KR20180089153A - Photocatalytic degradation method of urea using titanium dioxide - Google Patents

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김정원
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한림대학교 산학협력단
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Abstract

Provided is an effective urea decomposition method intended to decompose urea in a urea-containing solution using a titanium dioxide photocatalyst and ultraviolet in the presence of oxygen. It is more preferable to use the titanium dioxide photocatalyst on which platinum is supported on a surface thereof. As the urea-containing solution, it is more efficient in the urea decomposition to use a solution containing phosphate ion together such as artificial urine instead of using an aqueous solution solely containing urea.

Description

이산화티타늄 광촉매를 이용한 요소 분해 방법 {Photocatalytic degradation method of urea using titanium dioxide}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a photocatalytic degradation method using a titanium dioxide photocatalyst,

본 발명은 이산화티타늄 광촉매를 이용한 요소 분해 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a urea decomposition method using a titanium dioxide photocatalyst.

비료, 폭약, 제약, 화장품, 플라스틱 생산 공장 등에서 발생하는 폐수에는 많은 양의 요소가 포함되어 있다. 또한, 요소는 인간과 동물의 소변을 구성하는 주요 구성물질로서, 생활하수 속 요소의 농도는 매우 높다. 수영장 물에 함유된 요소는 수영장 물의 정화과정에서 독성이 높은 질소 함유 소독 부산물로 변하고, 요소가 연안으로 유입되면 조류의 영양물질로 작용하여 조류 대번식을 일으킨다. 따라서, 요소 분해 방법에 대한 개발이 중요하다.Wastewater from fertilizers, explosives, pharmaceuticals, cosmetics and plastics plants contains a large amount of elements. In addition, the element is a major constituent of the urine of humans and animals, and the concentration of the element in the domestic sewage is very high. Elements contained in the pool water become nitrogenous disinfection byproducts which are highly toxic during the purification of the swimming pool water, and when the urea is introduced into the coast, it acts as a nutrient of the algae and causes algal reproduction. Therefore, development of element decomposition method is important.

이산화티타늄 광촉매는 자외선 하에서 다양한 산화물질들 {가전자대 정공 (valence band hole, hVB +), OH 라디칼 ( OH), 슈퍼옥사이드 라디칼 (O2 -)}을 생산하고, 이 산화물질들에 의해 오염물질이 분해된다. 또한, 이산화티타늄 표면에 백금 (platinum, Pt)을 담지함으로써 광촉매 분해 효율을 향상시킬 수 있다. 이산화티타늄 표면에 담지된 백금은 이산화티타늄 전도대의 전자 (conduction band electron, eCB -)가 가전자대의 정공 (valence band hole, hVB +)과 재결합하는 것을 방지함으로써, 산화물질의 생산을 촉진하고 나아가 오염물질의 분해효율을 향상시킨다.Titanium dioxide photocatalyst is a variety of oxidizing substances under UV {valence band holes (valence band hole, h VB +), OH radicals (and OH), superoxide radical (O 2 and -)} produces, on the oxide materials The pollutants are decomposed. In addition, by supporting platinum (Pt) on the surface of titanium dioxide, the photocatalytic decomposition efficiency can be improved. The platinum supported on the titanium dioxide surface prevents the conduction band electron (e CB - ) of the titanium dioxide conduction band from recombining with the valence band hole (h VB + ) of the valence band, thereby promoting the production of the oxide And improves the decomposition efficiency of pollutants.

본 발명은 요소를 분해하는 좀 더 효과적인 방법을 제공하려는 것이다. The present invention seeks to provide a more effective method of decomposing elements.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명자는 요소를 분해할 수 있는 효과적인 방법을 확립하여 본 발명을 완성하였다.In order to solve the above-mentioned problems, the present inventor has established an effective method for decomposing urea and completed the present invention.

본 발명은 The present invention

a) 이산화티타늄 (TiO2)을 용매 내에 분산시켜 이산화티타늄 용액을 제조하는 단계;a) Titanium dioxide (TiO 2 ) Dispersing the titanium dioxide solution in a solvent to prepare a titanium dioxide solution;

b) 요소가 포함된 용액을 상기 이산화티타늄 용액에 가하는 단계;b) adding a solution containing the element to the titanium dioxide solution;

c) 상기 요소가 포함된 용액을 가한 이산화티타늄 용액에 산소가 존재하는 상태에서 교반하면서 자외선을 조사하는 단계;를 포함하는 자외선과 이산화티타늄을 이용한 요소 분해 방법에 관한 것이다.and c) irradiating ultraviolet rays while stirring the titanium dioxide solution containing the element in the presence of oxygen in the presence of the ultraviolet ray and the titanium dioxide.

또한, 본 발명은 상기 이산화티타늄의 표면적이 30~500 m2/g인 것을 특징으로 하는 자외선과 이산화티타늄을 이용한 요소 분해 방법에 관한 것이다.The present invention also relates to a method of ellipsometry using ultraviolet rays and titanium dioxide, wherein the surface area of the titanium dioxide is 30 to 500 m 2 / g.

