KR102603247B1 - 폴리염화 바이페닐 제거 시스템 및 이의 운용 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자외선과 초음파를 동시에 조사함으로써 폴리염화 바이페닐의 제거 효율을 높인 폴리염화 바이페닐 제거 시스템 및 그 운용 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 폴리염화 바이페닐 제거 시스템 및 이의 운용 방법에 관한 것이다.
최근, 환경오염을 방지하려는 노력이 증가함에 따라, 국내 잔류성 유기오염물질의 농도가 전반적으로 지속적 감소 양상을 나타내고 있다. 그러나 반환 미군기지 부지에서의 다이옥신으로 인한 토양 오염, 일부 농경지에서 사용하는 살충제인 DDT로 인한 오염 및 폴리염화 바이페닐을 포함하는 폐변압기의 관리 부실 등이 지속적으로 보고되고 있으며, 이를 지속적으로 관찰하고 처리할 수 있는 방안이 필요한 실정이다.
폴리염화 바이페닐은 두 개의 벤젠고리를 갖는 화합물 상에 염소가 치환되어 있는 화합물로, 난연제, 변압기 및 콘덴서 등의 절연유로 폭넓게 사용되었다. 폴리염화 바이페닐은 바이페닐 벤젠 고리 상의 10개의 자리에 염소가 1 ~ 10개까지 다양하게 위치할 수 있어 총 209개의 이성질체를 가져, 일괄적으로 제거할 수 있는 기술의 개발이 매우 어려운 문제점이 있다.
이중에서도 4개 이상의 염소를 포함하는 폴리염화 바이페닐 중 12종은 특히 다이옥신과 같은 독성이 있어 dioxin-like PCBs로 명하여 특별관리하는 중이다. 이러한 폴리염화 바이페닐의 분해 및 제거를 위하여 철 반응, 광분해, 소각, 생물학적 분해 및 초음파 캐비테이션 기술 등의 방법이 제안되었는데, 그 중에서도 자외선 광분해 기술이 일반적으로 널리 연구되는 기술이다.
폴리염화 바이페닐은 물에 대한 용해도가 낮아 수계에서 발견될 가능성이 매우 낮다고 여겨져 왔으므로 기존 연구는 대부분 유기용매 상에서의 폴리염화 바이페닐 제거 기술에 집중되었다.
그러나, 국내 연구결과에 따르면 향후 수질환경분야에서 폴리염화 바이페닐의 농도 관리가 필요한 것으로 판단되어, 수용액 상에서의 폴리염화 바이페닐 분해기술 개발 및 분해 메커니즘 규명 등의 연구개발이 필요한 실정이다.
(0001) Yasser A. Shaban et al., Photocatalytic Removal of Polychlorinated Biphenyls(PCBs) using Carbon-Modified Titanium Oxide Nanoparticles, Applied Surface Science, 2016, vol. 365, 108-113.
(0002) Scott W. Hooper et al., Ecological fate, effects and prospect for the elimation of environmental polychlorinated biphenyls (PCBs), Environmental Toxicology and Chemistry, 1990, Vol. 9, 655-667.
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(0004) Roland Ritter et al., Intrinsic human elimination half-lives of polychlorinated biphenyls derived from the temporal evolution of cross-sectional biomonitoring data from the united kingdom, Environmental health perspectives, 2011, vol. 119, 225-231.
(0005) 이한욱 외, 자외선과 초음파를 동시에 조사하는 연계 공정의 시너지 효과에 관한 연구, Journal of the Korean GEO-environmental Society, 2014, 15(7), 5-11.
(0006) 나승민 외, 초음파 (US)와 다양한 파장범위의 자외선 (UV) 조사에 따른 DEP 분해특성에 관한 연구, 한국환경과학학회지, 2012, 제21권(제7호), 845-853.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 폴리염화 바이페닐 제거 시스템 및 이의 운용 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태는 냉각 시스템, 초음파 캐비테이션 시스템 및 자외선 조사 시스템을 포함하는 폴리염화 바이페닐 제거 시스템에 관한 것이다.
