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문제 정의
- 본 연구에서는 Nb/Pt anode 전극과 SUS 316 cathod 전극으로 구성된 전기분해장치에서 Nb/Pt anode 전극 표면에서 산화력이 강한 OHㆍ생성과 생활하수 처리수의 재이용 처리기술과 소독을 위하여 아래와 같은 결론을 도출 하였다.
제안 방법
- 1과 같이 회분식 전기분해장치 내 전해질 NaCl을 첨가하여 초기 Cl- 농도 200 mg/L와 OHㆍ에만 산화되어 탈색되는 RNO 5 mg/L을 1 L로 제조하여 반응조에 넣고 균일 혼합 후 전류세기를 5 A, 10 A, 15 A로 운전하여 RNO 흡 광도 변화를 UV 흡광광도계(UV-1650PC, Shimadzu, Japan)로 분석하였다.15) 대조구 실험은 수용액내 전해질로 Cl- 농도 200 mg/L와 RNO 5 mg/L에 관한 RNO 흡광도 변화 실험으로 1) 전원 공급 없이 운전, 2) 전류세기 15 A에서 5분 동안 생성된 유리염소에 전원을 공급하지 않은 상태에서 초기 RNO 5 mg/L를 주입한 뒤 RNO흡광도 변화와, 3) OHㆍ포착제로 알려진 dimethyl sulfoxide(DMSO) 1,000 mg/L를 첨가한 후 전류세기 15 A로 운전하고 anode 전극표면에서 OHㆍ를 포착하여 RNO 탈색을 흡광도 변화로 조사 하였다.
- Nb/Pt anode 전극과 SUS cathode 전극으로 구성된 전기분해 장치의 주요 촉매 기작은 전기화학반응식 (1), (2)와같이 anode 전극 표면에서 OHㆍ 이 발생하여 유기성 물질이 전극면에 접촉 순간 산화되고 있으며, 전극 표면에서 발생된 OHㆍ생성은 직접적으로 분석을 할 수 없다. 그러 므로 본 연구에서는 OHㆍ발생의 간접적인 증명으로 Fig. 1과 같이 회분식 전기분해장치 내 전해질 NaCl을 첨가하여 초기 Cl- 농도 200 mg/L와 OHㆍ에만 산화되어 탈색되는 RNO 5 mg/L을 1 L로 제조하여 반응조에 넣고 균일 혼합 후 전류세기를 5 A, 10 A, 15 A로 운전하여 RNO 흡 광도 변화를 UV 흡광광도계(UV-1650PC, Shimadzu, Japan)로 분석하였다.15) 대조구 실험은 수용액내 전해질로 Cl- 농도 200 mg/L와 RNO 5 mg/L에 관한 RNO 흡광도 변화 실험으로 1) 전원 공급 없이 운전, 2) 전류세기 15 A에서 5분 동안 생성된 유리염소에 전원을 공급하지 않은 상태에서 초기 RNO 5 mg/L를 주입한 뒤 RNO흡광도 변화와, 3) OHㆍ포착제로 알려진 dimethyl sulfoxide(DMSO) 1,000 mg/L를 첨가한 후 전류세기 15 A로 운전하고 anode 전극표면에서 OHㆍ를 포착하여 RNO 탈색을 흡광도 변화로 조사 하였다.
- Nb/Pt anode 전극은 5∼15 A 전류세기 범위에서 전류세기가 증가할수록 RNO 분해가 빠르게 진행되고, 5분 만에 anode 전극표면에서 발생된 OHㆍ 에 의하여 RNO는 투명하게 탈색 되었다. 대조구로 OHㆍ포착제 DMSO를 혼합 후 전기분해 시 anode 전극표면에서 생성된 OHㆍ가 DMSO에 포착되어 RNO 분해가 저감하였고, 유리 잔류염소 만으로는 RNO 물질은 분해되지 않고 붉은색으로 전환되었다. Fig.
- 본 연구는 니오브/백금(Nb/Pt) anode 전극이 설치된 전기분해장치에서 OH․에 의하여 분해되는 N,N-Dimethyl-4- nitroso aniline(RNO) 분해와 생활하수의 생물학적 처리수 pH 변화에 따른 처리특성을 회분식 반응기에서 고찰하였고, 연속식 전기분해장치를 사용하여 생활오수에 대한 생물학적 처리수의 재이용, 소독 및 소독 부산물 THMs 농도에 대한 수질평가로 Nb/Pt anode 전기화학적 기술의 적용 성을 평가하였다.
