KR101862513B1 - Photocatalyst containing active carbon fiber dispersed with titanium dioxde, and water treatment method using the same - Google Patents

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이병규
아지트쿠마르
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Abstract

The present invention relates to a photocatalyst and a water treatment method using the same. The photocatalyst comprises an activated carbon fiber having a porous structure in which nickel oxide-doped titanium dioxide is physically and chemically bonded and immobilized to the inside and a surface of pores. According to the present invention, immobilization of the photocatalyst becomes easy, and durability is excellent due to outstanding adhesiveness between the activated carbon fiber and titanium dioxide while being reusable. In addition, since the photocatalyst exhibits high photocatalytic activities not only in a UV region but also in a visible light region, the photocatalyst can be useful as a photocatalytic material for water treatment.

Description

이산화티타늄이 분산된 활성 탄소 섬유를 포함하는 광촉매 및 이를 이용한 수처리 방법{Photocatalyst containing active carbon fiber dispersed with titanium dioxde, and water treatment method using the same}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a photocatalyst containing activated carbon fiber dispersed with titanium dioxide and a water treatment method using the same,

본 발명은 이산화티타늄이 분산된 활성 탄소 섬유를 포함하는 광촉매 및 이를 이용한 수처리 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a photocatalyst containing activated carbon fiber dispersed with titanium dioxide and a water treatment method using the same.

이산화티타늄(TiO2) 광촉매는 표면에 자외선이 조사되면 수산화 라디칼(OH·)을 생성시키는데, 이 라디칼은 물속의 유해물질을 인체에 무해한 물과 이산화탄소로 완전히 분해하여 독성 유기 화합물을 제거하는데 아주 효과적인 물질로 알려져 있다. 구체적으로, 상기 광촉매는 일정한 영역의 에너지가 가해지면 전도대(Conduction Band)에는 전자[e-, electron]들이 형성되게 되고 가전자대(Valence Band)에는 정공[h+, electron hole]이 형성되게 된다. 여기서, 상기 정공(h+)이 물과 반응해서 수산화 라디칼(OH·)을 생성하고, 반대가 되는 환원반응에서는 공기 중 산소의 환원이 일어나 슈퍼 옥사이드 음이온(O2-), 2종의 활성산소를 생성한다. 특히, 수산화 라디칼(OH·)은 높은 산화, 환원전위를 가지고 있기 때문에 NOx, SOx, 휘발성 유기 화합물(VOCs) 및 각종 악취정화에 탁월하고 축산폐수, 오수, 공장폐수의 BOD, 색도 및 난분해성 오염물질, 환경 호르몬 등을 제거할 뿐만 아니라 병원성 대장균, 황색포도구균, O-157 등 각종 병원균과 박테리아를 99% 이상 살균할 수 있다.Titanium dioxide (TiO 2 ) photocatalysts generate hydroxyl radicals (OH ·) when irradiated with ultraviolet rays on the surface. These radicals completely decompose harmful substances in water into harmless water and carbon dioxide to remove toxic organic compounds. It is known as a substance. Specifically, when the energy of a certain region is applied to the photocatalyst, electron [electron] is formed in the conduction band and holes [h +] are formed in the valence band. Here, the hole (h +) reacts with water to form a hydroxyl radical (OH.), Whereas in the opposite reduction reaction, oxygen in the air is reduced and a superoxide anion (O 2- ) . In particular, hydroxyl radicals (OH ·) have high oxidation and reduction potential and are excellent for NOx, SOx, volatile organic compounds (VOCs) and various odor purification, and are excellent in BOD of animal wastewater, sewage, factory wastewater, Substances, environmental hormones, etc., as well as 99% or more of pathogenic bacteria and bacteria such as pathogenic Escherichia coli, Staphylococcus aureus, O-157 can be sterilized.

이와 같이 이산화티타늄 광촉매는 우수한 광촉매적 성질을 가지고 있으면서도 상대적으로 합성하기 쉬워 이에 관한 많은 연구가 진행되어왔다. 그러나, 이러한 이산화티타늄 광촉매는 그 크기가 약 0.1 ㎛ 이하로 매우 작아 연속흐름식 수처리 반응기로 제작하였을 경우 고정이 어렵고 수처리 후 이를 회수하기 위해서는 멤브레인과 같은 분리막을 사용해야 될 뿐만 아니라 사용된 분리막 표면에 축적되어 막의 수명을 단축시키는 결과를 가져오므로 전체적인 수처리 시스템의 제거효율을 저하시키는 한계가 있다.Thus, titanium dioxide photocatalysts have excellent photocatalytic properties and are relatively easy to synthesize. However, since the titanium dioxide photocatalyst is very small, about 0.1 탆 or less in size, it is difficult to fix when it is manufactured by a continuous flow water treatment reactor. In order to recover it after the water treatment, a membrane such as a membrane must be used, And the lifetime of the membrane is shortened. Therefore, there is a limit to lower the removal efficiency of the entire water treatment system.

이러한 문제를 해결하기 위하여 최근 이산화티타늄 광촉매를 고분자 섬유 표면에 코팅시키는 기술들이 개발된 바 있다. 그러나, 상기 기술들과 같이 고분자 섬유 표면에 코팅된 이산화티타늄은 부착력이 약해 수처리 과정에서 쉽게 박리되므로 내구성이 낮고, 재사용 시 광촉매의 반응 사이트의 활성이 감소하여 촉매활성이 현저히 낮아지는 한계가 있다.In order to solve such a problem, techniques for coating titanium dioxide photocatalyst on the surface of polymer fibers have recently been developed. However, the titanium dioxide coated on the surface of the polymer fiber as in the above-mentioned technologies has a low adhesion so that the titanium dioxide coated on the surface of the polymer fiber is easily peeled off during the water treatment process, so that the durability is low and the activity of the reaction site of the photocatalyst is reduced.

따라서, 광촉매의 고정이 용이하고, 이산화티타늄 광촉매의 손실이나 멤브레인 등의 분리막의 사용 없이 효율적으로 수처리가 가능할 뿐만 아니라, UV 영역은 물론 가시광 영역에서도 광촉매 활성을 높고, 내구성이 뛰어나 사용수명이 우수하며 재사용이 가능한 광촉매 소재의 개발이 절실히 요구되고 있다.Therefore, it is easy to fix the photocatalyst, water treatment can be efficiently performed without loss of the titanium dioxide photocatalyst or separation membrane such as the membrane, high photocatalytic activity in the visible region as well as in the UV region, excellent durability and excellent service life Development of a reusable photocatalytic material is urgently required.

미국 등록특허 제5,462,674호U.S. Patent No. 5,462,674

Textile Science and Engineering, Vol. 42, No. 4, 2005, pp.235~240Textile Science and Engineering, Vol. 42, No. 4, 2005, pp. 235-240

본 발명의 목적은 광촉매의 고정이 용이하고, 이산화티타늄 광촉매의 손실이나 멤브레인 등의 분리막의 사용 없이 효율적으로 수처리가 가능할 뿐만 아니라, UV 영역은 물론 가시광 영역에서도 광촉매 활성을 높고, 내구성이 뛰어나며 재사용이 가능한 광촉매 소재 및 이를 이용한 수처리 방법을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a photocatalyst which can easily fix a photocatalyst, efficiently treat water without loss of a titanium dioxide photocatalyst or a separation membrane such as a membrane, has high photocatalytic activity in a visible region as well as in a UV region, And a water treatment method using the photocatalytic material.

상기 과제를 해결하기 위하여,In order to solve the above problems,

본 발명은 일실시예에서,The present invention, in one embodiment,

다공성 구조의 활성 탄소 섬유; 및Activated carbon fibers of porous structure; And

상기 활성 탄소 섬유의 기공 내부 및 표면에 물리·화학적으로 결합되어 고정되고, 산화니켈이 도핑된 이산화티타늄을 포함하는 광촉매를 제공한다.The present invention also provides a photocatalyst comprising titanium dioxide doped nickel oxide, physically and chemically bonded to the inside and the surface of the pores of the activated carbon fiber.

또한, 본 발명은 일실시예에서,In addition, the present invention, in one embodiment,

산화니켈이 도핑된 이산화티타늄을 포함하는 분산액에 활성 탄소 섬유를 침지하여 산화니켈이 도핑된 이산화티타늄이 표면과 기공 내부에 형성된 활성 탄소 섬유를 얻는 단계; 및Immersing the activated carbon fibers in a dispersion containing titanium oxide doped with nickel oxide to obtain activated carbon fibers having titanium oxide doped with nickel oxide formed on its surface and pores; And

표면과 기공 내부에 산화니켈이 도핑된 이산화티타늄이 형성된 활성 탄소 섬유를 열처리하는 단계를 포함하는 광촉매의 제조방법을 제공한다.And heat treating the activated carbon fiber having titanium oxide doped with nickel oxide inside the surface and pores.

나아가, 본 발명은 일실시예에서,Further, the present invention, in one embodiment,

산화니켈이 도핑된 이산화티타늄이 기공 내부 및 표면에 분산된 다공성 구조의 활성 탄소 섬유를 포함하는 광촉매와, 유기 화합물을 포함하는 수용액을 접촉시켜 광촉매에 유기 화합물을 흡착시키는 단계; 및Contacting an aqueous solution containing an organic compound with a photocatalyst comprising activated carbon fibers of a porous structure in which titanium oxide doped with nickel oxide is dispersed in pores and on the surface to adsorb an organic compound on the photocatalyst; And

유기 화합물이 흡착된 광촉매에 광 조사하여 유기 화합물을 광분해하는 단계를 포함하고,Irradiating a photocatalyst on which an organic compound is adsorbed to photodegrade the organic compound,

상기 광은 200 내지 800 nm의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 수처리 방법을 제공한다.Wherein the light has a wavelength of 200 to 800 nm.

또한, 본 발명은 일실시예에서,In addition, the present invention, in one embodiment,

유기 화합물을 함유하는 수용액이 주입되는 주입구;An injection port into which an aqueous solution containing an organic compound is injected;

상기 주입구로부터 주입된 수용액의 유기 화합물을 흡착시키고, 상기 광촉매를 포함하는 여과부;A filtration unit adsorbing an organic compound of an aqueous solution injected from the injection port and containing the photocatalyst;

상기 여과부를 통과하여 유기 화합물이 제거된 수용액이 배출되는 배출구; 및An outlet through which the aqueous solution from which the organic compound has been removed is discharged; And

여과부에 빛을 조사하는 램프를 포함하는 수처리 장치를 제공한다.And a lamp for irradiating light to the filtration unit.

본 발명에 따른 광촉매는 산화니켈이 도핑된 이산화티타늄이 기공 내부 및 표면에 물리·화학적으로 결합되어 고정된 다공성 구조의 활성 탄소 섬유를 포함하여 광촉매의 고정이 용이하고 활성 탄소 섬유와 이산화티타늄간의 접착력이 우수하여 내구성이 뛰어나며 재사용이 가능할 뿐만 아니라 UV 영역은 물론 가시광 영역에서도 높은 광촉매 활성을 나타내므로 수처리용 광촉매 소재로 유용하게 사용될 수 있다.The photocatalyst according to the present invention is characterized in that the titanium dioxide doped with nickel oxide is physically and chemically bonded to the inside and the surface of the pore to fix the activated carbon fiber having the porous structure and is easy to fix the photocatalyst and the adhesion between the activated carbon fiber and titanium dioxide Is excellent in durability and can be reused, and exhibits a high photocatalytic activity not only in the UV region but also in the visible region, so that it can be usefully used as a photocatalytic material for water treatment.

