PURPOSES : In areas of high traffic volume, such as expressway across large cities, the amount of nitrogen oxides (NOx) emitted into the atmosphere as air pollution can be significant since NOx gases are the major cause of smog and acid rain. Recently, the importance of NOx removal has arisen in the...
PURPOSES : In areas of high traffic volume, such as expressway across large cities, the amount of nitrogen oxides (NOx) emitted into the atmosphere as air pollution can be significant since NOx gases are the major cause of smog and acid rain. Recently, the importance of NOx removal has arisen in the world. Titanium dioxide ($TiO_2$), that is one of photocatalytic reaction material, is very efficient for removing NOx. The NOx removing mechanism of $TiO_2$ is the reaction of solar photocatalysis. Therefore, $TiO_2$ in road structure concrete need to be contacted with ultraviolet rays (UV) to be activated. In general, $TiO_2$ concretes are produced by replacement of $TiO_2$ as a part of concrete binder. However, considerable portion of $TiO_2$ in concrete cannot contact with the pollutant in the air and UV. Therefore, $TiO_2$ penetration method using the surface penetration agents is attempted as an alternative in order to locate $TiO_2$ to the surface of concrete structure. METHODS : This study aimed to evaluate the NOx removal efficiency of photocatalytic concrete due to various $TiO_2$ application method such as mix with $TiO_2$, surface spray($TiO_2$ penetration method) on hardened concrete and fresh concrete using surface penetration agents. The NOx removal efficiency of $TiO_2$ concrete was confirmed by NOx Analyzing System based on the specification of ISO 22197-1. RESULTS : The NOx removal efficiency of mix with $TiO_2$ increased from 11 to 25% with increasing of replacement ratio from 3 to 7%. In case of surface spray on hardened concrete, the NOx removal efficiency was about 50% due to application amount of $TiO_2$ with surface penetration agents as 300, 500 and 700g/m2. The NOx removal efficiency of surface spray on fresh concrete due to all experimental conditions, on the other hand, which was very low within 10%. CONCLUSIONS : It was known that the $TiO_2$ penetration method as surface spray on hardened concrete was a good alternative in order to remove the NOx gases for concrete road structures.
PURPOSES : In areas of high traffic volume, such as expressway across large cities, the amount of nitrogen oxides (NOx) emitted into the atmosphere as air pollution can be significant since NOx gases are the major cause of smog and acid rain. Recently, the importance of NOx removal has arisen in the world. Titanium dioxide ($TiO_2$), that is one of photocatalytic reaction material, is very efficient for removing NOx. The NOx removing mechanism of $TiO_2$ is the reaction of solar photocatalysis. Therefore, $TiO_2$ in road structure concrete need to be contacted with ultraviolet rays (UV) to be activated. In general, $TiO_2$ concretes are produced by replacement of $TiO_2$ as a part of concrete binder. However, considerable portion of $TiO_2$ in concrete cannot contact with the pollutant in the air and UV. Therefore, $TiO_2$ penetration method using the surface penetration agents is attempted as an alternative in order to locate $TiO_2$ to the surface of concrete structure. METHODS : This study aimed to evaluate the NOx removal efficiency of photocatalytic concrete due to various $TiO_2$ application method such as mix with $TiO_2$, surface spray($TiO_2$ penetration method) on hardened concrete and fresh concrete using surface penetration agents. The NOx removal efficiency of $TiO_2$ concrete was confirmed by NOx Analyzing System based on the specification of ISO 22197-1. RESULTS : The NOx removal efficiency of mix with $TiO_2$ increased from 11 to 25% with increasing of replacement ratio from 3 to 7%. In case of surface spray on hardened concrete, the NOx removal efficiency was about 50% due to application amount of $TiO_2$ with surface penetration agents as 300, 500 and 700g/m2. The NOx removal efficiency of surface spray on fresh concrete due to all experimental conditions, on the other hand, which was very low within 10%. CONCLUSIONS : It was known that the $TiO_2$ penetration method as surface spray on hardened concrete was a good alternative in order to remove the NOx gases for concrete road structures.
