인가전압의 변화에 따른 처리효율

인가전압의 변화에 따른 항생제의 처리효율을 알아보기 위하여, 초기농도(C0) 50 mg/L의 STZ 용액을 대상으로 유입가스를 건조공기, 유량을 0.5 L/min으로 유지하면서 인가전압을 16.3 ～ 26.1 kV으로 변화시키면서 처리시간에 따른 STZ의 잔류농도(C)의 변화를 조사하여 Fig. 11에 나타내었으며, 각 인가전압에서의 방전전력은 Table 15에 나타내었다. Fig. 11에서 보여지는 바와 같이, 인가전압이 16.3 kV(방전전력 0.25 W)일 때 STZ은 플라즈마 처리 60 min이 경과된 후 초기농도의 약 50%만이 처리 되었으나 인가전압을 20.1 kV이상으로 증가시켰을 경우에는 완벽하게 처리되는 것 으로 나타났으며, 인가전압의 증가에 따라 100% 처리되는데 소요되는 시간은 점차 감소하는 것으로 나타났다. STZ 초기농도의 90%가 처리되는 데 걸리는 시간은 인가 전압이 16.3 kV를 제외한 18.4, 20.1, 21.4, 23.3, 24.7 및 26.1 kV일 때 각각 34.9, 23.4, 19.0, 16.9, 14.8 및 14.5 min이 걸리는 것으로 나타났으며, 인가전압의 증가에 따라 처리시간은 단축되었고 인가전압이 24.7과 26.1 kV일 때에는 거의 차이가 없는 것으로 나타났다.

Fig. 12는 인가전압의 변화에 따른 분해속도를 식 (40)의 1차 속도식 및 식 (43)의 2차 속도식에 적용하여 도시한 결과이며, 이로 부터 구한 속도상수(k1, k2)와 결정 계수(r²) Table 17에 나타내었다. Fig. 12 및 Table 17에서 보여지는 바와 같이 STZ의 인가전압의 변화에 대한 분해속도는 가스유량 변화와 마찬가지로 1차 속도 식에 잘 부합됨을 알 수 있었고, 인가전압이 16.3, 18.4, 20.1, 21.4, 23.3, 24.7 및 26.1 kV일 때 식 (40)의 1차 속도식으로 부터 구한 속도상수 k1은 각각 0.0122, 0.1100, 0.1821, 0.2087, 0.2121, 0.2275 및 0.2616 /min으로 처음에는 급격하게 증가하였으나 점차 완만하게 증가하는 경향을 나타내었다.

인가전압을 증가시키는 것은 방전전력을 증가시키는 것과 같은 의미이며, 방전전 력은 활성종의 생성에 있어 아주 큰 영향을 미치기 때문에 방전전력을 상승시키면 플라즈마 내에서 전자는 더 많은 에너지를 얻어 더 강력한 이온화를 일으키게 되므로 분해속도가 높아지게 된다.^26,99) 인가전압의 증가에 따라 STZ의 분해속도가 증가하는 것은 플라즈마내에서 O2의 해리속도를 상승시켜 STZ의 분해에 영향을 미치는 활성

대한 Tang 등²⁶⁾의 연구에서 인가전압의 증가에 따라 분해속도는 증가하였으나 일정 한 기준이상에서는 오히려 감소하였으며, 이는 과다한 방전전력 이상에서는 NOx 의 생성이 증가되고 이로 인하여 OH°의 생성속도가 감소하였기 때문이라고 하였 다. 하지만 본 연구에서는 플라즈마 반응기에서 사용가능한 최대의 인가전압인 26.1 kV(방전전력 9.51W)까지 증가하였으나 STZ의 분해속도가 감소되는 현상은 관찰 되지 않았다.

항생제 제거를 위한 처리시스템으로서 DBD 반응기의 타당성 검토를 위한 항목으로 운전비용의 산정은 매우 중요한 것이며, 이는 반응기의 에너지 효율을 구함으로써 평가할 수 있다.

인가전압의 변화에 있어서 처리시간에 따라 플라즈마 반응기에 투입된 에너지는 식 (44)에 의하여 구할 수 있다.

