Photo-assisted Fenton반응에 다양한 Fe(Ⅲ)chelator를 적용한 LNAPL오염 지하수 처리에 관한 연구

Abstract

지하수 오염 유발 물질 중 가장 큰 비중을 차지하고 있는 물질로 지하수에 쉽게 확산되고 지속적으로 지하수에 녹아들어가기 때문에 빠른 처리가 요구되는 Light nonaqueous phase liquid(LNAPL)이 있다. LNAPL은 물에 대한 용해도에 의해 직접 물에 녹아서 이동하는 경우와 유류나 유기용매와 같이 물과 섞이지 않는 별도의 층을 형성하는 오염물이 있다. 물에 포화되기 쉬운 독성이 강한 물질중 대표적인 물질인 Benzene, Toluene, Ethylbenzene, Xylene(BTEX)와 지하수면 위에 층을 형성하는 대표적인 물질인 Total Petroleum Hydrocarbon(TPH)를 선정하여 Advanced Oxidation Processes(AOP's)를 적용하였다. AOP's중 가장 적용성이 뛰어나다고 판단되어지는 UV/Fe^(3+)+Chealating Agent(C.A.)/H₂O₂과 UV/H₂O₂ 그리고 Modified Fenton기법을 적용하였고 여기서 발생되는 강력한 산화제인 OHㆍ radical을 생성하여 BTEX와 TPH를 처리하고자 하였다. 먼저, UV/Fe^(3+)+C.A./H₂O₂기법을 BTEX 분해를 위해 적용하였을 경우 pH6을 유지하기 위해선 UVdose량이 17.4Kwh/L Fe(III) 1mM Oxalate 6mM H₂O₂ 294mM(1%)이상의 농도가 필요하고 BTEX 분해결과 180분에 99.9%의 분해효율을 보였다. 이 기법을 적용하여 UVdose량을 증가하였을 경우 UVdose량이 증가할수록 빠른 분해를 보임으로써 처리시간단축에 큰 영향을 줄 수 있을 것으로 판단되어진다. UV/Fe^(3+)+C.A./H₂O₂기법에 다양한 착제를 적용하여본 결과 Acetate, Oxalate, EDTA, Malonate, Citrate에서 적용가능성을 보였으며 그 중 오염물 처리 효율이 좋은 Acetate를 착제로 적용하여 BTEX와 MTBE복합오염물을 처리시 BTEX 99.9%, MTBE 84.1%의 향상된 분해효율을 얻을 수 있었다. UV/H₂O₂기법을 적용시 UVdose량에 따른 BTEX분해실험결과 UVdose량이 17.4Kwh/L이고 H₂O₂ 147mM(0.5%)일 때 180분안에 99.9%의 분해효율을 보였고 BTEX와 MTBE 복합오염물일 경우엔 UVdose량을 34.8Kwh/L와 H₂O₂ 294mM(1%)을 사용 하여 BTEX 99.9%와 MTBE 97.5%의 분해효율을 얻을 수 있었다. Modified Fenton기법으로 오염물을 처리한 결과 BTEX를 처리하기 위해선 철이온이 5mM Oxalate가 30mM 그리고 H₂O₂ 2058mM(7%)필요하다고 판단되어진다. 다양한 착제의 적용시 적용 가능한 착제 중 철이온 1mM Acetate 6mM H₂O₂ 882mM(3%)에서 가장 높은 82.6%의 분해효율을 얻을 수 있었다. 또한, Modified Fenton기법으로 free product로 존재하는 TPH 분해실험을 하여 본 결과 H₂O₂의 연속주입으로 57.8%의 분해효율을 얻을 수 있었다. 본 연구는 다양한 AOPs 공정의 적용성을 판단한 것으로 LNAPL로 분류되는 오염물에 다양한 기법을 적용하여 효율적이고 경제적인 방법을 얻고자 연구되었다. 또한, 친환경적인 방법을 기초로 하였으며 실제 오염물 처리 시스템의 도입 가능성을 입증하고자 하였다.; The presence of water-insoluble hazardous chemicals has become so commonplace, and their problems so complex, that they have been given a generic name-light nonaqueous phase liquid(LNAPL). The problems associated with LNAPL that have migrated to groundwater are depicted. We chose both BTEX(benzene, toluene, ethylbenzene, xylene) and TPH as the most common contaminants of LNAPL which make a separated layer on the surface of groundwater, and affect to environment by character of toxicity. In this research, three different type of Advanced Oxidiation Process(AOP's) such as UV/Fe^(3+)+Chealating Agent(C.A.)/H₂O₂, UV/H₂O₂, and Modified Fenton reaction which commonly generated the most powerful oxidant hydroxyl radicals, were investigated for degradation of BTEX and TPH. BTEX was efficiently destroyed in contaminated water by UV/Fe^(3+)+C.A./H₂O₂ system(UVdose 17.4Kwh/L, Fe(Ⅲ) 1mM, Oxalate 6mM, H₂O₂ 294mM, pH 6) reduced time of destruction. Over 99% of BTEX in water was degraded by UV/Fe^(3+)+C.A./H₂O₂ oxidation, compared to UV/Fe^(3+)+C.A./H₂O₂ system with BTEX/MTBE multi-contaminated water. As a results of treatment of BTEX/MTBE multi-contaminated water using UV/Fe^(3+)+C.A./H₂O₂ oxidation, the removal efficiency of both BTEX and MTBE were 99%, 84.1% respectively. These results indicate that destruction rate became increasingly when UV dose was increased in UV/Fe^(3+)+C.A./H₂O₂ system. The various chelating agents were tested for improving this process, and then we demonstrated that acetate was the most effective chelating agents on this system. The efficiency of the UV/H₂O₂ oxidation system was demonstrated the most effective method for degrading BTEX at neutral pH. This system could remove BTEX about 99.9% during 180min with H₂O₂ 147mM(0.5%), UVdose 17.4Kwh/L. Modified Fenton reaction was conducted to remove both BTEX and TPH which exist free-product dissolution. The best optimum experimental condition were Fe(Ⅲ) 5mM, Oxalate 30mM, and H₂O₂ 2058mM(7%) at neutral pH to treat for BTEX, furthermore we estimated application of various chelating agents at the same condition. The influence of dissolved free-product on Modified Fenton oxdiation of TPH was conducted using sequential injection method with hydrogen peroxide and result was shown 57% of removal efficiency. The removal efficiency of LNAPL oxidation was : UV/H₂O₂ > UV/Fe^(3+)+C.A./H₂O₂ > Modified Fenton reaction. In this research, it is concluded that this new process is very efficient and useful for the treatment of moderate to highly contaminated waters with LNAPL.