- 생물학적 A2SFS 처리수의 전기분해처리는 회분식 실험과 연속식 실험으로 진행하였다. 회분식 실험은 전기분해 처리 시 pH의 영향을 조사키 위해 원수 pH 7.
- 0으로 조정 한 후 전류세기를 15 A로고정하고 각각 90분 동안 운전하였다. 연속 전기분해 실험은 전류세기 15 A와 전극 하단부 반응조 용량을 0.942 L 로 유지하고, 유입유량 19.2, 34.7, 81.9 및 255.7 mL/min 로 전기분해 장치를 운전 하였다.
- 전기분해 후 수질분석 항목 CODMn, NO3--N, PO4-3-P, 색도, 유리염소는 표준 수질 시험방법으로 분석하고,16,17) 연속식 실험에서 정상상태일 때 THMs은 Purge & Trap 농축기(Tekmar 3000, Tekmar Co., U.S.A.)와 RTX624 Capillary 컬럼이 설치된 가스크로마토그래프(GC 6890, Agilent, U.S.A.) 를 사용하여 Table 1과 같이 분석하였다.
- 전기분해장치는 내경 20 cm 높이 10 cm인 아크릴 원통으로 제작하였고, 전극은 직경 12 cm 니오브(Nb) 망에 백금(Pt)를 입힌 anode 전극 2장과 SUS 316 재질인 cathode 1장을 두께 1 mm인 PE 재질 망사구조를 사이에 두고 설치하였다. 전극을 고정하는 고정판은 SUS 316 두께 10 mm로 제작하여 전극장치의 cathode로 사용하였다.
- 생물학적 A2SFS 처리수의 전기분해처리는 회분식 실험과 연속식 실험으로 진행하였다. 회분식 실험은 전기분해 처리 시 pH의 영향을 조사키 위해 원수 pH 7.5를 H2SO4와 NaOH로 5.0, 9.0으로 조정 한 후 전류세기를 15 A로고정하고 각각 90분 동안 운전하였다. 연속 전기분해 실험은 전류세기 15 A와 전극 하단부 반응조 용량을 0.
대상 데이터
- 전극을 고정하는 고정판은 SUS 316 두께 10 mm로 제작하여 전극장치의 cathode로 사용하였다. cathode 와 anode의 투시면적은 망사구조의 공극을 고려하지 않고 직경 12 cm인 원형 단면적 113 cm2로 유체가 통과할 수있는 망사구조이고 전기분해가 이루어지는 anode 전극 총면적은 452 cm2이다. 조합된 전극은 Fig.
- 전기분해장치는 내경 20 cm 높이 10 cm인 아크릴 원통으로 제작하였고, 전극은 직경 12 cm 니오브(Nb) 망에 백금(Pt)를 입힌 anode 전극 2장과 SUS 316 재질인 cathode 1장을 두께 1 mm인 PE 재질 망사구조를 사이에 두고 설치하였다. 전극을 고정하는 고정판은 SUS 316 두께 10 mm로 제작하여 전극장치의 cathode로 사용하였다. cathode 와 anode의 투시면적은 망사구조의 공극을 고려하지 않고 직경 12 cm인 원형 단면적 113 cm2로 유체가 통과할 수있는 망사구조이고 전기분해가 이루어지는 anode 전극 총면적은 452 cm2이다.
성능/효과
- 전류 공급 후 2분, 5분, 20분 후 440 nm 파장의 흡광도는 빠르게 소멸되어 노란색의 RNO 물질이 Nb/Pt anode 전극 표면에서 산화력이 강한 OHㆍ과 반응하여 투명하게 탈색시켰다. Fig 2(b)는 전기분해 시 OHㆍ에 의한 RNO 탈색을 확증키 위한 대조구 실험으로 OHㆍ 포착제 DMSO를 초기에 혼합하고 5분 동안 전기분해 후 RNO 최대흡광도는 440 nm 파장에서 0.429로 DMSO 없는 경우 흡광도 0.059보다 높은 흡광도를 보여 주었으므로, Nb/Pt anode 전극표면에 생성되는 OHㆍ 과 DMSO가 반응하여 RNO 직접 산화력을 저감시키고 있음을 확인하였다. RNO 첨가없이 전해질만 넣은 뒤 5분 동안 전기분해를 운전하여 약 6 mg/L 유리염소가 생성된후 전기 공급 없이 RNO를 첨가 하고 5분 동안 반응 후에 RNO 최대 흡광도는 파장 440 nm에서 400 nm로 변화되 었으며 붉은색으로 변화되었다.