상기 일 양태에 있어, 상기 폴리염화 바이페닐 제거 시스템은 액체를 담지할 수 있는 수조를 포함하는 것일 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 수조는 폴리염화 바이페닐 용액이 담지되는 것일 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 초음파 캐비테이션 시스템은 초음파 탐침(probe)을 포함하는 것일 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 초음파 탐침은 20 내지 500 KHz의 주파수를 갖는 것일 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 폴리염화 바이페닐 제거 시스템은 상기 수조 내에 초음파 탐침을 위치하고, 상기 초음파 탐침을 통해 초음파를 인가하는 것일 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 자외선 조사 시스템은 자외선 램프를 포함하는 것일 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 자외선 램프의 파장은 100 내지 315 nm일 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 폴리염화 바이페닐 제거 시스템은 상기 수조 내에 자외선 램프를 위치하고 자외선을 인가하는 것일 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 냉각 시스템은 상기 수조 및 수조 내에 담지되는 액체를 냉각하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 양태는 상기 폴리염화 바이페닐 제거 시스템의 운용 방법에 관한 것이다.
상기 다른 일 양태에 있어, 상기 폴리염화 바이페닐 제거 시스템의 운용 방법은 상기 수조 내에 위치하는 초음파 캐비테이션 시스템 및 자외선 조사 시스템을 동시에 사용하여 폴리염화 바이페닐의 분해를 수행하는 것일 수 있다.
상기 다른 일 양태에 있어, 상기 폴리염화 바이페닐 제거 시스템 내에서 폴리염화 바이페닐의 분해를 15 내지 60분 동안 수행하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 폴리염화 바이페닐 제거 시스템은 종래의 시스템 및 장치와는 다르게 폴리염화 바이페닐의 분자를 직접적으로 분해함으로써 폐기물 저장을 하는 경우 발생하는 비용과 오염 문제를 해결할 수 있다. 또한, 공기 또는 아르곤 환경에서 20분 이내에 90% 이상의 폴리염화 바이페닐을 제거할 수 있어 제거 공정이 매우 빠르고 경제적이다.
도 1은 공기 분위기에서 폴리염화 바이페닐 제거 시스템 작동 시 시간 경과에 따른 PCB No.7의 제거율을 나타낸 그래프이다.
도 2는 아르곤 분위기에서 폴리염화 바이페닐 제거 시스템 작동 시 시간 경과에 따른 PCB No.7의 제거율을 나타낸 그래프이다.
도 3은 공기 분위기에서 폴리염화 바이페닐 제거 시스템 작동 시 시간 경과에 따른 Aroclor 1260의 제거율을 나타낸 그래프이다.
도 4는 아르곤 분위기에서 폴리염화 바이페닐 제거 시스템 작동 시 시간 경과에 따른 Aroclor 1260의 제거율을 나타낸 그래프이다.
도 5는 자외선 공정 시 각 이성질체의 농도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 초음파 공정 시 각 이성질체의 농도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 자외선-초음파 혼합 공정 시 각 이성질체의 농도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 메탄올 함량에 따른 루미놀 반응을 나타낸 사진이다.
도 2는 아르곤 분위기에서 폴리염화 바이페닐 제거 시스템 작동 시 시간 경과에 따른 PCB No.7의 제거율을 나타낸 그래프이다.
도 3은 공기 분위기에서 폴리염화 바이페닐 제거 시스템 작동 시 시간 경과에 따른 Aroclor 1260의 제거율을 나타낸 그래프이다.
도 4는 아르곤 분위기에서 폴리염화 바이페닐 제거 시스템 작동 시 시간 경과에 따른 Aroclor 1260의 제거율을 나타낸 그래프이다.
도 5는 자외선 공정 시 각 이성질체의 농도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 초음파 공정 시 각 이성질체의 농도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 자외선-초음파 혼합 공정 시 각 이성질체의 농도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 메탄올 함량에 따른 루미놀 반응을 나타낸 사진이다.
이하 본 발명에 따른 폴리염화 바이페닐 제거 시스템 및 이의 운용 방법에 대하여 상세히 설명한다. 다음에 소개하는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 예로써 제공하는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 본 발명에서 사용하는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명은 폴리염화 바이페닐(Polychlorinated Biphenyls, 폴리염화 바이페닐) 제거 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 냉각 시스템, 초음파 캐비테이션 시스템 및 자외선 조사 시스템을 포함하는 폴리염화 바이페닐 제거 시스템에 관한 것이다.