도 1은 광촉매의 주사전자현미경(SEM) 분석 결과를 도시한 이미지이다.
도 2는 활성 탄소 섬유(ACF) 및 광촉매의 에너지 분산 X선 분광(EXD)을 도시한 그래프이다.
도 3은 활성 탄소 섬유(ACF) 및 광촉매 종류별 X선 회절(XRD)을 도시한 그래프이다.
도 4는 광촉매의 X선 광전자분광(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 결과를 도시한 그래프이다.
도 5는 처리수의 pH에 따른 광촉매의 포름알데하이드 제거율을 도시한 그래프이다.
도 6은 광촉매 종류 및 조사광 파장 별 광촉매의 시간에 따른 포름알데하이드 제거율을 도시한 그래프이다.
도 7은 과산화수소 첨가량 별 광촉매의 시간에 따른 포름알데하이드 제거율을 도시한 그래프이다.
도 8은 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 9는 광촉매의 반복 사용 횟수에 따른 포름알데하이드 제거율을 도시한 그래프이다.
1 is an image showing a result of a scanning electron microscope (SEM) analysis of a photocatalyst.
2 is a graph showing the energy dispersive X-ray spectroscopy (EXD) of activated carbon fiber (ACF) and photocatalyst.
3 is a graph showing activated carbon fibers (ACF) and X-ray diffraction (XRD) by photocatalyst type.
4 is a graph showing X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) results of a photocatalyst.
5 is a graph showing the formaldehyde removal rate of the photocatalyst according to the pH of the treated water.
6 is a graph showing the formaldehyde removal rate of the photocatalyst according to the kind of the photocatalyst and the wavelength of the irradiation light.
7 is a graph showing the formaldehyde removal rate of the photocatalyst with respect to time according to the addition amount of hydrogen peroxide.
FIG. 8 is a graph showing equilibrium isotherm data at the time of photocatalytic decomposition of the photocatalyst. FIG. 8 (a) is a result obtained by the Langmuir method, and FIG. 8 (b) ) Method.
9 is a graph showing the formaldehyde removal rate according to the number of times of repeated use of the photocatalyst.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail.

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.It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

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.In the present invention, the terms " comprising " or " having ", and the like, specify that the presence of a feature, a number, a step, an operation, an element, a component, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

또한, 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed.

본 발명에서, 활성 탄소 섬유(activated carbon fiber, ACF)란, 섬유(fiber) 형태를 갖는 탄소 재료로서 표면에 카르복실기(-COOH)를 일부 포함하므로 탄소 원자(C)와 산소 원자(O)로 구성되며, 구조적으로는 깊이가 얕고 평균 직경이 약 1 내지 2㎚인 기공을 포함하여 비표면적이 큰 특징을 가질 수 있다. 활성 탄소 섬유는 섬유 자체를 사용하거나 압축, 편직 등의 성형을 거친 성형물의 형태로 사용할 수 있다.In the present invention, an activated carbon fiber (ACF) is a carbon material having a fiber form and is composed of a carbon atom (C) and an oxygen atom (O) because it contains a carboxyl group (-COOH) And may be structurally characterized as having a shallow depth and a large specific surface area including pores having an average diameter of about 1 to 2 nm. The activated carbon fiber can be used in the form of a molded product obtained by using the fiber itself or by molding such as compression or knitting.

본 발명은 광촉매 및 이를 이용한 수처리 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a photocatalyst and a water treatment method using the same.

이산화티타늄(TiO2) 광촉매는 표면에 자외선이 조사되면 OH 라디칼(OH·)을 생성시키는데, 이 라디칼은 물속의 유해물질을 인체에 무해한 물과 이산화탄소로 완전히 분해하여 독성 유기 화합물을 제거하는데 아주 효과적인 물질로 알려져 있어 이에 관한 연구가 활발히 진행되어왔다. 그러나, 이러한 이산화티타늄 광촉매는 그 크기가 약 0.1 ㎛ 이하로 매우 작아 연속흐름식 수처리 반응기로 제작하였을 경우 고정이 어렵고, 수처리 후 이를 회수하기 위해서는 멤브레인과 같은 분리막을 사용해야 될 뿐만 아니라 사용된 분리막 표면에 축적되어 막의 수명을 단축시키는 결과를 가져오므로 전체적인 수처리 시스템의 제거효율을 저하시키는 한계가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 최근 이산화티타늄 광촉매를 고분자 섬유 표면에 코팅시키는 기술들이 개발된 바 있다. 그러나, 상기 기술들과 같이 고분자 섬유 표면에 코팅된 이산화티타늄은 부착력이 약해 수처리 과정에서 쉽게 박리되므로 내구성이 낮은 한계가 있다.Titanium dioxide (TiO 2 ) photocatalyst generates OH radicals (OH ·) when ultraviolet rays are irradiated on the surface. This radical completely decomposes harmful substances in water into harmless water and carbon dioxide to remove toxic organic compounds. And it has been actively studied. However, such a titanium dioxide photocatalyst is very small, about 0.1 탆 or less in size, so that it is difficult to fix it when it is manufactured by a continuous flow water treatment reactor. In order to recover it after water treatment, a membrane such as a membrane must be used, So that the lifetime of the membrane is shortened. Therefore, there is a limit to lower the removal efficiency of the entire water treatment system. In order to solve such a problem, techniques for coating titanium dioxide photocatalyst on the surface of polymer fibers have recently been developed. However, the titanium dioxide coated on the surface of the polymer fiber as in the above-mentioned techniques has a low adhesion strength and easily peeled off during the water treatment process, so that the durability is low.

이에, 본 발명은 이산화티타늄이 표면 및 기공 내부에 분산된 활성 탄소 섬유를 포함하는 광촉매 및 이를 이용한 수처리 방법을 제공한다.Accordingly, the present invention provides a photocatalyst comprising activated carbon fibers dispersed in the surface and pores of titanium dioxide, and a water treatment method using the same.

본 발명에 따른 광촉매는 산화니켈이 도핑된 이산화티타늄이 기공 내부 및 표면에 물리·화학적으로 결합되어 고정된 다공성 구조의 활성 탄소 섬유를 포함하여 광촉매의 고정이 용이하고 활성 탄소 섬유와 이산화티타늄 간의 접착력이 우수하여 내구성이 뛰어나며 재사용이 가능할 뿐만 아니라 UV 영역은 물론 가시광 영역에서도 높은 광촉매 활성을 나타내므로 수처리용 광촉매 소재로 유용하게 사용될 수 있다.The photocatalyst according to the present invention is characterized in that the titanium dioxide doped with nickel oxide is physically and chemically bonded to the inside and the surface of the pore to fix the activated carbon fiber having the porous structure and is easy to fix the photocatalyst and the adhesion between the activated carbon fiber and titanium dioxide Is excellent in durability and can be reused, and exhibits a high photocatalytic activity not only in the UV region but also in the visible region, so that it can be usefully used as a photocatalytic material for water treatment.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

광촉매Photocatalyst

본 발명은 일실시예에서,The present invention, in one embodiment,

다공성 구조의 활성 탄소 섬유; 및Activated carbon fibers of porous structure; And

상기 활성 탄소 섬유의 기공 내부 및 표면에 물리·화학적으로 결합되어 고정되고, 산화니켈이 도핑된 이산화티타늄을 포함하는 광촉매를 제공한다.The present invention also provides a photocatalyst comprising titanium dioxide doped nickel oxide, physically and chemically bonded to the inside and the surface of the pores of the activated carbon fiber.

본 발명에 따른 광촉매는 다공성 구조를 갖는 활성 탄소 섬유(activated carbon fiber, ACF)를 지지체로서 포함하고, 상기 활성 탄소 섬유(ACF)의 표면 및 기공 내부에 산화니켈로 도핑된 이산화티타늄이 물리적으로 분산된 구조를 가질 수 있다. 구체적으로 활성 탄소 섬유의 표면과 평균 직경이 약 50 내지 300㎚의 기공에는 평균 직경이 10 내지 300㎚, 구체적으로는 50 내지 250㎚, 75 내지 250㎚, 100 내지 200㎚, 10 내지 100㎚, 10 내지 50㎚, 50 내지 150㎚, 150 내지 200㎚, 90 내지 130㎚, 100 내지 150㎚, 또는 100 내지 120㎚인 이산화티타늄 입자가 분산된 구조를 가질 수 있다. 여기서, 상기 이산화티타늄은 도핑된 산화니켈과 물리·화학적으로 결합되어 산화니켈의 니켈 원자(Ni)와 이산화티타늄의 티타늄 원자(Ti) 사이에 산소 원자(O)를 공유하는 화학적 결합(Ti-O-Ni)을 포함할 수 있고, 이러한 니켈 원자(Ni)와의 화학적 결합으로 인해 광촉매의 광-발생 전자(photo-generated electrons)의 이동효율을 향상시켜 광촉매의 활성을 증대시킬 수 있다. 또한, 이산화티타늄은 활성 탄소 섬유(ACF)의 표면 및 기공 내부에 분산된 형태를 갖되 활성 탄소 섬유(ACF)의 탄소 원자(C)와 산소 원자(O)를 공유하는 화학적 결합(Ni-O-Ti-O-C, 및/또는 Ni-O(-C)-Ti)을 포함할 수 있다. 이산화티타늄은 탄소 원자(C)와 산소 원자(O)를 공유하는 이러한 화학적 결합을 이룸으로써 이산화티타늄(TiO2)과 활성 탄소 섬유(ACF)간의 접착력을 향상시켜 내구성을 개선할 수 있고 보다 많은 전자 및 정공을 형성할 수 있으므로 광촉매 활성을 증가시킬 수 있다.The photocatalyst according to the present invention includes an activated carbon fiber (ACF) having a porous structure as a support, and titanium dioxide doped with nickel oxide in the surface and pores of the activated carbon fiber (ACF) Gt; structure. ≪ / RTI > Specifically, the surface of the activated carbon fiber and pores having an average diameter of about 50 to 300 nm have an average diameter of 10 to 300 nm, specifically 50 to 250 nm, 75 to 250 nm, 100 to 200 nm, 10 to 100 nm, 10 to 50 nm, 50 to 150 nm, 150 to 200 nm, 90 to 130 nm, 100 to 150 nm, or 100 to 120 nm. Here, the titanium dioxide is physically and chemically bonded to the doped nickel oxide to form a chemical bond (Ti-O) that shares an oxygen atom (O) between the nickel atom (Ni) of titanium oxide and the titanium atom (Ti) -Ni), and the chemical coupling with the nickel atom (Ni) can increase the efficiency of photo-generated electrons to increase the activity of the photocatalyst. Titanium dioxide is a chemical bond (Ni-O-Si) that has a shape dispersed in the surface and pores of activated carbon fibers (ACF), but shares carbon atoms (C) and oxygen atoms (O) Ti-OC, and / or Ni-O (-C) -Ti). Titanium dioxide has such a chemical bond that it shares carbon atoms (C) and oxygen atoms (O), thereby improving adhesion between titanium dioxide (TiO 2 ) and activated carbon fibers (ACF) And holes can be formed, so that the photocatalytic activity can be increased.

