KR101824302B1 - 이산화티타늄이 담지된 그래핀 옥사이드를 포함하는 광촉매 및 이를 이용한 수처리 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이산화티타늄이 담지된 그래핀 옥사이드를 포함하는 광촉매 및 이를 이용한 수처리 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 광촉매는 니켈이 도핑된 이산화티타늄이 환원된 그래핀 옥사이드에 담지된 구조를 가져 수중 내에 잔류하는 유기 화합물을 가시광선 영역의 파장에서도 높은 효율로 광분해 시킬 수 있을 뿐만 아니라, 광이 조사되지 않는 조건에서도 유기 화합물을 흡착시켜 제거할 수 있으므로 수처리용 광촉매로 유용하게 사용될 수 있다.
Description
본 발명은 이산화티타늄이 담지된 그래핀 옥사이드를 포함하는 광촉매 및 이를 이용한 수처리 방법에 관한 것으로, 상세하게는 니켈이 도핑된 이산화티타늄이 환원된 그래핀 옥사이드에 담지된 구조를 갖는 광촉매와 상기 광촉매의 촉매반응을 이용하여 오염수 속의 유기 화합물을 분해시킴으로써 오염수를 정화하는 수처리 방법에 관한 것이다.
벤젠, 자일렌, 톨루엔 등의 방향족 유기 화합물은 고휘발성 유기 화합물로서, 용매, 세정제 등으로서 공업적으로 널리 사용되고 있으며, 살충제, 살균제, 제초제 등의 유기 농약으로서 농업 분야에서도 사용되고 있다. 이들 유기 화합물은 사람에 대한 독성, 발암성을 나타내고 동식물에 대한 생육 장애, 기형 유발 등을 나타내는 성분을 포함하고 있어 현재 제조, 사용, 폐기가 엄격히 규제되고 있는 실정이다. 그러나, 이러한 규제에도 불구하고 종래 수처리 기술의 높은 비용과 낮은 효율로 인하여 많은 산업체들은 상기 규제 기준을 준수하지 못하고 있다.
이에 따라 현재 수중에 존재하는 유기 화합물들을 제거하기 위한 기술들이 다각도로 연구되고 있다. 그 예로서, 특허문헌 1은 이산화티타늄과 같은 광촉매를 알루미나 멤브레인에 고정시킨 수처리 시스템을 제시한 바 있으며, 특허문헌 2는 티타늄(Ti) 지지체 표면에 자체 성장한 나노튜브 구조의 이산화티타늄 광촉매를 이용한 평판형 수처리 장치를 제시한 바 있다.
그러나, 현재까지 개발된 기술들은 광촉매로서 이산화티타늄을 포함하므로 수처리 시 자외선 조사가 요구되는데, 자외선 조사를 위해서는 설비 비용이 높은 자외선 램프 등이 사용되므로 경제성이 낮은 문제가 있다. 또한, 수처리 공정 시 조사되는 자외선은 생물체에 노출될 경우 피부암과 같은 질병을 유발시키므로 생물체에 유해한 한계가 있다.
따라서, 가시광선과 같은 낮은 에너지 파장에서도 광촉매 활성을 나타내고, 수중 내에 잔류하는 유기 화합물에 대한 광분해 효율이 우수한 수처리용 광촉매의 개발이 절실히 요구되고 있다.
이에, 본 발명의 목적은, 가시광선과 같은 낮은 에너지 파장에서도 수중 내에 잔류하는 유기 화합물에 대하여 높은 광분해 효율을 나타내는 광촉매를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 광촉매의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 광촉매를 이용한 수처리 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 광촉매를 포함하는 수처리 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 일실시예에서,
니켈이 도핑된 이산화티타늄이 담지된 그래핀 옥사이드를 포함하는 광촉매를 제공한다.
또한, 본 발명은 일실시예에서,
산화된 그래핀 옥사이드와 니켈이 담지된 이산화티타늄을 포함하는 분산액으로부터 니켈이 도핑된 이산화티타늄이 담지된 그래핀 옥사이드를 얻는 단계; 및
상기 그래핀 옥사이드를 열처리하는 단계를 포함하는 광촉매의 제조방법을 제공한다.
나아가, 본 발명은 일실시예에서,
니켈이 도핑된 이산화티타늄이 담지된 그래핀 옥사이드를 포함하는 광촉매와, 유기 화합물을 함유하는 수용액을 접촉시켜 수용액의 유기 화합물을 광촉매에 흡착시키는 단계; 및
유기 화합물이 흡착된 광촉매에 광 조사하여 광분해하는 단계를 포함하고,
상기 광은 200 내지 800 nm의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 수처리 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 일실시예에서,
유기 화합물을 함유하는 수용액이 주입되는 주입구;
상기 주입구로부터 주입된 수용액의 유기 화합물을 흡착시키고, 상기 광촉매를 포함하는 여과부;
상기 여과부를 통과하여 유기 화합물이 제거된 수용액이 배출되는 배출구; 및
여과부에 빛을 조사하는 램프를 포함하는 수처리 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 광촉매는 니켈이 도핑된 이산화티타늄이 환원된 그래핀 옥사이드에 담지된 구조를 가져 수중 내에 잔류하는 유기 화합물을 가시광선 영역의 파장에서도 높은 효율로 광분해 시킬 수 있을 뿐만 아니라, 광이 조사되지 않는 조건에서도 유기 화합물을 흡착시켜 제거할 수 있으므로 수처리용 광촉매로 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 광촉매(Ni-TiO2/rGO)의 주사전자현미경(SEM) 및 에너지 분산 X선 분광(EXD)을 촬영한 이미지이다: 이때, (a)는 주사전자현미경(SEM) 촬영한 이미지이고, (b)는 에너지 분산 X선 분광(EDX)을 촬영한 이미지이다.
도 2는 광촉매 종류별 X선 회절 결과를 도시한 그래프이다.