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문제 정의
NOx에 의한 대기오염을 정화할 수 있는 방안으로는 TiO2의 광촉매 작용을 이용한 NOx의 정화 및 무해화를 들 수 있으며, 광촉매가 태양에너지와 반응하여 질소산화물, 유기염소 화합물 등에 의한 대기의 오염물질을 흡착하여 제거하는 원리를 이용하는 것이다. 이러한 원리를 도로구조물에 도입할 경우 자동차에서 배출되는 유해가스를 직접적으로 흡착/제거하여 대기오염방지에 상당히 효과적일 것으로 판단되며, 특히 도로구조물의 경우 비표면적이 매우 넓으므로 광촉매 효율을 극대화할 수 있다.
소재와 실리케이트계 표면침투제를 혼합하여 굳은 콘크리트 표면에 살포할 경우 효율성이 우수한 것으로 판단하였다. 따라서 본 연구결과를 활용하여 향후 환경하중저항성 평가, 경제성 분석 및 현장 시험시공을 통한 NOx 제거효율을 평가하여 광촉매 콘크리트의 최적 적용방안을 제시하고자 한다.
그러나 이와 같은 기초연구에서는 TiO2 적용방법에 따른 티타늄 검출특성만을 확인한 것으로 다양한 적용방법에 따른 NOx 제거효율 평가는 이루어지지 않았다. 따라서 본 연구에서는 대기오염물질을 제거하기 위하여 도로구조물의 적용이 가능한 TiO2 콘크리트의 재료적 특성 및 NOx 제거효율을 평가하였으며 이를 통하여 도로구조물에 효율성과 경제성을 확보할 수 있는 광촉매 콘크리트의 적용방안을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 광촉매 콘크리트의 도로구조물 적용방안을 제시하기 위하여 재료적 특성 및 NOx 제거효율을 분석하였으며, TiO2 소재와 실리케이트계 표면침투제를 혼합하여 굳은 콘크리트 표면에 살포할 경우 효율성이 우수한 것으로 판단하였다. 따라서 본 연구결과를 활용하여 향후 환경하중저항성 평가, 경제성 분석 및 현장 시험시공을 통한 NOx 제거효율을 평가하여 광촉매 콘크리트의 최적 적용방안을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 대기오염물질을 제거하기 위하여 치환 배합 및 표면침투에 따른 광촉매 콘크리트의 NOx 제거 효율을 평가하였다. 이를 통하여 효율성과 경제성을 확보할 수 있는 광촉매 콘크리트 도로구조물의 적용방안을 제시하고자 하였으며, 주요 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 대기오염물질을 제거하기 위하여 치환 배합 및 표면침투에 따른 광촉매 콘크리트의 NOx 제거 효율을 평가하였다. 이를 통하여 효율성과 경제성을 확보할 수 있는 광촉매 콘크리트 도로구조물의 적용방안을 제시하고자 하였으며, 주요 결론은 다음과 같다.
33mm를 나타내어 콘크리트 도로구조물에 적용 시 마모에 의한 장기공용성을 확보할 수 있으며, 표면에 많은 양의 TiO2가 존재하여 대기에 충분히 접촉할 수 있기에 광촉매 반응에 따른 NOx 제거효과가 우수할 것으로 판단하였다. 이에 본 연구에서는 홍성재 등(2013)의 연구결과를 기초자료로 활용하여 대기오염물질제거를 위한 TiO2 치환배합 및 표면침투에 따른 TiO2 콘크리트의 NOx 제거효율을 평가하고자 하였으며, 이를 통하여 효율성과 경제성을 확보할 수 있는 광촉매 콘크리트 도로구조물의 적용방안을 제시하고자 하였다.
제안 방법
4. TiO2 소재와 실리케이트계 표면침투제를 혼합하여 굳은 콘크리트 표면에 살포한 경우 치환배합과 비교하여 TiO2 소재를 최대 1/10정도 적용한 반면 2배 이상의 NOx 제거효율을 확보하였다. 특히, 치환배합으로 50% 이상의 NOx 제거효율을 확보하기 위하여 약 15% 이상의 TiO2 치환량이 필요할 것으로 추정된다.
8은 NOx 제거 평가시스템의 구성을 도시한 것이다. NOx 제거효율 평가시스템은 물을 통과하는 액화공기와 액화질소를 혼합하므로 NOx 농도를 실험자가 유동적으로 조정할 수 있으며, 일부 NOx를 gas photoreactor로 흘려보내 실험을 진행하였다. 일반적으로 지표면에 도달하는 자외선은 290~380nm의 파장을 나타내므로 이와 유사한 315~400nm의 파장을 갖는 UV-A 램프를 NOx 제거 평가시스템에 사용하였으며, 조명용 형광 램프와 같은 유리를 사용하여 일부 가시광선도 방사되게 하였다.
