[논문]오존-활성탄 복합공정에 의한 페놀 제거

김환익; 문지훈; 정재우

doi:10.4491/ksee.2014.36.5.311

오존-활성탄 복합공정에 의한 페놀 제거
Phenol Removal by Ozone-Activated Carbon Hybrid Process 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.36 no.5, 2014년, pp.311 - 316

김환익 (경남과학기술대학교 환경공학과.녹색기술연구소) , 문지훈 (경남과학기술대학교 공동실험실습관) , 정재우 (경남과학기술대학교 환경공학과.녹색기술연구소)

초록
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오존-활성탄 복합공정에 의한 페놀제거 특성과 그에 미치는 운전변수의 영향에 관해 회분식 실험을 통하여 동력학적 연구를 수행하였다. 활성탄은 오존의 자가분해를 촉진시켜 $OH{\cdot}$ 발생시키므로 페놀분해 속도를 증가시키는 것으로 나타났다. 활성탄의 투입량이 증가함에 따라 페놀분해 반응의 유사 일차반응 속도상수가 증가하고 페놀제거의 반감기가 감소하는 것으로 나타났다. 수용액의 pH 증가는 수산화이온이 개시하는 오존분해의 연쇄반응에 의해 $OH{\cdot}$를 생성시키므로 페놀분해 속도를 증가시키는 것으로 나타났다. 페놀의 완전산화 지표인 총유기탄소(TOC) 제거효율은 활성탄을 투입할 때 투입하지 않은 조건보다 약 3.2배 높은 결과를 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Effects of operating parameters such as activated carbon dose and pH on the phenol oxidation in ozone-activated carbon hybrid process were investigated through a kinetic study. Activated carbon enhanced the self-decomposition of ozone, generating $OH{\cdot}$, thus promoting phenol degradation. The pseudo-first order rate constants of phenol degradation increased and half-life of phenol decreased with activated carbon dose. The increase of pH enhanced $OH{\cdot}$ generation through chain reactions initiated by $OH^-$, therefore increasing the phenol degradation rate. TOC removal efficiency increased about 3.2 times by adding activated carbon in ozonation process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 오존-활성탄 복합공정에 의한 페놀산화 특성과 그에 미치는 운전인자의 영향에 관한 회분식 실험을 수행하였다. O₃의 자가분해 및 페놀분해에 미치는 pH와 활성탄 투입량의 영향을 동력학적으로 해석하였으며 페놀의 무기화 반응을 비교하기 위하여 총유기탄소(Total Organic Carbon, TOC) 분석을 수행하였다.
본 연구에서는 오존-활성탄 복합공정에 의한 페놀의 제거 특성과 그에 미치는 운전변수의 영향을 규명하고자 하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

는 각각 페놀의 직적산화 및 간접산화 반응의 속도상수를 나타낸다. O₃이 연속적으로 공급되는 조건에서 O₃의 농도는 일정하게 유지되는 것으로 가정할 수 있다. 이와 더불어 OH· 의 농도도 일정하게 유지되는 것으로 가정할 수 있다.

제안 방법

이동상 용매로 증류수와 메탄올을 60 : 40 비율로 혼합하여 사용하였으며 264 nm의 파장에서 분석하였다.⁴⁾ 시료의 총 유기탄소(Total Organic Carbon, TOC)를 분석하기 위해 총유기탄소분석기(multi N/C 2100s, analytik jena)를 이용하였다. 모든 실험은 2회 이상 수행하였으며 평균값을 대푯값으로 취하였다.
본 연구에서는 오존-활성탄 복합공정에 의한 페놀산화 특성과 그에 미치는 운전인자의 영향에 관한 회분식 실험을 수행하였다. O₃의 자가분해 및 페놀분해에 미치는 pH와 활성탄 투입량의 영향을 동력학적으로 해석하였으며 페놀의 무기화 반응을 비교하기 위하여 총유기탄소(Total Organic Carbon, TOC) 분석을 수행하였다.
초기 pH 조건별 페놀분해의 동력학적 특성을 계산한 결과를 Table 2에 나타내었다. pH가 12인 조건에서는 40분이 경과하면 페놀제거가 완료되므로 모든 조건에서 30분까지의 페놀 제거결과를 가지고 동력학적 특성값을 계산하였다. 모든 조건에서 결정계수(R²)의 값은 0.
반응기로부터 일정한 시간간격으로 시료를 채취하기 위해 0.2 µm의 필터(ADVANTEC, Japan)를 장착시킨 syringe를 이용하였다.

