폐조릿대 유래 다공성 중공 탄소소재와 과황산에 의한 tetracycline 촉매산화 = Catalytic degradation of tetracycline by hollow carbon derived from BambusaborealisHack and peroxydisulfate

국문 초록 (Abstract)

국내에 넓게 분포하는 조릿대는 뿌리가 매우 조밀하고 번식력이 강해 다른 식물의 성장을 방해한다. 또한 조릿대는 소각 이외에 적절한 처리 방법이 부족하여 재이용 등 활용 방안이 요구되고 있다. 본 연구에서는 이러한 조릿대를 재활용하여 중공 탄소 소재(Hollow Carbon, HC)를 개발하고 이를 이용한 Peroxydisulfate(PDS) 활성화 기반 항생물질 Tetracycline(TC)의 촉매 산화 제거 성능을 평가하였다. HC는 조릿대와 Ca(CH₃COO)₂를 다양한 비율로 혼합한 후 Ar 분위기에서 여러 온도 조건으로 탄화하여 제조하였다. 실험 결과 조릿대:Ca(CH₃COO)₂ = 1:0.5 (w:w) 비율로 혼합하여 800°C에서 제조한 HC (HC5-800)가 가장 높은 TC 제거 성능을 나타냈으며, HC5-800 0.025 g, PDS 1 mM, TC 10 mg/L 조건에서 0.5시간 반응 시 99.8%의 제거율을 보였다. 또한 HC5-800+PDS 시스템은 낮은 활성화 에너지를 가지며 반응이 HC 표면과 용액상에서 동시에 진행되는 것으로 나타났다. SEM, XRD, XPS, Raman spectroscopy, FTIR spectroscopy 등을 통한 특성 분석 결과 HC5-800은 다른 HC 시료에 비해 흑연 구조의 결함, 표면 결함, C=O 작용기 등 촉매 활성점이 더욱 풍부하게 존재하는 것으로 확인되었다. HC5-800+PDS 시스템에서 TC 촉매 산화 반응에는 SO₄•⁻, •OH, O₂•⁻, ¹O₂ 등 다양한 활성종이 복합적으로 관여하는 것으로 나타났다. 본 연구 결과는 폐 조릿대 유래 HC와 PDS 기반 시스템이 난분해성 항생물질 제거에 효과적으로 활용될 수 있음을 보여주며, 환경 문제 해결과 동시에 폐자원의 고부가가치 활용 가능성을 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study explores a novel method for recycling Sasa borealis (bamboo grass), a plant with dense roots and strong propagation that inhibit the growth of other flora and lacks effective disposal methods other than incineration. In this study, a hollow carbon (HC) material was developed from Sasa borealis, and its catalytic oxidation performance for the degradation of the antibiotic tetracycline (TC) through peroxydisulfate (PDS) activation was investigated. The HC material was prepared by carbonization of mixtures of Sasa borealis and Ca(CH₃COO)₂ at various mass ratios and temperatures under an Ar gas flow. The results showed that the HC prepared with a Sasa borealis:Ca(CH₃COO)₂ ratio of 1:0.5 (w:w) at 800°C (HC5-800) exhibited the highest TC removal efficiency. Under optimal conditions (0.025 g of HC5-800, 1 mM PDS, and 10 mg/L TC), a 99.8% removal rate was achieved within 0.5 h, attributed to reactions occurring both on the HC surface and in the solution phase. Furthermore, the HC5-800 + PDS system demonstrated low activation energy. Characterization results obtained from SEM, XRD, XPS, Raman spectroscopy, and FTIR spectroscopy revealed that HC5-800 contained a higher abundance of catalytic active sites, such as defects in the graphitic structure and surface C=O groups, compared to other HC samples. The catalytic oxidation of TC by the HC5-800 + PDS system involved the synergistic participation of multiple reactive species, including ¹O₂, O₂•⁻, SO₄•⁻, and •OH, although the reaction was predominantly driven by ¹O₂. These findings demonstrate the strong potential of HC derived from waste Sasa borealis as an effective material for removing refractory antibiotics from aqueous environments. This approach not only addresses environmental issues associated with invasive biomass but also presents a new possibility for the efficient utilization of waste biomass resources.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1.1. 연구 배경 1
• 1.2. 연구 목적 및 범위 4
• Ⅱ. 문헌 연구 5
• 2.1. 항생제와 TC 5
• 2.2. Tetracycline 등 수계 항생물질 제거 11
• 2.3. 조릿대의 문제점 13
• 2.4. 조릿대의 재활용 가능성 14
• III. HC 재료 및 방법 16
• 3.1. 약품 및 재료 16
• 3.2. HC(Hollow Carbon) 합성 16
• 3.3. 특성 분석 18
• 3.4. TC 촉매 산화 20
• Ⅳ. 결과 및 고찰 21
• 4.1. HC의 TC 제거율 평가 및 소재 선별 21
• 4.2. HC 특성 분석 24
• Ⅴ. 결론 및 향후 계획 75
• 5.1. 결론 75
• 5.2. 향후 계획 77