584 kHz 정사각형 Batch형 초음파 반응조를 이용하여 TCE (Trichloroethylene)의 초음파 분해에 대한 연구를 수행하였다. 단면 조사 조건에서 초음파 시스템에서의 중요한 운전인자인 초음파 출력과 수용액 온도 조건의 영향에 대한 기초 연구를 수행하였으며, 다중 조사 조건에서의 초음파 출력 분배와 조사각에 따른 초음파 효과에 대해 고찰함으로써 제작된 반응조의 처리 효율을 검증하였다. 단면 조사 조건에서 초음파의 출력을 100에서 300 W로 단계적으로 증가시킬 때 TCE의 분해 속도 상수와 $H_2O_2$의 발생 속도 상수, 그리고 TCE의 무해화(mineralization) 정도의 판단 지표인 chloride의 발생 또한 모두 함께 증가하였다. 한편 초음파 출력 200 W 조건에서 수용액의 온도를 10에서 $30^{\circ}C$로 증가시킴에 따라 TCE 저감 속도 상수와 $H_2O_2$ 발생 속도 상수는 증가한 반면, chloride 발생은 오히려 감소하였다. 다중 조사 조건에 대한 실험 결과 300 W의 초음파 출력을 1, 2(직각), 2(정면), 3, 그리고 4면의 조사면에 따라 분배하였을 때 TCE의 분해 속도 상수는 4면 > 3면 > 단면 > 2면 정면 > 2면 직각의 순으로 조사면 수가 많아질수록 다소 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나 최대, 최소값의 큰 차이는 나타나지 않았다. 300 W와 450 W의 출력 조건에서 2면 정면과 직각 분배 조건에 대한 실험 결과를 비교한 결과 TCE의 분해 속도 상수는 거의 비슷하였으나 $H_2O_2$는 2면 정면 조건에서 더욱 많이 발생하는 것으로 나타났다.
584 kHz 정사각형 Batch형 초음파 반응조를 이용하여 TCE (Trichloroethylene)의 초음파 분해에 대한 연구를 수행하였다. 단면 조사 조건에서 초음파 시스템에서의 중요한 운전인자인 초음파 출력과 수용액 온도 조건의 영향에 대한 기초 연구를 수행하였으며, 다중 조사 조건에서의 초음파 출력 분배와 조사각에 따른 초음파 효과에 대해 고찰함으로써 제작된 반응조의 처리 효율을 검증하였다. 단면 조사 조건에서 초음파의 출력을 100에서 300 W로 단계적으로 증가시킬 때 TCE의 분해 속도 상수와 $H_2O_2$의 발생 속도 상수, 그리고 TCE의 무해화(mineralization) 정도의 판단 지표인 chloride의 발생 또한 모두 함께 증가하였다. 한편 초음파 출력 200 W 조건에서 수용액의 온도를 10에서 $30^{\circ}C$로 증가시킴에 따라 TCE 저감 속도 상수와 $H_2O_2$ 발생 속도 상수는 증가한 반면, chloride 발생은 오히려 감소하였다. 다중 조사 조건에 대한 실험 결과 300 W의 초음파 출력을 1, 2(직각), 2(정면), 3, 그리고 4면의 조사면에 따라 분배하였을 때 TCE의 분해 속도 상수는 4면 > 3면 > 단면 > 2면 정면 > 2면 직각의 순으로 조사면 수가 많아질수록 다소 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나 최대, 최소값의 큰 차이는 나타나지 않았다. 300 W와 450 W의 출력 조건에서 2면 정면과 직각 분배 조건에 대한 실험 결과를 비교한 결과 TCE의 분해 속도 상수는 거의 비슷하였으나 $H_2O_2$는 2면 정면 조건에서 더욱 많이 발생하는 것으로 나타났다.
Sonolysis of TCE (Trichloroethylene) was performed in 584 kHz rectangular reactor. At first, the effect of acoustic power and aqueous temperature which are both important factors to operate ultrasound system on sonolysis of TCE were examined under one side irradiation condition. First degradation ra...
