산화 및 환원반응이 연계(UV/Persulfate/Ethanol system)된 연속교반반응공정(CSTRs)을 이용한 복합 염소계화합물 동시분해에 대한 연구

Abstract

염소계 유기 화합물(Chlorinated organic compounds)은 지하수 내 대부분 DNAPLs(dense non aqueous phase liquids) 형태로 존재하며 지하수 흐름에 따라 서서히 이동 및 확산된다. 본 연구는 복합 염소계 유기 화합물(PCE, TCE, 사염화탄소, 클로로포름)의 동시분해를 위해 과황산 및 에탄올을 사용하여 화학적처리 공정의 가능성을 평가하고, 산화 및 환원 반응이 연계된 연속교반 반응공정을 이용한 복합 염소계화합물이 존재하는 지하수의 최적 처리공정 및 운전조건을 선정하여 적용성을 평가하였다. 우선 회분식 반응기에 의한 복합 염소계화합물의 산화 및 환원 분해 실험을 통하여 복합 염소계화합물 중 사염화탄소를 제외한 PCE, TCE, 클로로포름은 산화반응(UV/과황산)에 의하여 분해되고, 환원반응(UV/과황산/에탄올)에서는 클로로포름을 제외한 PCE, TCE, 사염화탄소가 분해됨을 확인하였다. 이는 사염화탄소는 과황산과 에탄올의 반응에 의해 발생한 반응 생성물에 의하여 분해가 이루어지는 환원 분해 경로를 갖는 반면, 클로로포름은 사염화탄소와 함께 존재할 경우 분해가 이루어지지 않은 점으로 보아 에탄올이 클로로포름 분해에 scavenger 역할로서 작용하며 클로로포름과 사염화탄소는 같은 반응기 내에서 동시분해될 수 없음을 예측할 수 있었다. 이에 따라 산화-환원반응을 연계하여 1차반응기(산화조)에서는 과황산 주입과 동시에 UV로 활성화시켜 hydroxyl 라디칼(OH•)과 sulfate 라디칼(SO4•-)을 생성하여 산화반응에 의한 PCE, TCE, 클로로포름을 처리하는데 목적을 두고, 2차반응기(환원조)에서는 에탄올주입을 통한 superoxide anion(O2•-) 및 hydroxylmethyl 라디칼l(CH2OH•)과 같은 환원라디칼의 생성으로 잔류 PCE, TCE와 사염화탄소를 분해하여 복합 염소계화합물을 동시에 처리할 수 있는 공정의 가능성을 확인하였다. 더불어 실제 복합 염소계화합물(PCE, TCE, CT, CF)이 존재하는 오염부지의 농도를 초기농도로 하여 산화-환원 반응이 연계된 연속교반 반응공정을 이용한 지하수 처리 적용성 평가를 하였다. 그 결과 저농도(1ppm, 2.4ppm, 0.4ppm, 1ppm)일 경우 과황산의 농도변화만을 통하여 반응기 체류시간이 15min, 과황산 20mM, 에탄올 10mM 일 때 방류수 기준(PCE 0.01ppm, TCE 0.03ppm, CT 0.04ppm, and CF 0.8ppm)을 만족하였다. 하지만, 고농도(10ppm, 16ppm, 2ppm, 2.6ppm)일 경우 클로로포름이 다른 물질(PCE, TCE, 사염화탄소)에 비해 분해효율이 낮았고, 이를 위해 연속교반 반응공정의 운전조건 변화(과황산, 에탄올 농도변화 및 체류시간 증가)를 통하여 반응기 체류시간 90min, 과황산 50mM, 에탄올 25mM 일 때 방류수 기준을 만족하였다. 또한, 염소계화합물의 오염특성에 따른 연속교반 반응공정의 적용성 평가를 통하여 효율적/경제적인 운전조건을 선정하였다. TCE가 단독으로 오염된 경우(0-1ppm, 1-5ppm, 5-10ppm)에는 과황산 5mM, 15mM, 20mM로 선정되었고, TCE와 사염화탄소 2가지가 오염된 경우(TCE 0-1ppm, 1-5ppm, 5-10ppm, 10-15ppm 및 모든 범위 내 사염화탄소 1ppm)에는 과황산과 에탄올 주입량(mM)은 각 농도별로 5mM:15mM, 15mM:15mM, 20mM:15mM, 25mM:15mM 로 선정되었다. TCE 10ppm, 사염화탄소 1ppm, 클로로포름 1.5ppm 3가지로 복합으로 오염된 지하수를 처리하기 위한 과황산과 에탄올의 주입량은 25mM, 15mM 이었으며 클로로포름의 존재로 인하여 반응기의 체류시간 변화도 필요로 함에 따라 반응기 체류시간은 30min으로서 운전조건을 선정하였다. 따라서, 지하수 내 복합 염소계 유기 화합물(PCE, TCE, 사염화탄소, 클로로포롬)의 동시분해를 위해서는 오염물질의 산화 및 환원 분해특성을 고려한 약품의 주입 및 반응기 내 체류시간의 조절을 통한 운전 조건이 필요하며, 오염조건에 따른 산화 및 환원반응이 연계(UV/Persulfate/Ethanol system)된 연속교반반응공정(CSTRs)의 선택적 운전 조건의 변화를 통하여 효율적이고 경제적인 최적 처리공정으로서 적용가능 할 것이라 판단된다.