KR20060135353A - 고도산화 수처리 공정을 위한 전기화학적 고정화효소반응기 및 그의 제조방법 - Google Patents

고도산화 수처리 공정을 위한 전기화학적 고정화효소반응기 및 그의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20060135353A
KR20060135353A KR1020050055255A KR20050055255A KR20060135353A KR 20060135353 A KR20060135353 A KR 20060135353A KR 1020050055255 A KR1020050055255 A KR 1020050055255A KR 20050055255 A KR20050055255 A KR 20050055255A KR 20060135353 A KR20060135353 A KR 20060135353A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
porous carbon
electrode
electrochemical
water treatment
carbon electrode
Prior art date
Application number
KR1020050055255A
Other languages
English (en)
Other versions
KR100664749B1 (ko
Inventor
문승현
연경호
조승희
김가영
심준목
Original Assignee
광주과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 광주과학기술원 filed Critical 광주과학기술원
Priority to KR1020050055255A priority Critical patent/KR100664749B1/ko
Publication of KR20060135353A publication Critical patent/KR20060135353A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100664749B1 publication Critical patent/KR100664749B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109—Electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109—Electrodes
    • C02F2001/46133—Electrodes characterised by the material
    • C02F2001/46138—Electrodes comprising a substrate and a coating
    • C02F2001/46142—Catalytic coating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2201/00—Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
    • C02F2201/46—Apparatus for electrochemical processes
    • C02F2201/461—Electrolysis apparatus
    • C02F2201/46105—Details relating to the electrolytic devices
    • C02F2201/4616—Power supply
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2209/00—Controlling or monitoring parameters in water treatment
    • C02F2209/06—Controlling or monitoring parameters in water treatment pH

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Abstract

본 발명은 고도산화 수처리 공정을 위한 전기화학적 고정화 효소반응기 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 동식물 세포 유래의 효소인 호스래디쉬 퍼록시다제(horseradish peroxidase, HRP)를 다공성 탄소(reticulated vitreous carbon, RVC) 전극에 고정시키고 가수분해 저해물질을 사용하여 다공성 탄소전극에 높은 전하효율을 부여하며, 이러한 다공성 탄소전극이 적용된 전기화학적 수처리용 반응기를 사용하여 수처리를 수행함으로써, 기존의 미생물을 이용한 수처리 방법의 경우에는 기질 특이성 등의 문제점으로 인하여 분해할 수 없었던 물질의 분해능을 향상시키고, 사멸된 미생물의 연속적인 제거 및 신규 미생물의 연속적인 공급에 따라 요구되던 부대시설에 대한 필요성이 생략되며, 폐수의 전기화학적 처리시 필연적으로 발생하는 과산화수소에 의한 효소의 활성화 및 과산화수소 자체의 높은 산화력으로 인해 페놀류 등의 난분해성 물질의 분해성능을 현저하게 향상시킬 수 있도록 한 고도산화 수처리 공정을 위한 전기화학적 고정화 효소반응기 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
효소, 고정화, 전기화학반응, 다공성 탄소 전극, 고도산화 수처리