또한, 본 발명은 상기 요소의 농도가 1~1000 μM인 것을 특징으로 하는 자외선과 이산화티타늄을 이용한 요소 분해 방법에 관한 것이다.The present invention also relates to a method of urea decomposition using ultraviolet light and titanium dioxide, wherein the concentration of the urea is 1 to 1000 μM.

또한, 본 발명은 상기 요소가 포함된 용액이 비료, 폭약, 제약, 화장품 또는 플라스틱 생산 공장에서 발생하는 폐수 또는 사람 및 동물의 소변에서 유래한 것임을 특징으로 하는 자외선과 이산화티타늄을 이용한 요소 분해 방법에 관한 것이다.The present invention also relates to a method of element decomposition using ultraviolet rays and titanium dioxide, characterized in that the solution containing the element is derived from wastewater generated in a fertilizer, explosives, pharmaceutical, cosmetic or plastic production plant or urine of human and animal. .

또한, 본 발명은 상기 요소가 포함된 용액에 인산 이온이 더 포함된 것을 특징으로 하는 자외선과 이산화티타늄을 이용한 요소 분해 방법에 관한 것이다.Further, the present invention relates to a method of urea decomposition using ultraviolet rays and titanium dioxide, wherein phosphate ions are further contained in a solution containing the element.

또한, 본 발명은 상기 조사하는 자외선의 파장이 400 nm 이하, 바람직하게는 300~380 nm인 것을 특징으로 하는 자외선과 이산화티타늄을 이용한 요소 분해 방법에 관한 것이다.Further, the present invention relates to a method of decomposing an element using ultraviolet rays and titanium dioxide, wherein the wavelength of the ultraviolet ray to be irradiated is 400 nm or less, preferably 300 to 380 nm.

또한, 본 발명은 상기 이산화티타늄 표면에 백금을 담지한 것을 특징으로 하는 자외선과 이산화티타늄을 이용한 요소 분해 방법에 관한 것이다.The present invention also relates to a method for decomposing urea using ultraviolet rays and titanium dioxide, wherein platinum is supported on the surface of titanium dioxide.

또한, 본 발명은 상기 백금의 중량이 이산화티타늄에 대하여 0.1~5wt%임을 특징으로 하는 자외선과 이산화티타늄을 이용한 요소 분해 방법에 관한 것이다.In addition, the present invention relates to a method of urea decomposition using ultraviolet rays and titanium dioxide, wherein the weight of the platinum is 0.1 to 5 wt% with respect to titanium dioxide.

본 발명의 자외선과 이산화티타늄을 이용한 요소 분해 방법을 좀 더 자세히 설명하면, 먼저 이산화티타늄을 증류수에 넣고 초음파로 처리하여 분산시킨다. 이때 이산화티타늄으로는 표면적이 30 m2/g 이상인 것, 좀 더 한정하면, 표면적 30~500 m2/g의 것이 요소 분해의 주 산화물질인 OH 라디칼 생산 능력이 우수하여 바람직하다.The method for decomposing urea using ultraviolet rays and titanium dioxide according to the present invention will be described in more detail. First, It is put into distilled water and dispersed by ultrasonic treatment. At this time, the titanium dioxide has a surface area of 30 m 2 / g or more, more preferably 30 to 500 m 2 / g, because it is excellent in OH radical production ability, which is the main oxidation substance of urea decomposition.

또한, 이산화티타늄 용액에 요소 용액을 넣는다. 상기 요소의 농도에 특별한 제한은 없으나, 1~1000 μM 범위에서 요소의 분해가 좀 더 효과적이다.Also, put the urea solution in the titanium dioxide solution. There is no particular limitation on the concentration of the element, but decomposition of the element is more effective in the range of 1 to 1000 μM.

또한, 요소가 포함된 용액에 인산 이온이 더 포함된 경우 요소 분해가 더 효과적으로 일어난다.In addition, element decomposition occurs more effectively when the solution containing the element further contains phosphate ions.

다음으로, 상기 요소 용액과 이산화티타늄이 함유된 용액에 자외선을 조사한다. 자외선은 400 nm 이하, 바람직하게는 300 nm 내지 380 nm이다. 상기 범위를 만족하는 경우 요소 분해가 효율적으로 일어날 수 있게 된다.Next, ultraviolet rays are irradiated to the solution containing the urea solution and titanium dioxide. The ultraviolet ray is 400 nm or less, preferably 300 nm to 380 nm. If the range is satisfied, element decomposition can be efficiently performed.

또한, 상기 이산화티타늄은 표면에 백금을 담지한 이산화티타늄을 사용하는 것이 요소 분해에 더 효과적이다.In addition, titanium dioxide is more effective in element decomposition by using titanium dioxide carrying platinum on its surface.

또한, 이산화티타늄 표면에 담지된 백금의 중량이 이산화티타늄에 대하여 0.1~5wt% 범위일 때 이산화티타늄 광촉매 작용을 극대화할 수 있다.In addition, when the weight of the platinum supported on the titanium dioxide surface is in the range of 0.1 to 5 wt% with respect to the titanium dioxide, the titanium dioxide photocatalytic action can be maximized.

