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문제 정의
- 따라서 본 실험에서는 실제 현장에서 쓰이고 있는 CPC 시스템 내에서 자외선 중 실제 지표면에 도달하는 UVA(365nm) 영역과 동일한 UVA램프와 TiO2 슬러리를 가지고 광촉매 반응을 이용하여 내분비계 장애물질의 하나인 비스페놀 A의 분해와 총유기탄소의 제거에 대한 연구를 수행하였다. 실험인자로는 오염물질의 초기농도, UV 램프 파워, 촉매량, 온도를 고려하였다.
제안 방법
- CPC 시스템 내에서 UVA 램프와 TiO2를 가지고 광촉매 반응을 이용하여 비스페놀 A를 분해하는 실험을 실시하였다. 이에 오염물질의 초기농도, UVA 램프 파워, 촉매량, 온도가 분해에 미치는 영향을 요약하면 다음과 같다.
- UVA 램프 파워가 BPA의 분해에 미치는 영향을 알아보기 위해, 비스페놀 A의 초기농도를 10 mg/L, TiO2 주입량을 1 g/L로 고정하고, UVA 램프 파워를 40, 80, 120W로 조절해가며 실험하였고, 실험결과는 그림 4에 나타내었다. 본 연구에서는 비스페놀 A는 반응시간 1시간에서 40 W, 80 W, 120W 일 때 각각 53%, 63%, 96%씩 분해되었고, 4시간 이후 40W에서 96%, 80W, 120 W에서는 모두 분해되었다.
- 계절별 다양한 온도가 비스페놀 A의 분해에 미치는 영향을 알아보기 위해 반응기의 온도를 10, 20, 30°C로 조절해가며 실험하였고, 실험 결과는 그림 5에 나타내었다.
- 5 g/L 를 취해 넣었으며, 그 외 추가적으로 1 g/L 을 넣어 실험하였다. 또한, 실제 현장에서 온도변화가 BPA 분해에 미치는 영향을 알아보기 위해 다양한 온도(10, 20, 30℃)를 실제 반응기에 적용하여 실험하였고, 또한 계절별 다양한 광량에서의 오염물질의 분해정도를 알아보고자 UV 램프 파워를 40, 80, 120W로 조절해가며 실험하였다.
- 실험인자로는 오염물질의 초기농도, UV 램프 파워, 촉매량, 온도를 고려하였다. 본 실험에서 촉매량은 CPC 반응기에서의 최적 촉매량으로 알려진 0.2~0.5 g/L (Malato, 2009) 중에 0.1, 0.5 g/L 를 취해 넣었으며, 그 외 추가적으로 1 g/L 을 넣어 실험하였다. 또한, 실제 현장에서 온도변화가 BPA 분해에 미치는 영향을 알아보기 위해 다양한 온도(10, 20, 30℃)를 실제 반응기에 적용하여 실험하였고, 또한 계절별 다양한 광량에서의 오염물질의 분해정도를 알아보고자 UV 램프 파워를 40, 80, 120W로 조절해가며 실험하였다.
- 주입된 촉매량이 매우 높으면 탁도가 높아져 빛이 투과되지 않아 효율이 떨어지며, 또한 반응기의 형태와 광량에 따라 최적 주입량 범위가 달라지기 때문에 이에 대한 연구가 필요하다. 본 실험에서는 실제 태양광을 이용한 CPC 반응기 내의 최적 촉매량이라 보고되고 있는 0.2 g/L-0.5g/L 범위(Malato, 2009) 중에서 0.1과 0.5 g/L를 취하였고, 그 외 최적 범위가 아닌 촉매량에서의 비스페놀 A의 분해를 알아보고자 1 g/L에서도 실험을 수행하였다. 비스페놀 A의 초기농도는 10 mg/L, UVA의 램프 파워는 120W로 고정하여 실험하였고, 실험 결과는 그림 3과 표 2에 나타내었다.
- 비스페놀 A의 농도 분석을 위해 HPLC(Prostar, Varian, USA)를 사용하였고, 총유기탄소의 농도 분석을 위해 TOC Analyzer (SEIVERS 5310 C laboratory analyzer, GE)를 사용하였다.
- 비스페놀 A의 초기농도가 UVA와 TiO2 광촉매 반응에 미치는 영향을 알아보기 위해, UVA 램프 파워를 120W, TiO2 농도를 1 g/L로 고정하여, pH 7에서 초기농도를 5, 10, 20 mg/L로 조절해가며 실험을 수행하였고, 실험결과는 그림 2에 나타내었다. 초기농도가 5 mg/L일 때, 비스페놀 A는 반응시간 10분에서 88%가 분해되었고, 총유기탄소는 17%가 제거되었다.