대상 데이터

5 L/min의 속도로 반응기에 공급하였다. 실험에 사용된 활성탄은 상용 입상활성탄(Norit GAC 1240, Netherland)이며 실험조건에 따라 0~2 g/L로 조절하여 투입하였다. GAC의 입경은 대략 0.
64 cm³/g이었다. 실험에서 순도 99%의 시약용 페놀(Samchun Chemical, Korea)을 사용하였고 증류수를 사용하여 1,000 mg/L의 stock solution을 제조한 후에 희석하여 사용하였다. 페놀 수용액의 pH를 조절하기 위해 0.
¹⁵⁾ 채취된 시료의 페놀 농도를 분석하기 위해 고성능액체크로마토그래피(High Performance Liquid Chromatography, Agilent Technologies 1200 Series)를 사용하였다. 이동상 용매로 증류수와 메탄올을 60 : 40 비율로 혼합하여 사용하였으며 264 nm의 파장에서 분석하였다.⁴⁾ 시료의 총 유기탄소(Total Organic Carbon, TOC)를 분석하기 위해 총유기탄소분석기(multi N/C 2100s, analytik jena)를 이용하였다.

이론/모형

용존 O₃ 농도를 분석하기 위해 인디고 시약의 탈색특성을 이용한 인디고 방법(indigo method)을 사용하였다.¹⁵⁾ 채취된 시료의 페놀 농도를 분석하기 위해 고성능액체크로마토그래피(High Performance Liquid Chromatography, Agilent Technologies 1200 Series)를 사용하였다.