본 발명의 자외선과 이산화티타늄을 이용한 요소 분해 방법을 이용하는 경우, 간단한 방법으로 요소를 효과적으로 분해할 수 있으므로, 요소를 포함하는 공장폐수, 산업폐수, 오염수, 소변 등의 정화에 이용할 수 있다.When the urea decomposition method using the ultraviolet ray and the titanium dioxide of the present invention is used, the element can be effectively decomposed by a simple method. Therefore, it can be used for purification of factory waste water, industrial waste water, contaminated water, urine and the like.

도 1은 (a) 이산화티타늄과 (b) 백금이 표면에 담지된 이산화티타늄을 이용한 수중 요소 분해 및 요소의 분해로 생성되는 질산염 이온과 암모늄 이온의 농도를 나타내는 그래프이다. 실험 조건: [이산화티타늄] 또는 [백금이 표면에 담지된 이산화티타늄] = 15 mg/30 mL, [요소] = 860 μM, 자외선의 파장 = 320 nm 이상.
도 2는 (a) 이산화티타늄과 (b) 백금이 표면에 담지된 이산화티타늄을 이용한 요소 수용액 분해시 총 유기탄소의 제거효율을 나타내는 그래프이다. 실험 조건: [이산화티타늄] 또는 [백금이 표면에 담지된 이산화티타늄] = 15 mg/30 mL, [요소] = 860 μM, 자외선의 파장 = 320 nm 이상, 자외선 조사시간 = 3시간.
도 3은 (a) 이산화티타늄과 (b) 백금이 표면에 담지된 이산화티타늄을 이용한 인공소변 중 요소 분해 및 요소의 분해로 생성되는 질산염 이온과 암모늄 이온의 농도를 나타내는 그래프이다. 실험 조건: [이산화티타늄] 또는 [백금이 표면에 담지된 이산화티타늄] = 15 mg/30 mL, [인공소변 중 요소] = 860 μM, 자외선의 파장 = 320 nm 이상.
도 4는 (a) 이산화티타늄과 (b) 백금이 표면에 담지된 이산화티타늄을 이용한 인공소변 분해시 총 유기탄소의 제거효율을 나타내는 그래프이다. 실험 조건: [이산화티타늄] 또는 [백금이 표면에 담지된 이산화티타늄] = 15 mg/30 mL, [인공소변 중 요소] = 860 μM, 자외선의 파장 = 320 nm 이상, 자외선 조사시간 = 3시간.
도 5는 인산 이온의 존재 유무에 따른 수중 요소 분해를 나타내는 그래프이다. 실험 조건: [이산화티타늄] = 15 mg/30 mL, [인산 이온] = 64.3 μM, [요소] = 860 μM, 자외선의 파장 = 320 nm 이상.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a graph showing the concentration of nitrate ions and ammonium ions produced by the decomposition of water in urea and decomposition of urea using (a) titanium dioxide and (b) titanium dioxide on which surface of platinum is supported. Experimental conditions: [Titanium dioxide] or [Titanium dioxide supported on platinum surface] = 15 mg / 30 mL, [Element] = 860 μM, wavelength of ultraviolet ray = 320 nm or more.
FIG. 2 is a graph showing the removal efficiencies of total organic carbon when decomposing urea aqueous solution using (a) titanium dioxide and (b) titanium dioxide on which surface of platinum is supported. Experimental conditions: [Titanium dioxide] or [Titanium dioxide supported on the surface of platinum] = 15 mg / 30 mL, [Element] = 860 μM, wavelength of ultraviolet ray = 320 nm or more, ultraviolet irradiation time = 3 hours.
FIG. 3 is a graph showing concentrations of nitrate ions and ammonium ions produced by urea decomposition and urea decomposition in artificial urine using (a) titanium dioxide and (b) titanium dioxide on which surface of platinum is supported. Experimental conditions: [Titanium dioxide] or [Titanium dioxide coated with platinum on the surface] = 15 mg / 30 mL, [Element of artificial urine] = 860 μM, wavelength of ultraviolet ray = 320 nm or more.
FIG. 4 is a graph showing the removal efficiency of total organic carbon during artificial urine decomposition using (a) titanium dioxide and (b) titanium dioxide on the surface of which platinum is supported. Experimental conditions: [Titanium dioxide] or [Titanium dioxide supported on the surface of platinum] = 15 mg / 30 mL, [Element of artificial urine] = 860 μM, wavelength of ultraviolet ray = 320 nm or more,
FIG. 5 is a graph showing the water element decomposition according to the presence or absence of phosphate ions. FIG. Test conditions: [Titanium dioxide] = 15 mg / 30 mL, [Phosphate ion] = 64.3 μM, [Element] = 860 μM, wavelength of ultraviolet light = 320 nm or more.