상기 폴리염화 바이페닐 제거 시스템은 액체를 담지할 수 있는 수조를 포함하는 것일 수 있다. 이때, 구체적으로 상기 액체는 폴리염화 바이페닐을 포함하는 수용액일 수 있으며, 상기 수조에 폴리염화 바이페닐 용액이 담지되어 분해가 수행되는 것일 수 있다.
상기 초음파 캐비테이션 시스템은 초음파 탐침(probe)을 포함하는 것일 수 있다. 이때, 상기 초음파 탐침은 20 내지 500 KHz의 주파수를 갖는 것일 수 있다. 통상적으로 액체 내부의 초음파 캐비테이션 현상은 20 KHz 이상의 주파수를 인가하는 경우에 발생하며, 상기 주파수의 범위가 바람직하게는 20 내지 200 KHz, 더욱 바람직하게는 20 내지 100 KHz일 수 있다.
상기 폴리염화 바이페닐 제거 시스템은 상기 수조 내에 초음파 탐침을 위치하고, 상기 초음파 탐침을 통해 초음파를 인가하는 것일 수 있다. 이때, 염소의 개수가 많은 폴리염화 바이페닐은 초음파 캐비테이션 현상에 의해 페닐 라디칼이 생성되어 라디칼에 의한 분해가 발생할 수 있으며, 염소의 개수가 적은 폴리염화 바이페닐은 초음파 캐비테이션 현상에 의해 열분해가 발생할 수 있다.
상기 자외선 조사 시스템은 자외선 램프를 포함하는 것일 수 있다. 상기 폴리염화 바이페닐 제거 시스템은 자외선을 조사함에 따라 폴리염화 바이페닐로부터 염소가 탈락되며, 폴리염화 바이페닐 내 염소의 개수가 많을수록 분해 반응의 반감기가 빨라질 수 있다.
이를 위한 자외선 램프의 파장은 100 내지 315 nm일 수 있다. 이때, 200 내지 315 nm의 파장을 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 범위의 자외선은 폴리염화 바이페닐에 완전히 흡수됨으로써 효과적으로 분해를 수행할 수 있다. 이때, 상기 자외선 램프는 상기 수조 내의 액체에 담지되어 자외선을 조사하는 것일 수 있다.
상기 냉각 시스템은 상기 수조 및 수조 내에 담지되는 액체를 냉각하는 것일 수 있다. 이는 수조 내에 담지된 액체가 초음파 및 자외선으로 인해 과열되어 끓는 현상을 방지하기 위한 것으로, 기 공지된 냉각 시스템을 사용하는 것일 수 있다.
본 발명은 상기 폴리염화 바이페닐 제거 시스템의 운용 방법을 제공한다. 구체적으로, 상기 폴리염화 바이페닐 제거 시스템의 운용 방법은 상기 수조 내에 위치하는 초음파 캐비테이션 시스템 및 자외선 조사 시스템을 동시에 사용하여 폴리염화 바이페닐의 분해를 수행하는 것일 수 있다. 이와 같은 방법을 통해 폴리염화 바이페닐을 효과적으로 빠르게 제거할 수 있다.
상기 폴리염화 바이페닐 제거 시스템 내에서 폴리염화 바이페닐의 분해를 15 내지 60분 동안 수행하는 것일 수 있다. 이때, 상기 분해는 바람직하게는 15 내지 45분, 더욱 바람직하게는 15 내지 30분 수행되는 것일 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명에 따른 폴리염화 바이페닐 제거 시스템 및 이의 운용 방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한, 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
폴리염화 바이페닐 제거 시스템을 준비하였다. 이때, 제거 시스템 내부의 수조는 500 mL의 부피를 갖는 원형인 이중재킷 Pyrex 반응기를 사용하였다. 수조에 냉각 시스템을 연결하고, 자외선 램프의 파장을 235 nm로 유지하였고, 초음파 탐침은 주파수를 20 KHz로, 전력을 100W로 조절하였다. 이때, 초음파 탐침은 그 끝이 반응기 바닥면에서 약 1cm 가량 이격되도록 위치하였다. 폴리염화 바이페닐의 분해 수행 시 반응기의 온도는 20 ±2℃로 유지하였다.
