광촉매를 이용한 Giardia의 살균

유미진, 류천수, 김문선, 김병우

성균관대학교 화학공학과

Photocatalytic disinfection of Giardia lamblia

Mi-Jin Yu, Chun-Soo Ryu, Moon-Sun Kim, Byung-Woo Kim

Department of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University

서론

우리가 살아가는데 있어서 식수로 사용되고 있는 물이 차지하고 있는 중요도는 매우 크며 오염된 물은 우리의 건강을 헤칠 뿐만 아니라 자연환경을 파괴하는 결과를 가져온다. 이런 이유로 맑은 물을 얻기 위해 여러 분야에서 화학적, 생물학적 공정을 이용한 연구가 이루어지고 있다[1].

원생동물(protozoa)은 세포벽이 없는 진핵성 단세포 미생물로서 운동성이 크며 무색이다. 원생동물은 담수와 해수에서 서식하며 이들 중 많은 종류가 인간을 비롯한 동물에 기생해서 살고 있다. Giardia lamblia는 병원성 원생동물로서 인체의 소장에 기생하며 설사, 복통, 구토 등의 증세를 일으킨다. 주로 오래된 음식물이나 처리되지 않은 상수원, 계곡의 물 등을 통해서 감염된다.

널리 사용되는 살균법으로 염소살균, 오존살균, 살균램프를 이용한 살균 등이 있다. Matsunaga 등(1985)에 의해 처음 살균에 관한 연구결과가 발표된 이래 박테리아, 바이러스, 원생동물, 균류 등을 대상으로 하는 다양한 연구가 이루어지고 있다[2∼5]. Ireland 등(1993)은 광조사된 티타늄 광촉매을 이용하여 E. Coli의 살균실험을 했고[6] Blake 등(1999)도 광촉매가 살균효과가 있다는 결과를 발표했다[7].

본 실험에서는 TiO2/UV를 이용한 Giardia의 살균효과를 연구하기 위해 slurry상태에서 TiO2의 농도, 반응온도, pH의 변화가 미치는 영향을 관찰했고 동시에 고정상태에서의 효과와 비교했다.

이론

광촉매가 반응을 하기 위해서는 band gap energy 이상의 빛에너지를 흡수해 electron을 valence band에서 conduction band로 여기(exite)시켜 hole을 생성해야 한다. 생성된 hole은 H2O와 반응하여 hydroxyl radical을 생성하고 생성된 radical은 유기물과 반응하여 인체에 무해한 CO2나 H2O로 분해시킨다.

광분해 mechanism을 다음과 같다.

Electron-hole pair formation

TiO2 + hv   →  TiO2·+ OH·

Electron removal from the conduction band

TiO2- + O2 + H+  →  TiO2·+ HO2-

TiO2- + H2O2 + H+  →  TiO2 + H2O + OH·

TiO2- + H+   →  TiO2 + 1/2 H2

Oxidation of organic compounds

OH·+ O2 + CnOmH(2n-2m+2) → nCO2 + (n-m+1)H2O

실험

1) 반응기

반응기는 아크릴 재질로 용량은 1.3 L이며 UV lamp는 6W 수은램        프(최대파장 254nm)를 사용했다(Fig. 1).

Fig 1. Schematic diagram of batch photoreactor.

2) 균주 및 광촉매

실험에 사용된 균주는 Giardia lamblia cycts(EDiT, Inc., Korea)이며   광촉매로 사용된 TiO2는 평균입경이 21 nm이고, BET surface area가 50±15 m2/g 인 P-25(maker: Daegusa Co.)를 사용했다.

3) 실험방법

Fig. 1과 같은 반응기에서 UV광을 이용하여 TiO2의 slurry 농도, 온도, pH에 대한 시간별 균주의 감소효과를 측정했고 lamp quartz표면에 TiO2을 dip coating시킨 고정상태에서의 살균효과와도 비교했다.

분석은 광학현미경 400배율 조건에서 hamacytometer를 이용하여 광반응 에 따른 감소된 균주의 수를 측정하여 살균효과를 평가했다.

결과 및 고찰

TiO2없이 UV광만을 조사한 실험과 TiO2/UV를 이용한 실험의 결과를 Fig. 2에 나타냈다. 30분 후 UV광만을 사용한 경우는 40%의 살균효과가 있었으나 0.1 g/L의 TiO2의 slurry상태에서 UV광을 조사한 경우에는 80%의 살균효과가 있었다. 또 Fig. 3과 같은 slurry 상태에서는 TiO2의 농도가 증가할수록 살균효과가 높았다.

Fig 2. Disinfection of Giardia using UV light and TiO2/UV light.

Fig 2. Disinfection of Giardia depending on concentration of TiO2.

참고문헌

1. R. M. Clark, C. A. Fronk, and B. W. Lykin: Environ. Sci. Technol.,      22, 1126 (1988).

2. T. Matsunaga, R. Tomaoda, T. Nakajima, and H. Wake: Microbiol.      Let., 29, 211 (1985).

3. K. V. Ellis: Crit. Rev. Environ. Control, 20, 341 (1991).

4. J. F. Kuo and S. O. Smith: Water Environ. Res., 68, 503 (1996).

5. O. Legrini, E. Oliveros, and A. M. Braun: Chem. Rev., 93, 671           (1993).

6. J. C. Ireland, P. Klostermann, E. W. Rice, and R. M. Clark:               Appl. Environ. Microbiol., 59, 1668 (1993).

7. D. M. Blake, P. C. Maness, Z. Huang, E. J. Wofrum, W.A. Jacoby,       and J. Huang:  Sep. Purif. Methods, 28, 1 (1999).