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제약 및 바이오공정에서 발생하는 폐 유기용제의 유기탄소원 활용성 평가
박철 ( Chul Park ),김민경 ( Minkyung Kim ),최봉호 ( Fenghao Cui ),모경 ( Kyung Mo ),김문일 ( Moonil Kim ),한덕규 ( Dukgyu Han ),서진수 ( Jinsoo Seo ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2021 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2021 No.-
국내에서 발생되는 폐유기용제는 연간 약 115만톤으로 추정되며, 이 중 식품, 제약, 바이오 산업 등에서 약 40%의 비중을 차지하고 있다. 제약 및 바이오공정에서 발생하는 폐 유기용제는 원료가공 및 정제과정에서 발생하고 있으며, 발생된 폐 유기용제는 다양한 종류의 유기화합물이 혼합된 형태로 배출되어 폐 유기용제의 처리 및 재자원화 과정에서 많은 문제가 발생하고 있다. 본 연구에서는 제약회사에서 발생하는 다양한 성분이 함유된 폐 유기용제를 증발농축 방법으로 정제하여 제약·바이오 공정에서 발생하는 폐유기용제에 대한 생물학적 탈질공정에 유기탄소원으로의 활용성을 평가하였다. 본 연구에 사용된 대상물질은 증발농축 공정을 통해 재자원화된 고비점물질을 평가 대상으로 적용하였으며, 탈질반응 내 유기탄소원 활용성 평가에서는 고비점물질로 정제되어 성상이 다른 2개 물질과 메탄올을 유기탄소원으로 하여 동일한 운전조건에서 Batch Test를 진행하였다. 고비점물질을 유기탄소원으로 사용하였을 때, 비탈질속도(g N<sub>removal</sub>/g MLSS/hr)는 각각 1.55, 1.50 이였으며 총 제거시간은 25.5, 25.5로 분석되었다. 메탄올을 유기탄소원으로 사용하였을 때, 비탈질속도(g N<sub>removal</sub>/g MLSS/hr)는 1.68 총제거시간은 27.6으로 분석되었다. 이러한 결과를 통해 고비점물질과 일반적으로 탈질반응에 유기탄소원으로 사용되는 메탄올을 비교하였을 때 비탈질속도의 차이는 거의 없는 것으로 관찰되었고 아질산과 질산이 탈질소화 되는데 걸리는 시간은 고비점물질을 유기탄소원으로 사용한 것이 더 짧은 것으로 나타났다.
유사 1차 동역학 모델을 이용한 Electro-Fenton 공정의 난분해성 유기물질 제거효율 최적화
김민경 ( Minkyung Kim ),김도균 ( Dokyun Kim ),박철 ( Chul Park ),최봉호 ( Fenghao Cui ),모경 ( Kyung Mo ),김문일 ( Moonil Kim ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2021 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2021 No.-
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·, Fe<sup>2+</sup>, H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>의 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, k<sub>ap</sub>)를 사용하여 1st-order kinetic식으로 나타낼 수 있다. 유사 1차반응 상수 k<sub>ap</sub>는 반응물의 농도, pH, 전류 밀도, 산소 농도, 온도 등 다양한 인자들의 영향에 따라 결정되기 때문에 영향인자들의 변화에 따라 k<sub>ap</sub>를 보정하여야 한다. 따라서, 각각의 인자들을 반영하여 k<sub>ap</sub> 보정식을 도출 하였고 이를 적용한 모델을 통하여 Electro-Fenton의 영향인자인 전류밀도, DO 농도, Fe<sup>2+</sup> 농도, 반응시간에 따른 유기물제거율 예측이 가능하였다. 나아가, 실제 데이터를 통하여 검증을 실시한 결과, F-satatistic 값은 7.1542e<sup>+28</sup>, p-value는 2.8618e<sup>-15</sup>로 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, Fe<sup>2+</sup> 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.