아래에서는 구체적인 실시예를 들어 본 발명의 구성을 좀 더 자세히 설명한다. 그러나 본 발명의 범위가 실시예의 기재에만 한정되는 것이 아님은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in more detail with reference to specific embodiments. However, it should be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited to the description of the embodiments.

재료 및 화학약품Materials and Chemicals

본 발명에서 사용한 재료 및 화학 약품의 입수처는 아래와 같다.Materials and chemicals used in the present invention are available as follows.

이산화티타늄 (Titanium dioxide, TiO2, Degussa P25, 표면적 = 50 m2/g), 요소 (Urea, NH2CONH2, Sigma-Aldrich), 제1인산 칼륨 (Potassium phosphate monobasic, KH2PO4, Sigma-Aldrich), 황산 나트륨 (Sodium sulfate, Na2SO4, Sigma-Aldrich), 구연산 나트륨 2수화물 (Sodium citrate tribasic dihydrate, HOC(COONa)(CH2COONa)2·2H2O, Sigma-Aldrich), 크레아티닌 (Creatinine, C4H7N3O, Sigma-Aldrich), 옥살산 나트륨 (Sodium oxalate, NaOOCCOONa, Sigma-Aldrich), 염화 칼륨 (Potassium chloride, KCl, Sigma-Aldrich), 염화 암모늄 (Ammonium chloride, NH4Cl, Sigma-Aldrich), 염화 마그네슘 6수화물 (Magnesium chloride hexahydrate, MgCl2·6H2O, Sigma-Aldrich), 염화 나트륨 (Sodium chloride, NaCl, Sigma-Aldrich), 염화 칼슘 2수화물 (Calcium chloride dihydrate, CaCl2·2H2O, Sigma-Aldrich), 요소분해효소 (Urease from Canavalia ensiformis (Jack bean), type Ⅲ, Sigma), 염화 백금산 수화물 (Chloroplatinic acid hydrate, H2PtCl6·xH2O, Aldrich), 메탄올 (Methanol, CH3OH, Wako). 이온이 제거된 초고순수 (18.3 MΩ·cm)가 사용되었고, 이는 Human-Power I+ 초고순수 제조 장치 (Human corporation)에 의해 제조되었다. 인공 소변은 여러 화학물질을 사용하여 만들었으며, 그 조성은 표 1과 같다.Titanium dioxide (Titanium dioxide, TiO 2, Degussa P25, specific surface area = 50 m 2 / g), urea (Urea, NH 2 CONH 2, Sigma-Aldrich), a first potassium phosphate (Potassium phosphate monobasic, KH 2 PO 4, Sigma Aldrich), sodium sulfate (Na 2 SO 4 , Sigma-Aldrich), sodium citrate tribasic dihydrate (HOC (COONa) (CH 2 COONa) 2 .2H 2 O, Sigma-Aldrich) (Sigma-Aldrich), creatinine (C 4 H 7 N 3 O, Sigma-Aldrich), sodium oxalate (NaOOCCOONa, Sigma-Aldrich), potassium chloride 4 Cl, Sigma-Aldrich), magnesium chloride hexahydrate (MgCl 2 .6H 2 O, Sigma-Aldrich), sodium chloride (NaCl, Sigma-Aldrich), calcium chloride dihydrate , CaCl 2 .2H 2 O, Sigma-Aldrich), urease from Canavalia ensiformis (Jack bean, type III, Sigma), chloroplatinic acid hydrate (H 2 PtCl 6 .xH 2 O, Aldrich), methanol (methanol, CH 3 OH, Wako). Ion-free ultra-pure water (18.3 MΩ · cm) was used, which was manufactured by Human-Power I + ultra-pure water manufacturing equipment (Human corporation). Artificial urine was made using various chemicals, and its composition is shown in Table 1.

백금이 표면에 Platinum on the surface 담지된Supported 이산화티타늄 합성 방법 Titanium dioxide synthesis method

백금이 표면에 담지된 이산화티타늄 광촉매는 광환원법 (photodeposition method)을 이용해 제조하였다. 백금 전구체인 염화 백금산 수화물 (chloroplatinic acid hydrate, 24.4 μM)과 전자 공여체인 메탄올 (methanol, 1 M)이 존재하는 수용액에 이산화티타늄 (0.5 g/500 mL)을 넣어 분산시키고, 300-W 제논 아크 램프 (Xe arc lamp, λ >295 nm, Oriel)를 이용하여 빛을 조사하였다. 빛을 세 시간 조사한 후 백금이 표면에 담지된 이산화티타늄 광촉매는 0.45 μm PVDF 디스크 필터 (Pall)를 이용하여 수집하였고, 증류수로 씻어준 뒤, 70 ℃ 오븐에서 건조하였다. 여과 후 남아있는 염화 백금산 수화물의 농도를 유도 결합형 플라즈마 원자 방출 분광기 (inductively coupled plasma-atomic emission spectroscopy, ICP-AES, Spectro)를 이용하여 분석한 결과 이산화티타늄 표면에 담지된 백금은 약 0.5wt%인 것으로 확인되었다.Titanium dioxide photocatalyst supported on the surface of platinum was prepared by photodeposition method. Titanium dioxide (0.5 g / 500 mL) was added to an aqueous solution containing chloroplatinic acid hydrate (24.4 μM) as a platinum precursor and methanol (1 M) as an electron donor and dispersed. A 300-W xenon arc lamp (Xe arc lamp, > 295 nm, Oriel). The titanium dioxide photocatalyst was plated with 0.45 μm PVDF disk filter (Pall), washed with distilled water, and then dried in an oven at 70 ° C. The concentration of chloroplatinic acid hydrate remaining after filtration was analyzed by inductively coupled plasma-atomic emission spectroscopy (ICP-AES, Spectro). As a result, the amount of platinum supported on the titanium dioxide surface was about 0.5 wt% Respectively.

