[논문]수중 유전체 장벽 방전 플라즈마를 이용한 페놀의 분해 특성

신관우; 최승규; 김진수; 주천; 원경자; 이상일

doi:10.11001/jksww.2019.33.4.243

수중 유전체 장벽 방전 플라즈마를 이용한 페놀의 분해 특성
Characteristics of phenol degradation by using underwater dielectric barrier discharge plasma 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.33 no.4, 2019년, pp.243 - 250

신관우 (충북대학교 환경공학과) , 최승규 (충북대학교 환경공학과) , 김진수 (충북대학교 환경공학과) , 주천 (충북대학교 환경공학과) , 원경자 (충청북도보건환경연구원 환경조사과) , 이상일 (충북대학교 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This objective of this study was to investigate the degradation characteristics of phenol, a refractory substance, by using a submerged dielectric barrier discharge (DBD) plasma reactor. To indirectly determine the concentration of active species produced in the DBD plasma, the dissolved ozone was measured. To investigate the phenol degradation characteristics, the phenol and chemical oxygen demand (COD) concentrations were evaluated based on pH and the discharge power. The dissolved ozone was measured based on the air flow rate and power discharged. The highest dissolved ozone concentration was recorded when the injected air flow rate was 5 L/min. At a discharge power of 40W as compared to 70W, the dissolved ozone was approximately 2.7 - 6.5 times higher. In regards to phenol degradation, the final degradation rate was highest at about 74.06%, when the initial pH was 10. At a discharged power of 40W, the rate of phenol decomposition was observed to be approximately 1.25 times higher compared to when the discharged power was 70W. It was established that the phenol degradation reaction was a primary reaction, and when the discharge power was 40W as opposed to 70W, the reaction rate constant(k) was approximately 1.72 times higher.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

3.1절에서 방전전력에 따른 용존오존발생량에 차이가 있는 것으로 확인되었으며, 본 절에서는 페놀 제거시 방전전력에 대한 영향을 알아보고자 하였다. 방전전력에 따른 페놀 및 COD 제거율 결과를 Fig.
유전체 장벽 방전 플라즈마의 전력에 대한 용존오존농도에 차이가 나타났다. 따라서 전력을 달리하였을 때 페놀 제거에 대한 영향을 알아보고자 하였다. 페놀 원수 2 L에 1N-NaOH를 주입하여 pH 10으로 하였다.
본 연구는 수중 유전체 장벽 방전 플라즈마를 이용하여 용존오존의 발생특성과 난분해성 물질인 페놀 제거에 대해 고찰하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 연구에서는 DBD 방식의 반응기의 난분해성물질처리 성능을 평가하기 위해 모든 실험은 batch 형태로 진행하였으며, 페놀을 대상물질로 선정하여 제거 특성을 확인하고자 하였다.
, 2013). 본 연구에서는 난분해성 물질과 반응이 일어나는 용존오존을 측정하였다. 반응조에 증류수 2 L를 채운 후 0～ 30분간 시간별로 시료를 채취하여 용존오존 측정기로 분석하였다.
수중 유전체 장벽 방전 플라즈마의 페놀 제거시 pH에 대한 영향을 알아보고자 하였다. 페놀원수 2 L에 1N-NaOH와 1N-H2SO4를 사용하여 pH 4, 7, 10으로 조절한 후 최적의 전력으로 판단되는 40 W로 반응시켰다.
본 연구에서는 DBD 방식의 반응기의 난분해성물질처리 성능을 평가하기 위해 모든 실험은 batch 형태로 진행하였으며, 페놀을 대상물질로 선정하여 제거 특성을 확인하고자 하였다. 주입 공기 유량과 전력을 달리하여 활성종인 용존오존을 측정함으로써 반응기의 특성을 파악하고자 하였다. 또한, 페놀 제거 특성을 파악하기 위해 pH와 전력을 변수로 하여 연구를 수행하였다.
, 2008). 하지만 본 연구에서는 순수한 산소가 아닌 공기(O2 21%) 유량에 대한 용존오존 농도를 확인하고자 하였다. 플라즈마에서 발생되는 용존오존의 정확한 측정을 위해 증류수에 반응하여 측정하였다.

