Determination of Optimized Operational Parameters for Photocatalytic Oxidation Reactors Using Factorial Design

The objective of this study is to determine the optimum conditions of operational parameters using factorial design for phenol degradation in photocatalytic oxidation reactors. Factorial design is widely used to select the dominant factors and their ranges in experiments involving several factors where it is necessary to study the effect of factors on a response. The effects of initial concentration of phenol, intensity of UV light and surface area of catalyst on phenol degradation were investigated. Two levels were considered in this study so that the experiment was a $2^3$ factorial design with three replicates. The experimental results show that an increase in initial concentration of phenol from 5 to 50 mg/L intensity of UV light from 5,000 to $20,000\;{\mu}W/cm^2$, and surface area of catalyst from 740 to $2,105\;cm^2$ enhanced the phenol degradation rate by an average of 1.86, 1.79, and 2.10 mg/L hr, respectively. Interaction effects do not appear to be as large on the phenol degradation rate as the main effects of single factors. The optimum working condition for photocatalytic oxidation reactors, despite the higher three factors the better removal rate, is the highest surface area or catalyst.

요인분석법을 이용한 광촉매 산화반응조의 최적 운영인자 도출

폐수내의 오염물질 제거를 위해 광촉매 산화반응조의 운영인자로 선택한 대상물질의 초기농도 자외선의 강도 촉매의 표면적에 대해 실험을 수행하여 각 인자 수준에 따른 페놀농도의 제거율을 조사하구 분산분석법을 통해 오차에 의한 영향을 평가하고, 요인분석법을 적용하여 각 인자 및 인자 사이의 상호작용 효과를 계산하여 광촉매 산화반응조의 최적운영 조건을 도출하였다. 광촉매 산화반응조의 실험인자로 선택한 페놀의 초기농도 자외선의 강도 촉매의 표면적이 페놀의 제거 량에 미치는 정도를 조사하기 위하여 각 인자의 수준을 3가지로 변화시키고 반복횟수 3회인 예비실험을 통해, 각 인자의 수준변화가 페놀의 제거에 영향을 미칠 수 있다는 것을 분산분석법으로 검증하였으며, 시간당 페놀 제거농도는 각 인자의 수준을 각각 50 mg/L, $20,000\;{\mu}W/cm^2$, $2,105\;cm^2$일 때 가장 높았다. 광촉매 산화반응조의 실험인자로 선택한 페놀의 초기농도, 자외선의 강도 촉매의 표면적이 각각 페놀의 제거에 미치는 영향과 인자와 인자 사이에 존재하는 상호작용의 영향을 규명하기 위하여 각 인자의 수준이 2가지이고 반복횟수가 3회인 요인분석 실험을 수행하였다. 페놀의 초기농도를 5에서 50 mg/L료 자외선 강도를 5,000에서 $20,000\;{\mu}W/cm^2$로, 촉매의 표면적을 740에서 $2,105\;cm^2$로 증가시킴으로써 얻을 수 있는 페놀농도의 제거율은 각각 1.86 및 1.79와 2.10 mg/L hr 이었으며, 인자와 인자 사이의 상호작용 효과는 페놀의 초기농도와 촉매의 표면적 사이에 존재하는 상호작용의 영향을 제외하고는 각 인자들의 주 효과에 비교하여 페놀의 제거농도에 미치는 영향이 상대적으로 적었다. 따라서 각 인자의 수준을 높은 방향으로 운영하는 것이 가장 많은 대상물질을 제거할 수 있지만, 광촉매 산화반응조로 유입되는 오염물질의 농도를 조절하기 곤란하고, 자외선의 강도 증가 또한 전력비등으로 한계가 예견되므로, 대상물질의 제거에 가장 큰 영향을 미치는 촉매의 표면적을 증가시키는 것이 광촉매 산화 반응조를 효율적으로 운영하는 방안이라고 판단된다.