실험 방법Experimental Method

이산화타타늄 (TiO2) 또는 백금이 표면에 담지된 이산화티타늄 (Pt/TiO2) 15 mg을 증류수에 넣고, 초음파 발생장치에서 1분간 초음파 처리하여 분산하였다. 고농도의 요소 수용액 또는 인공 소변을 이산화티타늄이 분산된 용액에 넣어 요소의 초기 농도를 설정하였다. 요소의 초기 농도는 860 μM이 되게 하였다. 최종적으로 만들어진 용액의 부피는 30 mL로 하였다.15 mg of titanium dioxide (TiO 2 ) or titanium dioxide (Pt / TiO 2 ) on which platinum was supported on the surface was put into distilled water and ultrasonicated for 1 minute in an ultrasonic generator to disperse. A high concentration of urea aqueous solution or artificial urine was put into a solution of titanium dioxide dispersed to set the initial concentration of urea. The initial concentration of urea was 860 μM. The volume of the final solution was 30 mL.

이산화티타늄 또는 백금이 표면에 담지된 이산화티타늄에 요소 및 소변의 성분들이 흡착 평형을 이룰 때까지 빛이 차단된 상태에서 30분간 교반하였다. 300-W 제논 아크 램프 (Xe arc lamp, Oriel)를 광원으로 사용하였다. 광원에서 발생한 빛은 5 cm의 적외선 물 필터 (IR water filter)에 의해 열을 발생하는 적외선이 차단되었으며, 빛 차단 필터 (cutoff filter)를 이용하여 320 nm 이상의 빛 (λ > 320 nm)만을 투과시켰다. 투과된 빛의 초점이 원통형의 유리 반응기 (부피 = 35 mL)로 향하게 하였다. 빛을 조사하면서 교반을 계속 진행하였고, 산소가 고갈되지 않도록 반응기의 뚜껑을 열어두었다. 시료는 빛이 조사되는 동안 1 mL씩 채취하였고, 0.45 μm PTFE 주사기 필터 (Millipore)로 이산화티타늄 또는 백금이 표면에 담지된 이산화티타늄을 제거하고 결과를 분석하였다. 모든 실험은 최소 두 번 이상 실시하였다.Titanium dioxide or titanium dioxide on which platinum was supported on the surface was stirred for 30 minutes in the state that the urea and urine components were adsorbed and equilibrated until the light was blocked. A 300-W Xen arc lamp (Oriel) was used as the light source. The light emitted from the light source was blocked by infrared rays generated by a 5 cm IR water filter, and only light of 320 nm or longer (λ> 320 nm) was transmitted using a cutoff filter . The focus of the transmitted light was directed to a cylindrical glass reactor (volume = 35 mL). Stirring was continued while irradiating light, and the lid of the reactor was opened so that oxygen was not depleted. Samples were taken 1 mL each while light was irradiated and titanium dioxide or platinum supported on its surface was removed with a 0.45 μm PTFE syringe filter (Millipore) and the results were analyzed. All experiments were performed at least twice.

요소의 농도 분석Concentration of urea

요소의 농도는 요소가 요소분해효소 (urease)에 의해 가수분해되어 변환된 암모늄 이온 (NH4 +)의 농도를 분석하여 측정하였다. 다시 말하면, [요소 농도] = {[요소분해효소가 있을 때의 암모늄 이온 농도] - [요소분해효소가 없을 때의 암모늄 이온 농도]}/2이다. 500 mL의 증류수에 요소분해효소를 0.6 g 녹여 요소분해효소 용액을 만들었다. 그리고 요소분해효소 용액 0.1 mL를 분취하여 시료 0.5 mL가 담긴 용기에 주입하였다. 용기를 교반한 후, 50 ℃의 따뜻한 물에서 20분간 중탕하고, 30분간 상온에서 식혔다. 그 후 시료 속의 암모늄 농도를 측정하였다.The concentration of urea was measured by analyzing the concentration of ammonium ion (NH 4 + ) converted by hydrolysis of urea by urease. In other words, [urea concentration] = {[ammonium ion concentration when urease is present] - [ammonium ion concentration without urease]} / 2. 0.6 g of urease was dissolved in 500 mL of distilled water to prepare an urease solution. 0.1 mL of the urease solution was dispensed into a container containing 0.5 mL of the sample. After the vessel was stirred, it was boiled in warm water at 50 DEG C for 20 minutes and then cooled at room temperature for 30 minutes. The concentration of ammonium in the sample was then measured.

