[논문]TiO<tex> $_2$</tex> 광촉매를 이용한 중형 살균장치제작 및 최적살균조건 확립

김중곤; 김용호; 이영상; 이정섭; 박돈희; 김시욱

TiO $_2$ 광촉매를 이용한 중형 살균장치제작 및 최적살균조건 확립 원문보기

김중곤 (조선대학교 생물신소재학과) , 김용호 (순천향대학교 자원과학부) , 이영상 (순천향대학교 자원과학부) , 이정섭 (조선대학교 생물과학부) , 박돈희 (전남대학교 화학공학부) , 김시욱 (조선대학교 환경공학부)

본 연구에서는 중형 크기의 자외선 광축매 반응기를 이용한 최적 살균 조건을 알아보았다. 반응기의 직경에 따른 살균효과는 반응기의 직경이 클수록 살균효과는 감소하였으며, $TiO_2$ 농도에 따른 살균효과에서는 $TiO_2$의 농도가 증가할수록 살균효과는 증가하였고 과다한 $TiO_2$농도에 의한 살균효과의 감소는 본 연구에 사용된 0.6%의 $TiO_2$농도에서는 관찰되지 않았다. 광촉매의 종류에 따른 살균효과는 glass bead 보다는 백운모를 이용한 bead가 더 우수하였다. 중형 크기 반응기의 살균효율은 1분동안 62%, 5분후에는 94.3%, 15분후에는 99.8%의 살균효율을 보였고 30$mg/{\ell}$이상의 $H_2O_2$를 첨가할 경우 5분후의 살균효과는 99%이상이었다.

Optimal bactericidal conditions of pilot scale UV-$TiO_2$ photoreractor were studied. As the inner diameter of reactor increased. the bactedcidal efficiency decreased. Similarly bactedcidal effect was elevated according to the higher concentration of $TiO_2$. however. the effect was not repressed by the highest concentration(6.000 $mg/{\ell}$)of $TiO_2$ Bactericidal effect of muscovite bead was higher than that of glass bead. When bacterial cells were applied to the photoreacter for 1. 5. and 15 min, bactericidal effects were 62, 94.3. and 99.8%, respectively. When 30 $mg/{\ell}$ of $H_2O_2$ was added to the reaction mixture and sterilized for 5 min, the bactericidal efficiency was 99.8%.

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문제 정의

UV-TiO를 이용한 살균법은 고급산화법의 일종이며 강력한 산화제인 OH라디칼을 발생시켜 의학분야의 암세포제거", 각종 유기물 분해 및 난분해성 물질분해”에도 적용되고 있다. 따라서 본 연구에서는 기존에 연구된 소형의 TiO₂ 반응기를 중형 크기로 향상시키기 위한 최적 살균조건확립과 살균효과를 관찰하고자 하였다.
본 연구에서는 중형 크기의 자외선 광축매 반응기를 이용한 최적 살균 조건을 알아보았다. 반응기의 직경에 따른 살균효과는 반응기의 직경이 클수록 살균효과는 감소하였으며, TiQj 농도에 따른 살균효과에서는 TiCh의 농도가 증가할수록 살균효과는 증가하였고 과다한 TiO₂농도에 의한 살균효과의 감소는 본 연구에 사용된 0.

제안 방법

TiO> 광촉매를 이용한 최적살균조건을 구하고자 그림 1의 (a)는 반응기의 직경 크기별 살균효과를 통하여 UV lamp 1개당 최적 살균범위를 알아보았다. 반응기의 직경에따른 살균효과는 반응기의 직경이 커질수록 살균효과가 감소되는 것이 관찰되었으며 55 mm와 80 mm직경 의 반응기의 경우 초기에 55 mm반응기의 살균효과가 우수했 지만 살균이 종료되는 시점에서는 거의 유사한 결과를 얻었다.
하지만 TiS가 코팅된 bead로부터 TiOz의 탈착정도에 있어서 다공성 bead가 glass bead보다 훨씬 탈착율이 낮은 것이 관찰되었고 또한 다공성 bead의 경우 항균물질인 게르마늄을 함유하고 있기 때문에 광촉매의 선정에 있어서 비슷한 살균효과를 보였지만 glass bead 보다는 백운모를 이용하여 제조된 다공성 bead를 사용하는 것이 더 효과적일 것으로 사료된다. 그림 1의 (d)는 그림 1의 (a), (b), (c)의 살균조건들에 기초하여 제 작한 pilot scale 반응기의 살균효과와 살균효과를 보다 높이기 위해 산화제로 HQ』를 농노별(20, 25, 30, 50 mg〃)로 첨가하고 기포를 주입했을 경우의 살균효과를 나타내었다. 과산화수소가 첨가되지 않았을 경우 1분동안에 3.
수용액 의 흐름은 처 리수 60 £를 ;30 2/min의 유속으로 일정하게 유지하였으며, 두 반응기 모두 하단부에서 상층부로 순환하는 형식을 취하였으며 기포주입을 위해 일정하게 구멍이 뚫린 관을 반응기 하단부에 설치하였다. 살균효과의 측정은 살균하는 동안 일정 시간별로 분획을 취하여 적절히 희석한 후 LB 배지에 100 以씩 도말하였고 24시간 배양하여 계수하였다.

