Article
  • Photocatalytic Decomposition Characteristics of pH-Responsive Polymer/TiO2/MWCNT Nanocomposite

  • Minji Lim, Jihyun Park, Jieun Song, and Hyung-Il Kim†

  • Department of Chemical Engineering and Applied Chemistry, College of Engineering, Chungnam National University, 99 Daehak-ro, Yuseong-gu, Daejeon 34134, Korea

  • pH 감응성 고분자/TiO2/MWCNT 나노컴포지트의 광촉매 분해 특성

  • 임민지 · 박지현 · 송지은 · 김형일†

  • 충남대학교 응용화학공학과

Abstract

Photocatalyst for wastewater purification was prepared by using TiO2 as a photocatalyst and MWCNT as an electron transferring additive. Polymer nanocomposite was prepared by dispersing the photocatalyst in the hydrogel consisting of hydrophilic poly(vinyl alcohol) (PVA) and pH-responsive polyacrylamide (PAM). Characteristics of PVA/PAM/ TiO2/MWCNT nanocomposite were investigated by SEM, XRD, FTIR, and UV spectrometer. Electron transferring effect of MWCNT played an important role in the significant improvement of photocatalytic decomposition of organic dye by PVA/PAM/TiO2/MWCNT nanocomposite.


TiO2를 광촉매로 사용하고 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 전자전달체로 사용하여 폐수정화용 광촉매를 구성하였다. 이를 친수성 폴리비닐알코올(PVA) 및 pH 감응성 폴리아크릴아미드(PAM)로 구성된 하이드로젤에 분산시켜 고분자 나노컴포지트를 제조하였다. PVA/PAM/TiO2/MWCNT 나노컴포지트의 특성을 SEM, XRD, FTIR 및 UV분광분석기를 사용하여 조사하였다. PVA/PAM/TiO2/MWCNT 나노컴포지트에 있어서 MWCNT의 전자전달 효과로 인하여 유기 염료에 대한 광촉매 분해 특성이 현저히 향상되었다.


Keywords: photocatalyst, carbon nanotube, pH-responsive hydrogel, nanocomposite

서 론

수질오염은 실생활에 밀접한 관련이 있고, 침출수 등 일반인의 관심이 큰 분야로서 최근 들어 가장 시급히 해결해야 할 환경문제 중 하나로 대두되고 있다. 산업체에서 사용되는 화학물질은 4만 3천여종으로 다양한 화학물질이 자연계로 배출되었을 경우 완전히 분해되지 않고 잔존하여 인간과 동물을 위협하는 등 여러 가지 환경문제를 야기할 수 있다.1 이러한 산업 폐수를 처리하는 기존의 방법으로는 화학적 방법, 생물학적 방법, 오존 산화방법 및 자외선과 오존을 함께 사용하는 방법 등이 있는데, 기존의 화학적 처리의 경우 오염물질을 제거하기 위하여 폐수에 또 다른 물질을 첨가하여야 하는 본질적인 약점뿐만 아니라 정화를 위한 처리 비용이 많이 든다는 단점이 있다.2 이러한 본질적인 단점을 해결하기 위해 오염물질 분해 방법에 대한 연구개발이 폭넓게 이루어지고 있는데 오염물질의 효과적인 분해를 위한 방법의 하나로 광촉매를 이용한 연구가 활발히 진행되고 있다.
광촉매는 광반응을 가속시키는 촉매로 반응에 직접 참여하되 소모되지 않으면서 기존의 광화학 반응과는 다른 반응기구를 통해 반응속도를 증가시키는 촉매이다. 대표적 광촉매인 TiO2는 반도체 물질로서, 빛에너지를 받아 생성된 공유띠 정공과 여기된 전도띠 전자가 계면에서 전자 전이를 일으킴으로써 빛에너지를 화학에너지로 변환시킨다. 광촉매 기술은 에너지, 환경 측면에서 대표적인 미래기술 중의 하나로 알려져 있다.3,4
하이드로젤은 3차원 그물 구조를 갖는 가교된 고분자로서독특한 열역학 및 생체 의학적 특성으로 인하여 응용 연구가 광범위하게 진행되고 있다. 하이드로젤은 수소결합 관능기 또는 이온 관능기로 인하여 물에 쉽게 팽윤되지만 용해되지 않는 특성을 나타낸다. 또한 온도, pH, 전기 에너지 등 외부 자극에 대한 응답성을 나타낼 수도 있는데 이러한 고분자를 자극 응답성 또는 지능형 고분자라고 한다.5
탄소나노튜브(cabon nanotube, CNT)는 높은 기계적 강도, 큰 표면적, 속이 비어 있고 층으로 이루어진 구조 및 높은 화학적, 열적 안정성 등을 지니고 있어 폐수의 오염물질을 제거하기 위한 흡착제와 같은 첨단 기능성 소재로써 그 중요성이 대두되고 있다.6-9 하지만, 나노소재 특성과 낮은 생분해성 때문에 물 속에 잔류할 경우 안전성 문제가 대두된다. CNT의 나노 크기 때문에 기존의 분리 방법을 이용해 CNT를 물속에서 효과적으로 제거하기가 어려워 이를 사용하는 데에 많은 제한이 따른다.10-12 이를 해결하기 위해 CNT의 고정화 연구가 요구되고 있다.
본 연구에서는 폐수 속에 포함되어 있는 유기오염원을 분해하기 위하여 광촉매로 TiO2를 사용하였다. 광촉매 효율을 감소시키는 요인으로서 활성화 후 나타나는 전자와 정공의 재결합의 문제를 해결하기 위한 간편한 방법으로 전도성이 우수한 CNT를 TiO2와 함께 적용하였다. 또한 나노소재 사용후 회수 문제를 해결하기 위하여 이러한 광촉매 복합체를 하이드로젤에 고정하여 나노컴포지트로 제조함으로써 회수 용이성 뿐만 아니라 나노소재의 잔류에 의한 이차적인 오염을 방지하고자 하였다. 또한 pH에 감응하는 고분자를 하이드로젤 소재로 이용하여 수질 환경조건에 따른 광촉매 분해 선택성을 조절하고자 하였다.

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    ISSN 2234-8077(Online)
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This Article

  • 2018; 42(6): 1091-1095

    Published online Nov 25, 2018

  • 10.7317/pk.2018.42.6.1091
  • Received on Jul 26, 2018
  • Revised on Aug 9, 2018
  • Accepted on Aug 9, 2018

Correspondence to

  • Hyung-Il Kim

  • Department of Chemical Engineering and Applied Chemistry, College of Engineering, Chungnam National University, 99 Daehak-ro, Yuseong-gu, Daejeon 34134, Korea

  • E-mail: hikim@cnu.ac.kr
  • ORCID:
    0000-0001-6975-1126