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광분해반응을 통한 MTBE 분해 시 음이온 영향의 통계적 분석
천석영(Chun, Sukyoung),장순웅(Chang, Soonwoong) 한국지반환경공학회 2011 한국지반환경공학회논문집 Vol.12 No.10
이 연구는 Methyl tert Btyl Ether(MTBE)의 광촉매반응을 통한 제거시에 다양한 음이온(Cl?, NO₃?, HCO₃?)들의 영향을 통계적 방법을 사용하여 조사하였다. 이 공정은 일반적으로 UV의 존재 하에 수용액상에 생성되는 Hydroxyl radicals(OH라디칼)의 생성에 기초하며, 이러한 라디칼들의 생성은 수용액 상의 무기 음이온들이 OH라디칼과의 반응에 의해 광분해를 방해한다. 이런 무기 음이온들의 영향은 반응표면법(RSM)의 한 종류인 혼합물분석(Mixture analysis)를 통해 Cl?, NO₃?와 HCO₃?의 독립변수들을 수학적으로 표현하였다. 분산분석(Analysis of variance; ANOVA)의 회귀분석항은 유의한 p값(p<0.0001)과 높은 결정계수(R²=99.28%, R²adj=98.91%)를 나타냈다. 그리고 등고선도(Contour plot)와 반응표면도(Response surface plot)는 UV/H₂O₂ 공정에 기초한 MTBE광분해에 대한 무기 이온들의 영향을 나타내었다. 이 연구의 결과는 MTBE의 광분해에 대해 Cl?와 HCO₃? 이온이 OH라디칼의 생성을 방해하는 것으로 나타났고 이 두 인자에 의한 상호작용이 관찰되었다. This study investigated the effects of various inorganic anions(Cl?, NO₃?, HCO₃?) on the Methyl tert Butyl Ether(MTBE) degradation by photocatalysis using statistical method. Generally, this process in general demands the generation of hydroxyl radicals(OH radical) in solution in the presence of UV light. The generation of radicals were affected by inorganic anions in solution that inhibited the photodegradation by their trapping hydroxyl radicals. The effects of inorganic anions were mathematically described as the independent variables such as Cl?, NO₃?, and HCO₃?, and these were designed by mixture analysis that was one of the response surface methodology(RSM). Regression analysis on ANOVA showed significant p-value(p<0.0001) and high coefficients for determination value(R²=99.28%, R²adj=98.91%). Contour and response surface plots showed that the effects of inorganic anions for MTBE photodegradation based on UV/H₂O₂ process. In the result, Cl? and HCO₃? inhibited the photodegradation of the MTBE by their trapping hydroxyl radicals, and the interaction by these two factors was observed.
HAP/TiO<SUB>2</SUB> 여재를 이용한 Reactive Black 5(RB5)의 광촉매 반응과 흡착
천석영(Chun. Sukyoung),장순웅(Chang, Soonwoong) 한국지반환경공학회 2011 한국지반환경공학회논문집 Vol.12 No.11
본 연구는 Hydroxyapatite(HAP)/TiO2 여재에 의한 Reactive Black 5(RB5)의 흡착과 광촉매 반응을 조사하였다. RB5에 대한 TiO2, HAP와 TiO2/HAP의 흡착은 연속적인 회분식 실험을 통해 조사하였다. 흡착평형에 따른 결과를 나타내었으며 Langmuir와 Freundlich isotherm model을 사용하여 적용성을 조사하였다. TiO2, HAP와 TiO2/HAP 흡착제별 흡착평형 결과는 Langmuir isotherm model에 적합하였으며 최대흡착량(Qmax)의 값은 각각 단일 TiO2는 5.28mg/g, 단일 HAP는 12.45mg/g, TiO2/HAP는 9.03mg/g으로 나타났다. 흡착과 광촉매 반응에 대한 kinetic model들은 유사 1차 반응을 통해 분석하였으며, 이들 model에 따르면 TiO2/HAP에 의한 RB5 제거는 광촉매 반응과 흡착반응의 상호작용의 영향을 받는 것으로 나타났다. This study investigated on the adsorption and photocatalysis of Reactive Black 5(RB5) by the hydroxyapatite(HAP)/ Titanium dioxide(TiO2) media. The adsorption of RB5 on TiO2, HAP and TiO2/HAP was investigated during a series of batch adsorption experiments. The amounts adsorbed at equilibrium were measured. Langmuir and Freundlich isotherm models were tested for their applicability. The result of equilibrium studies of TiO2, HAP and TiO2/HAP adsorbent were found to follow Langmuir isotherm model. The adsorbed amounts(Qmax) were found to be 5.28mg/g on single TiO2, 12.45mg/g on single HAP and 9.03mg/g on TiO2/HAP, respectively. The experimental data were analysed using the pseudo-first-order adsorption and photocatalysis kinetic models. According to these models, RB5 degradation by TiO2/HAP was affected by interaction effect of photocatalysis and adsorption.
