광촉매를 이용한 내분비 장애물질 DDT의 분해에 관한 연구

장선정, 김문선, 김병우*

성균관대학교 화학공학

*bwkim@skku.ac.kr

A Study on the Photocatalytic Degradation

of an Endocrine Disruptor DDT

Seon-Jung Jang, Moon-Sun Kim and Byung-Woo Kim*

Dept. of Chem. Eng., Sungkyunkwan Univ., Korea

*bwkim@skku.ac.kr

서론

환경호르몬이란 □내분비 장애물질□로서 생명체의 정상적인 호르몬 기능에 영향을 주는 체외의 화학물질를 말하며, dioxine, PCB, DDT, 유기염소, 농약, 플라스틱 가소제 등이 있다[1]. 특히 2,2-bis(4-chlorophenyl)-1,1,1-trichloroenthane (DDT)은 뛰어난 살충효과와 저렴한 가격으로 1940 년대 이후 농약으로 널리 사용되어 왔으나 환경 생태계에 심각한 영향을 미친다는 연구결과에 따라 1970 년대 초반부터 사용이 금지되었다. 그러나 많은 개발도상 국가에서는 여전히 사용되고 있으며 국내의 경우 토양이나 수질에서 분석되는 DDT의 잔존량은 인체에 심각한 영향을 줄 수 있는 수준이다[2, 3].  DDT는 난용성으로 지방이나 기름에 녹아 인체내부에 축적되거나 먹이사슬을 통해 전달되는 특성이 있다[4].

본 실험에서는 광촉매인 TiO2 미립자를 고정시킨 TiO2/UV 반응기를 이용하여 DDT를 분해시켰으며 GC-MS를 이용하여 DDT 농도와 부산물을 분석했다.

본론

광촉매의 산화반응 원리는 band-gap model에 의해 설명된다. TiO2를 포함한 반도체 금속산화물들은 고유한 band-gap energy(Eg)를 갖고 있으며 빛과 같은    에너지원으로부터 Eg 이상의 에너지를 받게 되면 valence band의 전자(e-)가 여기되어 conduction band로 전이되며, 이 때 valence band에는 정공(h+)이 생성된다. 생성된 정공과 전자는 H2O, H2O2, O2 등과 반응하여 hydroxyl radical을 생성하게 되고, 이것이 수용액 내에 존재하고 있는 유기물들과 반응하여 최종적으로 인체에 무해한 CO2나 H2O와 같은 물질로 분해된다[5].

Fig. 1과 같은 구조를 갖는 광반응기는 pyrex 재질의 내부반응기와 acryl 재질의 cooling jacket으로 구성되어 있다.

Fig. 1. Schematic diagram of a photoreactor.

Fig. 2와 같은 구조를 갖는 DDT(Aldrich Co., U.S.A.)는 10 mg/L의 수용액으로 제조해 실험에 사용했으며 광촉매는 TiO2(P-25, Degussa Gmblt, Germany)를 사용했다. 광촉매는 티타늄계 바인더를 섞어서 dip-coating 법으로 유리관에 고정시켰는데, 티타늄계 바인더는 TTIP(titanium-tetraisopropoxide)와 알콜류을 전구체로 사용하여 졸-겔 법에 의해 합성했다. 또 광분해능을 개선하기 위해 TiO2 필름 위에 F2O3를 doping 처리했는데, F2O3도 졸-겔 법으로 합성했다.

분석은 EPA method에 따라 GC-MS(HP6890, electron capture detector)를 이용했다.

Fig. 2. Chemical structure of DDT.

결과 및 고찰

DDT 광분해를 위해 수열법과 졸-겔 법으로 각각 합성된 TiO2 광촉매, F2O3로 doped된 P-25, 그리고 단독 P-25를 Fig. 3과 같이 XRD로 분석했다. Fig. 3에서 나타난 peak는 위에서부터 Fe2O3로 doping된 P-25, P-25, 수열법과 졸-겔 법으로 각각 합성된 TiO2 순으로 되어 있다.

Fig. 3. XRD patterns of TiO2 powders synthesized by  sol-gel and hydrothermal methods, only P-25, and  P-25 doped with Fe2O3.

Fe2O3로 doping된 P-25와 단독으로 사용한 P-25의 peak pattern은 거의 같았으나 수열법과 졸-겔 법으로 합성된 TiO2의 peak pattern은 미소한 차이가 있었다. 그러나 전체적으로 anatase 형의 기본 결정구조를 가지고 있는 것으로 관찰되었다.

Fig. 4는 doping된 광촉매의 농도에 따른 DDT의 분해능을 비교한 것이다. Fe2O3로 doping된 광촉매를 각각 0, 5, 10, 20 wt% 사용한 결과 광촉매량이 증가함에 따라 광분해능도 높아졌는데, 6 h 경과후 각각 19, 24, 35, 58 % 분해되었다.

Fig. 4. Effect of TiO2 amount doped with Fe2O3 on the photodegradation of DDT (□: 0, □: 5, □ : 10, and □: 20 wt% of TiO2 amount doped with Fe2O3).

참고문헌

1. Jobling, S., Nolan, M., Tyler, C. R., Brighty, G., and, Sumpter, J. P.: Environ. Sci. Techol., 32, 2498 (1998).

2. Kulovaara, M., Backlund, P., and Corin, N.: Sci. Total Environ., 170, 185 (1995)

3. Bidlan, R. and Manonmani, H. K.:  Proc. Biochem., 38, 49 (2002).

4. Covaci, A., Hura, C., and Schepens, P.: Sci. Total Environ., 280, 143         (2001)

5. Legrini, O., Oliveros, E., and Braun, A. M. : Chem. Rev., 93, 671 (1993).