수중 의약품 오염물질의 고도 산화처리를 위한 g-C3N5 기반 다기능 복합촉매 시스템 연구 = Development of g-C3N5-Based Multifunctional Composite Catalytic Systems for Advanced Oxidation of Pharmaceutical Pollutants in Water

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This dissertation investigates g-C3N5-based multifunctional composite catalysts for the advanced oxidation and detoxification of pharmaceutical contaminants in water. Hybrid systems were designed to integrate redox catalysis, adsorption, and structural stability under photocatalytic, sonophotocatalytic, oxidants-assisted conditions. Coupling g-C3N5 with transition-metal oxides and mineral supports enhanced interfacial charge transfer and reactive oxygen species generation. Spectroscopic, and machine-learning analyses revealed efficient electron transfer, multi-pathway pharmaceutical degradation, and identified pollutant concentration, pH, and catalyst dosage as dominant kinetic factors. Ecotoxicity assessment confirmed the conversion of intermediates into less toxic, hydrophilic products. Overall, this work establishes a mechanistic basis for recoverable and durable g-C3N5-based hybrid catalysts for sustainable AOP-driven water treatment.

목차 (Table of Contents)

• CHAPTER 1. Introduction 1
• 1.1 서론 (Introduction) 1
• 1.1.1. 연구 배경 및 필요성 1
• 1.1.2 의약품 오염물질 제거를 위한 다중에너지 융합형 AOPs 4
• 1.1.3. 나노복합소재를 활용한 의약오염물질 처리 기술의 발전 동향 7
• 1.1.4. 본 연구의 목적 및 구성 9
• CHAPTER 2. All-solid-state Z-scheme ZnFe-LDH/rGO/g-C3N5 heterojunction for enhanced sonophotocatalytic degradation of ciprofloxacin: Performance and mechanistic insights 13
• 2.1. 서론 (Introduction) 13
• 2.1.1. Ciprofloxacin의 환경적 문제 및 기존 처리공정의 한계 13
• 2.1.2. g-C3N5, LDH, rGO의 촉매적 특성과 시너지 효과 14
• 2.1.3. Z-scheme 기반 초음파–광 복합 촉매 (sono-photocatalysis)의 이중에너지 구동 메커니즘 15
• 2.1.4. 본 연구의 목적 17
• 2.2. 재료 및 방법 (Materials and Methods) 19
• 2.2.1. 시약 및 합성 방법 19
• 2.2.2. 분석 기기 및 특성 평가 (Characterization) 23
• 2.2.3. CIP 분해 sonophotocatalytic 반응 시스템 및 분석 방법 24
• 2.3. 결과 및 고찰 (Results and Discussions) 27
• 2.3.1. 특성분석 27
• 2.3.2. 실험 결과 46
• 2.3.3. ZF@rGCN 재사용성 및 내구성 65
• 2.3.4. CIP 제거 메커니즘 68
• 2.3.5. CIP 분해 경로 및 독성 분석 72
• 2.4. 결론 (Conclusion) 79
• CHAPTER 3. Dual Z-scheme-driven sonophotocatalytic degradation of norfloxacin via PMS activation using BiVO4@LaCoO3@g-C3N5: Mechanisms, pathways, and environmental applications 81
• 3.1. 서론 (Introduction) 81
• 3.1.1. 연구의 배경 및 필요성 81
• 3.1.2. 연구 대상 물질 (g-C3N5, LaCoO3, BiVO4) 및 복합 시너지 효과 83
• 3.1.3. PMS–Sonophotocatalytic 시스템의 장점 86
• 3.1.4. 연구 목적 88
• 3.2. 재료 및 방법 (Materials and Methods) 89
• 3.2.1. 시약 및 합성 방법 89
• 3.2.2. 촉매의 물리·화학적 특성 분석 방식 93
• 3.3. 결과 및 고찰 (Results and Discussions) 98
• 3.3.1. 물리·화학적 특성 98
• 3.3.2. PMS 산화를 통한 sono-photocatalytic 효율 119
• 3.3.3. 25BVLCO@75gCN 복합체의 재사용성 평가 135
• 3.3.4. NOR 분해 매커니즘 139
• 3.3.5. 독성 평가 154
