[논문]오존촉매산화공정에 의한 비스페놀 A의 분해특성

최재원; 이학성

doi:10.14478/ace.2015.1057

오존촉매산화공정에 의한 비스페놀 A의 분해특성
Decomposition Characteristics of Bisphenol A by a Catalytic Ozonation Process 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.26 no.4, 2015년, pp.463 - 469

초록
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수용액상의 비스페놀 A (BPA)를 HPLC 분석기기를 이용하여 검량하였으며, 이것을 Acetonitrile 분석법과 KDP solution 분석법으로 정립하였다. 본 실험에서는 오존 단독공정과 오존/pH 10 공정, 오존/과산화수소 공정을 이용하여 BPA의 분해특성을 비교 고찰하였다. 오존 단독공정을 사용하였을 때, 10 mg/L BPA는 60 min 동안 약 70% 제거되었으며, 오존/pH 10 공정 및 오존/과산화수소 공정은 각각 40 min과 60 min만에 BPA를 완전히 제거하였다. 그러나 60 min 동안의 반응에서 TOC 및 HPLC 분석결과를 바탕으로 도출한 최종 분해효율은 오존/과산화수소 공정이 가장 우수한 것으로 나타났으며, 오존/pH 10 공정은 오존 단독공정에 비해 TOC 및 반응 부산물의 농도가 오히려 높은 것으로 나타났다. 수중의 유기탄소를 $CO_2$ 및 $H_2O$로 산화시키는 효율은 오존/과산화수소 공정이 가장 효과적인 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Bisphenol A (BPA) in aqueous solution was measured using HPLC technique, which was established by acetonitrile analysis and KDP solution analysis methods. In these experiments the decomposition characteristics of BPA were compared using the ozone alone, ozone/pH 10, and ozone/hydrogen peroxide processes. About 70% of 10 mg/L of BPA was removed during 60 min by the ozone alone process, while 10 mg/L of BPA was completely removed by the ozone/pH 10 and ozone/hydrogen peroxide processes in 40 min and 60 min, respectively. The final decomposition efficiency drawn from results of TOC and HPLC analyses showed that the ozone/hydrogen peroxide process was the best among them, whereas the concentrations of TOC and reaction intermediates when using the ozone/pH 10 process were higher than those of the ozone alone process after 60 min of reaction. The ozone/hydrogen peroxide process was the most efficient among them when oxidizing organic carbons in water to $CO_2$ and $H_2O$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 오존촉매산화공정에서 BPA의 분해특성을 조사하기 위하여 촉매로서 과산화수소 및 높은 염기성 조건으로 하여 실험을 진행하였으며, 분석결과를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.

제안 방법

하지만 본 연구에서는 기존의 정수처리시설에 적용하더라도 설계 및 유지보수에 제약이 적은 pH 10 및 과산화수소를 촉매로 선정하여 BPA 분해실험을 진행하였다. 또한 극미량에도 환경에 유해한 영향을 줄 수 있는 BPA를 HPLC 분석기기를 이용하여 검출 및 검량하였으며, 분해과정에서 생성되는 중간물질(intermediate)의 생성원인 및 분해특성에 관한 연구도 함께 수행하였다.
본 연구에서는 이러한 BPA의 환경배출량을 저감하기 위해 고급산화공정(Advanced Oxidation Process : AOP)을 도입하였다. 고급산화공정은 오존의 높은 산화력(전위차 : 2.
이러한 공정의 종류로는 오존/과산화수소, 오존/초음파, 오존/UV 및 오존/high pH 공정이 대표적이다. 하지만 본 연구에서는 기존의 정수처리시설에 적용하더라도 설계 및 유지보수에 제약이 적은 pH 10 및 과산화수소를 촉매로 선정하여 BPA 분해실험을 진행하였다. 또한 극미량에도 환경에 유해한 영향을 줄 수 있는 BPA를 HPLC 분석기기를 이용하여 검출 및 검량하였으며, 분해과정에서 생성되는 중간물질(intermediate)의 생성원인 및 분해특성에 관한 연구도 함께 수행하였다.

대상 데이터

비스페놀 A (BPA)는 Sigma-Aldrich (U.S.A.)사의 특급시약을 사용하여 200 mg/L 농도의 stock solution으로 제조하였으며, 매 실험마다 10 mg/L의 농도로 희석하여 사용하였다. BPA의 물리화학적 특성은 Table 1에 나타내었다.
BPA의 물리화학적 특성은 Table 1에 나타내었다. 촉매로 사용된 과산화수소와 pH 조절에 사용된 염산 및 수산화나트륨 용액은 Samchun Pure Chemical (Korea)사의 제품을 사용하였다.

