해시 적정조건은 pH 4에서 과산화수소 주입량은 200 mg/L로 정할 수 있었다.
- 이상의 결과에 의하면 Oxalic acid와 Citric acid가 흔합되어 있는 제염폐수를 UV(254 nm)/H26에 의하여 처리할 경우 pH 4에서 처리하는 것이 효율적인 것으로 결론지을 수 있다.
- 조사결과 반응속도상수. 제거율, 반 옹 시간, 과산화수소 소모량을 종합적으로 감안한다면 Oxalic acid는 pH 4 이 하가 가장 효과적인 것으로 조사되었으며 , Citric acid는 pH 4~ 6에서 가장 효과적인 것으로 조사되었다. 따라서 두 물질이 공존하는 제염폐수의 경우에는 pH 4에서 처리하는 것이 효과적일 것으로 결론지을 수 있다.
후속연구
- Citric acid의 경우에는 UV에 의한 분해 반옹 보다 OH 라디칼에 의한 분해 반옹이 주도적으로 일어날 것으로 판단된다. 또한, Citric acid는 240 nm 이하의 UV 파장에서 Oxalic acid 보다 UV 흡수 도가 우수하였으므로 향후 240 nm 이하의 파장을 갖는 UV 램프를 사용하여 분해 특성이 평가되어야 할 것으로 판단된다.
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