활성 의약품 성분(APIs)의 존재가 수생 생태계와 인간의 건강에 위험하다는 증거가 있다. 물에 항생물질인 테트 라사이클린과 같은 API가 존재하면 미생물에 항균제 내성(AMR)이 발생해 개인과 사회에 막대한 비용이 발생한다. TiO2 또 는 비스무트 기반 촉매와 같은 촉매가 내장된 막은 유기 유출물을 분해하고 폐수로부터 분리한다. 촉매의 광촉매 활성은 귀 금속 도핑 및 탄소성 물질의 첨가 및 다른 반도체와의 헤테로 접합 형성으로 향상될 수 있다. 광촉매의 회수는 고분자 막에 서 광촉매의 고정화를 통해 가능하다. 이 검토에서는 물 속 항생제의 분해가 논의된다.

막여과는 흡착, 응집 등의 폐수 처리 방법에 비교해 경제적이며, 높은 효율을 보인다는 장점을 가지고 있다. 하지 만, 막의 표면에 오염물질이 흡착하여 발생하는 막오염 현상으로 인해 막여과의 효율이 크게 줄어들게 된다. 다양한 종류의 막 중에서 세라믹 분리막은 친수성을 띄며, 화학적으로 안정되었기 때문에 오염방지에 효과적이다. 또한, 산화 그래핀 등을 활용한 복합막도 막오염을 예방하는 데 도움이 될 수 있다. 최근에는 막오염을 방지하고 시너지 효과를 얻기 위해 광촉매 분 리막이 해결책으로 제시되었다. 막 분리는 광촉매의 단점인 촉매의 낮은 재사용률을 보완할 수 있으며, 광촉매 반응은 오염을 막을 수 있다.

성장하는 산업화는 심각한 수질 오염으로 이어진다. 폐수로 배출되는 약품과 섬유산업에서 나오는 유기배출물은 환경과 생명에게 악영향을 미친다. 항균치료에 사용되는 항생제가 폐수에 존재하면 인체에 매우 해로운 약제 내성균의 성장 을 야기하게 된다. 섬유산업에서 사용되는 유기염료 분자의 제조에는 다양한 유기 저분자가 사용된다. 이러한 분자들은 인쇄 및 염색 산업의 폐수 배출물에 존재하여 분해가 잘 이루지지 않는다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 광분해성 촉매를 분리 막에 도입하고 폐수를 처리한다. 이 과정을 통해 유기 분자는 광분해되며 동시에 분해된 화합물들은 분리막을 통과하여 분리 된다. 이산화티타늄(TiO2)은 뛰어난 광촉매 역할을 하는 반도체이다. 다른 전이 금속 산화물과 화합물을 만들고 고분자 막에 도입하여 광촉매 능력을 증가시킨다. 본 총설에서는 광촉매성 분리막에 의한 염료 및 약물 분자의 분해에 대해 논의한다.

메조포러스 공극구조를 갖는 광촉매 멤브레인은 다양한 환경기술에 적용될 수 있다. 본 연구에서는 TiO2 층을 형 성시킨 광촉매 반응기용 세라믹 멤브레인을 개발하고 이를 염색용액 처리에 적용하였다. 높은 공극률과 균질성을 지닌 TiO2 광촉매층을 그라프트 공중합체를 사용하여 제조하였다. 멤브레인은 광촉매 반응기와 멤브레인 여과를 결합시킨 하이브리드 광촉매 반응기에 성공적으로 적용하였다. 실험결과 정렬된 구조의 TiO2 층이 Al2O3 지지체에 형성되었다. TiO2 층 형성 후 제조된 세라믹 분리막의 순수 투과도는 형성된 광촉매 층 저항으로 감소하였다. 정렬된 구조의 TiO2 층은 UV 결합 시 5시간 안에 완벽한 염색용액 분해를 달성시킬 수 있었다. 광촉매 멤브레인의 염색용액 분해는 Langmuir-Hinshelwood 흡착 모델로 잘 설명할 수 있었다. 또한 TiO2 층이 고정화된 세라믹 멤브레인의 model Congo Red에 대한 1차 속도상수는 Al2O3 지지체 단독인 경우에 비해 약 6배 정도 큰 값을 나타내었다(0.0081 vs. 0.0013 min-1).

