본문 바로가기
HOME> 논문 > 논문 검색상세

논문 상세정보

나노-$TiO_2$ 입자로 코팅된 다공성 담체의 광촉매 반응에 관한 동력학
Kinetics of Photocatalytic Reactions with Porous Carriers Coated with Nano-$TiO_2$ Particles

박성준    (아리조나대학   ); Rittmann, Bruce E.    (아리조나대학   ); 배우근    (한양대학교 토목.환경공학과  );
  • 초록

    난분해성 및 독성 폐수 처리는 고급산화 기술과 생물학적 처리가 친화결합(intimate coupling) 을 이룰 때 최적의 효과를 거둘 수 있다. 본 연구에서는 광촉매 산화와 생물학적 처리를 친화결합하도록 고안된 다공성 $TiO_2$ 코팅 담체를 제조하여 광촉매 반응에 관한 동력학 연구를 수행하였다. 저온 sol-gel 코팅법으로 제조된 PVA 재질의 다공성 $TiO_2$ 담체는 UV 조사하에서 methylene blue (MB)를 효율적으로 분해하였다. 시험 농도(최대 100 ${\mu}M$ )에서 MB의 흡착속도는 1차반응 (first-order reaction)의 성질을 보였으며, 흡착과 산화를 포함한 총반응속도는 유사 Langmuir 모델로 예측 가능하였다. 이러한 원인은 담체 표면에 MB가 흡착됨에 따라 UV 조사에 의하여 광촉매 반응이 일어날 표면이 줄어들었기 때문인 것으로 판단된다. 다공성 $TiO_2$ 담체의 단위 $TiO_2$ 량당 최대 MB 제거속도는 슬러리 $TiO_2$ 반응기에서 얻은 MB 제거속도보다 4배 더 빨랐다. 본 연구로 인하여 저온 sol-gel 코팅법으로 제조한 PVA 재질 다공성 $TiO_2$ 담체가 성공적인 광분해 반응을 나타내는 것이 확인되었으며, 동 담체에 대한 광촉매 반응의 동력학적 성질이 구명되어, 향후 생물처리를 친화결합 시킬 수 있는 연구 바탕을 확보하였다.


    Toxic and recalcitrant organic pollutants in wastewaters can be effectively treated when advanced oxidation and biodegradation are combined, ideally with intimate coupling, in which both processes occur simultaneously in the same system. One means to achieve intimate coupling is to coat nanoscale $TiO_2$ on the outside of macroporous biofilm carriers. This study investigated the kinetics of photocatalysis with $TiO_2$ -coated porous carriers. The carriers were made of polyvinyl alcohol (PVA) and coated with $TiO_2$ using a low-temperature sol-gel process. The $TiO_2$ -coated carriers catalyzed the oxidation of methylene blue (MB) effectively under irradiation of UV light. The overall reaction rate with adsorption and photolysis saturated at high MB concentration, and approached the adsorption rate, which was first order for all MB concent rations. This result indicates that adsorbed MB may have slowed photocatalysis by blocking active sites for photocatalysis. The overall kinetics could be described by a quasi-Langmuir model. The estimated maximum specific (per unit mass of $TiO_2$ ) transformation rate of MB by the $TiO_2$ -coated carriers was four times larger than that obtained from slurry- $TiO_2$ reactors. This observation demonstrated that the $TiO_2$ present as a coating on the carriers maintained high efficiency for transforming recalcitrant organic matter via photocatalysis. These findings serve as a foundation for advancement of an intimate coupling of photocatalysis to biodegradation.


  • 주제어

    유사-Langmuir 모델 .   광촉매($TiO_2$) 산화 .   친화결합 .   난분해성 폐수 .   다공성 담체 .   저온 sol-gel 코팅.  

