[논문]동전기-펜턴 공정을 이용한 phenanthrene 오염토양의 정화

양지원; 박지연; 김상준; 이유진; 기대정

동전기-펜턴 공정을 이용한 phenanthrene 오염토양의 정화
Electrokinetic-Fenton Process for Removal of Phenanthrene 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.9 no.1, 2004년, pp.47 - 53

양지원 (한국과학기술원 생명화학공학과) , 박지연 (한국과학기술원 생명화학공학과) , 김상준 (한국과학기술원 생명화학공학과) , 이유진 (한국과학기술원 생명화학공학과) , 기대정 (한국과학기술원 생명화학공학과)

초록
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본 연구에서는 동전기-펜턴 공정을 이용한 phenanthrene 오염토양 정화의 타당성을 확인하기 위해서, 토양 시스템 내에서 전기삼투흐름에 의한 과산화수소의 이동과 펜턴유사 반응에 의한 phenanthrene의 산화분해 양상을 살펴보았다. 10 mA와 5 mA의 두 가지 전류 조건 중에서, 10 mA일 때 더 높은 전압경사와 전기삼투유량이 관찰되었다. 높은 전기삼투유량은 토양 내로 많은 양의 과산화수소가 이동한 것을 의미하므로, phenanthrene 제거효율이 전기삼투유량이 증가함에 따라 증가한 것으로 판단된다. 동전기 정화기술만을 이용한 토양 세척에 의해 7일간의 가동기간 동안 8.5%의 phenanthrene이 제거되었다. Phenanthrene을 직접 산화분해하기 위하여 양극 전극조를 통하여 과산화수소 용액을 토양에 공급한 경우에는 14일 동안 최고 95.6%의 제거효율을 얻을 수 있었다. 실험 종료 후 95.6%의 제거효율을 나타낸 토양시료를 분석한 결과 phenanthrene의 중간산물이 거의 관찰되지 않음으로써, 과산화수소의 연속적인 주입을 통하여 가동기간 중간에 생성된 중간산물들이 저분자 물질로 산화분해 되었거나 물과 이산화탄소로 분해된 것으로 추정된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Feasibility of electrokinetic process combined with Fenton-like reaction was investigated for the removal of phenanthrene from contaminated soil. Transport of hydrogen peroxide by electroosmosis and decomposition of phenanthrene by Fenton-like reaction were observed in a model system. Electrical potential gradient and electroosmotic flow (EOF) at 10 mA were higher than those at 5 mA. High accumulated EOF resulted in high removal efficiency of phenanthrene because the large amount of hydrogen peroxide was transfered through the soil. Removal efficiency of phenanthrene by water washing was 8.5% for 7 days. The highest removal efficiency including phenanthrene decomposition was 95.6% for 14 days. After the operation, soil samples with removal efficiency of 95.6% showed low concentrations of phenanthrene and its intermediates. From this result, it was presumed that phenanthrene was decomposed to small molecules or mineralized to water and carbon dioxide due to continuous supply of hydrogen peroxide by electroosmotic flow.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

0%로 감소할 때의 토양 내에서 일어나는 전류 및 전압의 변화와 제거효율을 비교하였다. 또한 가동기간이 증가함에 따라 오염물의 전기삼투유량 및 제거효율의 변화 양상을 살펴보았다.
본 연구에서는 phenanthrene 오염토양의 정화를 위해 동전기펜턴 공정이 적용되었을 경우의 전압경사 및 전류,전기삼투유량, phenanthrene 제거효율, phenanthrene 중간산물의 분해에 대한 결과로부터 다음과 같은 결론은 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 동전기펜턴 공정을 이용한 유류오염토 양 정화의 타당성을 살펴보기 위하여 오염된 저수투성 토양을 대상으로 이 기술을 적용하였을 때의 전기삼투유량 및 전압경사를 관찰하고, phenanthrene 중간산물의 생성여 부를 분석하여 토양 내에서 phenanthrene의 산화분해 양상을 살펴보고, 동전기펜턴 공정의 오염물에 대한 제거 효율을 검토하였다.

