1. The different inactivation behaviors of E
The different inactivation behaviors of E. coli and MS-2 phage by Photocatalytic TiO2 reaction
윤 제 용
서울대학교 응용화학부

2. TiO2 광촉매 반응에서 미생물 불활성화에 작용하는 반응성 물질의 규명
윤 제 용
서울대학교 응용화학부

3. Photocatalytic TiO2 chemistry (1)
Reactive Oxygen Species ( •OH, O2-•, H2O2) Generated on Illuminated TiO2 Particles
O2- + H+  HO2 O2
OH2+ O- OH
OH- (or H2O)
•OH h
ecb-
hvb+
H2O2
e-/H+ x2 e- A
A•- D
D•+

4. Photocatalytic TiO2 chemistry (2)
(1)
cathodic process
(2)
(3)
(4)
(5)
anodic process
(6)
(7)
(8)

5. 연구 배경 I TiO2 광촉매 반응에서 생성되는 ROS (Reactive Oxygen Species)가 미생물 불활성화에
미치는 메커니즘 연구 미비
Hydrogen Peroxide ( H2O2 )
ROS
Hydroxyl Radical ( •OH )
Superoxide Radical ( O2-• )
(Maness et al. 1999)

6. 연구 배경 II 미생물 불활성화 : surface-bound • OH vs free •OH의 역할 불확실
Free •OH in bulk phase
Role of •OH
Surface-bound •OH in surface phase

7. 연구 배경 III TiO2 광촉매 반응에 의한 바이러스의 불활성화 연구 미비
- Inactivation of MS-2 phage (Sjogren and Sierka, 1994)
- Inactivation of Qß phage (Lee et al., 1997)

8. 연구 목적 미생물 불활성화에 관여하는 ROS (•OH, O2-•, H2O2) 파악
: E. coli (박테리아) 와 MS-2 phage (바이러스)
•OH probe compound의 감소 패턴과 미생물의
불활성화와 비교

9. 연구 방법 (1) - 광촉매 반응 조건 온도 : 6oC, 20oC, 33oC
pH = 5.6, 7.1, 8.2 (phosphate buffer (10 mM))
TiO2 농도 (Degussa P-25) : 0.1 ~ 2 g/L
광원: - 16W BLB (Black Light Blue) lamp ( x 1~4)
(300~400 nm), 3.1 ~ 7.9×10-6 Einstein L-1 s-1

10. 연구 방법 (2) - •OH 농도의 결정 pCBA (para-chlorobenzoic acid) (2.43 μM)
- •OH probe compound
- Analysis: HPLC/UV detector

11. 연구 방법 (3) - •OH scavenger Effect of Scavenger
- MeOH (30mM) : scavenge all of •OH (surface-bound & free)
and h (Sun & Pignettelo, 1995)
- t-BuOH (30mM) : scavenge all of free •OH and some of
surface-bound •OH (Sun & Pignettelo, 1995)

12. 실험 방법 (4)- 모델 적용 I Microbial Inactivation Curves (1) (a) : Tailing off
(b) : Exponential
(a) : Tailing off
(c) : Shoulder + Exponential
Survival Ratio. Log (N/No)
Contact Time
(a)
(b)
(c)

13. 실험 방법 (4)- 모델 적용 II Chick-Watson Model CT concept Limitation
N : number of microorganisms, C : disinfectant concentration
Limitation
- shoulder, tailing off
- decay of disinfectant residuals

14. 실험 방법 (4)- 모델 적용 III CT concept is valid
Delayed Chick-Watson Model
CT concept is valid
Effective to explain inactivation with shoulder

15. 연구 방법 (5)- 미생물 1) E. coli (ATCC strain 8739) Spreading plate method
2) MS-2
(F-specific RNA bacteriophage, ATCC 15597)
- Pour plate method
- Host : E. coli C 3000 or E. coli Famp

16. 연구 방법 (6)- 실험 장치 Thermostated container TiO2 powder Pyrex reactor
O2 or N2
Sparging
TiO2
powder
Pyrex reactor
(cutoff, ~300nm)
Black light lamp (20W) X 1~4
Stirrer

17. 결과 및 토의 Part 1. •OH이 미생물 불활성화(E. coli)에 미치는 영향
: E.coli (박테리아) & MS-2 phage (바이러스)

