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문제 정의
- 그러나 이와 같이 광촉매와 흡착제의 혼성 입자 시스템은 물리적으로 광산란 효과를 배제하는데 한계가 있는 것으로 판단되어 광촉매 표면에 흡착력이 강한 산화철을 직접 부착시키고자 시도하였으며 다음 절에서 토의될 것이다.
- 따라서 본 연구에서는 정수처리 공정에서 소독 부산물의 전구체로 알려진 자연산 유기물(natural organic matter)을 제거하기 위해 광촉매 반응과 침지형 정밀여과 기술을 접목시킨 신공정에 대하여 고찰하였다. 자연산 유기물 처리의 경우 제거율 향상을 위한 산화철흡착제의 주입, TiO2 표면개질, 산화철을 이용한 분리막 표면코팅과 그에 따른 유기물 제거특성 및 막여과 특성을 평가하고자 하였다.
- 자연산 유기물 처리의 경우 제거율 향상을 위한 산화철흡착제의 주입, TiO2 표면개질, 산화철을 이용한 분리막 표면코팅과 그에 따른 유기물 제거특성 및 막여과 특성을 평가하고자 하였다.
제안 방법
- 3) 산화철의 광산란 영향을 최소화하면서 표면 흡착능력을 증가시키기 위해 광처리법과 열처리법에 의한 광촉매 표면 개질을 시도하였다. 광처리법에 의해 TiO2 질량당 0.
- TiO2 광촉매를 이용해 유기물 분해하고 광촉매 분리막을 분리하는 혼성 시스템을 구성하여 살균부산물의 전구체가 되는 자연산 유기물의 제거특성 및 막여과 특성을 고찰하였다. 특히, 흡착능이 큰 산화철을 다양한 방법으로 첨가함에 따른 유기물 제거특성을 비교 검토하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 광분해 효과의 영향이 빛의 산란으로 판단되어 빛의 산란을 최소화하기 위해 산화철의 양을 1〜10 mg/L로보다 소량으로 첨가하여 실험을 수행하였다(Fig 4a). 실험 결과에서는 보듯이 산화철 첨가량이 작을수록 제거 효율이 증가하였으며 TiCh만의 경우와 비교하여 여전히 DOC 제거율은 낮게 나타났다.
- 막투과도의 변화는 정유량을 얻기 위해 요구되는 흡입펌프의 압력을 디지컬압력센서(ZSE40F, SMC, Japan)로 측정하였고 신호값을 연속적으로 컴퓨터에 기록하였다. 광촉매 입자의 it과적인 부유와 막표면에서의 부착을 제어하기 위해 운전동안 분리막 하부에 산기관을 설치하여 연속적으로공기를 공급하였다.
- 광촉매 표면의 개질 방법에 따른 효과를 살펴보기 위해 열처리법을 적용하여 광촉매 표면에 산화철을 부착시키고자 시도하였다. Fig.
- 최근 다른 연구결과에 의하면 광촉매 반응초기에 유기물이 분해되면서 유기물의 탈착이 일어나 제거율이 감소하는 현상이 보고되었다. 따라서 본 실험에서는 탈착된 유기물이 분리막을 통과하는 것을 제어하기 위해 광촉매보다 흡착능이 우수하고 광촉매 반응에 의해 분해가 일어나지 않는 무기물 흡착제인 산화철을 주입한 광촉매와 홉착제의 혼성시스템을 구성하였다. 즉, 유기물의 제거율을 향상시키기 위해 광촉매 입자와 함께 산화철 입자를 동시에 투여하였다.
- 제거율 향상이 관찰되지 않았다. 따라서 액상에 산화철을 부유하게 하거나 광촉매 표면에 부착시키는 방법이 광산란 효과를 줄이는데 한계가 있는 것으로 판단하고 산화철을 분리막 표면에 직접 코팅하는 방법을 시도하였다. 결국, 광촉매 반응에 의해 제거되지 않은 액상 유기물을 분리막 표면에 코팅된 산화철 흡착제에 의해 제거함으로써 처리효율 향상 및 막오염 예방을 기대할 수 있었다.
- 흡입펌프를 통해 나온 처리수(투과수)는 소량의시료채취를 제외하고는 반응조로 재순환하는 회분식방식으로 실험을 수행하였다. 막투과도의 변화는 정유량을 얻기 위해 요구되는 흡입펌프의 압력을 디지컬압력센서(ZSE40F, SMC, Japan)로 측정하였고 신호값을 연속적으로 컴퓨터에 기록하였다. 광촉매 입자의 it과적인 부유와 막표면에서의 부착을 제어하기 위해 운전동안 분리막 하부에 산기관을 설치하여 연속적으로공기를 공급하였다.