폴리염화 바이페닐은 폴리염화 바이페닐 No.7(2,4-Dichlorobiphenyl) 및 4 ~ 8 개의 염소를 포함하는 Aroclor 1260(1,000 mg/L)로 두 가지 물질을 사용하였다. 폴리염화 바이페닐 No. 7의 경우 250 mg/L의 메탄올 용액으로 제조한 후 메탄올 용액과 물이 1:300(부피비)이 되도록 혼합하였으며, Aroclor 1260의 경우 300 mg/L의 메탄올 용액으로 제조한 후 메탄올 용액과 물이 1:300(부피비)이 되도록 혼합하여 시료로 사용하였다.
[실시예] - UV/US
자외선 램프와 초음파 탐침을 동시에 가동하여 1시간 동안 폴리염화 바이페닐의 분해를 수행하였다.
[비교예 1] - US
초음파 탐침만을 가동하여 1시간 동안 폴리염화 바이페닐의 분해를 수행하였다.
[비교예 2] - UV
자외선 램프만을 가동하여 1시간 동안 폴리염화 바이페닐의 분해를 수행하였다.
[특성 평가 방법]
폴리염화 바이페닐(폴리염화 바이페닐)의 분해
폴리염화 바이페닐 NO.7 용액과 Aroclor 1260 용액에 대한 폴리염화 바이페닐 분해 수준을 확인하였다.
도 1 내지 도 4에 나타난 바와 같이, 폴리염화 바이페닐 No. 7의 경우 실시예는 20분 이내에 90% 이상의 분해효율을 얻을 수 있었으며, Aroclor 1260의 경우 공기 내에서 약 70%, 아르곤 가스 내에서 약 50% 수준의 분해효율을 나타내었다. 반면, 비교예 1 및 2의 경우 대부분의 구간에서 실시예보다 낮은 분해효율을 나타내었다.
도 5 내지 7을 참조하면, x축 상의 순서대로 #18, #28, #31은 염소 3개를, #52, #44은 염소 4개를, #101, #118은 염소 5개를, #149, #153은 염소 6개를, #180, #170은 염소 7개를, #194는 염소 8개를 포함하는 폴리염화 바이페닐의 농도를 의미한다. 분해 결과를 살펴보면, 염소를 상대적으로 적게 포함하는 폴리염화 바이페닐의 농도가 염소를 많이 포함하는 폴리염화 바이페닐의 분해반응 진행으로 인해 초기 농도보다 증가하는 것이 일부 확인되었다. 또한, 일부 폴리염화 바이페닐의 분해되는 정도 혹은 분해 속도가 상대적으로 염소를 더 많이 포함하는 폴리염화 바이페닐보다 적거나 느린 것으로 나타났다.
탈염소화 반응의 진행률을 수치로 나타내면 하기의 표 1과 같이 정리된다.
| 폴리염화 바이페닐 No. 7 | Aroclor 1260 | |||||
| 실시예 | 비교예 1 | 비교예 2 | 실시예 | 비교예 1 | 비교예 2 | |
| Air | 21.6 % | 1.6 % | 25.5 % | 21.2 % | 6.8 % | 19.9 % |
| Ar | 23.0 % | 2.7 % | 29.6 % | 16.5 % | 1.7 % | 14.5 % |
탈염소 수준을 살펴보면 폴리염화 바이페닐 No.7의 경우 공기 조건보다 아르곤 조건에서 보다 높은 탈염소 반응이 일어났으나, Aroclor 1260의 경우 공기 조건에서 보다 높은 탈염소 반응이 일어났다. 결과적으로 염소를 적게 포함하는 폴리염화 바이페닐 No.7의 경우 환원 조건을 조성하는 것이 분해 및 탈염소 반응에 유리하며, Aroclor 1260의 경우 산화 조건을 조성하는 것이 유리한 것으로 확인되었다. 이는 Aroclor 1260이 다양한 종류의 폴리염화 바이페닐을 포함하고 있어 다양한 산화/환원 반응에 의해 폴리염화 바이페닐이 분해되고, 탈염소 반응이 일어나기 때문인 것으로 판단되었다.
