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문제 정의
- 상술한 바와 같이 TPA는 수산기 라디칼과 1 : 1로 반응하여 2-hydroxyterephthalic acid로 변하기 때문에 초기의 TPA 농도는 광촉매 산화반응이 진행되는 동안 지속적으로 감소하게 된다. Ishibashi et al. (2000)이 제안한 TPA/Fluorescence 방법은 실험과정에서 생성된 2-hydroxyterephthalic acid의 농도를 정성적 분석만이 가능하기 때문에 본 연구 조건에서는 실험 과정에서 2-hydroxyterephthalic acid로 산화되어 감소한 TPA의 농도 분석을 통해 생성된 수산기 라디칼을 정량적으로 역산할 수 있는 분석법을 제안하고자 하였다. Ishibashi et al.
- 광촉매를 이용한 광촉매 산화 반응으로 생성된 수산기 라디칼의 농도를 분석하기 위하여 주로 사용되어온 요오드화칼륨(potassium iodide, KI) 및 테레프탈산(terephthalic acid, TPA) 분석 방법을 비교 평가하였다. 그리고 기존 연구들의 단점인 정성적 분석의 한계를 극복할 수 있는 새로운 정량적 분석 방법을 제시하고자 하였다.
- 최근 수산기 라디칼의 높은 산화력을 이용한 고도산화처리공정이 다양한 오염물의 산화 및 분해를 위해 많이 적용되고 있다. 본 연구에서는 고도산화처리공정 기술 중 하나인 광촉매 산화 반응 과정에서 생성된 수산기 라디칼을 보다 더 정밀하게 분석하기 위하여 기존에 보고된 분석 방법들을 비교해 보았으며, 광촉매 산화 반응 동안 생성된 수산기 라디칼을 정량적으로 해석할 수 있는 분석 방법을 제안하고자 하였다.
- 이온 또는 2-hydroxyterephthalic acid를 통해 정성적으로 밝힐 수 있었으나, 생성된 수산기 라디칼의 농도를 정량적으로 해석하기에는 무리가 있었다. 이에 본 실험은 이번 연구의 주된 목적인 광촉매 산화 반응을 통해 생성된 수산기 라디칼의 농도를 검출하고, 정량화하고자 수행하였다. HPLC를 사용한 TPA 농도를 분석하는 방법은 앞에서 수행된 2가지의 분석법들과 달리 광촉매 산화 과정에서 생성된 수산기 라디칼과의 반응 전후 남은 용질의 농도를 분석하는 방법이다.
- 이에 본 연구에서는 자외선 파장의 램프와 TiO2 광촉매를 이용한 광촉매 산화 반응으로 생성된 수산기 라디칼의 농도를 분석하기 위하여 주로 사용되어온 요오드화칼륨(potassium iodide, KI) 및 테레프탈산(terephthalic acid, TPA) 분석 방법을 비교 평가하였다. 그리고 기존 연구들의 단점인 정성적 분석의 한계를 극복할 수 있는 새로운 정량적 분석 방법을 제시하고자 하였다.
제안 방법
- 이렇게 측정된 TPA 각 농도별 신호강도(intensity) 간 검량곡선을 얻고(Fig. 7(b)), 기울기와 절편을 일차방정식에 대입하여 TPA의 농도를 산출하였다. 광촉매 산화 반응을 거치면서 감소된 TPA의 농도와 생성된 수산기 라디칼의 농도를 Fig.
- HPLC를 이용한 TPA 농도 분석 방법은 고도산화처리공정에서 생성된 수산기 라디칼의 농도를 정량적으로 분석하기 위해 수행하였다. 상술한 바와 같이 TPA는 수산기 라디칼과 1 : 1로 반응하여 2-hydroxyterephthalic acid로 변하기 때문에 초기의 TPA 농도는 광촉매 산화반응이 진행되는 동안 지속적으로 감소하게 된다.
- TiO2의 광물학적인 특성을 알아보기 위해 경상대학교 지질 과학과에 소재되어 있는 X선 회절 분석기 Siemens D5005 X-ray Diffractometer (Cu-Kα, 40 kV, 35 mA, step size : 0.02 Deg, Time/step : 5 sec, Scan time 6 h 50 min)를 이용하였다.
- 광원인 UVC 램프의 특성을 분석하기 위하여 램프로부터 방출되는 자외선의 파장과 방사량을 측정하였다. 광원의 파장 및 자외선 방사량은 (주)리트젠사에서 보유하고 있는 광파장분석기(QE65000, Ocean Optics사, 미국)와 조도계(UV Power Puck Ⅱ, EIT사, 미국)를 이용하여 분석하였다. TiO2의 광물학적인 특성을 알아보기 위해 경상대학교 지질 과학과에 소재되어 있는 X선 회절 분석기 Siemens D5005 X-ray Diffractometer (Cu-Kα, 40 kV, 35 mA, step size : 0.
