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학위논문 상세정보

광산폐수 내 자유 시안 제거를 위한 나노크기 TiO2와 UV-LED를 이용한 광촉매 산화 연구 원문보기

  • 저자

    김성희

  • 학위수여기관

    경상대학교 대학원

  • 학위구분

    국내석사

  • 학과

    지구환경과학과 지질학전공

  • 지도교수

  • 발행년도

    2014

  • 총페이지

    ⅷ, 73 p.

  • 키워드

    TiO2 UV-LED 광촉매 광산화 광촉매 산화;

  • 언어

    kor

  • 원문 URL

    http://www.riss.kr/link?id=T13534441&outLink=K  

  • 초록

    본 연구는 시안을 함유한 광산폐수의 정화를 위하여 UV LED와 이산화티탄늄(TiO2)을 이용한 광촉매 산화 공정의 적용성을 평가하고자 수행되었다. 이를 위하여 본 연구에서는 광원과 광촉매의 특성에 따른 시안의 제거양상 비교, 시안의 광촉매 산화의 반응경로 규명, 그리고 주요한 영향인자 도출 등의 세 가지 세부목표별로 실험을 수행하였다. 먼저 광촉매 산화 반응에 가장 효과적인 TiO2의 투여량을 선정하기 위한 예비 실험을 수행하였다. 예비실험을 통해 0.05 g/L의 TiO2 투여량에서 가장 높은 시안 제거효율 72.3 %을 보였으며, 이 이상의 TiO2가 첨가됨에 따라 탁도가 증가하여 제거효율이 감소하는 경향을 보였다. 광원의 종류에 따른 광촉매 산화 효율비교 실험에서 TiO2 광촉매의 첨가 여부와 상관없이 UV 램프가 UV LED에 비해 높은 시안 제거 제거효율을 보였다. TiO2가 첨가 되지 않았을 때에는 UV LED 실험에서 280, 420, 365 nm 순으로 제거효율이 감소하였다. 이러한 실험결과로부터 수용액 내 TiO2가 존재하지 않을 때에는 자외선 방사량보다는 파장의 영향을 더욱 많이 받는 것으로 나타났으며, TiO2가 존재할 때에는 파장에 비해 방사량의 영향이 더 중요하다는 것을 확인 할 수 있었다. 그리고 TiO2 종류에 따라 광촉매 효율을 비교한 결과 Rutile이 낮은 제거효율을 보였고, Degussa P25를 사용하였을 때 가장 높은 제거효율을 보였다. 표준화된 효율을 평가하기 위하여 자외선 방사량 당 시안 제거량과 전력 소모량 당 시안 제거량을 산출한 결과 TiO2 존재 여부와 관계없이 전반적으로 UV LED가 효율이 가장 좋은 것으로 나타났다. 그리고 LED의 형태 및 파장에 따른 효율을 비교한 결과 365 nm 캔 형 LED는 방사량 당 시안 제거량에서는 비록 우위를 차지하였으나, 전력 소모량당 시안 제거량에서는 365 nm 램프 형 LED가 더욱 효율이 좋은 것으로 나타났다. 전체적으로 280 nm LED가 다른 LED에 비해 가장 좋은 효율을 보였으나, 실험에서 나타난 시안 제거효율에서는 365 nm 램프 형 LED가 더욱 효율이 좋은 것으로 나타나 광촉매 산화 공정에 더욱 유리할 것으로 생각된다. 시안의 광촉매 산화 반응경로를 규명하기 위하여 공정 중 발생되는 수산기 라디칼을 분석한 결과로부터 단파장이 수산기 라디칼 생성에 더욱 효과적이라는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 수산기 라디칼 생성 반응과 시안의 제거 양상을 함께 관찰한 실험 결과를 통해 수산기 라디칼이 시안의 주된 산화제로 작용한다는 것을 알 수 있었다. 시안의 제거양상과 수산기 라디칼 분석결과를 종합하여 반응경로를 해석한 결과, 시안은 광촉매 반응에 의해 N2(g), CO2(g)의 형태로 산화되어 제거되어지는 것으로 판단되며, 또한 공정 중 많은 양의 아질산 이온(NO2-)과, 중탄산 이온(HCO3-)이 생성되는 것으로 나타나 시안의 광촉매 산화 반응에서 N2(g)가 발생되는 “ ”반응과 NO2-가 주로 생성되는“”반응이 본 시안의 광촉매 산화반응의 주요한 기작이라고 판단된다. 시안의 광촉매 산화 공정의 주요한 영향인자를 도출하기 위해서 수행된 실험결과들로부터, 먼저 전자 받게 역할을 수행하는 산소의 존재 여부에 따라 30%에 가까운 시안 제거효율의 차이를 보였는데, 이는 광촉매 산화 효율이 산소의 존재여부에 따라 크게 영향을 받는다는 것을 지시한다. TiO2 입자 크기에 따른 시안 제거 비교 실험 결과를 통해 입자 크기가 작을수록 더욱 유리한 것으로 나타났다. 그리고 Anatase와 Rutile을 인위적으로 혼합한 실험에서는 Anatase와 Rutile의 혼합이 광촉매 산화 반응에 크게 영향을 주지 않는 것으로 나타났으며, LED 개수에 따라 실험한 결과에서 12개의 LED를 사용하였을 때 가장 효율이 좋은 것으로 나타나 방사량 보다 자외선과 TiO2 반응 면적이 광촉매 산화 공정의 주요한 영향인자인 것으로 나타났다. 결론적으로 본 연구결과를 종합해 볼 때 UV LED와 TiO2를 이용한 광촉매 산화 공정은 광산폐수와 같은 시안을 함유한 폐수를 정화시키는데 적용가능하다고 판단된다. 특히 UV LED는 기존의 광산화 공정에 주로 사용되어 온 UV 램프의 단점을 보완하여 공정의 경제성 및 성능을 보다 더 향상시킬 수 있는 대체 광원이라는 것이 본 연구를 통해 입증되었다. 또한 TiO2는 본 공정의 효과적인 광촉매로 확인되었다. 하지만 향후 TiO2의 광촉매 성능을 보다 더 증진시킬 수 있는 박막 등의 TiO2 개질에 대한 연구 및 기술개발이 필요할 것으로 사료된다.