- /g인 Degussa (Germany)의 P25를 사용하였다. 시간에 따른 비스페놀 A와 총유기탄소의 농도 변화를 알아보기 위해 일정시간 간격(0분, 10분, 30분, 1시간, 2시간, 4시간)으로 4mL씩 샘플링을 하였고, 샘플링 후 0.45 마이크로미터 필터 (Whatman, USA)를 이용하여 필터링을 한 후, 비스페놀 A와 총유기탄소의 농도를 측정하였다.
- 슬러리를 가지고 광촉매 반응을 이용하여 내분비계 장애물질의 하나인 비스페놀 A의 분해와 총유기탄소의 제거에 대한 연구를 수행하였다. 실험인자로는 오염물질의 초기농도, UV 램프 파워, 촉매량, 온도를 고려하였다. 본 실험에서 촉매량은 CPC 반응기에서의 최적 촉매량으로 알려진 0.
- 본 연구에서 사용된 반응기는 그림 1에 나타낸 바와 같이, UVA 램프, 석영관, 용액 저장조, 교반기, 순환펌프 등으로 구성되어 있다. 용액저장조의 인공폐수는 정량펌프 (Master Flex 7592-50, Cole Parmer Instrument Co.)를 이용하여 CPC 반응기내에 유입되도록 하였으며, CPC 반응기 후단에 밸브를 달아 샘플링이 가능하도록 하였다.
- 2 mL/min로 고정시켰으며, Water cooling system을 이용하여 온도를 일정하게 유지시켰다. 자외선 조사를 극대화시키기 위해 그림 1과 같이 석영관 컬럼의 바로 상단에 UVA램프를 설치하였고, 광원은 UVA(365nm) 중심파장을 갖는 지름 3.5 cm인 20W 램프 6개를 설치하였다. 조사된 자외선의 반사를 최대한 유도하기 위해 반사판 주변을 알루미늄 호일로 감쌌고, 광촉매 반응에 사용된 석영관은 자외선이 투과 가능한 내경 0.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 비스페놀 A는 Sigma-Aldrich (99% purity), TiO2는 anatase/rutile 비율이 80:20, 비표면적이 50 m2/g인 Degussa (Germany)의 P25를 사용하였다. 시간에 따른 비스페놀 A와 총유기탄소의 농도 변화를 알아보기 위해 일정시간 간격(0분, 10분, 30분, 1시간, 2시간, 4시간)으로 4mL씩 샘플링을 하였고, 샘플링 후 0.
- 본 연구에서 사용된 반응기는 그림 1에 나타낸 바와 같이, UVA 램프, 석영관, 용액 저장조, 교반기, 순환펌프 등으로 구성되어 있다. 용액저장조의 인공폐수는 정량펌프 (Master Flex 7592-50, Cole Parmer Instrument Co.
- 5 cm인 20W 램프 6개를 설치하였다. 조사된 자외선의 반사를 최대한 유도하기 위해 반사판 주변을 알루미늄 호일로 감쌌고, 광촉매 반응에 사용된 석영관은 자외선이 투과 가능한 내경 0.8 cm, 외경 1 cm, 길이 60 cm이다. 실험장치의 사양과 운전조건은 표 1에 나타내었다.
성능/효과
- 1) 비스페놀 A의 초기농도를 5 mg/L, 10 mg/L, 20 mg/L로 조절하여 실험한 결과, 초기농도가 낮을수록 시간에 따른 제거율이 높아지는데, 이 같은 결과는 총유기탄소 분해에서도 비슷하게 나타난다. 초기농도가 5 mg/L 일 경우 비스페놀 A는 반응시간 10분 이후 80%이상 제거되고, 10 mg/L에서는 1시간 이후 61%, 20 mg/L에서는 1시간 이후 49% 이상이 제거되었다.
- 본 연구에서는 UVA 램프파워가 증가할수록 분해되는 정도는 높게 나타났다. 120W에서는 반응시간 10분에서 이미 비스페놀 A 농도가 급격히 감소하였으며, 시간이 증가할수록 분해의 차이는 크지 않은 것으로 나타났다. UVA램프 파워가 증가함에 따라 시간에 따른 총유기탄소의 제거는 증가하였는데, 반응시간 2시간 이후 40W에서 56%, 80 W에서 59%, 120W에서 80%를 나타내었다.
- 2) 촉매 주입량을 0.1, 0.5, 1.0 g/L 로 조절하여 주입한 결과, 주입량이 증가할수록 오염물질의 분해가 증가하는데, 이것은 촉매량이 증가할수록 오염물질과 반응하는 활성점(active site)이 증가하게 되어 광촉매 반응이 증가하기 때문이라 판단된다.