  • 참고문헌 (14)

    1. Lakshmi, S., Renganathan, R., and Fujita, S., 'Study on $TiO_{2}$-Mediated Photocatalytic Degradation of Methylene-Blue', J. Photochem. Photobiol., 88(2-3), 163-167(1995) 
    2. Suda, Y., and Nagao, M., 'Adsorption of Organic-Molecules on Titanium-Dioxide (Rutile) Surface', J. Chem. Society-Faraday Trans., 83, 1739-1750(1987) 
    3. Benito, S., Hugo, I., De, Lasa., Miguel, S., Photocatalytic Reaction Engineering(2005) 
    4. 환경부, 환경백서, p. 719(2007) 
    5. Marsolek, M. D., Torres, C. I., Hausner, M., and Rittmann, B. E. 'Intimate coupling of photocatalysis and biodegradation in a photocatalytic circulating-bed biofilm reactor', Biotechnol. Bioeng., 101 83-92(2008) 
    6. Lee, B. N., Liaw, W. D., and Lou, J. C., 'Photocatalytic decolorization of methylene blue in aqueous $TiO_{2}$ suspension', Environ. Eng. Sci., 16(3), 165-175(1999) 
    7. Cho, M., Chung, H., Choi, W., and Yoon, J., 'Linear correlation between inactivation of E-coli and OH radical concentration in $TiO_{2}$ photocatalytic disinfection', Water Res., 38(4), 1069-1077(2004) 
    8. Hench, L. L., J. K. West, 'The Sol-Gel Process', Chem. Rev., 90 pp. 33(1990) 
    9. Alfano, O. M., Cabrera, M. I., and Cassano, A. E. 'Photocatalytic reactions involving hydroxyl radical attack-I. Reaction kinetics formulation with explicit photon absorption effects', J. Catal., 172, 370-379(1997) 
    10. Cannon, A. S., Morelli, A., Pressler, W., Warner, J. C., and Guarrera, D. 'The low temperature processing of titanium dioxide films by the addition of trimesic acid', J. Sol-Gel Sci. Technol., 36, 157-162(2005) 
    11. Intimate coupling of photocatalysis and biodegradation in a photocatalytic circulating-bed biofilm reactor. 2nd year annual Report of NSF, Award number: 0651794 
    12. Turchi, C. S., and Ollis, D. F. 'Photocatalytic Degradation of Organic-Water Contaminants-Mechanisms Involving Hydroxyl Radical Attack'. J. Catal., 122, 178-192(1990) 
    13. Scott, Jon P., and Ollis, David F., 'Integration of chemical and biological oxidation processes for water treatment: review and recommendations', Environ. prog., Vol. 14(2), 88-103(1995) 
    14. Marco A., Andrea T., Massimo M., and Arvind V., 'Propagation velocity of the reaction front in addition polymerization systems, Journal of polymer science Part A', Polym. Chem., 35(6), 1047-1059(1997) 
  • 이 논문을 인용한 문헌 (3)

    1. Chun, Sukyoung ; Chang, Soonwoong 2011. "Photocatalysis and Adsorption of Reactive Black 5(RB5) by HAP/TiO2 Media" 한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, 12(11): 31~37     
    2. Chun, Suk-Young ; Chang, Soon-Woong 2011. "Kinetic Study of Adsorption and Photocatalysis on Sulfamethoxazole Degradation by $TiO_2$/HAP Media" 한국방재학회논문집 = Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, 11(6): 325~330     
    3. Lee, Gyuyoung ; Kim, Jungchul ; Lim, Jihyun ; Lee, Junwoo ; Park, Jeongmi ; Lee, Seunghun ; Nam, Jukyung ; Lee, Yong-Woo 2015. "Study of Inorganic Photocatalyst Media for Reused Wastewater" 한국물환경학회지 = Journal of Korean Society on Water Environment, 31(1): 42~48     

 활용도 분석

  • 상세보기

    amChart 영역
  • 원문보기

    amChart 영역

원문보기

무료다운로드
  • NDSL :
  • 대한환경공학회 : 저널
유료다운로드

유료 다운로드의 경우 해당 사이트의 정책에 따라 신규 회원가입, 로그인, 유료 구매 등이 필요할 수 있습니다. 해당 사이트에서 발생하는 귀하의 모든 정보활동은 NDSL의 서비스 정책과 무관합니다.

원문복사신청을 하시면, 일부 해외 인쇄학술지의 경우 외국학술지지원센터(FRIC)에서
무료 원문복사 서비스를 제공합니다.

NDSL에서는 해당 원문을 복사서비스하고 있습니다. 위의 원문복사신청 또는 장바구니 담기를 통하여 원문복사서비스 이용이 가능합니다.

이 논문과 함께 출판된 논문 + 더보기