도 3은 광촉매 종류별 X선 광전자분광(XPS)을 도시한 그래프이다: 이때, (a)는 Ti2p에 대한 결합 에너지를, (b)는 C1s에 대한 결합 에너지를, (c)는 O1s에 대한 결합 에너지를, (d)는 Ni2p에 대한 결합 에너지를 나타낸 그래프이다.
도 4는 광촉매 종류별 푸리에 변환 적외선 흡수분광(FT-IR)을 도시한 그래프이다.
도 5는 광촉매 종류별 흡광도 및 밴드갭 에너지를 도시한 그래프이다: 이때, (a)는 파장에 따른 흡광도를 나타낸 그래프이고, (b)는 밴드갭 에너지를 나타낸 그래프이다.
도 6은 광촉매 종류별로 측정된 평균 세공부피와 유기 화합물 흡착량을 도시한 그래프이다: 이때, (a)는 상대압력에 따른 유기 화합물 흡착량 변화를 나타낸 자기이력곡선(hysteresis loop)이고, (b)는 세공의 평균 직경에 따른 세공의 평균 부피를 나타낸 그래프이다.
도 7은 수용액 내에 잔류한 유기 화합물의 농도 별 시간에 따른 광분해 전·후 유기 화합물의 농도 변화를 도시한 그래프이다.
도 8은 광촉매의 접촉량별, 시간에 따른 광분해 전·후 유기 화합물의 농도 변화를 도시한 그래프이다.
도 9는 광촉매 종류별 pH에 따른 유기 화합물 제거 효율을 도시한 그래프이다.
도 10은 광촉매 종류별 광분해 시 평형 등온 데이터(equilibrium isotherm data)를 도시한 그래프이다: 이때, (a)는 랭뮤어(Langmuir)법에 의해 도출된 결과이고, (b)는 프로인틀리히(Freundlich)법에 의해 도출된 결과이다.
도 2는 광촉매 종류별 X선 회절 결과를 도시한 그래프이다.
도 3은 광촉매 종류별 X선 광전자분광(XPS)을 도시한 그래프이다: 이때, (a)는 Ti2p에 대한 결합 에너지를, (b)는 C1s에 대한 결합 에너지를, (c)는 O1s에 대한 결합 에너지를, (d)는 Ni2p에 대한 결합 에너지를 나타낸 그래프이다.
도 4는 광촉매 종류별 푸리에 변환 적외선 흡수분광(FT-IR)을 도시한 그래프이다.
도 5는 광촉매 종류별 흡광도 및 밴드갭 에너지를 도시한 그래프이다: 이때, (a)는 파장에 따른 흡광도를 나타낸 그래프이고, (b)는 밴드갭 에너지를 나타낸 그래프이다.
도 6은 광촉매 종류별로 측정된 평균 세공부피와 유기 화합물 흡착량을 도시한 그래프이다: 이때, (a)는 상대압력에 따른 유기 화합물 흡착량 변화를 나타낸 자기이력곡선(hysteresis loop)이고, (b)는 세공의 평균 직경에 따른 세공의 평균 부피를 나타낸 그래프이다.
도 7은 수용액 내에 잔류한 유기 화합물의 농도 별 시간에 따른 광분해 전·후 유기 화합물의 농도 변화를 도시한 그래프이다.
도 8은 광촉매의 접촉량별, 시간에 따른 광분해 전·후 유기 화합물의 농도 변화를 도시한 그래프이다.
도 9는 광촉매 종류별 pH에 따른 유기 화합물 제거 효율을 도시한 그래프이다.
도 10은 광촉매 종류별 광분해 시 평형 등온 데이터(equilibrium isotherm data)를 도시한 그래프이다: 이때, (a)는 랭뮤어(Langmuir)법에 의해 도출된 결과이고, (b)는 프로인틀리히(Freundlich)법에 의해 도출된 결과이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 이산화티타늄이 담지된 그래핀 옥사이드를 포함하는 광촉매 및 이를 이용한 수처리 방법에 관한 것이다.
벤젠, 자일렌, 톨루엔 등의 방향족 유기 화합물은 사람에 대한 독성, 발암성을 나타내고 동식물에 대한 생육 장애, 기형 유발 등을 나타내는 성분을 포함하고 있어 현재 제조, 사용, 폐기가 엄격히 규제되고 있다. 그러나, 종래 수처리 기술의 높은 비용과 낮은 효율로 인하여 많은 산업체들은 상기 규제 기준을 만족시키지 못하고 있다. 또한, 이러한 문제를 해결하기 위해 현재까지 개발된 기술들은 광촉매로서 이산화티타늄을 포함하여 수처리 시 자외선 조사가 요구되는데, 조사되는 자외선은 생물체에 유해할 뿐만 아니라 이를 조사하기 위한 설비 비용이 높아 경제성이 낮은 한계가 있다.
이에, 본 발명은 이산화티타늄이 담지된 그래핀 옥사이드를 포함하는 광촉매 및 이를 이용한 수처리 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 광촉매는 니켈이 도핑된 이산화티타늄이 환원된 그래핀 옥사이드에 담지된 구조를 가져 수중 내에 잔류하는 유기 화합물을 가시광선 영역의 파장에서도 높은 효율로 광분해 시킬 수 있을 뿐만 아니라, 광이 조사되지 않는 조건에서도 유기 화합물을 흡착시켜 제거할 수 있으므로 수처리용 광촉매로 유용하게 사용될 수 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 일실시예에서,
니켈이 도핑된 이산화티타늄이 담지된 그래핀 옥사이드를 포함하는 광촉매를 제공한다.