제안 방법

Table 1은 각 실험에 적용되는 공정 변수들을 나타내고 있다. 10 mA의 전류에 3.5% 농도의 과산화수소를 사용한 Exp. 2를 기본 실험으로 하여 전류가 5 mA로 낮아지거나, 과산화수소의 농도가 1.0%로 감소할 때의 토양 내에서 일어나는 전류 및 전압의 변화와 제거효율을 비교하였다. 또한 가동기간이 증가함에 따라 오염물의 전기삼투유량 및 제거효율의 변화 양상을 살펴보았다.
Phenanthrene으로 토양을 인위적으로 오염시키기 위하여, phenanthrene-아세톤 용액을 토양과 혼합한 후 아세톤을 증발시키고, 토양 입자의 표면에 흡착되지 않고 토양 내의 공극에 존재하는 phenanthrene을 제거하기 위하여 물로 여러 번 세척한 후 건조시켰다. 이는 동전기펜턴 공정의 운전 중에 세척효과에 의한 오염물의 제거를 배제하기 위해서였다.
2 |1M로 물에 거의 녹지 않는 성질을 가지고 있다⑹. Phenanthrene의 중간산물 중에서 9, 10-phenanthrenquinone, 9-hydroxyphenanthrene, 2-phenylbenzaldehyde(Aldrich)의 세 가지를 선택하여 검량선을 작성하였다. Phenanthrene 및 그 중간산물의 구조를 Fig.
각각의 반응기에 오염된 토양과 증류수를 혼합하여 채우고 특수하게 제작된 장치에서 압밀 (consolidation)하였다. 각 반응기로부터 토양의 일부를 채취하여 초기오염농도, 철의 양, 공극비, 초기 함수율, 초기 pH를 측정하는데 사용되었다.
이는 동전기펜턴 공정의 운전 중에 세척효과에 의한 오염물의 제거를 배제하기 위해서였다. 각각의 반응기에 오염된 토양과 증류수를 혼합하여 채우고 특수하게 제작된 장치에서 압밀 (consolidation)하였다. 각 반응기로부터 토양의 일부를 채취하여 초기오염농도, 철의 양, 공극비, 초기 함수율, 초기 pH를 측정하는데 사용되었다.
공정 중에는 반응기 내의 전압변화와 전기삼투유량이 측정되었다. 공정 종료 후에는 각각의 토양 시료를 11개의 조각으로 등분하여 건조시킨 후, 토양 내에 잔존하는 phenanthrene 및 중간 산물의 농도를 분석하였다. 각각의 시료는 메탄올로 추출한 후, 254 nm의 파장에서 C18 Symmetry Columir을 사용하여 HPLC(High Performance Liquid Chromatography, Waters사)로 정량하였다.
오염토양 시료가 내재된 원통관을 동전기 장치에 조립하고 원통관 양단의 전극조 내에 전극판을 설치하여 이로부터 전원이 공급되도록 하였다. 전극판은 전극조 내의 물 속에 설치하여 직접 토양 시료에 접촉되지 않도록 하였다.
4, 0.8mA/cm²>의 정전류 조건하에서 조업되었으며 , 반응기 양끝에는 체적이 75 cri?인 전극조를 부착하였고 유입수 및 유출수의 유동을 위한 공간과 밸브구멍 그리고 가스의 방출을 위한 밸브구멍을 설치하였다. 전해질의 공급은 양극탱크(anode tank)의 수위를 일정하게 유지하기 위하여 항상 같은 수리학적 경사에서 같은 유량이 공급되도록 하였다.
오염토양 시료가 내재된 원통관을 동전기 장치에 조립하고 원통관 양단의 전극조 내에 전극판을 설치하여 이로부터 전원이 공급되도록 하였다. 전극판은 전극조 내의 물 속에 설치하여 직접 토양 시료에 접촉되지 않도록 하였다.
토양 시료의 양끝에는 유리섬유로 된 여과지(Whatman사>를 두 장씩 두어서 토양 시료가 전극조로 유입되는 것을 방지하고, 과산화수소에 의한 여과지의 분해를 최소화하였다. 전원공 급기는 최대 200 V까지 전압 공급이 가능한 직류 전원공 급기를 사용하였으며, 내재되어 있는 전류계와 전압계로부터 전류 및 전압을 측정하였다.
8mA/cm²>의 정전류 조건하에서 조업되었으며 , 반응기 양끝에는 체적이 75 cri?인 전극조를 부착하였고 유입수 및 유출수의 유동을 위한 공간과 밸브구멍 그리고 가스의 방출을 위한 밸브구멍을 설치하였다. 전해질의 공급은 양극탱크(anode tank)의 수위를 일정하게 유지하기 위하여 항상 같은 수리학적 경사에서 같은 유량이 공급되도록 하였다.
각각의 반응기에 들어가는 토양은 180 g이고, 제조된 토양시료의 초기 오염농도는 약 400 mg phenanthrene/kg dry soil이었다. 토양 내의 철의 양을 측정하기 위하여, 토양 5 g을 3.3 M HNO₃, 50 mL에 넣고 48시간 동안 교반한 후 AAS(Atomic Absorption Spectrophotometry, Perkin Elmer사)로 분석하였다. Kaolinite 내에는 약 1000mg/kg dry soil의 철이 존재하였으며, 추가적인 철 촉매의 주입 없이도 층분한 펜턴유사 반응이 발생하였다.

