Objectives: The purpose of this study was evaluating the applicability of the circulation dielectric barrier plasma process (DBD) for efficiently treating non-biodegradable wastewater, such as phenol. Methods: The DBD plasma reactor system in this study consisted of a plasma reactor (discharge, grou...
Objectives: The purpose of this study was evaluating the applicability of the circulation dielectric barrier plasma process (DBD) for efficiently treating non-biodegradable wastewater, such as phenol. Methods: The DBD plasma reactor system in this study consisted of a plasma reactor (discharge, ground electrode and quartz dielectric tube, external tube), high voltage source, air supply and reservoir. Effects of the operating parameters on the degradation of phenol and $UV_{254}$ absorbance such as first voltage (60-180 V), oxygen supply rate (0.5-3 l/min), liquid circulation rate (1.5-7 l/min), pH (3.02-11.06) and initial phenol concentration (12.5-100 mg/l) were investigated. Results: Experimental results showed that optimum first voltage, oxygen supply rate, and liquid circulation rate on phenol degradation were 160 V, 1 l/min, and 4.5 l/min, respectively. The removal efficiency of phenol increased with the increase in the initial pH of the phenol solution. To obtain a removal efficiency of phenol and COD of phenol of over 97% (initial phenol concentration, 50.0 mg/l), 15 min and 180 minutes was needed, respectively. Conclusions: It was considered that the absorbance of $UV_{254}$ for phenol degradation can be used as an indirect indicator of change in non-biodegradable organic compounds. Mineralization of the phenol solution may take a relatively longer time than that required for phenol degradation.
Objectives: The purpose of this study was evaluating the applicability of the circulation dielectric barrier plasma process (DBD) for efficiently treating non-biodegradable wastewater, such as phenol. Methods: The DBD plasma reactor system in this study consisted of a plasma reactor (discharge, ground electrode and quartz dielectric tube, external tube), high voltage source, air supply and reservoir. Effects of the operating parameters on the degradation of phenol and $UV_{254}$ absorbance such as first voltage (60-180 V), oxygen supply rate (0.5-3 l/min), liquid circulation rate (1.5-7 l/min), pH (3.02-11.06) and initial phenol concentration (12.5-100 mg/l) were investigated. Results: Experimental results showed that optimum first voltage, oxygen supply rate, and liquid circulation rate on phenol degradation were 160 V, 1 l/min, and 4.5 l/min, respectively. The removal efficiency of phenol increased with the increase in the initial pH of the phenol solution. To obtain a removal efficiency of phenol and COD of phenol of over 97% (initial phenol concentration, 50.0 mg/l), 15 min and 180 minutes was needed, respectively. Conclusions: It was considered that the absorbance of $UV_{254}$ for phenol degradation can be used as an indirect indicator of change in non-biodegradable organic compounds. Mineralization of the phenol solution may take a relatively longer time than that required for phenol degradation.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 수중의 오염물질 제거를 위한 수중플라즈마 공정의 적용을 위하여 페놀을 분해 대상 물질로 하여 순환식 유전체 방전 플라즈마 공정에서 페놀 처리에 미치는 운전인자의 영향에 대해 고찰하였다.
본 연구에서는 유기물 분해 과정을 고찰하기 위하여 수중 잔류 유기물의 간접지표로써 측정이 쉬운 UV254 흡광도를 측정하여 고찰하였다.
순환식 유전체 장벽 방전 플라즈마 난분해성 물질인 페놀 분해와 유기물의 간접지표인 UV254 흡광도 변화에 미치는 운전인자의 영향에 대해 고찰하여 다음의 결과를 얻었다.
대상 데이터
따라서 페놀 용액은 반응기→저장소→반응기로 순환되면서 처리된다. 공급장치로 전원에서 공급되는 교류의 전압을 변화시켜주는 1차 전원인 슬라이닥스와 2차 전원으로는 주파주가 20 kHz이고 15 kV의 고전압을 인가할 수 있는 네온트랜스를 이용하였다.