대상 데이터

0, 37'C)를 사용하였다. 또한 본 인구에 사용된 자외선원으로는 254 nm에서 최대 39 watt의 방출량을 내는 자외선 램프 (HANKOOK ultra-violet Co., 850 mm)를 사용하였으며 광촉매로 Apatite가 코팅된 TiO₂(JUPITER F4-APS, Showa Denko, Japan)용액을 희석하여 유리구슬과 2.2 ㎎/㎏의 게르마늄을 함유하고 있는 백운모를 이용하여 제조된 bead에 코팅하여 사용 하였다. 본 인구에서 최적 살균조건을 확립하는데 사용된 반응기는 내경이 55 mm이고 길이가 720 mm인 pyrex 관을 가로로 뉘여 반응기 내부에 자외선 램프를 넣고 구멍이 뚫린 silicone 마개를 반응기의 양쪽 끝으로 나온 자외선 램프에 끼워 반응기 양끝을 막은 뒤 TiO?가 코팅된 광촉매를 충진하여 순환식으로 실험하였다.
03%의 순으로 TiO₂ 농도가 높을수록 살균효과는 높게 나타났다. 그러나 일부 문헌에서는 본 실험에서 사용된 TiO?의 농도에서 보다 더 적은 농도에서 훨씬 효과적이었으며 과도한 양의 TiOj 농도는 TiOj 입자에 의한 빛의 산란 때문에 오히려 살균효과를 저해한다고 보고하였다沛>. 본 실험에 사용된 TiO?의 형태는 분말상태가 아니라 고정화상태의 것이므로 Block등보다 높은 TiCh의 농도임에도 불구하고 TiO?의 입자에 의한 산란효과 때문에 살균효과가 떨어지지 않은 것으로 사료되며 0.
본 연구에 사용된 균주로는 Escherichia coli V1090(ATCC 37197)를 사용하였으미 E. coh의 배양은 Luria- bertani(LB)배지(pH 7.0, 37'C)를 사용하였다. 또한 본 인구에 사용된 자외선원으로는 254 nm에서 최대 39 watt의 방출량을 내는 자외선 램프 (HANKOOK ultra-violet Co.

성능/효과

6%의 TiQz농도에서는 관찰되지 않았다. 광촉매의 종류에 따른 살균효과는 glass bead 보다는 백운모를 이용한 bead가 더 우수하였다. 중형 크기 반응기의 살균효율은 1분동안 62%, 5 분후에는 94.
반응기의 직경에 따른 살균효과는 반응기의 직경이 클수록 살균효과는 감소하였으며, TiQj 농도에 따른 살균효과에서는 TiCh의 농도가 증가할수록 살균효과는 증가하였고 과다한 TiO₂농도에 의한 살균효과의 감소는 본 연구에 사용된 0.6%의 TiQz농도에서는 관찰되지 않았다. 광촉매의 종류에 따른 살균효과는 glass bead 보다는 백운모를 이용한 bead가 더 우수하였다.
살균효과를 통하여 UV lamp 1개당 최적 살균범위를 알아보았다. 반응기의 직경에따른 살균효과는 반응기의 직경이 커질수록 살균효과가 감소되는 것이 관찰되었으며 55 mm와 80 mm직경 의 반응기의 경우 초기에 55 mm반응기의 살균효과가 우수했 지만 살균이 종료되는 시점에서는 거의 유사한 결과를 얻었다. 하지만 110 mm 반응기의 경우 55 mm와 80 mm반응기에 비해 현저히 떨어진 살균효과가 관찰되어 UV램프 1개당 반응기의 크기는 처리용량이 많을 경우를 감안해 55 ~ 80 mm 사이의 반응기가 가장 적절하다고 사료된다.
광촉매의 종류에 따른 살균효과는 glass bead 보다는 백운모를 이용한 bead가 더 우수하였다. 중형 크기 반응기의 살균효율은 1분동안 62%, 5 분후에는 94.3%, 15분후에는 99.8%의 살균효율을 보였고 30 이상의 压6를 첨가할 경우 5분후의 살균효과는 99%이상이었、다.
9%의 살균효과로 glass bead 보다 약간 우수하영、다. 하지만 TiS가 코팅된 bead로부터 TiOz의 탈착정도에 있어서 다공성 bead가 glass bead보다 훨씬 탈착율이 낮은 것이 관찰되었고 또한 다공성 bead의 경우 항균물질인 게르마늄을 함유하고 있기 때문에 광촉매의 선정에 있어서 비슷한 살균효과를 보였지만 glass bead 보다는 백운모를 이용하여 제조된 다공성 bead를 사용하는 것이 더 효과적일 것으로 사료된다. 그림 1의 (d)는 그림 1의 (a), (b), (c)의 살균조건들에 기초하여 제 작한 pilot scale 반응기의 살균효과와 살균효과를 보다 높이기 위해 산화제로 HQ』를 농노별(20, 25, 30, 50 mg〃)로 첨가하고 기포를 주입했을 경우의 살균효과를 나타내었다.
이리한 결과는 살균조건을 최적화하는 실험결과와 비교해 볼 때 초기의 살균효과는 떨어셨지만 살균이 종료되는 15분후에는 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 하지만 중형 크기의 반응기를 이용하여 살균했을 경우에는 살균조건을 최적화하는 과정보다 살균처리양을 2배로 증가시켰기 때문에 이점올 고려한다면 본 실험실에서 제작한 반응기의 효율이 상당히 우수하다고 사료되며 또한 H, O、의 농도가 30 mg/ e 이상 처리되었을 경우에는 매우 우수한 살균효과를 얻을 수 있었다.

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