제안 방법

pH가 페놀 및 COD 제거에 미치는 영향을 알아보고자 페놀 원수의 pH를 4, 7, 10 으로 변화시켜 실험하였다. 공기유량은 5 L/min, 방전전력은 40 W로 하였으며 그 결과를 Fig.
6 a), b)에 나타내었다. 공기유량 5 L/min, pH 10 조건하에 방전전력을 40 및 70 W로 조절하여 시간별로 측정하였다. 반응 시간 90분일 때 40 W에서 페놀 및 COD 제거율이 74.
3은 방전전력에 따른 시간별 용존오존발생량 a) 및 수온을 b) 비교하였다. 공기유량은 최적조건인 5 L/min으로 하였으며, 방전전력을 40 및 70 W로 조절하였다. Fig.
반응조에 증류수 2 L를 채운 후 0～ 30분간 시간별로 시료를 채취하여 용존오존 측정기로 분석하였다. 또한 유량과 전력을 조절하여 시간별 용존오존을 비교 측정하였으며, 유량은 2～5 L/min, 전력은 40, 70 W로 조절하여 최적조건을 도출하였다.
주입 공기 유량과 전력을 달리하여 활성종인 용존오존을 측정함으로써 반응기의 특성을 파악하고자 하였다. 또한, 페놀 제거 특성을 파악하기 위해 pH와 전력을 변수로 하여 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 난분해성 물질과 반응이 일어나는 용존오존을 측정하였다. 반응조에 증류수 2 L를 채운 후 0～ 30분간 시간별로 시료를 채취하여 용존오존 측정기로 분석하였다. 또한 유량과 전력을 조절하여 시간별 용존오존을 비교 측정하였으며, 유량은 2～5 L/min, 전력은 40, 70 W로 조절하여 최적조건을 도출하였다.
페놀 원수 2 L에 1N-NaOH를 주입하여 pH 10으로 하였다. 전력을 40 및 70 W로 조절하였으며, 반응시간은 0～90분으로 하였다.
수중 유전체 장벽 방전 플라즈마의 페놀 제거시 pH에 대한 영향을 알아보고자 하였다. 페놀원수 2 L에 1N-NaOH와 1N-H2SO4를 사용하여 pH 4, 7, 10으로 조절한 후 최적의 전력으로 판단되는 40 W로 반응시켰다. 플라즈마 반응시간은 0～90분으로 하였으며, 시간별로 시료를 채취하여 페놀, COD 및 pH를 측정하여 제거 특성을 비교하였다.
페놀원수 2 L에 1N-NaOH와 1N-H2SO4를 사용하여 pH 4, 7, 10으로 조절한 후 최적의 전력으로 판단되는 40 W로 반응시켰다. 플라즈마 반응시간은 0～90분으로 하였으며, 시간별로 시료를 채취하여 페놀, COD 및 pH를 측정하여 제거 특성을 비교하였다.
하지만 본 연구에서는 순수한 산소가 아닌 공기(O2 21%) 유량에 대한 용존오존 농도를 확인하고자 하였다. 플라즈마에서 발생되는 용존오존의 정확한 측정을 위해 증류수에 반응하여 측정하였다. Fig.

대상 데이터

이렇게 생성된 활성종은 산기관을 통해 수중에 미세하게 분산된다. 반응조는 사각형 구조의 아크릴 재질로 용량은 2 L이며, 전극의 경우 두께 1 mm, 길이 20 cm의 봉 타입 티타늄 전극을 사용하였다. 방전전극과 접지전극의 간격은 2 cm로 하였다.
실험에 사용된 모사폐수는 페놀(C6H5OH, DAEJUNG)을 희석하여 페놀농도 327.4±2.4 mg/L, CODCr농도 466.5±10.8 mg/L가 되게 사용하였다.
실험에 사용한 플라즈마 장치의 구성은 Fig. 1에 나타내었다. 그림과 같이 구성은 반응조, 유전체 장벽 방전 플라즈마 반응기, 공기 공급장치 및 전원 공급장치로 이루어져 있다.
방전전극과 접지전극의 간격은 2 cm로 하였다. 유전체는 플라즈마 발생시 생성되는 자외선의 영향을 추가하기 위해 외경 8 mm, 내경 4 mm인 석영관을 사용하였다. 공기 공급장치는 air pump를 사용하여 플라즈마 반응기에 연결하였다.
공기 공급장치는 air pump를 사용하여 플라즈마 반응기에 연결하였다. 전원공급장치의 출력전압과 주파수는 오실로스코프 (TDS3032, Tektronix)와 1000:1 고전압 프로브(P6015A, Tektronix)를 사용하였으며, 전압은 4～7 kV(RMS), 주파수는 16～18 kHz로 측정되었다. 전력은 전기요금 측정기(SJPM-C16, (주)서준전기)로 측정되었다.