플라즈마 반응기는 내경이 30 mm이고 반응 높이는 30 cm이었다. 방전 전극(내부 전극)은 재질이 티타늄인 봉 형 전극이고 전극 두께는 2 mm이었다. 접지 전극(외부 전극)은 재질이 티타늄인 지름이 1 mm인 스프링 형이며 유전체는 두께가 1 mm, 내경이 7 mm인 석영관을 사용하였다.
즉, 1차 전압의 변화에 따라 출력 전압인 고전압이 변화한다. 본 실험에 사용한 네온트랜스는 220 V에서 15 kV의 출력을 가지며 1차 전압이 60 V인 경우는 출력 전압인 고전압은 3.4 kV를 나타낸다.7)
방전 전극(내부 전극)은 재질이 티타늄인 봉 형 전극이고 전극 두께는 2 mm이었다. 접지 전극(외부 전극)은 재질이 티타늄인 지름이 1 mm인 스프링 형이며 유전체는 두께가 1 mm, 내경이 7 mm인 석영관을 사용하였다. 반응기에 주입하는 가스로는 산소를 사용하였으며 산소 펌프에서 발생한 산소를 rotameter를 이용하여 유량을 조절한 뒤 공급하였다.
이론/모형
페놀 농도 분석은 HACH DR 2800 spectrophotometer 를 이용하여 500 nm에서 standard methods의 direct photometric method에 의해, COD는 중크롬산칼륨법에 의해 측정하였으며, standard methods에 준하여 측정하였다.16) UV254의 측정은 UV-Vis spectrophotometer( Genesysis 5, Spectronic)를 사용하여 254 nm 에서 흡광도를 측정하였다.
성능/효과
1) 160 V 이상의 1차 전압에서는 초기 분해속도와 잔류 페놀 농도가 유사하게 나타나 페놀 제거를 위한 최적 전압은 160 V인 것으로 사료되었다. UV254흡광도는 반응 초기에 빠르게 증가하여 첨두에 도달된 뒤 감소하는 것으로 나타났다.
3으로 나타나 초기 UV254 흡광도보다 높은 것으로 나타났다. 1차 전압이 증가할수록 첨두에 도달되는 시간이 감소하였으며, 첨두에서의 흡광도 값이 증가하는 경향을 나타내었다. 농도가 계속 감소하는 페놀 농도와는 다르게 UV254 흡광도는 1차 전압과는 관계없이 증가하였다 감소하는 패턴을 보였다.
전압이 60 V인 경우 UV가 첨두(peak)에 도달되는 시간이 가장 느렸으며, 흡광도가 서서히 감소하는 것으로 나타났다. 1차 전압이 증가할수록 첨두에 도달되는 시간이 빨라졌으며, 최종 흡광도도 감소하는 것으로 나타났다. 160 V와 180 V에서의 UV 흡광도는 상승과 하강 경향이 유사하게 나타나 페놀 농도 감소와 같이 UV254 흡광도 감소도 최적 1차 전압은 160 V로 사료되었다.
2) 최근 개발되어 적용되고 있거나 개발 중인 고도산화공정은 펜톤 산화공정, H2O2/UV, 오존/UV, 전자빔, 광촉매, 전기분해, 초음파 및 플라즈마 공정 등을 들 수 있다.1,8-10)
2) 페놀 농도와 UV254 흡광도를 고찰한 결과 페놀 제거를 위한 최적 산소 공급량은 1 l/min으로 사료되었다. 최적 공급량까지는 산화제 발생량이 증가하여 페놀 분해율이 증가하지만 그 이상의 공급량에서는 다량의 기포 발생으로 인해 산화제의 체류시간 감소가 추가 발생하는 산화제 량을 상쇄시켜 최적 산소 공급량이 존재한다고 사료되었다.
3) pH가 염기성으로 증가할수록 페놀의 초기 분해 속도가 증가하고 반응 종결시간도 줄어드는 것으로 나타났다. pH가 증가할수록 UV 흡광도가 첨두에 도달되는 시간이 빨라져 반응속도가 증가한다는 것을 간접적으로 알 수 있었다.