본 발명에 따른 광촉매는 허니컴 구조, 벌집 격자 구조와 같은 2차원 평면 구조를 가져 니켈이 도핑된 이산화티타늄을 담지하는 그래핀 옥사이드를 포함할 수 있다. 이때, 상기 이산화티타늄은 니켈이 도핑되어 니켈과 산소 원자를 공유하는 화학적 결합(Ti-O-Ni)이 형성할 수 있으며, 이러한 니켈과의 화학적 결합으로 인해 광촉매의 광-발생 전자(photo-generated electrons)의 이동효율을 향상시켜 광촉매의 활성을 증대시킬 수 있다. 또한, 상기 이산화티타늄은 그래핀 옥사이드에 담지되어 티타늄 원자와 그래핀 옥사이드의 탄소 원자 간의 화학적 결합(C-O-Ti-O-Ni 및/또는 C-Ti-O-Ni)을 형성함으로써, 광반응 시 그래핀 옥사이드 표면에서 이산화티타늄이 분리되지 않고, 보다 많은 전자 및 정공을 형성하여 광촉매 활성을 증가시킬 수 있다.
이때, 상기 광촉매에 포함된 그래핀 옥사이드는 환원된 그래핀 옥사이드(rGO)일 수 있다.
또한, 상기 광촉매는 이산화티타늄, 니켈 및 환원된 그래핀 옥사이드를 구성성분으로 포함하되, 이산화티타늄을 주성분으로 포함할 수 있다.
하나의 예로서, 상기 광촉매는 이산화티타늄 100 중량부; 니켈 0.1 내지 1 중량부; 및 환원된 그래핀 옥사이드 1 내지 10 중량부를 포함할 수 있으며, 구체적으로는 이산화티타늄 100 중량부; 니켈 0.1 내지 0.6 중량부; 및 환원된 그래핀 옥사이드 3 내지 6 중량부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 광촉매는 비표면적이 크고, 광 조사 시 촉매 활성을 나타내는 이산화티타늄을 주성분으로 포함하는 상기와 같은 성분 함량을 가짐으로써 자외선과 대비하여 에너지가 낮은 가시광 조사 시에도 우수한 광촉매 활성을 나타낼 수 있다.
그 예로서, 종래 광촉매로 사용되고 있는 i) 이산화티타늄, ii) 니켈이 도핑된 이산화티타늄 및 iii) 본 발명에 따른 상기 광촉매를 대상으로 200 내지 800 nm 영역의 광에 대한 흡수 정도를 평가한 결과, 상기 물질들은 350 nm를 기준으로 350 nm 이하의 파장에서는 약 90% 이상의 광 흡수 강도를 보이다가 파장이 커질수록 광 흡수 강도가 감소하는 것으로 나타났으며, 그 감소 정도는 500 nm 이상의 파장에서 이산화티타늄의 경우 약 15 a.u 이하, 니켈이 도핑된 이산화티타늄의 경우 약 20 a.u 정도의 평균 광 흡수 강도를 나타냈다. 반면, 본 발명에 따른 광촉매는 500 nm 이상의 파장에서 약 25 a.u 이상, 구체적으로는 26±0.5 a.u 이상; 27±0.5 a.u 이상; 또는 28±0.5 a.u 이상의 평균 광 흡수 강도를 나타내는 것으로 확인되었다. 이는 본 발명에 따른 광촉매가 니켈이 도핑된 이산화티타늄이 그래핀 옥사이드에 담지된 구조를 가져 들뜬 광자 에너지가 감소되고, 전자가 '전하 전이(charge transition)'가 쉽게 수행됨을 나타내는 것이다.
다른 하나의 예로서, 본 발명에 따른 광촉매는 400 nm 내지 800 nm의 파장 범위에서 밴드갭이 2.6 내지 2.8 eV의 밴드갭을 가질 수 있으며, 구체적으로는 2.7 내지 2.8 eV; 또는 2.73 내지 2.77 eV일 수 있다. 광촉매에 의한 광반응은 가전자대(valence band)에서 전도대(conduction band)로 전자를 여기시켜 전도대에는 전자를 형성하고, 가전자대에는 정공을 형성한다. 여기서, 형성된 전자와 정공이 광촉매의 표면으로 확산되어 산화환원 반응에 참여함으로써 수중 내에 잔류하는 오염물을 분해시킬 수 있는데, 본 발명의 광촉매는 가전자대와 전도대의 사이 간격, 즉 밴드갭을 상기 범위로 줄임으로써 가시광선에서도 높은 효율로 광반응을 수행할 수 있는 이점이 있다(실험예 3 참조).
한편, 본 발명에 따른 광촉매는 세공을 포함하여 높은 표면적을 가질 수 있다. 상기 광촉매는 허니컴 구조, 벌집 격자 구조와 같은 2차원 평면 구조의 환원된 그래핀 옥사이드를 포함하여 세공을 포함할 수 있으며 이에 따라 높은 표면적을 가져 광이 조사되지 않는 조건에서 수중 내에 잔류하는 오염물을 표면에 흡착시켜 제거할 수 있다.
이때, 상기 광촉매는 평균 직경이 8 내지 10 nm, 구체적으로는 8.5 내지 9.5 nm; 또는 8.5 내지 9 nm인 세공을 포함할 수 있으며, 이때의 세공 부피는 0.1 내지 0.3 cm3/g; 0.2 내지 0.3 cm3/g; 또는 0.25 내지 0.3 cm3/g일 수 있다. 또한, 상기 광촉매의 평균 BET 비표면적은, 100 내지 140 m2/g일 수 있으며, 구체적으로는 100 내지 130 m2/g; 100 내지 120 m2/g; 115 내지 130 m2/g; 115 내지 125 m2/g; 또는 115 내지 120 m2/g일 수 있다(실험예 3 참조).