- 광원인 UVC 램프의 특성을 분석하기 위하여 램프로부터 방출되는 자외선의 파장과 방사량을 측정하였다. 광원의 파장 및 자외선 방사량은 (주)리트젠사에서 보유하고 있는 광파장분석기(QE65000, Ocean Optics사, 미국)와 조도계(UV Power Puck Ⅱ, EIT사, 미국)를 이용하여 분석하였다.
- 최근 고도처리산화공정에서 생성된 수산기 라디칼을 분석하기 위한 기술 중 하나인 KI와 UV-Vis spectrometer 분석법을 통해 본 연구에서 사용된 UVC 램프와 Degussa P25 광촉매로 수산기 라디칼의 생성 반응을 구현해 보았다. 광촉매 산화 반응이 진행되는 동안 0, 30, 60, 120, 240 min에 채취한 시료를 UV-Vis spectrometer로 측정하였고, 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다. Fig.
- 석영관은 라디칼을 분석하기 위하여 제조된 KI 및 TPA 수용액으로부터 램프를 보호할 용도로 사용되었으며, 자외선이 석영관을 통해 수용액으로 방출되기 때문에 규소성분이 높아 90% 이상의 자외선을 투과할 수 있는 석영관을 사용하였다. 그리고 내경이 서로 다른 석영관을 이중으로 부착하였으며, 내경이 큰 석영관 상단 외부에 가지관을 부착하여 냉각수를 흘려주었다. 그리고 자외선에 반응하지 않는 유리관을 사용하여 제조된 수용액을 담고 광촉매 산화 반응을 수행할 수 있도록 제작하였으며, 석영관을 유리관 중앙에 삽입 후 유리관 바닥으로부터 5 cm 이격시켜 설치하였다.
- 그리고 형광 광도계(fluorescence spectrometer)(LS-50B, Perkin elmer사, 미국)(excitation : 350 nm, Ex slit : 10 nm, Em slit : 10 nm, Scan speed : 500 nm/min)를 통해 UV-Vis spectrometer의 wave scan의 기능과 유사한 방출(emission)이라는 기능으로 370∼600 nm 범위의 파장에서 발광(luminescence) 정도를 측정하였다. 그리고 마지막으로 액체크로마토그래프(high performance liquid chromatography, HPLC)(1260 Infinity Bio-inert, Agilent Technologies사, 미국A)를 사용하여 TPA 농도를 분석함으로써 생성된 수산기 라디칼의 농도를 정량화하였다. TPA 농도 분석을 위해 Gurley (1980)가 제안한 방법에 따라 이동상(mobile phase)은 10% 메탄올, 1% 아세트산, 89% 증류수의 농도로 제조하여 사용하였고, 컬럼은 Gurley (1980)가 사용하였던 Micropak MCH사의 생산이 중단되어 이를 대체 가능한 Waters spherisorb® 컬럼(10 µm silica, 4.
- 본 연구에서는 광촉매 산화 반응의 광원으로 수처리용 UVC 저압 수은 램프(180∼280 nm 파장, 11 W)(Philips사, 네덜란드)를 사용하였고, 많은 광촉매 산화 연구에서 표준 광촉매로 사용되어온 Degussa P25 (Evonik사, 독일)를 광촉매로 사용하였다. 그리고 석영관과 유리관으로 광촉매 산화 반응조를 제작하였으며, Fig. 1에 제작된 반응조의 모식도를 제시하였다.
- 그리고 내경이 서로 다른 석영관을 이중으로 부착하였으며, 내경이 큰 석영관 상단 외부에 가지관을 부착하여 냉각수를 흘려주었다. 그리고 자외선에 반응하지 않는 유리관을 사용하여 제조된 수용액을 담고 광촉매 산화 반응을 수행할 수 있도록 제작하였으며, 석영관을 유리관 중앙에 삽입 후 유리관 바닥으로부터 5 cm 이격시켜 설치하였다. 이때 석영관은 유리관 직경과 동일한 크기로 재단된 아크릴 판 중앙에 석영관 직경으로 구멍을 뚫어 삽입후 고정시켰다.