Sonolysis of TCE (Trichloroethylene) was performed in 584 kHz rectangular reactor. At first, the effect of acoustic power and aqueous temperature which are both important factors to operate ultrasound system on sonolysis of TCE were examined under one side irradiation condition. First degradation rate constants of TCE and chloride yields were increased with increasing acoustic power from 100 to 300 W. And increasing the aqeuous temperature resulted in the increase of first degradation rate constants of TCE and the decrease of chloride yield. Sonolysis of TCE was performed under multi ultrasound irradiation conditions that total acoustic power of 300 W was distributed according to the number of irradiation sides. First degradation rate constants of TCE followed the order 4 sides > 3 sides > 1 side > 2 sides (parallel) > 2 sides (orthogonal). When comparing the experimental results under parallel and orthogonal irradiation conditions of 2 sides with 300 and 450 W, first degradation rate constants of TCE were similar, while production rate constants of hydrogen peroxide were more higher at parallel conditions compared to orthogonal conditions.
Sonolysis of TCE (Trichloroethylene) was performed in 584 kHz rectangular reactor. At first, the effect of acoustic power and aqueous temperature which are both important factors to operate ultrasound system on sonolysis of TCE were examined under one side irradiation condition. First degradation rate constants of TCE and chloride yields were increased with increasing acoustic power from 100 to 300 W. And increasing the aqeuous temperature resulted in the increase of first degradation rate constants of TCE and the decrease of chloride yield. Sonolysis of TCE was performed under multi ultrasound irradiation conditions that total acoustic power of 300 W was distributed according to the number of irradiation sides. First degradation rate constants of TCE followed the order 4 sides > 3 sides > 1 side > 2 sides (parallel) > 2 sides (orthogonal). When comparing the experimental results under parallel and orthogonal irradiation conditions of 2 sides with 300 and 450 W, first degradation rate constants of TCE were similar, while production rate constants of hydrogen peroxide were more higher at parallel conditions compared to orthogonal conditions.
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문제 정의
수처리에 초음파 기술을 적용하는데 있어 초음파의 출력과 수용액의 온도는 매우 중요한 인자이기 때문에 단면 초음파 조사 조건에서 초음파 출력과 수용액 온도 조건에 대한 TCE의 초음파 분해에 대한 기초 연구를 수행하였으며, 다중 조사 조건에서의 초음파 분배와 초음파 조사각 변화 대한 연구를 수행함으로써 제작된 반응조의 TCE 처리능을 파악하였다. 또한 본 연구는 다중 초음파 반응조 조건에서 TCE 수용액을 연속 처리하기 위한 선행연구로서 수행되었다.
본 연구에서는 584 kHz의 비교적 고주파 영역에 해당되는 초음파를 이용하여 다중 초음파 조사 반응조에서의 초음파효과에 대한 연구를 수행하고자 하였으며, 이를 수행하기 위해 TCE를 Target 물질로 선정하고 다중 초음파를 조사하기 위한 반응조 시스템을 설계, 제작하였다. 수처리에 초음파 기술을 적용하는데 있어 초음파의 출력과 수용액의 온도는 매우 중요한 인자이기 때문에 단면 초음파 조사 조건에서 초음파 출력과 수용액 온도 조건에 대한 TCE의 초음파 분해에 대한 기초 연구를 수행하였으며, 다중 조사 조건에서의 초음파 분배와 초음파 조사각 변화 대한 연구를 수행함으로써 제작된 반응조의 TCE 처리능을 파악하였다.
제안 방법
584 kHz의 정사각형 단면 반응조를 통해 단면 조사 조건에서 초음파 출력, 수용액 온도 변화, 다중 조사 조건에서 초음파 출력 분배와 조사각에 대한 연구를 수행함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다.
TCE의 정량 분석은 전자 포착 검출기(Electron capture detector, ECD)가 장착된 영린 gas chromatography(Acme 6000, South Korea)를 사용하였으며, DB-5 컬럼을 장착하고 운반 가스로 질소(N2)를 사용하였으며 유량을 1.2 mL/min으로 설정하였다. 주입구 온도는 280℃, 오븐 온도는 35℃로 등온 조건으로 설정하였으며, 검출기는 320℃를 유지하였다.