이에 홍성재 등(2013)의 연구에서는 광촉매 소재를 콘크리트 도로구조물에 효율적으로 적용하기 위하여 시멘트의 일부를 치환하는 배합방법, 수성양생제를 TiO2와 혼합하여 콘크리트 표면을 코팅하는 방법 및 유기계 표면침투제와 TiO2를 혼합하여 콘크리트 표면에 침투시키는 방법을 검토하였으며, 콘크리트 표면으로부터 적정깊이까지의 광촉매 분포특성과 경제성을 고려하여 최적의 적용방안을 도출하였다. TiO2 소재가 콘크리트 표면 3mm내에서 표면으로 가까울수록 많은 분포를 보이는 것이 대기 중 NOx 제거를 위한 최적의 분포라고 판단하여 전계방사형 주사전자현미경(SEM/EDS)을 사용하여 TiO2의 분포도 및 침투깊이를 분석하였다.
TiO2 콘크리트의 NOx 제거효율 평가를 위하여 비교 시편과 함께 치환배합의 경우 3, 5 및 7%의 TiO2 소재를 혼합하였으며, 표면침투의 경우 실리케이트계 표면 침투제와 TiO2를 혼합하여 굳은 콘크리트와 굳지 않은 콘크리트 표면에 살포하였다. Fig.
Table 3은 NOx 제거효율 평가 시 사용된 광촉매 콘크리트 시편의 압축강도 및 휨강도를 측정한 결과이다. TiO2 표면침투 시 사용되는 콘크리트의 물리적 특성을 확인하기 위하여 TiO2 치환율을 시멘트의 0, 3, 5 및 7%로 적용하였다. TiO2 치환량의 증가에 따라 압축강도 및 휨강도가 감소하고 있으나, 고속도로공사 전문시방서에 의하면 도수로, V/L/U형 측구, 중앙분리대 및 길어깨 집수정에 사용되는 콘크리트의 설계기준강도가 21MPa이므로 본 연구에서 사용된 광촉매 콘크리트는 사용기준을 만족하였다.
광촉매 콘크리트의 NOx 제거효율을 평가하기 위하여 사용된 콘크리트 시편은 28일 항온항습 양생 후 압축강도 및 휨강도 등의 기초물성을 측정하였다. Fig.
최근 홍성재 등(2013)의 연구에서는 TiO2 광촉매 소재를 콘크리트 도로 구조물에 효율적으로 적용하기 위한 기초연구를 진행하였다. 다양한 광촉매 소재를 사용하여 시멘트의 일부로 치환하는 배합방법, 양생제를 이용하는 코팅방법 및 표면침투제를 이용하는 침투방법에 대하여 전계방사형 주사전자현미경(SEM/EDS)을 사용하여 TiO2의 분포도 및 침투깊이를 분석하였다. 치환배합을 통한 EDS 분석결과 시편의 전단면에서 티타늄이 검출되었으나 기본적으로 많은 양의 광촉매를 소비하고 있으며, 내부 광촉매의 경우 배기가스와 접촉하지 못하므로 효율성이 떨어지는 것을 확인하였다.
치환배합의 경우 배합 시 시멘트의 3, 5 및 7%의 TiO2 소재를 혼합하여 배합하였으며, 굳지 않은 콘크리트 표면침투 시 표면의 물기가 마르는 시점에 TiO2 표면침투제를 살포하였다. 모든 시편은 동일하게 28일 항온항습 양생을 실시하였으며, 굳은 콘크리트에 대한 표면침투는 28일 양생 후 TiO2 표면침투제를 살포하였다. 제작된 시편은 자외선의 영향을 방지하고자 암막으로 처리하여 광원을 차단하였다.