이때, 상기 광촉매는 산화니켈, 이산화티타늄 및 활성 탄소 섬유를 구성성분으로 포함하되, 활성 탄소 섬유를 주성분으로 포함할 수 있다. 하나의 예로서, 상기 광촉매는 탄소 30 내지 45 중량부, 산소 40 내지 64 중량부, 티타늄 5 내지 15 중량부, 및 니켈 1 내지 10 중량부를 포함할 수 있고, 구체적으로는 탄소 35 내지 40 중량부, 산소 44 내지 53 중량부, 티타늄 8 내지 10 중량부 및 니켈 4 내지 6 중량부를 포함할 수 있다. 본 발명은 활성 탄소 섬유를 주성분으로 포함하는 상기와 같은 조성을 가짐으로써 소량의 광촉매로 높은 광촉매 활성을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 광촉매 활성을 갖는 이산화티타늄의 손실을 최소화할 수 있다.At this time, the photocatalyst includes nickel oxide, titanium dioxide, and activated carbon fiber as a main component, and may include activated carbon fiber as a main component. As one example, the photocatalyst may include 30 to 45 parts by weight of carbon, 40 to 64 parts by weight of oxygen, 5 to 15 parts by weight of titanium, and 1 to 10 parts by weight of nickel, specifically, 35 to 40 parts by weight of carbon 44 to 53 parts by weight of oxygen, 8 to 10 parts by weight of titanium and 4 to 6 parts by weight of nickel. The present invention has the above-described composition including the activated carbon fiber as a main component, thereby achieving high photocatalytic activity with a small amount of photocatalyst and minimizing loss of titanium dioxide having photocatalytic activity.

또한, 상기 광촉매는 다공성 구조의 활성 탄소 섬유를 지지체로 포함하므로 높은 표면적을 가질 수 있으므로 이를 수처리용 광촉매로 이용할 경우 광이 조사되지 않는 조건에서도 수중에 잔류하는 오염물을 표면에 흡착시켜 제거할 수 있다. 이때, 상기 광촉매의 평균 BET 비표면적은 50 내지 200 ㎡/g일 수 있고, 구체적으로는 80 내지 200 ㎡/g, 50 내지 150 ㎡/g, 80 내지 150 ㎡/g, 90 내지 180㎡/g, 90 내지 160㎡/g, 90 내지 140㎡/g, 90 내지 120㎡/g, 90 내지 110㎡/g, 100 내지 120㎡/g, 105 내지 115㎡/g, 90 내지 140㎡/g, 95 내지 200㎡/g, 100 내지 200㎡/g, 120 내지 200㎡/g, 140 내지 200㎡/g, 145 내지 200㎡/g, 145 내지 180㎡/g, 150 내지 190㎡/g, 150 내지 200㎡/g, 100 내지 180㎡/g, 100 내지 160㎡/g, 120 내지 150㎡/g, 90 내지 110㎡/g, 또는 150 내지 170 ㎡/g일 수 있다.In addition, since the photocatalyst includes a porous structure of activated carbon fiber as a support, it can have a high surface area. Therefore, when the photocatalyst is used as a photocatalyst for water treatment, contaminants remaining in water can be adsorbed on the surface thereof . The photocatalyst may have an average BET specific surface area of 50 to 200 m 2 / g, more specifically 80 to 200 m 2 / g, 50 to 150 m 2 / g, 80 to 150 m 2 / g, and 90 to 180 m 2 / g G, 90 to 120 m2 / g, 90 to 110 m2 / g, 100 to 120 m2 / g, 105 to 115 m2 / g, 90 to 140 m2 / g, G, from 150 to 190 m 2 / g, from 150 to 190 m 2 / g, from 100 to 200 m 2 / g, from 120 to 200 m 2 / g, from 140 to 200 m 2 / g, G, 100 to 180 m 2 / g, 100 to 160 m 2 / g, 120 to 150 m 2 / g, 90 to 110 m 2 / g, or 150 to 170 m 2 / g.

아울러, 상기 광촉매는 종래 UV 영역 광에 대하여 촉매활성을 나타내는 이산화티타늄을 포함하고, 상기 이산화티타늄은 산화니켈이 도핑되어 HOMO-LUNO 에너지레벨이 조절되므로 UV 영역의 광뿐만 아니라 가시광 영역의 광에서도 촉매 활성을 가질 수 있다.In addition, since the photocatalyst includes titanium dioxide exhibiting catalytic activity with respect to the conventional UV region light, the titanium dioxide is doped with nickel oxide so that the HOMO-LUNO energy level is regulated. Therefore, not only light in the UV region but also light in the visible region Activity.

여기서, 상기 산화니켈로는 니켈 원자(Ni)와 산소 원자(O)를 포함하는 NiO, NiO2, Ni2O3 등의 화합물을 적절히 포함할 수 있으나, 본 발명에서는 하나의 산소 원자(O)에 하나의 니켈 원자(Ni)가 결합된 직접적으로 결합된 NiO를 포함할 수 있다. NiO는 NiO2, Ni2O3 등의 화합물과 달리 이산화티타늄 결정에 쉽게 치환될 수 있으므로 이산화티타늄의 결정상 변화없이 밴드갭을 용이하게 낮출 수 있다.Here, the nickel oxide may suitably include compounds such as NiO, NiO 2 , and Ni 2 O 3 including nickel atoms (Ni) and oxygen atoms (O). In the present invention, one oxygen atom (O) May include a directly bonded NiO to which one nickel atom (Ni) is bonded. Unlike NiO 2 and Ni 2 O 3 , NiO can be easily substituted with titanium dioxide crystals, so that the band gap can be easily lowered without changing the crystal phase of titanium dioxide.

또한, 상기 이산화티타늄은 아나타제(anatase), 루틸(rutile), 브루카이트(brookite) 등의 결정형을 가질 수 있고, 구체적으로는 아나타제 및 루틸의 결정형을 가질 수 있다.The titanium dioxide may have a crystal form such as anatase, rutile, brookite and the like, and specifically may have a crystal form of anatase and rutile.

하나의 예로서, 본 발명에 따른 광촉매는 X선 회절 시 비정질의 활성 탄소 섬유를 나타내는 2θ = 22.6±1° 및 44.0±1°의 피크와 함께 이산화티타늄(TiO2)의 아나타제(anatase) 및 루틸(rutile) 결정상을 나타내는 2θ = 25.5±1, 37.9±1°, 48.2±1°, 54.1±1°, 55.1±1° 및 75.4±0.5°의 피크를 포함할 수 있다. 아울러, 상기 광촉매는 이산화티타늄에 산화니켈이 도핑되어 2θ = 43.6±1°, 44.7±1° 및 63.2±1°의 피크를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 2θ = 43.6±1°, 44.7±1° 및 63.2±1°의 피크들은 이산화티타늄 결정에 포함된 4가 티타늄 이온(Ti4 +)이 이온 반경이 유사한 2가 니켈 이온(Ni2 +)으로 일부 치환되었음을 나타내는 피크로서, 2θ = 43.6±1° 및 44.7±1°의 피크는 서로 중첩되지 않고 2θ = 43.6±1°의 피크가 2θ = 44.7±1°의 피크보다 강도가 큰 양상을 보일 수 있다.As one example, the photocatalyst according to the present invention exhibits anatase and rutile of titanium dioxide (TiO 2 ) together with peaks at 2θ = 22.6 ± 1 ° and 44.0 ± 1 °, which indicate amorphous activated carbon fibers during X- 25.5 ± 1, 37.9 ± 1 °, 48.2 ± 1 °, 54.1 ± 1 °, 55.1 ± 1 ° and 75.4 ± 0.5 ° representing the rutile crystal phase. In addition, the photocatalyst may further include peaks of 2θ = 43.6 ± 1 °, 44.7 ± 1 ° and 63.2 ± 1 ° by doping titanium dioxide with nickel oxide. The peaks of 2θ = 43.6 ± 1 °, 44.7 ± 1 °, and 63.2 ± 1 ° were obtained from the tetravalent titanium ions (Ti 4 + ) contained in the titanium dioxide crystals as divalent nickel ions (Ni 2 + ), The peaks of 2? = 43.6 占 and 44.7 占? Are not overlapped with each other and the peaks of 2? = 43.6 占 1 占 are more intense than the peaks of 2? = 44.7 占 占Can be seen.

나아가, 상기 광촉매는 400 nm 내지 800 nm의 파장 범위에서 밴드갭이 2.4 내지 2.6 eV의 밴드갭을 가질 수 있으며, 구체적으로는 2.4 내지 2.55 eV; 2.45 내지 2.6 eV; 2.45 내지 2.55 eV; 2.43 내지 2.51 eV; 2.4 내지 2.5 eV; 2.42 내지 2.47 eV; 또는 2.44 내지 2.46 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.Further, the photocatalyst may have a band gap of 2.4 to 2.6 eV in the wavelength range of 400 nm to 800 nm, specifically 2.4 to 2.55 eV; 2.45 to 2.6 eV; 2.45 to 2.55 eV; 2.43 to 2.51 eV; 2.4 to 2.5 eV; 2.42 to 2.47 eV; Or 2.44 to 2.46 eV. Photocatalytic photoreaction excites electrons from the valence band to the conduction band to form electrons in the conduction band and to form holes in the valence band. Here, the formed electrons and holes diffuse to the surface of the photocatalyst and participate in the oxidation-reduction reaction to decompose contaminants remaining in the water. The photocatalyst of the present invention has a gap between the valence band and the conduction band, that is, It is advantageous to perform a photoreaction with high efficiency even in visible light.

광촉매의Photocatalyst 제조방법 Manufacturing method

또한, 본 발명은 일실시예에서,In addition, the present invention, in one embodiment,

산화니켈이 도핑된 이산화티타늄을 포함하는 분산액에 활성 탄소 섬유를 침지하여 산화니켈이 도핑된 이산화티타늄이 표면과 기공 내부에 형성된 활성 탄소 섬유를 얻는 단계; 및Immersing the activated carbon fibers in a dispersion containing titanium oxide doped with nickel oxide to obtain activated carbon fibers having titanium oxide doped with nickel oxide formed on its surface and pores; And

표면과 기공 내부에 산화니켈이 도핑된 이산화티타늄이 형성된 활성 탄소 섬유를 열처리하는 단계를 포함하는 광촉매의 제조방법을 제공한다.And heat treating the activated carbon fiber having titanium oxide doped with nickel oxide inside the surface and pores.

본 발명에 따른 광촉매의 제조방법은 졸겔법을 통하여 얻은 산화니켈이 도핑된 이산화티타늄 분산액에 활성 탄소 섬유를 침지하여 활성 탄소 섬유의 표면과 기공 내부에 산화니켈이 도핑된 이산화티타늄을 침투시키고 이를 열처리하여 고정화시킴으로써 활성 탄소 섬유의 표면과 기공 내부에 산화니켈이 도핑된 이산화티타늄을 물리·화학적 결합을 통하여 균일하게 고정시킬 수 있다.The method of manufacturing a photocatalyst according to the present invention is characterized in that the activated carbon fiber is immersed in a titanium dioxide dispersion doped with nickel oxide obtained through a sol-gel method to penetrate titanium dioxide doped with nickel oxide on the surface and pores of the activated carbon fiber, The surface of the activated carbon fiber and the titanium dioxide doped with nickel oxide in the pores can be uniformly fixed through physical and chemical bonding.

