Journal of Korean Society of Environmental Engineers (대한환경공학회지)

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Performance Improvement of Dielectric Barrier Plasma Reactor for Advanced Oxidation Process

고급산화공정용 유전체 장벽 플라즈마 반응기의 성능 개선

  • 김동석 (대구가톨릭대학교 환경과학과) ;
  • 박영식 (대구대학교 기초교육원)
  • Received : 2012.02.21
  • Accepted : 2012.07.27
  • Published : 2012.07.30
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Abstract

In order to improved treatment performance of dielectric barrier discharge (DBD) plasma, plasm + UV process and gas-liquid mixing method has been investigated. This study investigated the degradation of N, N-Dimethyl-4-nitrosoaniline (RNO, indicator of the generation of OH radical). The basic DBD plasma reactor of this study consisted of a plasma reactor (consist of quartz dielectric tube, titanium discharge (inner) and ground (outer) electrode), air and power supply system. Improvement of plasma reactor was done by the combined basic plasma reactor with the UV process, adapt of gas-liquid mixer. The effect of UV power of plasma + UV process (0~10 W), gas-liquid mixing existence and type of mixer, air flow rate (1~6 L/min), range of diffuser pore size (16~$160{\mu}m$), water circulation rate (2.8~9.4 L/min) and UV power of improved plasma + UV process (0~10 W) were evaluated. The experimental results showed that RNO degradation of optimum plasma + UV process was 7.36% higher than that of the basic plasma reactor. It was observed that the RNO decomposition of gas-liquid mixing method was higher than that of the plasma + UV process. Performance for RNO degradation with gas-liquid mixing method lie in: gas-liquid mixing type > pump type > basic reactor. RNO degradation of improved reactor which is adapted gas-liquid mixer of diffuser type showed increase of 17.42% removal efficiency. The optimum air flow rate, range of diffuser pore size and water circulation rate for the RNO degradation at improved reactor system were 4 L/min, 40~$100{\mu}m$ and 6.9 L/min, respectively. Synergistic effect of gas-liquid mixing plasma + UV process was found to be insignificant.

유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge; DBD) 플라즈마의 처리 성능을 개선시키기 위하여, 플라즈마+ UV 공정과 기-액 혼합기의 적용에 대해 연구하였다. 처리 대상물질로는 표백효과에 의해 육안으로 쉽게 확인이 가능하고 분석이 간편한 OH 라디칼 생성의 간접 지표인 N, N-Dimethyl-4-nitrosoaniline (RNO)이었다. 기본 플라즈마 반응기는 플라즈마 반응기 [석영관 유전체, 티타늄 방전(내부) 전극, 및 접지(외부) 전극], 공기와 전원 공급장치로 구성되어 있다. 플라즈마 반응기의 개선은 기본 플라즈마 반응기에 UV 공정과의 결합, 기-액 혼합기의 적용에 의해 이루어 졌다. 플라즈마+ UV 공정의 UV 전력 변화(0~10 W), 기-액 혼합기의 존재 유무와 형태, 공기 유량(1~6 L/min), 산기관 기공 크기 범위(16~$160{\mu}m$), 액체 순환 유량(2.8~9.4 L/min) 및 개선된 플라즈마+ UV 공정에서 UV 전력의 영향 등이 평가되었다. 실험 결과 플라즈마+ UV 공정은 기본 플라즈마 반응기보다 RNO 처리율이 7.36% 높아진 것으로 나타났다. 기-액 혼합기의 적용이 플라즈마+ UV 공정보다 RNO 처리율이 더 높은 것으로 나타났고, 기-액 혼합법에 따른 RNO 분해는 기-액 혼합기 > 펌프 순환 > 기본 반응기의 순으로 나타났다. 산기관 형 기-액 혼합기에 의한 RNO 처리율 증가는 17.42%로 나타났다. 최적 공기 유량, 산기관 기포 크기 범위 및 순환 유량은 각각 4 L/min, 40~$100{\mu}m$와 6.9 L/min으로 나타났다. 기-액 혼합기 플라즈마+ UV공정의 경합으로 인한 시너지 효과는 미미한 것으로 나타났다.