4) 초기 페놀의 농도가 증가할수록 페놀 제거시간과 UV254 흡광도 감소 시간도 증가하는 것으로 나타났다. 초기 페놀농도가 50 mg/l에서 페놀은 20분만에 제거되었으나 중간분해산물의 생성과 분해에 소요되는 시간이 많아 COD 제거는 9배 이상의 시간이 소요되었다.
0 mg/l까지는 반응 30분 내에 페놀이 완전 분해 되는 것으로 나타났고 UV254 흡광도 제거에는 시간이 더 소요되는 것으로 나타났다. UV254 흡광도는 수중 난분해성 유기물질을 나타내는 간접지표로 페놀 농도 감소보다 서서히 감소되는 것으로 나타났고 첨두에 도달된 후 감소 정도를 보면 대략적인 분해 경향을 알 수 있었다. 그러나 완전 무기화를 의미하는 것이 아니기 때문에 COD를 측정하여 Fig.
06인 조건에서 pH가 페놀 분해와 UV254흡광도에 미치는 영향을 나타내었다. pH 7을 기준으로 pH가 산성으로 갈수록 초기 분해속도가 느려지고 반응 종결시 잔류 페놀 농도도 증가하는 경향을 보였다. pH가 염기성인 경우 pH 7보다 초기 분해속도가 증가하고 반응 종결시간도 빨라지는 것으로 나타났다.
3) pH가 염기성으로 증가할수록 페놀의 초기 분해 속도가 증가하고 반응 종결시간도 줄어드는 것으로 나타났다. pH가 증가할수록 UV 흡광도가 첨두에 도달되는 시간이 빨라져 반응속도가 증가한다는 것을 간접적으로 알 수 있었다.
02에서 UV254흡광도 그림은 페놀 분해 경향과 잘 일치하는 것으로 나타났다. pH가 증가할수록 UV254 흡광도가 첨 두에 도달되는 시간이 빨라져 반응속도가 증가한다는 것을 간접적으로 알 수 있었다. pH 3의 초기 UV 흡광도는 0.
9%가 제거되었다. 따라서 UV254 흡광도는 전체 유기물의 경향을 나타내기 보다는 첨두 흡광도에 도달한 뒤에 감소하는 대략적인 유기물의 변화 경향을 알 수 있고, 대략적인 페놀 분해 경향을 알 수 있는 간접적인 지표로 사용할 수 있지만 완전 무기화의 지표로는 사용하기 힘든 것으로 사료되었다. Wang 등31)은 플라즈마+광촉매를 이용한 페놀 처리에서 페놀의 3가지 주요 중간분해산물로 catechol, hydroquinone, benzoquinone 등이 생성되며, 페놀이 빠게 분해되지만, 이들 중간분해산물이 반응 20~40분 사이에 생성된 후 감소하기 때문에 최종 분해에 시간이 더 소요된다고 보고하였다.
Wang 등31)은 플라즈마+광촉매를 이용한 페놀 처리에서 페놀의 3가지 주요 중간분해산물로 catechol, hydroquinone, benzoquinone 등이 생성되며, 페놀이 빠게 분해되지만, 이들 중간분해산물이 반응 20~40분 사이에 생성된 후 감소하기 때문에 최종 분해에 시간이 더 소요된다고 보고하였다. 따라서 본 연구에서도 페놀 농도의 빠른 감소에도 불구하고, COD 완전 감소에는 긴 시간이 소요되어 더 많은 에너지가 필요한 것으로 나타났다. 이와 같은 시간 지연현상은 플라즈마를 이용한 페놀 처리에서는 물론, 염료 처리에서 염료의 색도 감소와 COD 감소에 대한 시간 지연 등 타 연구자의 난분해성 물질처리 공정에서 보고된 바와 같은 결과를 얻었다.
