TiCl4를 적용하여 수중의 오염물질을 제거하고 발생된 슬러지를 활용하여 이산화티타늄으로 재활용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, TiCl4는 수중의 인 제거에 효과적으로 적용할 수 있고 기존의 철염, 알루미늄 응집제들의 2차 오염 문제를 해결할 수 있다고 알려져 있다. 최근까지 진행되고 있는 TiCl4에 관한 연구는 유기물, 탁도 등의 제거와 TiCl4의 최적 응집조건, 슬러지의 침강성 분석 및 슬러지에서 제조된 이산화티타늄의 특성분석 등 많은 연구가 이루어졌으나, 제조된 이산화티타늄의 현장적용과 태양광(자외선)에 의한 광촉매 성능에 관한 연구와 경제성 분석에 관한 연구는 아직 미흡한 실정이다(Seo 등, 2016; Kang 등, 2017; Shin 등, 2015). 따라서 본 연구에서는 TiCl4의 인 처리효율과 슬러지 침강성 비교 및 슬러지에서 제조된 이산화티타늄인 TFS(TiO2 From Sludge)의 특성 및 광촉매 성능을 비교분석 하였으며 마지막으로 경제성을 평가하였다.
첫째, jar test를 이용해 1분간 급속교반(100rpm), 10분간 완속교반(30rpm) 그리고 30분 침전 후 총인 농도를 측정하였으며 실험결과 2.5mg/L의 총인 농도를 가진 1L의 원수에 대해 TiCl4가 0.6mL 주입되면 99.93%의 총인 제거율이 나타나 TiCl4는 수중의 총인 제거에 효과적으로 적용할 수 있다고 판단된다.
둘째, Lab scale reactor를 제조하여 TiCl4 주입량, 원수 초기 총인 농도, 원수 초기 pH, 원수 주입량의 4가지 응집 영향인자에 따른 총인 제거율 실험을 진행하였으며, TiCl4 주입량 0.08ml/min, 초기 원수 총인 농도 3mg/L, 초기 원수 pH 7, 원수 주입량 200ml/min의 조건에서 총인 제거율이 99.9%로 가장 높았다, 따라서 수중의 총인을 효과적으로 제거하기 위해서는 원수의 총인 농도에 따른 적절한 TiCl4 주입량 선정과 원수의 pH 및 체류시간의 적절한 조절이 필요하다고 판단된다.
셋째, TiCl4 적용 후 발생된 슬러지를 인발하여 건조 및 소성을 통해 이산화티타늄을 제조하였으며, 600℃에서부터는 둥근 형태의 입자 모양이 나타나기 시작하였으며, 소성 온도가 700∼800℃에서 가장 선명한 구형의 공과 같은 둥근 형태의 입자를 나타내었다. 하지만 900℃ 이상의 온도에서는 매끄러운 표면이 관찰되었다. XRD 분석결과 400℃ 이하의 온도에서는 비결정질을 나타내었으며, 500℃로 소성하였을 때 이산화티타늄의 아나타제 결정구조 피크가 나타나기 시작하였다. 700∼800℃에서 가장 선명한 아나타제 결정구조 피크가 나타났으며, 900℃ 이상에서는 루타일 결정구조 피크만 나타났다.
넷째, 태양광(자외선)조사 하에서 메틸렌블루(Methylene Blue, MB) 분해실험을 통해 TFS의 광촉매 성능을 평가하였으며, 광촉매 연구에서 흔히 사용되는 P-25 (Degussa, Germany) 이산화티타늄과 비교하여 TFS의 광촉매 성능을 비교 분석하였다. 실험결과 1종 보통 포틀랜드 시멘트와 혼합하여 제조한 시편의 경우 TFS와 P-25의 메틸렌블루 제거율은 99.9%로 동일한 제거율을 나타냈으며, 초속경시멘트의 경우 92%, 98%로 P-25가 제거율이 더 높게 나타났다. 따라서 TFS는 90% 이상의 메틸렌블루 제거율을 나타냈으며, P-25와 유사한 광촉매 성능을 가진 것으로 판단된다.
다섯째, TFS의 생산단가는 1kg당 5,400원으로 상업용 광촉매로 흔히 사용되고 있는 독일산 P-25(Degussa) 이산화티타늄 광촉매의 가격인 약 80,000원에 비해 저렴하게 제조 및 판매를 기대할 수 있으며, 하수처리장에 적용 시 비싼 TiCl4 비용을 보완하고 슬러지의 친환경적인 재활용으로 TFS의 유통 및 현장적용을 통해 경제적, 환경적으로 우수하다고 판단된다.

TiCl4 is applied to remove pollutants in water and recycle them to titanium dioxide using sludge generated. TiCl4 can be effectively applied to remove phosphorus in water and can solve secondary pollution problems of existing iron salts and aluminum coagulants. The recent studies on TiCl4 have been conducted on the removal of organic matter and turbidity, the optimal cohesion conditions of TiCl4, the sedimentation of sludge, and the characteristics of titanium dioxide produced in sludge. However, there have been many studies on the field application of titanium dioxide and the photocatalytic performance of solar light(ultraviolet) and the economic analysis. It is a reality. In this study, we compared the efficiency of TiCl4 and sludge sedimentation and compared the characteristics and photocatalytic performance of TFS(TiO2 From Sludge), a titanium dioxide produced in sludge.
The total phosphorus concentration was measured by using the jar test for 1 minute rapid stirring (100rpm), 10 minute slow stirring (30rpm) and 30 minute precipitation. As a result of the experiment, when TiCl4 was injected with 0.6mL of TiCl4 for 1L with 2.5mg/L of total phosphorus concentration, 99.93% of total phosphorus removal rate was found, which is judged to be effective for the removal of total phosphorus in water.
The removal rate of total phosphorus was tested according to the four aggregation factors of TiCl4 injection, initial total water concentration, initial pH of raw water, and injection of raw water. The removal rate of total phosphorus was 99.9% under the conditions of TiCl4 injection amount 0.08ml/min, initial total water concentration 3mg/L, initial water pH 7 and injection amount 200ml/min. Therefore, it is necessary to select appropriate TiCl4 injection amount according to the concentration of total water, and to control the pH and residence time of raw water in order to effectively remove total water.
TiO2 was produced by drawing sludge generated after TiCl4 application, and the round shape of particles began to appear at 600°C, and the round shape of particles was the most clear spherical ball at 700~800°C. However, smooth surface was observed at temperatures above 900°C. XRD analysis showed that amorphous was shown at temperatures below 400°C, and anatase crystal structure peak of titanium dioxide began to appear when plasticized at 500°C. The most clear anatase crystal structure peak was found at 700∼800°C, and only the rutile crystal structure peak was found at 900°C or higher.
The photocatalytic performance of TFS was evaluated by the decomposition of methylene blue(MB) under the irradiation of solar light (ultraviolet) and the photocatalytic performance of TFS was compared with that of P-25(Degussa, Germany) titanium dioxide, which is commonly used in photocatalytic research. As a result of the experiment, the removal rate of methylene blue of TFS and P-25 was 99.9% in the case of specimens mixed with Portland cement, and the removal rate of P-25 was higher with 92% and 98% in the case of ultra rapid cement. Therefore, TFS showed more than 90% of methylene blue removal rate and it was judged to have photocatalytic performance similar to P-25.
The production cost of TFS is 5,400won per kg, which is lower than the price of about 80,000won, which is the price of German P-25(Degussa) titanium dioxide photocatalyst, which is commonly used as a commercial photocatalyst.