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실험계획법 중 Box-Behnken(박스-벤켄)법을 이용한 반응성 염료의 광촉매 산화조건 특성 해석 및 최적화
Analysis of Characteristics and Optimization of Photo-degradation condition of Reactive Orange 16 Using a Box-Behnken Method

조일형   (서울대학교 보건대학원 환경보건학과UU0000691  ); 이내현   ((주) 전략 환경사업부  ); 장순웅   (경기대학교 환경공학과UU0000066  ); 안상우   (한국건설기술연구소 국토환경연구부CC0175585  ); 윤영한   (한국건설기술연구소 국토환경연구부CC0175585  ); 조경덕   (서울대학교 보건대학원 환경보건학과UU0000691  );
  • 초록

    [ $TiO_2/UV$ ] system에서 azo dye 중 반응성 염료의 광촉매 산화분해에 대한 연구를 수행하였다. 광촉매 산화공정은 다양한 인자에 의해 영향을 받으며 이런 인자들의 산화반응에서 효과 및 특성을 파악하고 예측식 모형을 추정하기란 매우 힘든 작업이다. 따라서 본 연구는 실험계획법 중 박스-벤켄법(Box-Behnken method)을 이용하여 2인자 3수준의 실험디자인으로 최적의 산화조건을 찾기 위한 실험을 수행한 결과는 다음과 같다. 본 실험에서 색도 제거율( $Y_1$ )의 반응모형에 가장 크게 영향을 끼치는 항은 주 효과(선형효과)와 교차항으로 나타났고 그 중 $x_2$ (dye concentration)가 가장 민감하게 반응모형에 영향을 받는 것으로 확인되었다. $COD_{Cr}(Y_2)$ 의 반응모형의 경우 $Y_1$ 의 모형과 마찬가지로 주 효과(선형효과) 및 교차항이 모델의 생성에 가장 중요한 모수로 작용하였지만 $Y_1$ 와 달리 $x_1(TiO_2)$ 및 $x_2$ (dye concentration) 모두 반응 모형에서 민감하게 서로 상호작용하며 영향을 주었다. 최적의 산화조건을 찾기 위해 정준분석 중 능선분석을 수행한 결과 $Y_1:(X_1,\;X_2)$ =(1.11 g/L, 51.2 (1.11 g/L, 51.2 mg/L), $Y_2:(X_1,\;X_2)$ =(1.42 g/L, 72.83 (1.42 g/L, 72.83 mg/L)의 결과를 얻을 수 있었고 모형의 검증결과 매우 높은 신뢰성을 보였다.


    The aim of our research was to apply experimental design methodology in the optimization of photocatalytic degradation of azo dye(Reactive orange 16). The reactions were mathematically described as a function of parameters amount of $TiO_2(x_1)$ , and dye concentration( $x_2$ ) being modeled by the use of the Box-Behnken method. The results show that the responses of color removal(%)( $Y_1$ ) in photocatalysis of dyes were significantly affected by the synergistic effect of linear term of $TiO_2(x_1)$ and dye concentration( $x_2$ ). Significant factors and synergistic effects for the $COD_{Cr}$ , removal(%)( $Y_2$ ) were the linear term of $TiO_2(x_1)$ and dye concentration( $x_2$ ). However, the quadratic term of $TiO_2(x_1^2)$ and dye concentration( $x_2^2$ ) had an antagonistic effect on $Y_1$ and $Y_2$ responses. Canonical analysis indicates that the stationary point was a saddle point for $Y_1$ and $Y_2$ , respectively. The estimated ridge of maximum responses and optimal conditions for $Y_1:(X_1,\;X_2)$ =(1.11 g/L, 51.2 (1.11 g/L, 51.2 mg/L) and $Y_2:(X_1,\;X_2)$ =(1.42 g/L, 72.83 (1.42 g/L, 72.83 mg/L) using canonical analysis was 93% and 73%, respectively.


  • 주제어

    아조다이 .   반응성 염료 .   박스-벤켄법 .   최적화 .   색도제거 .   $COD_{Cr}$ 제거 .   광촉매.  

