Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

TiO2/UV 시스템을 이용한 acid red 염색 광분해에 대한 연구

장선정, 이종민, 김춘일, 임성혁

김문선, 김병우

성균관대학교 화학공학과

Study of Photodegradation of Acid Red Dye

Using TiO2/UV System

Seon-Jung Jang, Jong-Min Lee, Chun-Il Kim, Sung-Huk Lim

Moon-Sun Kim, and 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(1). 특히 염색공장에서 배출되는 다양한 성분의 폐수에는  기존의 생물학적 처리로는 잘 분해되지 않는 난분해성 성분들이 다량 함유되어 있으며 난분해성 물질들은 수질내에 장시간 체류하면서 인체에 직접적으로 유해을 주거나 중간생성물로 변화 또는 전달과정을 거쳐 그 독성을 유지,강화하는 특징을 가지고 있다(2).

이러한 염색폐수의 난분해성 물질들을 효과적으로 제거하기 위한 방법으로 고도 산화처리법(AOP)의 일종인 Fenton 공정을 이용한 시스템 연구에 많은 관심이 집중되고 있으며(3) 최근에는 분해효율을 개선하기 위해 Fe+3를 이용한 연구도 활발히  진행되고 있다(4). 특히 UV광을 이용한 H2O2/Fe+3시스템은 유기물의 분해효과가 우수할 뿐 아니라(5) 저렴한 자연광을 이용할수 있다는 경제적인 장점때문에 더욱 주목을 받고 있다(6).

본 실험에서는 TiO2가 광촉매로서 유기물의 분해효과가 우수하다는 연구결과(1)에 따라 UV/TiO2/H2O2/Fe+3시스템을 이용하여 염색공정에서 염료로 많이 사용하고 있는 acid red의 분해실험을 실시하였으며 각 parameter 별 광분해능, 특히 TiO2의 농도별, pH별, UV 파장별 분해효과를 비교했다.

이론

200∼450 nm의 파장을 갖는 UV가 조사되는 조건에서 Fe3+는 (1)식과 같이 물과 반응하여 Fe2+과 OH radical을 생성되며, Fe2+는 (2)식과 같이 과산화수소와 반응하여  Fe3+과 OH radical를 생성한다. 이 때 TiO2는 (1)식과 같은 반응을 촉진시키는 조촉매 역할을 하는 것으로 생각되며 생성된 OH radical은 염료와 같은 유기물과 반응하여 최종적으로 인체에 무해한 CO2나 H2O로 분해시킨다.

Fe3+ + H2O → Fe2+ + OH·+ H+        (1)

Fe2+ + H2O2 → Fe3++ 2OH·            (2)

실험

1) 반응기

반응기는 아크릴 재질로 용량은 1.3 L이며 UV lamp는 6 W 수은램프(주 파장: 254 nm)를 사용했다 (Fig. 1).

Fig. 1. Schematic diagram of a photoreactor.

2) 원료

실험에 사용된 염색은 acid red을 사용했으며 Fe+3의 공급원으로 FeCl3·6H2O을 사용했다. 광촉매로 사용된 TiO2는 P-25 (Deggusa Gmblt, Germany)을 사용했는데 평균입경은 21 nm이며  BET 비표면적은 50±15 □/g였다.

3) 실험방법

Fig. 1과 같은 반응기에서 반응 조건에 따라 염료의 광분해 실험을 실시했다. 염료의 초기 농도는 100 ppm이며 시간별로 채취한 시료는 ＹＺ Spectrophotometer (UV파장: 305 nm)를 이용하여 측정하여 acid red의 분해능를 평가했다.

결과 및 고찰

Fig. 2는 반응조건에 따른 acd red의 분해경향을 나타낸 것으로 Fe3+/H2O2/UV /TiO2의 분해효과가 가장 우수했으며 Fe2+/H2O2/UV가 Fe3+/H2O2/UV보다 분해효과가 높았다. UV광 조사가 없는 조건에서 이루어진 Fe2+/H2O2에서의 염료의 분해효과는 가장 낮은 것으로 관찰되었다.

Fig. 2. Effects of Fe2+, Fe3+, H2O2, and UV light on the degradation

of an acid red dye.

Fig. 3은  Fe3+/H2O2/UV/TiO2의 동일한 조건에서 TiO2 농도에 따른 분해경향을 비교한 것으로 40∼5000 mg/L의 범위에서 TiO2의 농도가 증가할수록 분해효과는 높은 것으로 나타났으나 TiO2의 농도증가에 따른 UV광의 흡수로 인한 광반응능의 저하, 슬러지 생산량 증가에 따른 비용 증대 등의 문제가 고려되어야 한다.

Fig. 3. Effects of TiO2 concentration on the degradation of an acid red dye.

참고문헌

1. Hoffmann, M. R., Martin, S. T., Choi, W., and Bahnemann D. W.:                Chemical Reviews, 95, 69(1995).

2. Prevot, A. B., Baiocchi, C., Brussino, M. C., Pramauro, E., Savarino, P.           Augugliaro, V., Marci, G., and Palmisano, L.: Environ, Sci. Technol., 35,         971(2001).

3. Badara, J., Morrison, C., Kiwi, J., Pulgarin, C., and Peringer, P.: J.               Photochem. Photobiol., A99, 57(1996).

4. Contreras, S., Rodriguez, M., Chamarro, E., and Esplugas, S.: J.                  Photochem. Photobiol., A142, 79(2001).

5. Fernandez, J., Badara, J., Lopez, A., Buffat, P., and Kiwi, J.: Langmuir, 15,       185(1999).

6. Fallmann, H., Krutzler, T., Bauer, R., Malato, S., and Blanco, J.: Catalysis        Today, 54, 309(1999).