또한, 상기 열처리는 활성 탄소 섬유(ACF)의 탄소 원자(C)와 이산화티타늄의 티타늄 원자(Ti)가 산소 원자(O)를 공유하는 화학 결합을 이룰 수 있도록 질소(N2), 아르곤(Ar) 등의 비활성 가스 분위기, 300 내지 600℃의 온도 범위에서 10분 내지 200분 동안 수행될 수 있다. 구체적으로 상기 열처리는 질소 가스(N2) 분위기에서 400 내지 600℃, 300 내지 500℃, 350 내지 450℃, 450 내지 550℃, 390 내지 510℃, 380 내지 420℃ 또는 480 내지 520℃의 온도에서 10분 내지 150분, 30분 내지 150분, 60분 내지 150분, 80분 내지 150분, 100분 내지 150분, 10분 내지 60분, 30분 내지 90분, 90분 내지 150분 또는 110분 내지 130분 동안 수행될 수 있다.The heat treatment may be performed in a nitrogen atmosphere such as nitrogen (N 2 ), argon (Ar) or argon (Ar) so that the carbon atoms (C) of the activated carbon fibers (ACF) and the titanium atoms ), And an inert gas atmosphere at a temperature of 300 to 600 DEG C for 10 minutes to 200 minutes. Specifically, the heat treatment is a nitrogen gas (N 2) at 400 to 600 ℃, 300 to 500 ℃, 350 to 450 ℃, 450 to 550 ℃, 390 to 510 ℃, 380 to 420 ℃ or 480 to a temperature of 520 ℃ atmosphere From 10 minutes to 150 minutes, from 30 minutes to 150 minutes, from 60 minutes to 150 minutes, from 80 minutes to 150 minutes, from 100 minutes to 150 minutes, from 10 minutes to 60 minutes, from 30 minutes to 90 minutes, To 130 minutes.

수처리Water treatment 방법 Way

나아가, 본 발명은 일실시예에서,Further, the present invention, in one embodiment,

산화니켈이 도핑된 이산화티타늄이 기공 내부 및 표면에 분산된 다공성 구조의 활성 탄소 섬유를 포함하는 광촉매와, 유기 화합물을 포함하는 수용액을 접촉시켜 광촉매에 유기 화합물을 흡착시키는 단계; 및Contacting an aqueous solution containing an organic compound with a photocatalyst comprising activated carbon fibers of a porous structure in which titanium oxide doped with nickel oxide is dispersed in pores and on the surface to adsorb an organic compound on the photocatalyst; And

유기 화합물이 흡착된 광촉매에 광 조사하여 유기 화합물을 광분해하는 단계를 포함하고,Irradiating a photocatalyst on which an organic compound is adsorbed to photodegrade the organic compound,

상기 광은 200 내지 800 nm의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 수처리 방법을 제공한다.Wherein the light has a wavelength of 200 to 800 nm.

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.In the water treatment method according to the present invention, the organic compound is adsorbed by bringing the photocatalyst of the present invention into contact with an aqueous solution containing an organic compound as described above, and photolyzed by irradiating ultraviolet rays and / or visible rays having a wavelength of 200 to 800 nm, The residual organic compound can be removed with high efficiency.

이때, 수용액에 존재하는 유기 화합물과 광촉매의 흡착률을 극대화하기 위하여 유기 화합물을 함유하는 수용액의 pH는 3 내지 7일 수 있으며, 수용액에 함유된 유기 화합물의 농도는 유기 화합물을 함유하는 수용액 1L당 500 mg 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 수용액의 pH는 3.5 내지 6.5; 3.8 내지 6.1; 3 내지 5; 4 내지 5; 5 내지 6; 5 내지 7; 5 내지 6.5; 6 내지 7; 3.5 내지 4.5; 3.7 내지 4.3; 3.9 내지 4.1; 5.5 내지 6.5; 5.7 내지 6.3 또는 5.9 내지 6.1일 수 있으며, 유기 화합물의 농도는 유기 화합물을 함유하는 수용액 1L 당 400 mg 이하; 300 mg 이하; 0.1 내지 250 mg; 0.1 내지 200 mg; 또는 0.1 내지 150 mg일 수 있다.At this time, in order to maximize the adsorption rate of the organic compound and the photocatalyst present in the aqueous solution, the pH of the aqueous solution containing the organic compound may be 3 to 7, and the concentration of the organic compound contained in the aqueous solution may be 500 mg or less. Specifically, the pH of the aqueous solution is 3.5 to 6.5; 3.8 to 6.1; 3 to 5; 4 to 5; 5 to 6; 5 to 7; 5 to 6.5; 6 to 7; 3.5 to 4.5; 3.7 to 4.3; 3.9 to 4.1; 5.5 to 6.5; 5.7 to 6.3 or 5.9 to 6.1, and the concentration of the organic compound is 400 mg or less per liter of the aqueous solution containing the organic compound; 300 mg or less; 0.1 to 250 mg; 0.1 to 200 mg; Or 0.1 to 150 mg.

아울러, 상기 유기 화합물을 포함하는 수용액은 광촉매의 촉매 활성을 향상시키기 위하여 과산화수소(H2O2)를 더 포함할 수 있다. 상기 과산화수소는 광촉매와 반응하여 수중의 유기 화합물을 분해하는 수산화 라디칼(OH·)을 제공함으로써 수중의 유기 화합물을 광분해하는 효율을 향상시킬 수 있다. 여기서, 상기 과산화수소의 농도는 수용액에 대하여 0.0001 내지 0.5 중량%일 수 있고, 구체적으로는 0.0001 내지 0.2, 0.0001 내지 0.1, 0.0001 내지 0.09 또는 0.0005 내지 0.05일 수 있다. 과산화수소는 수처리할 수용액에 상기 범위 이상의 농도로 존재할 경우 광촉매에 의해 형성된 수산화 라디칼과 반응하여 유기 화합물의 분해를 저해하는 저해제로서 작용하는 문제가 있다.In addition, the aqueous solution containing the organic compound may further include hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) to improve the catalytic activity of the photocatalyst. The hydrogen peroxide reacts with the photocatalyst to provide a hydroxyl radical (OH.) Which decomposes organic compounds in water, thereby improving the efficiency of photolysis of organic compounds in water. Here, the concentration of the hydrogen peroxide may be 0.0001 to 0.5% by weight based on the aqueous solution, and may be specifically 0.0001 to 0.2, 0.0001 to 0.1, 0.0001 to 0.09, or 0.0005 to 0.05. Hydrogen peroxide reacts with hydroxyl radicals formed by the photocatalyst and acts as an inhibitor which inhibits the decomposition of the organic compound when the hydrogen peroxide is present in the aqueous solution to be water-treated at a concentration exceeding the above range.

한편, 본 발명에 따른 수처리 방법은 광 촉매를 이용하여 수중의 유기 화합물을 광분해하는 단계 이후에, 광촉매에 열을 가하여 광촉매를 재생하는 열처리 단계를 더 포함할 수 있다. 종래 비표면적 증가를 위해 활성 탄소 등의 탄소 입자를 포함하는 광촉매나 전이금속 원자가 도핑된 분말형태의 이산화티타늄 광촉매는 수처리 이후 회수가 어려울 뿐만 아니라 구조 안정성이 낮아 열 처리를 통한 재생 시 촉매 활성을 갖는 성분이 손실되거나 촉매 반응 사이트의 변형이 초래되어 광촉매의 광촉매 활성이 현저히 저하되는 문제가 있다. 그러나, 본 발명에 따른 광촉매는 지지체인 활성 탄소 섬유에 이산화티타늄이 물리·화학적으로 결합된 구조를 가져 구조 안정성이 뛰어나므로 열처리를 통한 재생 이후에도 광촉매 활성이 뛰어난 이점이 있다.Meanwhile, the water treatment method according to the present invention may further include a heat treatment step of regenerating the photocatalyst by applying heat to the photocatalyst after the step of photodecomposing the organic compound in the water using the photocatalyst. Conventionally, in order to increase the specific surface area, a photocatalyst containing carbon particles such as activated carbon or a titanium dioxide photocatalyst in the form of a powder doped with a transition metal atom has difficulty in recovering after water treatment and has low structural stability, There is a problem that the photocatalytic activity of the photocatalyst is remarkably lowered due to loss of components or deformation of the catalytic reaction site. However, since the photocatalyst according to the present invention has a structure in which titanium dioxide is physically and chemically bonded to the activated carbon fiber as the support, the photocatalyst has an excellent photocatalytic activity even after regeneration through heat treatment because of its excellent structural stability.

이때, 상기 열처리 온도는 광촉매에 잔류하는 유기 화합물을 완전히 제거할 수 있는 100℃ 내지 300℃의 온도 범위에서 수행될 수 있고, 구체적으로는, 100℃ 내지 250℃, 100℃ 내지 200℃, 100℃ 내지 150℃, 150℃ 내지 300℃, 200℃ 내지 300℃, 150℃ 내지 250℃, 180℃ 내지 220℃, 120℃ 내지 170℃, 250℃ 내지 300℃ 또는 240℃ 내지 260℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다.At this time, the heat treatment temperature may be 100 ° C. to 250 ° C., 100 ° C. to 200 ° C., 100 ° C., and more preferably 100 ° C. to 100 ° C., at which the organic compounds remaining in the photocatalyst can be completely removed, To 150 캜, 150 캜 to 300 캜, 200 캜 to 300 캜, 150 캜 to 250 캜, 180 캜 to 220 캜, 120 캜 to 170 캜, 250 캜 to 300 캜, or 240 캜 to 260 캜 .

수처리Water treatment 장치 Device

또한, 본 발명은 일실시예에서,In addition, the present invention, in one embodiment,

유기 화합물을 함유하는 수용액이 주입되는 주입구;An injection port into which an aqueous solution containing an organic compound is injected;

상기 주입구로부터 주입된 수용액의 유기 화합물을 흡착시키고, 본 발명에 따른 상기 광촉매를 포함하는 여과부;A filtration unit including the photocatalyst according to the present invention for adsorbing an organic compound of an aqueous solution injected from the injection port;

상기 여과부를 통과하여 유기 화합물이 제거된 수용액이 배출되는 배출구; 및An outlet through which the aqueous solution from which the organic compound has been removed is discharged; And

여과부에 빛을 조사하는 램프를 포함하는 수처리 장치를 제공한다.And a lamp for irradiating light to the filtration unit.

본 발명에 따른 수처리 장치는 산화니켈이 도핑된 이산화티타늄이 표면 및 기공 내부에 균일하게 분산된 활성 탄소 섬유를 포함하는 광촉매를 포함하는 여과부가 구비되어 수용액 내에 함유된 유기 화합물을 높은 비율로 광분해시킬 수 있으므로 산업용·농업용 오폐수 등 수용액 내에 잔류하는 유기 화합물을 제거하는 효과가 우수하다.The water treatment apparatus according to the present invention includes a filtration unit including a photocatalyst including titanium dioxide doped with nickel oxide and a photocatalyst containing activated carbon fibers uniformly dispersed in the pores to decompose the organic compound contained in the aqueous solution at a high rate It is excellent in the effect of removing the organic compounds remaining in the aqueous solution such as industrial wastewater and agricultural wastewater.