- 그리고 형광 광도계(fluorescence spectrometer)(LS-50B, Perkin elmer사, 미국)(excitation : 350 nm, Ex slit : 10 nm, Em slit : 10 nm, Scan speed : 500 nm/min)를 통해 UV-Vis spectrometer의 wave scan의 기능과 유사한 방출(emission)이라는 기능으로 370∼600 nm 범위의 파장에서 발광(luminescence) 정도를 측정하였다.
- 먼저 선행 연구들에서 KI와 TPA를 통해 수산기 라디칼의 생성을 모니터하기 위하여 수행된 실험 결과들을 본 실험에서 사용된 광촉매 및 광원을 통해 구현하고자 UV-Vis spectrometer (Libra S22, Biochrom사, 미국)를 사용하였으며, UV-Vis spectrometer의 분석 프로그램 중 wave scan이라는 분석법을 통해 200∼900 nm (step : 0.5 nm, scan speed : 125 nm/min) 사이에서 흡광도(absorbance)의 변화를 관찰하였다.
- 본 연구에서 제안하는 TPA/HPLC 분석법은 앞에서 수행된 실험 방법들과 달리 광촉매 산화 반응 과정 동안 수산기 라디칼의 농도 변화를 알아보기 위해 첨가된 용질인 TPA의 농도 변화를 비교한 방법이다. 생성물이 아닌 초기 용질의 농도 변화를 관찰하기 때문에 정량적 분석을 위해서 검량곡선을 구하였다. 이렇게 얻은 검량곡선을 이용해 광촉매 산화 반응 동안 감소된 TPA의 농도를 산출할 수 있으며, TPA와 1 : 1로 반응하는 수산기 라디칼의 농도 역시 산정할 수 있다.
- 05 g/l로 수용액에 혼탕하여 사용하였고, 광원은 UVC 램프를 사용하였다. 실험이 진행되는 동안 산소를 폭기 시켜주었고, 일정 시간 간격으로 시료를 채취하여 생성된 I3- 이온의 흡광도를 UV-Vis spectrometer로 측정하였으며, 350 nm의 파장에서 나타난 흡광도를 통해 시간에 따른 I3-이온의 농도 변화를 관찰하였다.
- 0005 M의 TPA를 용해시켜 TPA 수용액을 제조하여 사용하였으며, 앞의 실험 조건과 동일하게 UVC 램프와 Degussa P25 TiO2를 사용하여 실험을 수행하였다. 일정 시간 간격으로 채취한 시료를 fluorescence spectrometer를 이용하여 발광도를 측정하여 시간에 따라 생성된 2-hydroxyterephthalic acid 농도를 관찰하였다.
- 최근 고도처리산화공정에서 생성된 수산기 라디칼을 분석하기 위한 기술 중 하나인 KI와 UV-Vis spectrometer 분석법을 통해 본 연구에서 사용된 UVC 램프와 Degussa P25 광촉매로 수산기 라디칼의 생성 반응을 구현해 보았다. 광촉매 산화 반응이 진행되는 동안 0, 30, 60, 120, 240 min에 채취한 시료를 UV-Vis spectrometer로 측정하였고, 그 결과를 Fig.
대상 데이터
- 본 연구에서는 광촉매 산화 반응의 광원으로 수처리용 UVC 저압 수은 램프(180∼280 nm 파장, 11 W)(Philips사, 네덜란드)를 사용하였고, 많은 광촉매 산화 연구에서 표준 광촉매로 사용되어온 Degussa P25 (Evonik사, 독일)를 광촉매로 사용하였다.
- 석영관은 라디칼을 분석하기 위하여 제조된 KI 및 TPA 수용액으로부터 램프를 보호할 용도로 사용되었으며, 자외선이 석영관을 통해 수용액으로 방출되기 때문에 규소성분이 높아 90% 이상의 자외선을 투과할 수 있는 석영관을 사용하였다. 그리고 내경이 서로 다른 석영관을 이중으로 부착하였으며, 내경이 큰 석영관 상단 외부에 가지관을 부착하여 냉각수를 흘려주었다.
- 4에 나타내었다. 실험에 사용된 Degussa P25는 Anatase와 Rutile이 혼합된 회절 패턴을 확인할 수 있었다.
- (2000)에 의해 고안되었다. 실험은 Ishibashi et al. (2000)이 제안한 방법과 동일하게 0.002 M의 NaOH 수용액에 0.0005 M의 TPA를 용해시켜 TPA 수용액을 제조하여 사용하였으며, 앞의 실험 조건과 동일하게 UVC 램프와 Degussa P25 TiO2를 사용하여 실험을 수행하였다. 일정 시간 간격으로 채취한 시료를 fluorescence spectrometer를 이용하여 발광도를 측정하여 시간에 따라 생성된 2-hydroxyterephthalic acid 농도를 관찰하였다.
