가스의 유량변화에 따른 처리효율

가스유량은 플라즈마 반응기에 유입되는 가스분자의 수와 밀접한 관련이 있으므로 가스분자가 해리되어 생성되는 활성종의 수에 영향을 미치게 된다. 더불어 반응기 내에서 가스의 체류시간과 활성종과 오염물질의 반응체류시간에 영향을 주게 된다.

가스유량이 증가하면 반응기에 유입되는 가스의 양이 증가하게 되어 플라즈마 반 응과정에서 생성되는 활성종도 증가하게 됨으로써 수중의 오염물질을 분해시키는데 효과적이 될 수 있다. 하지만 유량을 일정기준 이상으로 증가시키면 플라즈마 반응기 내에서 가스의 체류시간이 줄어들어 이로부터 생성되는 활성종이 감소할 뿐만 아니라 활성종과 오염물질과의 접촉시간도 감소하여 오염물질의 분해효율을 떨어뜨릴 수 있다.⁹⁹⁾

가스유량 변화에 따른 항생제의 최적의 처리효율을 알아보기 위하여 초기농도 (C0) 50 mg/L의 STZ 용액을 대상으로 하여 인가전압 20.1 kV, 건조공기의 유량을 0.1 ～ 2.0 L/min으로 변화시키면서 처리시간에 따른 STZ의 초기농도(C0)에 대한 잔류농도(C)의 비인 분해정도(C/C0)를 Fig. 9에 나타내었다. 가스유량이 0.1, 0.2, 0.5, 1.0 1.5 및 2.0 L/min인 경우, 60 min의 플라즈마 처리 후 C/C0는 각각 30.82, 0.13, 0.00, 0.03, 0.39 및 1.64%로 나타났으며, 0.1 L/min에서 0.5 L/min까지는 가스유량을 증가시킴에 따라 항생제 용액 내 STZ의 잔류량은 감소하였으나 그 이후에는 가스유량의 증가에 따라 오히려 잔류량이 증가하는 결과를 나타내었다. 가스유량이 0.5 L/min일 때 STZ은 플라즈마 처리 50 min 후 완벽하게 분해되는 것으로 나타나 최적의 가스유량임을 알 수 있었다. 이러한 결과는 아래에서 언급되는 STZ의 분해속도식을 통해 구한 속도상수로부터 확인될 수 있다.

항생제의 처리공정의 설계에 있어서 분해속도의 산정은 중요하므로, 유량변화에 따른 분해반응에 대하여 1차 속도식(first order kinetic)과 2차 속도식(second order kinetic)을 적용하여 평가하였다.

할 수 있다.

 dt

dC  k_C (38)

 C

dC  k_dt (39)

여기서 k1는 1차 속도상수(1/min), t는 반응시간, C는 t에서 각 항생제의 농도이다.

이 식을 C=C0, t=0와 C=C, t=t의 조건을 적용하여 적분하면 다음과 같은 식이 된다.

ln C C_

 k_t (40)

따라서, 식 (40)을 시간 t에 대하여 ln (C0/C)를 도시하면 속도상수 k1을 구할 수 있다.

또한, 2차 속도식은 식 (41)과 같이 표현할 수 있다.

 dt

dC  k_C^ (41)

 C^

 dC  k_dt (42)

여기서 k2는 2차 속도상수(L/mg․min), t는 반응시간, C는 t에서 각 항생제의 농도이다.

이 식을 C=C0, t=0와 C=C, t=t의 조건을 적용하여 적분하면 다음과 같은 식이 된다.

C

  C_

  k_t (43)

따라서, 식 (43)을 시간 t에 대하여 1/C-1/C0를 도시하면 속도상수 k2를 구할 수 있다.

유입가스의 변화에 따른 각 항생제의 분해속도를 식 (40)의 1차 속도식과 식 (43)의

2차 속도식을 적용하여 구한 결과를 Fig. 10(a)와 (b)에 각각 나타내었으며, 이들 속도식으로부터 구한 분해속도상수(k1, k2)와 결정계수(r²)를 Table 16에 나타내었다.

Table 16에서 보는 바와 같이 1차 속도식의 경우 r²는 0.9116 ～ 0.9961이고 2차 속도 식의 경우 r²는 0.3078 ～ 0.9593으로 STZ의 가스유량에 따른 분해속도는 2차 속도 식보다는 1차 속도식에 더 잘 부합됨을 알 수 있었다. 가스유량이 0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 1.5 및 2.0 L/min일 때 1차 속도식으로 부터 구한 속도상수 k1은 각각 0.0192, 0.0956, 0.1821, 0.1225, 0.0845 및 0.0618 /min으로 가스유량이 0.5 L/min일 때 가장 빠르게 분해되는 것으로 나타났다.

즉, 가스유량이 0.5 L/min까지는 플라즈마 반응기에서 활성종이 증가하여 STZ의 분해능을 증가시키나 이 이상의 가스유량에서는 플라즈마 반응기에서 가스의 체류 시간이 줄어들어 생성되는 활성종이 감소하고, 또한 활성종과 STZ의 접촉시간도 감소하여 STZ의 분해효율을 감소시키는 것으로 판단된다. 따라서 오염물질의 처리시 최대 분해효율을 나타내기 위해서는 적절한 가스유량의 조절이 필요하다.

Time (min)

0 10 20 30 40 50 60

C /C 0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.1 L/min 0.2 L/min 0.5 L/min 1.0 L/min 1.5 L/min 2.0 L/min

Fig. 9. Effect of gas flow rate on the degradation of STZ (working gas: dry air, applied voltage: 20.1 kV, initial concentration: 50 mg/L).

(a)

Fig. 10. First order kinetics (a) and second order kinetics (b) for the degradation of STZ at different gas flow rates (working gas: dry air, applied voltage: 20.1 kV, initial concentration: 50 mg/L).

Gas flow (L/min)rate

First order Second order k1 (1/min) r² k2 (L/mg․min) r²

0.1 0.0192 0.9961 0.0007 0.9593

0.2 0.0956 0.9248 0.1137 0.3628

0.5 0.1821 0.9116 2.6202 0.3078

1.0 0.1225 0.9286 0.5231 0.3202

1.5 0.0845 0.9459 0.0442 0.4779

2.0 0.0618 0.9531 0.0116 0.5724

Table 16. Kinetic parameters for the degradation of STZ at different gas flow rates (working gas: dry air, applied voltage: 20.1 kV, initial concentration: 50 mg/L)