또한, 본 발명은 일실시예에서,
산화된 그래핀 옥사이드(GO, grapheme oxide)와 니켈이 담지된 이산화티타늄(Ni-TiO2)을 포함하는 분산액으로부터 니켈이 도핑된 이산화티타늄이 담지된 그래핀 옥사이드(Ni-TiO2/GO)를 얻는 단계; 및
상기 그래핀 옥사이드(Ni-TiO2/GO)를 열처리하는 단계를 포함하는 광촉매의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 광촉매의 제조방법은, 니켈이 담지된 이산화티타늄(Ni-TiO2)과 산화된 그래핀 옥사이드(GO)가 각각 분산된 분산액을 혼합하여 니켈이 도핑된 이산화티타늄이 담지된 그래핀 옥사이드(Ni-TiO2/GO)를 얻고, 이렇게 얻은 상기 그래핀 옥사이드(Ni-TiO2/GO)를 열처리함으로써 그래핀 옥사이드(GO)가 환원된 형태의 광촉매(Ni-TiO2/rGO)를 얻을 수 있다.
여기서, 상기 이산화티타늄(Ni-TiO2)은 니켈이 도핑된 것이라면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다. 하나의 예로서, 상기 이산화티타늄이 담지된 그래핀 옥사이드를 얻는 단계에서, 니켈이 담지된 이산화티타늄(Ni-TiO2)과 산화된 그래핀 옥사이드(GO)가 각각 분산된 분산액을 혼합하기 이전에 티타늄 전구체 및 금속 니켈(Ni)을 포함하는 혼합물에 물과 환원제를 순차적으로 첨가하여 이산화티타늄에 니켈을 도핑시킨 것을 사용할 수 있다.
이때, 상기 티타늄 전구체로는 환원되어 이산화티타늄(TiO2)을 형성하는 것이라면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 티타늄 전구체로는 티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide, TIP) 등을 사용할 수 있다.
또한, 상기 환원제는, 티타늄소듐 하이드라이드(sodium hydride, NaH), 소듐 보로하이드라이드(sodium borohydride, NaBH4), 및 리튬 알루미늄하이드라이드(lithium Aluminiumhydride, LiAlH4)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. 구체적으로는 상기 환원제로는 소듐보로하이드라이드(sodium borohydride, NaBH4)를 사용할 수 있다.
본 발명의 광촉매 제조방법에 있어서, 그래핀 옥사이드(Ni-TiO2/GO)를 열처리하는 단계는 산화된 그래핀 옥사이드를 환원시키는 단계로서, 산화된 그래핀 옥사이드의 환원률이 우수한 400 내지 600℃의 온도 범위에서 1 내지 60분 동안 수행될 수 있다. 구체적으로는 열처리 온도는 450 내지 600℃; 450 내지 550℃; 또는 475 내지 525℃일 수 있다. 또한, 열처리 시간은 1 내지 30분; 20 내지 35분; 40 내지 60분; 또는 1 내지 10분일 수 있다.
나아가, 본 발명은 일실시예에서,
니켈이 도핑된 이산화티타늄이 담지된 그래핀 옥사이드를 포함하는 광촉매와, 유기 화합물을 함유하는 수용액을 접촉시켜 수용액의 유기 화합물을 광촉매에 흡착시키는 단계; 및
유기 화합물이 흡착된 광촉매에 광 조사하여 광분해하는 단계를 포함하고,
상기 광은 200 내지 800 nm의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 수처리 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 수처리 방법은 앞서 설명된 본 발명의 광촉매와 유기 화합물을 함유하는 수용액을 접촉시켜 유기 화합물을 흡착시키고, 200 내지 800 nm 파장을 갖는 자외선 및/또는 가시광선을 조사하여 광분해 시킴으로써 수용액 내에 잔류하는 유기 화합물을 높은 효율로 제거할 수 있다.
이때, 수용액에 존재하는 유기 화합물과 광촉매의 흡착률을 극대화하기 위하여 유기 화합물을 함유하는 수용액의 pH는 6 내지 8일 수 있으며, 수용액에 함유된 유기 화합물의 농도는 유기 화합물을 함유하는 수용액 1L당 200 mg 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 수용액의 pH`는 5 내지 7; 6 내지 7.5; 5 내지 6.5; 6 내지 7; 6.25 내지 7.25; 또는 6.25 내지 6.75일 수 있으며, 유기 화합물의 농도는 유기 화합물을 함유하는 수용액 1L 당 150 mg 이하; 140 mg 이하; 130 mg 이하; 또는 115 mg 이하일 수 있다.
또한, 수용액의 유기 화합물과 접촉시키는 광촉매의 접촉량은, 유기 화합물을 함유하는 수용액 1 L당 2 g 이하일 수 있으며, 보다 구체적으로는 유기 화합물을 함유하는 수용액 1 L당 1.5 g 이하; 1.25 g 이하; 1 g 이하; 또는 0.75 g 이하일 수 있다. 본 발명에 따른 수처리 방법은 수용액 내에 잔류하는 유기 화합물과 접촉시키는 광촉매의 접촉량을 상기 범위로 제어함으로써 과량의 광촉매로 인해 발생되는 가림 효과(shielding effect)로 광분해율이 저하되는 것을 방지할 수 있다(실험예 4 참조).
또한, 본 발명은 일실시예에서,
유기 화합물을 함유하는 수용액이 주입되는 주입구;
상기 주입구로부터 주입된 수용액의 유기 화합물을 흡착시키고, 본 발명에 따른 광촉매를 포함하는 여과부;
상기 여과부를 통과하여 유기 화합물이 제거된 수용액이 배출되는 배출구; 및
여과부에 빛을 조사하는 램프를 포함하는 수처리 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 수처리 장치는 니켈이 도핑된 이산화티타늄이 담지된 그래핀 옥사이드를 포함하는 광촉매를 포함하는 여과부가 구비되어 수용액 내에 함유된 방향족 유기 화합물을 높은 비율로 광분해시킬 수 있으므로 산업용·농업용 오폐수 등 수용액 내에 잔류하는 유기 화합물을 제거하는 효과가 우수하다.
