전기화학적 고도산화공정 (electrochemical advanced oxidation processes)은 환경친화적, 비용효율성, 간단한 처리 기술로 많은 분야에서 연구가 진행되고 있다. 이 중 전극(양극)은 전기화학적 고도산화공정의 구성 (전해질, 양극, 음극, 가해준 전력 등) 중 가장 중요한 요소이며, 수처리 효율성과 비용경제성을 높이기 위해서는 수처리 전극(양극)의 성능 향상이 가장 중요하다. 따라서 본 연구는 수처리용 전극인 SnO2의 전기촉매의 활성을 향상시키기 위해 여러 종류의 도펀트을 이용하여 표면분석, 전기화학적 성능 평가를 통해 최적의 수처리 전극을 선정하고, 선정된 전극의 반응 메카니즘을 파악하기 위해 대표적인 산화물(수산기라디칼, 오존, ...
전기화학적 고도산화공정 (electrochemical advanced oxidation processes)은 환경친화적, 비용효율성, 간단한 처리 기술로 많은 분야에서 연구가 진행되고 있다. 이 중 전극(양극)은 전기화학적 고도산화공정의 구성 (전해질, 양극, 음극, 가해준 전력 등) 중 가장 중요한 요소이며, 수처리 효율성과 비용경제성을 높이기 위해서는 수처리 전극(양극)의 성능 향상이 가장 중요하다. 따라서 본 연구는 수처리용 전극인 SnO2의 전기촉매의 활성을 향상시키기 위해 여러 종류의 도펀트을 이용하여 표면분석, 전기화학적 성능 평가를 통해 최적의 수처리 전극을 선정하고, 선정된 전극의 반응 메카니즘을 파악하기 위해 대표적인 산화물(수산기라디칼, 오존, 과산화수소, 일중항 산소)을 비교 분석하여 이들의 관련성에 대해서 알아보았다. 수처리 분야의 적용을 위해 대장균과 2종 녹조류의 비활성 실험을 수행하였다. 또한, 광촉매와 전기촉매의 기능을 가진 양면복합전극의 제작을 시도해 보았다. 본 연구에 대해 좀 더 자세히 설명하면, 먼저, SnO2의 전기화학적 활성을 향상시키기 위해 여러 금속을 도펀트로 이용하여 최적의 전극을 선정하는 연구을 하였다. 첫 번째 도펀트로 선정된 Sb의 최적 결합비율을 조사하였으며, 이 결과 Sb는 5∼10 at.% 일 때 Sb-SnO2의 전기촉매적 활성이 가장 큰 것으로 나타났다. Sb-SnO2 전극에 두 번째 도펀트로 6가지 중금속 (Fe, Pd, Ni, Ru, Co, Ce) 을 사용하여, 최적의 전극을 선정한 결과 Ni 도핑된 Sb-SnO2전극이 가장 성능이 뛰어난 것으로 나타났다. Ni 도핑된 Sb-SnO2전극은 Sb-SnO2에 비해 페놀 제거율은 약 8 ∼ 14배, TOC 제거율은 약 7.7 배로 전기촉매적 활성이 월등히 증가하는 것으로 나타났다. 선정된 Ni-Sb-SnO2전극의 전기촉매적 활성을 강화시키는 메커니즘에 대해서 알아보기 위해 전극 주위에서 발생되는 주요 활성산소종에 관해 조사하였다. 전해질 상태와 페놀을 첨가한 전해질 상태에서 Sb-SnO2와 Ni-Sb-SnO2전극의 산화물 (수산기라디칼, 오존, 과산화수소, 일중항 산소) 을 측정해 본 결과, Ni-Sb-SnO2 전극은 Sb-SnO2 전극에 비해 수산기라디칼, 오존, 일중항 산소 등 산화물이 많이 생성되었으며, 이것으로 Ni첨가가 전극의 산화물 생성량에 영향을 주는 것으로 나타났다. 또한 페놀 (0.1 mM)이 첨가된 전해질상태에서 Ni-Sb-SnO2전극은 페놀이 첨가되지 않는 전해질 상태보다 산화물 (수산기라디칼, 오존, 일중항 산소 등) 이 적게 발생되는 것으로 나타났다. 