524 kHz의 고유주파수를 갖는 Ceramic 진동자(Fuji Ceramic, Japan)를 5 mm의 스테인리스 스틸판에 부착하였으며, 실제 수용액에 조사되는 동작 주파수는 584 kHz로 나타났다. 가장자리에 반응조 Frame의 볼트와 동일한 크기와 간격으로 천공하여 반응조에 부착할 수 있도록 하였다. 각각의 진동판에는 584 kHz 진동자를 두 개 부착하였으며, 총 옆면의 4면에 총 8개의 진동자를 사용하여 4개의 진동판을 제작하였다.
9 L를 채우고 냉각 튜브와 일체형으로 제작된 상부 Cover를 덮고 너트를 체결하여 밀폐상태가 되도록 하였다. 냉각 튜브를 통해 원하는 수용액 온도로 세팅된 냉각수를 흘려보내주어 반응조내 수용액의 온도를 조절하였으며, 상판으로부터 반응조 내부로 Thermocouple을 담가 반응조 내부의 수용액 온도를 확인하였다. 수행하고자 하는 초음파 출력을 발진부에 입력함으로써 일정한 출력이 조사되도록 하고 실험을 수행하였다.
초음파 출력변화에 대한 실험은 수용액의 온도를 20℃로 설정하고 초음파 출력을 100, 150, 200, 그리고 300 W로 변화시키면서 실험을 수행하였으며, 수용액 온도 변화에 대한 실험은 초음파의 출력을 200 W로 설정하고 수용액의 온도를 10, 20, 그리고 30℃로 변화시키면서 실험을 수행하였다. 다중 조사 조건에서 초음파 출력 분배에 따른 TCE의 저감 실험은 수용액의 온도를 20℃로 설정하고 300 W의 동일한 초음파 출력을 Fig. 2에 나타낸 것과 같이 1, 2(정면, 직각), 3, 그리고 4면에 분배되어 조사되도록 하여 수행하였으며 수용액의 온도를 10℃로 설정하고 450 W 출력 조건에서 2면 분배 조사시 직각 배치와 정면 배치에 대한 실험을 수행함으로써 300 W의 실험 결과와 비교할 수 있도록 하였다.
다중 조사 초음파 시스템은 다양한 초음파 조사 조건 실험을 하나의 반응조로 수행할 수 있도록 진동부과 반응조 Frame이 분리 및 조립되는 형태로 설계∙제작하였으며 Fig. 1a, b에 전체 반응조 모식도와 실물 사진을 나타내었다.
단면 초음파 조사 조건에서 초음파의 출력을 200 W로 고정시킨 상태에서 cooling tube를 통해 반응조 내의 온도를 10, 20, 그리고 30℃로 변화시키면서 연구를 수행하였다. 실험 결과를 다음 Fig.
반응조 Frame은 정육면체 형태로 중앙 부분은 진동판을 부착하였을 때 수용액 매질에 초음파가 직접 조사 될 수 있도록 열린 형태로 구성하였다. 또한 각 단면의 모서리 부분에 적당한 길이의 볼트를 용접하여 진동판 부착시 너트를 조임으로써 간편하게 탈부착이 될 수 있도록 하였다. 반응조 내에 수용액을 채웠을 경우 수밀성을 확보하기 위해 반응조와 진동판 사이에 실리콘 gasket을 두었다.
또한 수용액과의 열교환이 활발히 진행될 수 있도록 열전도율이 높은 구리 재질로 제작하였다. 또한 반응조에 2개의 냉각 튜브를 초음파의 진행을 방해하지 않는 위치인 각 면의 모서리 부분에 투입하여 각각 냉각수를 유입 시킬 수 있도록 하였다.
초음파 진동부에 출력을 전달시키는 발진부는 최대출력 600 W의 발진부(Ultech, Korea) 2대를 이용하여 각 발진부마다 2개의 진동부를 연결하였으며, 수용액의 급격한 온도 상승을 방지하기 위해 U자 형태의 냉각 튜브를 제작하여 반응조에 투입하는 방식으로 반응조 상판과 일체가 되도록 구성하였다. 또한 수용액과의 열교환이 활발히 진행될 수 있도록 열전도율이 높은 구리 재질로 제작하였다. 또한 반응조에 2개의 냉각 튜브를 초음파의 진행을 방해하지 않는 위치인 각 면의 모서리 부분에 투입하여 각각 냉각수를 유입 시킬 수 있도록 하였다.