이때, 상기 수처리 장치는 그 형태를 특별히 제한하는 것은 아니나, 구체적으로 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. 여기서, 상기 흡착베드는 본 발명에 따른 광촉매를 포함하되, 섬유(fiber) 형태를 갖는 상기 광촉매를 직접적으로 사용하거나 압축, 편직 등의 성형을 거친 펠트나 필름과 같은 형태로 사용될 수 있다.At this time, although the shape of the water treatment apparatus is not particularly limited, an injection port through which an aqueous solution containing an organic compound is injected is disposed in an upper part of a filtration part provided with a adsorption bed including a photocatalyst of the present invention, And a discharge port through which the aqueous solution from which the organic compound is removed through the adsorption bed of the filtration part is located. Here, the adsorption bed includes the photocatalyst according to the present invention, and the photocatalyst having a fiber form may be directly used, or may be used in the form of a felt or a film which has been formed by compression, knitting or the like.

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.The water treatment apparatus may include a lamp for irradiating light to the inside of the filtration unit to decompose organic compounds adsorbed on the photocatalyst. The lamp is particularly limited as long as it can emit light having a wavelength of 200 to 800 nm. . For example, the lamp may be a UV lamp that emits ultraviolet light, a light emitting device that can emit visible light, and the like.

나아가, 상기 수처리 장치는 주입되는 수용액의 pH 및 온도와; 수용액과 광촉매의 접촉 시간을 측정하는 계측부를 더 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.Further, the water treatment apparatus may further comprise: pH and temperature of the aqueous solution to be injected; But the present invention is not limited thereto. The measurement unit may measure the contact time between the aqueous solution and the photocatalyst.

본 발명에 따른 수처리 장치는 본 발명의 광촉매를 포함하는 여과부를 구비하여 수처리 시 광촉매의 손실이나 광촉매를 회수하기 위하여 추가적인 분리막이 필요하지 않으므로 경제적일 뿐만 아니라 광촉매 활성을 갖는 이산화티타늄을 여과부에 고정화하기 위한 별도의 구성이 필요하지 않은 이점이 있다.The water treatment apparatus according to the present invention is provided with a filtration unit including the photocatalyst of the present invention, so that no additional separation membrane is required for recovering the loss of the photocatalyst or recovering the photocatalyst during the water treatment. Therefore, the titanium dioxide, There is an advantage that a separate configuration is not necessary.

이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Experimental Examples.

단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.However, the following Examples and Experimental Examples are merely illustrative of the present invention, and the present invention is not limited to the following Examples and Experimental Examples.

실시예Example 1. One.

250 mL의 플라스크에 아세트산(14.32 mL)을 주입하고, 주입된 아세트산에 티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide, TIP 7.44 mL)와 에탄올(80 mL)을 첨가한 후 30℃에서 25분 동안 교반하여 가수분해를 수행하였다. 그런 다음, 반응물에 질산니켈(nickel nitrate)가 0.3 중량% 용해된 증류수(80 mL)를 혼합하고 활성 탄소 섬유(ACF)로 이루어진 펠트(가로 3㎝ X 세로 3㎝, 1g)를 용액에 침지시킨 후 30분간 초음파 조사하였다. 초음파 조사된 용액에서 활성 탄소 섬유로 이루어진 펠트를 꺼내고 에탄올로 세척한 후 85℃에서 8시간 동안 건조시킨 다음 550℃, 질소(N2) 분위기 2시간 동안 열처리하여 펠트를 구성하는 활성 탄소 섬유의 기공 내부 및 표면에 산화니켈이 도핑된 이산화티타늄이 물리·화학적 결합을 통하여 고정된 형태의 광촉매(NiO-TiO2/ACF, 평균 BET 비표면적: 109±10 ㎡/g)를 제조하였다.Titanium isopropoxide (TIP 7.44 mL) and ethanol (80 mL) were added to the injected acetic acid, and the mixture was stirred at 30 ° C for 25 minutes, Decomposition. Then, the reactant was mixed with distilled water (80 mL) dissolving 0.3 wt% of nickel nitrate, and a felt (3 cm x 3 cm long, 1 g) made of activated carbon fiber (ACF) was immersed in the solution Followed by sonication for 30 minutes. The felt made of activated carbon fiber was taken out from the ultrasonic irradiated solution, washed with ethanol, dried at 85 ° C for 8 hours, and then heat-treated at 550 ° C for 2 hours in a nitrogen (N 2 ) atmosphere to form pores of activated carbon fibers (NiO-TiO 2 / ACF, average BET specific surface area: 109 ± 10 ㎡ / g) was prepared by physical and chemical bonding of titanium dioxide doped with nickel oxide on the inside and the surface thereof.

비교예Comparative Example 1. One.

250 mL의 플라스크에 아세트산(13.45 mL)을 주입하고, 주입된 아세트산에 티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide, TIP 6.50 mL)와 에탄올(75 mL)을 첨가한 후 30℃에서 25분간 동안 교반하여 가수분해를 수행하였다. 그런 다음, 활성 탄소 섬유로 이루어진 펠트(가로 3㎝ X 세로 3㎝, 1g)를 용액에 침지시킨 후 45분간 초음파 조사하였다. 초음파 조사된 용액에서 활성 탄소 섬유로 이루어진 펠트를 꺼내고 에탄올로 세척한 후 90℃에서 6시간 동안 건조시킨 다음 400℃, 질소(N2) 분위기 2시간 동안 열처리하여 펠트를 구성하는 활성 탄소 섬유의 기공 내부 및 표면에 이산화티타늄이 고정된 형태의 광촉매(TiO2/ACF)를 제조하였다.Titanium isopropoxide (TIP 6.50 mL) and ethanol (75 mL) were added to the injected acetic acid, and the mixture was stirred at 30 ° C. for 25 minutes. Decomposition. Then, a felt (3 cm x 3 cm, 1 g) made of activated carbon fibers was immersed in the solution and ultrasonically irradiated for 45 minutes. The felt made of activated carbon fibers was taken out from the ultrasonic irradiated solution, washed with ethanol, dried at 90 ° C. for 6 hours, and heat-treated at 400 ° C. for 2 hours in a nitrogen (N 2 ) atmosphere to form pores of activated carbon fibers (TiO 2 / ACF) in which titanium dioxide is fixed on the inside and the surface of the photocatalyst.

실험예Experimental Example 1. One.

본 발명에 따른 광촉매의 형태, 성분 함량 등을 확인하기 위하여, 활성 탄소 섬유(ACF)와 실시예 1 및 비교예 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 재료들에 대한 X선 회절(X-ray diffraction, XRD)을 측정하였으며, 실시예 1의 광촉매를 대상으로 X선 광전자분광(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)을 측정하였으며, 측정된 결과들을 도 1 내지 4에 나타내었다.Scanning Electron Microscope (SEM) photographs of the activated carbon fibers (ACF) and the photocatalyst prepared in Example 1 and Comparative Example 1 were carried out in order to confirm the shape and content of the photocatalyst according to the present invention , And energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) was continuously measured while scanning electron microscope (SEM) photographing. X-ray diffraction (XRD) of the above materials was measured. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was measured on the photocatalyst of Example 1, and the measured results Are shown in Figs.

도 1을 살펴보면, 본 발명에 따른 실시예 1의 광촉매(NiO-TiO2/ACF)는 다공성 구조의 활성 탄소 섬유(ACF)를 포함하고, 상기 활성 탄소 섬유는 표면과 기공 내부에 산화니켈이 도핑된 이산화티타늄(TiO2) 입자(평균 입도: 75~250 ㎚)가 균일하게 형성된 것을 확인할 수 있다. 이에 반해, 산화니켈을 포함하지 않는 비교예 1의 광촉매(TiO2/ACF)는 이산화티타늄(TiO2) 입자가 활성 탄소 섬유(ACF) 표면에 불균일하게 흡착되고 일부 기공 내부에 분산된 구조를 갖는 것으로 나타났다.1, the photocatalyst (NiO-TiO 2 / ACF) of Example 1 according to the present invention includes activated carbon fibers (ACF) having a porous structure, and the activated carbon fibers are doped with nickel oxide on the surfaces and pores Titanium oxide (TiO 2 ) particles (average particle size: 75 to 250 nm) are uniformly formed. On the other hand, the photocatalyst (TiO 2 / ACF) of Comparative Example 1 which does not contain nickel oxide has a structure in which titanium dioxide (TiO 2 ) particles are uniformly adsorbed on the surface of activated carbon fibers (ACF) Respectively.

또한, 도 2를 살펴보면 에너지 분산 X선 분광(EDX)을 통한 성분 분석 시 활성 탄소 섬유(ACF)는 탄소 원자 및 산소 원자가 각각 95.3±0.05% 및 4.7±0.05%이고, 상기 실시예 1의 광촉매(NiO-TiO2/ACF)는 탄소 원자, 산소 원자, 티타늄 원자 및 니켈 원자가 각각 38.5±0.05%, 46.2±0.05%, 9.1±0.05% 및 5.2±0.05%인 것으로 나타났다.2, the active carbon fibers (ACF) were 95.3 ± 0.05% and 4.7 ± 0.05%, respectively, when analyzed by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) NiO-TiO 2 / ACF) showed 38.5 ± 0.05%, 46.2 ± 0.05%, 9.1 ± 0.05% and 5.2 ± 0.05% of carbon atoms, oxygen atoms, titanium atoms and nickel atoms, respectively.

아울러, 도 3을 살펴보면, 활성 탄소 섬유(ACF)는 비정질 결정형을 가져 2θ = 22.6±0.5° 및 44.0±0.5°의 피크가 확인된 반면 본 발명에 따른 실시예 1의 촉매는 활성 탄소 섬유(ACF)의 표면과 내부 기공에 이산화티타늄(TiO2) 입자가 위치하여 X선 회절 측정 시 아나타제(anatase) 및 루틸(rutile) 결정상의 이산화티타늄(TiO2)을 나타내는 것을 확인되었다. 구체적으로, 실시예 1의 광촉매는 이산화티타늄(TiO2)을 나타내는 2θ = 25.5±0.5° [1,0,1], 37.9±0.5° [0,0,4], 48.2±0.5° [2,0,0], 54.1±0.5° [1,0,5], 55.1±0.5° [2,1,1] 및 75.4±0.5° [2,1, 5]의 피크가 확인되었고, 산화니켈이 도핑되지 않은 비교예 1의 광촉매와 달리 2θ = 43.6±0.5°, 44.7±0.5° 및 63.2±0.5°의 피크가 추가로 더 확인되었다. 상기 피크들은 이산화티타늄 결정에 포함된 4가 티타늄 이온(Ti4+)이 이온 반경이 유사한 2가 니켈 이온(Ni2 +)으로 일부 치환되었음을 의미한다.3, the active carbon fiber (ACF) had an amorphous crystal form and peaks at 2? = 22.6 ± 0.5 ° and 44.0 ± 0.5 ° were observed, while the catalyst of Example 1 according to the present invention had activated carbon fibers (ACF ) it was found to represent the surface of the titanium dioxide within the pores (TiO 2) when the particles are located by X-ray diffraction measurement of anatase (anatase) and rutile (rutile) titanium dioxide crystal on the (TiO 2). Specifically, in Example 1 of the photocatalyst it is 2θ = 25.5 ± 0.5 ° [1,0,1 ], 37.9 ± 0.5 ° [0,0,4], 48.2 ± 0.5 ° indicating a titanium dioxide (TiO 2) [2, Peaks of [0,0], 54.1 ± 0.5 ° [1,0,5], 55.1 ± 0.5 ° [2,1,1] and 75.4 ± 0.5 ° [2,1, 5] Unlike the photocatalyst of Comparative Example 1, peaks at 2? = 43.6 ± 0.5 °, 44.7 ± 0.5 ° and 63.2 ± 0.5 ° were further confirmed. These peaks mean that tetravalent titanium ions (Ti 4+ ) contained in the titanium dioxide crystals are partially substituted with divalent nickel ions (Ni 2 + ) having similar ionic radii.

