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문제 정의
- 수중의 오염물질을 분해 시키는 수처리를 위한 비열 유전체 장벽 플라즈마 공정은 최근에 연구되고 있는 공정이기 때문에 설계 자료나 운전 자료가 많지 않은 편이다(Zhang 등, 2008). 특히 본 연구와 같이 교류를 이용하고 액체를 순환시키는 방식의 플라즈마 공정은 기존의 플라즈마 반응기와는 형태가 다르기 때문에 전극 재질, 전극 형태, 외부 반응기 직경, 액체 순환 유량, 공기 유량 및 충전제 충전율 등 유전체 장벽 플라즈마 반응기 설계에 필요한 기본적인 설계인자와 운전인자에 대한 기초연구를 수행하였다.
제안 방법
- 접지 전극, 유전체 및 방전 전극으로 이루어진 기존 유전체 장벽 방전 반응기는 반응기 전체가 수중에 함침 되어 플라즈마를 발생시키기 때문에 절연이 잘 이루어지지 않아 단락 현상이 발생하기 쉬어 플라즈마가 발생하지 않거나 스파크가 튀는 등 성능이나 안전상의 문제가 발생하여 개선할 필요가 있어 여러 가지 시도를 하여 방전 전극과 유전체(석영관)로 이루어진 반응기, 플라즈마와 반응하는 물, 외부 반응기 및 외부 반응기에 설치된 접지 전극으로 반응기 시스템을 구성하였다. 내부 전극인 방전 전극과 유전체인석영관에 대한 기초 자료는 본 연구자들이 앞서 연구한 자료에서 확립된 조건(방전 전극 직경, 2 mm; 석영관 내경, 7 mm)에서 접지 전극인 외부 전극이 감기는 외부 반응기의 직경을 15～40 mm(접지 전극과 방전 전극의 간격, 8～21 mm)로 변화시켜 실험하였다(김과박, 2011).
- 실험 조건을 Table 1에 나타내었다. 반응기에 주입하는 가스로는 공기를 사용하였으며 공기펌프에서 발생한 공기를 rotameter를 이용하여 유량을 조절한 뒤 공급하였다. 순환펌프를 이용하여 플라즈마 반응기에서 반응한 반응물을 저장소로 이송하였으며 저장소에서는 중력에 의해 반응기로 다시 유입된다.
- 본 반응기는 플라즈마가 발생하는 유전체 내부와 플라즈마 반응에 의해 발생한 이온화 가스가 산기관을 통해 배출되어 수중에서 반응하는 외부 반응기의 직경이 적어 전체 반응기의 반응 면적이 적어 반응기 외부에 저장소를 두어 펌프로 순환시켰다. 순환 펌프는 이온화가스와 반응한 물을 저장소로 보내는 역할을 할 뿐만 아니라 이온화 가스가 수중에 용존 시키기 위한 물질전달을 높일 수 있는 역할도 할 수 있다.
- 접지 전극, 유전체 및 방전 전극으로 이루어진 기존 유전체 장벽 방전 반응기는 반응기 전체가 수중에 함침 되어 플라즈마를 발생시키기 때문에 절연이 잘 이루어지지 않아 단락 현상이 발생하기 쉬어 플라즈마가 발생하지 않거나 스파크가 튀는 등 성능이나 안전상의 문제가 발생하여 개선할 필요가 있어 여러 가지 시도를 하여 방전 전극과 유전체(석영관)로 이루어진 반응기, 플라즈마와 반응하는 물, 외부 반응기 및 외부 반응기에 설치된 접지 전극으로 반응기 시스템을 구성하였다. 내부 전극인 방전 전극과 유전체인석영관에 대한 기초 자료는 본 연구자들이 앞서 연구한 자료에서 확립된 조건(방전 전극 직경, 2 mm; 석영관 내경, 7 mm)에서 접지 전극인 외부 전극이 감기는 외부 반응기의 직경을 15～40 mm(접지 전극과 방전 전극의 간격, 8～21 mm)로 변화시켜 실험하였다(김과박, 2011).
