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(1)

오존을 산화제로 사용한 다양한 고급산화 공정에 의한 TNT Red Water 의 처리

전정철·권태옥·문일식 순천대학교공과대학화학공학과

540-742 전남순천시매곡동 315 (2007 1 3접수, 2007 2 9채택)

Treatment of TNT Red Water by the Ozone-based Advanced Oxidation Processes

Jun Chul Jun, Tae Ouk Kwon and Il Shik Moon

Department of Chemical Engineering, Sunchon National University, 315 Maegok-dong, Suncheon, Jeonnam 540-742, Korea (Received 3 January 2007; accepted 9 February 2007)

오존을중심으로한다양한조합의고급산화공정(advanced oxidation process: AOP)이용하여 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) 제조공정에서발생되는난분해성폐수인 red water(RW)유기물색도제거연구를수행하였다. 적용된

급산화공정은 O3, UV/O3, UV/O3/H2O2, UV/O3/H2O2/Fe2+공정이었으며, 유기물색도제거효과는 O3<UV/O3< UV/

O3/H2O2< UV/O3/H2O2/Fe2+공정의순서로나타났다. UV/O3/H2O2/Fe2+공정에서최적분해조건은오존유량 0.053 g/

min, H2O2 주입농도 10 mM, FeSO4주입농도 0.1 mM나타났으며, 90 min 동안유기물색도제거율은각각 96, 100%나타났다. tert-butyl alcohol(t-buOH)이용한수산화라디칼(hydroxyl radical : ·OH) scavenging 실험을

해오존에 UV, H2O2, FeSO4를산화제로조합함으로써수산화라디칼의발생량을더욱증가시키고유기물제거율을 효과적으로향상시킬수있음을확인하였다.

Abstract −Several combinations of ozone based advanced oxidation processes were tested for the treatment of red water (RW) containing recalcitrant chemical pollutants produced from 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) manufacturing pro- cess. O3, UV/O3, UV/O3/H2O2, UV/O3/H2O2/Fe2+ processes were tested for the treatment of RW. The order of organic and color removal efficiency was found to be : O3≤UV/O3< UV/O3/H2O2< UV/O3/H2O2/Fe2+. The optimum condi- tions for the removal of organic and color in the UV/O3/H2O2/Fe2+ process were 0.053 g/min of ozone flow rate, 10 mM of H2O2 concentration and 0.1 mM of FeSO4 concentration. Organic and color removal efficiencies were 96 and 100 % respectively in the UV/O3/H2O2/Fe2+ process. tert-butyl alcohol (t-buOH) was used as the hydroxyl radical scavenger.

Enhancement of hydroxyl radical production was achieved by the combination of ozone with several oxidants such as UV, H2O2, Fe2+.

Key words: 2,4,6-trinitrotoluene, Red Water, AOP, Ozone, Hydroxyl Radical

1. 서

폭발물제조및군사용으로주로사용되고있는 2,4,6-trinitrotoluene (TNT)은전세계적으로연간 900 m3가생산되고있다[1]. TNT를 제조하는공정에서는 iso-TNT를 cellulite 수용액으로세척하는과 정과 TNT를축중합하는과정에서 hexanitrobibenzene(HNB)을함 유한유색폐수가다량발생되는데, 폐수의색이붉은색을띄고

어주로 red water(RW)라불린다[2, 3].

이와같이 TNT의제조공정중에서발생되는 RW는폐수의발생 특성상난분해성유해물질로널리알려져있는 nitro aromatic 화

합물의일종인 iso-TNT, iso-dinitrotoluene(DNT), HNB, nitrobenzene

(NB) 등을주로함유하고있어자연계로배출될경우심각한환경

문제를유발하게된다[4, 5]. RW구성하고있는주요성분인 TNT

의경우 EPA(USA)에의해 C-class 발암물질로지정되어있고, DNT

성분은인체와접촉시피부염등을유발하며, NB 성분은 micro

pollutant의일종으로동물체내에서오랫동안잔류하며신경독성,

간독성, 접촉성피부염을유발하는것으로알려져있다[6, 9]. 이와

함께 TNT 제조공정폐수의붉은색상을유발하는 HNB 성분은아

직구체적인환경오염사례는보고되지않았으나시각적, 심미적으 로악영향을미치고있다. 따라서이들성분들이자연계로그대로 배출될경우수중에서는높은 COD 부하를유발하며, 생물학적

해의강한내성으로인해심각하고지속적인토양과지하수의오염

To whom correspondence should be addressed.