이는 생성된 산화물이 전해질에 존재하는 페놀과 반응하여 직접적 또는 간접적으로 산화 작용에 이용되었기 때문으로 생각된다. 특히, 오존은 Sb-SnO2 전극에서는 거의 생성되지 않았으나, Ni-Sb-SnO2 전극에서는 4.47 mg/L이 생성되는 것으로 보아 Ni이 오존생성에 중요한 요인으로 작용하는 것으로 사료된다. 또한, Ni-Sb-SnO2전극이 난분해성 오염물질(페놀, Eosin Y 등)뿐만 아니라 생물의 비활성에 높은 효율성을 나타내는지 알아보기 위해 미생물의 지표인 대장균과 담수에 흔히 존재하는 2 종 녹조류 (S. obliquus, C. reinhardtii)를 대상으로 비활성 실험을 하였다. 이 결과, 12.5 mA /cm2 상태에서 Ni-Sb-SnO2 전극은 대장균을 약 12 분에, Sb-SnO2전극은 약 14 분에 거의 불활성화가 되는 것으로 나타났다. 또한 2종의 녹조류를 비교해 보면, Ni-Sb-SnO2와 Sb-SnO2 전극은 S. obliquus에 비해 C. reinhardtii에서 불활성 효과가 좋은 것으로 나타났다. 이와 같은 현상은 조류의 형태적 및 생리적, 생화학적 반응기작과 전극의 산화과정에서 발생되는 산화물의 종류와 발생량 등 여러 가지 복합적인 관계에 의해서 이루어지는 것으로 생각된다. 그러므로 미생물 및 조류의 비활성연구에서는 먼저 생물의 특징을 파악한 후 거기에 적합한 전기화학적 수처리 전극의 개발이 필요할 것으로 사료된다. 비용경제성과 처리 효율성을 향상시키기 위해 광촉매와 전기촉매를 복합화한 새로운 기능의 전극개발을 시도해 보았다. 이 전극은 한 면에는 티타니아 나노튜브를 광전기촉매로, 반대면에는 Ni-Sb-SnO2를 전기촉매로 합쳐 양면복합전극을 제작했다. 이들의 전기화학적 특성을 비교하면 양면복합전극의 처리 효율성이 단일전극에 비해 높은 것으로 나타났다. 그러나 아직은 연구가 미흡한 상태이며, 전극의 촉매적 활성을 강화시키는 연구가 계속해서 진행되어야 할 것이다.
전기화학적 고도산화공정 (electrochemical advanced oxidation processes)은 환경친화적, 비용효율성, 간단한 처리 기술로 많은 분야에서 연구가 진행되고 있다. 이 중 전극(양극)은 전기화학적 고도산화공정의 구성 (전해질, 양극, 음극, 가해준 전력 등) 중 가장 중요한 요소이며, 수처리 효율성과 비용경제성을 높이기 위해서는 수처리 전극(양극)의 성능 향상이 가장 중요하다. 따라서 본 연구는 수처리용 전극인 SnO2의 전기촉매의 활성을 향상시키기 위해 여러 종류의 도펀트을 이용하여 표면분석, 전기화학적 성능 평가를 통해 최적의 수처리 전극을 선정하고, 선정된 전극의 반응 메카니즘을 파악하기 위해 대표적인 산화물(수산기라디칼, 오존, 과산화수소, 일중항 산소)을 비교 분석하여 이들의 관련성에 대해서 알아보았다. 수처리 분야의 적용을 위해 대장균과 2종 녹조류의 비활성 실험을 수행하였다. 또한, 광촉매와 전기촉매의 기능을 가진 양면복합전극의 제작을 시도해 보았다. 본 연구에 대해 좀 더 자세히 설명하면, 먼저, SnO2의 전기화학적 활성을 향상시키기 위해 여러 금속을 도펀트로 이용하여 최적의 전극을 선정하는 연구을 하였다. 첫 번째 도펀트로 선정된 Sb의 최적 결합비율을 조사하였으며, 이 결과 Sb는 5∼10 at.