나아가, 도 4를 살펴보면 실시예 1의 광촉매는 855.5±0.5eV 및 861.2±0.5eV에서 니켈 원자의 결합 성질을 나타내는 Ni2p1/2 및 Ni2p3/2의 결합 에너지 피크를 확인하였다. 상기 피크는 니켈 이온(Ni2 +)의 존재를 나타내는 것으로서 이산화티타늄에 산화니켈이 도핑되어 이산화티타늄의 산소 원자와 니켈 원자가 화학적으로 결합을 이루고 있음을 알 수 있다.4, the photocatalyst of Example 1 showed binding energy peaks of Ni2p1 / 2 and Ni2p3 / 2 indicating binding characteristics of nickel atoms at 855.5 ± 0.5 eV and 861.2 ± 0.5 eV. The peak indicates the presence of nickel ion (Ni 2 + ). It can be seen that titanium dioxide is doped with nickel oxide, so that oxygen atoms and titanium atoms of titanium dioxide are chemically bonded.

이러한 결과로부터 본 발명에 따른 광촉매는 다공성 구조의 활성 탄소 섬유(ACF) 표면과 기공 내부에 산화니켈(NiO)이 도핑된 이산화티타늄(TiO2)이 균일하게 분산된 형태를 갖고, 이때, 상기 이산화티타늄(TiO2)은 산화니켈(NiO)의 니켈 원자와 활성 탄소 섬유(ACF)의 탄소 원자와 각각 화학적으로 결합되어 활성 탄소 섬유 상에 고정(immobilization)된 구조인 것을 알 수 있다.From these results, it can be seen that the photocatalyst according to the present invention has a structure in which the surface of the activated carbon fiber (ACF) having a porous structure and titanium dioxide (TiO 2 ) doped with nickel oxide (NiO) are uniformly dispersed in the pores, Titanium (TiO 2 ) is a structure in which nickel atoms of nickel oxide (NiO) and carbon atoms of activated carbon fibers (ACF) are chemically bonded and immobilized on activated carbon fibers, respectively.

실험예Experimental Example 2. 2.

본 발명에 따른 광촉매의 광학적 물성을 평가하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.The following experiment was conducted to evaluate the optical properties of the photocatalyst according to the present invention.

실시예 1과 비교예 1에서 제조된 광촉매와 활성 탄소 섬유(ACF)를 대상으로 280 내지 800 nm 파장 영역에서의 흡광도를 측정하고, 타우 그래프(Tauc plot)을 이용하여 측정된 흡광도로부터 광촉매의 밴드갭을 도출하였다. 측정된 결과는 하기 표 1에 나타내었다.The absorbance of the photocatalyst and the activated carbon fiber (ACF) prepared in Example 1 and Comparative Example 1 was measured in a wavelength range of 280 to 800 nm and the absorbance measured using a Tauc plot was used to calculate the photocatalyst band Gaps. The measured results are shown in Table 1 below.

밴드갭Band gap 실시예 1(NiO-TiO2/ACF)Example 1 (NiO-TiO 2 / ACF ) 2.45±0.05 eV2.45 ± 0.05 eV 비교예 1(TiO2/ACF)Comparative Example 1 (TiO 2 / ACF) 2.89±0.05 eV2.89 ± 0.05 eV

표 1을 살펴보면 본 발명에 따른 실시예 1의 광촉매(NiO-TiO2/ACF)는 산화니켈(NiO)이 도핑된 이산화티타늄을 포함하여 3 eV 미만의 낮은 밴드갭을 갖는 반면 산화니켈이 도핑되지 않은 이산화티타늄을 포함하는 비교예 1의 광촉매(TiO2/ACF)는 3 eV를 초과하는 높은 밴드갭을 갖는 것으로 확인되었다.As shown in Table 1, the photocatalyst (NiO-TiO 2 / ACF) of Example 1 according to the present invention has a low band gap of less than 3 eV including nickel dioxide (NiO) -doped titanium dioxide, The photocatalyst (TiO 2 / ACF) of Comparative Example 1 containing titanium dioxide which has not been found has a high band gap exceeding 3 eV.

이러한 결과로부터 본 발명에 따른 광촉매는 산화니켈이 도핑된 이산화티타늄을 포함하여 가시광 영역의 광을 높은 비율로 흡수할 수 있고, 3 eV 미만의 낮은 밴드갭을 갖는 것을 알 수 있다.From these results, it can be seen that the photocatalyst according to the present invention can absorb light in the visible region at a high rate including titanium dioxide doped with nickel oxide, and has a low band gap of less than 3 eV.

실험예Experimental Example 3. 3.

본 발명에 따른 광촉매의 수처리 효율을 평가하기 위하여, 다음과 같은 실험을 수행하였다.In order to evaluate the water treatment efficiency of the photocatalyst according to the present invention, the following experiment was conducted.

(1) 처리수의 pH에 따른 (1) Depending on the pH of the treated water 수처리Water treatment 효율 평가 Efficiency evaluation

자외선(250±50㎚) 및 가시광선(300㎚ 내지 800㎚, 조사되는 광의 파장: 550±20㎚)을 조사할 수 있는 광 반응기에 500㎖ 플라스크를 설치하고, 플라스크에 100㎎/L의 농도로 포름알데하이드(formaldehyde)가 용해된 증류수를 100㎖ 주입한 후, 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 광촉매를 각각 0.1 g씩 첨가하고 2시간 동안 시간에 따른 포름알데하이드의 농도를 측정하였다. 이때, 포름알데하이드가 용해된 증류수의 pH는 1 내지 11로 조절하고, 온도는 30±1℃로 유지하였다. 측정된 결과로부터 포름알데하이드의 제거효율을 도출하였으며, 그 결과는 표 2 및 도 5에 나타내었다.A 500 ml flask was installed in a photoreactor capable of irradiating ultraviolet rays (250 ± 50 nm) and visible light (300 nm to 800 nm, wavelength of irradiated light: 550 ± 20 nm), and a flask was charged with 100 mg / , 0.1 g of the photocatalyst prepared in Example 1 and Comparative Example 1 were added, and the concentration of formaldehyde was measured over time for 2 hours. At this time, the pH of the distilled water in which formaldehyde was dissolved was adjusted to 1 to 11, and the temperature was maintained at 30 ± 1 ° C. The removal efficiency of formaldehyde was deduced from the measured results, and the results are shown in Table 2 and FIG.

포름알데하이드 제거률 [pH = 6]Formaldehyde removal rate [pH = 6] UV 광 조사UV light irradiation 가시광 조사Visible light irradiation 실시예 1 (NiO-TiO2/ACF)Example 1 (NiO-TiO 2 / ACF ) 58.6±1%58.6 ± 1% 92.1±1%92.1 ± 1% 비교예 1 (TiO2/ACF)Comparative Example 1 (TiO 2 / ACF) 36.8±1%36.8 ± 1% --

표 2 및 도 5를 살펴보면 본 발명에 따른 실시예 1의 광촉매는 pH가 2 미만이고 8을 초과하는 범위에서는 매우 낮은 광촉매 활성을 나타내는 것으로 확인되었고, pH 2 내지 8에서는 20% 이상의 광분해 효율을 갖는 것으로 확인되었다. 구체적으로, 산화니켈이 도핑되지 않은 비교예 1의 광촉매는 가시광 영역인 300㎚ 내지 800㎚ 파장의 광이 조사될 경우 수중에 존재하는 포름알데하이드를 광분해시키지 못하였고, 300㎚ 이하 파장의 광이 조사되는 조건에서 40% 미만의 낮은 제거률로 포름알데하이드를 광분해시켰다. 그러나, 실시예 1의 광촉매는 300㎚ 이하 파장의 광이 조사되는 조건에서 포름알데하이드를 20 내지 60%의 제거률로 광분해하였고, 300㎚ 내지 800㎚ 파장의 광이 조사되는 조건에서 40 내지 94%의 제거률로 광분해하였다. 특히, pH가 중성인 pH 5 내지 7, 보다 구체적으로는 pH 5.8 내지 6.2에서 조사되는 광의 파장에 상관없이 높은 제거률을 나타내는 것으로 확인되었다. 이는 활성 탄소 섬유(ACF) 표면에 존재하는 카르복실기(-COOH)의 양성자화가 유도되어 수중에 존재하는 포름알데하이드와의 정전기적 인력이 증가됨에 따른 것이다.Table 2 and FIG. 5 show that the photocatalyst of Example 1 according to the present invention exhibited a very low photocatalytic activity in the range of pH less than 2 and exceeding 8, and a photocatalytic activity of 20% or more at pH 2 to 8 Respectively. Specifically, the photocatalyst of Comparative Example 1 in which nickel oxide was not doped did not photo-decompose formaldehyde present in water when light of a wavelength of 300 to 800 nm, which is a visible light region, was irradiated, Formaldehyde was photolyzed with a low removal rate of less than 40%. However, in the photocatalyst of Example 1, formaldehyde was photodecomposed at a removal rate of 20 to 60% under the condition that light having a wavelength of 300 nm or less was irradiated, 40 to 94% of the photocatalyst was irradiated with light having a wavelength of 300 to 800 nm, The photolysis was carried out at a removal rate of. In particular, it has been found that the pH exhibits a high removal rate irrespective of the wavelength of the light to be irradiated at a neutral pH of from 5 to 7, more specifically from pH 5.8 to 6.2. This is due to the protonation of the carboxyl group (-COOH) present on the surface of activated carbon fibers (ACF) and the electrostatic attraction with formaldehyde present in the water is increased.

(2) (2) 광조사Light irradiation 조건에 따른  Conditional 수처리Water treatment 효율 평가 Efficiency evaluation

자외선(250±50㎚) 및 가시광선(300㎚ 내지 800㎚, 조사되는 광의 파장: 550±20㎚)을 조사할 수 있는 광 반응기에 500㎖ 플라스크를 설치하고, 플라스크에 100㎎/L의 농도로 포름알데하이드(formaldehyde)가 용해된 증류수를 100㎖ 주입한 후, 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 광촉매를 각각 0.1 g씩 첨가하고 3시간 동안 시간에 따른 포름알데하이드의 농도를 측정하였다. 이때, 포름알데하이드가 용해된 증류수의 pH는 6±0.5로 조절되고, 온도는 30±1℃로 유지하였다. 측정된 결과로부터 포름알데하이드의 제거효율을 도출하였으며, 그 결과는 도 6에 나타내었다.A 500 ml flask was installed in a photoreactor capable of irradiating ultraviolet rays (250 ± 50 nm) and visible light (300 nm to 800 nm, wavelength of irradiated light: 550 ± 20 nm), and a flask was charged with 100 mg / 100 ml of distilled water in which formaldehyde was dissolved was added, and 0.1 g of each of the photocatalysts prepared in Example 1 and Comparative Example 1 was added, and the concentration of formaldehyde was measured over time for 3 hours. At this time, the pH of the distilled water in which formaldehyde was dissolved was adjusted to 6 ± 0.5, and the temperature was maintained at 30 ± 1 ° C. The removal efficiency of formaldehyde was deduced from the measured results, and the results are shown in FIG.