E-mail: [email protected]

(2)

을유발하게된다[1, 7-8].

현재전세계적으로 TNT 제조공정에서발생되는 RW를처리하 는대표적인방법으로는미국에서주로이용되고있는입상활성탄

(granular activated carbon : GAC)을이용한흡착제거방법과, 우리 나라에서사용되고있는고온소각공정이있다. 활성탄을이용한

착제거방법은흡착에사용된폐활성탄을재생하거나처리하는데 많은비용이들어비경제적이며[8], 국내에서사용되고있는소각 공정은다량의 NOx및 SOx의발생으로인한 2차환경오염물질의 발생위험과이를처리하기위한복잡한 2처리설비등의문제

점을안고있다.

따라서 TNT 제조공정에서발생되는 RW와같은난분해성오염

물을효과적으로처리하기위해최근개량된박테리아및식물을 이용하는다양한생물학적처리, 알칼리환원법에의한화학적

리, 방사선조사에의한처리, 초임계유체를이용한처리, 높은산 화력의수산화라디칼을이용한고급산화공정을이용한처리등다

양한연구가활발히진행되고있다[9-13].

이중고급산화공정(advanced oxidation process : AOP)은일반 적으로수처리공정에이용되는산화제(Cl2, ClO2, OCI-)보다강력

한산화전위(2.83 V)를갖는수산화라디칼(hydroxyl radical : ·OH)

을이용하여난분해성유기물을 H2O와 CO2로완전산화분해시키

는기술이다. 식 (1)~(4)에일반적인수산화라디칼에의한유기물

의분해반응메커니즘을나타내었다[17].

(1) (2) (3) (4)

최근 기존의 UV와 TiO2 광촉매를이용한광촉매산화(photo- catalytic oxidation), H2O2와 Fe(II, III)를이용한펜톤산화(fenton

oxidation), 강력한 산화력의 오존을 이용한 오존 산화 공정

(ozonation) 등의고급산화공정에서유기물분해효율을효과적으로

향상시키기위해 UV와 O3을결합한 UV assisted ozonation(UV/O3), O3와 Fe, Mn 등의금속촉매를결합한 catalytic ozonation(O3/Fe, Mn, Al etc.), UV와펜톤공정을결합한 photo-fenton(UV/H2O2/Fe(II,III)), O3와 photo-fenton 결합한 ozone assisted photo-fenton(UV/O3/ H2O2/Fe(II, III)) 공정등다양한산화제및기존고급산화공정간의 최적조합을통해난분해성유기물의처리효율을향상시키기위한 많은연구들이수행되고있다[13-20].

이에본연구에서는높은산화력의오존을중심으로한다양한

고급산화공정을이용하여 TNT 제조공정에서발생되는 RW의유

기물및색도제거연구를수행하였으며, 각공정에서오존에의한 직접산화와수산화라디칼에의한간접산화의영향및최적처리 조건을산출하였다.

2. 실

2-1.실험 재료

실험에사용된 RW 폐수는국내 “H”사의 TNT 제조공정에서

생되는실제폐수를증류수로 100배희석하여이용하였으며, 희석

된폐수의유기물농도는 CODcr기준 350 ppm, 색도는 8,000 PCU (platinum cobalt unit), pH는 6이다. Table 1에실험에사용된 RW

폐수의주요성상을나타내었다.

본연구에사용된시약은모두 analytical grade로서 H2O2(35%)

는 daejung chemical & metals co. ltd.(Korea), FeSO4(98%) junsei chemical co. ltd.(Japan)에서, pH 조절제로는 HNO3(65%)와 NaOH (98%)를 daejung chemical & metals co. ltd.(Korea), 수산화라디칼 의 scavenger로이용된tert-butyl alcohol(99%)은 junsei chemical co.

ltd.(Japan)에서각각구입하여사용하였다.