이론/모형

pH 조절을 위한 시약은 1N-NaOH, 1N-H₂SO₄로 조절하였다. 용존오존은 EUTECH사의 C105를 이용하여DPD(Diethy-p-phenylenediamine)법으로 측정하였다.

성능/효과

1) 공기유량이 5 L/min일 때 발생되는 용존오존양이 0.28 mg/L로 가장 높게 나타났다. 또한 방전전력에 따른 용존오존을 측정한 결과 방전전력이 70 W일 때 발생하는 용존오존이 40 W일 때보다 낮게 측정되었다.
2) pH 10일 때 페놀 및 COD 제거율은 74.06 및 24.14%로 가장 높게 나타났다. 이는 초기 pH가 높은 염기성에서는 오존의 자기분해로 인하여 산화전위가 높은 ·OH이 생성되어 산화에 영향을 미친 것으로 판단된다.
3) 방전전력이 40 W일 때 페놀 및 COD 제거율이 74.06 및 24.14%로 70 W일 때보다 높게 나타났다. 페놀 제거 반응은 1차 반응으로 판단되며, 40 W 반응속도상수가 약 1.
3 b)에 나타내었다. 70 W에서 초기온도보다 약 8℃ 증 가하는 것으로 관찰되어 오존의 용해성이 떨어지는 것을 확인하였다. 반면에 40 W에서는 약 2℃ 증가하여 용존오존이 약간 감소하는 것으로 나타났다.
pH 4와 7일 때는 페놀 및 COD 제거율은 거의 같은 제거율을 보이나 페놀 제거의 경우 60분 이후부터 pH 4일 때 pH 7보다 제거율이 약 2.86～5.74% 증가하는 것으로 나타났다. COD 제거의 경우에는 90분 이후부터 차이가 발생하여 pH 4일 때 pH 7보다 약 1.
72배 빠른 것으로 나타났다. 각 방전전력별 pH변화는 감소하는 것으로 관찰되었으며, 방전전력이 40 W일 때 감소폭이 7.07로 가장 큰 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에 사용된 DBD 플라즈마 반응기의 페놀 제거 시 최적 방전전력은 40 W로 판단된다.
28 mg/L으로 가장 높게 나타났으며, 15분부터는 감소하였다. 공기 유량이 증가할수록 오존의 발생량은 많아졌으며, 시간이 지날수록 감소하는 경향이 나타났다. Yoon (2009)은 3 L/min 이하에서는 단락현상이 발생하지만 4～ 5 L/min 이상의 공기 압력과 플라즈마 발생시 생기는 열에 의해 수분이 증발하면서 안정적인 플라즈마가 발생된다고 보고 하였는데 플라즈마 발생 시 생기는 열로 인해 수온이 증가하면서 용존되는 오존양이 적어지는 것으로 판단된다.
2는 공기유량에 따른 시간별 용존오존농도를 나타냈다. 공기유량이 2, 3, 4 L/min에서 용존오존은 점차 증가하여 15분 일 때 0.020, 0.095, 0.145 mg/L 측정되었으며, 시간이 지날수록 점차 감소하는 것으로 나타났다. 5 L/min일 경우 시작과 동시에 증가하여 5～10분 일 때 0.
반면에 40 W에서는 약 2℃ 증가하여 용존오존이 약간 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 방전전력이 낮아지면 수온의 증가폭이 낮아지기 때문에 용존오존발생량이 늘어나는 것으로 확인되었다.
또한 방전전력에 따른 용존오존을 측정한 결과 방전전력이 70 W일 때 발생하는 용존오존이 40 W일 때보다 낮게 측정되었다. 따라서 방전전력이 증가할수록 용존오존이 감소하 였으며, 이는 플라즈마 발생 시 생성되는 열로 인해 수온이 증가하면서 용해성이 낮아진 것으로 판단된다.
07로 가장 큰 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에 사용된 DBD 플라즈마 반응기의 페놀 제거 시 최적 방전전력은 40 W로 판단된다.
