발열체와 microwave 조사를 이용한 고분자 유류오염토양 열탈착 처리에 관한 연구 :A study for the thermal desorption treatment of high molecular oil contaminated soil with heating elements and microwave radiation

오다경

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자료유형: 학위논문

저자정보: 오다경 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 이태진

발행연도: 2016

저작권: 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수10

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2016

발열체와 microwave 조사를 이용한 고분자 유류오염토양 열탈착 처리에 관한 연구

오다경 환경공학과 2016.01 학위논문

2015

마이크로파 조사와 발열체를 이용한 벙커C유 오염토양의 복원

오다경 , 이태진 대한환경공학회지 2015.08 학술저널

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본 연구에서는 microwave와 발열체를 이용한 열탈착에 관한 연구를 통해 벙커C유와 같은 고분자 유류오염토양의 효과적인 처리방안을 살펴보고, 그에 필요한 인자와 최적 운전조건을 도출하고자 하였다. microwave를 이용한 저온열탈착 시, 적정 전력량은 300 W부터 벙커C유를 저온열탈착 시키기에 충분한 온도 상승이 관찰되었다. 발열체는 Fe2O3과 활성탄, Fe3O4를 이용하였으며, 적정 발열체 함량은 Fe2O3의 경우 최대 온도가 100℃를 넘지 않아 발열체로서 부족함을 알 수 있었다. 활성탄의 경우 발열체 함량 25%에서 가장 높은 온도분포를 보였으며, Fe3O4의 경우 발열체 함량 10% 이상에서 모두 비슷한 온도 분포를 보였다. 발열체 별 적정 조사시간은 Fe2O3의 경우 조사시간이 지남에 따라 온도가 거의 변화하지 않았으며, 활성탄의 경우 조사시간이 증가함에 따라 온도가 증가해 회귀분석결과 최적조사시간은 4 min 이상, Fe3O4의 경우 3 min에서 최고온도가 관찰되어 회귀분석결과 2 min으로 분석되었다. 이후 고분자 유류인 벙커C유 95% 제거를 목표로, 선행연구에 따라 토양 내 수분은 20%로 고정한 후 반응표면분석법(response surface methodology, RSM) 중 중심합성계획법(central composite design, CCD)을 이용하여 microwave와 발열체를 이용한 저온열탈착 최적 운전조건을 도출하였다. 실험결과, 발열체로서 활성탄을 이용하여 벙커C유 95% 제거가 가능한 microwave 최적조건은 microwave 조사시간 5 min, 활성탄 비율 28.8%, microwave 전력 300 W로 분석되었으며, Fe3O4의 경우 95%의 벙커C유를 제거하기에는 충분하지 못한 제거율을 보여, microwave를 이용한 95% 이상의 벙커C유 제거 시 Fe3O4는 발열체로서 활성탄에 비해 큰 효과가 없는 것으로 보인다. Fly ash와 제강슬래그를 활성탄을 대신해 대체발열체로서 사용할 수 있을지 확인하기 위해서 발열체로서 fly ash와 제강슬래그를 사용하여 실험한 결과, fly ash의 경우 평균 제거율 21.8%, 제강슬래그는 24%의 벙커C유 제거 경향을 보여 fly ash와 제강슬래그 종류에 따른 제거율은 차이는 크게 없었다. 벙커C유와 마찬가지로 고분자 유류에 속하는 윤활유로 오염된 토양을 활성탄을 이용하여 처리 시, 평균 79.7%, Fe3O4을 이용하여 처리 시 평균 27.2%의 제거율을 보였다. Microwave를 이용해 유류오염토양을 처리 시 경제성 평가를 위해 전력비를 분석한 결과, 톤당 소요비용은 5,555.5 won/ton으로 산출되었다. 이는 기존의 선행연구보다 낮은 전력 및 조사시간, 비용으로 마이크로파를 이용한 저온 열탈착이 가능해, 본 연구를 통한 유류오염토양 처리 시 더욱 경제적으로 처리가 가능할 것으로 분석되었다. 본 연구에서 도출한 최적조건으로 경유로 오염된 현장토를 처리한 결과, 평균 78.2%의 제거율을 보여 본 연구에서 목표한 95%의 제거율에는 미치지 못했다. 이는 유류오염토양 내 낮은 활성탄 비율(6%)로 인해 활성탄이 충분히 유류오염토양의 온도를 올리지 못해, 유류가 microwave 기계 내에서 저온열탈착 되지 못한 것으로 사료된다.

