In this study, $TiO_2$ nanotubes with different morphologies were prepared in the electrolyte consisting of ethylene glycol, ammonium fluoride($NH_4F$), and deionized water($H_2O$) by controlling the voltage and time in the anodization method. Thicknesses and pore sizes of these $TiO_2$ nanotubes were measured to interpret the relationship between anodization conditions and $TiO_2$ nanotube morphologies. Element contents in the $TiO_2$ nanotubes were detected for further analysis of $TiO_2$ nanotube characteristics. Photoelectrolyticdecolorization efficiencies of the $TiO_2$ nanotube plates with various morphologies were tested to clarify the morphology that a highly active $TiO_2$ nanotube plate should have. Influences of applied voltage in photoelectrolysis processes and sodium sulfate($Na_2SO_4$) concentration in wastewater on the decolorization efficiency were also studied. To save the equipment investment cost in photoelectrolysis methods, a two-photoelectrode system that uses the $TiO_2$ nanotube plates as photoanode and photocathode instead of adding other counter electrodes was studied. Compared with single-photoelectrode system that uses the $TiO_2$ nanotube plate as photoanode and titanium plate as cathode on the view of the treatment of dye wastewater containing different amounts of salt. As a result, a considerably suitable voltage was strictly needed for enhancing the photoelectrolyticdecolorization effect of the two-photoelectrode system but if salts exist in wastewater, an excellent increase in the decolorization efficiency can be obtained.
본 연구는 대표적인 미세먼지와 실내유해물질인 질소산화물의 저감을 위해 이산화티탄 광촉매를 환기장치에 적용한 것으로 그 내용은 다음과 같다. 기존 연구는 실내에 자외선 적용의 한계로 인해 주로 건축자재에 광촉매 혼입을 통해 실외 자재를 대상으로 진행되었다. 자외선 실내 적용 한계를 극복하고자 기존 선행연구를 통해 확인된 이산화티탄 광촉매의 오염물질 분해 효과를 실내에 적용이 가능하도록 자외선램프의 설치가 가능한 반응장치를 설계 및 제작하였다. 해당 반응장치를 실내 환기장치에 적용하여 Mock-Up에 적용하였다. Mock-Up 실험은 그 체적을 시간당 1회, 5회 환기하는 풍량을 변화시켜 NOx 저감 성능을 확인하였다. 그 결과, 환기 풍량이 증가함에 따라 NOx 저감시간이 비례하여 감소되어 그 성능이 증가하는 것을 확인하였다. 해당 연구를 통해 오염물질 저감 효과를 가진 이산화티탄 광촉매의 실내 활용 방안과 그 성능을 확인할 수 있는 기초적인 연구 결과를 도출하였다.
본 연구에서는 대표적인 유기인계 농약인 parathion을 대상으로 태양광의 조사 하에 $TiO_2$ 광촉매반응과 광반응에 의한 처리를 수행하였다. 실험의 결과 $TiO_2$ 광촉매반응이 광반응과 $TiO_2$ 흡착 조건에 비하여 효과적으로 parathion을 제거시켰다. 10 mg/L의 parathion은 90분 이내에 광촉매 반응으로 완전히 제거되었으며 반응시간 150분 후에 TOC는 약 63% 정도 감소되었다. 광촉매 반응에 의한 parathion의 분해에 따라, 질소 형태의 이온 부산물은 ${NO_2}^-$, ${NO_3}^-$, 그리고 ${NH_4}^+$가 발견이 되었고, 황은 ${SO_4}^{2-}$로 약 80%, 그리고 인은 ${PO_4}^{3-}$로 5% 이하로 회수되었다. 또한 parathion의 분해시 유기중간 생성물은 paraoxon과 4-nitrophenol 등이 측정되었으며, 이들 부산물들은 반응이 진행되어 가며 계속 분해됨을 보였다. 광촉매 반응과 광반응에 의하여 처리된 용액의 독성의 감소를 평가하기 위하여 두 가지 생물종인 V. fischeri와 D. magna를 이용하여 처리수의 급성 독성의 감소를 알아보았다. 두 가지 생물종 모두 광촉매반응 조건에서는 처리수의 상대독성이 초기에 비해 반응시간 150분 후에 거의 모두 감소되었고, 광반응 조건에서는 V. fischeri와 D. magna 각각에 대해서 76%와 57%의 상대독성 감소가 관찰되었다. Parathion과 TOC의 감소와 급성독성의 저감양상은 유사한 경향을 보였다.
전구체로서 알콕사이드[Tetraethyl orthosilicate (TEOS), Titanium (IV) isopropoxide (TiP)]를 사용하여 졸-겔 방법으로 전기방사에 적합한 졸을 제조한 후, $(1-x)SiO_2-(x)TiO_2$계 복합 나노섬유를 제조하였다. 제조된 광활성 무기나노섬유의 표면 및 구조적 특성은 X-선회절분석(XRD), 주사전자현미경(SEM), 투과전자현미경(TEM), 열중량분석 및 미분주사칼로리미터분석 (TGA-DSC), 적외선분광분석((FT-IR)을 통하여 확인하였다. $(1-x)SiO_2-(x)TiO_2$계에서 $TiO_2$ 양이 증가하면 전기방사된 복합섬유직경은 증가하였으며, 저온에서 안정한 아나타제 $TiO_2$ 결정에서 루타일로의 상전이는 $1000^{\circ}C$에서의 열처리 후에도 고루 분산되어 있는 $SiO_2$로 인해 $0.6SiO_2-0.4TiO_2$계까지는 아나타제상으로 존재하였다. $SiO_2-TiO_2$계 복합체 나노섬유의 광활성은 메틸렌블루 광분해 실험 및 UV-vis/DRS 분석을 통해 자외선 영역에서 나타남을 확인하였다.