2-2.실험장치 및방법

고급산화공정실험에사용된실험장치를 Fig. 1에나타내었다.

실험에사용된반응기는 pyrex 재질의직경 55 mm, 높이 450 mm

의원통형(cylinder) 광반응기를사용하였으며, 실험에사용된용액 의부피는 1 L로하였다. 광반응에사용된 UV 장치는 RPR 213 UV 반응기(southern new england ultra violet co. ltd., USA)를사용 하였으며, UV 램프는 1.65×1016 sec/cm3,254 nm, 35 W저압

은(mercury vapor) UV 램프(philips, USA) 6개를사용하였다. .OH RH+ →H2O+.R

.R H+ 2O2ROH+.OH .R O+ 2→.ROO

.ROO RH+ →ROOH+.R

Fig. 1. Schematic diagram of AOP experimental apparatus.

Table 1. Characteristics of wastewater produced from TNT manufacturing process

CODcr 350 ppm

Color 8,000 PCU

pH 6

Composition

Water 98.8%

Organics 1.2%

2,4,5-TNT-3-SO3Na 0.495%

2,3,4-TNT-3-SO3Na 0.209%

2,3,6-TNT-3-SO3Na 0.044%

2,4,6-TNT-3-SO3Na trace

Hexanitrobibenzene 0.353%

2,4-DNT 0.022%

α-TNT trace

etc. 0.076%

(3)

오존발생기는최대 0.266 g/min발생용량을가지고있는산소

발생기가부착된 PC-56 오존발생기(ozonetech co. ltd., Korea)를 사용하여실험에필요한오존량을발생시켜공급하였으며, 오존용

해도를높이기위해세라믹재질의분산기(diffuser)를장착하였다.

반응후잔여오존은오존분해장치 10 LDP(ozonetech co. ltd.,

Korea)를이용하여완벽히처리후공기중으로배출하였다.

2-3.분석 방법

본실험에서고급산화공정에의한 RW처리효율을판단하는

주요인자로화학적산소요구량(chemical oxygen demand : COD)

및색도(color) 변화를이용하였다. 유기물의농도측정을위한 COD

분석은 DR 2500(Hach Company, USA)을이용한크롬법으로측정 하였다.

COD 측정시샘플에잔류하고있는 H2O2는 MnO2를이용하여 제거하였으며, 잔류오존은 50oC에서중탕가열하여제거하였다.

모든샘플은분석전에 0.2µm 실린지필터(advantec, Japan)를이 용하여다시한번여과하였다.

COD함께다른주요인자인색도변화는비색법을이용하여

hazen unit 또는 platinum cobalt unit(PCU) 이라고불리는 PCU를 측정하였다. PCU 색도의측정은 Hi-93727 색도계(HANNA instruments co. ltd., Italy)를이용하였다.

3. 결과 및 고찰 3-1. O3공정

오존은오존분자가가지는높은산화력(2.07 V)뿐만아니라,

존의자가분해에의해발생되는수산화라디칼(2.83 V)을동시에유 기물분해에이용할수있는장점이있다. 이에오존단독공정에의 한 RW의유기물및색도제거실험을수행하였으며, 그결과를 Fig. 2

에나타내었다. 초기 pH 6, 반응온도는실온에서오존의주입

량을 0.026~0.206 g/min으로달리하며주입된오존유량에따른 RW

의유기물및색도제거실험을수행하였다.

Fig. 2(a)에보인바와같이 RW의유기물제거율은오존주입유량

에비례하여증가하였으며, 오존의주입유량이 0.053 g/min까지증 가할때는유기물제거율도급격히증가하는것으로나타났으나,

0.053 g/min 이상에서는주입되는오존유량에대한유기물제거율

이서서히둔화되는것으로나타났다. 오존단독공정에서의최적오 존주입유량은 0.053 g/min 이었으며, 90 min 동안 RW의유기물 제거율은 80%였다. 또한, Fig. 2(b)에나타낸오존주입유량에따른

RW색도제거실험결과에서도최적오존주입유량은 0.053 g/min

이었으며, 45 min 이내에 99%의색도가제거되는것으로나타났다.

