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문제 정의
- 추가적인비용이 소요되고, 지상에 구조물이 있을 경우 적용이 곤란하다. 따라서 본 연구에서는 비교적 짧은 시간 내에 고농도의 디젤을 처리하는데 있어서 화학적 산화공법 중의 하나인 펜 톤 산화 방법을 이용하고자 하였다.
- 산정하고자 하였다. 또한 회분식 실험에서 결정된 주입비를 바탕으로 연속식 실험에서 디젤을 분해하는데 필요한 과산화수소의 주입량을 결정 하는 것이 목적이다.
- 본 실험 전에 오염되지 않은 토양을 컬럼 (컬럼길이 5 cm)에 채운 후 과산화수소를 주입하여 토양에 함유되어있는 유기물철 화합물과의과의 반응으로 소모되는 과산화수소의 양을 파악하기 위한 실험을 하였다. 그 결과 34.
- 본 연구에서는 기존 연구들을 바탕으로 회분식실험에서 인위적으로 디젤을 오염시킨 토양에 과산화수소와 철화합물의 주입비를 조정하여 최적의 주입비를 산정하고자 하였다. 또한 회분식 실험에서 결정된 주입비를 바탕으로 연속식 실험에서 디젤을 분해하는데 필요한 과산화수소의 주입량을 결정 하는 것이 목적이다.
- 연속식 실험의 목적은 회분식 실험에서 얻은 결과를 바탕으로 실제 현장을 모사 할 수 있도록 하는 것이다. 회분식 실험에서 철 화합물을 넣지 않은 경우에서도 중분한 반응이 이루어지고, 잔류 과산화수소의 농도가 유지되는 것을 알 수 있었기 때문에, 연속식 실험에서는 철 화합물을 넣지 않고 토양 자체가 함유하고 있는 철 함량(424 g/kg)을 가지고 실험하였다.
제안 방법
- TPH의 분석은 과산화수소가 주입되고 반응이 충분히 일어났을 때 약 8시간 정도 후) 분석하였다. 컬럼의 길이가 5 cm였을 때 1PV Pore Volume)만 주입하여도 농도가 240 &kg 정도로 떨어졌다.
- 40 mL vi이에 5 g의 오염된 흙을 넣고 디젤의 초기 농도의 30배인 과산화수소를 주입하였다. 각 초기농도별로 그 양을 살펴보면 2, 000, 3, 000, 5, 000 mg/kg의 초기 농도에 대해 각각 과산화수소 34.5%를 0.62, 1.55, 3.09 mL 주입하였다. 철화합물은 과산화수소와의 질량비로 1:0, 30:1, 15:1, 5:1, 1:1로 하여 주입하였다.
- 과산화수소와 철 화합물의 최적 주입비를 산정하고자 디젤을 인위적으로 2, 000, 5, 000, 10, 000 mg/kg 으로 오염시켜 디젤의 농도의 30배에 해당하는 과산화수소를 주입하고 과산화수소와 철과의 질량비는 다음의 5가지 1:0, 30:1, 15:1, 5:1, 1:1에 따른 영향을 알아보았다. 다음 그림 2에 회분식 실험의 결과를 나타내었다.
- 과산화수소의 농도는 35%로 하여 1PV pore vol- ume)에서 4PV까지 주입하여 디젤의 분해 경향을 살펴보았다. 다음 그림 4에 연속식 실험의 결과를 나타내었다.
- 디젤의 초기 농도 2, 000, 5, 000, 10, 000 mgkg에 대하여 과산화수소를 lPV(pore volume)에서 4PV까지 주입하여 (디젤의 초기 농도에 따라 reagent 주입 부피 결정) 그에 따른 처리 효율을 살펴보았다. 연속식 실험에서도 농도 34.
- 토양을 채운 후 과산화수소 (과산화수소:철 화합물=1:0, 회분식 실험의 결과를 통해 얻어진 비율)를 주입하였다. 반응이 끝난 후 컬럼의 제일 밑 부분의 토양을 채취하여 회분식실험과 같은 방법으로 토양을 분석하여 함유하고있는 丁曲의 양을 측정하였다.
- 본 연구에서는 디젤로 오염된 토양에 펜 톤 산화 방법을 적용하여 회분식 실험에서는 과산화 수소와 철 화합물의 주입비 산정, 연속식 실험에서는 회분식 실험을 바탕으로 디젤을 분해하는데 필요한 과산화수소의 양을 산정하는 실험을 하였다.