성능/효과

1) O₃의 자가분해는 활성탄 표면의 작용기의 영향을 받아 촉진되므로 활성탄의 투입량이 증가함에 따라 분해속도가 증가하여 용존 O₃ 농도가 감소하는 것으로 나타났다.
2) 활성탄의 투입량이 증가함에 따라 O3의 자가분해에 의해 OH· 생성이 촉진되므로 페놀 분해속도가 증가하는 것으로 나타났다.
3) 수용액의 pH가 증가하면 OH-에 의한 O3의 자가분해 연쇄반응에 의해 OH·생성이 증가하므로 페놀 제거속도가 증가하는 것으로 나타났다.
4) 활성탄 투입에 의해 발생된 OH·은 페놀분해의 중간생성물과의 빠른 반응을 유도하므로 오존-활성탄 복합공정은 오존 단독공정에 비해 TOC 제거효율을 약 3.2배 증가시키는 것으로 나타났다.
70 mm의 범위를 가지며 불순물을 제거하고 표면작용기를 활성화시키기 위해 염산을 이용하여 산처리한 후에 증류수로 세척하여 사용하였다. SEM-EDS (Scanning Electron Microscopy-Energy Dispersive X-ray spectrometer, Jeol, Japan)를 사용하여 활성탄의 원소 조성을 분석한 결과, 탄소(95.76%)와 산소(4.24%)로 구성되어 있는 것으로 나타났다. 입자-공극 분석시스템(ASAP2010, Micromeritics, USA)을 사용하여 77 K 질소상태에서 분석한 활성탄의 Brunauer-Emmett-Teller (BET) 비표면적은 1156.
의 자가분해 연쇄반응에 의해 OH·생성이 증가하므로 페놀 제거속도가 증가하는 것으로 나타났다. pH가 2, 5, 12로 증가함에 따라 페놀분해의 유사 일차반응 속도상수는 0.0219, 0.0335, 0.0563 min^-1로 증가하였으며 반감기는 31.65, 20.69, 12.31 min으로 감소하였다.
페놀의 분해는 pH가 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났다. pH가 2, 5, 12인 조건에서 반응시간 30분을 기준으로 각각 46.66, 60.44, 84.27%의 페놀이 제거되는 것으로 나타났으며 페놀 분해가 완료되는 시간은 각각 180분, 150분, 40분으로 pH가 증가함에 따라 페놀 분해 효율이 증가하는 것으로 나타났다.
모든 실험조건에서 약 100분까지 페놀의 농도가 유지되므로 90분까지의 페놀제거 결과에 대해 식 (4)와 식 (5)를 사용하여 페놀 분해반응의 유사 일차반응 속도상수(k)와 반감기(t_1/2)를 계산한 결과를 Table 1에 나타내었다. 모든 실험조건에서 결정계수(R²)의 값이 0.97보다 높게 나타나 오존-활성탄 복합공정에서 페놀제거의 동력학적 거동이 반응속도가 본 연구에서 적용한 속도모델에 의해 적절하게 설명될 수 있는 것으로 나타났다. 활성탄의 투입량이 0, 0.
3은 초기 페놀농도가 300 mg/L이고 pH가 5인 조건에서 페놀제거에 미치는 활성탄 투입량의 영향을 나타내고 있다. 모든 조건에서 반응시간이 경과함에 따라 페놀이 분해되어 농도가 감소하였으며 활성탄 투입량이 증가함에 따라 페놀 분해속도가 증가하는 것으로 나타났다. 반응시간 60분이 경과한 후에 페놀의 제거효율은 활성탄 투입량이 0, 0.
O₃ 처리에서 활성탄의 투입에 의한 효과는 TOC 제거특성에서 분명하게 관찰되는 것으로 나타났다. 반응시간 180분이 경과한 후에 TOC 제거효율은 활성탄을 투입하지 않은 조건에서 약 12.7%로 나타났으나 활성탄을 투입한 경우에는 약 41.07%로 나타나 활성탄 투입에 의해 TOC 제거효율이 약 3.2배 증가하는 것으로 나타났다. 페놀의 산화과정에서는 hydroquinone, catechol, resorcinol, benzoquinone, 무콘산, 글리옥살, 글리옥살산 등이 생성되는 것으로 알려져 있다.
모든 조건에서 반응시간이 경과함에 따라 페놀이 분해되어 농도가 감소하였으며 활성탄 투입량이 증가함에 따라 페놀 분해속도가 증가하는 것으로 나타났다. 반응시간 60분이 경과한 후에 페놀의 제거효율은 활성탄 투입량이 0, 0.2, 1.0, 2.0 g/L인 조건에서 각각 58.89, 64.90, 79.64, 87.34%로 나타났다. 모든 실험조건에서 약 100분까지 페놀의 농도가 유지되므로 90분까지의 페놀제거 결과에 대해 식 (4)와 식 (5)를 사용하여 페놀 분해반응의 유사 일차반응 속도상수(k)와 반감기(t_1/2)를 계산한 결과를 Table 1에 나타내었다.
14 mg/L로 감소하는 것으로 나타났다. 이에 비해 활성탄 투입량이 1.0 및 2.0 g/L인 조건에서는 각각 10분과 20분까지 용존 O₃ 농도가 증가하다가 시간이 추가로 경과함에 따라 감소하는 경향을 보였다. 활성탄 투입량이 0, 0.
5는 페놀 및 TOC 제거에 미치는 활성탄 투입의 영향을 나타내고 있다. 활성탄을 투입한 경우에 투입하지 않은 경우보다 빠르게 페놀이 제거되는 것으로 나타났으나 180분이 경과하면 활성탄의 투입 여부와 상관없이 거의 모든 페놀이 제거되는 것으로 나타났다. O₃ 처리에서 활성탄의 투입에 의한 효과는 TOC 제거특성에서 분명하게 관찰되는 것으로 나타났다.
의 자가분해에 의해 OH· 생성이 촉진되므로 페놀 분해속도가 증가하는 것으로 나타났다. 활성탄의 투입량이 0, 0.2, 1.0, 2.0 g/L로 증가함에 따라 유사 일차반응 속도상수의 값은 각각 0.0149, 0.0171, 0.0274, 0.0352 min^-1로 증가하였으며 반감기는 46.51, 40.53, 25.29, 19.69 min으로 감소하는 것으로 나타났다.
97보다 높게 나타나 오존-활성탄 복합공정에서 페놀제거의 동력학적 거동이 반응속도가 본 연구에서 적용한 속도모델에 의해 적절하게 설명될 수 있는 것으로 나타났다. 활성탄의 투입량이 0, 0.2, 1.0, 2.0 g/L인 조건에서 속도상수의 값은 각각 0.0149, 0.0171, 0.0274, 0.0352 min^-1로 나타났으며 반감기는 46.51, 40.53, 25.29, 19.69 min으로 나타났다. 활성탄 투입량의 증가에 따른 이러한 페놀 분해속도의 증가현상은 Fig.
74 mg/L로 포화되는 것으로 나타났다. 활성탄의 투입량이 0.2 g/L인 조건에서도 시간이 경과함에 따라 용존 O₃ 농도가 포화되는 경향을 보였으나 포화농도가 1.92~2.14 mg/L로 감소하는 것으로 나타났다. 이에 비해 활성탄 투입량이 1.

