Appl. Chem. Eng., Vol. 29, No. 1, February 2018, 117-121 https://doi.org/10.14478/ace.2017.1124 Article 최윤정 *, ** 주재백 ** 김상훈 *, ***, * 한국과학기술연구원물질구조제어연구센터, ** 홍익대학교화학공학과, *** 과학기술연합대학교나노 - 정보융합 (2017 년 12 월 11 일접수, 2017 년 12 월 13 일심사, 2017 년 12 월 26 일채택 ) An Electro-Fenton System Using Magnetite Coated One-body Catalyst as an Electrode Yun Jeong Choe*, **, Jeh Beck Ju**, and Sang Hoon Kim*, ***, *Materials Architecturing Research Center, Korea Institute of Science and Technology, Seoul 02792, Korea **Department of Chemical Engineering, Hongik University, Seoul 04066, Korea ***Division of Nano & Information Technology, University of Science and Technology, Daejeon 34113, Korea (Received December 11, 2017; Revised December 13, 2017; Accepted December 26, 2017) 초록하폐수고도산화처리 (AOP, advanced oxidation process) 중하나인펜톤산화법과전기화학적방법을결합한전기펜톤산화법의 cathode에 stainless steel mesh (SUS mesh) 를적용하였다. 난분해성물질인염료 methylene blue (MB) 용액에대해서, SUS mesh의표면처리및산화철코팅여부에따라전기펜톤산화처리의효율이어떻게달라지는지를비교, 분석하였다. MB분해반응의효율비교를통해 mesh 표면에코팅된산화철의양이많을수록전극의촉매특성이높아짐을확인하였고, 이는전극표면에서 in situ로발생하는과산화수소의발생량이높아지는것과연관이있었다. 전류- 전위순환법 (CV) 을통해개발된전극의전기화학적특성을평가해본결과, mesh 표면에코팅된산화철의양이많을수록전기화학적산화-환원특성또한개선되었고, 이것이우수한전기펜톤산화전극으로서의성능과밀접한관계가있음을확인하였다. Abstract A stainless steel mesh was applied to the cathode of an electro-fenton system. Methylene blue (MB) solution was chosen as the model waste water with non-biodegradable pollutants. For the model waste water, the degradation efficiency was compared among various SUS mesh cathodes with different surface treatments and magnetite coatings on them. With increasing amount of the magnetite coating on SUS mesh, the degradation efficiency also increased. The improved electro-catalytic characteristic was explained by the increased amount of in situ generated hydrogen peroxide near the cathode surface. Cyclic voltammetry data also showed improved electro-catalytic performance for SUS mesh with more magnetite coatings on them. Keywords: advanced oxidation process, fenton process, methylene blue, magnetite, sus-mesh electrode 1)1. 서론 최근산업폐수및생활하수내포함되는오염물질의종류가다양해지면서기존의물리적, 화학적, 생물학처리기법으로는분해되지않는난분해성오염물질에의한수질오염이심각한문제로대두되고있다. 이에대응하기위하여고도산화처리기술 (advanced oxidation process, AOP) 에대한연구개발이활발히이루어지고있다. 