- 15, 25, 35 cm로 하였다. 실제 실험할 토양의 깊이는 5, 10, 15 cm이지만 디젤로 오염된 토양과 과산화수소와의 반응 시 거품 생성되어 실제 반응기는 실제 길이보다 길도록 (원래의 길이보다 10-20 cm 길게) 설계하였다. 반응기 아랫부분에는 스테인리스 재질의 wire-mesh를 깔고 반응한 후의 과산화수소가 흘러나올 수 있도록 밸브를 설치하였다.
- 연속식 실험에서는 디젤의 초기 농도 2, 000, 5, 000, 10, 000 g/kg에 대하여 컬럼의 길이를 각각 5, 10, 15 cm로 하여 과산화수소를 주입하여 실험하였다. 과산화수소의 농도는 35%로 하여 1PV pore vol- ume)에서 4PV까지 주입하여 디젤의 분해 경향을 살펴보았다.
- 우선 토양을 일정하게 오염시키기 위해 디젤 정량을 n-pentane에 녹인 후 토양에 주입하여 일주일 동안 오염시켰다. 실험하기 전에 n-pentane을 휘발시키기 위하여 후드에 시료를 1시간 정도 방치하였다.
- 09 mL 주입하였다. 철화합물은 과산화수소와의 질량비로 1:0, 30:1, 15:1, 5:1, 1:1로 하여 주입하였다. 총 반응 시간은 120분으로 하였고 반응시간 동안에는 교반기 (교반기: 한국종합기기제작소, 교반 속도: 120rpm)에 시료를 방치하였다.
- 철화합물은 과산화수소와의 질량비로 1:0, 30:1, 15:1, 5:1, 1:1로 하여 주입하였다. 총 반응 시간은 120분으로 하였고 반응시간 동안에는 교반기 (교반기: 한국종합기기제작소, 교반 속도: 120rpm)에 시료를 방치하였다.
- 그 후 시료에 di chloromethane (20mL)을 넣고 15분 정도 Probe 타입의 초음파기계 (Sonics & Materials, VCX750)를 이용하여 추출하였다. 추출이 종료된 후 시료 1成를 FID 가 장착된 GC (HP 6890N)를 이용하여 분석하였다. 과산화수소는 요오드에 의한 적정법을 사용하여 측정하였다.
- 4) 유지하였다. 토양을 채운 후 과산화수소 (과산화수소:철 화합물=1:0, 회분식 실험의 결과를 통해 얻어진 비율)를 주입하였다. 반응이 끝난 후 컬럼의 제일 밑 부분의 토양을 채취하여 회분식실험과 같은 방법으로 토양을 분석하여 함유하고있는 丁曲의 양을 측정하였다.
- 회분식 실험에서 철 화합물을 넣지 않은 경우에서도 중분한 반응이 이루어지고, 잔류 과산화수소의 농도가 유지되는 것을 알 수 있었기 때문에, 연속식 실험에서는 철 화합물을 넣지 않고 토양 자체가 함유하고 있는 철 함량(424 g/kg)을 가지고 실험하였다.
- 회분식 실험에서는 디젤의 초기 농도를 2, 000, 5, 000, 10, 000 mg/kg으로 인위적으로 오염시켜 각각의 농도마다 과산화수소와 철화합물의 주입비를 1:0, 30:1, 15:1, 5:1, 1:1로 조정하여 실험하였다. 다음 표 2에 실험의 구성을 나타내었다.
대상 데이터
- 컬럼의 재질은 아크릴로서 지름은 4 cm이고 길이는 15, 25, 35 cm로 하였다. 실제 실험할 토양의 깊이는 5, 10, 15 cm이지만 디젤로 오염된 토양과 과산화수소와의 반응 시 거품 생성되어 실제 반응기는 실제 길이보다 길도록 (원래의 길이보다 10-20 cm 길게) 설계하였다.
- 토양은 경기도 의정부에서 채취하였고 그 특성은 다음 표 1과 같다. 기존 문헌들에서 사용한 토양에 함유되어 있는 유기 탄소(organic carbon) 함량을 조사해본 결과 유기 탄소 범위가 0.
이론/모형
- 추출이 종료된 후 시료 1成를 FID 가 장착된 GC (HP 6890N)를 이용하여 분석하였다. 과산화수소는 요오드에 의한 적정법을 사용하여 측정하였다.
성능/효과
- 1) 과산화수소와 철 화합물의 주입비 산정하는 회분식 실험에서는 모든 농도에서 철화합물의 비가 높을 수록 분해는 잘 되었다. 하지만 철화합물을 넣지 않은 경우에도 본래의 토양이 가진 철 함량과 과산화수소의 반응으로 충분한 반응이 이루어짐을 확인할 수 있었다.