Description

고도산화 수처리 공정을 위한 전기화학적 고정화 효소반응기 및 그의 제조방법{Electrochemical reactor immobilized enzyme for advanced oxidation water treatment process and the preparation method thereof}
도 1은 고정화된 효소 전극에 의한 전기효소법의 오염물질 분해 메커니즘을 나타낸 것이다.
도 2는 고정화되지 않은 유리 HRP의 페놀류에 대한 분해특성을 나타낸 것이다.
도 3은 HRP를 RVC 전극에 고정화시키는 메커니즘을 나타낸 것이다.
도 4는 RVC 전극 표면에 생성된 COOH 의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 5는 전해질 농도 변화(a)와 전해질의 pH 변화(b)에 따른 RVC 전극의 2-구획(2-compartment) 내 과산화수소 발생량 및 전류효율을 나타낸 그래프이다.
도 6은 공급전압의 변화(a)와 외부주입 산소량(b)에 따라 RVC 전극의 2-구획(2-compartment) 내 과산화수소 자체 발생량 및 전류효율을 나타낸 그래프이다.
도 7은 RVC 전극 및 HRP가 고정화된 RVC 전극이 도입된 원형 전기화학 반응기의 일구현예를 나타낸 것이다.
본 발명은 고도산화 수처리 공정을 위한 전기화학적 고정화 효소반응기 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 동식물 세포 유래의 효소인 호스래디쉬 퍼록시다제(horseradish peroxidase, HRP)를 다공성 탄소(reticulated vitreous carbon, RVC) 전극에 고정시키고 가수분해 저해물질을 사용하여 다공성 탄소전극에 높은 전하효율을 부여하며, 이러한 다공성 탄소전극이 적용된 전기화학적 수처리용 반응기를 사용하여 수처리를 수행함으로써, 기존의 미생물을 이용한 수처리 방법의 경우에는 기질 특이성 등의 문제점으로 인하여 분해할 수 없었던 물질의 분해능을 향상시키고, 사멸된 미생물의 연속적인 제거 및 신규 미생물의 연속적인 공급에 따라 요구되던 부대시설에 대한 필요성이 생략되며, 폐수의 전기화학적 처리시 필연적으로 발생하는 과산화수소에 의한 효소의 활성화 및 과산화수소 자체의 높은 산화력으로 인해 페놀류 등의 난분해성 물질의 분해성능을 현저하게 향상시킬 수 있도록 한 고도산화 수처리 공정을 위한 전기화학적 고정화 효소반응기 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
낙동강의 페놀 유출 사고, 미국의 미시시피강 그리고 영국의 Dee 강의 페놀 오염사건 등으로 유해물질에 대한 경각심이 국내외적으로 증가되고 있으며 특히 제지 및 플라스틱 사업장의 유출수에서 다량 발생되는 페놀과 같은 방향족 유기물질들은 환경에 유출되면 먹이사슬을 통해 인체에 유입되어 발암성물질이 되거나 환경 호르몬으로 작용하고 있어 생물체에 심각한 영향을 끼치는 독성 물질이다.
한편, 한국특허공고 제1996-004033호에는 페놀 및 페놀 유도체를 분해하는 미생물 및 이를 이용한 페놀류를 함유한 폐수의 처리방법에 관한 내용이 개시되어 있다.
상기한 페놀을 처리하기 위한 방법으로 활성 탄소 (activated carbon), 추출 (extraction) 및 화학적 산화 (chemical oxidation)에 의한 방법 등이 알려져 왔으나 높은 유지 및 처리 비용, 제한된 적용 범위, 처리의 불완전성, 유해한 2차 오염 물질이 발생된다는 단점을 지니고 있다.
또한, 고도 수처리 방법의 경우 특정 미생물에 의한 생물학적 폐수처리에 의해 분해활성을 높이는 기술을 제공함으로서 미생물의 분해 능력과 분해물질이 제한될 수밖에 없었으며 분해 능력을 증가시키기 위해서는 반응기의 용적비율이 증가됨으로서 설비비용과 부지비용이 증가하는 문제점이 표출되었다. 반응기 내에서 미생물을 일정하게 유지하기 위해 미생물을 반응기로 반송하기 위한 부대시설이 필요하며 사멸된 미생물을 연속적으로 제거해야 하는 문제점을 내포하고 있었다.
또한 균주나 효소를 이용하여 생물학적인 방법으로 배출허용기준치에 맞게 처리한 예도 있으나 이 또한 외부 주입된 균주나 효소의 회수가 어려워 공정비용을 높이는 단점이 발생하였다
한편, 2차 오염 물질의 발생 없이 균주나 효소, 특히 동식물세포유래의 효소인 호스래디쉬 퍼록시다제(horseradish peroxidase, HRP, EC 1.11.1.7)와 주름버섯담자균유래의 효소 (tyrosinase, EC 1.10.3.1)와 같은 산화·환원효소를 이용한 페놀의 고분자화 또는 침전에 의한 생물학적인 방법에 관한 연구는 아주 오래전부터 진행되어지고 있다.
특히, 상기 효소로서 호스래디쉬 퍼록시다제(HRP)는 페놀 뿐 아니라 아닐린, 클로로페놀 등 많은 오염물질 처리에 적합하다고 보고되어 있다. 이와 같이 페놀 처리에 유용하게 사용되어 질 수 있는 HRP 의 여러 가지 특성과 응용분야 등을 정리하면 다음 표 1과 같다.
특 성 비 고
산화환원전위 (V) ca. 1.0
특이성 다양한 물질, 특히 페놀류
C-C 결합 제거 보고된 바 없음
안정성 높음
2차 매개체 티올류(thiols)
분자량 (kDa) 44
최적 pH 약산성이나 중성
촉매 핵(catalytic center) 철-프로토포르피린 (Fe-protoporphyrin)
구조 모노머, 글리코 프로테인
응용분야 페놀류 분해 크라프트(kraft) 유출수의 정화 블랙 리큐르(black liquor) 정제 페놀 검출을 위한 바이오센서
