테트라사이클린 분해를 위한 매우 효율적이고 안정적인 ZnFe2O4 촉매를 사용한 퍼옥시모노황산염의 활성화

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13932(2023) 이 기사 인용

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테트라사이클린(TC)은 생태계에 악영향을 미치는 널리 사용되는 항생제이므로 환경에서 제거해야 합니다. 항생제를 포함한 오염 물질을 산화시키는 강력한 능력과 이러한 오염 물질에 대한 선택성으로 인해 황산염 라디칼(SO4·-)을 기반으로 한 개선된 산화 방법이 상당한 관심을 받고 있습니다. 본 연구에서는 ZnFe2O4 촉매를 이용하여 PMS(peroxymonosulphate)를 활성화시켜 TC를 제거하는 새로운 기술을 개발하였다. 공침법을 이용하여 철계 물질에 아연을 도핑하여 ZnFe2O4 촉매를 제조함으로써 산화환원 사이클을 증가시켰으며, PMS는 활성을 가지며 자유라디칼 생성을 촉진시켰다. 전자 상자성 공명 분광학 결과에 따르면 ZnFe2O4 촉매는 PMS를 활성화하고 SO4·-, HO·, O2·- 및 1O2를 생성하여 TC를 제거할 수 있습니다. 이 연구는 PMS를 활성화하고 항생제를 파괴할 수 있는 매우 효과적인 이종 촉매를 생성하는 새로운 방법을 제공합니다. 이 연구는 초고성능 액체 크로마토그래피-질량 분석법을 사용하여 확인된 생성물을 기반으로 TC의 수산화 및 개환과 같은 분해 경로를 제안합니다. 이러한 결과는 제조된 ZnFe2O4 촉매가 TC를 효과적으로 제거하고 우수한 촉매 성능을 나타냄을 보여주었다.

최근 급속한 산업 발전으로 인해 점점 더 많은 항생제 오염 물질이 수역으로 배출되어 수질 오염이 점점 더 심각해지고 있습니다. 테트라사이클린(TC)은 의료 및 축산1에서 널리 사용되는 항생제입니다. 그러나 상당량의 TC가 환경으로 방출되고 인간이나 동물에 흡수되지 않아 미생물 저항성이 증가하고 생태계에 해로운 영향을 미칩니다2,3. 양식 폐수에서 20mg/L에 달하는 TC 수준이 보고되었으며, 최근에는 식수에서도 TC가 검출되었습니다4,5. 따라서 수용액에서 TC를 제거하는 효과적인 방법이 시급한 관심사가 되었습니다.

최근에는 흡착, 생분해6, 광분해7,8, 고급 산화 공정(AOP)9 등 다양한 방법을 사용하여 물에서 항생제를 제거했습니다. 흡착, 분리막 공정 등 기존 방식은 2차 오염물질 발생, 고비용, 지루한 공정 등의 한계를 안고 있는 경우가 많습니다. 큰 유기 분자가 작은 유기 분자 화합물은 물론 H2O와 CO2까지 변환되는 AOP의 사용은 TC10,11을 제거하는 가장 효과적인 방법입니다. PMS(peroxymonosulfate) 활성화를 기반으로 한 고급 산화 공정은 항생제 치료를 위한 유망한 기술.

SO4·−는 펜톤 반응을 통해 생성된 H2O·에 비해 더 높은 산화 전위, 더 긴 지속 시간 및 더 넓은 pH 범위를 갖습니다12. 일반적으로 PMS 또는 퍼옥시디설페이트(PDS)와 같은 과황산염은 SO4·–13,14,15를 생성하는 데 사용됩니다. 비대칭 구조를 가진 PMS는 견고한 대칭 구조를 가진 PDS보다 더 강한 산화 성능을 나타냅니다16. 따라서 PMS는 일반적으로 금속 함유 촉매(Co, Fe, Cu 및 Mn)를 사용하여 촉진되는 라디칼 황산염 기반 AOP에 널리 사용됩니다. 그러나 실제 적용을 위해서는 매우 효과적이고 안정적이며 재활용 가능한 이종 촉매가 여전히 필요합니다. 불균일 촉매는 촉매 회수의 용이성, 2차 오염 물질의 최소 방출 및 극한 조건(고압 및 고온)에서 작동할 수 있는 가능성으로 인해 균일 촉매에 비해 PMS 활성화제로 선호됩니다.

전이금속 기반 촉매 중 Fe 기반 촉매는 높은 효율성, 안전성, 무독성, 저렴한 가격으로 인해 PMS를 유발하는 데 자주 활용됩니다. PMS를 활성화하여 유기 오염물질을 분해할 수 있는 Fe 기반 촉매에는 자성 Fe3O4, α-Fe2O3, γ-Fe2O3 및 δ-FeOOH23이 포함됩니다. 원자가가 낮은 Fe2+와 Fe0는 쉽게 산화되지만 Fe2+/Fe3+의 느린 주기로 인해 PMS 활성화 효율이 낮아집니다. 따라서 이러한 부정적인 영향을 제거하기 위해 촉매 활성 및 안정성을 향상시키기 위한 대체품으로 이종금속 산화물 촉매가 제안되었습니다. 과거에는 Fe-Mn, Fe-CO 바이메탈 산화물을 촉매로 사용하여 과황산염에 의한 유기 오염물질 분해에 관한 많은 연구가 있었지만20,22,24 CO와 Mn 이온의 침출은 환경에 2차 오염을 야기하므로 , 본 연구에서는 환경 오염이 없는 Fe-Zn 바이메탈 산화물 촉매에 중점을 두었습니다.