This study explored effective ways of processing oil-contaminated soil containing high molecular such as bunker C oil through studying thermal desorption using microwave and heating elements to derive the necessary parameters and optimal operating conditions. When a low temperature thermal desorption microwave was used, the optimal power with sufficient rise in temperature from a low temperature thermal desorption was found to be 300 W for bunker C oil. When Fe2O3, activated carbon, and Fe3O4, were used as heating elements proper heating contents of Fe2O3 resulted in a maximum temperature. However an appropriate heating element should not result in temperature exceeding 100℃. When activated carbon was used as heating element, resulted in the highest temperature distribution when the in the heating element content was 25%. Fe3O4 content at 10% or showed similar temperature distribution. A appropriate irradiation time by changing the heating element temperature is not substantial enough to change Fe2O3 over time. For activated carbon, when the irradiation time and the temperature were increased in regression analysis, the optimum irradiation time was increased for more than 4 minutes. When Fe3O4 was used as heating element, maximum temperature was observed for three minutes. Based on logistic regression analysis, it was 2 minutes. After high molecular fuel of Bunker C oil was removed 95%, In accordance with results of previous study, the soil moisture was 20%. Response Surface Methodology(RSM) of the Central Composite Design(CCD) were used to derive the optimal operating conditions for microwave heating elements and low temperature thermal desorption. As a results, optimum microwave conditions using activated carbon Bunker C oil as heating element were capable of removing 95% of microwave irradiation time for 5 minutes, with activated carbon ratio of 28.8% based on, microwave power of 300 W. When Fe3O4 was used as heating element, it was found that it was not sufficient to remove the 95% bunker C oil. Fly ash and steel manufacture slag on behalf the activated carbon were also used as heating element in order to verify whether our results could be used as an alternative heating element. The average fly ash removal rate of 21.8%, while, steel manufacture slag removal rate was 24%, without fly ash and steel manufacture. When lubricating oil contaminated soil was treated with activated carbon as bunker C oil, an average removal rate was 79.7%, while Fe3O4 showed an average removal rate of 27.2%. Use a microwave analysis of electric power cost for economic evaluation of oil-contaminated soil during treatment, the cost per ton was calculated to be 5,555.5 won/ton. This irradiation time result in lower power compared to previous studies. Therefore, low temperature thermal desorption is possible using microwave. It was possible to analyze oil contaminated soil treatment more economically through this study. As a result for the treatment site with diesel contaminated soil, the best condition was derived from this study with an removal rate of 78.2%. The average removal rate of 95% could not be achieved in this study because. The temperature of the soil was not sufficiently raised to activated carbon oil pollution caused by oil pollution in soil activated carbon at low percentage (6%). Therefore, oil is not considered to be a low temperature thermal desorption in a microwave machine.

I. 서 론 1
1.1 연구의 배경 및 목적 1
1.2 연구의 내용 및 방법 3
II. 이론적 고찰 4
2.1 토양과 토양오염 4
2.1.1 토양의 정의 및 기능 4
2.1.2 토양오염의 정의 5
2.1.3 토양오염의 특징 5
2.2 토양오염 처리기술 6
2.2.1 토양오염 처리기술 6
2.2.2 토양오염 처리기술의 종류 8
2.3 국·내외 토양관리 법적기준 11
2.3.1 미국 11
2.3.2 영국 13
2.3.3 국내 14
2.4 열탈착공법 17
2.4.1 열탈착 공법의 정의 및 원리 17
2.4.2 열탈착 장치의 구성 18
2.4.3 영향인자 20
2.4.4 열탈착율 22
2.4.5 배출물질의 처리 23
2.4.6 저온열탈착 선행연구 24
2.5 마이크로파 25
2.5.1 마이크로파의 정의 25
2.5.2 마이크로파의 특징 25
2.5.3 마이크로파의 가열 28
2.5.4 마이크로파 장치 29
2.6 고온발열체 30
2.6.1 고온발열체의 종류 30
2.6.2 금속 발열체 30
2.6.3 비금속 발열체 30
2.6.4 기타 발열체 31
2.6.5 SiC 발열체 31
2.7 반응표면분석 32
2.7.1 반응표면분석 32
2.7.2 중심합성법 35
2.8 대체발열체 37
2.8.1 제강슬래그 37
2.8.2 Fly ash 38
III. 실험 장치 및 실험 방법 40
3.1 실험 재료 40
3.1.1 토양시료 40
3.1.2 발열체 41
3.2 실험 장치 42
3.2.1 Microwave applicator의 구성 및 사양 42
3.2.2 회화로 장치 44
3.2.3 TPH 분석 장치 45
3.3 실험 방법 47
3.4 분석 방법 48
IV. 실험 결과 및 고찰 51
4.1 열탈착 조건별 온도변화 51
4.1.1 Microwave 파장별 온도변화 51
4.1.2 발열체 농도별 온도변화 55
4.1.3 Microwave 조사시간별 온도변화 56
4.1.4 회화로 온도별 벙커C유 제거율 57
4.2 Lab-Scale 실험 59
4.2.1 활성탄 59
4.2.2 Fe3O4 68
4.2.3 활성탄 입도 별 벙커C유 제거율 74
4.2.4 회화로 실험(발열체 없이) 76
4.2.5 활성탄 흡착 79
4.2.6 대체발열체 실험(제강슬래그, fly ash) 81
4.2.7 윤활유 실험 82
4.2.8 경제성 평가 83
4.2.9 현장성 평가 85
V. 결 론 87
참고문헌 89
영문초록(Abstract) 95

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