- 물 속의 용존 유기 탄소량은 총유기탄소분석기(Sievers, Model 8200, USA)를 사용하여 분석하였다. 원수의 경우 막세공 크기가 0.
- 본 실험에서는 자연산 유기물의 제거율을 평가하기 위해 총용존유기탄소와 흡광도의 변화를 조사하였고 [21] 실험 중에는 pH, 용존산소, 흡입펌프의 압력을 각각 측정하였다.
- 0 mg/L에서 총유기탄소분석기를 검량하였다. 용존성 유기물을 신속하게 측정하는 지표로 254 nm 에서의 UV 흡광도를 분석하였고 HACH사의 DR/4000U 의 분광 광도계를 이용하여 측정하였다. 시료의 비흡광도를 나타내는 지표인 SUVA (specific UV absor- bance)는 UV 흡광도(cm-1) 값을 DOC (mg/L)로 나눈 뒤 100을 곱하여 구했다.
- 우선 적정 광촉매 주입량을 결정하기 위하여 TiO2 주입량에 따른 자연산 유기물의 제거율을 살펴보았다. TiO2 주입량이 증가함에 따라 DOC 제거율이 최대 90%까지 증가함을 볼 수 있다(Fig.
- 따라서 본 실험에서는 탈착된 유기물이 분리막을 통과하는 것을 제어하기 위해 광촉매보다 흡착능이 우수하고 광촉매 반응에 의해 분해가 일어나지 않는 무기물 흡착제인 산화철을 주입한 광촉매와 홉착제의 혼성시스템을 구성하였다. 즉, 유기물의 제거율을 향상시키기 위해 광촉매 입자와 함께 산화철 입자를 동시에 투여하였다. Fig.
- 고찰하였다. 특히, 흡착능이 큰 산화철을 다양한 방법으로 첨가함에 따른 유기물 제거특성을 비교 검토하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 1㎛인 분리막을 통과하므로 모두 용존 유기탄소로 간주하였다. 표준 용액으로는 1000 mg/L의 potassium hydro gen phthalate를 사용하였고 이 용액을 500배 희석하여 탄소농도 2.0 mg/L에서 총유기탄소분석기를 검량하였다. 용존성 유기물을 신속하게 측정하는 지표로 254 nm 에서의 UV 흡광도를 분석하였고 HACH사의 DR/4000U 의 분광 광도계를 이용하여 측정하였다.
- 한편, 과량의 광촉매 입자 주입은 정밀여과 과정에서 케이크층 형성으로 인해 막오염의 원인이 될 수 있으므로 본 연구의 이후 실험에서 TiO2 주입량 0.5〜1.0 g/L의 범위에서 실험을 수행하였다.
- 5 mL/min로 막투과 플럭스로 15 L/m2-h에 해당하며, 운전 동안 일정 투과 유속을 유지 하였다. 흡입펌프를 통해 나온 처리수(투과수)는 소량의시료채취를 제외하고는 반응조로 재순환하는 회분식방식으로 실험을 수행하였다. 막투과도의 변화는 정유량을 얻기 위해 요구되는 흡입펌프의 압력을 디지컬압력센서(ZSE40F, SMC, Japan)로 측정하였고 신호값을 연속적으로 컴퓨터에 기록하였다.
대상 데이터
- Fig. 1은 본 연구에 사용된 실험장치를 나타내며 광촉매 분해가 일어나는 반응기와 광촉매를 분리하는 막모듈로 크게 구성되며 반응기 내부에는 자외선램프 I F8T5.BLB, Sankyo, Japan)를 중앙에 설치하였고 자석 2반기를 이용하여 반응조를 완전혼합상태로 유지하녔다.
- 실험에 사용된 원수는 호소수로 대구대학교 경산캠퍼스 인근 문천지의 물을 사용했으며 원수의 DOC (dis solved organic carbon) 농도는 5~6 mg/L, 경도와 알칼리도는 각각 37.6, 118 mg/L as CaCO3, pH는 8.1, 탁도는 5.6 NTU, 전기전도도는 552 μS/cm이었다(Table I. ) 광촉매 입자는 Degussa P25를 사용하였고 실험 조건에 따라 0.1 〜5.0 g/L의 범위에서 반응조에 1회 주입하였으며 반응 동안 추가적인 주입은 없었다. 용액 중에존재하는 광촉매 입자의 크기는 1~10 범위에 해당하였고 평균크기는 약 2.
