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문제 정의
- 따라서 본 연구는 광촉매로 대표적인 이산화티타늄을 사용하여 이부프로펜의 반응속도를 확인해 보았고, 이와 더불어 자외선 강도와 이산화티타늄의 농도 변화에 따른 적정운전조건, 알칼리도, 온도 그리고 pH 등의 다양한 환경조건에서 이부프로펜의 반응속도 역시 조사하였다.
제안 방법
- 반응기는 유리재질로 상단에는 혼합기 (mixing control), 자외선 램프를 설치할 수 있도록 제작하였으며, 반응기 2중 외벽 설계는 온도 조절기 (Cooling System)를 이용하여 온도를 25±1, 40±1, 60±1 ℃ 범위로 조절 할 수 있었다.
- 본 연구에서는 광촉매 공정을 이용하여 이부프로펜을 처리 시, 자외선 강도, 이산화티타늄의 주입량, 알칼리도, 온도, pH 등 다양한 운전조건에 따른 이부프로펜의 반응속도 변화를 다음과 같이 알아보았다.
- 수용액의 pH는 염산 (HCl, 0.1 mol/L, SAMCHUN), 수산화나트륨 (NaOH, 0.1 mol/L, SAMCHUN)을 이용하여 3±0.1, 6.5±0.1, 10±0.1로 조절하였고, 알칼리도는 탄산나트륨을 이용하여 35 그리고 500 CaCO3 mg/L로 조절하였다.
- 이산화티타늄 주입량에 따른 이부프로펜의 반응속도를 알아보기 위해, 자외선 강도 30, 40 W/L 조건하에 이산화티타늄 농도를 0.02, 0.1, 0.4, 1 g/L를 변화시켜 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다.
- 2와 같이 나타낸다. 자외선 (254 nm, Sankyo Denki, Janpan) 램프는 석영관을 슬리브관 (길이: 28 cm, 강도: 2.5 mW cm-2)을 씌워 반응기 내부 중심으로 삽입하였으며, 각 10 W/L 의 강도로 최대 4개 까지 설치할 수 있었다 (10, 20, 30 그리고 40 W/L). 초기 이부프로펜 농도는 10 mg/L으로 인위오염 시켰고, 촉매 (TiO2)의 균일한 분배를 위해서 혼합기를 100-120 rpm 유지하며 진행하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 이부프로펜 (grade 98 %)과 탄산나트륨 (Na2CO3, grade 99.5 %)은 ALDRICH 제품을 이용하였고, 사용된 이산화티타늄 (TiO2)은 아나타제형:루틸형 비가 8:2로 구성된 P-25 (Powder, Degussa Chemical Co.)를 사용하였다. 사용된 이산화티타늄의 농도는 0.
- 본 연구에서 알아본 이부프로펜의 활성화 에너지는 7.2 KJ mol-1으로, 이는 Table 4에 제시한 다른 문헌자료의 활성화 에너지 값과 유사한 범위에 속하였다.
- 본 연구에서는 오염물질로 이부프로펜 (Ibuprofen, IBP)을 선택하여 실험을 진행하였다. 이부프로펜은 비스테로이드성 소염진통제 (NSAIDs)의 성분명으로 소염, 진통, 해열 작용을 하고 있으나 불포화 지방산의 대사과정을 방해하는 작용이 있어 체내에서 위장관 출혈 및 소화성 궤양 등의 부작용을 일으키는 것으로 알려져 있다 (안 등, 2004).
- 액체-크로마토그래피 분석의 경우 컬럼은 C18 (250×4.6 mm, 5 μm)을 사용하였고 이동상은 아세트니트릴/인산 버퍼 (35/65)를 사용하였으며, 그 유속은 1 ml/min 으로 최대 측정 파장은 196 nm 이였다.
이론/모형
- 하이드록실 라디칼의 발생량을 간접적으로 나타내는 트라이 요오드화물 이온 (I3-)은 Koda et al.(2003) 이 제시한 방법으로 UV 스펙트로메터 (UV spectrometer)를 이용하여 352 - 355 nm 조건에서 분석하였다. 수용액의 pH는 염산 (HCl, 0.
