본 논문은 수용액에서 $TiO_2$ 나노입자 (Degussa P25) 광촉매 반응에 의한 비스페놀 A (BPA)의 분해 제거를 연구하였다. 3시간의 광촉매 반응 (자외선 파장 = 365 nm, 자외선 강도 = $3mW\;cm^{-2}$, $TiO_2$ 농도 = $2.0g\;L^{-1}$)에 의하여 98%의 BPA ($1.0{\times}10^{-5}M$)와 89%의 총유기탄소가 제거되었다. 그리고 광분해, 가수분해와 흡착반응에 의한 BPA의 분해 제거는 각각 2%, 5%와 13%로 나타났다. 광촉매 반응에 의한 BPA의 분해 제거는 수산화 라디칼의 소광제인 메탄올의 농도가 증가 할수록 감소하였다. 이것은 BPA와 수산화 라디칼의 반응이 BPA 분해 제거의 주요한 기작이라는 것을 나타낸다. 이 반응의 초기 유사 1차 속도 상수는 $7.94{\times}10^{-4}min^{-1}$로 계산되었으며, BPA 90%를 분해 제거하는 시간은 25분으로 나타났다. 그리고 광촉매 반응에 의한 BPA의 독성 저감을 평가하기 위하여 물벼룩 (Daphnia magna, 생후 24시간 미만)을 이용한 급성독성 시험을 실시하였다. 물벼룩에 대한 BPA의 급성독성 (48시간)은 초기 2.93 TU (독성 단위)였으며, 3시간의 광촉매 반응 후에는 무독성으로 나타났다. 이것은 BPA의 광촉매 반응에서 독성 분해산물이 생성되지 않는 다는 것을 제시한다.
본 논문은 수용액에서 $TiO_2$ 나노입자 (Degussa P25) 광촉매 반응에 의한 비스페놀 A (BPA)의 분해 제거를 연구하였다. 3시간의 광촉매 반응 (자외선 파장 = 365 nm, 자외선 강도 = $3mW\;cm^{-2}$, $TiO_2$ 농도 = $2.0g\;L^{-1}$)에 의하여 98%의 BPA ($1.0{\times}10^{-5}M$)와 89%의 총유기탄소가 제거되었다. 그리고 광분해, 가수분해와 흡착반응에 의한 BPA의 분해 제거는 각각 2%, 5%와 13%로 나타났다. 광촉매 반응에 의한 BPA의 분해 제거는 수산화 라디칼의 소광제인 메탄올의 농도가 증가 할수록 감소하였다. 이것은 BPA와 수산화 라디칼의 반응이 BPA 분해 제거의 주요한 기작이라는 것을 나타낸다. 이 반응의 초기 유사 1차 속도 상수는 $7.94{\times}10^{-4}min^{-1}$로 계산되었으며, BPA 90%를 분해 제거하는 시간은 25분으로 나타났다. 그리고 광촉매 반응에 의한 BPA의 독성 저감을 평가하기 위하여 물벼룩 (Daphnia magna, 생후 24시간 미만)을 이용한 급성독성 시험을 실시하였다. 물벼룩에 대한 BPA의 급성독성 (48시간)은 초기 2.93 TU (독성 단위)였으며, 3시간의 광촉매 반응 후에는 무독성으로 나타났다. 이것은 BPA의 광촉매 반응에서 독성 분해산물이 생성되지 않는 다는 것을 제시한다.
Photocatalytic degradation of bisphenol A (BPA) in aqueous solution was investigated using $TiO_2$ nanoparticles (Degussa P25) in this study. After a 3 hr photocatalytic reaction (${\lambda}=365nm$ and $I=3mW\;cm^{-2}$, $[TiO_2]=2.0g\;L^{-1...
Photocatalytic degradation of bisphenol A (BPA) in aqueous solution was investigated using $TiO_2$ nanoparticles (Degussa P25) in this study. After a 3 hr photocatalytic reaction (${\lambda}=365nm$ and $I=3mW\;cm^{-2}$, $[TiO_2]=2.0g\;L^{-1}$), 98% of BPA ($1.0{\times}10^{-5}M$) was degraded and 89% of the total organic carbon was removed. In addition, BPA degradation by photolytic, hydrolytic and adsorption reactions was found to be 2%, 5% and 13%, respectively. The reaction rate of BPA degradation by photocatalysis decreased with increasing concentration of methanol that is used as a hydroxyl radical scavenger. This indicates that the reaction between BPA and hydroxyl radical was the key mechanism of BPA degradation. The pseudo-first-order reaction rate constant for this reaction was determined to be $7.94{\times}10^{-4}min^{-1}$, and the time for 90% BPA removal was found to be 25 min. In addition, acute toxicity testing using Daphnia magna neonates (< 24 h old) was carried out to evaluate the reduction of BPA toxicity. Acute toxicity (48 hr) to D. magna was decreased from 2.93 TU (toxic unit) to non-toxic after photocatalytic degradation of BPA for 3 hr. This suggests that there was no formation of toxic degradation products from BPA photocatalysis.