  • 참고문헌 (10)

    1. Li, X. Z., Zhang, M., 'Decolorization and Biodegradability of dyeing wastewater treated by a $TiO_2$-sensitized photo-oxidation process', Water. Sci. Technol., 34(9), 49-55(1996) 
    2. Florence, B. M., Edith, P. C., Andre, M. B., Esther, O., 'Photocatalytic degradation of 2,4-dihydroxybenzoic acid in water: effiency optimization and mechanistic vestigations,' Journal of Photochemistry and Photobiology A; Chemistry, 108, 65-71(1997) 
    3. Morawski, A. W., Grzechulska, J., Kalucki, K., 'A New Method for Preparation of Photossium-Pillared Layered Titanate Applied in photocatalysis,' J. Phys. Chem. Soids., 57(6), 1011-1077(1996) 
    4. Kincl, M., Turk, S., Vrecer, F., 'Application of experimental design methodology in development and optimization of drug release method,' International journal of pharmaceutics, 34(3), 233 -233(2005) 
    5. 성내경, 실험설계와 분석, 자연아케데미(1988) 
    6. Balanosky, E., Lopez, A., Kiwi, J., 'Degradtion of naphthalene-l,5-disulphonate in a flow reater, Modelling via reduced dimensionless centered variables,' Journal of Photochemistry and Photobiology A; Chemistry, 119, 151-164(1998) 
    7. 조일형, 박재홍, 김영규, 이홍근, '반응표면분석법을 이용한 염색폐수의 광촉매 산화 처리조건의 최적화,' 물환경학회지, 19(3), 257-270(2003) 
    8. 곽재섭, '평면연삭에서 가공특성 평가 및 반응표면모델개발,' 대한기계학회논문집, 29(4), 614-623(2005) 
    9. Lundstedt, T., Seifert, E., Abramo, L., 'Experimental design and optimization,' Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, 42, 2-40(1998) 
    10. Box, G., Hunter, W. G,. 'Statistics for Experimenters: An Introduction to Design, Data Analysis, and Model Building,' Wiley(1987) 
  • 이 논문을 인용한 문헌 (12)

    1. Cho, Il-Hyoung ; Lee, Nae-Hyun ; Chang, Soon-Woong ; An, Sang-Woo ; Yoon, Young-Han ; Zoh, Kyung-Duk 2007. "Analysis of Removal Characteristics and Optimization of Livestock Wastewater using a Factorial Design in the Coagulation Process" 水質保全 = Journal of Korean Society on Water Quality, 23(1): 111~121     
    2. Park, Jae-Sang ; Chang, Soon-Woong 2007. "Characteristics of trace analysis of potential diesel oxygenates using the factorial design in solid-phase microextraction with GC/FID" 분석과학 = Analytical science & technology, 20(5): 370~382     
    3. Park, Jae-Sang ; Chang, Soon-Woong 2007. "Optimization Study of Trace Analysis of Potential Diesel Oxygenate Using the Design Of Experiment (DOE) in Solid-Phase Microextraction with GC/FID" 지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, 12(5): 73~85     
    4. Yu, Seung-Ho ; Cho, Il-Hyoung ; Chang, Soon-Woong ; Lee, Si-Jin ; Chun, Suk-Young ; Kim, Han-Lae 2008. "Decomposition Characteristics of Fungicides(Benomyl) using a Design of Experiment(DOE) in an E-beam Process and Acute Toxicity Assessment" 대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, 30(9): 955~960     
    5. Cho, Il-Hyoung ; Chang, Soon-Woong ; Lee, Si-Jin 2008. "Optimization and Development of Prediction Model on the Removal Condition of Livestock Wastewater using a Response Surface Method in the Photo-Fenton Oxidation Process" 대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, 30(6): 642~652     
    6. Song, Won-Yong ; Chang, Soon-Woong 2009. "The Study of Statistical Optimization of NDMA Treatment using UV-Process" 水質保全 = Journal of Korean Society on Water Quality, 25(1): 96~101     
    7. An, Sang-Woo ; Yoo, Ji-Young ; Choi, Jae-Young ; Park, Jae-Woo 2009. "Adsorption Characterization of Cd by Activated Carbon containing Hydroxyapatite using Response Surface Methodology (RSM)" 水質保全 = Journal of Korean Society on Water Quality, 25(6): 943~950     
    8. An, Sangwoo ; Choi, Jaeyoung ; Cha, Minwhan ; Park, Jaewoo 2010. "Adsorption Characterization of Cd by Coal Fly Ash Using Response Surface Methodology (RSM)" 한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, 11(1): 19~26     
    9. Chang, Soon-Woong ; Lee, Si-Jin ; Cho, Il-Hyoung 2010. "A study on the Degradation and By-products Formation of NDMA by the Photolysis with UV: Setup of Reaction Models and Assessment of Decomposition Characteristics by the Statistical Design of Experiment (DOE) based on the Box-Behnken Technique" 대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, 32(1): 33~46     
    10. Kim, Dong-Seog ; Park, Young-Seek 2010. "Disinfection of E. coli Using Electro-UV Complex Process: Disinfection Characteristics and Optimization by the Design of Experiment Based on the Box-Behnken Technique" 한국환경과학회지 = Journal of the environmental sciences, 19(7): 889~900     
    11. An, Sang-Woo ; Lee, Si-Jin ; Chang, Soon-Woong 2010. "Optimization Condition of Trace Analysis of Fuel Oxygenated Compounds Using The Design of Experiment (DOE) in Solid-Phase Microextraction with GC/FID" 지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, 15(1): 9~18     
    12. Chun, Sukyoung ; Chang, Soonwoong 2011. "Photocatalysis and Adsorption of Reactive Black 5(RB5) by HAP/TiO2 Media" 한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, 12(11): 31~37     

