TiO2/UV를 이용한 bisphenol-A의 광분해에 대한 연구

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

이종민, 장선정, 김춘일, 임성혁

김문선, 김병우

성균관대학교 화학공학과

Study of Photodegradation of Bisphenol-A

by Immobilized TiO2 in a Reactor with Immersed UV Lamps

Jong-Min Lee, Seon-Jung Jang, Chun-Il Kim, Sung-Huk Lim

Moon-Sun Kim, and Byung-Woo Kim

Department of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University

서론

산업혁명 이후 근대 과학기술의 발달과 함께 다양한 종류의 새로운 화학물질들이 대량 생산되면서 지구 생태계에 새로운 오염문제들을 야기시키고 있다. 특히 환경호르몬 또는 내분비결합물질이라 불리는 이러한 유독성 화학물질들은 생명체의 정상적인 호르몬 기능에 영향을 주며 생물학적으로 난분해성이기 때문에 소량으로도 생태계에 치명적인 영향을 미치게 된다(1). 지금까지 확인된 내분비계 장애물질은 약 70 여 종으로 공업약품 및 환경 오염물질, 플라스틱 원료, 첨가제, 농약 및 살충제와 중금속 원료 등 크게 4 가지로 분류된다. 이 중 사용량으로 볼 때, Phenol, Bisphenol-A, Dibutylphthalate 등과 같이 플라스틱 원료 및 첨가제에 가장 널리 사용되는 내분비계 장애물질이 사회적인 문제로 크게 대두되고 있다. 이중  Bisphenol-A는 흰색의 고형물질로 호흡과 피부를 통해서 인체에 영향을 주며 피부접촉에 의한 피부알레르기 등을 유발시킨다. 1997 년 연구를 통하여 극소량으로도 에스트로겐과 같은 성호르몬을 변형시키고 정자수 감소 등을 유발하는 환경호르몬으로 밝혀졌고, 미량으로 여성호르몬처럼 작용, 유방암 세포를 증식시키는 것으로 알려졌다.

최근 광반응을 이용한 Bisphenol-A의 분해연구가 이루어지고 있으며(2) 본 연구에서는 고정화된 TiO2/UV 시스템을 반응기에서 Bisphenol-A를 효율적으로 분해할 수 있는 조건을 조사하였으며 GC-MAS를 이용하여 Bisphenol-A에서 유도된 부산물을 분석했다.

이론

광촉매 산화처리법은 고도 산화처리법(AOPs)의 일종으로 고유 band gap을 가지는 반도체 물질 표면에 band gap 이상의 에너지 (Eg)를 갖는 빛을 조사하였을 때 conduction band로 여기되는 전자와 valence band에 생성되는 정공(hole)에 의해  강한 산화력을 갖는 OH radical (HO·)와 superoxide radical (·O2-) 등을 생성함으로써 난분해성 오염물질들을 분해시켜 H2O, CO2 등과 같은 무해한 성분으로 처리하는 방법이다. 이러한 특성을 갖는 반도체 물질들로는 TiO2, ZnO, Fe2O3, CdS 등이 있으며  이들 중 TiO2가 광산화반응에 대한 활성이 크며, 독성이 적고 가격이 저렴하여 가장 널리 사용되고 있다. 특히 자체 광분해 반응이 일어나지 않기 때문에 광촉매로서 응용연구가 활발히 진행되고 있다(3).

실험

반응기는 아크릴 재질로 되어있으며, 반응기 내부에 pyrex재질의 tube 표면에 TiO2를  dip coating해서 사용했다. 실험에 사용된 Bisphenol-A는 일반적인 용존량(100 mg/L)을 고려해 10 ppm으로 제조하였다. TiO2는 P-25(Deggusa, Germany)와  sol-gel 법(4, 5)으로 합성된 광촉매를 사용했는데 sol-gel 법은 상온에서 제조가 용이하고 설비가 간단하며 coating이 쉽다는 장점을 갖고 있다. 제조된 TiO2를 얇고 투명하게 tube표면에 코팅한 후 소결해서 사용해서 고정화를 시켰다.

유기 binder로 PVA (polyvinylalcohol)와 PVdF(polyvinylidenefluoride)를 사용했다.

결과 및 토론

실험에 사용된 유기 binder와 TiO2의 분산상태를 관찰하기 위해 Figs. 1, 2와 같이 dip coating을 실시했다.

Fig. 1. Microscopic image of a film coated of PVA as a binder.

Fig. 2. SEM image of a TiO2 film prepared by a sol-gel method.

Fig. 3과 같이 각 조건별 Bisphenol-A 분해실험을 했으며 TiO2 3g/UV의 조건에서 분해효과가 가장 높았고 UV조사만 있는 경우에는 분해효과가 가장 낮았다.

Fig. 3. Variation of bisphenol-A concentration with photodegradation conditions.

참고문헌

1. Son, H. J., Ryu, D. C., Kim, Y. U., Cho, K. K., and Kim, S. Y.: J. Korea       Institute Chem. Eng., 39(4), 493(2001).

2. U. S. EPA: "Special report on environmental endocrine disruption : An effects     assessment and analysis", Risk Assessment Forum, U. S. EPA, Washington      D.C, 116(1997).

3. Chun, H. D.: J. KSEE, 16(7), 809(1994).

4. Samuneva, B., Kozhukharov, V., Trapalis, C., and Kranold, R.: J. Mat. Sci.,      28, 2353(1993).

5. Kuo, W. S.: J. Environ. Sci. Technol. A35(3), 419(2000).