요소의 광촉매 분해로 생성된 질산염 이온과 요소의 효소 가수분해 또는 요소의 광촉매 분해로 생성된 암모늄 이온의 농도는 이온 크로마토그래피 (ion chromatography, IC, Dionex ICS-1100)를 이용하여 분석하였다. 이때 전도도 검출기가 사용되었으며, 컬럼은 Dionex IonPac AS14 컬럼 (4 mm x 250 mm, 질산염 이온 분석용)과 Dionex IonPac CS12A 컬럼 (4 mm x 250 mm, 암모늄 이온 분석용)을 사용하였다. 용리액으로 20 mM 메타술폰산 (methanesulfonic acid) 용액과 3.5 mM 탄산나트륨 (sodium carbonate)/1 mM 탄산수소나트륨 (sodium bicarbonate) 용액을 각각 암모늄 이온과 질산염 이온을 측정하기 위해 사용하였다. 인공 소변에 원래 포함되어 있던 초기 암모늄 이온 농도는 암모늄 이온 생성 농도에서 제하였다.The concentration of ammonium ions produced by enzymatic hydrolysis of nitrate ions and ureas produced by photocatalytic decomposition of urea or photocatalytic decomposition of urea was analyzed by ion chromatography (IC, Dionex ICS-1100). Conductivity detector was used. The column was a Dionex IonPac AS14 column (4 mm x 250 mm, for nitrate ion analysis) and a Dionex IonPac CS12A column (4 mm x 250 mm, for ammonium ion analysis). A 20 mM methanesulfonic acid solution and 3.5 mM sodium carbonate / 1 mM sodium bicarbonate solution were used as eluent to measure ammonium and nitrate ions, respectively. The initial ammonium ion concentration originally contained in the artificial urine was removed from the ammonium ion production concentration.

총 유기 탄소의 농도 분석Analysis of Total Organic Carbon Concentration

총 유기 탄소 농도는 유기물 분석기 (TOC analyzer, Shimadzu TOC-LCPH)를 이용하여 분석하였다. 이때 이산화탄소 검출기로 비분산 적외선 센서 (NDIR)를 사용하였다. 총 유기 탄소 농도는 총 탄소 농도로부터 무기 탄소 농도를 빼서 산출하였다.The total organic carbon concentration was analyzed using an organic analyzer (TOC analyzer, Shimadzu TOC-L CPH ). A non-dispersive infrared sensor (NDIR) was used as the carbon dioxide detector. The total organic carbon concentration was calculated by subtracting the inorganic carbon concentration from the total carbon concentration.

결과 1: 이산화티타늄과 백금이 표면에 Result 1: Titanium dioxide and platinum on the surface 담지된Supported 이산화티타늄을 이용한 수중 요소 분해 및 요소의 분해로 생성된 질산염 이온과 암모늄 이온의 농도 Concentration of nitrate and ammonium ions produced by decomposition of urea and decomposition of urea using titanium dioxide

도 1은 이산화티타늄과 백금이 표면에 담지된 이산화티타늄을 이용한 수중 요소 분해 및 요소의 분해로 생성된 질산염 이온과 암모늄 이온의 농도를 나타낸 결과이다. 이산화티타늄의 경우 세 시간 동안 자외선 조사 후 요소의 농도가 115 μM 감소하였고, 백금이 표면에 담지된 이산화티타늄의 경우에는 요소의 농도가 425 μM 감소하였다. 즉 백금이 표면에 담지된 이산화티타늄의 요소 분해 효율이 이산화티타늄보다 3.7배 높았다. 이 결과와 유사하게 요소의 분해로 생성된 질산염 이온과 암모늄 이온의 농도 역시 이산화티타늄보다 백금이 표면에 담지된 이산화티타늄에서 더 높았다.FIG. 1 shows the concentrations of nitrate ions and ammonium ions produced by decomposition of water and degradation of urea using titanium dioxide coated with titanium dioxide and platinum on its surface. In the case of titanium dioxide, the concentration of urea was reduced by 115 μM after 3 hours of ultraviolet irradiation, and the concentration of urea was decreased by 425 μM in the case of titanium dioxide coated with platinum. In other words, the urea decomposition efficiency of titanium dioxide supported on the surface of platinum was 3.7 times higher than that of titanium dioxide. Similar to these results, the concentration of nitrate and ammonium ions produced by the decomposition of urea was also higher in titanium dioxide coated with platinum than on titanium dioxide.

