초음파 유도 다중기포 음파발광 조건을 이용한 난분해성 오염물질 제거 장치 개발 The Development of Degradation System of Non-biodegradable Compounds by Using Ultrasound under Multibubble Sonoluminescence Condition원문보기
○다중기포 음파발광(MBSL) 조건을 이용한 연속식 초음파 장치 개발 및 분해능력 측정 ※ 정량적 평가 기준 : 처리용량 : 4L/hr, 대상 난분해성 오염물질(TCE) 10ppm 80% 이상 분해 ○ TCE와 CT의 초음파 분해 Kinetics 와 Mechanism 기초 연구 - 다양한 수용액 조건에서의 실험 수행을 통해 TCE와 CT의 초음파에 의한 분해 Kinetics와 Mechanism을 규명 - TCE의 초기농도가 낮아질수록 저감 속도 상수값 증가, 반면 CT는 초기 농도에 관계없이 일정한 속도로
○다중기포 음파발광(MBSL) 조건을 이용한 연속식 초음파 장치 개발 및 분해능력 측정 ※ 정량적 평가 기준 : 처리용량 : 4L/hr, 대상 난분해성 오염물질(TCE) 10ppm 80% 이상 분해 ○ TCE와 CT의 초음파 분해 Kinetics 와 Mechanism 기초 연구 - 다양한 수용액 조건에서의 실험 수행을 통해 TCE와 CT의 초음파에 의한 분해 Kinetics와 Mechanism을 규명 - TCE의 초기농도가 낮아질수록 저감 속도 상수값 증가, 반면 CT는 초기 농도에 관계없이 일정한 속도로 저감되었음 - Radical scavenger로서 t-BuOH를 100ppm의 첨가 실험 수행 결과, TCE는 초음파에 의한 열분해 뿐만 아니라 OH 라디칼에 의한 영향이 일부 존재하며, CT는 대부분 열분해 되는 것으로 판단. - TCE와 CT의 혼합 수용액 조건에서 CT의 투입 농도가 증가함에 따라 TCE의 저감이 크게 향상되었으며, 이것은 CT가 물분자의 열분해로 발생된 OH라디칼과 H 라디칼 중 H 라디칼을 포획함으로써 OH 라디칼의 농도를 증가시켜 OH 라디칼과 TCE의 반응이 더욱 활발해졌기 때문이며, 또한 CT의 열분해로부터 생성된 Chlorine containing radicals에 의한 것으로 판단. - TCE와 CT는 비슷한 용도로 사용되는 solvent로서 동시 오염의 가능성이 높으며, 이와 같은 지역에서의 TCE 제거시 높은 제거 효과를 기대할 수 있을 것으로 사료됨. ○ 저주파(28kHz) 집중형 초음파 장치 개발 및 성능 테스트 - 28kHz, 50W 진동자의 경우 최적 도달거리는 4cm(1st), 8cm(2nd) 순이었으며, 100W 진동자의 경우 7cm(1st), 12cm(2nd)순이었다. 최적 각도는 50W는 60°(1st), 70°(2nd), 100W는 45°(1st), 50°(2nd)의 순으로 나타남. - 50W 12개로 구성된 육각형 연속식 초음파 장치 시작품 설계 및 제작하였으며, 출력을 300W로 고정한 상태에서 유량을 변화시키면서 TCE 10ppm 수용액에 대한 저감 효율을 평가한 결과 유량을 1.25, 10, 0, 40, 그리고 60ml/min 증가시켰을 때, TCE의 제거효율은 >90, 40, 16, 그리고 13%로 나타남. - 실험 결과 28kHz(저주파) 집중형 초음파 장치는 TCE 제거 능력이 매우 낮은 것으로 평가되었다. 이와 같은 결과에 대한 고찰을 통해 체류시간, 초음파의 오염수로의 간접적 전달, 냉각수 순환 구조 등 개선점들이 도출하였으며, 추후 고주파(584kHz) 집중형 초음파 장치를 제작하는데 반영하였음. ○ 고주파(584kHz) 집중형 초음파 장치 개발 및 성능 테스트 - 1차년도에 제작된 저주파(28kHz) 집중형 초음파 장치 실험 결과를 통해 도출된 개선점을을 반영하여 고주파(584kHz) 집중형 초음파 장치를 설계, 제작. - 장치의 기본 성능을 검증하기 위해 단면 및 다중 초음파 조건에서 회분식 실험을 수행하였으며, TCE 10ppm 수용액에 대한 초음파 조사 결과 수용액의 온도와 초음파 출력이 높을수록 TCE의 제거율이 증가하는 것으로 나타났으며, OH 라디칼 발생의 간접적 정량 지표인 $H_2O_2$의 발생량 또한 증가. - TCE 분해에 대한 다중 초음파 조사 조건별 영향을 검증하기 위한 회분식 실험 수행 결과, 450W의 출력을 2, 3 면으로 분배하여 실험한 결과 저감속도의 큰 차이는 관찰되지 않았다. 600W의 출력을 3, 4면으로 분배하였을 경우에 4면 조건에서 저감속도가 약 8% 증가하는 것으로 나타남. - 600W, 4면 조사 조건에서 유량 변화에 따른 TCE 제거율 변화에 대한 실험을 수행 결과, 유량을 67, 100, 150, 200, 그리고 300ml/min로 증가시킬 때 TCE 10ppm 수용액의 제거율은 각각 83.59, 73.77, 67,54, 62.3, 그리고 47.76% 순으로 감소. - 이 중 67ml/min 조건에서 83.59%의 제거율은 본 연구의 정량적 목표치인 ‘TCE 10ppm의 4L/hr 67ml/min)의 유량으로 80% 이상 제거’를 만족하였음. - 실제 현장 오염지하수에 대한 TCE 저감능을 평가하기 위해 원주 A 공단의 오염지하수를 채수하여 실험을 수행한 결과 순수 TCE 수용액 조건에 비해 제거율이 약 10% 감소되었으며, 이는 지하수 내 OH 라디칼과 TCE와의 반응을 저해하는 이온에 의한 것으로 판단됨. ○ 초음파 Prototype 개발을 통해 초음파 기술의 연속식 처리가능성 확인 ○ 향후 실용화 기술 개발 연구를 통해 상용화함으로써 국내 수처리 시장의 외국 기술의 대체 효과 뿐만 아니라 국외로 기술 수출을 통한 수익 창출이 가능할 것으로 예상됨 ○ 기술적 측면 - 차세대 난분해성 오염 저감 장치 개발 - 핵심기술 확보를 통한 다양한 오염원 저감 공법으로 활용성 증대 ○ 경제적·산업적 측면 - 국내 난분해성 오염 저감, 정화 시장 수요 충족 - 외국 기술 수입 대체 효과 - 인접국 및 아시아 지역으로 기술 수출
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