- 2) 회분식 실험에서 시간에 따른 과산화수소의 농도를 측정한 결과 철 화합물을 넣지 않은 경우에는 반응 시작 후 8시간이 지난 후에도 과산화수소 농도가 8〜10% 정도 남아있었다. 하지만 철 화합물을 넣은 경우에는 초기에 과산화수소의 반응으로 인해 과산화수소가 전부 소모되었다.
- 3) 회분식 실험을 바탕으로 연속식 실험에서는 인위적으로 철화합물을 넣지 않고 과산화수소만 주입하여 실험한 결과 1 mg의 디젤을 분해하는데 필요한 과산화수소의 양을 계산해 보면 디젤의 초기농도가 2, 000 mg/kg일 경우에는 0.107-0.210 g, 5, 000 mg/kg일 경우에는 0.096-0.194 g, 그리고 10, 000 mg/kg인 경우에는 0.148-0.229 g였다.
- 세가지 디젤의 초기 농도에서 모두.과산화수소와 철화합물의 주입비가 1:0일 경우를 제외하고는 거의 과산화수소가 남아있지 않은 것을 확인할 수 있었고, 철 화합물을 넣지 않은 경우에는 8시간이 지난 이후에도 과산화수소의 농도가 8-10% 정도를 유지하였다. 따라서 잔류되어있는 과산화수소는 실험시간을 넘어서도 남아있는 디젤 분해에 사용될 가능성이 있을 것으로 보인다.
- 과산화수소의 잔존 농도는 디젤의 초기 농도 2, 000 mg/kg일 때, 과산화수소와 철화합물의 주입비 1:0, 30:1, 15:1, 5:1, 1:1에 대해 8시간 후 잔존 과산화수소의 농도는 각각 1.7, 0.9, 0.1, 0, 0 %이고 디젤의 초기 농도는 5, 000 mg/kg일 때, 1.8, 0.2, 0.1, 0.1, 0.06 %, 디젤의 초기 농도는 10, 000 mg/kg일 때 5.3, 0.19, 0.21, 0.09, 0.1 % 의 과산화수소가 남아있음을 확인하였다. 세가지 디젤의 초기 농도에서 모두.
- 그 결과 34.5%의 과산화수소 주입 후 약 10% 의 과산화수소가 소모되는 것을 확인할 수 있었다.
- 따라서 초기 농도에 상관없이 디젤 1 mg을 분해하는데 필요한 과산화수소의 양은 비슷하다는 것을 알 수 있었다. 기존의 논문들에서의 결과를 이용하여 디젤 1 mg을 분해하는데 필요한 과산화수소의 양을 계산한 결과 0.01-0.35 g1>14) 으로 본 연구의 결과와 비슷하거나 20배 이상 차이 나는 결과도 보였다. 이것은 실험에 사용된 토양의 특성, 과산화수소의 농도, 철 화합물의 종류 그리고 초기 pH 조건이 다르기 때문인 것으로 판단된다.
- 농도를 분석하여 나타내었다. 디젤의 농도가 2, 000 mg/kg 일 경우, 주입 유량에 따라 유출되는 과산화수소의 농도는 1PV의 과산화수소를 유입하였을 때 컬럼의 길이가 5 cm인 경우에는 유출되는 과산화수소'농도가 3% 정도였고 10, 15 cm인 경우에는 1PV의 과산화수소를 주입하였을 때 과산화수소의 농도가 완전히 소모됨을 알 수 있었다. 디젤의 농도가 5, 000 mg/kg 일 경우, 주입 유량에 따라 유출되는 과산화수소의 농도는 1PV의 과산화수소를 유입하였을 때 컬럼의 길이가 5 cm인 경우에는 유출되는 과산화수소 농도가 1〜2% 정도였고 10, 15 cm 인 경우에는 1PV의 과산화수소를 주입하였을 때 과산화수소의 농도가 완전히 소모됨을 알 수 있었다.
- 디젤의 농도가 2, 000 mg/kg 일 경우, 주입 유량에 따라 유출되는 과산화수소의 농도는 1PV의 과산화수소를 유입하였을 때 컬럼의 길이가 5 cm인 경우에는 유출되는 과산화수소'농도가 3% 정도였고 10, 15 cm인 경우에는 1PV의 과산화수소를 주입하였을 때 과산화수소의 농도가 완전히 소모됨을 알 수 있었다. 디젤의 농도가 5, 000 mg/kg 일 경우, 주입 유량에 따라 유출되는 과산화수소의 농도는 1PV의 과산화수소를 유입하였을 때 컬럼의 길이가 5 cm인 경우에는 유출되는 과산화수소 농도가 1〜2% 정도였고 10, 15 cm 인 경우에는 1PV의 과산화수소를 주입하였을 때 과산화수소의 농도가 완전히 소모됨을 알 수 있었다. 디젤의 농도가 10, 000 mg/kg 일 경우, 주입 유량에 따라 유출되는 과산화수소의 농도는 1PV의 과산화수소를 유입하였을 때 컬럼의 길이가 5 cm인 경우에는 과산화수소 농도가 5% 정도였고 10, 15 cm 인 경우에는 1PV의 과산화수소를 주입하였을 때 과산화수소의 농도가 완전히 소모됨을 알 수 있었다.