후속연구

1) 특히 약품제조, 석유화학공정, 제지산업 등에서 배출되는 폐수에는 다양한 종류의 난분해성 물질이 포함되어 있으므로 이를 처리할 수 있는 기술개발이 필요하다.^2,3) 비교적 최근부터 난분해성 물질을 효과적으로 처리할 수 있는 공정으로서 오존-활성탄 복합공정(ozone-activated carbon hybrid process)에 대한 관심이 증가하여 왔다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	난분해성 물질을 효과적으로 처리할 수 있는 공정은 무엇인가?	1) 특히 약품제조, 석유화학공정, 제지산업 등에서 배출되는 폐수에는 다양한 종류의 난분해성 물질이 포함되어 있으므로 이를 처리할 수 있는 기술개발이 필요하다.2,3) 비교적 최근부터 난분해성 물질을 효과적으로 처리할 수 있는 공정으로서 오존-활성탄 복합공정(ozone-activated carbon hybrid process)에 대한 관심이 증가하여 왔다. 오존(O3)은 높은 산화력을 가지고 있으나 선택적 특성을 가지므로 난분해성 유기물질의 제거에 효과적으로 활용될 수 없는 것으로 알려져 있다.
	오존이 난분해성 유기물질 제거에 사용할 수 있는가?	2,3) 비교적 최근부터 난분해성 물질을 효과적으로 처리할 수 있는 공정으로서 오존-활성탄 복합공정(ozone-activated carbon hybrid process)에 대한 관심이 증가하여 왔다. 오존(O3)은 높은 산화력을 가지고 있으나 선택적 특성을 가지므로 난분해성 유기물질의 제거에 효과적으로 활용될 수 없는 것으로 알려져 있다. 즉, 많은 유기물질과 이의 산화에 의해 생성되는 중간생성물은 O3과의 반응성이 좋지 않으므로 O3 처리에 의해 효과적으로 제거될 수 없다.4~6) 따라서 O3 처리 과정에서 O3의 분해반응을 촉진시켜 보다 강력한 산화력을 가진 수산화라디칼(OH·)을 생성시키기 위한 다양한 연구들이 수행되어 왔다.
	환경오염 유발물질 중 난분해성 물질을 생성하는 산업은?	산업구조의 고도화와 다변화로 인해 다양한 화학물질들이 사용되고 있으며 이들 물질의 배출에 의한 환경오염이 심각한 사회문제로 대두되고 있다.1) 특히 약품제조, 석유화학공정, 제지산업 등에서 배출되는 폐수에는 다양한 종류의 난분해성 물질이 포함되어 있으므로 이를 처리할 수 있는 기술개발이 필요하다.2,3) 비교적 최근부터 난분해성 물질을 효과적으로 처리할 수 있는 공정으로서 오존-활성탄 복합공정(ozone-activated carbon hybrid process)에 대한 관심이 증가하여 왔다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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