% 일 때 Sb-SnO2의 전기촉매적 활성이 가장 큰 것으로 나타났다. Sb-SnO2 전극에 두 번째 도펀트로 6가지 중금속 (Fe, Pd, Ni, Ru, Co, Ce) 을 사용하여, 최적의 전극을 선정한 결과 Ni 도핑된 Sb-SnO2전극이 가장 성능이 뛰어난 것으로 나타났다. Ni 도핑된 Sb-SnO2전극은 Sb-SnO2에 비해 페놀 제거율은 약 8 ∼ 14배, TOC 제거율은 약 7.7 배로 전기촉매적 활성이 월등히 증가하는 것으로 나타났다. 선정된 Ni-Sb-SnO2전극의 전기촉매적 활성을 강화시키는 메커니즘에 대해서 알아보기 위해 전극 주위에서 발생되는 주요 활성산소종에 관해 조사하였다. 전해질 상태와 페놀을 첨가한 전해질 상태에서 Sb-SnO2와 Ni-Sb-SnO2전극의 산화물 (수산기라디칼, 오존, 과산화수소, 일중항 산소) 을 측정해 본 결과, Ni-Sb-SnO2 전극은 Sb-SnO2 전극에 비해 수산기라디칼, 오존, 일중항 산소 등 산화물이 많이 생성되었으며, 이것으로 Ni첨가가 전극의 산화물 생성량에 영향을 주는 것으로 나타났다. 또한 페놀 (0.1 mM)이 첨가된 전해질상태에서 Ni-Sb-SnO2전극은 페놀이 첨가되지 않는 전해질 상태보다 산화물 (수산기라디칼, 오존, 일중항 산소 등) 이 적게 발생되는 것으로 나타났다. 이는 생성된 산화물이 전해질에 존재하는 페놀과 반응하여 직접적 또는 간접적으로 산화 작용에 이용되었기 때문으로 생각된다. 특히, 오존은 Sb-SnO2 전극에서는 거의 생성되지 않았으나, Ni-Sb-SnO2 전극에서는 4.47 mg/L이 생성되는 것으로 보아 Ni이 오존생성에 중요한 요인으로 작용하는 것으로 사료된다. 또한, Ni-Sb-SnO2전극이 난분해성 오염물질(페놀, Eosin Y 등)뿐만 아니라 생물의 비활성에 높은 효율성을 나타내는지 알아보기 위해 미생물의 지표인 대장균과 담수에 흔히 존재하는 2 종 녹조류 (S. obliquus, C. reinhardtii)를 대상으로 비활성 실험을 하였다. 이 결과, 12.5 mA /cm2 상태에서 Ni-Sb-SnO2 전극은 대장균을 약 12 분에, Sb-SnO2전극은 약 14 분에 거의 불활성화가 되는 것으로 나타났다. 또한 2종의 녹조류를 비교해 보면, Ni-Sb-SnO2와 Sb-SnO2 전극은 S. obliquus에 비해 C. reinhardtii에서 불활성 효과가 좋은 것으로 나타났다. 이와 같은 현상은 조류의 형태적 및 생리적, 생화학적 반응기작과 전극의 산화과정에서 발생되는 산화물의 종류와 발생량 등 여러 가지 복합적인 관계에 의해서 이루어지는 것으로 생각된다. 그러므로 미생물 및 조류의 비활성연구에서는 먼저 생물의 특징을 파악한 후 거기에 적합한 전기화학적 수처리 전극의 개발이 필요할 것으로 사료된다. 비용경제성과 처리 효율성을 향상시키기 위해 광촉매와 전기촉매를 복합화한 새로운 기능의 전극개발을 시도해 보았다. 이 전극은 한 면에는 티타니아 나노튜브를 광전기촉매로, 반대면에는 Ni-Sb-SnO2를 전기촉매로 합쳐 양면복합전극을 제작했다. 이들의 전기화학적 특성을 비교하면 양면복합전극의 처리 효율성이 단일전극에 비해 높은 것으로 나타났다. 그러나 아직은 연구가 미흡한 상태이며, 전극의 촉매적 활성을 강화시키는 연구가 계속해서 진행되어야 할 것이다.
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