UV/TiO<SUB>2</SUB>/HAP 시스템에서 Sulfamethoxazole의 흡착과 광촉매반응에 대한 동역학적 및 통계적 해석
천석영(Chun, Suk-Young),장순웅(Chang, Soon-Woong) 한국지반환경공학회 2012 한국지반환경공학회논문집 Vol.13 No.5
항생제는 환경에 지속적인 노출과 저항성으로 인해 우려물질로 간주되고 있다. 항생제의 제한적인 생분해능에 따른 하수처리장에서의 불완전한 제거와 광범위한 사용으로 인해 상대적으로 많은 양이 환경에 방류되고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 다양한 촉매(Titanium dioxide; TiO2, Hydroxyapatite; HAP)를 통해 항생제의 하나인 sulfamethoxazole의 동역학적 흡착과 광촉매반응에 대해 연구하였으며, 부가적으로 통계적 분석방법인 반응표면법(RSM)을 이용하여 UV/TiO2/HAP 시스템에서의 운전인자의 영향을 살펴보았다. 동역학적 연구결과로 TiO2/HAP의 흡착반응은 유사 2차 반응을 따르는 것으로 나타났으며, 입자내 확산 모델의 적용 결과, 반응속도 상수는 각각 TiO2=0.0641min<SUP>-1</SUP>, HAP=0.2866min<SUP>-1</SUP>와 TiO2/HAP=0.3708min<SUP>-1</SUP>으로 나타났다. RSM의 결과로는 ANOVA에서의 회귀항의 유의성이 나타났으며(P-value<0.05) 높은 결정계수 값(R<SUP>2</SUP>=96.2%, R<SUP>2</SUP>Adj=89.3%)이 나타나 이차 회귀모델의 예측이 만족스러운 것으로 관찰되었다. 그리고 Y(SMX 제거율, %)에 대해 예측된 최적 조건들은 코드화된 인자 기준으로 각각 x1(SMX의 초기농도)=-0.7828, x2(촉매의 양)=0.9974 그리고 x3(반응시간)=0.5738로 나타났다. 입자내 확산 모델과 광촉매 산화 반응의 결과에 따르면 TiO2/HAP 공정이 일반적인 고도산화공정에 비해 효율적인 것으로 관찰되었다. Antibiotics have been considered emerging compounds due to their continuous input and persistence in environment. Due to the limited biodegradability and widespread use of these antibiotics, an incomplete removal is attained in conventional wastewater treatment plants and relative large quantities are released into the environment. In this study, it was determined the adsorption and photocatalysis kinetics of antibiotics (Sulfamethoxazole, SMX) with various catalyst (Titanium dioxide; TiO2, Hydroxyapatite; HAP) conditions under UV/TiO2/HAP system. In addition, the statistical analysis of response surface methods (RSM) was used to determine the effects of operating parameters on UV/TiO2/HAP system. TiO2/HAP adsorbent were found to follow the pseudo second order reaction in the adsorption. In the result of applied intrapaticle diffusion model, the constants of reaction rate were TiO2=0.0641min<SUP>-1</SUP>, HAP=0.2866min<SUP>-1</SUP> and TiO2/HAP=0.3708min<SUP>-1</SUP>, respectively.The result of RSM, term of regression analysis in analysis of variance (ANOVA) showed significantly p-value (p<0.05) and high coefficients for determination values(R<SUP>2</SUP>=96.2%, R<SUP>2</SUP>Adj=89.3%) that allowed satisfactory prediction of second order regression model. And the estimated optimal conditions for Y(Sulfamethoxazole removal efficiency, %) were x1(initial concentration of Sulfamethoxazole)=-0.7828, x2(amount of catalyst)=0.9974 and x3(reation time)=0.5738 by coded parameters, respectively. According to the result of intraparticle diffusion model and photocatalysis experiments, it was shown that the TiO2/HAP was more effective system than conventional AOPs(advanced oxidation processes, UV/TiO2 system).