- 213 g 정도였다. 따라서 초기 농도에 상관없이 디젤 1 mg을 분해하는데 필요한 과산화수소의 양은 비슷하다는 것을 알 수 있었다. 기존의 논문들에서의 결과를 이용하여 디젤 1 mg을 분해하는데 필요한 과산화수소의 양을 계산한 결과 0.
- 2 g정도 필요했다. 따라서 회분식 실험보다 연속식 실험에서 필요한 과산화수소의 양이 많음을 확인할 수 있었다. 그 이유는 회분식 실험과 달리 연속식 실험에서는 과산화수소가 충분히 반응할 시간 없이 빠져 나오기 때문일 것이다.
- 28%8) 까지였다. 본 실험에서 사용할 토양의 유기 탄소 함량은 2.83%로 기존 문헌값보다 2배 이상 많은 것을 알 수 있었다.
- 본 실험에서 얻은 회분식 실험의 결과값과비교해 보면 회분식 실험에서 최종농도 100 mg/kg 이하로 떨어뜨리기 위해 필요한 과산화수소의 양이 약 0.2 g이었음에 반해서 연속식 실험에서는 최종농도 200 mg/kg으로 떨어뜨리기 위해 과산화수소가 0.2 g정도 필요했다. 따라서 회분식 실험보다 연속식 실험에서 필요한 과산화수소의 양이 많음을 확인할 수 있었다.
- 초기 농도에 상관없이 과산화수소 주입 후 약 30 분 내에 모든 반응이 거의 완료되는 것을 알 수 있었다. 초기 농도가 2, 000 mg/kg의 경우 과산화수소와 철화합물의 주입비 1:0, 30:1, 15:1, 5:1, 1:1에 따라 최종 농도가 각각 56.
- 하지만 본 실험에서 얻은 회분식 실험의 결과값과 비교해 보면 회분식 실험에서는 1 mg의 디젤을 분해하는데 필요한 과산화수소의 양이 약 0.2 g (최종농도 100 mg/kg이호卜)이었음에 반해서 연속식 실험에서는 1 mg의 디젤을 분해하는데 필요한 과산화수소의 양이 약 0.2 g(최종농도 200 mg/kg이 하)이었다. 따라서 회분식 실험보다 연속식 실험에서 필요한 과산화수소의 양이 많음을 확인할 수 있었다.
- 수록 분해는 잘 되었다. 하지만 철화합물을 넣지 않은 경우에도 본래의 토양이 가진 철 함량과 과산화수소의 반응으로 충분한 반응이 이루어짐을 확인할 수 있었다.
- 회분식 실험의 결과를 디젤 1 mg을 분해하는데 필요한 과산화수소의 양으로 계산해 본 결과 （분해된 디젤의 양을 소모된 과산화수소의 양으로 나누어 계산）, 디젤의 초기 농도가 2,000 mg/kg인 경우에는 0.201 〜0.206 g, 5,000 mg/kg인 경우에는 0.207〜 0.216 g, 그리고 10,000 mg/kg인 경우에는 0.181 〜0.213 g 정도였다. 따라서 초기 농도에 상관없이 디젤 1 mg을 분해하는데 필요한 과산화수소의 양은 비슷하다는 것을 알 수 있었다.
- 회분식 실험의 결과와 마찬가지로 1 mg의 디젤을 분해하는데 필요한 과산화수소의 양을 계산한 결과 디젤의 초기 농도가 2, 000 mg/kg일 경우에는 0.107-0.210 g, 5, 000 mg/kg일 경우에는 0.096〜 0.194 g, 그리고 10, 000 mg/kg인 경우에는 0.148 〜 0.229 g/kg으로 나타났다.
후속연구
- 과산화수소와 철화합물의 주입비가 1:0일 경우를 제외하고는 거의 과산화수소가 남아있지 않은 것을 확인할 수 있었고, 철 화합물을 넣지 않은 경우에는 8시간이 지난 이후에도 과산화수소의 농도가 8-10% 정도를 유지하였다. 따라서 잔류되어있는 과산화수소는 실험시간을 넘어서도 남아있는 디젤 분해에 사용될 가능성이 있을 것으로 보인다.
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