Development of Pd-In/HCS Catalyst for Treatment of Nitrate and Nitrite in Drinking Water

Abstract

과도한 비료 사용으로 인해 질산염과 아질산염에 대한 지하수 및 지표수의 오염이 지속적으로 증가하고 있다. 이런 오염물질을 적절히 제거하거나 처리하지 않는다면 신생아청색증 (methemo-globinemia)나 암을 유발할 수 있다. 질산염과 아질산염의 이러한 유해성으로 인해 U.S.EPA에서는 질산염과 아질산염의 최대 농도를 각각 10 mg-N/L 및 1 mg-N/L로 규제하고 있다. 촉매적 처리는 수소를 전자 공여체로 사용하여 질산염과 아질산염을 질소가스로 지속적으로 환원시킬 수 있어 유망한 기술로 떠오르고 있다. 하지만 지금까지의 질산염과 아질산염에 대한 촉매적 제거 연구는 부산물 중 하나인 암모니아의 발생으로 인해 한계가 있다. 본연구에서는 이러한 한계점을 극복하기 위해 Pd 기반 촉매를 hollow carbon sphere (HCS)에 담지한 Pd 및 Pd-In/HCS 촉매를 개발하였다. 본 촉매를 이용하여 아질산염을 환원하는 동안 매우 낮은 암모니아가 발생하는 것을 확인하였으며 (초기 아질산염 농도의 1% 이하), 아질산염 환원 또한 타 촉매에 비해 매우 높은 활성을 가지는 것을 확인하였다. 또한 질산염을 환원하는 실험을 진행하였으며 본 촉매의 물리적 화학적 특성을 파악하기 위해 투과 전자 현미경 (TEM), X선 회절 (XRD), X선 광전자분광 (XPS)을 이용하여 촉매의 형태, 금속의 분산 정도, 결정구조, 금속의 화학적 산화상태를 분석하였다. 질산염과 아질산염이 질소가스나 암모니아로 환원되는 반응경로에서 귀금속과 HCS의 역할에 대해 귀금속의 결정구조와 산화상태, 질산염과 아질산염에 대한 HCS의 흡착 가능성을 평가함으로써 조사하였다. 본 연구의 결과는 질산염과 아질산염을 처리하는 동안 Pd-In/HCS 촉매의 선택성과 반응성을 향상시키기 위한 광범위한 의미와 적용 가능성을 갖는다.

Groundwater and surface water contamination with nitrate and nitrite keeps increasing all around the world due to the excessive use of fertilizer. Without the proper treatment, these contaminants can induce the blue baby syndrome(methemoglo-binemia) and cancer. Due to the harmful effect of these contaminants, the U.S. EPA has set the federal regulation on the maximum level of nitrate and nitrite in drinking water to be 10 (mg-N)⁄L and 1 (mg-N)⁄L, respectively. Catalytic treatment is a promising technology that can sustainably reduce nitrate and nitrite to nitrogen gas using hydrogen as an electron donor. However, current research on the catalytic reduction has a limitation because of the production of ammonia as a by-product. In this study, we have developed Hollow Carbon Sphere(HCS) supported Pd-based catalysts, which yields very low concentration of ammonia during nitrite reduction. To further investigate the physicochemical characteristics of the Pd and Pd-In/HCS catalyst, we have conducted various analysis such as morphology of catalyst, metal dispersion, crystalline structure, and chemical state of noble metals by using transmission electron microscopy, X-ray diffraction, and X-ray photoelectron spectroscopy. The role of the noble metal and HCS on the reaction pathway of reduction of nitrate to nitrogen over ammonia was further examined by evaluating the crystalline structure and chemical state of Pd and In bimetallic catalysts. Findings from this study has a broader implication to improve the selectivity of catalysts and minimize the formation of undesired by-product during nitrate treatment.