일반적으로 표면침투제의 적정살포량은 1,000g/m2이나 고속도로 전문시방서의 양생제 살포량 기준인 약 388~485g/m2을 참조하여 실험조건을 선정하였다. 본 실험에서는 TiO2 치환배합과 함께 굳지 않은 콘크리트와 굳은 콘크리트로 구분하여 표면침투를 시행하였으며, 굳지 않은 콘크리트 표면침투 시 TiO2 표면침투제의 살포시기는 표면 물기가 증발한 후 30분 이내에 1회 살포, 경우에 따라 2회 이상으로 나누어 진행하였다. 각각의 실험조건에 대하여 NOx 제거 효율평가 시편을 3개씩 제작하였으며, 콘크리트의 물성 검토를 위하여 압축강도 및 휨강도 시편을 3개씩 제작하였다.
각각의 실험조건에 대하여 NOx 제거 효율평가 시편을 3개씩 제작하였으며, 콘크리트의 물성 검토를 위하여 압축강도 및 휨강도 시편을 3개씩 제작하였다. 사용배합비는 고속도로공사 전문시방서를 참조하여 Table 2와 같이 콘크리트 중앙분리대, 측구 및 길어깨 집수정 적용을 위한 표준배합을 사용하였다.
모든 시편에서 UV 램프 점등 후 TiO2 소재의 광촉매 반응에 의하여 10분 내외에 NOx의 농도가 최소치로 감소하였다. 시간이 경과함에 따라 NOx 농도가 소폭 상승하는 경향을 나타냈으며 일정시간 경과 후 안정화를 이루는 시점의 NOx 농도를 사용하여 NOx 제거효율을 평가하였다. 치환배합의 경우 TiO2 치환량을 시멘트의 3, 5 및 7%로 증가 시 NOx 제거효율은 11, 19 및 25 %로 증가하였다.
9는 TiO2 치환배합에 따른 NOx의 농도변화를 나타낸 것으로, 모든 시편에서 UV 램프 점등 후 TiO2 소재의 광촉매 반응에 의하여 10분 내외에 NOx의 농도가 최소치로 감소하였다. 이후 시간이 경과함에 따라 NOx 농도가 소폭 상승하였으나 일정시간 경과 후 안정화되었으며 이때의 농도를 활용하여 NOx 제거효율을 판단하였다. 실험결과 TiO2 소재의 치환량을 각각 시멘트의 3, 5 및 7%로 증가시킬 경우 NOx 농도는 안정화 단계에서 0.
모든 시편은 동일하게 28일 항온항습 양생을 실시하였으며, 굳은 콘크리트에 대한 표면침투는 28일 양생 후 TiO2 표면침투제를 살포하였다. 제작된 시편은 자외선의 영향을 방지하고자 암막으로 처리하여 광원을 차단하였다. 모든 시편은 NOx 제거효율측정 전 브러시를 사용하여 흐르는 물에 표면잔류 TiO2 분말을 세척하였으며, 완전건조시킨 후 실험을 진행하였다.
실리케이트계 표면침투제와 TiO2 소재를 8대 2로 혼합하여 굳은 콘크리트 표면에 살포한 경우 300, 500 및 700g/m2의 살포량 변화에 따른 NOx 제거효율은 50% 내외로 매우 우수하였다. 치환배합과 비교하여 TiO2 소재를 최대 1/10정도 적용한 반면 2배 이상의 NOx 제거효율을 확보하였다. 특히 치환배합으로 50% 이상의 NOx 제거 효율 확보하려면 약 15% 이상의 치환량이 요구될 것으로 판단된다.
모든 시편은 NOx 제거효율측정 전 브러시를 사용하여 흐르는 물에 표면잔류 TiO2 분말을 세척하였으며, 완전건조시킨 후 실험을 진행하였다. 치환배합의 경우 TiO2의 혼입에 따른 재료적 특성을 확인하고자 압축강도 및 휨강도 시편을 제작하였다.
6은 광촉매 콘크리트의 시편 제작과정을 나타낸 것으로, 10cm×10cm×80cm의 몰드에 콘크리트를 배합한 후 타설 및 다짐을 실시하였다. 치환배합의 경우 배합 시 시멘트의 3, 5 및 7%의 TiO2 소재를 혼합하여 배합하였으며, 굳지 않은 콘크리트 표면침투 시 표면의 물기가 마르는 시점에 TiO2 표면침투제를 살포하였다. 모든 시편은 동일하게 28일 항온항습 양생을 실시하였으며, 굳은 콘크리트에 대한 표면침투는 28일 양생 후 TiO2 표면침투제를 살포하였다.
