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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 기존의 수처리 광촉매 시스템의 분말회수 및 전력 소비 문제를 해결하기 위하여 실리콘 실란트에 고정한 광촉매와 태양광을 이용할 경우 태양광을 효율적으로 이용할 수 있는 반사판 종류 와 재질, 크기, 광택정도, 반응기와의 거리 및 설치 각도 등 반응기의 제작과 설치 등에 관한 내용으로 실험하고 성능을 비교하여 태양광 아래에서 효율적으로 고정화 광촉매를 사용하기 위한 기초자료를 제공 하고지- 한다.
- 수용성 염료인 Rhodamine B를 대상으로 태양광을 효율적으로 이용하기 위한 고정화 광촉매와 반응기 시스템을 개발하기 위하여 실리콘 실란트에 고정한 광촉 매를 석영관 반응기에서 충전층으로 태양광하에서 운 전한 결과 다음의 결론을 얻었다.
제안 방법
- 4% 혼합한 후 P-25 TiOz가 뿌려져 있는 판 에 놓고 상부에도 TiQ를 도포한 후 얇게 편 뒤 실온 에서 48시간 건조시킨 후 작은 육면체로(길이: l~2mm, 넓이: 1-3mm, 두께: L5~2 mm) 잘라서 사용하였다. 실리콘 광촉매 제조시 12.4% 이상의 투입량에서는 넓 게 펴지지 않고 덩어리로 성형되기 때문에 일정한 크 기의 광촉매로 제조하기 어려워 12.4%를 투입하였다. 바인더인 실리콘 실란트에 TiOz를 혼합한 것은 표면에 코팅된 TiQ가 소실되어도 바인더에 혼합된 TiOz가 광 촉매 반응이 이용가능하기 때문이었다.
- 7에 반사판 표면에 반사되는 태양광 중에서 312 nm의 광세기를 나타내었다. 자외선강도측정기의 센서 는 254 nm, 312 nm, 365 nm의 세 가지로 쿠)성되어 있으나 254 nm는 화창한 날이 아니면 측정되지 않았으 며 , 365 nm의 경우 강도가 가장 높게 나타났지만 자외 선강도 변화가 너무 빠르게 변화하기 때문에 측정이 어 려워 안정적인 값을 얻을 수 있는 312nm에서 자외선 강도를 측정하였다. 그림에서 보듯이 반사되는 광세기 도 반사판의 크기에 따라 반사되는 광 세기가 증가하는 경향을 나타내었으나, 38cm 이상의 반사판에서의 광세기 증가율은 감소되는 것으로 나타났다.
- 초기 반응속도가 가장 높은 원호형을 반사판으로 선 택하여 광택이 없는 알루미늄 반사판과 알루미늄 호일 을 씌운 반사판 및 형광등의 반사판으로 사용되는 광 택이 나는 알루미늄 반사판을 사용하여 반사판의 광택 즉, 반사율이 다른 반사판을 사용하여 RhB 농도 감소 를 고찰하여 Fig. 4에 나타내었다.
- 890의 반사율을 나타낸다 고 보고하였다. 폭이 18 cm인 알루미늄 판을 Fig. 2와 같은 모양으로 반사판을 제작하고 태양광을 반사시키 기 위하여 알루미늄 호일을 부착시킨 후 실리콘에 고 정한 고정화 광촉매가 충전된 석영관 반응기를 반사판 하부에서 2 cm 지점에 설치하여 태양광 하에서 반사 판 종류에 따른 RhB 탈색을 고찰하여 Fig. 3에 나타내었다.
대상 데이터
- 바인더인 실리콘 실란트에 TiOz를 혼합한 것은 표면에 코팅된 TiQ가 소실되어도 바인더에 혼합된 TiOz가 광 촉매 반응이 이용가능하기 때문이었다.20, 광촉매의 성능을 테스트한 결과 광촉매 표면으로의 흡착능이 우수 하여 초기 반응속도상수가 분말형 광촉매보다 빠른 것으로 나타나 본 실험에 사용하였다.”>
- 반사판의 크기는 태양광 반사에 영향을 미칠 것으로 판단하여 광택 알루미늄으로 원호형으로 제작한 반사 판의 폭을 18-58 cmS. 변화시켜 반사판 크기변화에 따른 RhB 탈색을 Fig.
