Photocatalysis under sunlight irradiation is a promising technology for the removal of organic contaminants in an aqueous environment. In this dissertation, the photocatalytic degradations of (1) amoxicillin (AMO), (2) dissolved organic matter (DOM), and (3) effluent organic matter (EfOM) by artificial sunlight irradiation assisted with photocatalysts (WO3 and ZnO) are studied. Specifically, the effect of operational parameters on the degradations is investigated and optimized using response surface methodology (RSM).First, the photocatalytic degradation of AMO under WO3-assisted artificial sunlight is examined at various initial AMO concentrations, WO3 dosages, and pH levels. Under all experimental conditions, the AMO degradation achieves high rates after 180-min irradiation (80-100%) and follows pseudo-first-order kinetics, in which the AMO degradation decreases with the increasing initial AMO concentration and pH and increases with the increasing WO3 dosage. On the other hand, the mineralization of AMO, measured by dissolved organic carbon (DOC), is much lower due to the intermediate products formed by the AMO oxidation (m/z = 160 and m/z = 114). The optimal experimental condition is found as 1.0 μM initial AMO concentration, 0.104 g/L WO3 dosage, and pH 4, under which an almost complete degradation of AMO (99.99%) is achieved.Second, the photocatalytic degradation of DOM under ZnO-assisted artificial sunlight is investigated under various ZnO dosages, pH levels, and added inorganic anions (e.g., Cl─,SO42─, and HCO3─). The degradation of DOM measured by DOC, UV/Vis spectroscopy, and fluorescence excitation-emission matrices (EEMs) coupled with parallel factor analysis (PARAFAC) (i.e., two terrestrial humic-like components C1 and C2), follows first-order kinetics. The DOM degradation increases with the increasing ZnO dosage and is highest in pH 7 and lowest in pH 4. The addition of inorganic anions to the experimental solution inhibits the photocatalytic degradation of DOM, in which the addition of HCO3─ exhibits the strongest inhibition effect. The DOM degradation is optimized at 0.3 g/L ZnO and pH 7, under which the after-180-min-irradiation DOM removals are 60.9% (DOC), 96.5% (UV254), 99.3% (C2), and 100% (C1).Third, the impact of EfOM from wastewater effluent on the properties of organic matter in receiving water and the efficiency of its removal by ZnO-assisted artificial sunlight are investigated. Experimental samples are collected from upstream (i.e., DOM), wastewater effluent (i.e., EfOM), and downstream (i.e., EfOM-impacted) of a wastewater treatment plant (WWTP) on Han River, Seoul. Three components are identified from the experimental samples using PARAFAC analysis, including a humic-like component (C1), a tyrosine-like component (C2), and a terrestrial-like humic component (C3). Compared to DOM, EfOM has a higher SUVA254, a higher FI, and more abundant humic-like components. With the increasing contribution of EfOM in receiving water, C1 and C3 increase while C2 decreases. The photocatalytic degradation of DOM, EfOM and EfOM-impacted, measured by DOC, UV254, and three components, follows first-order kinetics. A reduction in the degradation efficiency is observed as the concentration of EfOM increases, indicating that EfOM has a potentially negative impact on the efficiency of drinking water treatment. Moreover, a PARAFAC-component based method incorporated with the flow data can be successfully utilized in estimating the concentration of EfOM in receiving waters.
