초록 ▼

본 연구는 영가철($Fe^0$)과 자외선(UV), 그리고 초음파(sonication)의 단독 또는 조합 공정을 이용하여, 신종 산화성 난분해성 오염 물질인 퍼클로레이트(perchlorate)와 1,4-다이옥산(1,4-dioxane)의 분해를 알아본 연구이다.
◎ 퍼클로레이트와 1,4-다이옥산은 난분해성물질로서, 특히 퍼클로레이트의 경우 산화된 물질로 생물학적 방법이나, 일반 AOP 산화공정으로 처리가 매우 어려운 물질이다. 1,4-다이옥산 역시 물질 특성상 일반 미생물 등에 의한 분해 저항성을 가지고 있으므

본 연구는 영가철($Fe^0$)과 자외선(UV), 그리고 초음파(sonication)의 단독 또는 조합 공정을 이용하여, 신종 산화성 난분해성 오염 물질인 퍼클로레이트(perchlorate)와 1,4-다이옥산(1,4-dioxane)의 분해를 알아본 연구이다.
◎ 퍼클로레이트와 1,4-다이옥산은 난분해성물질로서, 특히 퍼클로레이트의 경우 산화된 물질로 생물학적 방법이나, 일반 AOP 산화공정으로 처리가 매우 어려운 물질이다. 1,4-다이옥산 역시 물질 특성상 일반 미생물 등에 의한 분해 저항성을 가지고 있으므로 이들 물질의 새로운 처리 방법의 적용이 요구되고 있다. 본 연구 결과에 의하면, 영가철 단독반응에 의한 퍼클로레이트와 1,4-다이옥산의 분해효율은 매우 저조하였지만, 산성 조건과 반응용액 중 영가철의 농도가 증가할수록 분해효율의 증가를 보였다. 또한 영가철과 UV, 초음파 단독반응과 각각의 조합반응의 결과와 메탄올이 첨가된 반응들의 결과들을 비교한 결과 퍼클로레이트의 분해는 환원반응과 열분해에 의한 것이고 1,4-다이옥산의 경우 산화반응으로 분해가 일어남을 가정하였다.
◎ 퍼클로레이트와 1,4-다이옥산의 영가철 단독반응과 UV와 영가철의 조합반응의 경우 Langmuir-Hinshelwood 모델에 부합되었다. 그러나 $k_{rxn}$과 $K_{ads}$으로 판단할 때 두 물질 모두 조합반응에 서 흡착반응과 화학반응의 증가를 보였다. 즉, 영가철 반응은 각 물질의 흡착과 화학반응의 순서로 이루어지며 UV의 조사에서 영가철의 활성이 증가한다고 할 수 있다. 또한 영가철의 산화정도에 따라 대상물질의 분해가 증가되었는데 이를 정량적으로 제시하기 위해 영가철, 초음파, 그리고 자외선에 의한 독립반응과 조합반응에서 용액 중 [$Fe^{2+}$]와 [$Fe^{2+}$]/[Fe(t)]의 비를 측정하였다. 그 결과 영가철 단독 반응에서 영가철의 산화효율은 약 3%이하로 역시 매우 저조한 반면, 영가철에 초음파 및 자외선이 조사된 경우 산화효율이 24%까지 증가하여 영가철의 산화에 의한 환원반응이 진행되고 있음을 확인하였다. 또한 자외선이 조사된 경우 Fe3+의 환원반응이 일어났음이 관찰되었다.
◎ 본 연구 결과에 의하면 퍼클레이트와 1,4-다이옥산의 분해는 영가철의 산화와 밀접한 관계가 있음을 알아내었고, 퍼클로레이트의 경우 자유 전자(electron)에 의한 환원반응이 1,4-다이옥산의 경우 OH 라디칼에 의한 산화반응이 주요 분해 메커니즘을 제시하였다. 결론적으로 퍼클로레이트와 1,4-다이옥산의 효율적인 분해를 위한 공정은 영가철과 UV-C 파장의 자외선과의 조합반응이 가장 적합한 공정임을 알아내었다.