- 반응기 시스템은 크게 반사판과 고정화 광촉매가 충 전된 반응기로 구성되고, 실험에 사용한 반응기는 석영 관으로 된 재질의 충전층 반응기(외경, 22 mm; 내경, 20 mm)로 반응기 부피는 0.22 Z이었다(Fig. 1). 반응기 하부는 알루미늄 재질로 만든 여러가지 모양과 크기의 반사판을 설치하여 UV 광을 반사하도록 하였다.
- 본 실험에 사용한 염료는 Rhodamine B(RhB)로 사 용하였으며, TiQ는 Degussa의 P-25(입자 크기: 30 nm, Anatase 구조: 70%, Rutile 구조: 30%, BET 표면적: 50 m7g) 제품을 사용하였다.
- 실리콘 광촉매는 실리콘 실란트에 P-25 TiQ를 중량 비로 12.4% 혼합한 후 P-25 TiOz가 뿌려져 있는 판 에 놓고 상부에도 TiQ를 도포한 후 얇게 편 뒤 실온 에서 48시간 건조시킨 후 작은 육면체로(길이: l~2mm, 넓이: 1-3mm, 두께: L5~2 mm) 잘라서 사용하였다. 실리콘 광촉매 제조시 12.
- 실험은 2005년 9월에서 10월 사이에 실시되었으 며, 바람과 구름이 없는 맑은 날 1시부터 실시하였다. 실험에 사용한 반응기는 3대를 사용하였으며, 날씨와 계절 변화에 따라 반응기 성능이 달라져 실험인자에 대한 성능비교가 어려워져 실험의 재현성에 문제가 발생 하기 때문에 1대를 기준 반응기로 사용하여 날씨 변화에 따른 성능을 보정하는데 사용하였으며, 2대는 성능 비교에 사용하였다.
- 여 반응기 하부에서 상부로 유입시켰으며, 상부의 처리 수는 저장고로 교반기로 교반되는 유입되어 펌프에 의해 다시 반응기로 공급되는 순환식 회분형 반응시스템 이다. 실험은 2005년 9월에서 10월 사이에 실시되었으 며, 바람과 구름이 없는 맑은 날 1시부터 실시하였다. 실험에 사용한 반응기는 3대를 사용하였으며, 날씨와 계절 변화에 따라 반응기 성능이 달라져 실험인자에 대한 성능비교가 어려워져 실험의 재현성에 문제가 발생 하기 때문에 1대를 기준 반응기로 사용하여 날씨 변화에 따른 성능을 보정하는데 사용하였으며, 2대는 성능 비교에 사용하였다.
성능/효과
- 1. 반사판 모양에 따른 RhB 농도 감소를 고찰한 결과 원호형(round)>다각형(polygon) = W형의 순서로 나타났다. 초기 반응속도가 가장 높은 원호형을 기준으로 반사율이 다른 반사판을 사용한 결과 반사율 정도에 따른 성능차이는 적은 것으로 나타났다.
- 2. 반사판의 크기가 커질수록 반사되는 광세기와 RhB 탈색율이 증가하지만 38 cm 이상의 반사판에서의 광세 기 증가율은 감소되는 것으로 나타났으며, 최적 반사판 크기는 38 cm인 것으로 사료되었다.
- 3.반응기는 반사판 하부와 측면에서 반사되는 광을 효율적으로 이용할 수 있는 위치에 설치하는 것이상부에 조사되는 태양광만 이용하는 것보다 초기 반응 속 도가 빠르며, 38 cm의 반사판을 이용할 경우 최적 높이는 6 cm인 것으로 나타났다.
- 4.반응기 시스템을 태양에 대해 폭방향으로 설치하는 것이 시간에 관계없이 태양광을 효율적으로 이용할 수 있는 것으로 나타났다.
- 13에 나타내었다. 두 경우의 초기 반응속도상수는 각각 0.0332 〃血n(기준), 0.0531 // min(최적조건 적용谊로 나타나 1.6배의 차이를 보였으 며, RhB 초기농도 4.8mg/Z에서 0.1mg/Z로 감소되는데 소요되는 시간은 기준의 경우는 160분이 소요되지만 최 적조건의 경우는 80분만 소요되어 반응종료에 걸리는 시간을 2배 정도 단축시키는 것으로 나타나 태양광과 같이 미약한 자외선을 이용하여 수처리를 할 경우 최 적조건을 구하는 것이 초기 반응속도를 높이고 반응종 결시간도 줄일 수 있는 것으로 사료되었다.
