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문제 정의
- 본 연구에서는 산업 현장과 정수장에서 염소소독 처리시 소독 부산물로 2~Chlorophenol, 2, 4-Dichlorophenol, 2, 4, 6-Trichlorophenol 등이 생성되는 페놀을 확산형 화염 반응기를 이용하여 제조된 나노 사이즈 TiO2 광촉매를 이용하여 처리하고자 하였다.
제안 방법
- 화염내에서 산소와 반응하여 생성된 TiO2 미립자는 고온의 유체와 함께 플라스크 내부로 유입되게 되고 고온의 기체가 둥근 플라스크 벽면을 동한 열전달에 의해 냉각되므로 고온의 기체와 등근 플라스크 벽면 사이에 온도구배가 존재하여 TiO2 미립자가 계속하여 열영동 현상으로 포집된다. 또한, 화염은 주위 대기의 흐름 및 온도에 의하여 화염의 형태와 온도가 민감하게 변화하므로 본 연구에서는 화염을 파이렉스 실린더를 이용하여 주위의 대기와 차단하였고, 화염내의 온도는 R-type 열전대와 방 사열 온도계로 측정하였다.
- 이렇게 제조한 TiO-2 광촉매를 BET (Micomeritics, ASAP2000), XRD (Bruker, D5005), LLS (BROOKHAVEN, 90Plus))등의 분석장비를 이용하여 분석하였다.
- 2와 같이 반응기, UV lamp, 자기교 반기, 산소 bubbler로 구성되어 있는 sluny type 의 반응기이다. 반응기의 외관과 내관은 파이렉스로 만들어져 있으며, 반응기 내관에 UV lamp가 깊이 파묻히게 하여 자외선이 촉매 표면에 최대한 접할 수 있도록 하였다. UV 광원은 15W UV lamp(wavelength=365nm, intensityellOOeV/cm1)0! 고안 정기를 설치하여 균일한 전력을 공급하도록 하였다.
- 반응기의 외관과 내관은 파이렉스로 만들어져 있으며, 반응기 내관에 UV lamp가 깊이 파묻히게 하여 자외선이 촉매 표면에 최대한 접할 수 있도록 하였다. UV 광원은 15W UV lamp(wavelength=365nm, intensityellOOeV/cm1)0! 고안 정기를 설치하여 균일한 전력을 공급하도록 하였다.
- 1000g로 제조하여 실험하였다. 광분해 살험 전 TiO2 광촉매를 교반기에서 10분이상 교반 후 반응액에 잘 분산시켜 실험하였으며, 예비 실험 결과 UV lamp에 의한 반응액의 온도상승은 약 3℃ 정도로 작았으므로 본 실험에서는 온도상승의 영향은 고려하지 않았다. 따라서 본 연구에서는 페놀의 광분해 공정변수로써 최적 촉매량을 결정하고, 초미립 TiO2 광촉매의 크기, phenol의 농도, 산소 공급량에 따른 phenol의 광분해 효율을 측정하였다.
- 광분해 살험 전 TiO2 광촉매를 교반기에서 10분이상 교반 후 반응액에 잘 분산시켜 실험하였으며, 예비 실험 결과 UV lamp에 의한 반응액의 온도상승은 약 3℃ 정도로 작았으므로 본 실험에서는 온도상승의 영향은 고려하지 않았다. 따라서 본 연구에서는 페놀의 광분해 공정변수로써 최적 촉매량을 결정하고, 초미립 TiO2 광촉매의 크기, phenol의 농도, 산소 공급량에 따른 phenol의 광분해 효율을 측정하였다. 최적 촉매량을 결정하기 위하여 TiO2 광촉매를 0.
- 따라서 본 연구에서는 페놀의 광분해 공정변수로써 최적 촉매량을 결정하고, 초미립 TiO2 광촉매의 크기, phenol의 농도, 산소 공급량에 따른 phenol의 광분해 효율을 측정하였다. 최적 촉매량을 결정하기 위하여 TiO2 광촉매를 0.1 ~Q5g으로 변화시키며 실험하였고, 초미립 TiC)2 광촉매의 크기, phenol의 농도, 산소 공급량과 같은 공정변수를 변화시키며 살험하였으며 실험 조건운 Table 1에 나타내었다.
- 광촉매 산화반응에 있어 요구되는 자외선과 Ti6의 역할을 실험적으로 규명하기 위하여 15W UV lamp를 이용하여 페놀의 농도를 300ppm으로 하여 이들을 단독으로 또는 동시에 반응시켰을 때의 영향을 고찰하였다.
- 300ppm 페놀 용액에 TiO2 광촉매량을 변화시키며 TiO2 광촉매의 최적 주입량을 살펴 보았다. Fig.
- 2g/ 2일 경우에도 반응시간이 25분 이후에는 거의 분해되고 있음을 알 수 있다. 촉매의 양이 0.3g/2 에서 0.4g/2, 0.5g/C 로 증가함에 따라서 분해효율의 증가가 크게 변하지 않으므로 본 연구에서 사용한 반응기는 촉매의 양이 0.3g/C 정도에서 최적을 상태를 나타냈다고 할 수 있어 연속되는 실험은 촉매투입 량을 0.3g/e 로 고정하여 실험하였다.
- 전자 acceptor의 역할을 한다. 따라서 본 연구에서는 산소의 bubbling 양을 50, 100, 150 mC/min 로 증가시키면서 페놀의 광분해 실험을 하였다. Fig.