여기서, 상기 수처리 장치는 그 형태를 특별히 제한하는 것은 아니나, 구체적으로는 본 발명의 광촉매를 포함하는 흡착베드가 구비된 여과부의 상부에는 유기 화합물을 함유하는 수용액이 주입되는 주입구가 위치하고, 여과부의 하부에는 여과부의 흡착베드를 거쳐 유기 화합물이 제거된 수용액이 배출되는 배출구가 위치하는 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 수처리 장치는 여과부 내부에 광을 조사하여 광촉매에 흡착된 유기 화합물을 분해시키기 위한 램프를 포함할 수 있으며, 상기 램프는 200 내지 800 nm 파장을 갖는 광을 조사할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 램프는 자외선을 조사하는 UV 램프, 가시광선을 조사할 수 있는 발광장치 등일 수 있다.
나아가, 상기 수처리 장치는 주입되는 수용액의 pH 및 온도와; 수용액과 나노 제올라이트의 접촉 시간을 측정하는 계측부를 더 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
1.
먼저, 산화된 그래핀 옥사이드(GO, 20 mg)가 분산된 분산액(5 mL)과 세틸 트리메틸암모니움 브로마이드(cetyl trimethylammonium bromide, CTAB, 0.5 g)을 에탄올(30 mL)에 넣고, 상온에서 30분간 교반하여 그래핀 옥사이드가 분산된 용액 A를 제조하였다.
그 후, 별도로 250 mL의 플라스크에 니켈 니트레이트(nickel nitrate)가 1 중량% 용해된 증류수(120 mL)를 넣고, 티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide, TIP 7.44 mL)와 아세트산(14.32 mL)을 첨가하고 1시간 동안 교반하였다. 그런 다음, 플라스크에 0.5 M의 소듐 보로하이드라이드(sodium borohydride, NaBH4, 2 mL)를 적가하고 20 분 동안 교반하여 니켈이 도핑된 백색의 이산화티타늄(Ti-O-Ni)이 분산된 용액 B를 제조하였다.
앞서 제조된 용액 A에 용액 B를 적가하고 증류수(20 mL)를 첨가한 다음 상온에서 10시간 동안 교반하였다. 그 후, 용액을 여과하고 여과물을 증류수로 세척한 후, 80℃에서 밤샘 건조하여 니켈이 도핑된 이산화티타늄이 담지된 그래핀 옥사이드(Ni-TiO2/GO)를 얻었다. 그런 다음, 얻은 상기 그래핀 옥사이드를 500℃에서 5분간 소결하여 니켈이 도핑된 이산화티타늄이 담지된 그래핀 옥사이드(Ni-TiO2/rGO)를 광촉매로서 얻었다.
비교예
1.
광촉매로서 이산화티타늄을 상업적으로 입수하여 준비하였다.
비교예
2.
250 mL의 플라스크에 니켈 니트레이트(nickel nitrate)가 1 중량% 용해된 증류수(120 mL)를 넣고, 티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide, TIP 7.44 mL)와 아세트산(14.32 mL)을 첨가하고 1시간 동안 교반하였다. 그 후, 플라스크에 0.5 M의 소듐 보로하이드라이드(sodium borohydride, NaBH4, 2 mL)를 적가하여 20분 동안 교반하고, 백색 고체가 형성된 것이 확인되면 이를 여과하고 여과물을 증류수로 세척하였다. 이후, 세척된 여과물을 건조시켜 니켈이 도핑된 이산화티타늄(Ni-TiO2)을 광촉매로서 얻었다.
비교예
3.
상기 실시예 1에서, 500℃에서 수행되는 소결 공정을 생략하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 산화된 상태의 그래핀 옥사이드에 니켈이 도핑된 이산화티타늄이 담지된 광촉매(Ni-TiO2/GO)를 광촉매로서 얻었다.
실험예
1.
본 발명에 따른 광촉매의 형태, 성분 함량 등을 확인하기 위하여, 실시예 1에서 제조된 광촉매를 대상으로 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 촬영을 수행하였으며, 주사전자현미경(SEM) 촬영을 수행하면서 연속적으로 에너지 분산 X선 분광(Energy Dispersive X-ray spectroscopy, EDX)을 측정하였다. 또한, 상기 광촉매와 함께 비교예 1 및 2의 광촉매에 대한 X선 회절(X-ray diffraction, XRD)을 측정하였으며, 측정된 결과들을 도 1 및 도 2에 나타내었다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 광촉매는 약 10 내지 40 nm의 이산화티타늄 입자들이 그래핀 옥사이드 표면에 담지되어 고정된 형태를 갖는 것을 알 수 있다. 또한, 이렇게 형성된 광촉매는 티타늄 원소 40±1 중량%, 산소 원소 53±1 중량%, 탄소 원소 4±1 중량% 및 니켈 원소 0.5±0.1 중량%를 포함하는 것으로 확인되었다.
또한, 도 2를 살펴보면 실시예 1과 비교예 1 및 2에서 얻은 광촉매들은 모두 이산화티타늄(TiO2)에 대한 X선 회절 피크만이 관찰되는 것을 확인할 수 있다. 이는 본 발명에 따른 광촉매의 그래핀 옥사이드(rGO)는 박리된 형태를 가지며, 박리된 표면을 니켈이 도핑된 이산화티타늄(Ni-TiO2)이 덮고 있는 상태임을 의미하는 것이다.
이러한 결과로부터, 본 발명에 따른 광촉매는 광촉매 활성을 갖는 이산화티타늄(TiO2)을 주성분으로 하여 니켈 및 그래핀 옥사이드를 포함하는 성분 구성을 가지며, 박리된 그래핀 옥사이드(rGO) 표면에 니켈이 도핑된 입자 형태의 이산화티타늄이 담지되어 고정된 구조를 갖는 것을 알 수 있다.
실험예
2.
본 발명에 따른 광촉매를 구성하는 성분들간의 결합 성질을 확인하기 위하여, 실시예 1과 비교예 1 및 2에서 제조된 광촉매를 대상으로 X선 광전자분광(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)과 푸리에 변환 적외선 흡수분광(Fuourier Transform-Infrared spectroscopy, FT-IR)을 측정하였으며, 그 결과를 도 3 및 도 4에 나타내었다.