광분해반응을 통한 MTBE 제거에 대한 통계적 최적화 연구
천석영(Chun Sukyoung),장순웅(Chang Soonwoong) 한국지반환경공학회 2011 한국지반환경공학회논문집 Vol.12 No.9
본 연구는 UV와 H₂O₂를 통한 광분해 반응기에서의 Methyl Tert Butyl Ether(MTBE) 제거에 대해 조사하였다. 이 공정은 일반적으로 UV의 존재 하에 수용액 상에 생성되는 OH 라디칼을 요구하며, 이 라디칼들은 MTBE 분자를 공격하여 최종적으로 파괴하거나 무해한 단순 화합물로 전환시킨다. 반응들은 조사강도, MTBE 초기농도와 H₂O₂/MTBE비의 독립변수를 수학적으로 표현하였고, 반응표면법(Response Surface Methodology; RSM)을 사용하여 모델화하였다. 이 실험들은 Box-Behnken Design(BBD)를 통한 15개의 실험을 포함하여 실시하였다. ANOVA의 회귀분석 항은 유의한 p-value(p<0.05)와 높은 결정계수(R²=94.60%)를 나타내어 2차 회귀모델의 예측이 적절한 것으로 나타났다. 그리고 반응에 대한 정준분석을 통해 예측된 Y에 대한 최적 반응과 최대반응의 예측된 능선을 통해 최적조건은 각각 조사강도인 x₁=25.75W, MTBE 초기농도의 x₂=7.69㎎/ℓ 와 H₂O₂/MTBE비인 x₃=11.04로 관찰되었다. 본 연구는 RSM이 MTBE 제거의 최대화와 운전조건의 최적화에 적용하기에 알맞은 것으로 나타났다. This study investigate the use of ultraviolet(UV) light with hydrogen peroxide(H₂O₂) for Methyl Tert Butyl Ether(MTBE) degradation in photolysis reactor. The process in general demands the generation of OH radicals in solution at the presence of UV light. These radicals can then attack the MTBE molecule and it is finally destroyed or converted into a simple harmless compound. The MTBE removal by photolysis were mathematically described as the independent variables such as irradiation intensity, initial concentration of MTBE and H₂O₂/MTBE ratio, and these were modeled by the use of response surface methodology(RSM). These experiments were carried out as a Box-Behnken Design(BBD) consisting of 15 experiments. Regression analysis term of Analysis of Variance(ANOVA) shows significantly p-value(p<0.05) and high coefficients for determination values(R²=94.60%) that allow satisfactory prediction of second-order regression model. And Canonical analysis yields the stationery point for response, with the estimate ridge of maximum responses and optimal conditions for Y(MTBE removal efficiency, %) are x₁=25.75 W of irradiation intensity, x₂=7.69 ㎎/ℓ of MTBE concentration and x₃=11.04 of H₂O₂/MTBE molecular ratio, respectively. This study clearly shows that RSM is available tool for optimizing the operating conditions to maximize MTBE removal.