그중가장널리알려진기술로펜톤산화법 (Fenton s reaction) 이있는데, 이방식에서는산화제인과산화수소 (H 2 O 2 ) 를철이온으로활성화시켜서폐수내에서 OH 라디칼생성시켜이라디칼들이난분해성물질을무차별적으로산화분해한다 [1,2]. 최근에는펜톤산화법의여러가지문제 Corresponding Author: Materials Architecturing Research Center, Korea Institute of Science and Technology, Seoul 02792, Korea Tel: +82-2-958-5426 e-mail: kim_sh@kist.re.kr pissn: 1225-0112 eissn: 2288-4505 @ 2018 The Korean Society of Industrial and Engineering Chemistry. All rights reserved. 점들을해결하기위하여전기화학적인방법과결합한전기펜톤산화법 (electro-fenton reaction) 에관한연구가활발하게진행되고있다 [3]. 전기펜톤산화반응은철이온과과산화수소를이용하는펜톤산화법을응용하여, cathode에서물속용존산소를환원시켜과산화수소를 in situ로발생시키고외부에서투입한철염으로활성화하는방법, 또는 anode에서철이온을발생시켜서외부에서투입된과산화수소를활성화하는방법등이있다 [4,5]. 하지만이러한반응은과산화수소의직접투여로인한비용문제나추가된철이온이반응후슬러지를형성하는문제등을야기하는문제점을가지고있다 [6,7]. 이러한문제점을해결하기위해서최근우리연구에서는 metal foam을기본지지체로하고그위에금속산화물을코팅한 cathode를일체형촉매로사용하고전기화학적인방법을추가하여과산화수소를 in situ로생성하고반응후슬러지발생을억제하는전기펜톤산화시스템을보고하였다 [8]. 그러나이연구에사용된 metal foam은원래온도변화나기계적진동의폭이심한극한환경에적용되는용도로개발된고가의재료로, 비록우수한특성을가지기는하지만비용문제를중시할수밖에 117
118 최윤정 주재백 김상훈 Figure 1. Schematic diagram of our electro-fenton system. 없는하폐수처리에적용하기에는실질적으로무리가있다. 이에이번연구에서는 metal foam 대체재로서구하기쉽고비용적부담이적은 stainless steel mesh (SUS mesh) 를기본지지체로 cathode에적용하였고, 지지체표면처리및열처리조건에따라수처리효율이어떻게달라지는지를비교, 분석하였다. SUS mesh에산화철을안정적으로코팅하기위하여우선 sand-blasting법을사용하여 SUS mesh 표면을거칠게표면처리하고, 이 mesh 위에 wash-coating법을이용하여산화철 (magnetite) 분말을코팅하였다. 모델오염물질로는난분해성물질로대표적인염료메틸렌블루 (methylene blue, MB) 를사용하였다. 2.1. 실험재료 2. 실험 본실험에사용된시약은 Fe 3 O 4 (95%, Sigma-Aldrich), C 16 H 18 Cl methylene blue solution (0.05 wt% in H 2 O, Sigma-Aldrich), Na 2 SO 4 ( 99.0%, Sigma-Aldrich), H 2 SO 4 (99.999%, Sigma-Aldrich), NH 2 OH HCl (Sigma-Aldrich, 99.0%), CH 3 COONa (Sigma-Aldrich, 99.0%), 1,10-phenanthroline (C 12 H 8 N 2, Sigma-Aldrich, 99%), neocuproine (C 14 H 12 N 2, Sigma-Aldrich, 98%), CuSO 4 5H 2 O (Sigma-Aldrich, 98.0%), phosphate buffer (SAMCHUN, ph7.2), (NH 4 ) 2 Fe(SO 4 ) 2 6H 2 O (Sigma-Aldrich, 99%), H 2 O 2 (Sigma-Aldrich, 29.0~32.0 wt%, H 2 O 2 basis) 이었고, CH 3 OH (99.8%), C 6 H 5 OH (99%), CH 3 COCH 3 (99.8%) 은대정화금제품을사용하였다. 전극은 cathode로일반적인방충망이나체로사용되는 SUS 304 mesh (60 mesh, 130 µm) 2 2 cm를사용하였고, anode 로는 graphite plate 3 4 cm를사용하였다. 2.2. 실험방법 Cathode 전극은기본적으로 SUS mesh 표면에산화철을코팅한일체형촉매를사용하였다. SUS mesh에산화철을코팅하기에앞서열처리를통해표면을산화시켰다. 열처리조건은 700 또는 800 에서각각 1 h씩, 승온속도는 5 /min으로하여 Air 분위기로진행하였다. 