60 V와 80 V의 경우 잔류 페놀이 검출되고 UV254 흡광도 값도 높은 것으로 나타났다. 반응 20분 만에 잔류 페놀 농도가 0 mg/l로 나타났던 160 V의 경우 20분의 흡광도 값은 0.092(UV254 제거율: 63.2%), 30분에서도 0.041(UV254 제거율: 83.6%)로 나타나 완전 무기화를 의미하는 COD나 TOC 값을 측정하지 않아도 무기화 정도를 어느 정도 예측할 수 있는 것으로 사료되었다. 또한 160 V와 180 V에서의 UV254 흡광도 경향이 유사하게 나타나 페놀 제거 경향과 유사한 것으로 나타났다.
산소 공급량이 0.5 l/min에서는 반응 20분 후 잔류 페놀 농도가 5.2 mg/l를 나타내었으며, 1 l/min으로 증가하면서 페놀 분해속도가 증가하는 것으로 나타났다. 산소 공급량이 1.
5 l/ min으로 사료되었다. 액체 순환 유량이 증가할수록 생성된 산화제를 함유한 산소에서 수용액으로의 물질전달이 증가하여 용존되는 산화제 양이 증가하고 페놀 제거율도 증가하지만 일정 순환 유량이상에서는 물질전달속도 증가량이 적어지지 때문에 최적 순환 유량이 존재하는 것으로 사료되었다.
액체 순환을 위해 펌프로 액체를 반응기에서 저장 조로 유입시키는 경우 방전수만 유입되는 것이 아니라 플라즈마 반응기 밖으로 유출된 산소 중 일부도 함께 혼합되어 저장조로 유입된 후 저장조의 물을 거쳐 대기 중으로 방출되기 때문에 플라즈마 반응에 의해 생성된 산화제를 함유한 산소에서 수용액으로의 물질전달이 증가하여 용존되는 산화제 양이 증가하고 페놀 제거율도 증가하지만 일정 순환 유량이상에서는 물질전달속도 증가량이 적어지지 때문에 최적 순환 유량이 존재하는 것으로 사료되었다.
은 오존을 이용한 침출수 처리에서 오존 발생기를 통해 발생하는 오존은 낮은 pH에서는 안정적으로 유지되며, pH가 증가할수록 자가 분해 되어 OH 라디칼이 많이 발생되어 침출수의 처리효율이 높다고 보고하였다. 유전체 장벽 방전 메커니즘을 이용하는 오존 발생장치의 원리30)와 오존 분해 공정을 종합해볼 때 플라즈마 반응은 펜톤 산화나 전기분해 반응과는 달리 염기성 영역에서 처리율이 높은 오존 관련 산화반응과 관계가 있는 것으로 사료되었다. Zhang 등21)은 플라즈마 반응기를 이용한 아조 염료 처리에서 높은 pH에서 오존 분해에 의해 OH 라디칼 생성량이 증가하며, OH 라디칼의 산화 전위(oxidation potential)는 2.
pH가 5로 증가하면서 첨두 흡광도 값이 증가되었으며 pH 7이상에는 첨두 흡광도 값이 유사한 것으로 나타났다. 첨두 흡광도 값이 나타나는 시간은 pH 3.02와 5.03은 7.5분, pH 7은 5분, pH 9.01과 pH 11.06은 2.5분으로 나타나 pH가 중간 분 해산물의 생성 시간에 큰 영향을 주는 것으로 나타났다.
흡광도를 고찰한 결과 페놀 제거를 위한 최적 산소 공급량은 1 l/min으로 사료되었다. 최적 공급량까지는 산화제 발생량이 증가하여 페놀 분해율이 증가하지만 그 이상의 공급량에서는 다량의 기포 발생으로 인해 산화제의 체류시간 감소가 추가 발생하는 산화제 량을 상쇄시켜 최적 산소 공급량이 존재한다고 사료되었다. 페놀 분해와흡광도 곡선으로 볼 때 최적 액체 순환 유량은 4.
