Sulfite/UV-L을 적용한 고도환원처리 및 영향인자들의 상관관계 분석 = Advanced Reduction Process using Sulfite/UV-L and The Correlation Analysis of Influencing Factors

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 현재 해외에서 연구가 활발히 진행되고 있는 고도환원공정(Advanced Reduction Processes; ARPs)이라고 불리는 처리기술에 대하여 연구하였다. 고도환원은 환원제(sulfite)가 활성화하여 생성된 반응성이 강한 환원성 라디칼(radical)을 사용하여 오염물질을 처리 및 제거하는 공정이다.
본 연구의 제거대상물질인 트리클로로에틸렌(trichloroethylene, C2HCl3, TCE)은 다양한 경로로 노출되어 인간과 환경에 심각한 영향을 초래하는 물질로서 미국환경보호청(United States Environmental Protection Agency; U.S. EPA)에서 지정한 발암물질이며, 또한 국제암연구소(International Arctic Research Center; IARC)에서 지정한 2A 등급의 발암물질이다. 현재 트리클로로에틸렌은 국내·외에서 먹는 물에 대한 수질기준 등으로 엄격하게 규제되고 있다.
본 연구는 고도환원공정(sulfite/UV-L)으로 트리클로로에틸렌을 환원처리 할 때 공정에 미치는 영향인자에 대하여 연구하였으며, 영향인자의 특성을 도출하고 다중회귀분석을 통하여 영향인자의 상관관계를 모델화하였다.
고도환원공정에 미치는 기본적인 영향인자에는 초기 pH, sulfite의 농도, UV254의 강도, 트리클로로에틸렌의 초기농도 등이 포함된다. 고도환원공정에 미치는 이러한 영향인자들의 특성을 알아보기 위하여 영향인자들의 조건을 다양하게 변화시키면서 반응시간에 따른 트리클로로에틸렌의 농도변화를 측정하였다.
초기 pH는 높을수록 트리클로로에틸렌의 제거능이 증가하였지만, 최적의 pH는 경제적인 측면을 고려하여 pH 10이 가장 효율적인 것으로 나타났다. Sulfite의 농도가 높을수록 트리클로로에틸렌의 제거능이 증가하였으며, 트리클로로에틸렌 10 mg·L-1일 때, 해당하는 최적의 환원제 농도는 10 mM로 나타났다. 활성방법인 UV254는 강도가 높을수록 트리클로로에틸렌의 제거 속도가 증가하는 경향을 보였으며, 트리클로로에틸렌의 초기 농도가 높을수록 트리클로로에틸렌의 제거능이 감소하는 경향을 나타났다.
모든 연구 결과를 토대로 영향인자들의 간의 상호 및 상관관계를 분석하고자 다중회귀분석을 실시하였다. 초기 pH는 모든 영향인자들과 상관관계가 높기 때문에 고도환원공정(sulfite/UV-L)을 적용할 때 초기 pH에 대한 영향을 최우선으로 고려하여야한다. 트리클로로에틸렌의 초기농도는 트리클로로에틸렌의 제거율에 가장 큰 영향을 미쳤으며, 다음으로 sulfite의 농도, 초기 pH ≒ UV254의 강도 순으로 나타났다. 추정된 회귀모형의 적합도는 유의수준 5 %(0.05)에 만족하며, 결정계수(R2)는 0.816으로 트리클로로에틸렌의 제거율에 대한 설명력이 양호한 것으로 나타났다.
본 연구를 통하여 고도환원공정에 대한 연구의 첫 발걸음을 내딛었다고 생각하며, 이를 토대로 국내에서 고도환원공정에 대한 연구가 활발히 진행될 수 있을 것이라 기대한다. 향후 고도환원공정을 실제공정으로 적용하기 위한 다양한 연구가 진행되어야 할 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This research studied about a new technology called Advanced Reduction Processes(ARPs) that has been researched actively in overseas. ARP is a process that use very reactive and strong reducing radical which is produced by combining reducing reagents with reducing methods to eliminate contaminants.
The eliminating subjects is trichloroethylene(C2HCl3, TCE) that is exposed to human and environment in variety ways to bring critical impact. It is designated as a carcinogen by Environmental Protection Agency(EPA) in the U.S., also designated as a carcinogen by International Arctic Research Center(IARC). Currently, trichloro- ethylene is strictly restricted in many countries including Korea by setting standards of drinking water.
This research studied about factors influencing the process that eliminate trichloroethylene effectively with ARP(sulfite/UV-L) and modelling correlation of influencing factors by multiple regression analysis. Influencing factors that affect on ARP are initial pH, concentration of reducing reagent, intensity of UV254 and initial concentration of trichloroethylene. To figure out characteristics of influencing factors, this research measured changes of trichloroethylene by changing condition of influencing factors. First, higher pH seemed have high eliminating ability, but pH 10 seemed to be appropriate by considering economic side. Higher concentration of reducing reagent seemed have high eliminating ability, but the optimum concentration of reducing reagent was appeared to be 10 mM correspond to 10 mg·L-1 of trichloroethylene. An Activation method as UV254 seemed to increase speed of eliminating trichloroethylene by increasing its strength. Initial concentration of trichloroethylene seemed to affect on lowering eliminating ability of trichloroethylene.
