이가철 연속주입에 의한 과황산 활성을 이용한 페놀 분해 평가 = Degradation of phenol using Fe²⁺-activated peroxydisulfate under continuous Fe²⁺ dosing scheme

국문 초록 (Abstract)

이가철(Fe²⁺)을 이용한 과황산(Peroxydisulfate, PDS) 활성화 공정은 저렴한 가격과 신속한 활성화가 가능하여 토양·퇴적토 복원에 빈번하게 적용되고 있다. 그러나 Fe²⁺와 PDS를 동시에 주입할 경우 반응계 내에 존재하는 과도한 Fe²⁺에 의해 황산 라디칼(SO₄^·-)의 스케벤징이 발생하게 된다. 이러한 스케벤징 문제를 해결하고자 높은 선택도를 나타낼 수 있는 반회분식 반응기를 통한 Fe²⁺의 연속주입 공정을 도입하였다. 따라서 본 연구에서는 1) 반회분식 반응기 내 Fe²⁺ 연속주입의 영향인자를 설정하고 2) 이를 적용하여 PDS 산화공정을 평가하고자 한다.
Fe²⁺ 연속주입의 영향인자는 Fe²⁺의 주입 농도(mmol/mL)와 주입 유량(mL/min)이며, 이를 통해 주입되는 최적 Fe²⁺의 몰 유량(mmol Fe²⁺/min)을 조사하였다. 반회분식 반응기 내 초기 페놀의 농도와 PDS의 농도는 각각 1.06 mM, 21.2 mM이며 최종 퇴적토의 고액비는 1/5였다. 주입된 후 반응기 내 Fe²⁺의 최종 농도(주입 전: 212/106/53 mM)는 42.4/21.2/10.6 mM이 되도록 설정하였다. 주입 유량은 1.67/2.5/0.83 mL/min(50 mL를 10/30/60분 주입)이며 연동펌프를 이용하여 주입하였다. 대조군인 회분식 실험의 경우 106/53 mM의 50 mL Fe²⁺ 용액을 반응시작과 동시에 반응기로 주입하였다.
106 mM Fe²⁺을 한 번에 주입한 회분식 실험 경우 30분 내에 90% 분해된 반면, Fe²⁺ 연속주입 실험에서는 50 mL (106 mM) Fe²⁺을 10/30/60분 나누어 주입한 결과 각각 4분/8분/20분 내에 완전 분해되었다. 페놀 분해속도는 0차 반응으로 해석되며 각각 0.45/0.19/0.10 mM/min의 결과를 나타내었다. 이를 통해 Fe²⁺ 용액을 빠르게 주입할수록 PDS가 빠르게 활성되어 페놀의 분해속도가 증가할 것으로 판단된다. 시간에 따른 PDS 농도변화를 분석한 결과 회분식 실험에서는 1분 내 60%가 감소한 뒤 변화가 없는 반면, Fe²⁺을 연속주입한 경우 Fe²⁺을 주입한 시간까지 PDS가 활성화되었다. 연속주입할 경우 과량의 Fe²⁺에 의한 PDS의 스케벤징을 줄일 수 있을 것으로 판단된다. 또한 TOC분석 결과 회분식 반응의 경우 67.3%, 30분 주입한 경우는 73.8%가 제거되어 페놀의 광물화에도 긍정적인 영향을 미치는 것으로 조사되었다. 주입하는 Fe²⁺의 농도를 212/106/53 mM으로 변경하여 50 mL의 Fe²⁺용액을 30분 동안 연속주입한 결과 각각 4분/8분/20분 내 완전 분해되었고 페놀 분해속도는 각각 0.34/0.19/0.10 mM/min을 나타냈다. 따라서 고농도의 Fe²⁺ 용액을 주입하게 되면 초기 PDS 활성 속도는 빠르지만, PDS 양이 감소함에 따라 스케벤징이 발생하는 것으로 판단된다. 환경 영향을 평가하기 위해 pH, 염도, 고액비의 영향을 조사하였다.