그러나, 상기와 같은 HRP의 우수한 페놀 분해특성에도 불구하고 외부주입으로 인한 효소 회수의 어려움 그리고 산화제로 쓰이는 과산화수소의 계속적인 공급 및 수송 저장의 문제점을 안고 있어 많은 제한이 따르고 있다.
이에 본 발명의 발명자들은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 연구 노력한 결과, 전기화학 반응기의 다공성 탄소전극 표면에 동식물유래 효소인 호스래디쉬 퍼록시다제(HRP)를 고정화시킨 후 이를 수처리에 적용할 경우 반응기 내에서 자체 발생되는 과산화수소가 다공성 탄소전극의 표면에 고정화된 효소를 활성화시켜 난분해성 물질 중 특히 페놀의 분해성능을 향상 시킬 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.
본 발명에서는 특히 페놀 처리에 적합하다고 보고된 호스래디쉬 퍼록시다제(HRP)를 디이미노기를 포함하는 커플링제(coupling agents)를 사용하여 미리 개질시켜 활성화된 다공성 탄소전극 표면의 카르복시기와 펩티드 결합으로 고정화시키며, 여기에 가수분해 저해물질을 도포하여 탄소전극 표면에 생성된 카르복시기와 커플링제의 펩티드 결합을 안정화 및 촉진시킴으로써, 화학적으로 안정한 전극을 제조할 수 있도록 한다.
또한 본 발명에 의하면 전기화학적 수처리 수행이 필수적으로 발생되는 과산화수소가 다공성 탄소전극 표면에 고정화된 효소를 활성화시키며, 이때 활성화된 효소가 페놀 등의 난분해성 물질을 산화시키면서 환원상태로 복귀하는 과정이 반복적으로 수행됨으로써 2차 오염물질이 발생되지 않으며, 효소의 회수가 불필요하게 되므로 공정비용을 획기적으로 낮출 수 있다.
따라서 본 발명은 전기화학적 수처리 반응기 내에 고정화 효소전극(다공성 탄소전극)을 도입한 신규한 전기화학적 수처리용 반응기와 그의 제조방법 및 이러한 전기효소법(electroenzymatic process) 도입으로 인하여 페놀 등과 같은 난분해성 물질의 효과적인 분해 및 제거가 가능한 개선된 고도산화 수처리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 금속전극인 양극(anode)과 다공성 탄소전극인 음극(cathode), 및 양극과 음극 사이의 수소이온 이동을 위한 양이온교환막을 포함하여 구성되는 전기화학적 수처리용 반응기에 있어서, 상기 다공성 탄소전극 표면에 호스래디쉬 퍼록시다제(horseradish peroxidase, HRP, EC 1.11.1.7)가 고정된 고정화 효소에 의한 전기화학적 수처리용 반응기를 특징으로 한다.
또한 본 발명은 금속전극인 양극(anode)과 다공성 탄소전극인 음극(cathode)을 포함하여 이루어진 전기화학적 수처리용 반응기의 제조방법에 있어서, 상기 다공성 탄소전극 표면을 개질시켜 카르복시기를 도입시키는 과정, 상기 표면이 개질된 다공성 탄소전극 표면을 활성화시키는 과정, 및 상기 활성화된 다공성 탄소전극의 표면에 호스래디쉬 퍼록시다제를 도포하여 고정화시키는 과정을 포함하여 구성되는 전기화학적 수처리용 반응기의 제조방법을 포함한다.
또한 본 발명은 금속전극인 양극(anode)과 다공성 탄소전극인 음극(cathod), 양극과 음극 사이의 수소이온 이동을 위한 양이온 교환막을 포함하여 이루어진 반응기를 사용한 고도산화 수처리 방법에 있어서, 상기 전기화학적 효소 반응기를 사용하고, 양극과 음극 사이에 채워진 전해질을 농도가 10 ∼ 200 mM 범위와 pH가 5.0 ∼ 8.0 범위가 되도록 조절하며, 공급전압을 - 0.2 ∼ - 0.8 volt (기준전극 Ag/AgCl에 대한 전압) 로 조절하고, 외부 산소 주입량을 10 ∼ 50 ml/분으로 조절하여 수행되는 전기화학적 효소 반응기를 이용한 고도산화 수처리 방법을 포함한 다.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 동식물 세포 유래의 호스래디쉬 퍼옥시다제(horseradish peroxidase, HRP)를 다공성 탄소(reticulated vitreous carbon, RVC) 전극에 고정시키고 가수분해 저해물질을 사용하여 다공성 탄소전극에 높은 전하효율을 부여하며, 이러한 다공성 탄소전극이 적용된 전기화학적 수처리용 반응기를 사용하여 수처리를 수행함으로써, 기존의 미생물을 이용한 수처리 방법의 경우에는 기질 특이성 등의 문제점으로 인하여 분해할 수 없었던 물질의 분해능을 향상시키고, 사멸된 미생물의 연속적인 제거 및 신규 미생물의 연속적인 공급에 따라 요구되던 부대 시설에 대한 필요성이 생략되며, 폐수의 전기화학적 처리시 필연적으로 발생하는 과산화수소에 의한 효소의 활성화 및 과산화수소 자체의 높은 산화력으로 인해 페놀류 등의 난분해성 물질의 분해성능을 현저하게 향상시킬 수 있도록 한 고정화 효소에 의한 전기화학적 수처리용 반응기, 그의 제조방법 및 이를 이용한 고도산화 수처리 방법에 관한 것이다.
이하 본 발명을 첨부도면을 위주로 하여 상세하게 설명한다.
본 발명은 특히 페놀 처리에 적합하다고 보고된 HRP를 도입한 효소 전극을 만들기 위해 높은 전류밀도(current density), 낮은 전기저항(electrical resistance), 그리고 전극표면에서 전극활성물질의 전달을 촉진시켜 높은 전하효율을 지니는 다공성 탄소 전극(reticulated vitreous carbon, RVC)을 전극 물질로 선정하여 전극표면에 화학적으로 고정화시켜 페놀을 처리하고자 하였다.