• 3.4. 결론 (Conclusion) 157
• CHAPTER 4. Construction of a gelatin aerogel catalyst functionalized with LaCoO3 and g-C3N5 for efficient ciprofloxacin degradation via adsorption and peroxymonosulfate activation 159
• 4.1. 서론 (Introduction) 159
• 4.1.1. 연구의 배경 및 필요성 159
• 4.1.2. 젤라틴 에어로젤 기반 고정화 시스템의 필요성 161
• 4.1.3. 젤라틴–LaCoO3–g-C3N5 복합체(GA–LCCN)의 PMS 기반 CIP 제거 원리 163
• 4.1.4. PMS 활성화 기반 CIP 산화 메커니즘 168
• 4.1.5. 본 연구의 차별성 및 기대 효과 170
• 4.2. 재료 및 방법 (Materials and Methods) 173
• 4.2.1. 시약 및 합성 방법 173
• 4.2.2. 물리화학적 특성 분석 177
• 4.2.3. 흡착 및 촉매 산화 실험 177
• 4.3. 결과 및 고찰 (Results and Discussions) 180
• 4.3.1. GA–LCCN의 물리화학적 특성 180
• 4.3.2. GA–LCCN의 흡착 성능 평가 195
• 4.3.3. GA–LCCN의 촉매 성능 평가 198
• 4.3.4. 반응 조건 변화에 따른 CIP 분해 거동 200
• 4.3.5. GA–LCCN 에어로젤의 재사용성 평가 206
• 4.3.6. GA–LCCN/PMS 시스템에서의 CIP 제거 메커니즘 207
• 4.3.7. GA–LCCN/PMS 을 이용한 CIP 분해경로 211
• 4.3.8. 독성 평가 218
• 4.4. 결론 (Conclusion) 222
• CHAPTER 5. H2O2-activated β-cyclodextrin@g-C3N5@MOF-808 microcellulose hydrogel for efficient ciprofloxacin removal: Insights into the degradation mechanism 224
• 5.1. 서론 (Introduction) 224
• 5.1.1. 연구 배경 및 필요성 224
• 5.1.2. 연구 대상 물질 및 복합 시너지 효과 225
• 5.1.2. H2O2 기반 이종 촉매 시스템의 활성 메커니즘 및 복합체 설계 원리 228
• 5.1.4. 본 연구의 목적 229
• 5.2. 재료 및 방법 (Materials and Methods) 230
• 5.2.1. 시약 및 합성 방법 230
• 5.2.2. 물리화학적 특성 분석 234
• 5.2.3. CIP의 HPLC 분석 방법 235
• 5.2.4. 흡착 및 산화 실험 235
• 5.2.5. 머신러닝 모델 세부 구성 237
• 5.2.6. 밀도범함수이론(DFT) 계산 및 분자 시각화 237
• 5.3. 결과 및 고찰 (Results and Discussions) 239
• 5.3.1. 물리화학적 특성 분석 239
• 5.3.2. CIP 흡착 및 산화 성능 평가 254
• 5.3.3. 모델링 및 성능 해석 270
• 5.3.4. GCMH-7의 재사용성 및 구조적 안정성 278
• 5.3.5. CIP 분해 매커니즘 282
• 5.3.6. CIP 분해 경로 288
• 5.3.7. 분해산물의 생태 독성 평가 294
• 5.4. 결론 (Conclusion) 299
• CHAPTER 6. Mechanistic insights into interfacial PMS activation over a recoverable g-C3N5@SrTiO3@Sepiolite mixed matrix membrane for sustainable degradation of naproxen 301
• 6.1. 서론 (Introduction) 301
• 6.1.1. 차세대 수처리 기술의 전환 필요성 301
• 6.1.2. 과황산 기반 고급산화공정의 필요성과 한계 302
• 6.1.3. 혼합매트릭스막 (Mixed Matrix Membrane, MMM)의 활용 304
• 6.1.4. MMM 기반 PMS 활성화의 반응 메커니즘 305
• 6.1.5. 본 연구의 차별성 및 기대 효과 307
• 6.2. 재료 및 방법 (Materials and Methods) 309
• 6.2.1. 시약 및 합성 방법 309
• 6.2.2. 분석기기 및 특성평가 (Characterization) 313
• 6.2.3. LC–MS 및 HPLC를 이용한 NPX 정량 및 분해산물 분석 314
• 6.2.4. 여과, 흡착 및 PMS 산화 실험 315
• 6.2.5. 흡착 속도론적 모델링 316
• 6.2.6. 머신러닝 기반 반응 예측 및 통계 최적화 317
• 6.2.7. 전자구조 및 전하분포 분석 318
• 6.3. 결과 및 고찰 (Results and Discussions) 321
• 6.3.1. 물리화학적 특성 분석 321
• 6.3.2. NPX의 흡착 거동 분석 336
• 6.3.3. CSSM-3 복합막의 여과 성능 평가 339
• 6.3.4. PMS 활성화 및 산화 효율 평가 344
• 6.3.5. 재사용성 및 구조적 안정성 평가 357
• 6.3.6. 모델링 및 성능 해석 363
• 6.3.7. NPX 분해 메커니즘 372
• 6.3.8. NPX 분해 경로 378
• 6.3.9. 분해 생성물의 독성 평가 382
• 6.4. 결론 (Conclusion) 387
• CHAPTER 7. Conclusion 389
• 7.1. g-C3N5의 전자 구조와 복합 소재 내 역할 389
• 7.2. 내구성, 반복성, 실수계 적용성 평가 결과 390
• 7.3. 종합적 고찰 391
• Reference 393