대상 데이터
- RNO는 초기농도가 50 mg/L인 용액을 사용하였으며, RNO 농도는 UV-VIS spectrophotometer(Genesis 5, Spectronic)를 사용하여 RNO의 최대 흡수파장인 440 nm를 측정하여 검량선을 사용하여 농도로 나타내었다.
- 5에서 보여지듯이 접지 전극의 재질을 구리, 티타늄 및 스테인리스 스틸을 이용하여 전극의 재질이 RNO분해에 미치는 영향을 고찰한 결과 외부 전극인 접지 전극의 재질이 RNO 분해에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 그러나 방전 전극의 경우는 플라즈마가 직접 발생하는 전극이며, 또한 Zhang 등(2008)도 플라즈마가 발생하는 방전 전극의 경우 전극이 소모된다고 보고하고 있기 때문에 수중에 소모된 전극 성분이 용출되어도 위해성이 상대적으로 적고 부식성이 적은 전극을 사용할 필요성이 제기 되어 방전 전극인 내부 전극은 내구성이 우수한 티타늄을 사용하였다.
- 유전체는 두께가 1 mm, 내경이 7 mm인 석영관을 사용하였다. 방전 전극(내부 전극)은 봉 형 전극이었으며, 소재는 티타늄이었고, 전극 두께는 2 mm이었다. 접지 전극(외부 전극)은 스프링 및 파이프 형이며 실험의 종류에 따라 길이 또는 면적을 달리 사용하였다.
- 실험에 사용한 외부 전극은 파이프 형태로써 외부 반응기 전체 외부를 감싸는 형태로 되어 있다. 파이프형 외부 전극의 길이가 RNO 분해에 미치는 영향을 Fig 3에 나타내었다.
- 반응기 시스템은 방전 전극, 유전체, 외부 유리관 반응기 및 접지 전극으로 이루어진 플라즈마 반응기와 공기 펌프, 1차 전원장치와 네온트랜스로 이루어진 전원 공급장치 및 순환펌프와 저장조로 이루어진 저장소 등 크게 네 부분으로 나누어진다. 유전체는 두께가 1 mm, 내경이 7 mm인 석영관을 사용하였다. 방전 전극(내부 전극)은 봉 형 전극이었으며, 소재는 티타늄이었고, 전극 두께는 2 mm이었다.
- 전원 공급장치로 2차 전압이 15 kV이고 주파주가 20 kHz인 네온트랜스를 이용하였다. 초기 운전 조건은 다음과 같다.
- 전체 방볍 방전 플라즈마 공정의 성능을 평가하기 위하여 분해대상물질로 N, N-Dimethyl-4-nitrosoaniline(RNO)을 선택하였다. · OH은 생성량을 직접적으로 측정하기 어려워 RNO와 같이 · OH과 선택적으로 반응하는 것으로 알려진 물질의 분해를 통하여, · OH의 생성 여부를 간접적으로 확인 가능한데 특히 RNO는 표백효과에 의해 육안으로 쉽게 확인이 가능하고 분석이 간편하여 RNO를 사용하였다(Li 등, 2009).
- 방전 전극(내부 전극)은 봉 형 전극이었으며, 소재는 티타늄이었고, 전극 두께는 2 mm이었다. 접지 전극(외부 전극)은 스프링 및 파이프 형이며 실험의 종류에 따라 길이 또는 면적을 달리 사용하였다. 접지 전극의 재질은 구리, 티타늄 및 스테인리스 스틸이었다.
- 접지 전극(외부 전극)은 스프링 및 파이프 형이며 실험의 종류에 따라 길이 또는 면적을 달리 사용하였다. 접지 전극의 재질은 구리, 티타늄 및 스테인리스 스틸이었다. 실험 조건을 Table 1에 나타내었다.
성능/효과
- 1) RNO 분해는 외부 반응기 직경의 증가에 따라 증가하다 35 mm 이상의 직경에서는 감소하여 최적 외부 반응기의 직경이 존재하는 것으로 나타났고 30 mm(접지 전극과 방전 전극의 간격, 16 mm)인 것으로 사료되었다. 파이프 형태인 외부 전극의 길이가 2.