도 1은 전기화학반응기에 효소를 도입한 전기효소법에 의한 오염물질의 분해 과정을 나타낸 것이다. 전기효소법은 전극반응에 의해 생성된 과산화수소(H2O2)에 의해 효소가 활성화 되고 활성화된 효소는 특정 물질을 산화시키고 자신은 본래 상태로 환원되면서 오염물질을 처리하는 공정이다. 과산화수소는 전극반응에 의해 다음과 같은 단계에 의해 생성된다.
먼저, 양극(anode) 표면에 물(H2O)이 흡착되고, 물분해(Water dissociation) 현상에 의해 수소이온(proton, H+)이 생성되며, 생성된 수소이온이 양이온 교환막(cation exchange membrane)을 통해 음극실(cathodic compartment)로 이동하고, 음극(cathode) 표면에서 외부 주입된 산소와 결합하여 과산화수소로 환원된다.
즉, 다음 식과 같이 전기화학반응기 내에서 자체 발생된 과산화수소는 효소 내부에 존재하는 보결군(prosthetic group)을 활성화시키고 활성화된 보결군이 특성 물질을 산화시키고 자신은 원래 상태로 환원된다.
Figure 112005033921490-PAT00001
도 2는 유리 HRP의 페놀류에 대한 분해 특성을 나타낸 그래프이다. 도 2에 의하면 1 mM의 페놀류를 처리하는데 있어 HRP의 촉매 반응에 의해 거의 95 % 이상 분해됨을 알 수 있고, 분해 반응 속도가 상당히 빠른 것을 확인할 수 있다. 이에 따라 HRP는 페놀류에 대해 기질 특이성을 지니고 있어 우수한 분해 특성을 보 임을 확인하였고, 본 발명에서는 전기화학 반응기 내에서 전극에 이러한 HRP를 고정화시킴으로써 페놀류에 대해 높은 처리 효율을 기대하였다.
한편, 상기한 특성을 가지는 전기효소법을 실제 공정에 도입하기 위해서 본 발명에서는 전극 표면에 효소를 화학적으로 고정화시켰다. 이러한 효소의 화학적 고정화에 의하여 효소의 재이용을 가능하게 하고, 촉매 활성에 더욱 좋은 조건을 제공하며, 이로 인한 공정비용의 감소시킬 수 있었다.
다음 표 2는 높은 전하량이 요구되어지는 전기화학 반응기에 이용되어지고 있는 RVC(100 ppi (pores per linear inch)) 전극의 물리적인 특성을 나타내고 있다.
특 성 수 치
압축세기(compression strength) 40 ∼ 70 psi
장력(tensile strength) 25 ∼ 50 psi
탄성율(modulus of elasticity) 4.5 ∼ 9.0 × 103 psi
전단율(shear modulus) 4.4 × 103 psi
경도(hardness) 6 ∼ 7 Mohs
비열(specific heat) 1.26 J g-1 ℃-1
열팽창계수 (coefficient of thermal expansion) - 0 ∼ 100 ℃ - 100 ∼ 1000 ℃ 2.2 × 10-6 mm-1℃-1 3.2 × 10-6 mm-1℃-1
용적 저항율 (bulk resistivity) 5 × 10-2 ohm cm
승화점 (sublimation point) 3500 ℃
한계 온도 (termperature limitation) - 공기중 - 혐기성 환경 315 ℃ 3500 ℃
육각평면 형태를 갖는 RVC는 높은 전류밀도 (current density), 낮은 전기/유체 저항 (electrical/fluid flow resistance) 그리고 낮은 부피 감소를 요구하는 공정에 전극 물질로서 유용하게 쓰인다.
특히 높은 면적/부피 비율과 다공 특성을 지니고 있어 단위 부피당 높은 전하량을 요구하는 전기화학반응기에 널리 이용되어 지고 있으며, 또한 전극표면에서 전극활성물질의 전달을 촉진시켜 높은 전하효율과 낮은 검출 한계를 보이므로 효소 고정화를 위한 전극물질로서 적합하다고 볼 수 있다.
본 발명의 전기화학적 수처리용 반응기는 금속전극인 양극(anode)과 다공성 탄소전극인 음극(cathode), 및 양극과 음극 사이의 수소이온 이동을 위한 양이온교환막을 포함하여 구성되는 전기화학적 수처리용 반응기에 있어서, 음극인 다공성 탄소전극 표면에 호스래디쉬 퍼록시다제(horseradish peroxidase, HRP, EC 1.11.1.7)가 화학적으로 공유결합시킨 것이다.
이러한 미세 다공성 탄소전극에 효소를 화학적으로 고정화시킨 본 발명의 전기화학적 수처리용 반응기는 다음과 같은 방법으로 제조한다. 본 발명의 전기화학적 수처리용 반응기는 금속전극인 양극과 다공성 탄소전극인 음극 및 수소이온이 이동할 수 있는 양이온교환막을 포함한다. 이러한 다공성 탄소전극의 표면을 개질시킨 후 효소를 고정화시키는 일련의 화학적 메커니즘은 첨부도면 도 3에 나타내었다.
첫 번째 과정으로, 다공성 탄소전극 표면을 개질시켜 카르복시기(carboxylic group)를 도입시킨다. 다공성 탄소전극 표면에 카르복시기를 도입하기 위해 진한 황산(98 %)과 질산(65%)의 3:1 혼합용액에 다공성 탄소 전극을 넣고 전극 내부까지 반응시키기 위해 2 시간 동안 초음파 처리(ultrasonication)를 한 후 1 N 염산 용액을 이용하여 다시 한 번 초음파 처리한다. 산성 처리된 다공성 탄소 전극을 증류수를 이용하여 수차례 세척한 후 80 ℃에서 12시간 동안 방치한다.
도 4에는 본 절차에 따라 HRP의 아민기와 펩티드 결합을 위해 RVC 표면에 카르복시기 생성 여부를 확인하기 위한 FT-IR 스펙트럼이다.
카르복시기는 1740 cm-1 에서 1720 cm-1 범위에서 발견되는데 진한 황산과 질산의 혼합용액으로 초음파 처리(ultrasonication)시킨 RVC 표면에 1730 cm-1 에서 카르복시기 피크(peak)가 나타났다. 이는 강산 혼합용액의 작용에 의해 카르복시기가 RVC 표면에 성공적으로 생성되어 효소의 아미노기와 펩티드 결합을 형성할 수 있음을 보이고 결과이다.