도 3을 살펴보면, 실시예 1에서 제조된 광촉매는 티타늄 원소와 산소 원소의 각 결합 성질을 확인할 수 있는 Ti2p 및 O1s의 결합 에너지가 비교예 1 및 2에서 제조된 광촉매들과 대비하여 낮아진 것으로 나타냈다. 이는 실시예 1의 광촉매의 이산화티타늄의 티타늄 원소가 환원된 그래핀 옥사이드의 탄소와 화학적으로 결합하여 상대적으로 티타늄 원소와 산소 원소간의 결합 에너지가 감소되었음을 의미한다.
또한, 실시예 1 및 비교예 2에서 제조된 광촉매의 경우, Ni의 결합 성질을 확인할 수 있는 Ni2p의 결합 에너지가 높은 스핀 상태를 갖는 것으로 나타났으며, 약 855±2 eV 및 약 872±2 eV의 결합 에너지에서 이중항 피크(doublet peak)가 약하게 존재하는 것을 확인할 수 있다. 여기서, 상기 피크들은 Ni2 + 및 Ni3 +를 나타내는 것으로서 광촉매인 이산화티타늄에 니켈이 도핑되어 이산화티타늄의 산소 원소와 니켈이 화학적으로 결합을 이루고 있음을 알 수 있다.
아울러, 도 4를 살펴보면 실시예 1과 비교예 1 및 2에서 제조된 광촉매들은 약 3450±100 cm- 1와 약 1690±10 cm-1에서 강한 진동 피크가 나타났다. 이는 촉매들에 포함된 금속 원소와 산소 원소간의 결합(M-OH), 즉 티타늄 원소와 산소 원소간의 결합(Ti-OH) 및/또는 니켈과 산소 원소간의 결합(Ni-OH)으로부터 발생되는 OH 결합이 존재함을 나타낸다.
또한, 실시예 1의 광촉매의 경우, 약 1630±15 cm- 1와 약 1616±15 cm-1에서 진동 피크가 약하게 확인되었다. 여기서, 상기 1630±15 cm-1의 진동 피크는 티타늄 원소와 그래핀 옥사이드의 산소-탄소 원소간의 결합(Ti-O-C)이 존재함을 의미하는 것이고, 약 1616±15 cm-1의 진동 피크는 그래핀 옥사이드의 환원된 탄소-탄소 원소 이중결합이 존재함을 의미하는 것이다.
이러한 결과로부터, 본 발명에 따른 광촉매는 니켈이 도핑된 이산화티타늄이 환원된 그래핀 옥사이드에 담지된 구조를 가지되, 상기 니켈은 이산화티타늄의 산소 원소와 화학적 결합을 이루고, 이산화티타늄의 티타늄 원소는 그래핀 옥사이드의 탄소 원소 및/또는 탄소 원소와 결합된 산소 원소와 화학적 결합을 이루고 있음을 알 수 있다.
실험예
3.
본 발명에 따른 광촉매의 광학적 물성과 표면 물성을 평가하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.
(1) 광학적 물성
실시예 1과 비교예 1 및 2에서 제조된 광촉매를 대상으로 200 내지 800 nm 파장 영역에서의 흡광도를 측정하였다. 또한, 상기 광촉매들의 밴드갭을 측정하여 측정된 결과들을 도 5에 나타내었다.
도 5의 (a)는 파장 변화에 따른 광촉매의 흡광도를 도시한 그래프이고, (b)는 밴드갭을 나타낸 그래프이다.
도 5의 (a)를 살펴보면, 실시예 1과 비교예 1 및 2에서 제조된 광촉매들은 350 nm 이하의 파장에서는 약 90% 이상의 광 흡수 강도를 보이다가 350 nm를 초과하는 파장의 영역에서는 파장이 커질수록 광을 흡수하는 강도가 감소하는 것으로 나타났다. 그러나, 비교예 1 및 2에서 제조된 광촉매의 경우, 500 nm 이상의 파장에서 각각 약 15 a.u 이하, 및 약 20 a.u 정도의 평균 광 흡수 강도를 나타내는 반면, 실시예 1의 광촉매는 약 29 a.u의 평균 광 흡수 강도를 나타내는 것으로 확인되었다. 이는 실시예 1의 광촉매가 들뜬 광자 에너지가 감소되고, 전자가 쉽게 '전하 전이(charge transition)' 됨을 나타내는 것이다.
또한, 도 5의 (b)를 살펴보면, 비교예 1 및 2의 광촉매는 밴드갭이 각각 약 3.15±0.1 eV 및 약 2.90±0.1 eV인데 반해, 실시예 1의 광촉매는 약 2.75±0.1 eV인 것으로 나타났다. 이는 상기 광촉매가 가시광선과 같은 낮은 에너지의 광이 조사되어도 우수한 광촉매 효율을 나타냄을 의미한다.
이러한 결과로부터, 본 발명에 따른 광촉매는 자외선 영역뿐만 아니라 400 내지 800 nm 파장 영역의 가시광선 영역에서도 우수한 광촉매 효과를 가짐을 알 수 있다.
