TiO2 나노입자/UV 결합 침지형 중공사막 시스템에서 자연유기물의 파울링거동

국문 초록 (Abstract)

자연유기물을 처리하는 침지형 중공사막 정밀여과 시스템에서 TiO2 나노입자와 UV를 이용한 광촉매 반응을 적용 시 공기폭기, TiO2 농도, 용액의 pH 그리고 Ca+2의 존재가 자연유기물에 의한 파울링에 미치는 혼합영향을 관찰하였다. 실험결과, TiO2 나노입자 없이 단순 UV의 조사만으로 자연유기물에 의한 파울링은 약 40% 정도 감소시킬 수 있었다. 또한 UV의 조사 없이 TiO2 나노입자의 교반만으로 약 25%의 파울링 감소효과를 나타내었다. 공기폭기가 광촉매 반응에 미치는 영향을 확인해 본 결과 공기폭기를 적용해 주지 않은 경우와 비교했을시 공기폭기로 인한 자연유기물의 제거효율은 약 12% 정도 향상되었다. 이는 공기폭기로 인한 분리막 표면으로부터 자연유기물의 물리적인 역수송 보다는 산소공급으로 인해 광촉매 반응이 더욱 향상된 것으로 판단된다. 공기폭기 유량, TiO2 농도, 용액의 pH 영향정도를 관찰한 결과 공기폭기가 자연유기물 파울링 감소에 미치는 영향이 가장 낮은 것으로 나타났다. 반면, 용액의 pH 경우 낮은 pH (= 4.5)에서 파울링 감소에 미치는 영향이 가장 높은 것으로 관찰되었다. 또한 TiO2 나노입자 농도가 증가할 수록 파울링 감소효과도 증가하였으며 용액의 pH를 낮출수록 파울링 감소는 증가하였다. 이는 낮은 pH에서 서로 반대전하를 지닌 자연유기물과 TiO2 나노 입자간의 정전기적인 인력이 증가하여 TiO2 나노입자 표면에서 자연유기물의 광촉매분해능이 향상된 것으로 사료된다. 또한 자연유기물 중 Ca+2의 첨가는 상대적으로 높은 pH (= 10)에서 자연유기물과 TiO2 나노입자 사이 가교현상을 촉진시켜 Ca+2이 첨가되지 않은 경우와 비교시 높은 파울링 감소효과와 자연유기물의 분해효과를 달성시킬 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, combined effect of airflow rate, TiO2 concentration, solution pH and Ca+2 addition on HA (humic acid) fouling in submerged, photocatalytic hollow-fiber microfiltraiton was investigated systematically. Results showed that UV irradiation alone without TiO2 nanoparticles could reduce HA fouling by 40% higher than the fouling obtained without UV irradiation. Compared to the HA fouling without UV irradiation and TiO2 nanoparticles, the HA fouling reduction was about 25% higher only after the addition of TiO2 nanoparticles. Both adsorptive and hydrophilic properties of TiO2 nanoparticles for the HA can be involved in mitigating membrane fouling. It was also found that the aeration itself had lowest effect on fouling mitigation while the HA fouling was affected significantly by solution pH. Transient behavior of zeta potential at different solution pHs suggested that electrostatic interactions between HA and TiO2 nanoparticles should improve photocatalytic efficiency on HA fouling. TiO2 concentration was observed to be more important factor than airflow rate to reduce HA fouling, implying that surface reactivity on TiO2 naoparticles should be important fouling mitigation mechanisms in submerged, photocatalyic microfiltraiton. This was further supported by investigating the effect of Ca+2 addition on fouling mitigation. At higher pH (= 10), addition of Ca+2 can play an important role in bridging between HA and TiO2 nanoparticles and increasing surface reactivity on nanoparticles, thereby reducing membrane fouling.

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