두 번째 과정으로, 상기 표면이 개질된 다공성 탄소전극 표면을 활성화시킨다. 상기 활성화는 디이미드기(diimide group)을 함유하는 커플링제(coupling agent)를 사용하여 수행되며, 필요에 따라 상기 활성화된 다공성 탄소 전극의 표면에 가수분해 저해제를 도포하여 과정을 추가하면 보다 안정적인 효소의 고정화가 가능해진다.
상기한 커플링제로는 분자내 디이미드기를 함유한 커플링제를 사용하고, 구체적으로 예를 들면 N-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카보디이미드-HCl (N-Ethyl-3-(3- dimethylaminopropyl)carbodiimide-HCl, EDC), N-시아노헥실-N'-(b-[N-메틸모포린노]에틸)카보디이미드-p-톨루엔설포네이트[N-cyclohexyl-N'-(b-[N-methylmorpholino]ethyl) carbodiimide -p-toluene sulfonate, CMC]및 글루타르알데히드(glutaraldehyde, GA) 등을 선택 사용할 수 있으며, 특히 EDC 를 사용하면 보다 바람직하며, 이때 상기 EDC는 액상에서 매우 불안정한 특성을 지니고 있어 사용하는데 많은 제약이 따르기 때문에 이를 방지하고 효소가 가지는 일차 아민기와의 반응을 촉진시키기 위해 가수분해 저해제 (hydrolysis-resistant active intermediate) 인 N-히드록시 석신이미드(N-hydroxy succinimide, NHS)를 도포할 수 있다.
세 번째 과정으로, 상기 활성화된 다공성 탄소전극의 표면에 호스래디쉬 퍼록시다제를 도포하여 고정화시킨다. 즉, 상기 활성화된 다공성 탄소전극의 표면에 형성된 카르복시기와 효소의 아미노기가 펩티드 결합(peptide link)을 통해 화학적으로 고정화되도록 한다.
상기 호스래디쉬 퍼록시다제는 다공성 탄소 전극 100 ppi(pores per linear inch)에 대하여 550 ∼ 1360 U/ml 정도의 범위로 도포되도록 하는데, 이때 도포량이 상기 범위 미만이면 고정화된 효소의 양이 작아 오염물 처리에 적합하지 않고, 상기 범위를 초과하면 다공성 탄소전극 표면에 고정화되고 남는 효소의 양이 많아 다량의 효소 손실을 가져오게 된다.
최적 효소 투입량을 결정하기 위해 카르복실기가 생성된 RVC 전극 표면에 5 mM EDC와 12.5 mM NHS를 포함하는 pH 4.5, 50 mL 용액에 HRP의 투입량을 달리하여 HRP 수득율 및 단위부피당 효소 수득량을 다음 표 3에 제시하였다.
효소의 활성은 ABTS 혼합용액(2,2′-Azino-bis(3-ethylbenzthiazoline-6- sulfonic acid)(5 % ABTS 0.32 ml + 0.5 wt % H2O2 0.16 ml + 0.05 M 아세테이트 완충용액 (pH 5.0) 2.42 ml + HRP 샘플 0.1 ml)의 흡광도를 「흡광도-시간」 모드로 측정하여 그래프의 초기 기울기 값을 통해 계산하였다.
HRP
투입량 (U/ml) 수득율 (%) 수득량 (U/ml /cm3 material)
RVC 581.17 8.38 52.71
1045.45 35.40 469.11
1366.88 34.20 483.99
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 100 ppi RVC에 대해 HRP 투입량 580 U/ml 정도에서의 수득율에 비해 약 1050 U/ml의 투입량에 대한 수득율 및 단위부피당 HRP 수득율이 급격히 증가하였으나 그 이상의 HRP투입량에 대해서는 효소 수득율 및 단위 부피당 수득량이 크게 증가하지 않았다. 이는 HRP를 RVC에 고정화할 때 약 1050 U/ml의 투입량에 대해 수득율 35 %, 단위 부피 당 HRP 수득량이 약 470 U/ml 정도의 효소가 100 ppi RVC에 화학결합함을 알 수 있다.
한편, 금속전극인 양극과 다공성 탄소전극인 음극, 양극과 음극 사이의 수소이온 이동을 위한 양이온교환막을 포함하여 이루어진 반응기로서, 다공성 탄소전극에 효소가 고정화된 본 발명의 고정화 효소에 의한 전기화학적 수처리용 반응기를 이용하여 고도산화 수처리를 수행할 경우, 양극와 음극 사이에 채워진 전해질을 농도가 10 ∼ 200 mM 범위와 pH가 5.0 ∼ 8.0 범위가 되도록 조절하며, 공급전압을 - 0.2 ∼ - 0.8 volt (기준전극 Ag/AgCl에 대한 전압)로 조절하고, 외부 산소 주입량을 10 ∼ 50 ml/분으로 조절하여 수행되도록 한다.
전기효소법을 이용한 난분해성 물질을 처리하는데 있어서 산화제인 과산화수소의 발생은 효소 내부의 보결군(prosthetic group)을 산화시켜 오염물질을 분해한다. 또한 현장에서의 과산화수소 발생은 높은 산화력에도 불구하고 불안정성에 의한 저장과 보관의 단점을 극복함으로써 실제 현장에서의 응용가능성을 높이는 효과를 기대할 수 있다.
첨부도면 도 5와 도 6은 이러한 특성을 고려하여 본 발명에 사용되어진 RVC의 자체 과산화수소 발생 특성에 관한 결과를 실험조건에 따라 도시한 것이다.
모든 실험 조건에서 전압 및 전하량은 포텐쇼스탯/갈바노스탯 (PGST 30, Autolab, Netherlands)의 GPES program에 의해 공급·측정되었다. 과산화수소의 농도는 DMP 방법에 의해 결정되어 졌고, 측정된 과산화수소의 농도와 흐른 전하량의 값을 이용하여 다음 식에 대입하여 전류효율(CEH2O2)을 계산하였다.