- 시료의 비흡광도를 나타내는 지표인 SUVA (specific UV absor- bance)는 UV 흡광도(cm-1) 값을 DOC (mg/L)로 나눈 뒤 100을 곱하여 구했다. 용존산소는 Orion 810 용존산소 메타(USA)를 사용하여 측정하였고 pH는 WTW 330i pH 메타(Germany)를 사용하여 측정하였다.
- 7 ㎛이었다. 첨가제로는 산화철(iron oxide particles)의 한 종류인 ferrihydrite JOPf)를 1〜50 mgL 범위에서 주입하였다[16].
이론/모형
- 광촉매의 표면에 철을 직접 부착시키기 위해 광처리법과 열처리법 두 가지의 표면개질법을 적용하였다. 광처리법은 자외선 조사에 의한 TiO2 광촉매 표면에 생성된 전자 혹은 전공과 철 이온이 반응하면서 광촉매 표면에 부착되는 원리를 이용해서 만드는 방법이다.
성능/효과
- 5) 막투과 플럭스 15 L/n?-h로 운전했을 때 TiCh나 산화철에 의한 막오염 현상은 거의 일어나지 않았고 -1~—2 kPa의 매우 낮은 흡입압력에서 안정된 막 투과도를 유지할 수 있었다.
- 1) TiO2 광촉매 투입량을 증가시킴에 따라 자연산 유기물의 분해율은 증가하였지만 2.0 g/L이상으로 과량 투여하는 것은 오히려 다소 부정적 영향을 나타내었다.
- 2) 자연산 유기물의 제거율 향상을 위해 산화철을 첨가하였을 때 초기 흡착에 의해 제거율이 상승되었으나 광반응이 진행되면서 산화철이 자외선을 산란시켜 광분해 효율이 오히려 저하되었다.
- 4) 분리막 표면에 산화철 흡착제를 직접 코팅한 경우 광반응이 진행되는 동안 항상 자연산 유기물 제거율이 다소 우수하게 나타났는데 이것은 산화철의 막표면 코팅으로 인해 광산란을 억제하면서 흡착작용을 활용할 수 있었기 때문으로 판단된다.
- 2). TiO2 주입량 0.5 잉L 정도에서 이미 증가율이 크게 완화되기 시작했고 1.0 g/L에서 유기물 제거율이 최대값에 도달하였으며 과다하게 주입할 경우 오히려 다소 감소하는 경향성을 나타내었다. 이것은 지나치게 많은 촉매가 오히려 용액 내의 빛의 투과를 방해하기 때문에 광분해효과가 저하되기 때문인 것으로 판단된다.
- 2 wt% 조건에서 열처리법으로 개질한 광촉매에 의한 자연산유기물의 분해 결과를 나타낸다. 광처리법과는 달리 제거율이 크게 감소하는 경향성을 보였다. 이것은 표면 개질을 위해 500°C에서 소성시키는 동안 광촉매 입자의 크기가 커지고 비표면적이 감소하였기 때문이며 입자크기의 변화는 전자 현미경 관찰을 통해 확인할 수 있었다.
- 표면 개질을 시도하였다. 광처리법에 의해 TiO2 질량당 0.1 w% 정도로 소량의 철을 담지한 경우 UV 흡광도 제거에 긍정적인 효과를 보였다.
- 4a). 실험 결과에서는 보듯이 산화철 첨가량이 작을수록 제거 효율이 증가하였으며 TiCh만의 경우와 비교하여 여전히 DOC 제거율은 낮게 나타났다. 그러나 UV 흡광도의 경우는 산화철을 첨가한 경우가 TiO만의 경우게 비해 제거율이 다소 향상된 것을 발견하였다(Fig.
- 5는 광처리로 개질된 광촉매 단위 질량 당 철의 함량에 따른 유기물 제거율을 보여준다. 철의 함량이 작으면 작을수록 DOC 제거율은 높게 나타났으며 마지막 광반응 후 제거율은 0.1 wt% Fe/TiCh가 0.5 g/L 첨가되었을 때 가장 높게 나타났다. 그리고 0.
후속연구
- 이것은 표면 개질을 위해 500°C에서 소성시키는 동안 광촉매 입자의 크기가 커지고 비표면적이 감소하였기 때문이며 입자크기의 변화는 전자 현미경 관찰을 통해 확인할 수 있었다. 그러므로 광촉매 개질 방법으로는 저온에서 표면처리가 가능한 광처리법이 보다 유용한 것으로 판단되었으며, 유기물 제거율 향상과 관련하여 장기적인 성능평가가 추가적으로 요구된다고 하겠다.
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