결과 2: 이산화티타늄과 백금이 표면에 Result 2: Titanium dioxide and platinum on the surface 담지된Supported 이산화티타늄을 이용한 수중 요소 분해시 총 유기 탄소의 제거효율 Removal efficiency of total organic carbon during decomposition of water element using titanium dioxide

도 2는 이산화티타늄과 백금이 표면에 담지된 이산화티타늄을 이용한 수중 요소 분해시 총 유기 탄소의 제거효율을 나타낸 결과이다. 이산화티타늄의 경우 세 시간 동안 자외선 조사 후 요소 수용액의 총 유기 탄소가 12.6% 제거되었고, 백금이 표면에 담지된 이산화티타늄의 경우에는 요소 수용액의 총 유기 탄소가 36.1% 제거되었다. 즉 백금이 표면에 담지된 이산화티타늄의 요소 수용액 내 요소 무기화 효율이 이산화티타늄보다 2.9배 높았다.2 is a graph showing the removal efficiencies of the total organic carbon during the decomposition of water in the urea using titanium dioxide and platinum supported on its surface. In the case of titanium dioxide, 12.6% of the total organic carbon in the urea solution was removed after 3 hours of UV irradiation, and 36.1% of the total organic carbon in the urea solution of titanium dioxide supported on the surface of platinum. In other words, the elementalization efficiency of the elemental aqueous solution of titanium dioxide supported on the surface of platinum was 2.9 times higher than that of titanium dioxide.

결과 3: 이산화티타늄과 백금이 표면에 Result 3: Titanium dioxide and platinum on the surface 담지된Supported 이산화티타늄을 이용한 인공 소변 중 요소 분해 및 요소의 분해로 생성된 질산염 이온과 암모늄 이온의 농도 Concentrations of nitrate and ammonium ions produced by urea decomposition and urea decomposition in artificial urine using titanium dioxide

도 3은 이산화티타늄과 백금이 표면에 담지된 이산화티타늄을 이용한 인공 소변 중 요소 분해 및 요소의 분해로 생성된 질산염 이온과 암모늄 이온의 농도를 나타낸 결과이다. 이산화티타늄의 경우 세 시간 동안 자외선 조사 후 요소의 농도가 230 μM 감소하였고, 백금이 표면에 담지된 이산화티타늄의 경우에는 요소의 농도가 356 μM 감소하였다. 즉 백금이 표면에 담지된 이산화티타늄의 인공 소변 중 요소 분해 효율이 이산화티타늄보다 1.5배 높았다. 이 결과와 유사하게 요소의 분해로 생성된 질산염 이온과 암모늄 이온의 농도 역시 이산화티타늄보다 백금이 표면에 담지된 이산화티타늄에서 높았다.FIG. 3 shows the concentrations of nitrate ions and ammonium ions produced by urea decomposition and urea decomposition in artificial urine using titanium dioxide on which titanium dioxide and platinum are supported on the surface. In the case of titanium dioxide, the concentration of urea was reduced by 230 μM after 3 hours of ultraviolet irradiation, and the concentration of urea was reduced by 356 μM in the case of titanium dioxide coated with platinum. That is, the urea decomposition efficiency of titanium dioxide coated with platinum on the surface was 1.5 times higher than that of titanium dioxide. Similar to these results, the concentration of nitrate and ammonium ions produced by the decomposition of urea was also higher in titanium dioxide coated with platinum than on titanium dioxide.

결과 4: 이산화티타늄과 백금이 표면에 Result 4: Titanium dioxide and platinum on the surface 담지된Supported 이산화티타늄을 이용한 인공 소변 분해시 총 유기 탄소의 제거효율 Removal efficiency of total organic carbon during artificial urine decomposition using titanium dioxide

도 4는 이산화티타늄과 백금이 표면에 담지된 이산화티타늄을 이용한 인공 소변 분해시 총 유기 탄소의 제거효율을 나타낸 결과이다. 이산화티타늄의 경우 세 시간 동안 자외선 조사 후 인공 소변의 총 유기 탄소가 25.4% 제거되었고, 백금이 표면에 담지된 이산화티타늄의 경우에는 인공 소변의 총 유기 탄소가 32.0% 제거되었다. 즉 백금이 표면에 담지된 이산화티타늄의 인공 소변 무기화 효율이 이산화티타늄보다 1.3배 높았다.FIG. 4 is a graph showing the removal efficiencies of total organic carbon during artificial urine decomposition using titanium dioxide and platinum supported on its surface. In the case of titanium dioxide, 25.4% of the total organic carbon in the artificial urine was removed after 3 hours of UV irradiation, and 32.0% of the total organic carbon in the artificial urine was removed in the case of titanium dioxide coated with platinum on the surface. In other words, the artificial uranium mineralization efficiency of titanium dioxide coated with platinum on the surface was 1.3 times higher than that of titanium dioxide.