- 본 연구에서는 확산 화염 반응기를 이용하여 기상 반응으로 생성되는 초미세 TiO2 입자의 공정변수에 따른 입자 특성을 실험적으로 고찰하였으며, 각각의 공정변수에 따라 생성된 TiO2 광촉매를 이용하여 페놀의 광분해 실험을 하였으며, 페놀의 광분해 공정변수로써 최적 촉매량을 결정하고, 초미립 TiO2 광촉매의 크기, phenol의 농도, 산소 공급량에 따른 phenol의 광분해 효율을 측정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 나노크기 Ti6 광촉매를 제조하기 위하여 제작된 확산 화염 반응기를 사용하였으며 실험 장치의 개략도를 Fig.l에 나타냈다. 확산 화염 반응기는 5개의 동심원으로 제작하였으며 최 외경이 직경 약 2.
- l에 나타냈다. 확산 화염 반응기는 5개의 동심원으로 제작하였으며 최 외경이 직경 약 2.5cm로서 실험에 따라서 연료와 산소, TiCZ를 각각의 동심원으로 공급하였으며, 연소반응에 필요한 연료는 도시가스(프로판 59.24%, 질소 30.45%, 산소 8.09%, 부탄 1.47%, Q그15000倒/H)를 사용하였다. 확산 화염 반응기에서 생성된 TiO2 입자는 실험장치 상부 약 60cm부근에 둥근 플라스크를 설치하여 열영동 현상을 이용하여 포집하였으며, 화염 반웅기의 안정을 위해 열적으로 안정한 정상 상태에 도달한 후에 TiCZ를 공급하기 시작하여 나노 사이즈 TiO2 입자를 제조하였다.
- 47%, Q그15000倒/H)를 사용하였다. 확산 화염 반응기에서 생성된 TiO2 입자는 실험장치 상부 약 60cm부근에 둥근 플라스크를 설치하여 열영동 현상을 이용하여 포집하였으며, 화염 반웅기의 안정을 위해 열적으로 안정한 정상 상태에 도달한 후에 TiCZ를 공급하기 시작하여 나노 사이즈 TiO2 입자를 제조하였다.
- 생성된 TiO2 입자를 반응기 상부에 연결된 둥근 플라스크를 이용하여 포집하였다. 화염내에서 산소와 반응하여 생성된 TiO2 미립자는 고온의 유체와 함께 플라스크 내부로 유입되게 되고 고온의 기체가 둥근 플라스크 벽면을 동한 열전달에 의해 냉각되므로 고온의 기체와 등근 플라스크 벽면 사이에 온도구배가 존재하여 TiO2 미립자가 계속하여 열영동 현상으로 포집된다.
- 본 연구에서 페놀을 광분해하기 위하여 사용한 반응 기는 Fig.2와 같이 반응기, UV lamp, 자기교 반기, 산소 bubbler로 구성되어 있는 sluny type 의 반응기이다. 반응기의 외관과 내관은 파이렉스로 만들어져 있으며, 반응기 내관에 UV lamp가 깊이 파묻히게 하여 자외선이 촉매 표면에 최대한 접할 수 있도록 하였다.
- 본 연구에서 페놀을 광분해하기 위하여 사용한 반응기의 체적은 1000ml이며 각각의 실험에서 반응액을 1000g로 제조하여 실험하였다. 광분해 살험 전 TiO2 광촉매를 교반기에서 10분이상 교반 후 반응액에 잘 분산시켜 실험하였으며, 예비 실험 결과 UV lamp에 의한 반응액의 온도상승은 약 3℃ 정도로 작았으므로 본 실험에서는 온도상승의 영향은 고려하지 않았다.
성능/효과
- 반응기 온도가 증가할수록 반응기 내 TiO2 입자는 빨리 생성되며, 일찍 생성된 TiO2 입자는 충돌에 의해 더욱 빨리 성장하게 되어 TiO2 입자크기는 크게 나타났다. 연료/산소의 유량비가 0.2에서 0.3 으로 증가할수록 입자의 사이즈는 106.7nm 에서 134.8nm로 증가함을 보이고 있다. 전체 기체 유량이 2000ml/min에서 1000ml/min로 감소할 때 TiO2 입자의 크기는 약 108.
- 5 에 나타낸 것과 같이 실험 결과 산소의 공급이 없을 경우에는 페놀이 광분해 되지 않았으며, 산소의 공급유량이 50ml/min 이상일 경우에는 산소의 공급이 두 배 이상이 되어도 분해효율은 유사하게 나타났다. 따라서 본 연구에서 사용한 반응기에서는 산소의 공급유량이 50ml/min이면 반응에 필요한 충분한 산소가 공급됨을 알 수 있다.
- Fig.6 에 나타난 바와 같이 본 연구에서 확산화염 반응기에 의해 제조된 TiO2입자의 크기가 129.7 皿에서 104.1nme 감소함에 따라서 비표면적의 증가로 페놀의 농도가 더욱 빨리 감소하고 있음을 알 수 있으며, 미립자효과로 반응성이 좋아졌음을 알 수 있다.
- (1) 생성된 TiO2 입자의 크기는 연료/산소의 유량 비가 증가할수록, 초기 TiC14 공급농도가 높을수록, 또는 전체 기체유량이 감소할수록 크게 나타났으며 비표면적은 연료/산소의 유량비가 감소할수록, 초기 TiCU 공급농도가 낮을수록, 또는 전체 기체 유량이 증가할수록 크게 나타났다.
- (2) TiO2 광촉매가 없는 경우라도, 02가 공급되고, 자외선이 조사되었을 경우에는 오존의 생성으로 페놀의 약 3%정도가 직접 광분해 되었다.
- (4) 산소의 공급이 없을 경우에는 페놀이 광분해 되지 않았으며, 본 실험에서의 실험장치에서는 산소의 공급유량이 50ml/min이면 반응에 필요한 충분한 양임을 알 수 있었다.
- (5) TiO2 광촉매의 입자 크기가 작아질수록 비 표면적은 증가하므로 페놀의 광분해 능력이 우수하였다.
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