이론/모형

오존 농도 및 BPA 분해특성에 영향을 미치는 주요 운전변수는 Table 2에 나타내었다. 가스상 오존농도는 KI 적정법으로 측정하였으며, 용존 오존농도는 인디고 시약의 탈색 특성을 이용한 인디고 실험법(indigo method)으로 측정하였다. BPA의 분해 특성을 확인하기 위하여 샘플링은 오존접촉 반응기의 중간 부분에서 일정한 시간마다 시료를 채취하여 농도를 측정하였다.
본 연구에서는 BPA의 검량을 목적으로 HPLC-UV를 이용하여 Acetonitrile 분석법과 KDP 용액 분석법으로 정립하였다. 우선 Acetonitrile 분석법으로서, C₁₈ 역상칼럼을 이용하였으며, UV 파장 280 nm, 오븐 온도 28 ℃에서 일정용매 조성법(isocratic mode)으로mobile phase (Acetonitrile과 Water를 60 : 40의 비율로 혼합)를 1.

성능/효과

1. BPA의 검량을 목적으로 HPLC-UV를 이용하여 Acetonitrile 분석법과 KDP solution 분석법으로 분석한 결과, BPA의 검출 및 검량에서는 Acetonitrile 분석법을 이용한 분석이 실험의 신뢰도를 높일 수 있었으며, BPA가 포함된 이성분계 이상의 시료를 분석할 경우, KDP solution 분석법이 효과적이라 판단되었다.
2. 오존/과산화수소 공정은 과산화수소 투입량이 증가할수록 감소하여 0.25 mM 투입 시 BPA가 검출되지 않았다. 그러나 과산화수소를 0.
3. 오존 단독공정은 투입한 촉매 없이도 5 min만에 약 25.8%의BPA를 분해시키는 것으로 나타났으며, 이후 60 min까지 분해효율은 감소하지만 지속적으로 BPA를 분해시키는 것으로 나타났다. 오존/과산화수소 및 오존/pH 10 공정은 각각 60 min과 40 min만에 BPA를 완전히 분해시키는 것으로 나타났다.

후속연구

오존/high pH 공정의 적정 pH는 Figure 3의 결과를 토대로 pH10으로 결정할 수 있었다. 이처럼 오존촉매산화공정에서 사용된 촉매의 종류와 농도에 따라 대상물질의 분해효율이 결정되기 때문에 실험에 앞서 촉매효과에 대한 연구가 선행되어야 할 것으로 사료되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	미국 EPA에 의하면 BPA의 LC50 및 EC50 농도는 어떠한가?	또한 병뚜껑, 상수관과 같은 금속제품의 내부코팅제로 사용되며, 통조림용 깡통, 치과치료 시의 아말감에서 유출된다. 국립환경연구원은 한강과 국내의 대규모 강 및 그 지천에서 BPA가 검출되었다고 밝혔으며[10,11], 미국 EPA에 의해서 수행된 BPA의 독성에 관한 연구조사 결과에서 어류 및 무척추동물에 대한 BPA의 LC50 및 EC50은 1.1~10 mg/L로 보고하였다[12]. 환경호르몬 물질은 대부분이 이미 규제물질로 설정되어 있어 사용량이 매우 적지만 BPA의 경우, 세계 연간 총 수요량이 1995년 160억 파운드에서 2000년에는 210억 파운드로 매년 증가하고 있으며, 우리나라의 경우, 환경부의 2012년도 화학물질 배출량 조사결과보고서(PRTR)에 따르면 배출 업체 수 36곳에서 환경배출량 7,125 kg/yr, 이동량 404,220 kg/yr, 자가매립량 500 kg/yr으로 보고되고 있다.
	BPA는 현재 어디에서 쓰이고 있는가?	1997년에 들어와서 극소량으로 에스트로겐과 같은 성호르몬의 이상 및 정자 수 감소 등을 유발하는 환경호르몬으로 밝혀졌으며[8,9], 세포유전학전인 관점에서 염색체변이를 유발하며, 미량으로 여성호르몬처럼 작용, 유방암 세포를 증식시키는 것으로 알려져 있다. 가소제, 안정제 및 식기용기의 제조에 쓰이는 폴리카보네이트 수지와 에폭시 수지 등에 포함돼 있다. 또한 병뚜껑, 상수관과 같은 금속제품의 내부코팅제로 사용되며, 통조림용 깡통, 치과치료 시의 아말감에서 유출된다. 국립환경연구원은 한강과 국내의 대규모 강 및 그 지천에서 BPA가 검출되었다고 밝혔으며[10,11], 미국 EPA에 의해서 수행된 BPA의 독성에 관한 연구조사 결과에서 어류 및 무척추동물에 대한 BPA의 LC50 및 EC50은 1.
	고급산화공정은 무엇인가?	본 연구에서는 이러한 BPA의 환경배출량을 저감하기 위해 고급산화공정(Advanced Oxidation Process : AOP)을 도입하였다. 고급산화공정은 오존의 높은 산화력(전위차 : 2.07 V)을 이용하여 유기물을 산화시키는 공정으로서, THM (TriHalo Methane) 생성억제, 응집침전 개선 효과 및 생물학적 활성도 증대효과가 높은 것으로 알려져 있다[14,15]. 그러나 유기물과 매우 선택적으로 반응하는 결점을 가지고 있어 최근에는 수산화 라디칼(hydroxyl radical)에 의한 처리공정이 크게 대두되고 있다[15].

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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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