Hydrothermal Process에 의해 제조된 광촉매를 이용한

Paraquat의 분해

류천수, 유미진, 이준철, 김문선, 김병우

성균관대학교 화학공학과

Decomposition of Paraquat Using Photocatalyst Prepared

by Hydrothermal Process

Chun-Soo Ryu, Mi-Jin Yu, Jun-Chul Lee, Moon-Sun Kim, Byung-Woo Kim

Department of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University

서론

각종 폐수의 유입으로 수질오염이 사회적인 문제로 대두되면서 생물학적, 화학적 방법을 응용한 연구가 진행되고 있고 최근에는 광촉매을 이용하여 오염물질들을 제거하려는 연구가 활발하다＿1ａ. 특히 농가에서 유출되는 농약, 살충제, 제초제 등은 섭취시 인체에 심각한 장애를 일으킬 수 있기 때문에 주요 연구대상이 되고 있으며, 특히 paraquat dichloride (gramoxone)는 가장 많이 사용되는 농약 중의 하나로 강한 수용성과 독성(LD50 in rat = 100 mg/kg)을 갖고 있다＿2ａ.  유출되는 농업용수를 정제하는 처리법은 다양하나 고도산화처리법(AOP)의 일종으로 TiO2, ZnO, WO3, CdS, ZnS 등의 광촉매를 이용해 강력한 산화력을 가진 hydroxyl radical(HO·)을 생성시켜 분해하는 방법이 높은 효능으로 주목을 받고 있다. 그 중 TiO2는 가격이 저렴하고 독성이 거의 없으며, 물에 의해 용해되지 않고, 광에 의한 자체분해성이 없으며, 가시광 영역의 빛을 이용할 수 있는 등의 장점때문에 환경정화용 촉매로 더욱 각광을 받고 있다＿3, 4ａ.

Tennakone와 Kottegoda는 TiO2 분말을 polythene, polypropylene film에 지지시켜 paraquat의 분해효과가 있다는 결과를 발표했다＿5ａ.

본 실험에서는 hydrothermal 법에 의해 제조된 티타늄 광촉매를 이용하여 UV광 조사 조건에 따른 paraquat의 분해능을 평가하였다.

이론

광촉매의 산화반응 원리는 band-gap model에 의해 설명된다. TiO2를 포함한 반도체 금속산화물들은 고유한 band-gap energy(Eg)를 갖고 있으며 빛과 같은 에너지원으로부터 Eg 이상의 에너지를 받게 되면 valence band의 전자(e-)가 여기되어 conduction band로 전이되며 이 때 valence band에는 정공(h+)이 생성된다. 생성된 정공과 전자는 H2O, H2O2, O2 등과 반응하여 hydroxyl radical을 생성하게 되고, 이것이 수용액 내에 존재하고 있는 오염물질들과 반응하여 최종적으로 인체에 무해한 CO2나 H2O와 같은 물질로 분해시킨다＿6ａ.

실험

반응기는 Fig. 1과 같은 구조로 재질은 아크릴이며 용량은 1.3 L이다.

Fig. 1. Schematic diagram of a photoreactor.

Lamp는 254 nm에서 주파장이 발생하는 6 W 출력의 mercury lamp (HUV-170, 신안방전관)를 사용하였으며 광강도별 분해능을 평가하기 위해 1, 2, 4, 9 개를 각각 봉입하여 조사에 따른 paraquat의 농도변화를 관찰했다.

본 실험에서 사용된 TiO2는 hydrothermal 법을 이용하여 TTIP (Titanium(Ⅳ) teraisopropoxide)를 butanol과 반응시켜 제조했으며 lamp의 quartz관 표면에 dip-coating 방식으로 고정시켜 실험했다. hydrothermal 법으로 제조된 TiO2를 SEM (S-2400, Hitachi, Japan)과 X-ray diffractometer (D/Max-2000, Rigaku Co., U. S. A.)를 사용하여 Fig. 2와 같이 분석한 결과 구형 형태이며 anatase 구조임을 알 수 있었다.

Fig. 2. SEM image (× 50,000) and X-ray diffraction curves of prepared TiO2 by a hydrothermal process at 200℃.

실험에서 얻은 paraquat (Sigma-Aldrich. Co., USA)의 농도는 UV-Vis spectrophotometer (UV-160A, Shimadzu Co., Japan)를 사용하여  600 nm의 파장조건에서 측정했다＿7ａ.

결과 및 고찰

Coating조건에 따른 분해능은 Fig. 3과 같이 4회 반복 coating시킨 조건에서 가장 우수한 것으로 나타났으나  단위면적당 최적 분해능을 얻을 수 있는 고정된 TiO2의 양을 결정하기 위한 실험은 계속 진행할 예정이다.

Fig. 4는 반응기의 운전조건에 따른 결과를 비교한 것으로 광촉매없이 air-sparging이나 UV광 조사만를 사용한 경우보다 hydrothermal 법으로 제조된 광촉매를 사용하는 경우의 분해능이 훨씬 우수하다는 결과를 얻었다.

Fig. 3. Effect of coating time of    Fig. 4. Effect of photoreaction         TiO2 solutions on paraquat          condition on paraquat          decomposition.                       decomposition.

참고문헌

1. D. F. Ollis and H. Al-Ekabi: "Photocatalytic Purification and             Treatment of Water and Air", Elsevier, Amsterdam, (1993).

2. 농약공업협회: □농약연감□, (1997).

3. H. Y. Ha and M. A. Anderson: J. KIchE, 34(3), 356 (1996).

4. I. S. Lee, J. W. Kim, C. J. Youn, S. K. Park, and Y. B. Hahn:          Korean J. Chem. Eng., 13(5), 473 (1996).

5. K. Tennakone and I. R. M. Kottegoda: J. Photochem. Photobiol., 93,    79 (1996).

6. O. Legrini, E. Oliveros, and A. M. Braun: Chem. Rev., 93, 671 (1993).

7. J. D. Pope, Jr and J. E. Benner: J. AOAC, 57(1), 1 (1974).