분해 저해 요소 분석
본 발명에서의 대상 수용액에는 폴리염화 바이페닐 용해를 위한 메탄올이 포함되어 있는데, 이 메탄올로 인한 분해 반응의 저해 혹은 증진이 일어났을 것으로 예상되었다.
이를 확인하기 위해 초음파 캐비테이션 현상에 의한 라디칼 산화 반응을 시각적으로 확인할 수 있는 루미놀 시험을 수행하였다. 구체적으로, 도 9를 참조하면 순수한 루미놀 수용액 대비 메탄올의 존재 비율이 0.1%에서 2%까지 증가함에 따라 캐비테이션 반응의 정도 및 범위가 다소 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 메탄올로 인한 초음파 공정의 효율 저해가 폴리염화 바이페닐 분해 시에도 의미 있는 수준으로 있었을 것으로 판단하였다. 본 발명의 실시예에서의 메탄올 존재 비율은 약 0.3% 수준이었다.
이상과 같이 특정된 사항들과 한정된 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 이는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
Claims (11)
- 냉각 시스템, 초음파 캐비테이션 시스템 및 자외선 조사 시스템을 포함하는 폴리염화 바이페닐 제거 시스템으로,
액체를 담지할 수 있는 수조를 포함하며,
상기 냉각 시스템은 상기 수조 및 수조 내에 담지되는 액체를 냉각하여 18 내지 22℃로 유지하는 것이고,
상기 초음파 캐비테이션 시스템은 20 내지 500 KHz의 주파수를 갖는 초음파 탐침(probe)를 포함하며, 상기 수조 내에 초음파 탐침을 위치하고, 상기 초음파 탐침을 통해 초음파를 인가하는 것이고,
상기 자외선 조사 시스템은 100 내지 315㎚의 파장을 갖는 자외선 램프를 포함하며, 상기 자외선 램프를 통해 자외선을 인가하는 것이고,
상기 수조에 폴리염화 바이페닐 용액이 담지되는 것으로,
염소 원자가 3개 이하인 폴리염화 바이페닐에 대해서는 비활성 분위기를, 염소 원자가 4 내지 10개인 폴리염화 바이페닐에 대해서는 산화 분위기를 조성하는 것인 폴리염화 바이페닐 제거 시스템. - 삭제
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- 삭제
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- 냉각 시스템, 초음파 캐비테이션 시스템, 자외선 조사 시스템 및 수조를 포함하는 폴리염화 바이페닐 제거 시스템의 운용 방법에 있어서,
상기 냉각 시스템은 상기 수조 및 수조 내에 담지되는 액체를 냉각하여 18 내지 22℃로 유지하는 것이고,
상기 초음파 캐비테이션 시스템은 20 내지 500 KHz의 주파수를 갖는 초음파 탐침(probe)를 포함하며, 상기 수조 내에 초음파 탐침을 위치하고, 상기 초음파 탐침을 통해 초음파를 인가하는 것이고,
상기 자외선 조사 시스템은 100 내지 315㎚의 파장을 갖는 자외선 램프를 포함하며, 상기 자외선 램프를 통해 자외선을 인가하는 것이고,
상기 수조에 폴리염화 바이페닐 용액이 담지되는 것으로,
염소 원자가 3개 이하인 폴리염화 바이페닐에 대해서는 비활성 분위기를, 염소 원자가 4 내지 10개인 폴리염화 바이페닐에 대해서는 산화 분위기를 조성하는 것이며,
상기 수조 내에 위치하는 초음파 캐비테이션 시스템 및 자외선 조사 시스템을 동시에 사용하여 폴리염화 바이페닐의 분해를 15 내지 60분 동안 수행하는 것인 폴리염화 바이페닐 제거 시스템의 운용 방법. - 삭제
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| KR1020220012181A KR102603247B1 (ko) | 2022-01-27 | 2022-01-27 | 폴리염화 바이페닐 제거 시스템 및 이의 운용 방법 |
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