유사 1차동역학 모델을 이용한 Electro-Fenton 공정의 난분해성 유기물질 제거효율 최적화

Abstract

최근 국내·외적으로 잔류성유기오염물질, 기름성분 등의 난분해성 유기물에 대한 환경적 영향에 대한 이슈가 제기 되었으며, 이를 효과적으로 처리하는 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 난분해성 유기물질의 처리를 위한 전기화학적 방법으로는 Electro-Fenton 공정이 대표적인 방법으로 사용되고 있다. Electro-Fenton 반응의 경우 OH·, Fe2+, H2O2의 생성과 소모가 동시에 발생하기 때문에 실험을 통하여 측정한 다양한 인자를 토대로 반응의 특성과 유기물제거의 상관관계를 평가하는데 한계가 있어 최적화에 어려움이 있다. 따라서, 본 연구에서는 Electro-Fenton의 다양한 인자와 유기물제거 상관관계 평가를 용이하게 하기 위한 모델을 개발하기 위하여 Phenol을 대상으로 pH 3 조건에서 Electro-Fenton 반응을 batch test를 통한 데이터베이스를 구축하였다. 구축된 데이터베이스를 토대로 시간에 따른 유기물 농도 변화를 나타내본 결과 1차-동역학 반응의 패턴에 근접하였다. 이는 유사 1차-동역학 모델(Pseudo 1st-order reaction model)을 사용 할 수 있음을 의미하며, 모든 반응 과정을 반응속도 상수 1개로 통합한 유사 1차 반응 속도상수(pseudo 1st-order kinetic constant, kap)를 사용하여 1st-order kinetic식으로 나타낼 수 있다. 유사 1차반응 상수 kap는 반응물의 농도, pH, 전류 밀도, 산소 농도, 온도 등 다양한 인자들의 영향에 따라 결정되기 때문에 영향인자들의 변화에 따라 kap를 보정하여야 한다. 따라서, 각각의 인자들을 반영하여 kap 보정식을 도출 하였고 이를 적용한 모델을 통하여 Electro-Fenton의 영향인자인 전류밀도, DO 농도, Fe2+ 농도, 반응시간에 따른 유기물제거율 예측이 가능하였다. 나아가, 실제 데이터를 통하여 검증을 실시한 결과, F-satatistic 값은 7.1542e+28, p-value는 2.8618e-15로 실제 데이터와의 유사성이 높은 것으로 나타났다. 본 연구의 결과를 종합적으로 고려해 보았을 때, 전류밀도 0.3mA/㎠, 유입 유기물 농도 100mg/L, 반응시간 2hr 조건하에서 DO 농도 범위는 약 2mg/L ~ 6mg/L, Fe2+ 농도 범위는 약 50mg/L ~ 100mg/L에서 유기물 제거율이 약 85%이상으로 최적조건인 것으로 나타났다. 본 연구에서 개발된 모델을 토대로 향후 Electro-Fenton 공정을 이용한 난분해성 유기물 처리최적화에 적용할 수 있다.