- 실험은 Nam et al. (2011)에서 사용된 방법과 같이 KI로 10 g/l 농도의 수용액을 제조하였으며, 광촉매 산화반응을 위해 광촉매는 Degussa P25를 0.05 g/l로 수용액에 혼탕하여 사용하였고, 광원은 UVC 램프를 사용하였다. 실험이 진행되는 동안 산소를 폭기 시켜주었고, 일정 시간 간격으로 시료를 채취하여 생성된 I3- 이온의 흡광도를 UV-Vis spectrometer로 측정하였으며, 350 nm의 파장에서 나타난 흡광도를 통해 시간에 따른 I3-이온의 농도 변화를 관찰하였다.
이론/모형
- (2000)이 제안한 TPA/Fluorescence 방법은 실험과정에서 생성된 2-hydroxyterephthalic acid의 농도를 정성적 분석만이 가능하기 때문에 본 연구 조건에서는 실험 과정에서 2-hydroxyterephthalic acid로 산화되어 감소한 TPA의 농도 분석을 통해 생성된 수산기 라디칼을 정량적으로 역산할 수 있는 분석법을 제안하고자 하였다. Ishibashi et al. (2000)의 형광 분석을 통해 생성된 2-hydroxyterephthalic acid를 분석하는 방법 대신 Gurley (1980)가 제안한 방법인 HPLC를 이용해 TPA의 농도를 검출하였다. 이를 통해 초기에 특정 농도로 제조된 TPA 수용액을 이용하여 광촉매 산화 반응 동안 감소한 TPA 의 농도를 측정함으로써 감소한 TPA의 농도를 역산하여 생성된 수산기 라디칼의 농도를 산정할 수 있다.
- TPA 농도 분석을 위해 Gurley (1980)가 제안한 방법에 따라 이동상(mobile phase)은 10% 메탄올, 1% 아세트산, 89% 증류수의 농도로 제조하여 사용하였고, 컬럼은 Gurley (1980)가 사용하였던 Micropak MCH사의 생산이 중단되어 이를 대체 가능한 Waters spherisorb® 컬럼(10 µm silica, 4.6 mm × 250 mm, Waters사, 영국)을 이용하였다.
성능/효과
- (a)는 광촉매 산화 과정 중에 일정 시간 간격으로 채취한 시료를 형광 분석기의 ‘emission’ 기능을 통해 370∼600 nm의 빛이 조사되는 동안 발광되는 정도를 측정한 것으로 광촉매 산화 반응 시간이 증가할수록 440 nm에서 발광도가 증가하는 것을 관찰할 수 있었다.
- Fig. 5(b)와 (c)는 시간에 따라 290 nm와 350 nm에서 측정된 흡광도의 변화를 나타낸 그래프로, 흡광도의 증가 양상은 두 파장에서 매우 유사하게 나타났으며, 시간이 증가할수록 흡광도의 증가폭이 감소하는 것을 관찰할 수 있었다. 이는 광촉매 산화 반응이 진행되는 동안 I3- 이온의 농도가 증가하여 290 nm와 350 nm의 파장에서 흡광도가 증가한 것으로 생각되며, 광촉매 산화 반응 겪으면서 생성된 수산기 라디칼에 의해 I- 이온이 화학적으로 비교적 안정한 I3-의 형태로 산화된 것이라 할 수 있다.
- 이렇게 얻은 검량곡선을 이용해 광촉매 산화 반응 동안 감소된 TPA의 농도를 산출할 수 있으며, TPA와 1 : 1로 반응하는 수산기 라디칼의 농도 역시 산정할 수 있다. 광촉매 산화 반응이 진행되는 동안 TPA의 농도가 점차 감소하였고, 이에 따라 수산기 라디칼의 농도가 증가하는 것을 관찰할 수 있었으며, 광촉매 산화반응이 진행된 480 min 동안 0.013 M의 수산기 라디칼이 생성된 것을 확인할 수 있었다. 본 연구 결과는 광촉매 산화 공정의 성능 평가를 위해 활용 가능할 것으로 판단된다.
- 6(b)에서는 시간에 따른 440 nm 파장에서의 발광도 변화를 관찰한 결과이다. 광촉매 산화 반응이 진행됨에 따라 발광도가 점차적으로 증가하다가 60 min 이후부터 발광도의 증가 폭이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 앞서 수행된 KI와 UV-Vis를 사용한 수산기 라디칼 분석 방법과 유사한 경향이며, 대부분의 수용상 TPA가 생성된 수산기 라디칼과 반응하여 2-hydroxyterephthalic acid로 전환되었기 때문이다.