표면침투제를 활용하여 광촉매를 표면으로 침투 시 표면침투제와 TiO2 분말을 8대2로 희석하여 각각 300, 500, 700g/m2을 살포하였다. 일반적으로 표면침투제의 적정살포량은 1,000g/m2이나 고속도로 전문시방서의 양생제 살포량 기준인 약 388~485g/m2을 참조하여 실험조건을 선정하였다.
대상 데이터
본 실험에서는 TiO2 치환배합과 함께 굳지 않은 콘크리트와 굳은 콘크리트로 구분하여 표면침투를 시행하였으며, 굳지 않은 콘크리트 표면침투 시 TiO2 표면침투제의 살포시기는 표면 물기가 증발한 후 30분 이내에 1회 살포, 경우에 따라 2회 이상으로 나누어 진행하였다. 각각의 실험조건에 대하여 NOx 제거 효율평가 시편을 3개씩 제작하였으며, 콘크리트의 물성 검토를 위하여 압축강도 및 휨강도 시편을 3개씩 제작하였다. 사용배합비는 고속도로공사 전문시방서를 참조하여 Table 2와 같이 콘크리트 중앙분리대, 측구 및 길어깨 집수정 적용을 위한 표준배합을 사용하였다.
특히 모르타르 표면으로부터 2mm 이상의 침투깊이를 확보하여 콘크리트 도로구조물 적용 시 마모에 따른 광촉매 효율을 장기간 유지할 수 있을 것으로 판단하였다. 또한 실험에 사용된 표면침투제는 액상형 실리케이트계로 불화수소, 탄산마그네슘, 실리카겔 및 물로 구성되었다. 이와 같은 실리케이트계 표면침투제는 콘크리트 시편에 침투 시 시멘트 클링커와 수화반응하여 규산염겔인 C-S-H(Calcium Silicate Hydrate)와 수산화칼슘(Ca(OH)2)결정이 모세관 공극 (capillary pore)내에 생성되는 포졸란 반응을 활성화 시킨다.
제작된 시편은 자외선의 영향을 방지하고자 암막으로 처리하여 광원을 차단하였다. 모든 시편은 NOx 제거효율측정 전 브러시를 사용하여 흐르는 물에 표면잔류 TiO2 분말을 세척하였으며, 완전건조시킨 후 실험을 진행하였다. 치환배합의 경우 TiO2의 혼입에 따른 재료적 특성을 확인하고자 압축강도 및 휨강도 시편을 제작하였다.
이론/모형
5배 이상 높으며, 출퇴근 차량이 증가하는 시점에서 최대치를 나타낸다. 따라서 NOx 제거효율 측정 시 ISO 22197-1에 따라 도로지역의 NO 최고농도와 유사하게 1,000ppb로 고정하였다.
성능/효과
Fig. 1(a) 국내의 대기오염물질 배출현황을 나타낸 것으로 도로이동오염원이 배출하는 대기오염물질 배출량 중 질소산화물(NOx)의 비율이 상당히 높은 것으로 확인할 수 있다. Fig.
1. TiO2 치환배합에 의한 도로시설용 광촉매 콘크리트의 물리적 특성을 확인한 결과, TiO2 치환량의 증가에 따른 압축강도 및 휨강도가 감소하는 경향이 나타났으나 설계기준강도를 크게 상회하여 도로구조물의 적용이 가능할 것으로 판단된다. 그러나 TiO2 콘크리트의 내구성을 확인하기 위하여 치환량 증가에 따른 환경하중저항성 검토가 추가적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다.
2. 치환배합의 경우 TiO2 치환량을 시멘트의 0, 3, 5 및 7%로 증가 시 NOx 제거효율은 0, 11, 19 및 25 %로 증가하였다. 치환배합은 많은 양의 TiO2 소재를 사용하고 있으나 콘크리트 표면에 존재하는 TiO2 소재가 광촉매 반응을 하여 NOx를 흡착/제거하는 것으로 내부 TiO2 소재는 배기가스 및 광원과 접촉하지 못하므로 효율성이 떨어지는 단점이 존재한다.