1에서 확인하였듯이 70 W에서 수온이 올라감에 따라 용존오존이 감소하여 제거율이 낮게 나온 것으로 판단된다. 또한 70 W에서 페놀의 제거율은 시간에 따라 계속 증가하였지만, COD 결과와 비교하면 80분 이후부터 COD 제거율이 증가한 것으로 나타난다. 이는 80 분 전에는 페놀이 중간생성물로 전환되었으며, 80분 이 후부터 산화되어 CO₂로 전환된 것으로 판단된다.
14%로 가장 많이 제거되었다. 또한 pH 4 및 7일 때 최종 COD 제거율은 14.57 및 12.82%로 나타났으며, pH 10 일 때 COD 제거율이 약 1.66～1.88 배 증가하였다. 페놀과 COD의 제거율을 비교하면 약 26.
28 mg/L로 가장 높게 나타났다. 또한 방전전력에 따른 용존오존을 측정한 결과 방전전력이 70 W일 때 발생하는 용존오존이 40 W일 때보다 낮게 측정되었다. 따라서 방전전력이 증가할수록 용존오존이 감소하 였으며, 이는 플라즈마 발생 시 생성되는 열로 인해 수온이 증가하면서 용해성이 낮아진 것으로 판단된다.
공기유량 5 L/min, pH 10 조건하에 방전전력을 40 및 70 W로 조절하여 시간별로 측정하였다. 반응 시간 90분일 때 40 W에서 페놀 및 COD 제거율이 74.06 및 24.14%로 70 W보다 약 15.07 및 17.2% 높게 관찰되었다. 이는 3.
8에 방전전력 따른 pH변화를 나타내었다. 방전전력 40 W일 때 초기 pH가 10.03에서 90분 반응 후 pH 3.10으로 7.07 감소되었고, 방전전력 70 W에서는 초기 pH 10.10에서 90분 반응 후 pH 7.09로 3.01 감소되어 40 W일 때 감소폭이 큰 것으로 관찰되었다. 이는 3.
, 2006; Turhan and Uzman, 2008), 플라즈마 반응도 오존과 ·OH에 의한 기작에 의해 제거된 것으로 판단된다. 중간생성물에 의해 페놀 제거율이 높게 측정되었으나, COD는 중 간생성물의 완전한 산화가 일어나지 않아 제거율이 낮게 측정된 것으로 판단된다.
4 b)에 pH에 따른 COD 제거율을 나타내었다. 페놀 제거율과 같은 경향을 보였으며, 초기 pH 10일 때 최종 COD 제거율은 24.14%로 가장 많이 제거되었다. 또한 pH 4 및 7일 때 최종 COD 제거율은 14.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 산화제와 달리 고급산화공정이 갖는 이점은?	이러한 문제의 대안으로 고급산화공정(Advanced oxidation process,AOPs)에 대한 연구가 진행되고 있다. 고급산화공정은기존의 산화제보다 산화력이 강한 ·O 또는 ·OH를 중간물질로 생성하여 제거하는 공법을 말하며, 대표적인 공정으로는 전자빔, 오존, 자외선, H2O2, 초임계산화(Supercritical water oxidation), 초음파, 광촉매 및 플라즈마 공정 등이 있다 (Choquette-Labbėe et al., 2014;Gu et al.
	생물학적 처리가 아닌 물리·화학적 방법이 대두되고 있는 이유는?	페놀류 화합물의 처리법으로 크게 생물학적 처리와 물리·화학적 처리 2가지로 나눌 수 있다. 미생물을 이용하는 생물학적 처리의 경우 페놀류 화합물과 같은 난분해성 물질은 장기간의 반응시간이 필요로 하며, 고농도의 경우 분해가 어려운 것으로 알려져 있다 (Kim et al., 2007; Park, 2012).
	페놀 이란?	페놀은 소화, 호흡, 피부 접촉 등을 통해 인체에 흡수될 경우 심각한 장애나 사망에 이를 수 있는 맹독성 물질로써 특정수질유해물질로 지정되어있다. 현재 우리나라의 페놀 기준은 먹는물, 농업용수, 생활용수는 0.

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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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