- 의 흡광도를 UV-Vis 스펙트럼을 통해 분석하는 방법으로 광촉매 산화 반응이 진행되는 동안 290 nm와 350 nm의 파장에서흡광도가 증가하는 것으로 나타났다. 두 파장에서 흡광도의 증가 양상은 매우 유사하게 나타났으며, 240 min에 I- 이온이 I3- 이온으로 산화되어 240 min 이후에는 흡광도의 증가폭이 감소하는 것을 관찰할수 있었다. I3- 이온의 증가를 통해 수산기 라디칼의 생성을 정성적으로 해석할 수 있으나 발생량을 정량적으로 해석하는 것은 불가능하다.
- 본 연구에서 사용된 UVC 램프에서 방출되는 자외선의 파장과 방사량을 측정한 결과, 250 nm의 파장에서 가장 강한 자외선을 방출하는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 램프의 표면에 코팅되어 있는 형광물질 또는 진공 상태를 유지하기 위해 사용된 가스 상태의 수은이 발광하면서 다양의 파장의 빛을 내어 놓은 것으로 나타났으며(Fig.
- 또한 TPA/ Fluorescence 분석법은 수산기 라디칼과 TPA가 반응하여 생성된 2-hydroxyterephthalic acid의 농도를 fluorescence를 통해 발광도를 측정하는 방법으로 광촉매 산화 반응이 지속되는 동안 440 nm의 파장에서 발광도가 증가하는 것을 관찰할 수 있었다. 실험이 60 min까지 발광도가 급격하게 증가하였고, 이 후 발광도가 매우 더디게 증가하였다. 수산기 라디칼의 생성을 지시하는 2-hydroxyterephthalic acid의 발광도를 fluorescence로 분석하는 방법 역시 수산기 라디칼의 생성을 정성적으로 파악할 수 는 있었으나, 수산기 라디칼의 생성량을 정량적으로 산정할 수는 없었다.
- 이를 통해 위에서 설명한 바와 같이 TPA는 광촉매 산화 반응으로 생성된 수산기 라디칼과 반응하여 2-hydroxyterephthalic acid로 변함에 따라 농도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 TPA 및 수산기 라디칼의 농도 변화를 나타낸 Fig.
- 6(c)에 나타내었다. 초기에 약 0.016 M의 농도로 측정된 TPA가 광촉매 산화 반응을 거치면서 농도가 점진적으로 감소하는 것으로 나타났으며, TPA와 1 : 1로 반응하는 수산기 라디칼은 점차 농도가 증가하여 480 min 동안 0.013 M의 수산기 라디칼이 생성된 것을 알 수 있었다.
후속연구
- 그렇지만 광촉매 산화 반응에서 생성된 2-hydroxyterephthalic acid의 농도를 측정하는 fluorescence와 달리 초기의 TPA 농도 감소를 통해 라디칼의 농도를 역산하는 방법이기 때문에 수산기 라디칼을 정량화하는데 있어서 이러한 단점은 큰 문제가 되지 않는다. 따라서 본 연구에서 제안한 수산기 라디칼 정량화 방법을 적용한다면 광촉매 산화 반응의 성능 및 효율 평가를 보다 더 정밀하게 할 수 있을 것으로 판단된다.
- 013 M의 수산기 라디칼이 생성된 것을 확인할 수 있었다. 본 연구 결과는 광촉매 산화 공정의 성능 평가를 위해 활용 가능할 것으로 판단된다.
- 이와 같이 광촉매 산화의 탁월한 효과가 많이 알려짐에 따라 선행 연구들에서 다양한 오염물을 제거하기 위한 연구가 진행되어 오고 있으나, 아직까지 자외선과 광촉매 반응에서 생성된 라디칼 분석을 위한 표준화되거나 정밀한 분석방법이 마련되어 있지 않고 있어 광촉매 산화공정으로 오염물질이 분해되는 과정을 명확하게 규명하는데 한계가 있다. 2000년대 이후로부터 광촉매 산화 과정을 규명하기 위해 생성된 라디칼 중 산화력이 강한 수산기 라디칼의 분석 방법에 대한 연구들이 활발하게 진행되어 오고 있다(Ishibashi et al.
- 이온 또는 2-hydroxyterephthalic acid가 수산기 라디칼의 생성을 지시하고 있다. 하지만, 이 두 실험에서 모두 수산기 라디칼의 생성 속도 또는 생성된 양에 대한 정성적 분석은 가능하지만, 정량 분석이 불가능하다는 한계점이 있다.
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