[논문]TiO2가 코팅된 Screw Sheet가 내장된 원통형 UV 반응기에 의한 항생제 Enrofloxacin의 광촉매 분해 특성

이민정; 이창한; 감상규

문제 정의

인간과 동물 질병의 치료목적으로 개발되었으나 항생제 종류에 따라 권장량에 비해 오용 ․ 남용되면서 수환경에 다양한 농도로 검출되고 있으며, 수생태계 및 인간에게 위해를 초래할 수 있으므로 효율적인 처리기술이 요구되고 있는 실정이다. 본 연구에서는 항생제 중 최근 2019년도 제주뉴스를 떠들썩하게 하였으며, 항생제 계란으로 논란 있었던 Enrofloxacin의 TiO₂가 코팅된 Screw Sheet가 내장된 원통형 UV 반응기에 의한 광촉매 분해특성을 연구하였다.

제안 방법

를 코팅한 반응기를 사용하였다. 실험조건 영향인자로 전력량(램프 수)의 영향, 초기농도의 영향, pH변화의 영향, 염분의 농도 영향, H₂O₂의 주입량의 영향을 토대로 항생제 제거효율 및 제거 특성을 알아보고, 공정의 반응 최적화를 위한 반응인자별 제거효율을 계산하였다. 반응시간은 240분까지 하였고, 분석기기로는 분광광도계를 이용하여 측정하였으며, 실험을 통한 통계해석방법으로 Minitab 16을 이용하여 반응표면분석법에 따라 분산분석 및 회귀분석을 하였다.
Enrofloxacin의 제거효율이 종속변수이며, 실험결과 주요 영향 인자로 전력량(램프 수), 초기농도, 반응시간, H₂O₂의 주입량을 독립변수로 하여 독립변수와 종속변수 사이의 최적화된 통계분석을 하였다. 반응 최적화에서 산출한 인자와 같은 조건으로 하여 실시하였고, 그 결과 제거효율에 가장 큰 영향을 미친 조건은 UV Lamp의 수 3개, 초기농도 10 ppm, 반응시간(min) 200 min, H₂O₂ 주입량 25 mM로 나타났다.

대상 데이터

실험 제거대상인 항생제 Enrofloxacin 시료는 표준품을 사용하였으며, 메탄올 10%에 3차 증류를 혼합하여 시료용액을 제조하였고, 친환경적인 공정으로 분말형태인 TiO₂ 대신 원통형 UV 반응기 안에 내장된 Screw Sheet에 TiO₂를 코팅한 반응기를 사용하였다. 실험조건 영향인자로 전력량(램프 수)의 영향, 초기농도의 영향, pH변화의 영향, 염분의 농도 영향, H₂O₂의 주입량의 영향을 토대로 항생제 제거효율 및 제거 특성을 알아보고, 공정의 반응 최적화를 위한 반응인자별 제거효율을 계산하였다.

데이터처리

실험조건 영향인자로 전력량(램프 수)의 영향, 초기농도의 영향, pH변화의 영향, 염분의 농도 영향, H₂O₂의 주입량의 영향을 토대로 항생제 제거효율 및 제거 특성을 알아보고, 공정의 반응 최적화를 위한 반응인자별 제거효율을 계산하였다. 반응시간은 240분까지 하였고, 분석기기로는 분광광도계를 이용하여 측정하였으며, 실험을 통한 통계해석방법으로 Minitab 16을 이용하여 반응표면분석법에 따라 분산분석 및 회귀분석을 하였다.

성능/효과

실험조건 영향인자별 제거효율은 전력량(램프 수)의 영향 Lamp4>Lamp2>Lamp1>Uncoated Lamp1 순이며, 초기농도의 영향은 1ppm>5ppm>10ppm>20ppm 순이고, pH변화의 영향 pH7>pH5>pH9>pH3, 염분의 농도 영향으로 10‰>20‰>30‰, H2O2의 주입량의 영향은 3×10-2M>1×10-3M>6×10-2M 순으로 나타났다.
제거효율은 전력량은 높을수록, 초기농도가 낮을수록 pH는 중성일수록 염분은 낮을수록 빠르게 처리되었으며, H2O2 주입량 농도를 3×10-2M까지 증가시켰을 때 제거효율이 가장 좋았으나 6×10-2M로 증가시켰을 때 제거효율이 감소하는 것으로 나타났다.
의 주입량을 독립변수로 하여 독립변수와 종속변수 사이의 최적화된 통계분석을 하였다. 반응 최적화에서 산출한 인자와 같은 조건으로 하여 실시하였고, 그 결과 제거효율에 가장 큰 영향을 미친 조건은 UV Lamp의 수 3개, 초기농도 10 ppm, 반응시간(min) 200 min, H₂O₂ 주입량 25 mM로 나타났다.
실험을 통한 결과 값을 토대로 반응 최적조건을 이용하여 선별된 4가지 인자를 분석한 결과 요인별 상호작용을 통해 변수간 특성을 파악할 수 있으며, 반응표면분석법으로 해결하고자 하는 주요 인자에 대하여 예측하고, 최적화된 모델을 만들 수 있었다. 따라서 TiO₂가 코팅된 Screw Sheet UV 반응기는 항생제 Enrofloxain 제거에 적용이 가능할 것으로 판단된다.

후속연구

실험을 통한 결과 값을 토대로 반응 최적조건을 이용하여 선별된 4가지 인자를 분석한 결과 요인별 상호작용을 통해 변수간 특성을 파악할 수 있으며, 반응표면분석법으로 해결하고자 하는 주요 인자에 대하여 예측하고, 최적화된 모델을 만들 수 있었다. 따라서 TiO₂가 코팅된 Screw Sheet UV 반응기는 항생제 Enrofloxain 제거에 적용이 가능할 것으로 판단된다.

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