3. 실리케이트계 표면침투제와 TiO2 소재를 8대 2로 혼합하여 굳은 콘크리트 표면에 살포한 경우 300, 500 및 700g/m2의 살포량 변화에 따른 NOx 제거효율은 50% 내외로 매우 우수하였다. 반면에 굳지 않은 콘크리트 표면살포의 경우 NOx 제거효율이 10% 미만으로 매우 저조하여 현장적용이 용이하지 못할 것으로 판단된다.
TiO2 표면침투 시 사용되는 콘크리트의 물리적 특성을 확인하기 위하여 TiO2 치환율을 시멘트의 0, 3, 5 및 7%로 적용하였다. TiO2 치환량의 증가에 따라 압축강도 및 휨강도가 감소하고 있으나, 고속도로공사 전문시방서에 의하면 도수로, V/L/U형 측구, 중앙분리대 및 길어깨 집수정에 사용되는 콘크리트의 설계기준강도가 21MPa이므로 본 연구에서 사용된 광촉매 콘크리트는 사용기준을 만족하였다. TiO2 소재를 시멘트의 일부로 치환하여 NOx 제거를 위한 콘크리트 도로구조물에 적용할 경우 치환량에 따른 강도특성과 함께 환경하중저항성에 대한 추가적인 검토가 이루어져야 할 것으로 판단된다.
특히, 치환배합으로 50% 이상의 NOx 제거효율을 확보하기 위하여 약 15% 이상의 TiO2 치환량이 필요할 것으로 추정된다. 따라서 대기오염물질 제거를 위한 TiO2 콘크리트의 도로구조물 적용 시 차량하중에 의한 직접적인 마모가 발생하지 않는 콘크리트 중앙분리대, 측구 및 길어깨 집수정에 대한 TiO2 표면살포의 적용성이 우수할 것으로 판단된다.
Fig. 9는 TiO2 치환배합에 따른 NOx의 농도변화를 나타낸 것으로, 모든 시편에서 UV 램프 점등 후 TiO2 소재의 광촉매 반응에 의하여 10분 내외에 NOx의 농도가 최소치로 감소하였다. 이후 시간이 경과함에 따라 NOx 농도가 소폭 상승하였으나 일정시간 경과 후 안정화되었으며 이때의 농도를 활용하여 NOx 제거효율을 판단하였다.
실험결과 TiO2 소재의 치환량을 각각 시멘트의 3, 5 및 7%로 증가시킬 경우 NOx 농도는 안정화 단계에서 0.89, 0.81 및 0.75ppm으로 감소하였다.
10은 실리케이트계 표면침투제와 TiO2 소재를 8대 2로 혼합하여 굳은 콘크리트 표면에 300, 500 및 700g/m2을 살포한 후 NOx의 농도변화를 측정한 것이다. 앞선 TiO2 치환배합과 유사하게 모든 시편에서 UV 램프 점등 후 10분 내외에 NOx의 농도가 최소치로 나타났으며, 안정화 단계에서 0.52, 0.50 및 0.47ppm으로 TiO2 치환배합과 비교하여 NOx 제거효율이 매우 우수한 것으로 나타났다. 광촉매 반응 시 살포량의 변화에 따른 NOx 농도의 감소치가 큰 차이가 발생하지 않은 원인은 표면침투제와 TiO2를 혼합하여 콘크리트 표면에 살포 시 콘크리트 내부의 모세관공극(capillary pore)으로 침투할 수 있는 TiO2 양이 제한적인 것으로 판단하였다.
33mm 깊이에서 티타늄이 검출되지 않았다. 유기계 표면침투제를 적용한 경우 광촉매가 적정 깊이까지 침투하였으며, 치환배합 및 코팅과 비교하여 충분한 경제성을 확보함과 동시에 콘크리트 표면에 많은 양의 광촉매가 분포하여 NOx 제거효율이 우수할 것으로 판단하였다. 그러나 이와 같은 기초연구에서는 TiO2 적용방법에 따른 티타늄 검출특성만을 확인한 것으로 다양한 적용방법에 따른 NOx 제거효율 평가는 이루어지지 않았다.
특히 치환배합으로 50% 이상의 NOx 제거 효율 확보하려면 약 15% 이상의 치환량이 요구될 것으로 판단된다. 이를 통하여 TiO2 소재의 도로구조물 적용 시 차량하중에 의한 직접적인 마모가 발생하지 않는 콘크리트 중앙분리대, 측구 및 길어깨 집수정의 경우 TiO2 소재와 실리케이트계 표면침투제를 혼합하여 표면살포 시 NOx 제거를 위한 적용성이 우수할 것으로 판단된다. 반면 굳지 않은 콘크리트 표면살포의 경우 NOx 제거효율이 매우 저조하여 현장적용이 용이하지 못할 것으로 판단된다.