결과 5: 이산화티타늄을 이용한 수중 요소 분해시 인산 이온의 영향Result 5: Influence of phosphoric acid ion on decomposition of urea in water using titanium dioxide

도 5는 인산 이온의 존재 유무에 따른 수중 요소 분해를 나타낸 결과이다. 세 시간 동안 자외선 조사 후 인산 이온이 존재하지 않는 경우에는 요소의 농도가 108 μM 감소하였고, 64.3 μM의 인산 이온이 존재한 경우에는 요소의 농도가 274 μM 감소하였다. 즉 인산 이온이 존재할 경우 요소 분해 효율이 2.5배 증가하였다. 이는 인산 이온이 이산화티타늄 표면에 흡착함으로써 이산화티타늄의 OH 라디칼 생산 능력을 향상시켰기 때문이다.FIG. 5 shows the results of water element decomposition according to presence or absence of phosphate ions. The concentration of urea was decreased by 108 μM when phosphoric acid ion was not present after UV irradiation for three hours, and by urea concentration was decreased by 274 μM when phosphate ion of 64.3 μM was present. In the presence of phosphate ions, the urea decomposition efficiency was increased 2.5 times. This is because the phosphoric acid ion adsorbed on the titanium dioxide surface improved the ability of the titanium dioxide to produce OH radicals.

아래 표 1은 본 발명의 이산화티타늄 광촉매를 이용한 요소 분해 실험에 사용한 인공 소변의 구성을 나타낸 것이다.Table 1 below shows the composition of the artificial urine used in the urea decomposition experiment using the titanium dioxide photocatalyst of the present invention.

chemical namechemical name dose (g/500 mL)dose (g / 500 mL) concentration (mM)concentration (mM) ureaurea 12.512.5 416.25416.25 potassium phosphate monobasic포터륨 assium monobasic 2.12.1 30.8630.86 sodium sulfatesodium sulfate 1.151.15 16.1916.19 sodium citrate tribasic dihydratesodium citrate tribasic dihydrate 0.3250.325 2.212.21 creatininecreatinine 0.550.55 9.729.72 sodium oxalateSodium oxalate 0.010.01 0.150.15 potassium chloride포터 키라이드 0.80.8 21.4621.46 ammonium chloride공연 시금 0.50.5 18.7018.70 magnesium chloride hexahydratemagnesium chloride hexahydrate 0.3250.325 3.203.20 sodium chloridesodium chloride 2.32.3 78.7178.71 calcium chloride dihydratecalcium chloride dihydrate 0.3250.325 4.424.42

Claims (8)

a) 이산화티타늄 (TiO2)을 용매 내에 분산시켜 이산화티타늄 용액을 제조하는 단계;
b) 요소가 포함된 용액을 상기 이산화티타늄 용액에 가하는 단계;
c) 상기 요소가 포함된 용액을 가한 이산화티타늄 용액에 산소가 존재하는 상태에서 교반하면서 자외선을 조사하는 단계;를 포함하는 자외선과 이산화티타늄을 이용한 요소 분해 방법.
a) Titanium dioxide (TiO 2 ) Dispersing the titanium dioxide solution in a solvent to prepare a titanium dioxide solution;
b) adding a solution containing the element to the titanium dioxide solution;
c) irradiating ultraviolet rays while stirring the titanium dioxide solution containing the element in the presence of oxygen in the presence of oxygen.
청구항 1에 있어서,
상기 이산화티타늄은 표면적이 30~500 m2/g인 것을 특징으로 하는 자외선과 이산화티타늄을 이용한 요소 분해 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the titanium dioxide has a surface area of 30 to 500 m 2 / g.
청구항 1에 있어서,
상기 요소의 농도는 1~1000μM인 것을 특징으로 하는 자외선과 이산화티타늄을 이용한 요소 분해 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the concentration of said element is between 1 and 1000 μM.
청구항 1에 있어서,
상기 요소가 포함된 용액은 비료, 폭약, 제약, 화장품 또는 플라스틱 생산 공장에서 발생하는 폐수 또는 사람 및 동물의 소변에서 유래한 것임을 특징으로 하는 자외선과 이산화티타늄을 이용한 요소 분해 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the solution containing the element is derived from wastewater generated in a fertilizer, explosive, pharmaceutical, cosmetic or plastic production plant, or urine of human and animal.
청구항 1에 있어서,
상기 요소가 포함된 용액은 인산 이온이 더 포함된 것임을 특징으로 하는 자외선과 이산화티타늄을 이용한 요소 분해 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the solution containing the element further comprises phosphate ions. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
청구항 1에 있어서,
상기 조사하는 자외선의 파장은 300~380 nm인 것을 특징으로 하는 자외선과 이산화티타늄을 이용한 요소 분해 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the wavelength of ultraviolet light to be irradiated is 300 to 380 nm.
청구항 1에 있어서,
상기 이산화티타늄은 표면에 백금을 담지한 것을 특징으로 하는 자외선과 이산화티타늄을 이용한 요소 분해 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the titanium dioxide is platinum supported on the surface thereof.
청구항 7에 있어서,
상기 백금의 중량은 이산화티타늄에 대하여 0.1~5wt%임을 특징으로 하는 자외선과 이산화티타늄을 이용한 요소 분해 방법.


The method of claim 7,
Wherein the weight of the platinum is 0.1 to 5 wt% with respect to the titanium dioxide.


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* Cited by examiner, † Cited by third party
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