The photocatalytic removal of Ag(I) in water by $TiO_2$ at a various conditions, which are initial Ag(I) concentration, circulation flow rate, $TiO_2$ dosage and methanol concentration, was studied. A continuous flow system with a circular type reactor of the TiO2 suspensions with UV light through an photoreactor column was applied. The major results of this study were as follows; 1. First order kinetics was observed from the result at different initial concentration of Ag(I). As the initial Ag(I) concentration was incereased, the reaction rate was decreased. 2. The removal efficiency of Ag(I) increased with increasing the circulation flow rate and $TiO_2$ dosage. However, over $4{\ell}/min$ of circulation flow rate and $1.5g/{\ell}$ of $TiO_2$ dosage, increasing of the efficiency reached a plateau. 3. The addition of methanol as hole scavenger enhanced the removal efficiency of Ag(I) but the removal efficiency reached a plateau over some level of methanol. 4. It was found that $TiO_2$ photocatalysis was effective method to remove of Ag(I) from aqueous solution.
Ozonation was investigated for its ability to remove pyruvic acid in a laboratory-scale batch reactor under various experimental conditions, including UV irradiation, TiO2 addition, and variations in temperature. An ozone flow rate of 1.0 L min-1 and a concentration of 75±5 mg L-1 were maintained throughout the experiment, and pH, COD, and TOC were measured at 10 min intervals during a 60 min reaction. Our results confirmed that the combination of UV irradiation and photocatalytic TiO2 in the ozonation reaction improved the removal efficiency of both COD and TOC in aqueous solution at 20℃. Pseudo first-order rate constants and activation energies were quantified based on the COD and TOC measurements. We observed that the O3/UV, O3/UV/TiO2 system increased mineralization and reduced the activation energy (Ea) necessary for pyruvic acid decomposition.
The photodegradation of phenol and toluene with the $TiO_2$-coated polyethylene (PE) particles were investigated in the slurry type photocatalytic reactor, changing the $TiO_2$ particle sizes, initial phenol and toluene concentrations, and the oxygen flow rate. The nano-sized $TiO_2$ photocatalyst particles were prepared by the diffusion flame reactor and they were coated onto PE particles by using the hybridization system for the efficient recollection of $TiO_2$-coated particles after photodegradation experiments. The degradation efficiencies of phenol and toluene with the $TiO_2$-coated PE particles were more than 90% after photodegradation of 80 minutes for most cases. The efficiencies of photodegradation with the $TiO_2$-coated PE particles were found to be lower than those by the pure $TiO_2$ particles by 50%, because of the decrease in specific surface area of $TiO_2$ particles in PE particles.
The photocatalytic decolorization of Reactive Red 2B(RR2B) was studied using immobilized photocatalyst/UV System. Two pairs of 20 W UV-B and UV-C lamps were employed as the light source. Immobilization of $TiO_2$ was carried out using sponge (as the photocatalyst body) and silicone sealant(as the binder). The effects of parameters such as the thickness, pore size of sponge photocatalyst and attached material on the reactor bottom were investigated. The results showed that the optimum thickness of sponge photocatalyst was 1 cm. Decolorization of reactor which had the bottom coated $TiO_2$ was higher than that of reactor attached aluminum plate. Decolorization of photocatalyst with large pore size(mean pore size, 3.8 mm) was higher than that of the small(mean pore size, 1.75 mm). Initial decolorization of RR2B could be descrived using the Langmuir-Hinshelwood(L-H) model and gave constant values of $0.55mg/l{\cdot}min(k)\;and\;2.65{\times}10^{-2}l/mg(K)$, respectively.
Methylene blue(MB) was photocatalytically degraded with one-body photoanode and solar simulator to investigate the possible application to both environmental purification and photoelectrochemical cell for hydrogen production. Photoactive titanium dioxide was formed on both sides of Ti plate following steps such as rinsing-annealing-calcination or anodizing(20 V, 30 V)-annealing($350^{\circ}C$, $450^{\circ}C)$ after etching. The prepared titania plate($2cm{\times}2\;cm$, ca 1.6 mg $TiO_2$ on the basis of $1\;{\mu}m$ thickness) was used to degrade MB(10 ppm in 200 mL solution). The reaction tended to follow the Langmuir-Hinshelwood kinetics with zero order. Comparative experiments with Degussa P25 showed the same zero order kinetics when 2 mg of P25 had been used, while the first order kinetics when 200 mg used. This concludes the feasibility of the prepared titania plate as a material for the purification of low-level harmful organics and an electrode or a membrane for photoelectrochemical system for hydrogen production.
Titania sols or powders were are very promising materials for environment as photocatalyst. The band gap energy of $TiO_2$ has been known to be 2.8 to 3.2 eV. But the measuring system of its band gap is usually depend on absorption properties. Thus, in this study, absorption properties of $TiO_2$ sols prepared by hydrothermal process were researched with the effect of various particle sizes and concentrations. The mean particle size in $TiO_2$ sols increased as 15 nm to 60 nm, absorption graph measured by UV-Vis spectrometer shows to move red-shift. When dilute solution added with $2^n$ in $TiO_2$, the band gap energy increases as linear function.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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