Persulfate 산화반응을 이용한 염소계 화합물(TCE, PCE) 분해에 관한 연구

Abstract

Trichloroethylene(TCE)와 tetrachloroethylene(PCE)은 주로 드라이클리닝 및 산업 세척액으로 쓰이는 염소계 화합물이다. 이 물질들은 발암성 물질로 알려져 있으며, 이로 오염된 지하수로 인해 인체 및 생태계에 치명적인 해를 끼질 수 있는 실정이다. In situ chemical oxidation(ISCO)는 토양 및 지하수를 처리하는 기술로, 지표 아래에 존재하는 오염된 지역까지 산화제를 전달하여 오염물질을 처리하는 기술이다. ISCO에 사용되는 산화제 중 persulfate는 강력한 산화제인 sulfate 라디칼(SO4-·)을 발생시켜 처리하는 기법이다. 본 연구에서는 persulfate 산화공정을 이용하여 다양한 조건에서의 TCE와 PCE의 분해에 대한 영향을 알아보고, 각 조건에서의 반응속도상수에 대한 연구를 진행하였다. 본 연구에서는 TCE와 PCE를 오염원으로 선정하여 초기 pH(3, 6, 9, 12), persulfate의 농도(0.01, 0.05, 0.1, 0.5M), 초기오염농도(1, 10, 30, 50, 70, 100mg/L) 에 대한 영향을 알아보았다. 초기 pH가 3 일 때, TCE와 PCE는 각각 93.2%, 89.3%로 가장 높은 처리효율을 나타낸 반면, 초기 pH가 12 일 때, TCE 55.0%, PCE 31.2%로 가장 낮은 효율을 보였다. 그리고 pH 3에서 TCE와 PCE의 반응속도상수는 각각 0.415, 0.353 h^(-1)이고, pH 12에서는 각각 0.110, 0.0533 h^(-1)으로 나타났으며, pH가 높아질수록 대체로 처리효율이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 높은 pH 영역에서 sulfate 라디칼로부터 생성된 hydroxyl 라디칼이 sulfate 음이온에 의해 제거되었기 때문인 것으로 판단된다. 또한 persulfate의 농도가 0.5M일 때 가장 높은 처리효율을 보였으며, TCE는 96.5%, PCE 95.7%의 처리효율을 나타내었으며, TCE와 PCE 각각 0.557, 0.523 h^(-1)의 속도상수를 보였다. 그리고 persulfate의 농도가 0.01M일 때TCE와 PCE 각각 78.1, 42.4%로 가장 낮은 처리효율을 보였으며, 반응속도상수는 각각 0.228, 0.0593 h^(-1)로 나타났다. Persulfate의 농도가 높아질수록 모두 처리효율이 높아지는 경향을 보였다. 반면 초기오염농도가 높아질수록 처리효율은 낮아지는 경향이 나타났다. 그리고 초기 pH, persulfate의 농도, 초기오염농도 등의 조건에서 PCE에 비해서 TCE가 대체로 더 빠른 반응속도를 가지는 것을 확인하였다.; Trichloroethylene(TCE) and tetrachloroethylene(PCE) have been used as solvents in many industries (i.e. degreasing and dry cleaning). Because these chlorinated solvents are known as carcinogens, the treatment of TCE/PCE contaminated groundwater is getting crucial. In situ chemical oxidation(ISCO)s are accepted as technologies for the destruction of many contaminants in soil and groundwater. Recently, ISCO using persulfate is studied as an alternative technology. Persulfate anion can generate sulfate radical (SO4-·), which is known for one of strong oxidant, when it is activated by several ways (i.e. thermal, reaction with metals, etc). The objective of this study is to demonstrate the influence of various conditions (i.e. pH and concentration gradients) on TCE/PCE degradation by persulfate oxidation. The influence of initial pH (3, 6, 9, and 12), oxidant concentrations (0.01, 0.05, 0.1, and 0.5M), and contaminants (TCE/PCE) concentrations (1, 10, 30, 50, 70, 100mg/L) were investigated. The maximum TCE/PCE degradation were occurred at pH 3, and the removal efficiency of TCE and PCE were 93.2 and 89.3%, respectively. On the other hand, the minimum TCE/PCE degradation were occurred at pH 12, and the removal efficiency of TCE and PCE were 55.0 and 31.2%, respectively. The observed first order rate constants for TCE and PCE at pH 3 were 0.415 and 0.353 h^(-1), while those at pH 12 were 0.110 and 0.0533 h^(-1), respectively. Based on these results, degradation rates decreased when initial pH of solution was increased. The low degradation rates at high pH implied the effects of hydroxyl radical, which generated from conversion of sulfate radicals and scavenged sulfate anion. The effects of persulfate concentration showed that the maximum degradation of TCE and PCE (i.e. 96.5 and 95.7%, respectively) were occurred when 0.5 M of persulfate was used. The first order rate constants for TCE and PCE were 0.557 and 0.523 h^(-1), respectively. When 0.01 M of persulfate was used, the minimum values of the removal efficiencies (i.e. 78.1% for TCE and 42.4% for PCE) and rate constants (i.e. 0.228 h^(-1) for TCE and 0.0593 h^(-1) for PCE) were occurred. It implied that TCE/PCE degradation rates increased when persulfate concentrations were increased. Moreover, the degradation rates decreased when the initial concentrations of TCE/PCE were increased. Based on all of experimental results, the degradation rate of TCE was relatively faster than that of PCE using persulfate oxidation.