E  P × t (44)

여기에서, E는 투입된 에너지(delivered energy, J), P는 방전전력(W), t는 경과시간 (s)이다.

Fig. 11의 가스유량 0.5 L/min에서 각 인가전압에 따른 방전전력은 Table 15와 같고, 여기에 처리시간(t)를 곱하여 환산한 투입된 에너지에 대한 처리효율을 Fig.

13에 나타내었다. Fig. 13에서 보여지는 바와 같이, 인가전압이 16.3 kV(방전전력 0.25 W)일 때 60분의 처리시간 동안에 초기농도의 약 50%만이 처리되었으며, 이 때 반응기에 투입된 총에너지는 0.9 kJ이었다. 인가전압을 높여 방전전력을 증가시킴에 따라 60분의 처리시간 동안 STZ는 완전히 처리가 되는 것이 관찰되었으나 투입되 는 총에너지는 증가하였다. 인가전압(18.4, 20.1, 21.4, 23.3, 24.7 및 26.1 kV)에 따라 STZ 초기농도의 90%가 처리되는데 투입된 에너지는 식 (44)에 따라 각각 2.3, 4.0, 5.2, 6.8, 7.2 및 8.3 kJ로 나타났으며, 이를 단위질량당 필요한 에너지요구량으로 계산 하여 보면 각각 50, 88, 115, 151, 161 및 183 J/mg으로 인가전압을 증가시킬수록 단위질량당 처리시키는데 필요한 에너지요구량은 증가됨으로써 에너지효율은 나빠 지는 것으로 나타났다.

Fig. 14는 STZ이 90% 처리되는데 투입된 에너지와 처리시간에 대한 관계를 나타낸

것으로 항생제를 처리하는데 있어서 에너지와 처리시간과는 반비례의 관계에 있는 것을 알 수 있었다. 따라서 낮은 에너지는 긴 처리시간을 요구하고 과다한 에너지의 투입은 처리시간을 줄일 수는 있지만 운전비용을 증가시키는 원인이 되므로 효율적인 운전을 위해서는 폐수의 성상에 맞는 적절한 에너지의 투입이 필요하다고 사료된다.

Time (min)

0 10 20 30 40 50 60

C /C 0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

16.3 kV 18.4 kV 20.1 kV 21.4 kV 23.3 kV 24.7 kV 26.1 kV

Fig. 11. Effect of the applied voltage on the degradation of STZ (working gas: dry air, gas flow rate: 0.5 L/min, initial concentration: 50 mg/L).

(a)

Fig. 12. First order kinetics (a) and second order kinetics (b) for the degradation of STZ at different applied voltages (working gas:

dry air, gas flow rate: 0.5 L/min, initial concentration: 50 mg/L).

Applied voltage (kV)

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

16.3 0.0122 0.9955 0.0003 0.9813

18.4 0.1100 0.9214 0.2362 0.3585

20.1 0.1821 0.9116 2.6202 0.3078

21.4 0.2087 0.9289 0.9809 0.3982

23.3 0.2121 0.9599 0.2754 0.5855

24.7 0.2275 0.9459 0.2320 0.5262

26.1 0.2616 0.9380 0.5095 0.5255

Table 17. Kinetic parameters for the degradation of STZ at different applied voltages (working gas : dry air, gas flow rate : 0.5 L/min, initial concentration : 50 mg/L)

Delivered energy (kJ)

0 3 6 9 12 15

Degradation efficiency (%)

0 20 40 60 80 100

16.3 kV 18.4 kV 20.1 kV 21.4 kV 23.3 kV 24.7 kV 26.1 kV

Fig. 13. Degradation efficiency of STZ as a function of delivered energy at different applied voltages (working gas: dry air, gas flow rate:

0.5 L/min, initial concentration: 50 mg/L).

Specific input energy (kJ)

0 2 4 6 8 10

T re a tm e n t ti m e ( m in )

10 15 20 25 30 35 40

Fig. 14. Relationship between specific input energy and the treatment time required to 90% of STZ (working gas: dry air, gas flow rate: 0.5 L/min, initial concentration: 50 mg/L).