진동판을 보호하고 사용자의 안전을 확보하기 위해진동판 Cover를 제작하였다. 또한 진동자가 부착되어 있지 않은 스테인리스 스틸판을 제작하여, 실험 수행시 진동판을 부착하지 않는 단면에 부착할 수 있도록 하였다.
또한 각 단면의 모서리 부분에 적당한 길이의 볼트를 용접하여 진동판 부착시 너트를 조임으로써 간편하게 탈부착이 될 수 있도록 하였다. 반응조 내에 수용액을 채웠을 경우 수밀성을 확보하기 위해 반응조와 진동판 사이에 실리콘 gasket을 두었다.
본 연구에서는 584 kHz의 비교적 고주파 영역에 해당되는 초음파를 이용하여 다중 초음파 조사 반응조에서의 초음파효과에 대한 연구를 수행하고자 하였으며, 이를 수행하기 위해 TCE를 Target 물질로 선정하고 다중 초음파를 조사하기 위한 반응조 시스템을 설계, 제작하였다. 수처리에 초음파 기술을 적용하는데 있어 초음파의 출력과 수용액의 온도는 매우 중요한 인자이기 때문에 단면 초음파 조사 조건에서 초음파 출력과 수용액 온도 조건에 대한 TCE의 초음파 분해에 대한 기초 연구를 수행하였으며, 다중 조사 조건에서의 초음파 분배와 초음파 조사각 변화 대한 연구를 수행함으로써 제작된 반응조의 TCE 처리능을 파악하였다. 또한 본 연구는 다중 초음파 반응조 조건에서 TCE 수용액을 연속 처리하기 위한 선행연구로서 수행되었다.
냉각 튜브를 통해 원하는 수용액 온도로 세팅된 냉각수를 흘려보내주어 반응조내 수용액의 온도를 조절하였으며, 상판으로부터 반응조 내부로 Thermocouple을 담가 반응조 내부의 수용액 온도를 확인하였다. 수행하고자 하는 초음파 출력을 발진부에 입력함으로써 일정한 출력이 조사되도록 하고 실험을 수행하였다. 정해진 시간 간격을 두고 반응조 상판의 샘플링 포트를 통해 syringe를 이용하여 약 5 mL의 샘플을 취하여 분석하였다.
실험은 제작된 초음파 반응조의 기본 성능을 테스트하기 위해 초음파 시스템의 중요한 운전 조건인 초음파 출력과 수용액 온도 변화에 따른 TCE의 저감 연구를 단면 조사 조건에서 수행되었으며, 다중 초음파 조사 조건에서의 출력 분배와 조사 각도 변화에 대하여 수행되었다.
B용액은 버퍼 용액으로 500 mL 증류수에 KHP (potassium hydrogen phthalate) 10 g을 용해시켜 제조하였다. 염소 이온(Cl-)은 Ion Chromatography(Model DX 80, Colume:IonPac AS14A-5 ㎛, Dionex)를이용하여 측정하였다. 모든 실험 결과는 2회 실험 결과의 평균값으로 정리하였다.
수행하고자 하는 초음파 출력을 발진부에 입력함으로써 일정한 출력이 조사되도록 하고 실험을 수행하였다. 정해진 시간 간격을 두고 반응조 상판의 샘플링 포트를 통해 syringe를 이용하여 약 5 mL의 샘플을 취하여 분석하였다. 초음파 출력변화에 대한 실험은 수용액의 온도를 20℃로 설정하고 초음파 출력을 100, 150, 200, 그리고 300 W로 변화시키면서 실험을 수행하였으며, 수용액 온도 변화에 대한 실험은 초음파의 출력을 200 W로 설정하고 수용액의 온도를 10, 20, 그리고 30℃로 변화시키면서 실험을 수행하였다.
제작된 반응조에 10 ppm의 TCE 수용액을 반응조에 3.9 L를 채우고 냉각 튜브와 일체형으로 제작된 상부 Cover를 덮고 너트를 체결하여 밀폐상태가 되도록 하였다. 냉각 튜브를 통해 원하는 수용액 온도로 세팅된 냉각수를 흘려보내주어 반응조내 수용액의 온도를 조절하였으며, 상판으로부터 반응조 내부로 Thermocouple을 담가 반응조 내부의 수용액 온도를 확인하였다.