Photocatalytic degradation of bisphenol A (BPA) in aqueous solution was investigated using $TiO_2$ nanoparticles (Degussa P25) in this study. After a 3 hr photocatalytic reaction (${\lambda}=365nm$ and $I=3mW\;cm^{-2}$, $[TiO_2]=2.0g\;L^{-1}$), 98% of BPA ($1.0{\times}10^{-5}M$) was degraded and 89% of the total organic carbon was removed. In addition, BPA degradation by photolytic, hydrolytic and adsorption reactions was found to be 2%, 5% and 13%, respectively. The reaction rate of BPA degradation by photocatalysis decreased with increasing concentration of methanol that is used as a hydroxyl radical scavenger. This indicates that the reaction between BPA and hydroxyl radical was the key mechanism of BPA degradation. The pseudo-first-order reaction rate constant for this reaction was determined to be $7.94{\times}10^{-4}min^{-1}$, and the time for 90% BPA removal was found to be 25 min. In addition, acute toxicity testing using Daphnia magna neonates (< 24 h old) was carried out to evaluate the reduction of BPA toxicity. Acute toxicity (48 hr) to D. magna was decreased from 2.93 TU (toxic unit) to non-toxic after photocatalytic degradation of BPA for 3 hr. This suggests that there was no formation of toxic degradation products from BPA photocatalysis.
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문제 정의
본 연구에서는 광촉매 반응에 의한 BPA의 제거효율 평가하였으며, 이 반응에서 수산화 라디칼의 역할을 규명하였다. 특히 순수한 광촉매 반응에 의한 BPA 의 분해제거를 평가하기 위하여 광분해 반응, 가수분해 반응, 흡착 반응에 의한 영향도 함께 고려하였다.
제안 방법
특히 순수한 광촉매 반응에 의한 BPA 의 분해제거를 평가하기 위하여 광분해 반응, 가수분해 반응, 흡착 반응에 의한 영향도 함께 고려하였다. 그리고 수계에서 먹이사슬의 중간단계를 대표하는 수서무척추동물의 일종인 Daphnia magna를 이용한 급성독성평가를 수행하여 광촉매 반응 처리 전과 후 BPA의 독성 변화를 확인하였다.
흡착 반응은 광촉매 반응과 동일하지만 자외선을 조사하지 않은 암 조건 에서 평가하였다. 그리고 자외선 조사와 광촉매가 없는 암 조건에서 가수분해 반응을, 광촉매를 넣지 않고 자외선만 조사한 조건에서 광분해 반응을 각각 평가하였다. 한편, 광촉매 반응에서 수산화 라디칼의 역할을 규명하기 위하여 소광제인 메탄올을 첨가하여 BPA의 광촉매 반응을 실시하였다.
1, 경도 = 250±25 mg L-1 as CaCO3) ISO에서 제시한 용액을 사용하였다 (ISO 2012). 급성 독성은 24시간과 48시간 후의 물벼룩 유영저해율(immobilization, %)을 확인하여 평가하였다. 유영저해는 시험 용기를 살며시 움직여주고 15초 후 관찰했을 때 일부 기관(촉각, 후복부 등)이 움직임이 없거나 유영하지 않을 때, 그리고 촉수를 움직인다 하더라도 유영을 하지 못하는 경우로 판단하였다.
본 연구에서는 광촉매 반응에 의한 BPA의 제거효율 평가하였으며, 이 반응에서 수산화 라디칼의 역할을 규명하였다. 특히 순수한 광촉매 반응에 의한 BPA 의 분해제거를 평가하기 위하여 광분해 반응, 가수분해 반응, 흡착 반응에 의한 영향도 함께 고려하였다. 그리고 수계에서 먹이사슬의 중간단계를 대표하는 수서무척추동물의 일종인 Daphnia magna를 이용한 급성독성평가를 수행하여 광촉매 반응 처리 전과 후 BPA의 독성 변화를 확인하였다.
대상 데이터
광촉매 반응 실험에서 사용한 촉매는 TiO2로, 상용화 되어 있는 Degussa P25 (Germany)를 구매하여 사용하였다. Degussa P25는 anatase 80%, rutile 20%로 구성되어 있으며 크기는 21 nm, 비표면적은 51 m2 g-1 이다.
본 연구에 사용된 비스페놀 A (BPA, ≥99%)는 Sigma-Aldrich 사 (USA)의 제품을 구입하여 정제과정 없이 사용하였다. 시험 용액은 탈이온수 (Puris EsseUP ultrapure water System, Mirae St Corp.
데이터처리
)로 환산하였다. 광촉매 반응 처리 전과 후의 독성 비교는 paired t-test을 사용하였고, p 값이 0.05 이하일 경우 유의한 것으로 판정하였다 (SAS System, Version 9.4, SAS, USA).
