장민(환공 91) 교수 연구팀, 수중 항생제 산화 및 질산성-질소 탈질 동시 처리를 위한 DBD 플라즈마 탠덤3전극 펜톤 공정 개발

 

- Chemical Engineering Journal (JCR IF 13.4, JCR Rank: 3.1%) 과학전문지 게재 -

 

DBD 플라즈마 탠덤 3전극 펜톤 공정

  모교 환경공학과 황건덕 박사(제1저자), 윤소연, 장석범 박사, 누하슬리나, 종초은 박사, 장민 교수(교신저자, PBRC 부소장, 환경나노기술연구소(JENTL) 소장) 연구팀은 플라즈마바이오센터 최은하 교수와 함께 수중 항생제 및 질산성-질소를 동시에 효과적으로 제거하기 위한 DBD 플라즈마 탠덤 3전극 펜톤 공정을 개발하고 오염물질 제거 기작을 규명하였다. 유전체 장벽 방전(DBD) 플라즈마로 생성된 오존은 수처리에 높은 잠재력을 갖고 있지만, 낮은 용해도 및 일부 오염물질의 오존에 대한 저항성 등으로 인해 적용에 한계를 갖는다. 이번 연구에서는 연속적인 물 흐름조건에서 수질에 빈번하게 검출되고 있는 대표적 항생제인 설파메톡사졸 (SMX), 아목시실린 (AMX), 그리고 노르플록사신 (NOF)를 완벽하게 산화 분해 하고, 지하수에서 매우 빈번하게 검출되며 처리가 힘든 질산성-질소 (NO3-N)을 N2로 탈질-환원이 가능한 DBD 플라즈마와 결합된 탠덤 3전극 펜톤 (S-PEF) 공정을 최적화하고 처리 기작를 탐구하였다. 오존에 분해가능한 항생제인 SMX 및 AMX는 혼합 챔버에서 DBD 플라즈마 가스에서 대부분 분해되며, 잔류하는 SMX와 AMX, 그리고 오존 저항성이 높은 NOF는 혼합 챔버를 지나 텐덤 3전극 시스템의 양극 챔버에서 오존에서 전환된 하이드록실 라디칼에 의해 완벽하게 제거된다. 탠덤 3전극에서 특화된 Fe의 연속적 산화-환원 재생은 2차 Fe 슬러지 발생을 미연에 방지한다. 마지막으로, 산화구리 나노와이어(nano-wire)가 포함된 음극 챔버에서는 NO3-N과 NO2-N을 95% 이상의 선택도로 N2로 탈질화 된다. 이 순차적 처리 과정은 오존에서 전환된 하이드록실 라디칼(·OH)의 산화작용에 의해 폐수 내 CO32-와 부식산의 경쟁적 효과를 효과적으로 완화시킨다. S-PEF는 단독 플라즈마 처리에 비해 넓은 범위의 수온에 상관없이 모든 항생제를 완전히 분해하였으며, 생태적 구조-활성 관계(ECOSAR)와 대장균 살균 독성 평가에서 독성이 상당히 감소한 것으로 나타났다. 높은 경제성으로 인해 S-PEF 수처리 공정은 향후 폐수 및 지하수 처리를 위한 첨단 기술로 유망한 잠재력을 갖는다. 본 연구는 한국연구재단 교육부 지원 및 과학 기술정보통신부 지원을 통한 기초과학연구 지원사업(2021R1A6A1A03038785)으로 수행되었고. 연구결과는 과학전문지인 Chemical Engineering Journal (IF: 13.4, JCR rank: 3.1%) 2024년 10월20일자 온라인 판에 “Sequential DBD plasma-assisted tandem tri-electrodes Fenton process for enhanced antibiotics treatment and denitrification”의 제목으로 게재되었다. Web link : https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156930   출처 : 광운대학교 최신연구성과 (kw.ac.kr)