성능/효과
- 1) 자외선 강도 변화 (10, 20, 30, 40 W/L)에 따른 이부프로펜 반응속도를 알아본 결과, 강도가 증가함에 따라 반응속도는 비례적으로 증가하였고, 본 연구에서 적정 강도조건은 30 W/L임을 확인하였다. 이산화티타늄의 적정주입 농도를 결정하는 실험에서는, 0.
- 2) 수용액의 알칼리도 농도는 낮을수록 (0 CaCO3 mg/L), 온도는 높을수록 (60 ℃) 이부프로펜의 반응속도는 높았다.
- 그 결과, 60 ℃ 온도조건에서 이부프로펜의 반응속도는 2.3×10-1 min-1으로 가장 높았으며, 40, 25 ℃조건에서는 2.2×10-1 min-1 그리고 1.7×10-1 min-1 순으로 낮았다.
- 그 결과, pH 6.5 조건에서 이부프로펜 반응속도가 1.43×10-1 min-1으로 가장 높게 나타났으며, 그 다음 1.07×10-1 그리고 4.11×10-2 min-1 으로pH 3, 10 순으로 분해효율을 나타냈다.
- 그 결과, 알칼리도 0 CaCO3 mg/L 조건에서 이부프로펜의 반응속도가 5.3×10-2 min-1 으로 가장 높았으며, 35, 500 CaCO3 mg/L 농도 순으로 반응속도가 낮았다.
- 그 결과, 자외선 강도별 이부프로펜의 반응속도는 3.0×10-4, 2.54×10-2, 6.74×10-2 1.01×10-1 그리고 1.08×10-1 min-1 순으로, 강도가 높을수록 높게 나타났다.
- 1 g/L 이상 주입 시, 지나치게 많은 이산화티타늄은 오히려 광 에너지의 흡수와 투과를 방해하여 (scaterring effect) 광촉매의 활성화를 억제 할 수 있다. 따라서 본 연구의 광촉매 적정 주입농도는 0.1 g/L 으로 관찰되었으며, 이는 반응기 형태, 자외선 위치와 조사거리, 수용액의 조건에 따라 달라 질 수 있다. Table 2는 광촉매의 적정주입량을 조사한 다른 문헌자료를 제시한다.
- 1) 자외선 강도 변화 (10, 20, 30, 40 W/L)에 따른 이부프로펜 반응속도를 알아본 결과, 강도가 증가함에 따라 반응속도는 비례적으로 증가하였고, 본 연구에서 적정 강도조건은 30 W/L임을 확인하였다. 이산화티타늄의 적정주입 농도를 결정하는 실험에서는, 0.1 g/L 주입농도가 적정 농도임을 확인하였고, 이는 자외선의 강도, 반응기의 형태, 자외선 조사형태 및 거리에 따라 달라질 수 있는 값임을 예상하였다.
- 자외선 강도 40 W/L 조건에서, 이부프로펜 반응속도는 이산화티타늄 농도 0.1 g/L에서 1.12×10-1 min-1로 제일 높게 나타났고, 초기 이부프로펜 반응속도는 증가하다가 0.1 g/L 이후 더 이상 증가하지 않고 일정하거나 다소 떨어지는 것으로 나타났다.
- 4 실험에서 자외선 강도 30 W/L와 40 W/L일 때 트라이 요오드화물 이온 생성량 차이와 비슷한 결과이다. 즉, 이것은 어느 일정한 자외선 강도범위에서는 광촉매가 활성화되는 임계점이 있으며, 본 연구에서는 약 30 W/L조건이 적정 지점임을 예상 할 수 있었다. 또한 이러한 결과는 Chu 등(2009)이 사이머진 (Simazine, 제초제)을 광촉매 공법으로 처리한 경우, 자외선 강도 0-200 μw/cm2 범위 가운데, 60 μw/cm2가 최적임을 확인한 결과와, Wang et al.
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