상기 도 6을 살펴보면, 본 발명에 따른 실시예 1의 광촉매(NiO-TiO2/ACF)는 300㎚ 미만의 UV 영역 광 조사 시 수처리 1시간 경과 후 약 50% 이상의 포름알데하이드 제거률을 나타내나 산화니켈이 도핑되지 않은 이산화티타늄을 포함하는 비교예 1의 광촉매 (TiO2/ACF)의 경우 수처리 1시간 경과 후 약 30% 안팎의 낮은 제거률을 나타내는 것으로 확인되었다. 또한, 비교예 1의 광촉매는 300㎚ 내지 800㎚의 가시광 영역 광 조사 시 광촉매 활성을 나타내지 않았으나, 실시예 1의 광촉매는 광촉매 활성이 뛰어나 수처리 1시간 경과 후 75% 내지 95%의 높은 제거률을 나타냈다. 이러한 결과로부터 본 발명의 광촉매는 UV 영역의 광은 물론 가시광 영역의 광에 대한 광활성이 우수한 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 6, the photocatalyst (NiO-TiO 2 / ACF) of Example 1 according to the present invention exhibits a formaldehyde removal rate of about 50% or more after 1 hour of water treatment in UV region light irradiation of less than 300 nm, In the case of the photocatalyst (TiO 2 / ACF) of Comparative Example 1 containing nickel-undoped titanium dioxide, it was confirmed that the removal rate was about 30% after one hour of water treatment. In addition, the photocatalyst of Comparative Example 1 did not exhibit photocatalytic activity in the visible light region irradiation of 300 nm to 800 nm, but the photocatalyst of Example 1 was excellent in photocatalytic activity and showed a high removal rate of 75% to 95% after 1 hour of water treatment . From these results, it can be seen that the photocatalyst of the present invention has excellent optical activity for light in the visible region as well as light in the UV region.

(3) 과산화수소 첨가량에 따른 (3) Depending on the amount of hydrogen peroxide added 수처리Water treatment 효율 평가 Efficiency evaluation

자외선(250±50㎚) 및 가시광선(300㎚ 내지 800㎚, 조사되는 광의 파장: 550±20㎚)을 조사할 수 있는 광 반응기에 500㎖ 플라스크를 설치하고, 플라스크에 100㎎/L의 농도로 포름알데하이드(formaldehyde) 및 과산화수소(H2O2)가 용해된 증류수를 100㎖ 주입한 후, 실시예 1의 광촉매를 0.1 g씩 첨가하고 3시간 동안 시간에 따른 포름알데하이드의 농도를 측정하였다. 이때, 포름알데하이드가 용해된 증류수의 pH는 6±0.5로 조절되고, 온도는 30±1℃로 유지하였으며, 과산화수소의 농도는 증류수에 대하여 0.001 내지 0.5 중량%로 조절하였다. 측정된 결과로부터 페놀의 초기농도(C0) 기준 시간별 포름알데하이드의 농도(Ct)를 도출하였으며, 그 결과를 하기 도 7에 나타내었다.A 500 ml flask was installed in a photoreactor capable of irradiating ultraviolet rays (250 ± 50 nm) and visible light (300 nm to 800 nm, wavelength of irradiated light: 550 ± 20 nm), and a flask was charged with 100 mg / 100 ml of distilled water in which formaldehyde and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) were dissolved was added. Then, 0.1 g of the photocatalyst of Example 1 was added and the concentration of formaldehyde was measured over time for 3 hours. At this time, the pH of distilled water in which formaldehyde was dissolved was adjusted to 6 ± 0.5, the temperature was maintained at 30 ± 1 ° C., and the concentration of hydrogen peroxide was adjusted to 0.001 to 0.5% by weight with respect to distilled water. From the measured results, the initial concentration (C 0 ) of phenol and the concentration (C t ) of formaldehyde for each reference time were derived, and the results are shown in FIG.

도 7에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 실시예 1의 광촉매는 수처리 시 일정량의 과산화수소를 첨가제로 함께 사용하면 광분해 효율이 향상되나 일정량 이상의 과산화수소를 첨가제로 함께 광분해 효율이 현저히 감소하는 것으로 나타났다.As shown in FIG. 7, the photocatalytic efficiency of the photocatalyst of Example 1 according to the present invention was improved when a certain amount of hydrogen peroxide was used as an additive during water treatment, but the efficiency of photocatalytic degradation was remarkably decreased together with a certain amount of hydrogen peroxide as an additive.

구체적으로, 실시예 1의 광촉매는 수처리 시 과산화수소를 사용하지 않을 경우 수중에 존재하는 포름알데하이드를 92.1±1%의 제거율로 제거하였으며, 과산화수소(H2O2)를 처리수에 대하여 0.001 내지 0.01 중량%의 농도로 사용할 경우 포름알데하이드의 제거율을 98.4±1%까지 증가시킬 수 있었다. 그러나, 과산화수소의 농도를 처리수에 대하여 0.1중량% 이상 사용할 경우 포름알데하이드의 제거율이 76.2±1%까지 감소하였다. 이는 과량의 과산화수소가 이산화티타늄에 의해 형성되어 포름알데하이드를 분해시키는 하이드록시 라디칼(OH·)과 반응하여 광분해를 저해하는 저해제로 작용함을 의미한다.Specifically, in the photocatalyst of Example 1, when hydrogen peroxide was not used during water treatment, formaldehyde present in water was removed at a removal rate of 92.1 ± 1%, and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) %, The removal rate of formaldehyde could be increased up to 98.4 ± 1%. However, when the concentration of hydrogen peroxide was 0.1% by weight or more based on the treated water, the formaldehyde removal rate was reduced to 76.2 ± 1%. This means that an excessive amount of hydrogen peroxide is formed by the titanium dioxide and acts as an inhibitor which inhibits photodegradation by reacting with a hydroxyl radical (OH.) Which decomposes formaldehyde.

(4) (4) 광촉매Photocatalyst 종류에 따른  Depending on the type 수처리Water treatment 효율 평가 Efficiency evaluation

자외선(250±50㎚) 및 가시광선(300㎚ 내지 800㎚, 조사되는 광의 파장: 550±20㎚)을 조사할 수 있는 광 반응기에 500㎖ 플라스크를 설치하고, 플라스크에 100㎎/L의 농도로 포름알데하이드(formaldehyde)가 용해된 증류수를 100㎖ 주입한 후, 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 광촉매를 각각 0.1 g씩 첨가하고 5시간 동안 수처리를 수행하였다. 이때, 포름알데하이드가 용해된 증류수의 pH는 6±0.5로 조절되고, 온도는 30±1℃로 유지하였으며, 포름알데하이드의 분해 효율은 랭뮤어 흡착 등온식(Langmuir absorption isother) 및 프로인드리히 흡착 등온식(Freundlich adsorption isotherm)에 따라 도출하여 하기 표 3과 도 8에 나타내었다.A 500 ml flask was installed in a photoreactor capable of irradiating ultraviolet rays (250 ± 50 nm) and visible light (300 nm to 800 nm, wavelength of irradiated light: 550 ± 20 nm), and a flask was charged with 100 mg / 100 ml of distilled water in which formaldehyde was dissolved was added, and 0.1 g of each of the photocatalysts prepared in Example 1 and Comparative Example 1 was added and water treatment was performed for 5 hours. At this time, the pH of the distilled water in which formaldehyde was dissolved was adjusted to 6 ± 0.5, the temperature was maintained at 30 ± 1 ° C, and the decomposition efficiency of formaldehyde was determined by Langmuir adsorption isotherm and proindrihydration isotherm (Freundlich adsorption isotherm) and is shown in Table 3 and FIG.

암 조건Cancer Conditions UV 조사 조건UV irradiation condition 가시광 조사 조건Conditions for visible light irradiation 활성 탄소 섬유Activated carbon fiber 실시예 1Example 1 비교예 1Comparative Example 1 실시예 1Example 1 광촉매의 평균 제거용량, qmax
[㎎/g]
The average removal capacity of the photocatalyst, q max
[Mg / g]
63.1±0.163.1 ± 0.1 109.2±0.1109.2 ± 0.1 86.2±0.186.2 ± 0.1 126.3±0.5126.3 ± 0.5
흡착 시 결합상수, b
[㎖/g]
Binding constant at adsorption, b
[Ml / g]
16.05±0.116.05 ± 0.1 30.93±0.130.93 + - 0.1 17.39±0.117.39 ± 0.1 59.36±0.159.36 ± 0.1
포름알데하이드 흡착량, Kf
[㎎/g]
Formaldehyde adsorption amount, Kf
[Mg / g]
17.36±0.117.36 ± 0.1 27.06±0.127.06 + - 0.1 20.49±0.120.49 + 0.1 53.5±0.553.5 ± 0.5

먼저, 표 3 및 도 8을 살펴보면 본 발명에 따른 광촉매는 수중에 존재하는 유기 화합물을 높은 비율로 흡착할 수 있을 뿐만 아니라 흡착된 유기 화합물을 효율적으로 분해하는 것을 알 수 있다.First, referring to Table 3 and FIG. 8, it can be seen that the photocatalyst according to the present invention efficiently adsorbs organic compounds present in water as well as adsorbed organic compounds.

구체적으로, 실시예 1의 광촉매는 UV 조사 조건에서 수중에 존재하는 포름알데하이드를 평균적으로 단위 g당 100㎎ 내지 120㎎ 제거할 수 있고, 가시광 조사 조건에서 평균적으로 단위 g당 120㎎ 내지 130㎎ 제거할 수 있는 것으로 나타났다. 반면, 비교예 1의 광촉매는 가시광 조사 조건에서 수중에 존재하는 포름알데하이드를 광분해시킬 수 없고, UV 조사 조건에서 단위 g당 80㎎ 내지 90㎎ 제거할 수 있는 것으로 나타났다.Specifically, in the photocatalyst of Example 1, 100 mg to 120 mg of formaldehyde present in water under the UV irradiation condition can be removed on an average basis, and 120 mg to 130 mg per g of g . On the other hand, the photocatalyst of Comparative Example 1 was not capable of photodecomposing formaldehyde present in water under the visible light irradiation condition, and it was found that 80 mg to 90 mg of the photocatalyst could be removed per unit g under the UV irradiation condition.