자연유기물을 처리하는 침지형 중공사막 정밀여과 시스템에서 TiO2 나노입자와 UV를 이용한 광촉매 반응을 적용 시 공기폭기, TiO2 농도, 용액의 pH 그리고 Ca+2의 존재가 자연유기물에 의한 파울링에 미치는 혼합영향을 관찰하였다. 실험결과, TiO2 나노입자 없이 단순 UV의 조사만으로 자연유기물에 의한 파울링은 약 40% 정도 감소시킬 수 있었다. 또한 UV의 조사 없이 TiO2 나노입자의 교반만으로 약 25%의 파울링 감소효과를 나타내었다. 공기폭기가 광촉매 반응에 미치는 영향을 확인해 본 결과 공기폭기를 적용해 주지 않은 경우와 비교했을시 공기폭기로 인한 자연유기물의 제거효율은 약 12% 정도 향상되었다. 이는 공기폭기로 인한 분리막 표면으로부터 자연유기물의 물리적인 역수송 보다는 산소공급으로 인해 광촉매 반응이 더욱 향상된 것으로 판단된다. 공기폭기 유량, TiO2 농도, 용액의 pH 영향정도를 관찰한 결과 공기폭기가 자연유기물 파울링 감소에 미치는 영향이 가장 낮은 것으로 나타났다. 반면, 용액의 pH 경우 낮은 pH (= 4.5)에서 파울링 감소에 미치는 영향이 가장 높은 것으로 관찰되었다. 또한 TiO2 나노입자 농도가 증가할 수록 파울링 감소효과도 증가하였으며 용액의 pH를 낮출수록 파울링 감소는 증가하였다. 이는 낮은 pH에서 서로 반대전하를 지닌 자연유기물과 TiO2 나노 입자간의 정전기적인 인력이 증가하여 TiO2 나노입자 표면에서 자연유기물의 광촉매분해능이 향상된 것으로 사료된다. 또한 자연유기물 중 Ca+2의 첨가는 상대적으로 높은 pH (= 10)에서 자연유기물과 TiO2 나노입자 사이 가교현상을 촉진시켜 Ca+2이 첨가되지 않은 경우와 비교시 높은 파울링 감소효과와 자연유기물의 분해효과를 달성시킬 수 있었다.

광촉매 TiO2 막에 의한 formic acid의 광분해 효율이 연구되었다. 막반응기는 용액의 정밀여과(micro-filtration)는 물론 유기물의 광분해를 동시에 수행할 수 있도록 다공성 TiO2 튜브 (평균기공: 0.2μm)를 이용한 새로운 타입으로 개발되었으며 광원으로는 365 nm 파장을 갖는 UV를 사용하였다. 또한 반응기의 광분해 효율을 증진시키기 위하여 슬립케스팅법으로 제조한 TiO2 튜브표면을 TiO2 졸로 코팅하였다. TiO2 막 반응기의 분해효율은 용액의 투과량(flux), 막의 미세구조(졸의 pH), 공급산소량, H2O2와 같은 1차 산화제(primary oxidants)의 첨가 그리고 Nb2O5와 같은 물질의 도핑(doping)에 매우 민감함을 알 수 있었다. 최적의 광분해 반응조건에서 formic acid의 산화효율은 pH가 1.45인 TiO2 졸로 코팅한 막 반응기를 사용했을때 80% 이상이었다. Formic acid 용액에 1차 산화제 H2O2를 첨가하거나 막을 Fe2O3로 도핑함으로써 산화효율은 최고 20%까지 증가시킬 수 있었다.