그후 acetone, ethanol, D.I water 순으로초음파세척하고평균 25 µm의크기의모래분말을이용한 sand-blaster로표면을거칠게만들었다. 이과정을통하여표면적을극대화시키고산화철코팅층과의접착특성을향상시키고자하였다. 이후 SUS mesh에산화철을 washcoating법으로코팅하였다. Wash-coating법에서는 100 ml의 D.I water 와 10 wt% 의산화철을 350 rpm으로교반시킨슬러리에 sand-blasting 처리된 SUS mesh를 30 s간담지한후꺼내어바로 air blowing으로여분의슬러리를제거한후, 80 오븐에서 24 h 동안건조시켰다. Thermogravimetric analysis (TGA) 는 Air 분위기에서주입속도를 100 Figure 2. TGA graph of bare SUS mesh. ml/min, 승온속도를 10 /min으로측정하였다 (Q1000, TA Instrument). 본실험에사용된실험장치는다음과같다 (Figure 1). 150 ml의비커에 10 ppm의메틸렌블루용액 0.1 L를담았다. 그뒤준비된 cathode와 anode를용액안에담그고그간격은 3 cm로고정하였다. 용액을 magnetic stirrer로 300 rpm으로교반하면서 0.2 M Na 2 SO 4 를전해질로첨가해주었다. 이후양전극에 3 V의전압을건뒤시간대별로 MB의분해정도를측정하기위해각시간대별로 1 ml의샘플을채취하여 methanol로 quenching하여반응을정지시켰다. 실험도중 in situ로발생하는과산화수소의양을측정하기위하여같은방식으로실험장치를꾸미고 MB를투입하지아니한순수 D.I water에서각시간대별로각 1 ml씩샘플을채취하였고, 2,9-dimethyl-1,10-phenanthroline법을사용하여발생한과산화수소의농도를측정하였다. 또한 in situ로발생한 Fe 2+ 의농도를측정하기위하여 1,10-phenanthroline법을사용하였다 [9,10]. 2.3. 분석방법 Sand-blasting 처리를한 SUS mesh 표면의형상및조성을관찰하기위하여주사전자현미경을사용하였다 (FEI, Insect F50). 용액내 MB의농도는 UV-vis spectrophotometer (Cary 100 UV-VIS) 를사용하여 660 nm에서흡광도를측정하였고, 생성된과산화수소의농도와용출된 Fe 2+ 의농도는각각 454 nm와 510 nm에서측정하였다. 개발된일체형촉매전극의전기화학적특성을확인하기위해서순환전압전류법 (cyclic voltammetry, CV) 을 ZIVE SP2 (WonATech) 로측정하였다. 개발된촉매전극을작동전극 (working electrode) 으로두고, 기준전극 (working electrode) 으로는 Ag/AgCl 전극을, 반대전극 (counter electrode) 으로는 Pt wire를사용하였다. 3. 결과및고찰 3.1. SUS mesh 전극표면분석실험방법에서상술한대로상온에서 SUS mesh 표면을 sand-blasting 후산화철분말을코팅하기에앞서, 열처리를통해 SUS mesh 표면을산화처리하고 sand-blasting이용이하게만들었다. 이산화처리가 SUS mesh에미치는영향을알아보기위하여우선 TGA를이용한열분석을시행하였다 (Figure 2). TGA 결과에따르면 SUS mesh는 1,000 까지무게변화가 3.7% 정도로매우적었다. 이결과는표면에남아있었던불순물등이연소되어날아간것이외에는 mesh 자체의질량이감소하지는않았다는점을뜻한다. 즉, 1,000 까지 SUS mesh의열적안정성이매우높음을보여준다. 그러나 900 이상의고온에서 공업화학, 제 29 권제 1 호, 2018
119 Figure 5. Effect of Cathode types on the removal rate of MB. Figure 3. SEM images of (a) 700 heat-treatment, (b) 700 heat treatment after sand-blasting, (c) 800 heat-treatment, (d) 800 heat treatment after sand-blasting SUS meshes. wash-coating 후표면의형상은 SEM 관찰결과, 표면에산화철이고루분포되어있었다. Figure 4(b),(d) 가산화철 wash-coating 후 SUS mesh 한가닥의일부를보여주는데, 구형의산화철분말들이요철구석구석에전체적으로잘코팅되어있는것을볼수있다. EDAX 분석에서도아무런처리를하지않은 SUS mesh (standard SUS mesh) 와비교하였을때 Fe 비율이증가한것을통해산화철이코팅되었음을알수있었다. 