제작된 반응조에 초음파 진동판을 단면 설치하고 초음파의 출력 변화에 따른 TCE의 저감 변화에 대한 실험을 수행하였다. 실험 결과 TCE의 저감은 1차 반응, H2O2의 발생은 0차 반응을 따르는 것으로 나타났으며, 식 (1) ln(TCEt/TCEi)=-Rt 에 의해 계산된 TCE의 1차 저감 속도 상수와 H2O2의 0차 발생 속도 상수 값을 Fig.
각각의 진동판에는 584 kHz 진동자를 두 개 부착하였으며, 총 옆면의 4면에 총 8개의 진동자를 사용하여 4개의 진동판을 제작하였다. 진동판을 보호하고 사용자의 안전을 확보하기 위해진동판 Cover를 제작하였다. 또한 진동자가 부착되어 있지 않은 스테인리스 스틸판을 제작하여, 실험 수행시 진동판을 부착하지 않는 단면에 부착할 수 있도록 하였다.
초음파 진동부에 출력을 전달시키는 발진부는 최대출력 600 W의 발진부(Ultech, Korea) 2대를 이용하여 각 발진부마다 2개의 진동부를 연결하였으며, 수용액의 급격한 온도 상승을 방지하기 위해 U자 형태의 냉각 튜브를 제작하여 반응조에 투입하는 방식으로 반응조 상판과 일체가 되도록 구성하였다. 또한 수용액과의 열교환이 활발히 진행될 수 있도록 열전도율이 높은 구리 재질로 제작하였다.
정해진 시간 간격을 두고 반응조 상판의 샘플링 포트를 통해 syringe를 이용하여 약 5 mL의 샘플을 취하여 분석하였다. 초음파 출력변화에 대한 실험은 수용액의 온도를 20℃로 설정하고 초음파 출력을 100, 150, 200, 그리고 300 W로 변화시키면서 실험을 수행하였으며, 수용액 온도 변화에 대한 실험은 초음파의 출력을 200 W로 설정하고 수용액의 온도를 10, 20, 그리고 30℃로 변화시키면서 실험을 수행하였다. 다중 조사 조건에서 초음파 출력 분배에 따른 TCE의 저감 실험은 수용액의 온도를 20℃로 설정하고 300 W의 동일한 초음파 출력을 Fig.
대상 데이터
가장자리에 반응조 Frame의 볼트와 동일한 크기와 간격으로 천공하여 반응조에 부착할 수 있도록 하였다. 각각의 진동판에는 584 kHz 진동자를 두 개 부착하였으며, 총 옆면의 4면에 총 8개의 진동자를 사용하여 4개의 진동판을 제작하였다. 진동판을 보호하고 사용자의 안전을 확보하기 위해진동판 Cover를 제작하였다.
데이터처리
염소 이온(Cl-)은 Ion Chromatography(Model DX 80, Colume:IonPac AS14A-5 ㎛, Dionex)를이용하여 측정하였다. 모든 실험 결과는 2회 실험 결과의 평균값으로 정리하였다.
이론/모형
H2O2 의 정량은 I3- 분석법14)을 통해 실시하였으며, 시료 용액과 A용액 B용액을 2:1:1의 부피비로 혼합, 발색시킨 후 UV spectrophotometer (Sinco, Korea)를 이용하여 λmax=351 nm에서 흡광도를 측정하여 분석하였다.
보충기체로 질소 35 mL/min로 조절하여 사용했다. 수용액 내의 TCE는 액액 추출법(Liquid-liquid extraction, LLE)을 이용하여 수용액에서 hexane으로 추출한 후에 Gas chromatography에 주입하여 분석하였다.
성능/효과
1) 초음파의 출력을 100, 150, 200, 그리고 300 W로 증가시킬수록 TCE의 분해 속도 상수는 0.0070, 0.0131, 0.0189, 그리고 0.0331 min-1로 증가하였으며, OH 라디칼 발생량의 간접적 정량 측정 물질인 H2O2의 발생 또한 0.0019, 0.0053, 0.0087, 그리고 0.0205 min-1로 출력을 증가시킬수록 더욱 많이 발생하였다. TCE의 무해화 정도를 나타내는 Chloride yield 또한 55.