타 연구자들의 결과와 본 연구결과를 비교할 때 실험 시스템과 가스 공급량 및 가스의 종류가 달라 정확한 비교는 어렵지만 기상에서 산화제를 발생시켜 액상으로 용해시키는 기-액 하이브리드 시스템을 제외하면 최적 산소 공급량까지는 산화제 발생량이 증가하여 분해율이 증가하지만 최적 공급량 이상에서는 다량의 기포로 인해 산화제의 체류시간이 감소 되고, 이것이 추가 발생하는 산화제 량을 상쇄시키기 때문에 최적 산소 공급량이 존재하고 이에 따라 최적 페놀 제거율이 얻어진다고 사료되었다. UV254 흡광도를 나타낸 Fig.
페놀이 빠른 시간 내에 분해 되는 것으로 나타났지만 유기물의 간접지표인 UV254 흡광도를 고찰한 결과 UV254 흡광도는 페놀 농도 보다는 느리게 감소하는 것으로 나타났다. 페놀의 완전 무기화를 확인하기 위하여 페놀 농도를 50 mg/l로 선정하여 페놀의 COD와 UV254 흡광도 변화를 측정하여 Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
적은 농도의 페놀에 노출되어도 인체에 어떤 영향을 끼칠 수 있는가?
특히 상수 원수의 정수시 염소와 결합하여 독성과 악취가 더욱 강한 클로로페놀을 형성하기 때문에, 음용할 때 인체에 나쁜 영향을 주게 된다. 적은 농도의 페놀에 노출되어도 신경자극·마비 증상과 같은 중추신경계 장애 혹은 복통·구토와 같은 소화기 장애를 일으킬 수 있으며 수생태계에도 심각한 영향을 줄 수 있다.5) 따라서 우리나라에서는 먹는물 수질기준에서는 0.
저온 플라즈마(non-thermal plasma) 공정의 원리는 무엇인가?
11) 비교적 최근부터 연구·개발되고 있는 플라즈마 공정은 대기오염물질 또는 수질오염물질을 제거하기 위해 높은 에너지의 전자를 이용한 저온 플라즈마(non-thermal plasma) 공정이다. 저온 플라즈마 공정은 마주하는 전극 사이에 고전압을 인가하여 코로나 방전(corona, 아크 방전이 일어나기 직전 상태)을 일으켜 얻어지는 플라즈마로 음극에서 방출되는 전자가 두 전극 사이에 존재하는 가스 분자들에 충돌하여 가스 분자를 이온화시켜 발생한다. 저온 플라즈마는 electron beam 조사나 electrical discharge에 의해 발생한다.
페놀의 배출원은 어디인가?
1) 페놀은 벤젠의 수소 원자가 수산기로 치환된 히드록시 화합물로 종래에는 나일론의 원료인 카프로락탐 제조용으로 다량 소비되 었으나, 최근에는 각종 페놀수지의 원료로서의 사용량이 증가하고 있고, 방부, 소독제 및 염료 등의 원료로 널리 사용되고 있다.2) 페놀은 석유 및 석탄정제, 의약, 플라스틱 및 합성수지와 같은 석유화학 공정, 목재 보존처리, 금속 코팅, 염색, 펄프 및 종이 제조 및 페놀수지 공장 등 산업 전반에 걸쳐 배출 되고 있는 것으로 보고되고 있다.3) 인간에 대한 페놀의 직접 발암작용에 관한 연구는 진행 중이지만 미국 EPA(Environmental Protection Agency) 및 유럽 연합에서는 유해물질로 분류하고 있고, 우리나라및 여러 국가에서는 페놀의 강한 독성 및 인체에 이미는 영향 때문에 페놀 및 그 화합물을 특정유해물질로 지정하고 있다.
참고문헌 (31)
Jung JW, Park JW, Lee CS. Effects of operating parameters on dissolved ozone and phenol degradation in ozone contact reactor. J Korean Soc Environ Eng. 2010; 32(3): 241-247.
Kim SJ, Gwak GD, Won CH. The study on the phenol removal characteristics by using AOP processes. J Korean Soc on Wat Qual. 2010; 26(2): 303-310.
Kang JW. Application of water treatment of advanced oxidation processes (AOP). Journal of Environmental Hi-technology. 1994; 2(1): 5-15.