 저자의 다른 논문

  • 조일형 (17)

    1. 1999 "광촉매를 이용한 유기물과 Cr(VI)의 제거에 관한 연구" 大韓衛生學會誌 = The Korean journal of sanitation 14 (4): 21~28    
    2. 1999 "순환식 반응기에서 $TiO_{2}$ 광촉매를 이용한 Chromium(VI)의 제거에 미치는 영향인자에 대한 연구" 한국환경위생학회지 = Korean journal of Environmental Health Society 25 (3): 64~69    
    3. 2000 "$TiO_2$ 광촉매반응을 이용한 수중의 은이온 제거에 관한 연구" 大韓衛生學會誌 = The Korean journal of sanitation 15 (2): 58~64    
    4. 2000 "$TiO_2/H_2O_2/UV$ 공정을 이용한 염색폐수처리에 관한 연구" 大韓衛生學會誌 = The Korean journal of sanitation 15 (4): 26~34    
    5. 2000 "Fenton 및 Photo-Fenton 산화공정을 이용한 염색 폐수의 처리에 관한 연구" 한국환경위생학회지 = Korean journal of Environmental Health Society 26 (4): 29~37    
    6. 2000 "Fenton 산화를 이용한 김포매립지 침출수내 난분해성" 한국환경위생학회지 = Korean journal of Environmental Health Society 26 (4): 49~57    
    7. 2003 "환경영향평가에 있어서 보건영향평가의 방법, 절차 및 적용에 관한 연구" 환경영향평가 = Journal of environmental impact assessment 12 (3): 211~228    
    8. 2004 "인공습지를 이용한 축산폐수의 처리" 水質保全 = Journal of Korean Society on Water Quality 20 (2): 157~162    
    9. 2005 "주성분분석을 이용한 환경영향평가와 사후환경조사의 비교 및 평가에 관한 사례연구" 韓國環境保健學會誌 = Journal of environmental health sciences 31 (2): 134~146    
    10. 2006 "철 석출장치에 의한 폐수 중의 인 제거 특성" 韓國環境保健學會誌 = Journal of environmental health sciences 32 (1): 89~95    
  • 장순웅 (46)

  • 조경덕 (25)

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