대상 데이터

2). 반응기는 직경 4 cm, 길이 10 cm의 원통관으로, 반응기 내에서의 phenanthrene의 흡착에 의한 손실을 최소화하기 위해서 유리 재질로 제작되었다.5, 10 mA(0.
100인 체를 통과한 150μm 이하의 입자만을 사용하였다. 실험에 사용된 과산화수소(JunseO는 35% 용액을 3.5 및 1.0%의 농도로 희석하였다.
실험에 사용된 오염물질은 대표적인 PAH(Poly Aromatic Hydrocarbon)의 하나인 phenanthrene(Sigma, >96%)이다. Phenanthrene은 물에 대한 용해도가 7.
1에 나타내었다. 토양 시료로는 경남 산청에서 생산되는 kaolinite를 사용하였는데, 균일성을 유지하기 위하여 건조로에서 건조시킨 시료를 분쇄한 후, No. 100인 체를 통과한 150μm 이하의 입자만을 사용하였다. 실험에 사용된 과산화수소(JunseO는 35% 용액을 3.

성능/효과

1) 10 mA의 전류 조건에서는 5 mA의 전류 조건에서보다 높은 전압경사를 나타내었다. 10 mA의 조건에서는 초기에 전압경사의 감소현상이 나타나다가, 1일 후부터 다시 증가하는 경향을 나타내었다.
2) 전기삼투유량은 5 mA의 전류 조건에서보다 10 mA의 전류 조건에서 크게 나타났다. 즉 14일의 가동기간 동안 전류가 2배 증가했을 때, 총 전기삼투유량은 3.
3) 동전기 공정에서 phenanthrene의 물에 의한 세척효 율은 8.5%였다. 과산화수소가 사용되었을 경우 14 일의 가동기간 동안의 phenanthrene 제거효율은 95.
4) 95.6%의 제거효율을 보인 실험결과에서 세 가지의 중간산물 9, 10-phenanthrenequinone, 9-hydroxyphenanthrene, 2-phenylbenzaldehyde의 농도를 분석한 결과, 공정 적용 후 토양에 중간산물의 농도가 0.083 mmol/kg soil 이하로 phenanthrene의 초기 농도인 2.239 mmol/kg soil에 비하여 극히 적음을 알 수 있었다. 이로부터 이 공정이 과산화수소 용액을 한 방향으로 연속적으로 공급하는 공정이기 때문에 중간에 생성된 중간산물들이 더 작은 저분 자 물질로 분해되었을 것으로 판단된다.
10 mA의 조건에서는 초기에 전압경사의 감소현상이 나타나다가, 1일 후부터 다시 증가하는 경향을 나타내었다. 5 mA의 전류 조건이 가동기간 동안 일정하게 유지되는 반면, 10 mA의 가동기간 중간에 약간 감소하는 경향을 보였다.
Table 2에는 각각의 조업조건에 따른 전기삼투유량과 제 거효율을 표시하였다. 과산화수소의 농도가 3.5%로 같은 경*에 대하여, 전기삼투유량이 클 때 제거효율 또한 높게 관찰되었다. 이는 전기삼투유량이 높을수록 phenanthrene 이 수산화 라디칼과 접촉할 기회가 많아져서 더 많은 양 의 오염물이 분해되었기 때문이다.
6%였다. 과산화수소의 농도를 3.5%에서 1.0%로 3.5배 감소시켰을 때 제거효율의 감소율은 1.8 배였으며, 5 mA에서는 낮은 전기삼투유량게 기인하여 10 mA에서보다 낮은 제거효율 을 보였다.
흑연판 내에는 일정한 간격으로 직경 3 mm 크기로 천공하여 전원 공급 및 물의 유동을 원활히 하도록 하였다. 토양 시료의 양끝에는 유리섬유로 된 여과지(Whatman사>를 두 장씩 두어서 토양 시료가 전극조로 유입되는 것을 방지하고, 과산화수소에 의한 여과지의 분해를 최소화하였다. 전원공 급기는 최대 200 V까지 전압 공급이 가능한 직류 전원공 급기를 사용하였으며, 내재되어 있는 전류계와 전압계로부터 전류 및 전압을 측정하였다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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