- 반응기가 반사판 바닥에 접촉되어 있는 0 cm의 경우 반응기 상 부에 태양광을 동일하게 받지만 반사판 하부에서 광을 제대로 반사시키지 못하기 때문에 성능차이가 난다고 사료되었다. 또한 7 cm 이상에서는 하부에서 반사되는 광은 이용 가능하지만 즉면에서 광을 효율적으로 반사 시키지 못하기 때문에 최적 설치거리가 존재하는 것으로 사료되었다.
- 9에서 보듯이 반응기와 반사판의 거리가 증가할수록 RhB의 농도감소량이 증가하였으며, 6 cm에서 최 대를 보인 후 7 cm에서는 감소하는 경향을 보였다. 반 응기와 반사판 사이의 거리에 따른 초기 반응속도상수 를 구한 결과 0.0310//min(0 cm), 0.0370 Z/min(2 cm), 0.041 Z/min(4 cm), 0.0419 Z/min(5 cm), 0.0439 //min (6 cm), 0.0406 〃min(7 cm)로 나타나 6 cm 지점이 최적 설치거리라는 것을 알 수 있었다. 반사판의 크기가 달 라지면 최적 거리도 달라질 것으로 사료되었다.
- 반응기와 지면과의 반사판 사이의 거리에 따른 초기 반응속도상수를 구한 결과 경사각이 0°인 경우 0.0425 Z/min, 폭 방향 경사각의 경우 0.0531 l/min, 길이 방향 의 경우 0.0459 〃min로 나타나 폭 방향을 경사각을 주는 것이 길이 방향으로 경사각을 주는 것보다 광촉매 반응이 빠른 것으로 나타났다. 특히, 폭 방향으로 경사 각을 준 경우는 시간의 경과에 따라 태양의 위치가 변 하여도 태양광을 충분히 받을 수 있는 것이 관찰되었 지만 길이 방향으로 경사각을 준 경우는 오전과 오후 에는 반사판 일부에 그늘이 지는 것이 관찰되어 폭 방향으로 경사각을 주어야 한다고 사료되었다.
- 본 연구에서 반사판 형태, 광택정도, 크기, 반응기와 반사판 사이의 거리 및 반사판 설치 각도를 변화시킨 결과 반사판 형태에 따른 초기 반응속도상수 차이는 1.25배, 광택 정도에 따른 차이는 1.13배, 반사판 크기에 따른 차이는 1.26배, 반응기와 반사판 사이의 거리 에 따른 차이는 1.4배, 반사판 설치 각도에 따른 차이는 1.25배로 나타나 반응기와반사판 사이의 거리가 본 실험에 사용한 형태의 광촉매 반응기에서 가장 중요한 인자이며, 반사판 형태, 반사판 크기, 반사판 설치 각도 는 RhB 농도감소에 미치는 영향은 비슷하게 나타났으며, 반사판의 광택 정도는 가장 적게 영향을 주는 것으로 나타났다.
- 반사판 모양에 따른 RhB 농도 감소를 고찰한 결과 원호형(round)>다각형(polygon) = W형의 순서로 나타났다. 초기 반응속도가 가장 높은 원호형을 기준으로 반사율이 다른 반사판을 사용한 결과 반사율 정도에 따른 성능차이는 적은 것으로 나타났다.
- 0459 〃min로 나타나 폭 방향을 경사각을 주는 것이 길이 방향으로 경사각을 주는 것보다 광촉매 반응이 빠른 것으로 나타났다. 특히, 폭 방향으로 경사 각을 준 경우는 시간의 경과에 따라 태양의 위치가 변 하여도 태양광을 충분히 받을 수 있는 것이 관찰되었 지만 길이 방향으로 경사각을 준 경우는 오전과 오후 에는 반사판 일부에 그늘이 지는 것이 관찰되어 폭 방향으로 경사각을 주어야 한다고 사료되었다.
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