다만코팅양은 wash-coating 및 air blowing 정도에따라변화가있었으나, SUS mesh 중량대비 10~20 wt% 정도의값을나타내었다. Figure 4. Zoomed in SEM images of (a) before and (b) after wash-coating on 700 heat-treatment, (c) before and (d) after wash-coating on 800 heat-treatment SUS meshes. 열처리를하는경우, SUS mesh의취성 (brittleness) 이높아져쉽게부서졌다. 따라서상온가공전열처리는 800 이하로제한하였고, 열처리를통해표면에산화막을형성시켰다. Figure 3는열처리를통해산화된 SUS mesh 와 sand-blasting 후 SUS mesh 의표면을보여준다. 700 에서 1 h 동안열처리를한 SUS mesh의표면에수십 nm의산화물이코팅된것을확인하였다 (Figure 3(a)). EDAX (energy dispersive spectrometer) 로산화물의조성을확인해본결과, 기존 SUS mesh에비해산소함량이 700 열처리후 19.72 wt%, 800 열처리후 12.06 wt% 증가한것을통해산화막이형성된것임을알수있었다. 열처리를거친 SUS mesh를상온에서평균 25 µm의크기의모래분말을이용한 sand-blasting으로표면처리하였다. 저배율 SEM 이미지인 Figure 3(b), (d) 에서알수있듯이표면처리후 SUS mesh 표면에전체적으로요철이충분히형성되었다. Figure 4(a), (c) 는 sand-blasting 표면처리후 SUS mesh 한가닥의일부표면을고배율로보여주는데, 열처리온도와관계없이표면에거친요철들이잘형성되어있는것을보여준다. 이후표면처리된 SUS mesh에산화철을 wash-coating하였다. 3.2. 전기펜톤산화법을이용한 MB 분해특성앞절에서준비된 SUS mesh 기반일체형촉매들을 cathode 전극에적용하고 Figure 1과같은전기펜톤산화장치를꾸민뒤, 전압을 3 V 로극간거리를 3 cm로유지한상태에서 10 ppm의 MB에대해산화분해정도를측정하였다. 반응전에 0.2M의 H 2 SO 4 를통해 ph를 3으로맞춘뒤, UV-Vis 측정으로시간대별 MB의농도를측정하였다 (Figure 5). 비교전극으로는 standard SUS mesh를사용하였다. MB 100% 분해에걸리는시간은산화철분말을코팅을하지않은 standard SUS mesh를이용하였을때약 140 min으로가장길었고, 700 에서열처리를한뒤산화철을코팅한전극의경우는약 50 min, 800 에서열처리를한뒤산화철을코팅한전극의경우는약 80 min 정도였다. 즉, 산화철을코팅한전극을사용했을때분해속도가높아진것을확인하였고, 그중에서도 700 에서열처리후산화철을코팅한전극이 800 에서열처리를한뒤산화철을코팅한전극보다빠른 MB 분해율을보였다. 이차이를설명하기위하여각기다른온도에서열처리한 SUS mesh에대한산화철코팅량을비교하기위해코팅전후의무게변화량을측정하였는데, 700 에서열처리한 SUS mesh에대한코팅량이 SUS mesh 중량대비 12.1% 로 800 시료에대한 8.1% 보다더많았다. 즉, 반응에참여할수있는산화철의양이 700 시료에더많이존재했다. Figure 6는 MB 분해도중 cathode 전극의질량변화를보여주는데, 700 시료의질량감소가 800 시료의질량감소보다작았고, 이는산화철의 SUS mesh 표면에대한부착특성도 700 시료가 800 시료보다뛰어남을뜻했다. 열처리후산화철을코팅한 SUS mesh의촉매내구성을알아보기위하여각전극을같은조건하에서반복해서 MB 분해제거실험에적용하였다 (Figure 7). 700 시료및 800 시료모두세번째반복사용까지는비슷한경향으로 MB를분해하는것을알수있었다. 떨어져나오는산화철의양도 1 ± 0.5 mg으로변화가거의없었다. 이는 1 h 동안 SUS mesh 중량대비 5 wt% 정도인손실량으로, Figure 6에서와유사한값들을보여주었다. 이분해반응들의시간에따른감소 Appl. Chem. Eng., Vol. 29, No. 1, 2018
120 최윤정 주재백 김상훈 Figure 6. Weight loss comparison of magnetite coated SUS meshes with different heat treatment conditions. Figure 8. Reaction rate constant comparison. (a) (a) (b) Figure 7. Reuse of catalyst prepared at (a) 700 oxidation and (b) 800 oxidation. 