(2) 표면 물성
실시예 1과 비교예 1 및 2에서 제조된 광촉매를 대상으로 세공의 평균 직경, 평균 부피 및 평균 BET 비표면적을 측정하였다. 또한, 광촉매별 광촉매의 상대압력에 따른 흡착량을 측정하였으며, 측정된 결과를 하기 표 1 및 도 6에 나타내었다.
| 세공의 평균 직경 [nm] |
세공의 평균 부피 [cm3/g] |
평균 BET 비표면적 [m2/g] |
|
| 실시예 1 | 8.83 | 0.26 | 118.9 |
| 비교예 1 | 4.14 | 0.13 | 77.4 |
| 비교예 2 | 7.45 | 0.19 | 91.6 |
상기 표 1과 도 6를 살펴보면, 실시예 1의 광촉매는 세공의 직경이 약 5 내지 10 nm의 범위에서 높은 분포로 나타나나, 비교예 1 및 2의 광촉매는 5 nm 이하의 범위에서 높은 분포를 보였다. 또한, 실시예 1의 광촉매는 약 119±0.5 m2/g의 평균 BET 비표면적을 가져 상대 압력에 따른 유기 화합물의 흡착량이 비교예 1 및 2의 광촉매와 대비하여 많은 것으로 나타났다.
이러한 결과로부터, 본 발명에 따른 광촉매는 평균 직경이 8 내지 10 nm인 세공을 포함하여 평균 BET 비표면적이 크며, 이에 따라 촉매 표면에 유기 화합물을 흡착시키는 효과가 우수함을 알 수 있다.
실험예
4.
본 발명에 따른 광촉매의 수처리 조건에 따른 수처리 효율과 최적 조건에서의 광촉매 종류에 따른 수처리 효율을 평가하기 위하여, 다음과 같은 실험을 수행하였다.
(1) 수처리 조건에 따른 수처리 효율 평가
자외선 및 가시광선을 포함하는 자연광이 조사되는 곳에 2L 플라스크를 설치하고, 플라스크에 2-클로로페놀(2-chlorophenol, 2-CP)을 용해된 증류수(1 L)에 실시예 1에서 제조된 광촉매를 첨가하여 10시간 동안 시간에 따른 2-클로로페놀의 농도를 측정하였다. 이때, 수용액에 용해된 2-클로로페놀의 농도, 광촉매의 사용량 및 수용액의 pH 조건은 하기 표 2에 나타내었으며, 비교예 1 및 2에서 제조된 광촉매도 상기와 동일한 방법으로 유기 화합물의 광분해 효율을 측정하였다. 또한, 측정된 농도로부터 수용액에 용해된 2-클로로페놀의 제거 효율 및 광촉매의 분해 속도를 도출하였으며, 그 결과들을 도 7 내지 9에 나타내었다.
| 광촉매 사용량 [g/L] |
2-CP 농도 [mg/L] |
수용액의 pH | |
| 실시예 2 | 0.3 | 100 | 6.5 |
| 실시예 3 | 0.5 | 100 | 6.5 |
| 실시예 4 | 1.0 | 100 | 6.5 |
| 실시예 5 | 2.0 | 100 | 6.5 |
| 실시예 6 | 0.5 | 20 | 6.5 |
| 실시예 7 | 0.5 | 50 | 6.5 |
| 실시예 8 | 0.5 | 100 | 6.5 |
| 실시예 9 | 0.5 | 100 | 6 |
| 실시예 10 | 0.5 | 100 | 7 |
| 실시예 11 | 0.5 | 100 | 8 |
| 비교예 4 | 0.5 | 100 | 4 |
| 비교예 5 | 0.5 | 100 | 5 |
| 비교예 6 | 0.5 | 100 | 9 |
| 비교예 7 | 0.5 | 100 | 10 |
도 7 내지 도 9에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 광촉매를 사용한 수처리 방법은 수용액 내에 잔류하는 2-클로로페놀과 같은 유기 화합물에 대한 제거 효율이 우수한 것을 알 수 있다.
구체적으로 도 7을 살펴보면 도 7은 수용액 내에 잔류하는 유기 화합물에 농도에 따른 실시예 1에서 제조된 광촉매의 수처리 효율을 나타낸 그래프로서, 실시예 1의 광촉매는 수용액 내의 유기 화합물이 20, 50 및 100 mg/L로 농도가 증가함에 따라 광분해 속도가 비례하여 진행하는 것으로 나타났다. 나아가, 상관계수 R2(correlation coefficient R2)는 유기 화합물의 농도가 100 mg/L일 때 0.971을 나타내어 0.999 미만의 값을 갖는 것으로 확인되었다. 이는 상기 실시예 1의 광촉매가 200 mg/L 이하 농도의 유기 화합물이 수용액 내에 잔류하는 경우에도 광분해하는 효율이 우수하며, 이러한 일련의 광분해 반응은 1차 동역학적 모델과 유사한 광분해 형태를 나타냄을 의미하는 것이다.
또한, 도 8을 살펴보면 도 8은 광촉매의 접촉량별, 시간에 따른 실시예 1의 광촉매로 인한 광분해 전·후 유기 화합물의 농도 변화를 도시한 그래프로서, 실시예 1의 광촉매를 100 g/L 이하로 사용한 경우 수용액 내에 잔류하는 유기 화합물을 42.1 내지 77.4%까지 제거하는 것으로 나타났다. 그러나, 상기 광촉매를 200 g/L의 농도로 사용하는 경우, 광분해 이후 수용액 내에 잔류하는 유기 화합물의 농도가 약 40% 이하로 광분해 효율이 높지 않은 것으로 나타났다. 이는 수처리 시 사용되는 수용액 1L당 사용되는 광촉매의 사용량이 많으면 과량 사용된 광촉매의 가림 효과(shielding effect)로 인하여 광분해 반응에 요구되는 광 조사가 충분히 이뤄지지 않아 광분해가 효율이 낮아짐을 의미하는 것이다.
나아가, 도 9를 살펴보면, 도 9는 광촉매 종류별 pH에 따른 유기 화합물 제거 효율을 도시한 그래프로서, 실시예 1에서 제조된 광촉매는 pH 6 내지 8에서 2-클로로페놀에 대한 제거율을 나타냈으며, 특히 pH 6.5±0.2에서 높은 효율을 나타냈다.
이러한 결과로부터, 본 발명에 따른 광촉매를 사용하는 수처리 방법은 수용액 내에 잔류하는 유기 화합물을 400 내지 800 nm의 파장 영역에서 높은 효율로 광분해 할 수 있음을 알 수 있다.