2) 초음파의 출력을 200 W로 고정시키고 반응조 내 수용액의 온도를 10, 20, 그리고 30℃로 증가시킬수록 TCE의 분해 속도 상수는 0.0151, 0.0189, 그리고 0.0251 min-1로 선형적으로 증가하였으며 H2O2의 발생 또한 0.0083, 0.0084, 그리고 0.0114 min-1로 함께 증가하였다. 반면 Chloride의 발생은 수용액의 온도가 증가할수록 83.
3) 300 W의 초음파 출력을 1, 2(직각), 2(정면), 3, 그리고 4면의 조사면에 따라 분배하였을 때 TCE의 분해 속도상수는 4면(0.0349 min-1) ＞ 3면(0.0339 min-1) ＞ 단면(0.0331 min-1) ＞ 2면 정면(0.0321 min-1) ＞ 2면 직각(0.0312 min-1)의 순으로 저감 효율의 큰 차이는 나타나지 않았으나 조사면 수가 많아질수록 다소 증가하는 경향을 나타내었다. Chloride의 발생은 3면과 4면 조건에 비해 1면, 2면 정면, 그리고 2면 직각의 조건에서 더 많이 발생하였다.
300 W 조건에서의 실험 결과를 Fig. 5와 Table 4에 나타내었으며, 실험 결과 TCE의 분해 속도 상수는 4면(0.0349 min-1) ＞ 3면(0.0339 min-1) ＞ 단면(0.0331 min-1) ＞ 2면 정면(0.0321 min-1) ＞ 2면 직각(0.0312 min-1)의 순이었으며, H2O2의 발생 속도는 4면(0.0298 ppm min-1) ＞ 3면(0.0254 ppm min-1) ＞ 2면 정면(0.0239min-1) ＞ 단면(0.0207ppm min-1) ＞ 2면 직각(0.0194 ppm min-1)의 순으로 나타났다. TCE 분해 속도 상수의 최대, 최소 상수 값의 차이는 약 10%정도로 초음파 효과의 큰 변화는 관찰되지 않았으나 조사면이 많아질수록 증가하는 경향을 나타내었다.
4) 450 W의 조건에서 2면 정면과 직각 분배 조건에 대한 실험 결과와 300 W의 출력의 동일한 조건 실험 결과를 비교한 결과 TCE의 분해 속도 상수는 거의 비슷하였으나 H2O2는 2면 정면 조건에서 더욱 많이 발생하는 것으로 나타났다.
그러나 그 차이는 5% 미만으로 매우 근소한 것으로 보인다. H2O2 발생 속도의 경우 2면 정면(0.0348 ppm min-1) ＞ 2면 직각 조건 (0.0306 min-1)으로 TCE 저감 속도 상수와는 반대로 2면 정면이 더 높았으며 그 차이는 2면 직각 조건에서의 값보다 약 17%정도 높은 것으로 나타났다.
0194 ppm min-1)의 순으로 나타났다. TCE 분해 속도 상수의 최대, 최소 상수 값의 차이는 약 10%정도로 초음파 효과의 큰 변화는 관찰되지 않았으나 조사면이 많아질수록 증가하는 경향을 나타내었다. H2O2의 발생 또한 TCE 분해 속도 상수의 순서와 정확히 일치하지는 않았지만 3면과 4면의 다중 조사 조건에서보다 많이 발생하였으며 최대값은 최소값의 약 1.
수용액 온도 변화에 따른 오염물질의 초음파 분해에 대한 선행 연구 결과들은 연구마다 차이가 있었으며, 각 연구자들의 실험 조건과 결과를 요약하여 Table 3에 나타내었다. 각 연구결과들을 초음파 주파수 범위를 기준으로 Group A와 B로 분류하였는데 Group A는 본 연구를 포함한 500 kHz 이상의 고주파 범위의 연구들이며 모두 수용액의 온도가 높은 조건에서 초음파 효과가 증대된 동일한 결과를 나타내었다. 반면 Group B는 20 kHz 부근의 비교적 저주파수 범위 연구들로 Group A의 연구결과와 반대로 수용액 온도가 낮을수록 초음파 효과가 증대되었다.