형태를보았을때, 유사 1차반응속도모델로설명할수있을것으로판단하였으며, 아래의유사 1차반응속도모델에적용하여반응속도상수 k를도출하였다. (b) Figure 9. (a) Concentration of Fe 2+ in the blank electro-fenton system. (b) Concentration of H 2 O 2 in the blank electro-fenton system. 비율이나 sand-blasting 후형상을비교해보았을때, 열처리온도에따른 SUS mesh 표면의본질적인차이는없었던것으로판단되므로, 700 시료에서 800 시료보다반응속도상수가높게나온것은 700 시료에산화철코팅량이더많았기때문이었던것으로판단된다. ln (1) 초기 50 min 간의반응에대한 k 값들을비교해보았을때, 700 에서의반응속도상수 k 값은 0.0538, 800 에서는 0.0442 정도의값을가졌다 (Figure 8). Figures 2, 3 등을통해열처리후표면조성의 3.3. 전기펜톤산화도중생성되는부산물평가전기펜톤산화반응중생성되는과산화수소의양과산화철에서침출 (leaching) 된 Fe 2+ 양을 2,9-dimethyl-1,10-phenanthroline법과 1,10-phenanthroline법을사용하여측정하였다 (Figure 9). Figure 9(a) 에서알수있듯이, 침출되는 Fe 2+ 양은전극에대한열처리조건과상관없이그양이매우낮았다. 이는철이온의소스라고할수있는산화철분말이 공업화학, 제 29 권제 1 호, 2018
121 하였다. MB분해반응의효율비교를통해 mesh 표면에코팅된산화철의양이많을수록전극의촉매특성이높아짐을알수있었고, 이는 in situ로발생하는과산화수소의발생량이높아지는것과연관이있었다. 또한전류 -전위순환법 (CV) 을통해개발된전극의전기화학적특성을평가해본결과, mesh 표면에코팅된산화철의양이많을수록전기화학적산화- 환원특성이개선됨을확인하였고, 이특성이전기펜톤산화전극으로서의성능과밀접한관계가있음을알수있었다. 감 사 Figure 10. Cyclic voltammetry comparison of SUS meshes. cathode 표면에코팅되어이온화가되기힘은조건이기때문인것으로판단된다. 한편, 과산화수소의발생은 Figure 9(b) 에서알수있듯이, 700 시료에서더많았다. 이는더많은양의산화철이코팅된 700 시료에서더많은양의과산화수소가산화철표면에서아래와같은반응식을통해 in situ로형성되는것을뜻한다 [11]. 이렇게 in situ로과산화수소가발생하는동시에 cationic 염료인 MB는 cathode 쪽으로끌려와대부분전극표면근처에분포한다 [12]. Cathode 전극표면에서생성되는과산화수소는전극표면에코팅된산화철분말의표면에서 OH 라디칼로활성화되는것으로짐작이되며, 전극표면근처에서집중적으로생성된 OH 라디칼은역시전극표면에집중적으로모여있는 MB를효율적으로산화분해시키는것으로판단된다. 700 시료에서더많은과산화수소가생성되었으므로 MB 산화분해속도또한 800 시료보다더빨랐던것으로여겨진다. 3.4. 전류- 전위순환법에의한촉매특성평가전기화학분석법인전류-전위순환법 (CV, cyclic voltammetry) 을사용하여이번연구에사용된전극들의전기화학적특성을고찰하였다. -1.8 V에서 2.0 V 사이전위에서주사속도 50 mv/s로설정하고 SUS mesh 기반전극들을작동전극 (working electrode) 에걸었을때, 전류- 전위순환실험을한결과를 Figure 10에나타내었다. 산화철이코팅되지아니한 SUS mesh 전극에서는산화환원반응이미미하고, 산화철을코팅한전극들은전기화학적산화환원반응이일어남을알수있다. CV 그래프의면적으로산화- 환원전류의크기를비교할때, 700 시료가 800 시료보다컸으며, 이는이전 3.2절에서보았듯이 700 시료의전기화학적특성이 800 시료보다우수함을보여준다. 또한 Figure 9에나타난환원- 산화순환반응은 CV를반복해도일정한산화-환원반응전류크기를유지하였으며, 이는전극의안정성이우수함을나타내었다. 이결과를볼때, 산화철코팅이전극의전기화학적반응성을높여주고, 높아진전기화학적반응성이전기펜톤반응의효율또한높이는것을알수있었다. 4. 결론 이번연구는전기펜톤산화시스템의 cathode로서 SUS mesh가성공적으로적용될수있음을보여주었다. 다만아무런처리를하지않은 SUS mesh의효율은낮았으며, mesh의표면에산화철을코팅하였을때, 그전기화학적효율이높아졌다. 산화철과 SUS mesh 표면의접합특성을향상시키기위하여 SUS mesh는산화및 sand-blasting 처리를 이연구는한국연구재단의기초연구사업지원으로이루어졌으며, 이에감사드립니다 (2015R1A2A2A04004411). References 1. M. M. Assadi, Kh. Rostami, M. Shahvali, and M. Azin, Decolorization of textile wastewater by Phanerochaete chrysosporium, Desalination, 141, 331-336 (2001). 