As technology for use of engineered nanomaterials has been developed, release of nanomaterials into environments has been increased leading to potential harmfulness for the human body. In this study, the effects of pH, ionic strength, and natural organic matter on the filtration of titanium dioxide (Ti$O_2$) and zinc oxide (ZnO) nanoparticles in ultrafiltration (UF) based water treatment process were investigated.
As a result of measuring the size of nanoparticles by dynamic light scattering method, the nanoparticle size increased with increasing ionic strength by DLVO theory. The increase of the pH and the concentration of natural organic matter increased the negative charge of surface due to the changes in surface functional groups and increase in the number of functional groups due to adsorption of natural organic matter. The size distribution of nanoparticles and the concentration of influent and effluent in the membrane process showed that the removal of zinc oxide was greatly influenced by the pH due to ionization of zinc oxide (8-13 % at pH 5, 97-99 % at pH 9). Titanium dioxide, on the other hand, existed as particles in the pH range of 5-9 and showed a removal of over 97%. The ionic strength was increased from 5 mM to 50 mM, but it did not affect the removal of zinc oxide and titanium dioxide in the polymeric membrane and the ceramic membrane because most of the nanoparticles were larger than the pore size of the membrane. When the average size of nanoparticle decreased below 200 nm in the presence of natural organic matter, the number of nanoparticles smaller than the pore size of the membrane increased and the removal of the nanoparticles in the polymeric membrane decreased. On the other hand, the removal of the nanoparticles in ceramic membrane was not influenced by natural organic matter due to different removal mechanism of the polymeric membrane and the ceramic membrane (surface filtration in the polymeric membrane and depth filtration in the ceramic membrane). These results show that fate and transport of nanomaterials depend on aquatic chemistries in membrane-based water treatment process.
제조나노물질을 이용한 제품들이 늘어남에 따라 제조나노물질의 수계 방류량이 늘어나고 있고 이는 인간의 건강에 잠재적인 위험이 되고 있다. 본 연구에서는 한외여과 (UF) 기반 수처리 공정에서 pH와 이온강도, 천연 유기물 (natural organic matter)이 이산화티타늄 (Ti$O_2$)과 산화아연 (ZnO) 나노입자의 여과에 미치는 영향을 조사하였다.
동적광산란법에 의한 나노입자의 입자 크기 측정 결과 DLVO 이론에 의해 이온강도가 증가하면 입자 크기가 증가하였다. pH와 천연 유기물 농도의 증가에 의해 표면 작용기의 변화 및 유기물 흡착에 따른 작용기 개수의 증가로 음전하의 크기가 증가하였다. 나노입자의 입자크기 분포와 막공정에서 유입수와 유출수의 농도 측정 결과 산화아연의 제거율은 산화아연의 이온화로 인해 pH에 크게 영향을 받았다 (pH 5에서 8-13 %, pH 9에서 97-99 %). 반면에 이산화티타늄은 pH 5-9 범위에서 입자로 존재하여 97%이상의 제거율을 나타내었다. 이온강도는 5 mM에서 50 mM으로 증가하여도 대부분 막의 공극크기보다 큰 입자로 존재하기 때문에 고분자 막과 세라믹 막에서 산화아연과 이산화티타늄의 제거율에 영향을 주지 않았다. 유기물 존재 하에 입자 평균 크기가 200 nm 아래로 내려가면 막의 공극크기보다 작은 입자들이 많아져 고분자 막에서 나노입자의 제거율이 감소하였다. 반면 세라믹 막의 제거율에는 영향을 주지 않았으며 이는 고분자 막과 세라믹 막의 제거 메커니즘이 다른 것에서 기인하였다 (고분자 막은 표면 여과, 세라믹 막은 심층 여과). 이러한 결과는 수계 환경에 따른 나노입자의 특성 변화가 수처리 공정에 영향을 준다는 것을 보여준다.