다만 Jiang 등28)의 500 kHz 조건에서의 연구 결과 수용액의 온도가 40℃ 이상으로 높아지면서 효율이 감소한 결과로부터 일정 온도 이상의 조건에서는 공동현상의 강도가 약해져 물분자와 오염물질을 열분해가 감소되는 것을 확인할 수 있다. 결론적으로 20 kHz의 저주파 영역에서는 수용액의 온도가 낮을수록 초음파 효과가 증대되며, 500 kHz 근처의 고주파 영역에서는 저온과 고온 사이에 초음파 효과가 최적이 되는 수용액 온도 조건이 존재하는 것으로 판단된다.
단면 초음파 조사 조건에서 초음파의 출력을 200 W로 고정시킨 상태에서 cooling tube를 통해 반응조 내의 온도를 10, 20, 그리고 30℃로 변화시키면서 연구를 수행하였다. 실험 결과를 다음 Fig. 4과 Table 2에 요약하여 나타내었으며, TCE 10 ppm 수용액의 온도를 10, 20, 그리고 30℃로 증가시켰을 때 TCE의 저감 속도 상수는 0.0151, 0.0189, 그리고 0.0251 min-1로 저감 속도도 함께 선형적으로 증가하였으며, H2O2의 발생 속도 또한 0.0083, 0.0087, 그리고 0.0114ppm min-1으로 증가하였다.
5배 정도로 어느 정도 차이를 나타냈다. 이로써 동일한 584 kHz의 동일 초음파를 이용하여 초음파 출력을 조사면 수에 따라 분배할 경우 조사면의 수가 많아질수록 개별 진동판에서 조사되는 초음파의 출력이 낮아지게 되어 공동현상이 약화되지만 다중 조사면으로부터 보다 많은 공동현상이 발생됨으로써 TCE의 분해로 나타나는 초음파 효과는 거의 동일한 것으로 나타났다.
07%)의 순으로 나타났다. 이로써 동일한 TCE가 제거된 시점에 출력에 따라 중간생성물질의 비율이 다른 것을 확인할 수 있었으며, 이는 앞서 TCE 저감 효율의 증대에서 설명한 것과 같이 출력이 증가함에 따라 기포 붕괴시 기포 내부에 형성되는 최대 온도(Tmax) 및 압력(Pmax)이 높아지게 되어 TCE의 무해화(mineralization) 정도가 높아진 것으로 판단된다.
한편 Fig. 5b에 나타난 것과 같이 300 W의 다중 조사 조건에서 TCE의 분해로 발생된 chloride의 이론치에 대한 측정치의 비율을 계산한 결과 3면과 4면 조건에서 각각 68.41, 67.98%였으며, 단면, 2면 직각, 2면 정면의 조건에서는 각각 74.49, 73.70, 75.06%로 단면과 2면 조건에 비해 3면과 4면 조건에서 비교적 낮은 수율을 나타내었다. 이와 같은 결과는 초음파 조사 단면이 늘어남에 따라 각 초음파 진동부에서 조사되는 초음파의 출력이 낮아지게 되어 앞서 초음파의 출력에서 고찰한 것과 마찬가지로 공동현상이 약화되었기 때문인 것으로 판단된다.
후속연구
6에 나타내었는데 두 조건 모두 TCE의 저감 속도 상수의 변화는 크지 않았으나 H2O2의 발생 속도 상수의 경우 정면 조건에서 더욱 많이 발생한 것으로 나타났다. 2면 직각 조건에서 공동현상의 저해가 발생했는지 2면 정면 조건에서 공동현상의 강화가 일어났는지에 대해서는 추후 연구가 필요할 것으로 판단되며, H2O2의 발생량이 증가된 사실로부터 2면 정면 조사 조건은 주로 기포내부에서 열분해되는 TCE와 같은 휘발성 물질보다는 주로 OH 라디칼 산화 반응에 의해 저감되는 페놀과 같은 친수성 오염물질들을 처리할 경우보다 유리할 것으로 판단된다.