2. P. V. Nidheesh and R. Gandhimathi, Comparative Removal of Rhodamine B from aqueous solution by electro-fenton and electro-fenton-like processes, Clean (Weinh), 42, 779-784 (2014). 3. S. Naskar, S. A. Pillay, and M. Chanda, Photocatalytic degradation of organic dyes in aqueous solution with TiO 2 nanoparticles immobilized on foamed polyethylene sheet, J. Photochem. Photobiol. A, 113, 257-264 (1998). 4. W.-Y. Park, Y.-S. Kim, and S.-h. Kong, A study on treatment of phenol by Fenton s reaction using magnetite, Theor. Appl. Chem. Eng., 2, 2179-2182 (1996). 5. Young Sun Mok, Jin-Oh Jo, Seok Tae Kim, Woo Tae Jeong, Duk-Won Kang, Byong-Ho Rhee, and Jin Kil Kim, Decomposition of hydrogen peroxide in Fenton systems, J. Korean Soc. Environ. Eng., 29, 68-73 (2007). 6. T. M. Do, J. Y. Byun, and S. H. Kim, Magnetite-coated metal foams as one-body catalysts for Fenton-like reactions, Res. Chem. Intermediates, 43, 3481-3492 (2016). 7. M. C. Pereira, L. C. A. Oliveira, and E. Murad, Iron oxide catalysts: Fenton and Fenton-like reactions - a review, Clay Miner., 47, 285-302 (2012). 8. T. M. Do, J. Y. Byun, and S. H. Kim, An electro-fenton system using magnetite coated metallic foams as cathode for dye degradation, Catal. Today, 295, 48-55 (2107). 9. K. Kosaka, S. Matsui, S. Echigo, and K. Shishida, Comparison among the methods for hydrogen peroxide measurements to evalutat advanced oxidation processes: Application of a spectrophotometric method using copper (II) ion and 2,9-dimethyl-1,10-phenanthroline, Environ. Sci. Technol., 32, 3821-3824 (1998). 10. H. Pyenson and P. H. Tracy, A 1,10-Phenanthroline method for the determination of iron in powdered milk, J. Dairy Sci., 28, 401-412 (1945). 11. Ch. Zhang, M. Zhou, G. Ren, X. Yu, L. Ma, J. Yang, and F. Yu, Heterogeneous electro-fenton using modified iron-carbon as catalyst for 2,4-dichlorophenol degradation: Influence factors, mechanism and degradation pathway, Water Res., 70, 414-424 (2015). 12. Y.-R. Zhang, Sh.-Q. Wang, Sh.-L. Shen, and B.-X. Zhao, A novel water treatment magnetic nanomaterial for removal of anionic and cationic dyes under severe condition, Chem. Eng. J., 233, 258-264 (2013). Appl. Chem. Eng., Vol. 29, No. 1, 2018