- 1) Nb/Pt anode 전극은 5∼15 A 전류세기 범위에서 anode 전극 표면에서 생성된 OHㆍ에 의하여 RNO는 탈색되었고, 전류세기 5, 10, 15 A에서 전류세기가 증가할수록 RNO 2차 반응 분해속도는 각각 # , # , # 로 96% 이상의 r 2로 조사되었다.
- 2) 전류세기 15A로 운전하고, anode 전극에서 발생되는 OHㆍ을 DMSO 포착제와 함께 운전한 결과 RNO 분해 속도는 # 로 OHㆍ에 의한 한 RNO 분해속도 보다 약 44배 저감되었다.
- 3) 회분식 실험에서 전류세기 15 A와 초기 pH 5, 7.5, 9로 운전 시 유기물 제거는 15분 후 CODMn, 색도 및 일반 세균은 각각 4 mg/L 미만, 5도 미만과 불검출로 조사되어 재이용수로 사용이 가능한 수질을 확보 하였다.
- 4) 전기분해 연속 시스템의 HRT 3.7∼49.2분에서 처리 수의 일반세균과 색도는 각각 불검출과 5도 미만, 유리 잔류염소 0.2∼0.7 mg/L, 소독 부산물인 THMs는 평균 0.017 mg/L로 먹는 물 기준 값 0.1 mg/L보다 약 6배 이상 낮은 농도로 생성되어 생활하수 최종 처리수의 잔류 유기물 제거 및 소독을 동시에 만족시키는 재이용 기술로 활용될 수 있다.
- 5와 같다. CODMn 농도는 초기 pH에 의한 유기물 제거에 영향이 없이 15분 후 CODMn 농도는 4 mg/L 미만으로 조사되었고, 색도는 먹는물 수질 기준인 5도 미만과 일반 세균은 불검출로 나타났다. Nb/Pt anode 전극에 의한 전기분해는 pH 변화가 anode 전극표면에서 OHㆍ생성에 영향을 주지 않고 잔류유기물과 색도가 제거되며 동시에 짧은 HRT 세포막을 파괴하여 일반세균을 사멸 시키는 소독 효과를 보여주었다.
- H대학 창업센터에서 발생되는 생활하수를 실험실에서 혐기-무산소-호기성 나선형 생물막 시스템(A2SFS)으로 처리된 처리수를 전기분해 장치 원수로 사용하여 생활하수 재 이용과 소독효과를 조사 하였고, 전기분해 장치에 원수로 사용된 A2SFS 처리수질은 3회 분석 평균값(표준편차)로 11(0.9) mg/LPO4-3-P와 일반세균 5.2 × 105 (2.1 × 103) CFU/ mL이며, 하수도 시행규칙 제 6조 제1항 방류수 수질기준값 이하인 CODMn 13(1.3) mg/L, NO3--N 17(0.2) mg/L, 색도 40(1.3)도 및 pH 7.5(0.1)이였다.
- CODMn 농도는 초기 pH에 의한 유기물 제거에 영향이 없이 15분 후 CODMn 농도는 4 mg/L 미만으로 조사되었고, 색도는 먹는물 수질 기준인 5도 미만과 일반 세균은 불검출로 나타났다. Nb/Pt anode 전극에 의한 전기분해는 pH 변화가 anode 전극표면에서 OHㆍ생성에 영향을 주지 않고 잔류유기물과 색도가 제거되며 동시에 짧은 HRT 세포막을 파괴하여 일반세균을 사멸 시키는 소독 효과를 보여주었다.12)
- 이는 유리염소에 의하여 RNO는 탈색 되지 않고 유리염소와 결합된 붉은색의 물질로 전환되었음을 보여주는 것이다. 그러므로 Nb/Pt anode 전극은 전기분해 시 anode 전극표면에서 식 (1)과 (2)와 같이 산화력이 강한 OHㆍ을 생성되어 RNO를 노란색에서 직접 산화 분해 기작에 의하여 투명하게 탈색이 이루어지고 있음을 확인 하였다.13,14)
후속연구
- 0을 제외하고는 15분 후 약 64%가 처리된 4 mg/L 이하로 조사되었다. 이는 전기분해 에서 예상치 못한 결과로 A2SFS 처리수내 Ca+2과 PO4-3-P가 반응하여 pH 7.5와 pH 9로 운전 시 전압에 관계없이 PO4-3-P는 수용액 상에서 HPO4-2로 전환되어 수용액상 잔류된 Ca+2이온과 결합되어 CaHPO4 침전물로 제거 되고, pH 5에서는 H2PO4-가 우점물질로 산성 조건에서 CaHPO4 침전물 형성이 낮기 때문인 것으로 사료되며 전기분해 방법에 의한 인의 제거에 대한 연구가 필요하다고 사료된다.15)
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