(2)
광촉매
종류에 따른 수처리 효율
자외선 및 가시광선을 포함하는 자연광이 조사되는 곳에 2L 플라스크를 설치하고, 플라스크에 2-클로로페놀(2-CP, 5 내지 150 ppm)을 각각 용해된 증류수(1 L)에 실시예 1과 비교예 1 및 2에서 제조된 광촉매(0 내지 80 mg/g)를 각각 첨가한 후 10시간 동안 교반하여 광분해 반응을 수행하였다. 광분해 반응에 따른 2-클로로페놀의 분해 효율은 랭뮤어 흡착 등온식(Langmuir absorption isother) 및 프로인드리히 흡착 등온식(Freundlich adsorption isotherm)에 따라 도출하였으며, 그 결과를 도 10에 나타내었다.
먼저, 도 10의 (a)를 살펴보면, 실시예 1에서 제조된 광촉매는 수용액에 잔류하는 2-클로로페놀에 대한 흡착능이 약 66.5±0.5 mg/g인 반면, 비교예 1 및 2에서 제조된 광촉매는 흡착능이 각각 약 19.4±0.5 mg/g 및 28.5 mg/g인 것으로 나타났다.
또한, 도 10의 (b)를 살펴보면, 실시예 1에서 제조된 광촉매는 100 mg/g 이하 농도의 2-클로로페놀에 대하여 등온 흡착선을 나타내며, 그 제거율은 2-클로로페놀의 농도가 낮을수록 높게 나타났으며, 2-클로로페놀의 농도가 30 ppm인 경우, 2-클로로페놀가 완전 분해되는데까지 8±0.2시간이 소요되는 것으로 확인되었다.
이러한 결과로부터, 본 발명에 따른 광촉매는 니켈이 도핑된 이산화티타늄이 환원된 그래핀 옥사이드를 포함하여 광촉매로서 이산화티타늄 또는 니켈이 도핑된 이산화티타늄을 사용하는 경우와 대비하여 수용액 내에 잔류하는 유기 화합물을 400 내지 800 nm의 파장 영역에서 광분해하는 효율이 우수함을 알 수 있다.
Claims (16)
- 니켈이 도핑된 이산화티타늄이 담지된 그래핀 옥사이드를 포함하고,
니켈 및 그래핀 옥사이드의 함량은 이산화티타늄 100 중량부에 대하여 니켈 0.1 내지 0.6 중량부; 및 그래핀 옥사이드 1 내지 10 중량부이며,
밴드갭은 400 내지 800㎚ 파장 범위에서 2.73 내지 2.77 eV이고,
평균 BET 비표면적은 100 내지 140 ㎠/g이며,
평균 직경이 8 내지 10㎚인 세공을 포함하고,
수중 유기 화합물에 대한 흡착능이 66.5±0.5㎎/g이며,
푸리에 변환 적외선 흡수 분광 측정 시 1630±15 ㎝-1 및 3450±100 ㎝-1에서 진동 피크를 갖는 것을 특징으로 하는 광촉매.
- 제1항에 있어서,
그래핀 옥사이드는, 환원된 상태인 것을 특징으로 하는 광촉매.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 산화된 그래핀 옥사이드와 니켈이 담지된 이산화티타늄을 포함하는 분산액으로부터 니켈이 도핑된 이산화티타늄이 담지된 그래핀 옥사이드를 얻는 단계; 및
상기 그래핀 옥사이드를 열처리하는 단계를 포함하는 제1항에 따른 광촉매의 제조방법.
- 제7항에 있어서,
이산화티타늄이 담지된 그래핀 옥사이드를 얻는 단계는,
티타늄 전구체 및 금속 니켈을 포함하는 혼합물에 환원제를 첨가하여 이산화티타늄에 니켈을 도핑하는 단계를 더 포함하는 광촉매의 제조방법.
- 제8항에 있어서,
환원제는, 소듐 하이드라이드(sodium hydride, NaH), 소듐 보로하이드라이드(sodium borohydride, NaBH4), 및 리튬 알루미늄하이드라이드(lithium Aluminiumhydride, LiAlH4)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 광촉매의 제조방법.
- 제7항에 있어서,
열처리는, 400 내지 600℃의 온도 범위에서 수행되는 광촉매의 제조방법.
- 제7항에 있어서,
열처리 시간은, 1 내지 60분인 것을 특징으로 하는 광촉매의 제조방법.
- 니켈이 도핑된 이산화티타늄이 담지된 그래핀 옥사이드를 포함하는 제1항에 따른 광촉매와, 유기 화합물을 함유하는 수용액을 접촉시켜 수용액의 유기 화합물을 광촉매에 흡착시키는 단계; 및
유기 화합물이 흡착된 광촉매에 광 조사하여 광분해하는 단계를 포함하고,
상기 광은 200 내지 800 nm의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
- 제12항에 있어서,
유기 화합물을 함유하는 수용액의 pH는, 6 내지 8인 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
- 제12항에 있어서,
광촉매의 접촉량은, 유기 화합물을 함유하는 수용액 1L 당 2 g 이하인 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
- 제12항에 있어서,
수용액 내 유기 화합물의 농도는, 수용액 1 L 당 200 mg 이하인 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
- 유기 화합물을 함유하는 수용액이 주입되는 주입구;
상기 주입구로부터 주입된 수용액의 유기 화합물을 흡착시키고, 제1항에 따른 광촉매를 포함하는 여과부;
상기 여과부를 통과하여 유기 화합물이 제거된 수용액이 배출되는 배출구; 및
여과부에 빛을 조사하는 램프를 포함하는 수처리 장치.
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| Ajit Sharma 외 1, Adsorptive/photo-catalytic process for naphthalene removal from aqueous media using in-situ nickel doped titanium nanocomposite, Journal of Environmental Management, Vol.155, pp.114 |
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