Figure 112005033921490-PAT00002
상기 식에서, F는 페러데이 상수(faraday constant, 96485 coulombs)이고, V 는 전해질 부피(L)이며, Q 는 흐른 전하량(coulombs), CH2O2는 발생된 과산화수소의 농도(mol/L)이다.
모든 실험조건에서 운전시간에 따라 과산화수소의 발생량이 거의 선형적으로 증가하였는데, 이를 통해 2 구획(2-compartment) 반응기 내에서 연속적으로 과산화수소가 자체 발생함을 알 수 있다.
과산화수소의 발생량 및 전류효율을 고려했을 때 과산화수소 발생을 위한 전해질 조건은 10 ∼ 200 mM 농도범위, 바람직하기로는 100 mM 이상의 농도범위, 가장 바람직하기로는 전해질 농도가 100 mM인 것이 좋다. 전해질 농도가 10 mM 미만이면 효소를 활성화시키기 위한 전기화학반응기내의 과산화수소 발생량이 작고 60 % 미만의 전류효율을 나타내고, 200 mM를 초과하면 과산화수소 발생량은 증가하지만 과산화수소 발생에 필요한 전류 역시 증가하여 전류효율이 60 % 미만으로 나타났다.
전해질의 pH는 5.0 ∼ 8.0 범위, 바람직하기로는 중성에 가까운 pH 6.0 ∼ 8.0 범위가 되도록 하는데, 이러한 수소이온농도 조건은 고정화되는 HRP의 활성에도 영향을 미치는 인자로, HRP의 경우 약산성이나 중성 조건에서 최적 활성을 나타내므로 자체발생되는 과산화수소의 최적 pH 조건에서 큰 변성(denaturation) 없이 활성을 유지할 수 있을 것으로 예상되어진다.
도 6은 외부 조건에 따른 과산화수소의 발생 특성에 관한 결과로 공급전압이 - 0.4 volt (기준전극 Ag/AgCl에 대한 전압) 이상의 범위에서는 전압 증가에 따른 과산화수소의 자체 발생량이 그다지 크게 증가하지 않았으며, - 0.2 ∼ -0.8 volt 범위, 바람직하기로는 전류효율이 가장 높은 -0.4 ∼ -0.6 volt의 범위에서 효과적으로 과산화수소를 자체 발생시켰다.
그리고 외부 산소 주입량을 10 ∼ 50 ml/분의 범위에 대해 외부 산소 주입량 20 ml/min 이상 조건에서는 거의 일정한 농도의 과산화수소가 자체 발생되었으며, 과산화수소 발생에 가장 효과적으로 전류를 이용한 30 ml/분 조건에서 가장 바람직하다. 이는 30 ml/min의 외부 산소 주입량에 의해 전해질이 충분히 포화되었으며 과포화조건에서는 약간의 전류효율 감소가 나타남으로 -0.4 volt ∼ -0.6 volt (기준전극 Ag/AgCl에 대한 전압) 그리고 30 ml/min의 외부 산소주입량이 과산화수소의 자체 발생조건으로 결정할 경우 가장 바람직하다.
도 7은 본 발명의 HRP가 고정화된 RVC 전극이 도입된 전기화학적 수처리용 반응기를 나타낸 것이다. 양극은 티타늄 표면에 백금이 도금된 전극을 사용하였으며 음극은 RVC 전극이나 HRP가 고정화된 RVC 전극을 사용하였다.
양극액 부분(Anolyte compartment)에서 생성된 H+를 음극(cathode) 표면으로 이동시켜 과산화수소의 발생을 촉진하기 위해 수소이온에 대한 선택성이 높은 나피온(Nafion) 양이온교환막을 사용하였고 전력 공급기(Power supply, Agilent 6613C, USA)를 이용하여 전기화학반응기의 양끝 단에서 상기 조건으로 전력을 공급해 주었다.
본 전기화학반응기를 이용하여 효소가 고정화되지 않은 RVC 전극과 HRP가 고정화된 RVC 전극간의 1 mM 페놀에 대한 처리 특성을 비교한 결과를 다음 표 4에 제시하였다.
공급전압 (volt) C60/ C0
RVC HRP/RVC
2.0 0.842 0.514
10.0 0.751 0.320
20.0 0.694 0.237
40.0 0.612 0.141
상기 표 4에 의하면 공급 전압이 증가할수록 초기 페놀 농도에 대한 전기화학반응기내에서 60분 동안 운전한 페놀의 상대 농도가 감소함을 알 수 있다. 이는 전기화학반응기 내의 전압이 증가할수록 반응기 내에서 자체 생산되는 과산화수소의 양이 증가하여 페놀의 분해에 적절하게 사용되었기 때문이다. 또한 모든 공급전압 조건 하에서 HRP가 고정화된 RVC 전극을 이용한 반응기의 페놀에 대한 분해 효율이 RVC 전극만을 사용한 전기화학 반응기에 비해 높음을 알 수 있다.
이는 전기장 하에서 자체 발생된 과산화수소에 의해 HRP의 활성이 높아져 페놀의 분해에 촉매로 작용하였음을 의미한다.
상기한 결과를 종합하면, 본 발명에 의하여 다공성 탄소전극 표면에 고정화 효소를 도입하는 개선된 전기효소법을 이용할 경우 기조의 전기화학 반응기에 비해 더욱 효과적으로 페놀을 분해할 수 있음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 별도의 산화제인 화학물질의 첨가 없이도 난분해성 물질인 오염물질의 처리가 가능하며, 2차 오염원을 발생시키지 않으므로 환경적으로 건전하고 지속가능한 개발(ESSD)을 추구하는 다양한 분야의 청정기 술의 산업화를 위한 기반기술 확립에 기여할 수 있으며, 기존의 수처리 방법을 대체함으로써 환경문제를 효과적으로 해결할 수 있다.
또한, 효소가 지니는 기질 특이성 때문에 다양한 난분해성 오염 물질과 내분비계 장애 물질의 처리가 가능해 이에 대한 환경규제 장벽에 능동적으로 대처할 수 있고 전기화학적 수처리 공정에서 필수적으로 발생되는 과산화수소를 이용하여 효소의 활성화를 야기할 수 있으므로 기존의 경우처럼 별도로 산화제를 수송 및 저장함에 따른 어려움을 극복할 수 있어 실제 현장에서의 응용 가능성을 높일 수 있다.