자연광에서 활성을 갖는 광촉매을 이용하여 유기오염물질을 제거하는 광촉매분해는 그린기술로서 수처리분야에서 관심이 높은 기술이다. 이 논문에서는, 자연광에 우수한 활성을 갖는 광촉매(WO3 및 ZnO)와 인공 태양광조사를 결합한, 광촉매분해 반응 공정에 의해, (1) 항생제 물질인 아목시실린(Amoxicillin, AMO), (2) 용존유기물질(dissolved organic matter, DOM) 및 (3) 하수방류수 유기물질(effluent organic matter, EfOM)의 분해 반응 및 기작, 변수의 영향 등에 관하여 연구하였다. 각 공정에서의 변수의 최적 조건 도출을 위해 반응 표면 방법론 (RSM)을 사용하여 실험을 설계하였다.첫째, WO3 와 인공 태양광 조사시, AMO의 광촉매 분해에 관한 연구를 위해 초기 AMO의 농도, WO3 용량 및 반응 pH 조건의 변수를 변화시켰다. 실험 조건에서 AMO 분해는 180 분간 인공태양광 조사, 80-100% 이상의 높은 제거율을 보였으며, 1차 반응속도식을 따랐다. AMO분해는 초기 AMO 농도 및 pH가 증가함에 따라 감소하고, WO3의 양이 증가함에 따라 처리효율도 증가했다. 반면, 용존유기탄소(DOC)로 측정한 AMO의 최종 무기물화 (mineralization)는 LC-MS/MS로 측정된 AMO자체의 제거율보다 낮았으며, 이는 분해의 중간생성물(m/z = 160, m/z = 114) 중의 상당부분이 DOC를 유발하는 물질로 변형되었기 때문인 것으로 판단된다. 최적반응표면은 2차다항식의 의해 잘 설명되는 것으로 나타났으며, 실험 조건은 AMO초기농도가1.0 Μm, WO3의 용량이 0.104 g/L, pH조건이 4일 때, 거의 완전히 분 (99.99%)되는 것으로 나타났다.둘째, 광촉매제로ZnO를 사용한 인공태양광 조사연구에서는 DOM의 광촉매 분해시는 ZnO 용량, pH 및 음이온 (예: Cl─,SO42─, 및 HCO3─)성분이 미치는 영향을 이해하였다. DOC, UV/Vis 분광인자, EEM-PARAFAC 모델링 기법을 통해 DOM의 성분 및 분해기작을 조사하였으며, PARAFAC 모델링을 통해 특성이 다른 두 종류의DOM구성물질로 C1 및 C2를 분리해내었다. DOM의 분해는 ZnO용량이 증가함에 따라 증가하며, pH 7에서 가장 높고 pH 4에서 가장 낮았다. 무기 음이온을 첨가하면 DOM의 광촉매 분해가 억제되며, HCO3─ 첨가시 가장 강력한 억제 효과가 나타났다. DOM 분해는 0.3 g/L ZnO 및 pH 7에서 최적화되며, 180 분 조사 후 DOM 제거율은 DOC 60.9 %, UV254 96.5 %, C2 99.3 % 및 C1 100 %로 나타났다.셋째, 하수방류수에 포함된 EfOM이 수용수계내 존재하는 유기물의 특성에 미치는 영향과 유기물의 특성변화로 인해 ZnO-기반의 인공 태양광 조사시스템 하에서의 처리효율이 어떻게 달라지는지 연구하였다. 실험을 위해 서울시 주요 하수처리장 중의 하나인 서남처리장의 방류지점을 기준으로, 상류(즉, DOM), 방류수(즉, EfOM) 및 하류(즉, EfOM 영향수)에서 원수를 채수하였다. EEM-PARAFAC 모델링 기법을 사용하여 실험 샘플에서 세 가지 구성 요소(C1, C2, C3)를 분리해내었으며, 휴믹 유사 성분 (C1), 티로신 유사성분 (C2) 및육상기원의 휴믹 성분 (C3)으로 특성을 구분하였다. 하수방류지점의 상류가 이미 이전에 녹조 발생 및 하수 방류수의 영향을 받은 것을 확인하였으며, 이로 인해 EfOM은 상류의 DOM에 비해 더 높은 SUVA254, 더 높은 FI 및 더 많은 C1을 보였다. 수용수계에 미치는 하수방류수의 영향에 따라 C1과 C3는 증가하고 C2는 감소하였다. DOC, UV254 및 PARAFAC 3-성분으로 측정된 DOM의 광촉매 분해는 1차 역학을 따르며, EfOM의 농도가 증가함에 따라 분해 효율이 감소되었다. 이는 EfOM 이 하류의 정수처리장 효율성에 잠재적으로 부정적인 영향을 미칠 수 있음을 의미한다. 추가적으로, 수용수계에 미치는 하수의 영향을 유기물의 특성변화 관점에서 평가하고자 할 때, 유량 데이터와 PARAFAC 성분을 결합하여, 보다 정확한 하수유기물의 영향에 대한 평가가 가능함을 보였다.