18. Part 1. •OH이 미생물 불활성화(E. coli)에
미치는 영향

19. 1. TiO2 Concentration E. coli 불활성화 pCBA degradation
0.1 ~ 1.0 g/L : 농도가 높을 수록 빠른 미생물의 불활성화
1.0 ~ 2.0 g/L : 농도에 의한 차이 없음
pCBA와 미생물이 유사한 감소 패턴을 보임: •OH 농도와 상관성

20. 2. 빛의 세기 the levels of E. coli inactivation and pCBA degradation
1.00 I (intensity) = 7.9×10-6 Einstein L-1 s-1
E. coli 불활성화
pCBA degradation
t (min)*
240
180
0.5
0.75 1
* : 2 log removal
the levels of E. coli inactivation and pCBA degradation
increased with square-root dependence
with an increase light intensity (R2=0.99).

21. 3. pH 1) High pH : 2) Low pH : E. coli 불활성화 pCBA degradation
1) & 2)의 상호 작용에 의해 pH effect 나타나지 않음
( 미생물 불활성화 & pCBA 감소)

22. 4. 온도 TiO2 (•OH) 미생물 (화학 소독제) pCBA degradation E. coli 불활성화 온도 effect
온도가 높을 수록 빠른 미생물의 불활성화

23. 5. OH 농도와 E. coli 불활성화의 상관관계
Delayed Chick Watson Model a
C : [•OH]ss
t : 2 log 제거 시간
: CT concept이 적용됨
•OH
•OH이 E. coli의 불활성화를 일으키는 Major Oxidant
온도 증가에 따라 •OH과 미생물의 반응 속도 또한 빨라진다.

24. 6. • OH CT evaluation (20 oC) • OH CT = 0.8 x 10-5 mg min /L1 2
Log(N/N0) 3 4 5
0.3
0.6
0.9
1.2
1.5
( x 10-5 )
• OH CT = 0.8 x 10-5 mg min /L

25. 7. Comparison with chemical disinfectants
Ozone
Free chlorine
Chlorine dioxide
•OH
CT (mg.min/L)
4.0x10-2
1.3x10-1
8.0x10-2
0.8x10-5
2 log removal
•OH is 103 ~ 104 times more effective

26. Part 2. 미생물의 불활성화 메커니즘
E. coli & MS-2 phage

27. ROS 와 •OH의 역할(1) - E. coli •OH
MeOH : scavenge all of •OH (surface-bound & free) and h+
•OH
The inactivation of E. coli is related with
not only •OH (75%) but also other ROS (25%)

28. Enhanced production of •OH increase the inactivation of E. coli
ROS 와 •OH의 역할(2 )- E. coli
산소 effect
with O2
O2 saturation
no O2
No Sparging
no O2
Enhanced production of •OH increase
the inactivation of E. coli

29. Scavenger에 의한 영향 – E. coli
t-BuOH : scavenge all of free •OH and some of surface-bound •OH
pCBA degradation
Surface •OH
Free & surface •OH
E. coli is mainly inactivated by surface •OH

30. ROS 와 •OH의 역할(3)– MS-2 phage
MeOH : scavenge all of •OH (surface-bound & free) and h+
t-BuOH : scavenge all of free •OH and some of surface-bound •OH
Inactivated by
Only free •OH

31. Role of •OH (I), Fe2+ Aided, E. coli
E.coli inactivation
pCBA degradation
Fe2+, no t-BuOH
Fe2+, t-BuOH
no Fe2+, no t-BuOH
no Fe2+, t-BuOH
Free •OH의 생성이 증가했음에도
미생물의 불활성화는 빨라지지 않았음.

32. Photocatalytic TiO2 chemistry (4)
Effect of Fe2+
(9)
(Free)
(10)
(11)

33. Role of •OH (II), Fe2+ Aided, MS-2 phage
Enhancement of inactivation was observed as
MS-2 was inactivated by free •OH
confirm the role of ROS in inactivating MS-2 phage

34. 결론 : • OH CT = 0.8 x 10-5 mg min /L (2 log E. coli removal )
1. 광촉매 미생물의 불활성화에 관여하는 ROS의 종류가
E. coli와 MS-2에서 상이하다.
E. coli : major: surface-bound •OH
minor : free •OH, H2O2, O2-•
MS-2 : Only free •OH in bulk phase
2. TIO2 광촉매 반응에서 미생물의 불활성화에 관여하는
ROS 중 •OH이 주요 물질이다.
: • OH CT = 0.8 x 10-5 mg min /L (2 log E. coli removal )