TiO_(2) 광촉매의 소독 특성에 관한 연구

Abstract

발암성 염소소독부산물과 수돗물에서 지속적으로 검출되고 있는 미생물의 위해성에 관련한 논의는 지난 세기 이래로 정수처리과정의 대표적인 소독공정인 염소소독을 대체할 새로운 기술 개발에 관심을 증대시키고 있다. 본 논문에서는 자연광 조사 조건 하에 산화력을 나타내는 TiO_(2) 광촉매를 염소소독을 대신할 새로운 소독기술로 제시하고자 이에 필요한 연구를 수행하였다. TiO_(2) 광촉매의 소독능력을 평가하기 위한 연구에서, 반응계로서는 TiO_(2) 현탁액을, 지표미생물로는 F-coliphage MS2, E.coli Kl2, 그리고 Bacillus subtilis spore를 선택하여 90% 불활화에 요구되는 시간을 계산, 비교하였다. 한편 이 반응계에서 pH가 미생물 불활화에 미치는 영향과 지하수를 대상 수체로 가정할 경우 중요하게 고려하여야 하는 이온인 Fe^(3+), Fe^(2+), Mn^(2+)의 영향을 살펴보았다. TiO_(2) 광촉매를 첨가한 반응계에서 black light와 자외선을 광원으로 한 두 가지 경우 모두에서 바이러스의 모델로서 선택한 F-coliphage MS2의 사멸속도가 가장 빠르고, Bacillus subtilis spore가 가장 저항성이 강한 것으로 나타났다. pH가 낮을수록 F-coliphage MS2의 제거율은 크게 향상되었으며, 철과 망간 이온이 공존할 경우 이들 이온이 미생물 불활화 반응에 영향을 미치지 않거나, 오히려 반응을 억제하는 경향이 관찰되었다. TiO_(2) 현탁액을 그대로 수처리 공정에 적용할 경우 TiO_(2) 분말을 분리하는 과정이 기술적, 경제적인 관점에서 실용화 가능성을 저하시키는 요인이 되므로 TiO_(2)로 내벽을 코팅한 pyrex column 형태의 소독 장치를 고안, 제작하였다. 이 column에 반응액을 통과시켜 주면서, 코팅된 TiO_(2)의 지표미생물의 불활화 속도와 발암성 소독부산물인 THM 제거 향상 효과를 확인하였다. TiO_(2) coated column의 지표 미생물 불활화 능력이 일반 pyrex column test결과에 비해 약 1.2log에서 0.44log정도 우수한 것으로 나타났다. TiO_(2) coated column은 약 3∼5 log, 일반 pyrex column은 약 2.5∼4.5log의 지표 미생물 불활화 능력을 보유한 것으로 나타났다. 약 80ppb 농도의 trihalomethane이 포함된 유입수를 대상으로 TiO_(2) coated column에 의한 제거율 향상 정도를 평가한 결과, 1.1L/min의 유입수 유량으로 실험한 경우 약 21%, 0.2L/min의 유입수 유량으로 실험한 결과 약 2.2% 향상되었다. 그리고 각 유량 조건 하에서 TiO_(2) coated column에 의 한 total trihalomethane 제거율은 각각 26%와 37.9%이었다.;TiO_(2) mediated photocatalysis has been proposed as an effective process for advanced treatment of drinking water, domestic wastewater and industrial wastewater. This oxidation potential can be used as an alternative method of disinfection. The effect of iron/manganese and pH on TiO_(2) mediated photocatalytic inactivation of index microorganisms was investigated. The time required for 90% inactivation was calculated and compared among the index microorganisms. In this research, TiO_(2) powder was used for preparing TiO_(2) suspension by adding 1g/1 into the sterilized water. F-coliphage MS2, E. coli K12 and Bacillus subtilis spore (10^(8) - 10^(9) pfu/mL or cfu/mL in liquid broth) were selected as index microorganisms and introduced into the autoclaved TiO_(2) suspension. When UV lamp was used as a light source, the extent of disinfection was lowered by TiO_(2) suspension in the present study, which can be explained by light screening by TiO_(2) particles. Under blacklight irrradiation, F-coliphage MS2, E. coli Kl2, and Bacillus subtilis spore were effectively inactivated by TiO_(2) mediated photocatalysis. However, in the absence of TiO_(2) no noticeable inactivation was observed. Bacillus subtilis spore was the most resistant among the tested microorganisms with UV and blacklight irradiation. F-coliphage MS2 was inactivated more rapidly than E. coli Kl2. This is the different result compared with the common observation that virus has higher resistance to chemical disinfectant than bacteria. It can be suggested that the inactivation rate of F-coliphage MS2 was higher than E.coli Kl2 and Bacillus subtilis spore due to the simplicity and thinness of virus envelope. Photocatalytic inactivation rate of F-colipahge MS2 increased drastically according to pH reduction. It is supposed that this result comes pH_(zpc) of Degussa P25,6.25. Because the adsorption of negatively charged substance such as virus is favored at low pH. However, there was no signficant effect of pH reduction to the inactivation rate of E. coli and Bacillus subtilis spore, comparing with F-coliphage MS2. This can be explained by the complexity and thickness of cell envelope of E. coli and Bacillus spore which reduces mobility of microorganism particles. No enhancement of inactivation by adding ferrous/ferric ion was observed, which was proposed based on the reaction scheme of photo-fenton reaction previously reported. Rather, iron and manganese ion inhibited the photocatalytic inactivation of tested microorganisms. It was supposed that the ions worked as electron scavengers consuming radical TiO_(2) surface. TiO_(2) coated column was designed to study the economic feasibility saving the energy for the separation of TiO_(2) powder. The removal efficiency of index microorganism and trihalomethane was evaluated in this column. The result of this column test was compared with that of reference pyrex column. The increase of disinfection and trihalomethane removal was observed in TiO_(2)coated c`olumn, compared with that of reference pyrex column.