전체반응시간인 90 min 동안에 RW의유기물제거율은 60~90%

수준인데비해색도제거율은 45 min 이내에 95~99%의높은제거 율을보임으로써오존에의한분해반응에서는유기물의제거율에 비해색도제거효율이상대적으로매우높은것으로나타났다.

3-2. UV/O3공정

Fig. 3에오존공정에서 UV 조사가 RW의유기물및색도제거 에미치는영향을나타내었다. 주입된오존유량은오존단독공정

에서의최적주입량인 0.053 g/min으로하였으며, 초기 pH 6, 반응 온도는실온에서실험을수행하였다. Fig. 3(a)에보인바와같이 UV/O3

공정에서 RW의유기물제거율은오존단독공정에비해약 5~8%

정도낮은것으로나타났으나, Fig. 3(b)색도제거효과는오존

독공정과유사하게나타났다. 이는 RW의높은색도에의해 UV가 용액내로깊이침투하지못하여수산화라디칼을효과적으로생성

시키지못하였기때문으로판단된다[25].

3-3. UV/O3/H2O2공정

Beltron-Heredia 등[14-19]은오존공정에 UV 또는 H2O2를산화 제로조합함으로써수산화라디칼의발생량을증가시켜유기물및 색도제거효율을향상시킬수있음을보였다. 이에오존공정에 UV

Fig. 2. Effect of ozone flow rates on the degradation of COD (a) and color (b) in the O3 process (initial pH: 6, room temp.).

Fig. 3. Effect of UV irradiation on the degradation of COD (a) and color (b) in the O3 process (O3 flow rate: 0.053 g/min, initial pH: 6, room temp.).

(4)

와 H2O2를산화제로결합한 UV/O3/H2O2공정에의한 RW의유기 물및색도제거실험을수행하였으며, 그결과를 Fig. 4에나타내 었다. 실험은초기 pH 6에서 UV 조사와함께 0.053 g/min일정

한오존유량하에서 H2O2의주입농도를달리하며수행하였다. Fig.

4(a)에 H2O2주입농도에따른 RW의유기물제거실험결과를나타 내었으며 H2O2의주입농도가증가할수록유기물제거율도증가하 였으나, H2O2의주입농도가 10 mM 이상에서는유기물제거율이

더이상크게증가하지않음을알수있었다. UV/O3/H2O2공정에 서최적 H2O2주입량은 10 mM로나타났으며 90 min 동안 80%의 유기물제거율을보였다. UV/O3/H2O2공정에서 90 min 동안의유 기물제거율은오존단독공정에비해큰차이를보이지않았으나,

오존단독공정에서는초기 30 min 동안 60%의유기물제거율을보 인반면, UV/O3/H2O2 공정에서는 75%의유기물제거율을보여오 존단독공정에비해반응초기의유기물제거율이증가한것으로 나타났다. UV/O3/H2O2공정에서반응시간 30 min 이후에서는

기물의제거율이더이상증가하지않고일정하게안정화되는것 으로나타났다. Fig. 4(b)에 UV/O3/H2O2공정에의한 RW의색도 제거실험결과를나타내었다. H2O2의주입량이 10 mM 일때색 도제거율도가장높았으며, 30 min 이내에 99% 이상의색도가제 거되는것으로나타났다. 그러나 H2O2의주입농도가 10 mM 이상

에서는유기물제거율과동일하게색도제거율도더이상증가하지 않는것으로나타났으며, 이는과량으로주입된 H2O2가수산화라 디칼과반응하여수산화라디칼보다반응성이떨어지는과산화라 디칼(hydroperoxyl radical:·O2H)형성하기때문인것으로보인다[22, 23].