95ppm으로 나타나 NOx 제거효율이 매우 저조하였다. 이와 같은 원인은 굳지 않은 콘크리트의 수분에 의한 영향으로 TiO2 소재가 콘크리트 내부까지 침투되지 않은 것으로 판단되며, NOx 제거효율 측정 전 브러시를 사용하여 흐르는 물에 표면잔류 TiO2 세척 시 모두 탈리된 것을 확인하였다. 따라서 굳지 않은 콘크리트에 대한 TiO2 표면살포는 대기오염물질 제거를 위한 콘크리트 도로구조물로의 적용이 용이하지 못할 것으로 판단된다.
33mm 깊이에서 261%의 높은 질량비/사용량의 TiO2가 검출되었으며 깊이가 증가할수록 질량비/사용량이 감소하였다. 최대 침투깊이는 2.33mm를 나타내어 콘크리트 도로구조물에 적용 시 마모에 의한 장기공용성을 확보할 수 있으며, 표면에 많은 양의 TiO2가 존재하여 대기에 충분히 접촉할 수 있기에 광촉매 반응에 따른 NOx 제거효과가 우수할 것으로 판단하였다. 이에 본 연구에서는 홍성재 등(2013)의 연구결과를 기초자료로 활용하여 대기오염물질제거를 위한 TiO2 치환배합 및 표면침투에 따른 TiO2 콘크리트의 NOx 제거효율을 평가하고자 하였으며, 이를 통하여 효율성과 경제성을 확보할 수 있는 광촉매 콘크리트 도로구조물의 적용방안을 제시하고자 하였다.
다양한 광촉매 소재를 사용하여 시멘트의 일부로 치환하는 배합방법, 양생제를 이용하는 코팅방법 및 표면침투제를 이용하는 침투방법에 대하여 전계방사형 주사전자현미경(SEM/EDS)을 사용하여 TiO2의 분포도 및 침투깊이를 분석하였다. 치환배합을 통한 EDS 분석결과 시편의 전단면에서 티타늄이 검출되었으나 기본적으로 많은 양의 광촉매를 소비하고 있으며, 내부 광촉매의 경우 배기가스와 접촉하지 못하므로 효율성이 떨어지는 것을 확인하였다. 양생제를 이용한 표면 코팅의 경우 콘크리트 표면 0.
사용광촉매의 타입은 루타일계로 입자크기는 260nm이며, 홍성재 등 (2013)의 연구에서는 표면침투제를 사용하여 모르타르 시편에 해당 광촉매의 표면침투 시 우수한 분포특성을 나타냈다. 특히 모르타르 표면으로부터 2mm 이상의 침투깊이를 확보하여 콘크리트 도로구조물 적용 시 마모에 따른 광촉매 효율을 장기간 유지할 수 있을 것으로 판단하였다. 또한 실험에 사용된 표면침투제는 액상형 실리케이트계로 불화수소, 탄산마그네슘, 실리카겔 및 물로 구성되었다.
후속연구
TiO2 치환량의 증가에 따라 압축강도 및 휨강도가 감소하고 있으나, 고속도로공사 전문시방서에 의하면 도수로, V/L/U형 측구, 중앙분리대 및 길어깨 집수정에 사용되는 콘크리트의 설계기준강도가 21MPa이므로 본 연구에서 사용된 광촉매 콘크리트는 사용기준을 만족하였다. TiO2 소재를 시멘트의 일부로 치환하여 NOx 제거를 위한 콘크리트 도로구조물에 적용할 경우 치환량에 따른 강도특성과 함께 환경하중저항성에 대한 추가적인 검토가 이루어져야 할 것으로 판단된다.
TiO2 치환배합에 의한 도로시설용 광촉매 콘크리트의 물리적 특성을 확인한 결과, TiO2 치환량의 증가에 따른 압축강도 및 휨강도가 감소하는 경향이 나타났으나 설계기준강도를 크게 상회하여 도로구조물의 적용이 가능할 것으로 판단된다. 그러나 TiO2 콘크리트의 내구성을 확인하기 위하여 치환량 증가에 따른 환경하중저항성 검토가 추가적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다.
