Contamination of water can cause lots of environmental problems, therefore to purify waste water contaminants such as heavy metal ions and organic materials, adsorption and photo-catalysis process were studied in here.
We developed various nanostructured carbon nitride (g-$C_3N_4$) which is consisted of tri-s-triazine nitrogen structure stacking in graphitic manner, i.e. non-structure (Bulk), MCA, HS, and 3-d cubic g-$C_3N_4$ to get large surface area and expose its functionalities such as -N=/-NH-/-$NH_2$. The functionalities can be considered as active sites for adsorption of metal ions due to the lone pair electrons on nitrogen atom. Additionally $sp^2$ hybridization of carbon and nitrogen atoms of g-$C_3N_4$ shows electrical and optical properties similarly with semiconductors which are used as photo-catalyst such as $TiO_2$. Correspondingly the semiconductor properties of g-$C_3N_4$ can utilize to remove organic materials in waste water.
The metal ion adsorption isotherm studied with respect to initial concentration, pH, temperature, time, and existence of light exposure. Furthermore, organic materials were degraded using metal ion supported g-$C_3N_4$ by adsorption to enhance its photo-catalytic activity.
Among various structures and metal ions, the silver ions can be remove ca. 417 mg/g onto 3-d g-$C_3N_4$ due to its large surface area and pore volume. From kinetics study, the mechanism of silver ion adsorption was investigated that chemical sorption is dominant and redox sorption portion is raised with increasing sorption time. Moreover, heat of adsorption which was calculated at 298.15 and 318.15 K using Van’t Hoff and Sips isotherm equation is indicated the heterogeneity and non ideality of real process.
To remove organic materials in waste water, Rhodamine B was degraded using commercial $TiO_2$ nanoaprticle, nanostructured g-$C_3N_4$, and silver ion assisted g-$C_3N_4$ by adsorption. The photo-catalytic ability can be enhanced using 100 mM silver ion doped g-$C_3N_4$.
본 연구에서는 탄소와 질소의 이원화합물인 그래피틱 카본나이트라이드의 나노구조체를 합성하여 수 처리를 위한 새로운 종류의 흡착제로 사용하였다. 삼차원 정입방체 구조의 그래피틱 카본나이트라이드의 경우 은이온에 대한 흡착 성능이 가장 우수 했으며, pH5 근처의 용액에서 흡착능이 좋았다. 흡착속도 실험을 통해서 준2차 실험식과 잘 부합하는 것을 확인 할 수 있었으며, 즉, 흡착과정은 흡착제 표면에 발현된 다량의 아민 그룹에 의한 화학적 흡착인 것을 확인할 수 있었다. XPS 표면분석을 통해서 흡착의 메커니즘을 규명 할 수 있었으며, 기존에 사용하는 실리카 표면을 아민으로 개질한 흡착제 보다 우월한 성능을 보임을 확인 할 수 있었다. 또한 반도체적 성질을 가지고 있는 카본나이트라이드의 광촉매적 활성을 이용하여 하수의 유기물을 광촉매 반응으로 분해하였으며, 금속 이온 흡착을 통해 흡착제 표면 및 다공 속에 금속이온을 도핑하여 광촉매의 성능을 더욱 향상 시킬 수 있었다. 금속이온 및 유기물질의 제거는 수 처리 공정에 있어서 매우 중요한 과정이나, 제거 메커니즘이 상이하여 여러 단계의 공정이 필요하다. 또한 현재 사용되고 있는 생물분해 공정의 경우 공정의 가격이 비싸고, 운전이 어려운 단점이 있으나 본 연구에서 이용한 금속이 흡착된 카본나이트라이드를 사용할 경우, 금속이온의 제거뿐 아니라 유기물의 분해에도 함께 사용할 수 있기 때문에 두 가지 프로세스를 각각 진행할 때보다 공정비용이 감소하는 효과를 얻을 수 있다. 본 연구를 통해 나노구조의 카본나이트라이드 구조체를 유도하여 흡착제 및 광촉매로써 동시 사용가능 하도록 함으로써 효과적인 수 처리 공정 방법을 제시 할 수 있었다.