Keywords

Acknowledgement

Supported by : 한국연구재단

References

  1. Clements, J. S., Sato, M. and Davis, R. H., "Preliminary investigation of pre-breakdown phenomena and chemical reactions using a pulsed high voltage discharge in water," IEEE Trans. Ind. Appl., IA-23, 32, 106-112(1987).
  2. Wang, H., Li, J., Quan, X. and Wu, Y., "Enhanced generation of oxidative species and phenol degradation in a discharge plasma system coupled with $TiO_2$ photocatalysis," Appl. Catal., 83, 72-77(2008). https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2008.02.004
  3. 김형석, 홍성진, "저온/상압 플라즈마 표면처리기술," 재료 마당, 17(4), 21-27(2004).
  4. Uhm, H. S., "Atmospheric plasma and its applications," J. Kor. Vacuum Soc., 15(2), 117-138(2006).
  5. Jung, J. K., "Generation apparatus and method on the water plasma torch with high-density," Korean Patent, 10-0924649 (2009).
  6. Qu, G., Z., Lu, N., Li, J., Wu, Y., Li, G. F. and Li, D., "Simultaneous pentachlorophenol decomposition and granular activated carbon regeneration assisted by dielectric barrier discharge plasma," J. Hazard. Mater., 172, 472-478(2009). https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2009.07.035
  7. Njatawidjaja, E., Sugiarto, A. T., Ohshima, T. and Sato, M., "Decoloration of electrostatically atomized organic dye by the pulsed streamer corona discharge," J. Electrost., 63, 353-359(2005). https://doi.org/10.1016/j.elstat.2004.12.001
  8. 정재우, Locke, B. R., "기체-액체 혼합 방전에 의한 화학적 활성종 생성 특성," 대한환경공학회지, 29(5), 556-563(2007).
  9. Lukes, P., Appleton, T. and Locke, B. R., "Hydrogen peroxide and ozone formation in hybrid gas-liquid electrical discharge reactors," IEEE Trans. Ind. Appl., 40, 60-67(2004). https://doi.org/10.1109/TIA.2003.821799
  10. Muhammad, A. M., Abdul, G. and Salman, A. M., "Water purification by electrical discharges," Plasma Sci. Technol., 10, 82-91(2001). https://doi.org/10.1088/0963-0252/10/1/311
  11. 김동석, 박영식, "수처리용 유전체장벽 플라즈마 반응기에 대한 기초 연구," 한국환경과학회지, 20(5), 623-630(2011).
  12. 박영식, 김동석, "산소 플라즈마 공정에서 $H_2O_2$와 $O_3$ 생성," 한국환경과학회 2011년 정기학술발표회 논문집, 한국환경과학회, 서울, 20, 180-182(2011).
  13. Li, M., Feng, C., Hu, W., Zhang, Z. and Sugiura, N., "Electrochemical degradation of phenol using electrodes of l / $RuO_2$- Pt and $Ti/IrO_2$-Pt," J. Hazard. Mater., 162, 455-462(2009). https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2008.05.063
  14. Andeozzi R., Caprio V., Amedo I. and Marotta R., "Advanced oxidation process (AOP) for water purification and recovery," Catal. Today, 53(1), 55-59(1999).
  15. 김동석, 박영식, "전기분해와 UV 조사에 의한 수중 Rhodamine B의 제거(2)," 한국환경과학회지, 18(6), 667-674(2009).
  16. 김동석, 박영식, "공기-플라즈마 방전 시스템에서 화학적 활성종의 생성에 대한 연구," 한국물환경학회지, 28(3), 401-408(2012).
  17. 김동석, 박영식, "전기+ UV공정에 의한 E. coli 불활성화," 한국물환경학회지, 25(5), 667-693(2009).
  18. 윤석현, "하이브리드 수중플라즈마 토치의 방전특성 연구," 석사학위논문, 경남대학교(2008).
  19. 여인호, 류승민, 박희경, "방전시스템(Discharged Water Generator) 을 이용한 난분해성 물질의 생분해능 향상에 관한 연구," 상하수도학회지, 20(1), 79-85(2006).
  20. 김동석, 송승구, 박영식, "E. coli 불활성화를 위한 단일 소독 공정의 비교," 한국생물공학회지, 25(1), 25-32(2010).
  21. Li, J., Sato., M. and Ohshima, T., "Degradation of phenol in water using a gas-liquid phase pulsed discharge plasma reactor," Thin Solid Films, 515, 4283-4288(2007). https://doi.org/10.1016/j.tsf.2006.02.070

Cited by

  1. A Study on the Ralstonia Solanacearum Inactivation using Improved Plasma Process vol.23, pp.3, 2014, https://doi.org/10.5322/JESI.2014.23.3.369