치환배합은 많은 양의 TiO2 소재를 사용하고 있으나 콘크리트 표면에 존재하는 TiO2 소재가 광촉매 반응을 하여 NOx를 흡착/제거하는 것으로 내부 TiO2 소재는 배기가스 및 광원과 접촉하지 못하므로 효율성이 떨어지는 단점이 존재한다. 따라서 TiO2 치환배합에 의한 적정 NOx 제거효율을 확보하기 위하여 치환량을 증가할 경우 추가적인 경제성 분석 및 환경하중저항성 평가가 이루어져야할 것으로 판단된다.
국내의 경우, 광촉매 소재를 도로구조물에 코팅하여 오염물 분해효과를 검증하는 기초연구가 수행되었으나 적용방안에 대한 검토와 NOx 제거효율에 관한 연구는 전무한 상황이다. 따라서 실제 외부환경에 노출될 경우 발생할 수 있는 다양한 영향인자들에 대한 검토와 함께 실구조물 적용에 필요한 시공방안 등의 연구가 추가적으로 필요한 것으로 판단된다.
이에 대한 추가연구가 필요할 것으로 판단된다. 실리케이트계 표면침투제와 TiO2 소재를 8대 2로 혼합하여 굳은 콘크리트 표면에 살포한 경우 300, 500 및 700g/m2의 살포량 변화에 따른 NOx 제거효율은 50% 내외로 매우 우수하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
NOx에 의한 대기오염을 정화할 수 있는 방안의 원리는 무엇인가?
NOx에 의한 대기오염을 정화할 수 있는 방안으로는 TiO2의 광촉매 작용을 이용한 NOx의 정화 및 무해화를 들 수 있으며, 광촉매가 태양에너지와 반응하여 질소산화물, 유기염소 화합물 등에 의한 대기의 오염물질을 흡착하여 제거하는 원리를 이용하는 것이다. 이러한 원리를 도로구조물에 도입할 경우 자동차에서 배출되는 유해가스를 직접적으로 흡착/제거하여 대기오염방지에 상당히 효과적일 것으로 판단되며, 특히 도로구조물의 경우 비표면적이 매우 넓으므로 광촉매 효율을 극대화할 수 있다.
광촉매가 태양에너지와 반응하여 질소산화물, 유기염소 화합물 등에 의한 대기의 오염물질을 흡착하여 제거하는 원리를 도로구조물에 도입하면?
NOx에 의한 대기오염을 정화할 수 있는 방안으로는 TiO2의 광촉매 작용을 이용한 NOx의 정화 및 무해화를 들 수 있으며, 광촉매가 태양에너지와 반응하여 질소산화물, 유기염소 화합물 등에 의한 대기의 오염물질을 흡착하여 제거하는 원리를 이용하는 것이다. 이러한 원리를 도로구조물에 도입할 경우 자동차에서 배출되는 유해가스를 직접적으로 흡착/제거하여 대기오염방지에 상당히 효과적일 것으로 판단되며, 특히 도로구조물의 경우 비표면적이 매우 넓으므로 광촉매 효율을 극대화할 수 있다. 이에 일부 유럽국가 및 일본에서는 대기오염물질 제거를 위하여 도로구조물에 광촉매 소재를 적용하고 있으며, 시멘트의 일부를 치환하여 배합하는 방식으로 블록포장을 건설하고 있다.
NOx에 의한 대기오염을 정화할 수 있는 방안은?
NOx에 의한 대기오염을 정화할 수 있는 방안으로는 TiO2의 광촉매 작용을 이용한 NOx의 정화 및 무해화를 들 수 있으며, 광촉매가 태양에너지와 반응하여 질소산화물, 유기염소 화합물 등에 의한 대기의 오염물질을 흡착하여 제거하는 원리를 이용하는 것이다. 이러한 원리를 도로구조물에 도입할 경우 자동차에서 배출되는 유해가스를 직접적으로 흡착/제거하여 대기오염방지에 상당히 효과적일 것으로 판단되며, 특히 도로구조물의 경우 비표면적이 매우 넓으므로 광촉매 효율을 극대화할 수 있다.
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