    This study was initiated to evaluate the applicability of photocatalytic oxidation using UV LED as light source and titanium dioxide (TiO2) as phtocatalyst to purify mine wastewater containing cyanide. For the sake of the study, three types of experiments were conducted: (1) to compare the removal efficiency of cyanide between light sources and titanium dioxides, (2) to elucidate reaction pathway of photocatalytic oxidation of cyanide, and (3) to investigate crucial factors controlling the process. First of all, preliminary experiments were undertaken to determine the most efficient dosage of TiO2 for the photocatalytic oxidation of cyanide. The highest removal efficiency of cyanide was attained at the TiO2 dosage of 0.05 g/L, while it was decreased at the higher dosage as a result of an increase in turbidity. From the results of experiments on comparison of cyanide removal between light sources, irrespective of injection of TiO2, UV lamp showed the higher removal efficiency of cyanide than UV LED. In the case of the experiments using UV LED without TiO2, the cyanide removal was decreased in the order of the wavelengths, such as 280 nm > 420 nm > 365 nm. When TiO2 was introduced, on the other hand, the cyanide removal was decreased in the sequence of 365 nm > 280 nm > 420 nm. The results suggest that the cyanide removal was more affected by wavelength of UV LED than by radiation intensity in the absence of TiO2, but the radiation intensity was more critical than wavelength in the process with TiO2. In addition, based on the results of comparison of cyanide removal between titanium dioxides tested, rutile gave the lowest removal efficiency of cyanide, whereas Degussa P25 showed the most efficient removal. In order to evaluate the overall performance of process on the basis of normalization, cyanide removal per UV radiation as well as per consumption of electric power energy was compared between light sources used, and the results suggested that the LEDs showed the higher efficiency than the lamps, regardless of injection of TiO2. Among the LEDs tested, the can-type LEDs rendered higher performance than the lamp-type LEDs, probably due to the lower radiation and the lower electric power consumption of the can-type LEDs, compared with the lamp-type LEDs. Furthermore, 280 nm LED showed apparently the best results than the LEDs of other wavelengths, but the highest removal efficiency of cyanide was achieved by the 365 nm lamp-type LED. Consequently, the 365 nm lamp-type LED was investigated to be the most efficient light source for the process. The production of hydroxyl radical was monitored during the process to elucidate the reaction pathway of cyanide removal, and the result suggested that the shorter wavelengths of light sources seemed to be more favorable to generate hydroxyl radicals than the longer ones. Moreover, the hydroxyl radical was identified as a primary oxidant of cyanide based on the result of cyanide removal as well as analytical results of hydroxyl radicals. In terms of mechanism of photocatalytic oxidation of cyanide, it is speculated that cyanide was oxidised to N2(g) and CO2(g) which finally released into air. In addition, large amount of nitrite (NO2-) and bicarbonate (HCO3-) was detected during the process, indicating that two pathways, such as and seemed to be principal mechanism of cyanide removal. The main controlling factors of process were evaluated and the results proposed that the cyanide removal appeared to be 30 percent more or less depending on the existence of oxygen which played a role as an electron acceptor, and which suggests the performance of photocatalytic oxidation is significantly affected by oxygen content. With regard to the effect of particle size of TiO2 on the removal efficiency of cyanide, the smaller particles of TiO2, the more favorable they were. Meanwhile, the mixing ratio of anatase and rutile was revealed not to affect the performance of the process. Additionally, the optimal number of LED was determined to be 12, and it suggested that the more crucial factor was probability of contact between UV and TiO2 rather than UV radiation intensity itself. Consequently, all the results of the study support the applicability of photocatalytic oxidation to purification of wastewater containing cyanide. In particular, UV LED was proven to be a substituting light source for UV lamps which have been commonly used in photocatalytic oxidation process and could improve economic feasibility and overall performance of process by complementing the drawbacks of UV lamps. Furthermore, the high capability of TiO2 as a photocatalyst was demonstrated as well. In the future, however, more study will be needed to develop the methodology or technology including surface coating for reforming TiO2 photocatalyst to improve its performance.


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