Kim SK, Son HS, Im JK, Kim JH, Zoh KD. A study on the characteristics of sonication combined with UV in the degradation of phenol. J Korean Soc Environ Eng. 2010; 32(7): 649-655.
Wikipedia. Phenol. Available: http://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%8E%98%EB%86%80 [accessed 10 March 2012].
Kim DS, Park YS. Electrochemical degradation of phenol by electro-Fenton process. J Environ Health Sci. 2009; 35(3): 201-208.
Park JS, Her NK. Comparison of the sonodegradation of naphthalene and phenol by the change of frequencies and addition of oxidants or catalysts. J Korean Soc Environ Eng. 2010; 32(7): 706-713.
Kim DS, Park YS. Effect of operating parameters on electrochemical degradation of Rhodamine B by three-dimensional electrode. J Environ Heath Sci.. 2009; 35(4): 295-303.
Kim DS, Park YS. A basic study of plasma reactor of dielectric barrier discharge for the water treatment. J Environ Sci. 2011; 20(5): 623-630.
Seo MH, Cho SH, Ha DY. Comparative studies of the $UV/H_2O_2,\;UV/TiO_2/H_2O_2$ and photo-Fenton oxidation for degradation of citric acid. J Korean Soc Environ Eng. 2003; 28(4): 429-437.
Urashima K, Chang JS. Removal of volatile organic compounds from air streams and industrial flue gases by non-thermal plasma technology. IEEE Trans on Dielec and Ele Insul. 2000; 7(5): 602-614.
APH-AWWA-WPCE. Standard methods for the examination of water and wastewater. 19th Ed., APHA, Washington D.C.; 1995
Back YA, Joe WH, Kim JM, Choi YJ. Reduced post-chlorine dosage required for disinfection: improvement with ozonation and GAC process. J Korean Soc Water Wastewater. 2007; 21(4): 445-452.
Tezcanli-Guyer G, Ince NH. Degradation and toxicity reduction of textile dyestuff by ultrasound. Ultrasomnica Sonochemistry. 2003; 10: 235-240.
Shen YJ, Lei L, Zhang X, Zhou M. Effect of gases and chemical catalysts on phenol degradation pathways by pulsed electrical discharges. J Hazard Mater. 2008; 150: 713-722.
Jo JO, Mok YS, Kang DW. Treatment of liquid waste containing highly concentrated ethylenediaminetetraaceticacid by using under electric discharge. J Korean Soc Environ Eng. 2007; 29(5): 564-570.
Li J, Sato M, Ohshima T. Degradation of phenol in water using a gas-liquid phase pulsed discharge plasma reactor. Thin Solid Films. 2007; 515: 4283-4288.
Zhang R, Zhang C, Cheng XX, Wang L, Wu Y, Guan Z. Kinetics of decolorization of azo dye by bipolar pulsed barrier discharge in a three- phase discharge plasma. J Hazard Mater. 2007; 142: 105-110.
Kim HS, Kim LK. Degradation of 4-chlorophenol by photo-Fenton process and Fenton process in aqueous solutions. J. Korean Soc. Water Wastewater. 2011; 25(4): 463-469.
Kim DS, Park YS. Electrochemical decolorization of a Rhodamine B using dimensionally stable anode. J Korean Soc on Wat Qual. 2007; 23(3): 377-384.
Jung HS, Hyun KS, Choi JW, Jeon SJ. Effects of ozonation on color and COD removal in landfill leachate. J Korean Soc Water Sci Technol. 2009; 17(1): 113-118.
Lim BS, Shin YC, Ko KC. The design of a power supply for planer type of the dielectric barrier discharge ozone reactor with impedance matching. J of Korean Ins of Electri and Electron Mat Eng. 2011; 24(1): 57-63.
Wang H, Li J, Quan X, Wu Y. Enhanced generation of oxidative species and phenol degradation in a discharge plasma system couples tith $TiO_2$ photocatalysis. Appl. Catalysis B: Environ. 2008; 83: 72-77.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.