20 kHz 조건과 동일하게 기포발생이 증가하지만 작은 기포들 간의 결합(coalescence)으로 저해 영향이 크지 않은 것으로 판단된다. 때문에 고주파 영역의 주파수 범위에서는 공동현상의 강도가 감소하더라도 물분 자가 열분해(pyrolysis) 될 만큼 충분한 강도를 지니고 있다면 더욱 많은 공동현상이 발생함으로써 더욱 많은 열분해와 OH 라디칼이 발생될 수 있게 되어 저감이 증대될 수 있을 것으로 판단된다. Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
TCE는 어떤 용도로 널리 사용되고 있는가?
TCE (Trichloroethylene)는 염소계 화합물로서 주로 금속 부품 세정이나 드라이클리닝 용매로 널리 사용되고 있으며, 산업 현장에서 부적절한 취급과 폐기 과정으로 인근 지하수를 오염시키는 것으로 알려져 있다. 2008년 환경부에서 발행된 ‘2007년 지하수 측정망 운영 결과 보고’에 따르면 수질 기준을 초과한 특정유해물질 중 TCE의 초과 빈도가 가장 높았으며, PCE (Tetrachloroethylene)과 함께 공단 지역을 중심으로 오염이 진행되고 있는 것으로 발표되었다.
TCE는 무엇을 통해 체내에 흡수되는가?
2008년 환경부에서 발행된 ‘2007년 지하수 측정망 운영 결과 보고’에 따르면 수질 기준을 초과한 특정유해물질 중 TCE의 초과 빈도가 가장 높았으며, PCE (Tetrachloroethylene)과 함께 공단 지역을 중심으로 오염이 진행되고 있는 것으로 발표되었다.1) TCE는 호흡기 또는 피부를 통해 체내에 흡수되어 중추신경계 억제작용, 간 손상, 두통, 어지러움, 구토 등의 증상을 일으킬 수 있으며, 미국 환경청(U.S.
본 연구에서 584 kHz의 정사각형 단면 반응조를 통해 단면 조사 조건에서 초음파 출력, 수용액 온도 변화, 다중 조사 조건에서 초음파 출력 분배와 조사각에 대한 연구를 수행하여 도출된 결론은?
1) 초음파의 출력을 100, 150, 200, 그리고 300 W로 증가시킬수록 TCE의 분해 속도 상수는 0.0070, 0.0131, 0.0189, 그리고 0.0331 min-1로 증가하였으며, OH 라디칼 발생량의 간접적 정량 측정 물질인 H2O2의 발생 또한 0.0019, 0.0053, 0.0087, 그리고 0.0205 min-1로 출력을 증가시킬수록 더욱 많이 발생하였다. TCE의 무해화 정도를 나타내는 Chloride yield 또한 55.07, 68.72, 76.75, 그리고 84.66%로 증가하였다.
2) 초음파의 출력을 200 W로 고정시키고 반응조 내 수용액의 온도를 10, 20, 그리고 30℃로 증가시킬수록 TCE의 분해 속도 상수는 0.0151, 0.0189, 그리고 0.0251 min-1로 선형적으로 증가하였으며 H2O2의 발생 또한 0.0083, 0.0084, 그리고 0.0114 min-1로 함께 증가하였다. 반면 Chloride의 발생은 수용액의 온도가 증가할수록 83.5, 76,75, 그리고 64.05%로 감소하였다.
3) 300 W의 초음파 출력을 1, 2(직각), 2(정면), 3, 그리고 4면의 조사면에 따라 분배하였을 때 TCE의 분해 속도상수는 4면(0.0349 min-1) ＞ 3면(0.0339 min-1) ＞ 단면(0.0331 min-1) ＞ 2면 정면(0.0321 min-1) ＞ 2면 직각(0.0312 min-1)의 순으로 저감 효율의 큰 차이는 나타나지 않았으나 조사면 수가 많아질수록 다소 증가하는 경향을 나타내었다. Chloride의 발생은 3면과 4면 조건에 비해 1면, 2면 정면, 그리고 2면 직각의 조건에서 더 많이 발생하였다.
4) 450 W의 조건에서 2면 정면과 직각 분배 조건에 대한 실험 결과와 300 W의 출력의 동일한 조건 실험 결과를 비교한 결과 TCE의 분해 속도 상수는 거의 비슷하였으나 H2O2는 2면 정면 조건에서 더욱 많이 발생하는 것으로 나타났다.
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