3-4. UV/O3/H2O2/Fe2+공정

Beltran-Heredia [14, 19, 24]오존공정과 photo-fenton(UV/

H2O2/Fe2+)공정을결합한 UV/O3/H2O2/Fe2+공정에의해오존및

photo-fenton 단독공정에비해적은산화제의사용으로도효과적으

로유기물제거율을향상시킬수있음을보였다. Fig. 5에 UV//O3/ H2O2/Fe2+공정에의한 RW유기물색도제거실험결과를나타

내었다. Fig. 5(a)는오존주입유량을 0.053 g/min, H2O2의주입농 도는 10 mM로고정한후 FeSO4의주입농도를 0.04~1.0 mM로증 가시켜가며 FeSO4의주입농도가 RW의유기물분해에미치는영향 을나타낸것이다. 주입된오존유량과 H2O2농도는앞선 O3, UV/

O3/H2O2공정실험결과에서얻어진최적주입량을선택하였다. 최 적 FeSO4농도는 0.1 mM이었으며, 그때의유기물제거율은 96%

였다. FeSO4의주입농도가 0.1 mM 이상에서는오히려유기물제 거율이감소하는것으로나타났는데이는 Behnajady Montaser[23, 25]의연구결과에서와같이과량으로주입된 FeSO4가오히려수산 화라디칼의 scavenger로작용하였기때문인것으로판단된다. 또한초 기 30 min 동안의유기물제거율도 O3, UV/O3/H2O2공정에서의 60, 75% 보다높은 87% UV/O3/H2O2/Fe2+공정이높은것으로

타났다. Fig. 5(b)는 UV/O3/H2O2/Fe2+공정에서 RW의색도제거실 험결과를나타낸것으로, 최적 FeSO4주입농도는 0.1 mM이었으며,

색도제거율역시 O3, UV/O3/H2O2공정보다높게나타났다. 또한

UV/O3/H2O2/Fe2+공정에서는반응초기 20 min 이내에 99%의높 은색도제거율을얻을수있었다. Fig. 6연구에서검토된 O3, UV/O3, UV/O3/H2O2, UV/O3/H2O2/Fe2+공정에서의유기물제거효과 를비교하였다. 각공정의최적분해조건은다음과같다. 모든실 험은초기 pH 는 6, 온도는실온에서진행되었으며, O3공정에서의 최적주입유량은 0.053 g/min, UV/O3/H2O2공정에서의최적오존 주입유량및 H2O2농도는각각 0.053 g/min, 10 mM, UV/O3/H2O2/ Fe2+공정에서의최적오존주입유량및 H2O2, Fe2+농도는각각

0.053 g/min, 10 mM, 0.1 mM 이었다. 각고급산화공정의최적분 해조건에서의전체유기물제거율은 O3(80%), UV/O3(77%), UV/

O3/H2O2(80%), UV/O3/H2O2/Fe2+(96%)로오존공정에산화제로

Fig. 4. Effect of H2O2 concentration on the degradation of COD (a) and color (b) in the UV/O3/H2O2 process (O3 flow rate: 0.053

g/min, initial pH: 6, room temp.). Fig. 5. Effect of FeSO4 concentration on the degradation of COD (a) and color (b) in the UV/O3/H2O2/Fe2+ process (O3 flow rate:

0.053 g/min, H2O2 conc.: 10 mM, initial pH: 3.5, room temp.).

(5)

UV와 H2O2, FeSO4를조합함으로써초기유기물분해속도와전체 유기물제거율을효과적으로향상시킬수있음을확인할수있었다. Table 2에각각의고급산화공정에서반응시간 30 min, 90 min에서 의유기물및색도제거율을나타내었다.

3-5.고급산화공정을이용한 RW의 유기물분해에서직접산화 와간접산화의영향

오존을이용한고급산화공정에서유기물의분해는오존분자에 의한직접산화와오존분자의해리에의해발생되는수산화라디칼 에의한간접산화가동시에작용하게된다[24, 26, 27]. 이에 RW의 유기물및색도제거연구에서적용된 O3, UV/O3/H2O2, UV/O3/ H2O2/Fe2+공정에서의직접산화와간접산화의영향을비교하였으며,

그결과를 Fig. 7에나타내었다. 일반적으로오존을이용한고급산

화공정에서는낮은 pH 에서는오존분자에의한직접산화가, 높은

pH 에서는오존분자의해리에의해발생되는수산화라디칼에의

한간접산화가우세한것으로알려져있다[26, 27]. 본실험에서는 수산화라디칼의 scavenger로tert-butyl alcohol(t-buOH)[26-28]을 사용하였으며, tert-butyl alcohol주입농도에따른수산화라디칼 scavenging 예비실험을거쳐 20 mM의최적주입농도를선정하 였다. 각각의고급산화공정에서최적의유기물제거율을보인실험 조건에서수산화라디칼의 scavenging 실험을수행하였다. Fig. 7에 보인바와같이오존을이용한다양한고급산화공정에서유기물의 분해는주로수산화라디칼에의한간접산화에의해이루어졌음을 알수있었다. 또한오존단독공정에서 UV/O3/H2O2, 그리고 UV/

