광촉매를 이용한 dimethyl sulfide의 제거

유미진, 이준철, 안진영, 김병우

성균관 대학교 화학공학과

Photocatalytic Removal of Dimethyl Sulfide

Mi-Jin Yu, Jun-Chul Lee, Jin-Young An, Byung-Woo Kim

Department of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University

서론

최근 작업장의 악취나 휘발성 유기물질로 인한 환경문제가 증대되고 있다. 이러한 유기오염물질을 제거하기 위해 광화학 반응 공정들이 연구되어 오고 있다. 광촉매 반응 연구로는 대부분 TCE, PCE, toluene, phenol등을 주 대상으로 삼고 있으며[1∼4], 유기황 악취성분인 hydroxyalkyl aryl sulfide, dialkyl sulfide, aryl methyl sulfides와 sulfoxides에 대한 연구는 상대적으로 적다[5,6]. Methyl sulfide류는 자연에서 발생하는 주요 휘발성 유기황화합물에 속한다[7]. 이들은 황함유 아미노산과 리그닌의 분해에 의해서 발생하며 조류에 의해, 토양, 담수, 혐기성 라군과 해양에서 생성된다[8]. Methyl sulfide류는  자극성이 심하고 하수, 분뇨, 축산폐수 처리장 및 생선처리공장, 화학공장 등 거의 모든 악취발생시설에서 발생하는 물질이다. 이런 오염물질들의 처리방법으로는 물리화학적, 생물학적 방법으로 구분하여 연구가 이루어지고 있다.

본 연구에서는 광화학 반응 공정에 있어 TiO2/UV를 이용한 DMS제거 실험을 수행하여 TiO2/UV 공정의 최적화에 대한 기초적인 자료를 제시하였다.

이론

광촉매 반응은  band gap 이상의 빛에너지를 광촉매가 흡수하여 electron과 hole을 생성하는데, 이것은 물속의 수산화 이온과 반응해서 OH radical을 생성하고 생성된 OH radical은 유기물과 반응하여 무해한 CO2나 H2O로 분해된다.

TiO2 표면에서의 메카니즘을 살펴보면 다음과 같다.

Ti(IV)surf + e- → Ti(III)surf

O2(ads) + Ti(III) → O2·-(ads) + Ti(IV)surf

O2·-(ads) + H+ → HO2·(ads)

HO2· + HO2·→ H2O2 + O2

O2·- + HO2· →HO2- + O2

HO2- + H+ → H2O2

H2O2 + Ti(III)surf → Ti(IV)surf + OH· + OH- (Fenton-type)

H2O2 + O2·- → OH· + OH- + O2 (Haber-Weiss)

H2O2 → 2OH· (photodissociation)

광촉매로는 TiO2, ZnO, WO3, CdS, ZnS등이 널리 쓰이는데,  그 중 TiO2는 독성이 적고 비교적 저렴하여 환경 분야의 광촉매로 많이 쓰인다.

실험

1) 반응기 및 TiO2 형태

반응기는 아크릴 재질로 용량은 1.3 L이고 UV lamp는 6 W 수은 램프         (최대파장 254nm)를 사용하였다(Fig. 1).

Fig. . Schematic diagram of a photoreactor

TiO2는 평균 입자크기가 21 nm이고, BET surface area는 50±15 m2/g인        Daegusa, P25 powder(anatase : retile = 7 : 3)를 사용하여 slurry 상태          로 실험하였다.

2) 시료 및 분석방법

실험에 사용한 시료인 DMS(dimethyl sulfide)의 분석은 용매추출법을 이용     하여 GC-FID(HP-6890, Hewlett Packard, U.S.A)로 분석하였다. 추출용매로     iso-octane을 사용하여 sample : 추출액 =1:10의 비율로 추출하였다. DMS의     분석을 위해 가스크로마토그래피를 사용하였으며, FID 검출기 및  capillary      HP-1(50m×0.20mm) column을 사용하였다. 주입온도 130℃, 검출기 온도 25     0℃, oven 온도는 35℃→300℃(7℃/min)로 운전하였다.

또한 ion chromatography (Dionex, Sunnyvale, CA)를 이용하여 분해시 발생     되는 이온들을 확인하고자 하였다.

3) 실험방법

TiO2의 분해능을 알아보기 위해 UV광만을 이용하여 1000 ppm의 DMS 분    해능을 실험하였다. 그리고 TiO2의 농도를 0.1g/L으로 현탁시켜 동일한 DMS    농도에서 시간에 따른 농도변화를 보았다. 시간별로 채취한 sample은            membrane filter를 사용하여 TiO2 분말을 제거한 후 분석하였다. 전체적인 실    험은 DMS의 휘발성을 고려하여 20℃에서 이루어졌다.

결과 및 고찰

본 실험은 batch 시스템에서 시행하였으며 UV광만 사용한 분해의 결과(Fig 2)와 UV광/ TiO2를 동시에 이용한 분해 결과(Fig. 3)를 얻을 수 있었다. Fig 2에서 볼 수 있듯이 UV자체만으로도 DMS가 분해될 수 있으나 분해효율이 시간에 ek라 계속 증대되지 못하고 20∼30%대에 머무르고 있다. Fig. 3의 경우 TiO2와 UV광을 동시에 사용한 경우로 시간에 따른 DMS의 분해속도가 sigmoidal 유형으로 나타나고 있다. 즉 8시간 경과까지는 지수적인 증가를 보이다 2시간이후 분해속도가 완만한 상승세로 바뀌고 있다.

본 연구에서는 TiO2 농도별, UV광 조사 강도별 DMS의 분해속도 그리고 UV광을 광섬유를 통해 분산시키는 방식을 채택해 후속연구를 진행해, 악취물질인 DMS의 효과적 처리 방식을 제시하고자 한다.

Fig. . Photodegradation of DMS by only the          UV light

Fig. . Photoderadation of DMS in a TiO2              photocatalytic reactor

참고문헌

1. Pruden, A. L., and Ollis, D. F., Environ. Sci. Technol., 17, 628-631             (1983)

2. Ollis, D. F. et al., J. Catal., 88, 89-96 (1984) 1. R. S. Davidson, J. E.         Pratt. Tetrahedron Lett., 52, 5903 (1983)

3. Ahmead, S., and Ollis, D. F., Solar Energy, 32, 597-601 (1984)

4. Augugliaro, V., Palmisano, L., Toxicol. Environ. Chem., 16, 89-109 (1988)

5. R. S. Davidson, J. E. Pratt. Tetrahedron Lett., 52, 5903 (1983)

6. N. Somasundaram, K. Pitchumani, C. Srinivasan, J. Photobiol. A:             Chem., 99, 67 (1996)

7. Rasmussen, R. A. Tellus 26, 254-260 (1974)

8. Zinder. S. H. and Brock, T. B. Arch. Microbiol., 116, 35-40