Claims (7)

  1. 금속전극인 양극(anode)과 다공성 탄소전극인 음극(cathode), 및 양극과 음극 사이의 수소이온 이동을 위한 양이온교환막을 포함하여 구성되는 전기화학적 수처리용 반응기에 있어서,
    상기 다공성 탄소전극 표면에 호스래디쉬 퍼록시다제(horseradish peroxidase, HRP, EC 1.11.1.7)가 고정된 것을 특징으로 하는 고도산화 수처리 공정을 위한 전기화학적 고정화 효소반응기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 다공성 탄소전극 표면에는 카르복시기가 도입되어 있고, 상기 카르복시기와 호스래디쉬 퍼록시다제가 펩티드 결합을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 고도산화 수처리 공정을 위한 전기화학적 고정화 효소반응기.
  3. 금속전극인 양극과 다공성 탄소전극인 음극을 포함하여 이루어진 전기화학적 수처리용 반응기의 제조방법에 있어서,
    상기 다공성 탄소전극 표면을 개질시켜 카르복시기를 도입시키는 과정,
    상기 표면이 개질된 다공성 탄소전극 표면을 활성화시키는 과정, 및
    상기 활성화된 다공성 탄소전극의 표면에 호스래디쉬 퍼록시다제를 도포하여 고정화시키는 과정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고도산화 수처리 공정을 위한 전기화학적 고정화 효소반응기의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 활성화된 다공성 탄소 전극의 표면에 가수분해 저해제를 도포하여 과정을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 고도산화 수처리 공정을 위한 전기화학적 고정화 효소반응기의 제조방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 활성화는 디이미드기(diimide group)을 함유하는 커플링제(coupling agent)를 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 고도산화 수처리 공정을 위한 전기화학적 고정화 효소반응기의 제조방법.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 호스래디쉬 퍼록시다제는 다공성 탄소 전극에 대하여 약 581 ∼ 1367 U/ml 범위로 도포되는 것을 특징으로 하는 고도산화 수처리 공정을 위한 전기화학적 고정화 효소반응기의 제조방법.
  7. 금속전극인 양극과 다공성 탄소전극인 음극, 양극과 음극 사이의 수소이온 이동을 위한 양이온교환막을 포함하여 이루어진 반응기를 사용한 고도산화 수처리 방법에 있어서,
    청구항 1의 전기화학적 효소 반응기를 사용하고, 양극와 음극 사이에 채워진 전해질을 농도가 10 ∼ 200 mM 범위와 pH가 5.0 ∼ 8.0 범위가 되도록 조절하며, 공급전압을 Ag/AgCl 을 기준으로 하여 - 0.2 ∼ - 0.8 volt 로 조절하고, 외부 산소 주입량을 10 ∼ 50 ml/분으로 조절하여 수행되는 것을 특징으로 하는 전기화학적 고정화 효소반응기를 이용한 고도산화 수처리 방법.
KR1020050055255A 2005-06-24 2005-06-24 고도산화 수처리 공정을 위한 전기화학적 고정화효소반응기 및 그의 제조방법 KR100664749B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020050055255A KR100664749B1 (ko) 2005-06-24 2005-06-24 고도산화 수처리 공정을 위한 전기화학적 고정화효소반응기 및 그의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020050055255A KR100664749B1 (ko) 2005-06-24 2005-06-24 고도산화 수처리 공정을 위한 전기화학적 고정화효소반응기 및 그의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20060135353A true KR20060135353A (ko) 2006-12-29
KR100664749B1 KR100664749B1 (ko) 2007-01-03