O3/H2O2/Fe2+공정으로갈수록오존분자에의한직접산화보다수 산화라디칼에의한간접산화의영향이큰것으로나타났으며,

와같은결과에의해오존에 UV, H2O2, Fe2+를조합함으로써수산 화라디칼의발생을효과적으로증가시켰음을간접적으로확인할 수있었다.

4. 결

본연구에서는오존을중심으로한 O3, UV/O3, UV/O3/H2O2, UV/

O3/H2O2/Fe2+공정에서 TNT 제조공정중발생되는 RW의유기물 및색도제거실험을수행하였으며, 각각의공정에서최적분해조

건을도출하였다. RW의유기물및색도제거효율은 UV/O3/H2O2/Fe2+

> UV/O3/H2O2 > O3≥UV/O3공정순으로나타났으며, 오존에 UV

와최소한의 H2O2(10 mM), Fe2+(0.1 mM)를추가산화제로조합함 으로써수산화라디칼의발생량을효과적으로증가시킬수있었다.

또한이를통해전체반응시간동안오존단독공정에서얻은 80%

의유기물분해율을 UV/O3/H2O2/Fe2+공정에서는 96%로증가시킬 수있었으며, 동일한 80%의유기물분해율을얻는데필요한처리 시간은오존단독공정에서의 90 min에서 UV/O3/H2O2/Fe2+공정에

서는 20 min 이내로효과적으로단축시킬수있음을알수있었다.

Fig. 6. Comparison of organic removal efficiency in the different AOP processes (O3 flow rate: 0.053 g/min, H2O2 conc.: 10 mM, FeSO4

conc.: 0.1 mM, room temp.).

Table 2. Organic (a) and color (b) removal efficiency of RW in the different advanced oxidation processes

(a)

System CODcr values (ppm) COD removal

0 min 30 min 90 min (%) O3

350

145 69 80

UV/O3 173 80 77

UV/O3/H2O2 89 70 80

UV/O3/H2O2/Fe2+ 49 14 96

(b)

System Color values (PCU) Color removal

0 min 20 min 90 min (%) O3

8,000

574 50 99

UV/O3 640 50 99

UV/O3/H2O2 220 45 99

UV/O3/H2O2/Fe2+ 120 0 100

Fig. 7. Direct and indirect oxidation ratio on the organic degradation in the different AOP processes (t-buOH: 20 mM, O3 flow rate:

0.053 g/min, H2O2 conc.: 10 mM, FeSO4 conc.: 0.1 mM, room temp.).

(6)

RW유기물색도제거효율이가장높은 UV/O3/H2O2/Fe2+

정에서의최적분해조건은오존주입유량 0.053 g/min, H2O2주입 농도 10 mM, FeSO4주입농도 0.1 mM이었으며, 그때의유기물및

색도제거율은각각 96, 99% 이었다. 이와같은실험결과로오존

을중심으로한다양한산화제의조합을통해 TNT 제조공정에서

발생되는 RW를효과적으로처리할수있는가능성을확인할수 있었다.

본연구는산업자원부의출연금으로수행한 “지역협력연구사업

(RIC)”과 2003년부터 2006년까지수행된산업자원부와한국산업기 술재단의 “지역혁신인력양성사업일부로수행되었으며, 이에

사드립니다.

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수치

Fig. 1. Schematic diagram of AOP experimental apparatus.
Fig. 2. Effect of ozone flow rates on the degradation of COD (a) and color (b) in the O 3  process (initial pH: 6, room temp.).
Fig. 4. Effect of H 2 O 2  concentration on the degradation of COD (a) and color (b) in the UV/O 3 /H 2 O 2  process (O 3  flow rate: 0.053
Table 2. Organic (a) and color (b) removal efficiency of RW in the different advanced oxidation processes

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