- 2) 방전 전극을 봉 형으로, 재질을 티타늄으로 고정한 조건에서 접지 전극인 외부 전극의 형태(파이프와 스프링 형)와 재질(구리, 스테인리스 스틸 및 티타늄)은 RNO 분해에 영향을 미치지 않았다. 충전재로 7 mm인 유리구슬을 충전한 결과 유리구슬의 충전은 RNO 분해를 방해하는 것으로 나타났다
- 4 cm/s로 증가함에 따라 RNO 분해율도 증가하였다. 25.4 cm/s이상의 순환 유속에서는 RNO 분해가 감소하여 최적 순환 유속은 25.4 cm/s인 것으로 나타났다. 순환 유속이 증가하면 물질전달 속도가 증가하고 이에 따라 이온화 가스가 물속으로 용존하는 속도가 증가하고 RNO 분해율이 증가하는 것으로 사료되었다.
- 4 cm/s로 증가함에 따라 RNO 분해율도 증가하였다. 25.4 cm/s이상의 순환 유속에서는 RNO 분해가 감소하여 최적 순환 유속은 25.4 cm/s인 것으로 나타났다. 순환 유속이 증가하면 물질전달 속도가 증가하고 이에 따라 이온화 가스가 물속으로 용존하는 속도가 증가하고 RNO 분해율이 증가하는 것으로 사료되었다.
- 3) 플라즈마 반응기에서 저장소로 물과 이온화 공기를 순환시키는 순환수의 순환 유속이 3.1 cm/s에서 25.4 cm/s로 증가하면서 RNO 분해율도 증가하였다. 25.
- Fig. 5에서 보여지듯이 접지 전극의 재질을 구리, 티타늄 및 스테인리스 스틸을 이용하여 전극의 재질이 RNO분해에 미치는 영향을 고찰한 결과 외부 전극인 접지 전극의 재질이 RNO 분해에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 그러나 방전 전극의 경우는 플라즈마가 직접 발생하는 전극이며, 또한 Zhang 등(2008)도 플라즈마가 발생하는 방전 전극의 경우 전극이 소모된다고 보고하고 있기 때문에 수중에 소모된 전극 성분이 용출되어도 위해성이 상대적으로 적고 부식성이 적은 전극을 사용할 필요성이 제기 되어 방전 전극인 내부 전극은 내구성이 우수한 티타늄을 사용하였다.
- 7에 나타내었다. 공기 공급량이 0.5 L/min에서 1 L/min으로 증가시에는 RNO 분해율이 매우 빠르게 증가하였으며, 1 L/min에서 2.5 L/min으로 증가시에는 RNO 분해율이 서서히 증가하였으며, 3 L/min에서는 RNO 분해율이 감소하여 최적 공기량은 2.5 L/min으로 나타났다. 0.
- Chen 등(2004)은 needle과 plate의 간격이 3 cm와 5 cm인 경우 거리가 가까우면 플라즈마 채널을 형성하기 쉽고 더 많은 에너지가 용액 속에 축적되어 산화물질이 더 생성되지만, 접지 전극과 방전 전극의 거리가먼 경우 플라즈마 채널 형성에 더 많은 에너지가 필요하여 더 적은 에너지가 축적된다고 보고하였다. 본 플라즈마 반응기에서는 streamer 방전이 발생하며, 다른 연구자와 플라즈마 발생형태가 다르고 전극 형태가 달라 정확한 설명은 어렵지만 플라즈마 발생과 관련한 에너지 축적과 관련이 있는 것으로 사료되었다. Sugiarto와 Sato(2001)의 연구와 유사한 두 전극 사이의 거리가 16 mm인 외부 반응기의 최적 직경인 것으로 사료되었다.
- 4 cm/s인 것으로 나타났다. 순환 유속이 증가하면 물질전달 속도가 증가하고 이에 따라 이온화 가스가 물속으로 용존하는 속도가 증가하고 RNO 분해율이 증가하는 것으로 사료되었다. 그러나 일정 유량이상의 순환 유속에서 RNO 분해가 감소하는 것은 일정 유속 이상에서는 물질전달 상승으로 인한 이온화 가스의 용존량이 더 이상 증가하지 않기 때문인 것으로 사료되었다.
