탄소 및 철 함유 물질과 perborate를 이용한 페놀의 산화

Abstract

본 연구에서는 perborate를 산화제로 사용하여 페놀과 반응시킬 때, 탄소 및 철 함유 물질을 촉매제로 첨가하는 고도산화처리 공정을 연구하였다. 페놀과 반응한 perborate는 탄소 및 철 함유 물질의 첨가로 활성화 되어 radical을 형성하고 페놀의 제거율을 촉진시킨다는 가설을 세웠고, 이를 규명하기 위한 회분식 산화실험을 진행하였다. 탄소 함유 물질로는 biochar, anode carbonaceous material (ACM), granular activated carbon (GAC), graphite를 사용하였다. biochar는 볏짚을 550 °C 온도에서 4 시간 열분해로 제조하였고, ACM은 자동차 폐 리튬이온 배터리를 회수하여 준비하였다. Perborate와 반응시킬 철 함유 물질로는 Fe(0)와 FeSO4를 사용하였다. 회분식 실험을 통하여 시간에 따른 페놀 제거율 데이터를 얻었으며, high-performance liquid chromatography (HPLC)를 사용하여 분석하였다. 또한 tert-butyl alcohol (TBA), 1,4-benzoquinone (para-BQ), furfuryl alcohol (FFA), NaN3를 사용한 quenching test를 진행하여 radical을 확인하였다. Electron Paramagnetic Resonance (EPR) 분석에는 5,5-Dimethyl-1-pyrroline N-oxide (DMPO) 와 2,2,6,6-tetramethylpiperidine 1-oxyl (TEMPO)를 사용하였다. 촉매반응으로 유리된 radical은 spin-trap제인 DMPO와 TEMPO에 반응해서 adduct를 생성하는데 이 물질을 EPR로 측정하였다. Perborate만 첨가한 때의 페놀 농도는 10시간 이후 약 7.3%가 감소하였다. 그리고 탄소 함유 물질만 첨가하였을 때 페놀 농도는 교반 10시간 이후 biochar 28.3%, ACM 13.4%, GAC 53.8%, graphite 46.2% 감소하였고, 철 함유 물질만 첨가하였을 때는 Fe(0) 0%, FeSO4 1%가 감소하였다. 반면 perborate를 첨가해 반응시켰을 때의 페놀 농도는 biochar 36.0%, ACM 69.2%, GAC 52.9%, graphite 52.3%, Fe(0) 98.6%, FeSO4 98.8%씩 감소하였다. 결과적으로 GAC를 제외한 나머지 물질들은 perborate를 첨가한 이후의 페놀 농도가 첨가하기 전보다 biochar 7.8%, ACM 55.8%, graphite 6.1%, Fe(0) 98.6%, FeSO4 97.8%가 증가하였다. Quenching test 결과 hydroxyl radical, superoxide radical, electron transfer를 확인하였다. 이 연구에서 탄소 및 철 함유물질이 perborate에 의해 페놀 제거를 향상시키는 것으로 밝혀졌다. 본 연구는 perborate가 고도산화처리 공정을 위한 유용한 대체 산화제가 될 수 있다고 보며, 탄소 및 철 함유물질이 perborate를 효과적으로 활성화시키는 촉매가 될 수 있음을 시사한다.