- 3) UVA 램프 파워가 증가할수록 비스페놀 A의 분해도 증가하는데, 램프 파워가 120W 일 경우 반응시간 30분 이후 비스페놀 A는 79% 이상이 분해된다.
- 4) 계절별 온도가 비스페놀 A의 분해에 미치는 영향을 보기 위해 온도를 10, 20, 30°C로 조절하여 실험한 결과, 온도가 10°C에서 20°C로 올라감에 따라 비스페놀 A의 분해 정도는 급격하게 증가하지만, 30°C에서는 뚜렷한 차이를 보이지 않는다.
- 120W에서는 반응시간 10분에서 이미 비스페놀 A 농도가 급격히 감소하였으며, 시간이 증가할수록 분해의 차이는 크지 않은 것으로 나타났다. UVA램프 파워가 증가함에 따라 시간에 따른 총유기탄소의 제거는 증가하였는데, 반응시간 2시간 이후 40W에서 56%, 80 W에서 59%, 120W에서 80%를 나타내었다.
- 초기농도가 10 mg/L에서는 반응시간 30분에서 80%, 4시간 이후에는 모두 분해되었고, 총유기탄소는 4시간 이후 70%가 제거되었다. 또한, 초기농도 20 mg/L에서는 반응시간 1시간에 비스페놀 A는 49%이 분해되었고, 총유기탄소는 17%가 분해되었다.
- 본 연구에서는 비스페놀 A는 반응시간 1시간에서 40 W, 80 W, 120W 일 때 각각 53%, 63%, 96%씩 분해되었고, 4시간 이후 40W에서 96%, 80W, 120 W에서는 모두 분해되었다. 본 연구에서는 UVA 램프파워가 증가할수록 분해되는 정도는 높게 나타났다. 120W에서는 반응시간 10분에서 이미 비스페놀 A 농도가 급격히 감소하였으며, 시간이 증가할수록 분해의 차이는 크지 않은 것으로 나타났다.
- 주입량을 1 g/L로 고정하고, UVA 램프 파워를 40, 80, 120W로 조절해가며 실험하였고, 실험결과는 그림 4에 나타내었다. 본 연구에서는 비스페놀 A는 반응시간 1시간에서 40 W, 80 W, 120W 일 때 각각 53%, 63%, 96%씩 분해되었고, 4시간 이후 40W에서 96%, 80W, 120 W에서는 모두 분해되었다. 본 연구에서는 UVA 램프파워가 증가할수록 분해되는 정도는 높게 나타났다.
- 실험 결과 시간당 분해되는 비스페놀 A의 농도는 촉매 주입량이 0.1 g/L 와 0.5 g/L의 경우 비슷한 경향을 보였는데, 반감기는 촉매량이 0.1 g/L일 때 35분, 0.5 g/L일 경우 34분으로 나타났고, 1 g/L 에서는 6분으로 나타났다. 또한, 총유기탄소의 경우 반감기는 0.
후속연구
- 5) 현장에서 실제 태양광을 이용해 다양한 오염물질을 이용하여 추가적인 실험을 실시하고, 실내에서는 다양한 조건으로 실험을 수행한다면 실제 태양광의 이용과 효율을 높일 수 있다 판단된다. 또한 실내에서 수행된 본 연구의 결과는 실제 태양광을 이용하여 다양한 오염물질 분해할 경우 기초 자료로 활용될 수 있을 것이라 판단된다.
- 5) 현장에서 실제 태양광을 이용해 다양한 오염물질을 이용하여 추가적인 실험을 실시하고, 실내에서는 다양한 조건으로 실험을 수행한다면 실제 태양광의 이용과 효율을 높일 수 있다 판단된다. 또한 실내에서 수행된 본 연구의 결과는 실제 태양광을 이용하여 다양한 오염물질 분해할 경우 기초 자료로 활용될 수 있을 것이라 판단된다.
- 는 주로 파우더 형태로 많이 쓰이며, 오염물질 분해와 총유기탄소가 제거되는 정도는 촉매량에 따라 달라지는데, 반응기의 형태나 운전 조건 따라서도 달라진다. 주입된 촉매량이 매우 높으면 탁도가 높아져 빛이 투과되지 않아 효율이 떨어지며, 또한 반응기의 형태와 광량에 따라 최적 주입량 범위가 달라지기 때문에 이에 대한 연구가 필요하다. 본 실험에서는 실제 태양광을 이용한 CPC 반응기 내의 최적 촉매량이라 보고되고 있는 0.
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