- 실험 결과 RNO 분해는 외부 반응기 직경의 증가에 따라 증가하다 35 mm 이상의 직경에서는 감소하여 최적 외부 반응기의 직경이 존재하는 것으로 나타났고, 30 mm(접지 전극과 방전 전극의 간격, 16 mm)인 것으로 사료되었다. Sugiarto와 Sato(2001)는 needle-plate 펄스 플라즈마 반응기에서 두 전극 사이의 간격이 6～45 mm인 경우 간격에 따라 발생하는 플라즈마의 형태가 달라지며 spark와 streamer 방전이 동시에 일어나는 15 mm인 경우가 페놀 제거율이 가장 높다고 보고하였다.
- 플라즈마 밀도의 측정은 불가능하였으나 플라즈마가 형성되는 공간의 플라즈마 색으로 육안으로 판별하였다. 외부 전극의 길이가 길어질수록 자외선의 빛의 세기는 감소하는 것으로 나타났으나 30 cm의 경우 전체 석영관에서 플라즈마가 형성되는 것으로 나타났다. 이 후 실험은 최대 전극 길이인 30 cm에서 실험을 수행하였다.
- 4는 전극 형태를 파이프 형과 wire 형태로 하였을 때 RNO 분해율을 비교하여 나타낸 것이다. 전극의 길이가 30 cm이었을 때 전극의 형태를 파이프 형이던지 wire형이던지 플라즈마 발생에는 영향을 주지 않는 것으로 나타나 wire로 하는 것이 경제적으로 나은 것으로 판단되었다. 이와 같은 결과는 접지 전극, 유전체 및 방전 전극으로 이루어진 반응기에서 접지 전극의 형태가 파이프형, 봉 형 및 스프링 형 등 접지 전극의 형태와 무관하였다고 김과 박(2011)이 보고한 결과와 일치하였다.
- 유리구슬을 충전할 경우 이온화 가스와 물의 접촉이 늘어 RNO 분해율이 늘어날 것으로 예상되었다. 충전량이 증가할수록 RNO 분해율이 조금 감소하는 경향을 나타내었는데, 이는 충전물이 방해를 하기 때문인 것으로 사료되었다.
- 2) 방전 전극을 봉 형으로, 재질을 티타늄으로 고정한 조건에서 접지 전극인 외부 전극의 형태(파이프와 스프링 형)와 재질(구리, 스테인리스 스틸 및 티타늄)은 RNO 분해에 영향을 미치지 않았다. 충전재로 7 mm인 유리구슬을 충전한 결과 유리구슬의 충전은 RNO 분해를 방해하는 것으로 나타났다
- 1) RNO 분해는 외부 반응기 직경의 증가에 따라 증가하다 35 mm 이상의 직경에서는 감소하여 최적 외부 반응기의 직경이 존재하는 것으로 나타났고 30 mm(접지 전극과 방전 전극의 간격, 16 mm)인 것으로 사료되었다. 파이프 형태인 외부 전극의 길이가 2.5 cm에서 5 cm로 증가됨에 따라 RNO 분해율이 가장 많이 증가되었으며 5 cm이상에서도 외부 전극의 길이가 증가됨에 따라 RNO 분해율이 서서히 증가되어 최대 RNO 분해율을 얻을 수 있는 길이는 반응기 구조상 최대 길이인 30 cm인 것으로 나타났다.
- 파이프형 외부 전극의 길이가 RNO 분해에 미치는 영향을 Fig 3에 나타내었다. 파이프 형태인 외부 전극의 길이가 2.5 cm에서 5 cm로 증가됨에 따라 RNO 분해율이 빠르게 증가되었으며 외부 전극의 길이가 증가됨에 따라 RNO 분해율이 증가되어 최대 RNO 분해율을 얻을 수 있는 길이는 반응기 구조상 최대 길이인 30 cm인 것으로 나타났다. 2.
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