또한, 활성 탄소 섬유(ACF)와 비교예 1의 광촉매는 암 조건 또는 UV 조사 조건에서 포름알데하이드에 대한 결합 상수가 약 15 내지 20㎖/g으로 단위 g당 19 내지 21㎎의 낮은 흡착량을 갖는 것으로 나타났다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예 1의 광촉매는 UV 조사 조건에서 포름알데하이드에 대한 결합 상수가 약 25 내지 35㎖/g으로 단위 g당 24 내지 29㎎의 흡착량을 갖는 것으로 나타났으며, 가시광 조사 조건에서 포름알데하이드에 대한 결합 상수가 약 55 내지 65㎖/g으로 단위 g당 50 내지 55㎎의 높은 흡착량을 갖는 것으로 확인되었다.Further, the activated carbon fiber (ACF) and the photocatalyst of Comparative Example 1 had a low adsorption amount of about 19 to 21 mg per gram at a binding constant of about 15 to 20 ml / g for formaldehyde under dark or UV irradiation conditions Respectively. However, the photocatalyst of Example 1 according to the present invention has a binding constant for formaldehyde of about 25 to 35 ml / g and has an adsorption amount of 24 to 29 mg per unit g under UV irradiation condition, It has been found that the binding constant for formaldehyde in the conditions is from about 55 to 65 ml / g and has a high adsorption amount of from 50 to 55 mg per unit g.

이러한 결과로부터, 본 발명에 따른 광촉매는 산화니켈이 도핑된 이산화티타늄이 기공의 내부 및 표면에 균일하게 물리·화학적으로 결합된 활성 탄소 섬유를 포함하여 광촉매로서 이산화티타늄과 섬유간의 접착력이 향상되어 내구성이 우수할 뿐만 아니라 가시광 영역의 광에 대한 촉매 활성이 향상되어 400 내지 800 nm의 파장 영역에서 수용액 내에 잔류하는 유기 화합물을 광분해하는 효율이 우수함을 알 수 있다.From these results, it can be seen that the titanium dioxide doped with nickel oxide contains activated carbon fibers uniformly physically and chemically bonded to the inside and the surface of the pores, thereby improving the adhesion between titanium dioxide and the fiber as a photocatalyst, But also the catalytic activity for light in the visible light region is improved and the efficiency of photodecomposing the organic compound remaining in the aqueous solution in the wavelength region of 400 to 800 nm is excellent.

실험예Experimental Example 4. 4.

본 발명에 따른 광촉매의 재사용 여부 및 재사용 시 광촉매 활성도를 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.The following experiment was conducted to evaluate the photocatalytic activity of the photocatalyst according to the present invention whether it is reused or not.

자외선(250±50㎚) 및 가시광선(300㎚ 내지 800㎚, 조사되는 광의 파장: 550±20㎚)을 조사할 수 있는 광 반응기에 500㎖ 플라스크를 설치하고, 플라스크에 100㎎/L의 농도로 포름알데하이드(formaldehyde)가 용해된 증류수를 100㎖ 주입한 후, 실시예 1에서 제조된 펠트 형태의 광촉매를 0.1 g 첨가하고 3시간 동안 시간에 따른 포름알데하이드의 농도를 측정하였다. 이때, 포름알데하이드가 용해된 증류수의 pH는 6±0.5로 조절되고, 온도는 30±1℃로 유지하였다. 수처리가 완료되면 광촉매를 수처리액에서 꺼내 건조시키고 질소 가스(N2) 조건 하에서 2시간 동안 200℃ 열처리하여 재생하였으며, 앞서 수행된 일련의 과정을 10회 반복 수행하였다. 측정된 결과는 도 9에 나타내었다.A 500 ml flask was installed in a photoreactor capable of irradiating ultraviolet rays (250 ± 50 nm) and visible light (300 nm to 800 nm, wavelength of irradiated light: 550 ± 20 nm), and a flask was charged with 100 mg / 100 ml of distilled water in which formaldehyde was dissolved was added thereto. Then, 0.1 g of the felt-type photocatalyst prepared in Example 1 was added and the concentration of formaldehyde was measured over time for 3 hours. At this time, the pH of the distilled water in which formaldehyde was dissolved was adjusted to 6 ± 0.5, and the temperature was maintained at 30 ± 1 ° C. When the water treatment was completed, the photocatalyst was taken out from the water treatment liquid, dried, and regenerated by heat treatment at 200 ° C. for 2 hours under a nitrogen gas (N 2 ) condition. The measured results are shown in Fig.

도 9를 살펴보면, 본 발명에 따른 광촉매는 수처리 후 재생하여도 반복 사용이 가능하고, 반복 사용시 높은 광촉매 활성을 나타내는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 실시예 1에서 제조된 광촉매는 1회 수처리 시 포름알데하이드를 92.0±1%의 높은 제거률로 광분해하였으며, 이를 재생하여 8회 반복 수처리하는 경우, 8회째에 약 72.2±1%, 10회째에 약 70±1%의 제거률을 갖는 것으로 확인되었다. 이는 본 발명의 광촉매는 섬유 형태의 지지체에 광촉매가 물리·화학적으로 결합되어 고정된 구조를 가지므로, 비표면적 증가를 위해 활성 탄소 등의 탄소 입자를 포함하는 광촉매나 전이금속 원자가 도핑된 분말형태의 이산화티타늄 광촉매와 비교하여 구조 안정성이 우수하고, 이에 따라 광촉매의 재사용 시 광촉매 활성을 갖는 성분의 손실 등이 방지되므로 광촉매 활성의 감소율이 현저히 낮음을 의미한다.9, the photocatalyst according to the present invention can be repeatedly used even after regeneration after water treatment, and exhibits a high photocatalytic activity in repeated use. Specifically, the photocatalyst prepared in Example 1 photodecomposed formaldehyde at a high removal rate of 92.0 ± 1% at the time of one-time water treatment, and when it was regenerated and repeatedly subjected to 8-times water treatment, the photocatalyst obtained about 72.2 ± 1% It was confirmed that it had a removal rate of about 70 ± 1%. Since the photocatalyst of the present invention has a structure in which a photocatalyst is physically and chemically bonded to a fibrous support to be fixed, it is preferable to use a photocatalyst containing carbon particles such as activated carbon or a powdery The titanium oxide photocatalyst is superior to the titanium dioxide photocatalyst in terms of structural stability and thus the loss of components having photocatalytic activity during the reuse of the photocatalyst is prevented, which means that the reduction rate of the photocatalytic activity is remarkably low.

Claims (15)

다공성 구조의 활성 탄소 섬유; 및 상기 활성 탄소 섬유의 기공 내부 및 표면에 물리 화학적으로 결합되어 고정되고, 산화니켈이 도핑된 이산화티타늄을 포함하며,
에너지 분산 X선 분광(EDX)을 통한 성분 분석 시, 탄소 30 내지 45 중량부, 산소 40 내지 64 중량부, 티타늄 5 내지 15 중량부 및 니켈 1 내지 10 중량부를 포함하고,
X선 회절 분석 시, 2θ로 나타내는 43.6±1°, 44.7±1° 및 63.2±1°의 피크를 포함하는 광촉매.
Activated carbon fibers of porous structure; And titanium dioxide which is physically and chemically bonded to the inside and the surface of the pores of the activated carbon fiber and is doped with nickel oxide,
Comprising 30 to 45 parts by weight of carbon, 40 to 64 parts by weight of oxygen, 5 to 15 parts by weight of titanium and 1 to 10 parts by weight of nickel in the analysis of components by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX)
A photocatalyst comprising peaks at 43.6 1 deg., 44.7 1 deg. And 63.2 1 deg. In terms of 2? In X-ray diffraction analysis.
삭제delete 제1항에 있어서,
광촉매의 평균 BET 비표면적은 50 내지 200 ㎡/g인 광촉매.
The method according to claim 1,
The photocatalyst has an average BET specific surface area of 50 to 200 m < 2 > / g.
삭제delete 제1항에 있어서,
밴드갭이 400 nm 내지 800 nm의 파장 범위에서, 2.4 내지 2.6 eV인 것을 특징으로 하는 광촉매.
The method according to claim 1,
And a band gap of 2.4 to 2.6 eV in a wavelength range of 400 nm to 800 nm.
산화니켈이 도핑된 이산화티타늄을 포함하는 분산액에 활성 탄소 섬유를 침지하여 산화니켈이 도핑된 이산화티타늄이 표면과 기공 내부에 형성된 활성 탄소 섬유를 얻는 단계; 및
표면과 기공 내부에 산화니켈이 도핑된 이산화티타늄이 형성된 활성 탄소 섬유를 비활성 가스 분위기 하에서 열처리하는 단계를 포함하는 제1항에 따른 광촉매의 제조방법.
Immersing the activated carbon fibers in a dispersion containing titanium oxide doped with nickel oxide to obtain activated carbon fibers having titanium oxide doped with nickel oxide formed on its surface and pores; And
A process for producing a photocatalyst according to claim 1, comprising the step of heat-treating the activated carbon fiber having titanium oxide doped with nickel oxide on its surface and pores, under an inert gas atmosphere.
제6항에 있어서,
열처리는 300℃ 내지 600℃의 온도 범위에서 수행되는 광촉매의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the heat treatment is carried out in a temperature range of 300 ° C to 600 ° C.
제6항에 있어서,
열처리 시간은 10분 내지 200분인 것을 특징으로 하는 광촉매의 제조방법.
The method according to claim 6,
And the heat treatment time is from 10 minutes to 200 minutes.
산화니켈이 도핑된 이산화티타늄이 기공 내부 및 표면에 분산된 다공성 구조의 활성 탄소 섬유를 포함하는 제1항에 따른 광촉매와 유기 화합물을 포함하는 수용액을 접촉시켜 상기 광촉매에 유기 화합물을 흡착시키는 단계; 및
유기 화합물이 흡착된 광촉매에 광 조사하여 유기 화합물을 광분해하는 단계를 포함하고,
상기 광은 200 내지 800 nm의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
Contacting the photocatalyst with an organic compound by contacting an aqueous solution containing an organic compound with a photocatalyst according to claim 1 comprising titanium dioxide doped with nickel oxide and containing activated carbon fibers having a porous structure dispersed in and on pores; And
Irradiating a photocatalyst on which an organic compound is adsorbed to photodegrade the organic compound,
Wherein the light has a wavelength of 200 to 800 nm.
제9항에 있어서,
유기 화합물을 함유하는 수용액의 pH는, 3 내지 7인 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the pH of the aqueous solution containing the organic compound is from 3 to 7.
제9항에 있어서,
유기 화합물을 포함하는 수용액은 과산화수소를 더 포함하는 수처리 방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the aqueous solution containing the organic compound further comprises hydrogen peroxide.
제11항에 있어서,
과산화수소의 농도는 수용액에 대하여 0.0001 내지 0.5 중량%인 수처리 방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the concentration of hydrogen peroxide is 0.0001 to 0.5% by weight based on the aqueous solution.
제9항에 있어서,
광분해하는 단계 이후에,
광촉매에 열을 가하여 광촉매를 재생하는 열처리 단계를 더 포함하는 수처리 방법.
10. The method of claim 9,
After the photolysis step,
And a heat treatment step of applying heat to the photocatalyst to regenerate the photocatalyst.
제13항에 있어서,
열처리는 100 내지 300℃의 온도 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the heat treatment is performed at a temperature ranging from 100 to 300 < 0 > C.
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.
An injection port into which an aqueous solution containing an organic compound is injected;
A filtration unit containing the photocatalyst according to claim 1 for adsorbing an organic compound of an aqueous solution injected from the injection port;
An outlet through which the aqueous solution from which the organic compound has been removed is discharged; And
And a lamp for irradiating light to the filtration unit.
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