독성평가 시험 용액의 수소이온 (pH)과 용존산소 (DO) 농도는 각각 pH meter (Orion 3 star portable-8103BN, Thermo scientific, USA)와 DO meter (Orion DO/BOD meter 862A, Thermo scientific, USA)를 이용하여 측정하였다. 그리고 광촉매 반응에 의한 BPA의 무기화 (mineralizaion)을 확인하기 위하여 총유기탄소 (TOC) 농도를 TOC Analyzer (TOC-V CPH, SHIMADZU, Japan)로 측정하였다. 모든 분석은 3회 반복하였으며, 결과는 평균값과 95% 신뢰수준으로 표기하였다.
이론/모형
광촉매 처리 전과 후의 독성변화를 평가하기 위하여 물벼룩 (Daphnia magna)을 이용한 급성독성시험을 OECD guideline 202에 준하여 수행하였다 (OECD 2004). 산란용 어미의 사육을 위하여 OECD 시험기준에 따라 제조된 배양액을 사용하였고, 먹이는 담수 녹조류인 Chlorella vulgaris를 희석하여 공급하였다.
물벼룩의 50%가 유영저해를 일으키는 농도 (EC50) 는 독성시험 결과 유형에 따라 Graphical, Probit method와 Trimmed Spearma-Kaber method를 사용 하여 산출하였으며 (Weber 1991), 이를 다시 독성단위 (TU = 100/EC50)로 환산하였다. 광촉매 반응 처리 전과 후의 독성 비교는 paired t-test을 사용하였고, p 값이 0.
본 연구에서는 평형 조사 장치 (collimated beam device)를 광촉매 반응기로 사용하였다. 반응기는 비순환 형태의 회분식 반응 시스템으로, 광촉매 반응 실험 시 동일한 실험 조건을 충족시키기 위하여 광량 조절과 외부 빛 차단 등을 고려하여 개조하였다 (Fig.
성능/효과
BPA는 TiO2 나노입자를 이용한 광촉매 반응에 의하여 효과적으로 분해 제거되었으며, 이 반응에서 가수분해, 광분해 및 흡착 반응은 무시할 정도였다. 그리고 BPA의 주요 제거 기작은 수산화 라디칼과의 반응이며, 유사 1차 반응으로 설명되었다.
한편, 광촉매 반응에 의한 BPA의 분해 제거 후 물벼룩에 대한 급성독성은 완전히 제거되었다. 이를 통하여 TiO2 나노입자를 이용한 광촉매 반응이 유해물질 분해 제거를 위한 고도처리 공정으로 안전하다는 것을 확인할수 있었다. 그러나 처리수의 생물독성은 민감성이 다른 시험종에 따라 차이가 있으므로, 다양한 시험종을 이용한 처리수의 독성평가가 추가적으로 필요하다고 생각한다.
그리고 BPA의 주요 제거 기작은 수산화 라디칼과의 반응이며, 유사 1차 반응으로 설명되었다. 한편, 광촉매 반응에 의한 BPA의 분해 제거 후 물벼룩에 대한 급성독성은 완전히 제거되었다. 이를 통하여 TiO2 나노입자를 이용한 광촉매 반응이 유해물질 분해 제거를 위한 고도처리 공정으로 안전하다는 것을 확인할수 있었다.
후속연구
이를 통하여 TiO2 나노입자를 이용한 광촉매 반응이 유해물질 분해 제거를 위한 고도처리 공정으로 안전하다는 것을 확인할수 있었다. 그러나 처리수의 생물독성은 민감성이 다른 시험종에 따라 차이가 있으므로, 다양한 시험종을 이용한 처리수의 독성평가가 추가적으로 필요하다고 생각한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고급산화공정의 종류는 무엇이 있는가?
2005). 고급산화공정은 자외선/과산화수소 공정, 오존 공정, 펜톤 산화 공정, 방사선 처리 공정, 자외선/광촉매 공정 등이 있는데, 이중에서 광촉매 반응은 친환경적인 방법으로 각광받고 있다. 광촉매 공정은 노닐페놀 (nonylphenol), 에스트라 디올 (estradiol), 비스페놀 A (BPA, bisphenol A) 등의 내분비계 장애물질을 분해 제거할 수 있는 것으로 알려져 있다 (Chiang et al.
고급산화공정 중 광촉매 공정은 무엇을 제거할 수 있는 공정인가?
고급산화공정은 자외선/과산화수소 공정, 오존 공정, 펜톤 산화 공정, 방사선 처리 공정, 자외선/광촉매 공정 등이 있는데, 이중에서 광촉매 반응은 친환경적인 방법으로 각광받고 있다. 광촉매 공정은 노닐페놀 (nonylphenol), 에스트라 디올 (estradiol), 비스페놀 A (BPA, bisphenol A) 등의 내분비계 장애물질을 분해 제거할 수 있는 것으로 알려져 있다 (Chiang et al. 2004, Daskalaki et al.
고급산화공정이란 무엇인가?
고급산화공정 (advanced oxidation process)은 수산화 라디칼 (hydroxyl radical)을 발생시켜 난분해성및 미량 유해물질들을 처리하기 위한 공정으로 현재 까지 활발히 연구되고 있다 (D'Oliveira et al. 1990, Cheng et al.
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