광촉매 고정화 담체를 이용한 저분자 유기화학물질 제거 연구

Abstract

본 연구에서는 산업폐수 재이용시 문제가 되고 있는 저분자 유기화학물질들의 효과적인 분해방법에 주목하였고, 광촉매의 담체화를 통해 이들 물질들을 제거하고자 하였다. 또한 다양한 광촉매 담체중 최적의 광촉매 담체를 선정하여 실제 현장에서의 pilot plant 운전을 실시하고, 운전결과를 통해 재이용 공정에서의 추가처리 공정으로 적용이 가능한지를 확인하고자 하였다. 광촉매의 담체화는 3가지의 접근방법(sol-gel, Physical Vapor Deposition(PVD) 및 drop-casting)을 사용하여 효과적인 광촉매 담체를 제조하고자 하였으며, 모든 실험은 저농도에서 진행되는 점을 고려하여 최종생성물에서 유기물이 존재하지 않는 조건으로 실험을 실시하였다. 또한 추후에 진행될 pilot plant 운전을 위한 광촉매 담체 생산의 scale-up을 고려하여 생산공정을 최대한 단순화시켜 진행하였다. Sol-gel 광촉매 담체의 경우는 평균 100 ㎛ 크기의 중공비드의 표면에 titanium butoxide을 precursor로 이용한 sol-gel법을 사용하였으며, 최적화를 실시하여 평균 110 ㎚ 수준의 TiO2 layer를 가진 광촉매 담체를 얻어내었다. PVD 광촉매 담체의 경우는 평균 100 ㎛ 크기의 중공비드의 표면에 중공비드의 표면에 titanium을 sputtering하여 평균 120 ㎚ 수준의 TiO2 layer를 얻어낸 후 piranha solution 및 열처리를 실시하여 중공비드 표면에 광활성이 좋은 것으로 알려진 anatase상을 가진 광촉매 담체를 확보하였다. Drop-casting 담체의 경우는 지지체 역할의 액체유리, 액체유리의 안정성향상을 위한 ZnO, 광촉매 반응을 위한 TiO2 분말 및 수중에서의 유동을 고려하여 비중조절용 중공비드를 혼합하여 평균 5 mm 크기의 광촉매 담체를 제조하였다. 제조된 광촉매 담체를 이용하여 재이용시 문제가 된다고 알려진 6가지 유기화학물질(Acetaldehyde, Acetone, Acetonitrile, Ethanol, IPA, Methanol)의 제거실험을 실시하였으며, 그 결과 120 min 반응시에 PVD 광촉매 담체(98%) > sol-gel 광촉매 담체(95%) > drop-casting(74%) 광촉매 담체 순으로 제거성능을 보였다. 광촉매 담체들의 제거성능만을 비교해보았을 때 PVD 광촉매 담체의 제거효율이 98%로 가장 우수한 것으로 나타났으나, 경제성 측면에서는 drop-casting 광촉매 담체(192%) > PVD 광촉매 담체(136%) > sol-gel 광촉매 담체(100%)로 나타났다. 또한 동일시간당 생산량 측면에서 PVD 광촉매 담체는 sol-gel 광촉매 담체에 비해 13.6배 낮은 것으로 나타났으며, 생산량을 증가시키기 위해서는 추가적인 생산 설비가 필요한 단점이 존재하였다. 경제성 및 효율성 측면을 모두 고려하였을 때, sol-gel 광촉매 담체가 환경재료의 측면에서 가장 우수한 담체로 선정하였다. Sol-gel 광촉매 고정화 담체를 이용한 6가지 물질의 제거실험 간에 물질별로 제거정도에 차이를 보였으며, 그 원인을 알아보고자 물질별 광촉매 반응 메카니즘 및 반응경로를 우선적으로 확인하였다. 문헌조사 및 실험결과 6가지 물질들은 바로 제거되지 않고 일부만이 제거되었으며, 6종의 물질들 모두 최종적으로는 Formaldehyde의 형태를 거쳐 제거되는 것으로 확인되었다. 앞선 결과를 바탕으로 6가지 물질에 대한 광촉매 분해 과정을 모델링을 통해 예측해보았으며, 그 결과 LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) level 및 reaction energy를 조합해보았을 때 제거순서와 유사한 경향성이 나타났으나, Acetone과 Acetonitrile은 경향성이 반대로 나타났다. 최적의 광촉매 고정화 담체로 선정된 sol-gel 담체를 적용한 pilot plant 운전을 실시하였다. 그 결과 TOC 기준 유입원수 대비 광촉매/UV 처리는 평균 7.8%, 최종 RO 처리효율은 평균 95.5%를 나타냈다. 6종의 저분자 유기화합물질 중 Methanol의 경우는 광촉매/UV처리 공정에서 77.1%, 최종처리(RO)에서는 89.1%로 나타났다. Acetone, Acetonitrile, Acetaldehyde, Ethanol 및 IPA는 LOQ (limit of quantitation) 이하로 측정되었다. 앞선 연구를 통하여 개발된 광촉매 고정화 담체들을 이용한다면, 반영구적이며 추가적인 약품투입이 필요 없는 저분자 유기화학물질의 제거에 사용이 가능할 것으로 보이며, 이는 전자산업에서의 용수수급 방안중 하나인 폐수 재이용 기술에 중요한 요소기술로써 적합할 것으로 판단된다.