Family

ID=37813376

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020050055255A KR100664749B1 (ko) 2005-06-24 2005-06-24 고도산화 수처리 공정을 위한 전기화학적 고정화효소반응기 및 그의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100664749B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101136749B1 (ko) * 2009-11-25 2012-04-20 한국과학기술연구원 바이오에너지 생산장치, 이를 구비하는 바이오에너지 생산시스템 및 바이오에너지 생산방법

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100954028B1 (ko) 2007-09-20 2010-04-20 광주과학기술원 과산화효소가 도입된 전기화학 반응기를 이용한 폐수처리장치 및 그 방법
KR102261069B1 (ko) 2019-12-17 2021-06-04 건국대학교 산학협력단 니켈과 제올라이트를 이용한 분해효소 고정 장치 및 그 방법

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4623465A (en) 1981-04-20 1986-11-18 Massachusetts Institute Of Technology Removal of combined organic substances from aqueous solutions
EP1170259A1 (en) 2000-07-05 2002-01-09 Sony International (Europe) GmbH Electrochemical apparatus and process for purification of fluids

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101136749B1 (ko) * 2009-11-25 2012-04-20 한국과학기술연구원 바이오에너지 생산장치, 이를 구비하는 바이오에너지 생산시스템 및 바이오에너지 생산방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR100664749B1 (ko) 2007-01-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Dai et al. Sulfide-mediated azo dye degradation and microbial community analysis in a single-chamber air cathode microbial fuel cell
Aulenta et al. Microbial reductive dechlorination of trichloroethene to ethene with electrodes serving as electron donors without the external addition of redox mediators
Yu et al. Direct uptake of electrode electrons for autotrophic denitrification by Thiobacillus denitrificans
Cuprys et al. Ciprofloxacin removal via sequential electro-oxidation and enzymatic oxidation
de Dios et al. Bacterial–fungal interactions enhance power generation in microbial fuel cells and drive dye decolourisation by an ex situ and in situ electro-Fenton process
Yu et al. Co-substrate strategy for improved power production and chlorophenol degradation in a microbial fuel cell
Song et al. Performance of microbial fuel cells on removal of metronidazole
Xu et al. Cathode modification with peptide nanotubes (PNTs) incorporating redox mediators for azo dyes decolorization enhancement in microbial fuel cells
KR100664749B1 (ko) 고도산화 수처리 공정을 위한 전기화학적 고정화효소반응기 및 그의 제조방법
Leon-Fernandez et al. Dehalogenation of 2, 4-Dichlorophenoxyacetic acid by means of bioelectrochemical systems
Zhao et al. Shewanella drive Fe (III) reduction to promote electro-Fenton reactions and enhance Fe inner-cycle
Li et al. Zero-valent iron boosts nitrate-to-ammonia bioconversion via extracellular electron donation and reduction pathway complementation
Lu et al. Roles of biofilm structure and functional genes in overcoming limited dimethyl sulfide degradation and energy recovery
Cho et al. Enzyme-catalyzed conversion of phenol by using immobilized horseradish peroxidase (HRP) in a membraneless electrochemical reactor
Duţeanu et al. Microbial fuel cells–an option for wastewater treatment
CN110606543B (zh) 净化湖泊底泥与湖泊水体中有机污染物的系统及方法
CN113184951A (zh) 一种适用于电过臭氧化体系中石墨毡阴极的改性方法及应用
Ma et al. Drinking water disinfection by hemin-modified graphite felt and electrogenerated reactive oxygen species
Zhu et al. Electron shuttles mediated bioelectrochemical degradation of volatile chlorinated hydrocarbons: A review
Basséguy et al. Electroactive biofilms
Lin et al. Degradation of sulfolane-contaminated groundwater in a tubular microbial fuel cell-based electro-Fenton system: Performance, external resistance effects and microbial community
Murawski Optimizing Cathode Catalyst Loading in Microbial Peroxide-Producing Cells For Greywater Disinfection
KR101991991B1 (ko) 비소 및 질소의 제거를 위한 이실형 생물전기화학적 장치 및 그 방법
Liang et al. Removal and recovery of nitrogen pollutants in bioelectrochemical system
JP5709125B2 (ja) 亜酸化窒素分解装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20121005

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20131127

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150602

Year of fee payment: 9

LAPS Lapse due to unpaid annual fee