With all research results, multiple regression analysis was conducted to figure out mutual and correlation between influencing factors. Initial pH has high correlation with all influencing factors, so it should be considered as the first on applying ARP(sulfite/UV-L). Initial concentration of trichloroethylene affects the most on eliminating rate of trichloroethylene. The estimated regression model has significance level of 0.00 and coefficient of determination (R2) of 0.816, so the model has satisfactory description about eliminating rate of trichloroethylene.
Through this research, it is believed to step a head about ARP research and also it is possible to expect more number of researches about ARP actively in Korea. For the future, there will be many researches for applying ARP on actual processes.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장. 서 론 1
• 제 1 절. 연구 배경 1
• 제 2 절. 연구 목적 3
• 제 2 장. 이론적 배경 4
• 제 1 절. 고도환원공정(ARP) 4
• 1. 고도환원공정(ARP)의 개요 4
• 2. 고도환원공정(ARP)의 환원제와 활성방법 6
• 3. 고도환원공정(ARP)의 수용성전자 12
• 제 2 절. 트리클로로에틸렌(TCE) 15
• 1. 트리클로로에틸렌(TCE)의 개요 15
• 2. 트리클로로에틸렌(TCE)의 물리·화학적 특성 16
• 3. 트리클로로에틸렌(TCE)의 노출원 및 노출경로 17
• 4. 트리클로로에틸렌(TCE)의 국내·외 규제 19
• 5. 트리클로로에틸렌(TCE)의 분석방법 21
• 제 3 절. 양자수득률(Quantum yield) 22
• 1. 양자수득률의 개요 22
• 2. 양자수득률의 유도공식 23
• 3. 동력학 모델(Kinetic model) 24
• 제 4 절. 다중회귀분석 27
• 1. 회귀분석의 개요 27
• 2. 다중회귀분석의 회귀계수 28
• 3. 다중회귀분석의 모수에 대한 가설검정 31
• 4. 다중회귀분석의 모형에 대한 적합성검정 33
• 제 3 장. 연구 방법 34
• 제 1 절. 실험 재료 34
• 제 2 절. 실험 장치 35
• 1. 실험 장치 및 구성 35
• 제 3 절. 실험 방법 37
• 1. 무산소조건 형성 38
• 2. 영향인자에 따른 실험과정 39
• 제 4 절. 분석 방법 41
• 1. 트리클로로에틸렌(TCE) 분석 41
• 제 4 장. 결과 및 고찰 42
• 제 1 절. 고도환원공정에 미치는 초기 pH의 영향 42
• 1. 초기 pH에 따른 트리클로로에틸렌의 농도변화(Ct/C0) 42
• 2. 초기 pH에 따른 1차 속도상수(kobs) 45
• 3. 초기 pH에 따른 양자수득률(Φ) 46
• 제 2 절. 고도환원공정에 미치는 sulfite 농도의 영향 47
• 1. Sulfite 농도에 따른 트리클로로에틸렌의 농도변화(Ct/C0) 47
• 2. Sulfite 농도에 따른 1차 속도상수(kobs) 49
• 3. Sulfite 농도에 따른 양자수득률(Φ) 50
• 제 3 절. 고도환원공정에 미치는 UV254 강도의 영향 51
• 1. UV254 강도에 따른 트리클로로에틸렌의 농도변화(Ct/C0) 51
• 2. UV254 강도에 따른 1차 속도상수(kobs) 53
• 3. UV254 강도에 따른 양자수득률(Φ) 54
• 제 4 절. 고도환원공정에 미치는 trichloroethylene 농도의 영향 55
• 1. TCE의 초기농도에 따른 트리클로로에틸렌의 농도변화(Ct/C0) 55
• 2. TCE의 초기농도에 따른 1차 속도상수(kobs) 57
• 3. TCE의 초기농도에 따른 양자수득률(Φ) 58
• 제 5 절. 다중회귀분석을 이용한 상호 및 상관관계 분석 59
• 1. 다중회귀분석의 상관계수 59
• 2. 다중회귀분석의 회귀모형 61
• 3. 다중회귀분석의 분산분석 62
• 4. 다중회귀분석의 최종모형 63
• 제 5 장. 결 론 64
• 제 6 장. 참고문헌 66
• 부 록 72
• 제 1 절. 양자수득률(Φ) 유도과정 73
• 제 2 절. 속도상수(kobs) 유도과정 75
• 제 3 절. UV254의 강도와 거리 간의 상관관계 78
• 1. UV254의 강도와 거리 78
• 2. UV254의 강도와 거리 간의 관계식 79
• Abstract 80