목차 Contents

• 제출문 ... 1
• 보고서 초록 ... 2
• Contents ... 5
• List of Table ... 8
• List of Figures ... 10
• 목차 ... 15
• 표목차 ... 18
• 그림목차 ... 19
• 제1장 서론 ... 25
• 가. 연구개발의 중요성 및 필요성 ... 25
• (1) 연구 배경 ... 25
• (가) 퍼클로레이트(Perchlorate, ClO4-) ... 25
• (나) 1,4-다이옥산 (1,4-다이옥산, C4H8O2) ... 26
• (다) 영가철 반응 (Fe0) ... 27
• (라) 초음파 반응(sonication reaction) ... 28
• (마) 광반응(photolysis) ... 33
• 나. 연구개발의 국내외 현황 ... 35
• 다. 연구개발대상 기술의 차별성 ... 37
• 제2장 연구개발의 목표 및 내용 ... 41
• 가. 연구의 최종목표 ... 41
• 나. 연도별 연구개발의 목표 및 평가방법 ... 41
• (1) 1차년도 연구개발의 목표 ... 41
• (2) 1차년도 연구 내용 ... 41
• (3) 2차년도 연구개발의 목표 ... 41
• (4) 2차년도 연구내용 ... 42
• 다. 연도별 추진체계 ... 44
• (1) 연구개발의 추진전략 ... 44
• (2) 연차별 추진체계 ... 45
• 제3장 연구개발 결과 및 활용계획 ... 47
• 가. 연구개발 및 토의 ... 47
• (1) 실험 재료 및 분석 방법 ... 47
• (가) 실험재료 ... 47
• ① 영가철 산세척 (Acid washed iron) ... 47
• (나) 실험장치 (photo-reactor) ... 48
• ① 인공광 실험장치(UV photoreactor) ... 48
• ② 초음파 실험장치(sonication reactor) ... 49
• (다) 분석방법 ... 51
• (2) 퍼클로레이트(perchlorate)의 분해 ... 56
• (가) 이온크로마토그래피에 의한 퍼클로레이트의 분석 ... 56
• (나) Fe0을 촉매로 하는 퍼클로레이트의 분해 ... 57
• ① 광 단독반응(photolysis only)에 의한 퍼클로레이트의 분해 ... 57
• ② 초음파 단독 반응(sonication only)에 의한 퍼클로레이트의 분해 ... 59
• ③ 영가철 단독반응(Fe0 only)에 의한 퍼클로레이트의 분해 ... 60
• ④ 영가철(Fe0 only), 자외선(UV only), 그리고 초음파(sonication only) 단독 반응들의 퍼클로레이트 분해 반응 비교 ... 66
• ⑤ 영가철과 초음파의 결합(Fe0+sonication)반응 ... 67
• ⑥ 영가철과 자외선의 조합(Fe0+UV)반응 ... 71
• (다) 산세척한 영가철(Fe0)을 촉매로하는 퍼클로레이트의 분해 ... 78
• ① 산의 종류에 따른 분해 효과 ... 78
• ② HF에 의해 산처리된 Fe0 반응에서 퍼클로레이트 초기농도효과 ... 81
• ③ HF에 의해 산처리된 Fe0의 농도의 효과 ... 83
• ④ HF에 의해 산처리된 Fe0에서 pH 효과 ... 86
• ⑤ HF에 의해 산처리된 Fe0에서 UV 파장의 효과 ... 88
• ⑥ 아르곤(Ar) 가스의 첨가 효과 ... 90
• ⑦ 산세척한 Fe0와 퍼클로레이트 부산물의 반응 ... 93
• (3) 1,4-다이옥산(1,4-dioxane)의 분해 ... 96
• (가) GC/Mass에 의한 1,4-다이옥산의 분석 QA/QC ... 96
• (나) 배치식 반응조에서의 Fe0/UV 반응을 이용한 1,4-Dioxane의 분해 ... 100
• ① 영가철 단독 반응(Fe0-only)에 의한 1,4-다이옥산의 분해 ... 100
• ② 초음파 단독 반응(sonication only)에 의한 1,4-다이옥산의 분해 ... 106
• ③ 광 단독(photolysis only) 반응에 의한 1,4-다이옥산의 분해 ... 109
• ④ 영가철과 초음파 조합반응에 의한 1,4-다이옥산 분해 ... 110
• ⑤ 영가철과 자외선 조합 (Fe0+UV)반응에 의한 1,4-다이옥산 분해 ... 115
• (다) 순환식 반응조를 이용한 Fe0/UV에 의한 1,4-Dioxane의 분해 ... 120
• ① Fe0-only, UV-only, Fe0/UV 반응의 비교 ... 120
• ② Fe0와 UV 결합반응에서의 UV 파장의 효과 ... 123
• ③ Fe0와 UV 결합반응에서의 Fe0 농도의 효과 ... 126
• ④ Fe0와 UV 결합반응에서의 pH의 효과 ... 131
• ⑤ Fe0와 UV 결합반응에서의 1,4-dioxane의 무기화 ... 137
• 나. 연구개발 결과 요약 ... 142
• (1) 퍼클로레이트의 분해 반응 ... 142
• (2) 1,4-다이옥산의 분해 반응 ... 143
• (3) 연구결과의 의미 ... 146
• 다. 연도별 연구개발 목표의 달성도 ... 148
• 라. 연도별 연구 성과(논문, 특허 등) ... 150
• (1) 국내 학술대회 발표 ... 150
• (2) 국외 학술대회 발표 ... 150
• (3) 학진등재 국내학술지 ... 150
• (4) SCI 국제 학술지 ... 150
• (5) 지적재산권 출원, 등록 실적 ... 151
• 마. 관련분야의 기술발전 기여도 ... 151
• 바. 연구개발 결과의 활용계획 ... 152
• 제4장 참고문헌 ... 155
• 공개세미나 ... 159