광촉매 반응에서 $TiO_2$에 금속물질을 첨가하면 촉매표면이 변화되며, 이러한 금속물질은 광분해반응의 속도를 증가시킨다. 본 연구에서는 $TiO_2$ 광촉매의 광분해능력을 향상시키기 위해 다양한 방법을 이용하여 개질하였으며, 개질된 광촉매의 광분해특성은 회분식 광반응기를 이용하여 조사하였다. 우수한 $TiO_2$ 광촉매용액을 얻기 위해 여러 종류의 분산제와 안정제를 조사하였으며, 분산제로는 isoproply alcohol, 안정제로는 sodium silicate가 적합하였다. 톨루엔 분해반응을 향상시키기 위해 다양한 금속물질을 $TiO_2$ 광촉매에 첨가하여 광분해효율을 조사한 결과 Pd가 가장 우수하였으며, Cu와 W도 우수하였다. Pd를 첨가한 경우 25%의 제거효율 향상이 있었다. 그러나 Fe의 경우 광촉매분해반응을 상당히 저해하는 것으로 나타났다. $Pd/TiO_2$ 광촉매에 Cu 또는 W를 부가적으로 첨가하여도 촉매의 광분해효율에는 증가가 없었다.
광촉매 반응에서 $TiO_2$에 금속물질을 첨가하면 촉매표면이 변화되며, 이러한 금속물질은 광분해반응의 속도를 증가시킨다. 본 연구에서는 $TiO_2$ 광촉매의 광분해능력을 향상시키기 위해 다양한 방법을 이용하여 개질하였으며, 개질된 광촉매의 광분해특성은 회분식 광반응기를 이용하여 조사하였다. 우수한 $TiO_2$ 광촉매용액을 얻기 위해 여러 종류의 분산제와 안정제를 조사하였으며, 분산제로는 isoproply alcohol, 안정제로는 sodium silicate가 적합하였다. 톨루엔 분해반응을 향상시키기 위해 다양한 금속물질을 $TiO_2$ 광촉매에 첨가하여 광분해효율을 조사한 결과 Pd가 가장 우수하였으며, Cu와 W도 우수하였다. Pd를 첨가한 경우 25%의 제거효율 향상이 있었다. 그러나 Fe의 경우 광촉매분해반응을 상당히 저해하는 것으로 나타났다. $Pd/TiO_2$ 광촉매에 Cu 또는 W를 부가적으로 첨가하여도 촉매의 광분해효율에는 증가가 없었다.
In photocatalysis, the addition of metal matter to $TiO_2$ can alter the surface properties. As such, the metal can increase the rate of the photodegradation reaction. In this study, a range of modified $TiO_2$ photocatalysts were prepared and tested to improve the activity of ...
In photocatalysis, the addition of metal matter to $TiO_2$ can alter the surface properties. As such, the metal can increase the rate of the photodegradation reaction. In this study, a range of modified $TiO_2$ photocatalysts were prepared and tested to improve the activity of photodegradation at a batch-typed photoreactor. To obtain a good sol solution of the $TiO_2$ photocatalyst, several types of dispersion agents and stabilizers were investigated. The photocatalyst solutions were modified with isoproply alcohol as the dispersion agent and sodium silicate as the stabilizer. The effects of various metallic elements on enhancing the photocatalytic activity of $TiO_2$ on the degradation of toluene were examined. Palladium-added $TiO_2$ was found to be the best, whereas copper or tungsten-added also showed good results. In the case of palladium addition, the increase in removal efficiency was 25%. On the other hand, Fe-added $TiO_2$ showed a notable decrease in photocatalytic degradation. Additional doping of copper or tungsten on the $Pd/TiO_2$ had no positive effect on the photodegradation activity.
In photocatalysis, the addition of metal matter to $TiO_2$ can alter the surface properties. As such, the metal can increase the rate of the photodegradation reaction. In this study, a range of modified $TiO_2$ photocatalysts were prepared and tested to improve the activity of photodegradation at a batch-typed photoreactor. To obtain a good sol solution of the $TiO_2$ photocatalyst, several types of dispersion agents and stabilizers were investigated. The photocatalyst solutions were modified with isoproply alcohol as the dispersion agent and sodium silicate as the stabilizer. The effects of various metallic elements on enhancing the photocatalytic activity of $TiO_2$ on the degradation of toluene were examined. Palladium-added $TiO_2$ was found to be the best, whereas copper or tungsten-added also showed good results. In the case of palladium addition, the increase in removal efficiency was 25%. On the other hand, Fe-added $TiO_2$ showed a notable decrease in photocatalytic degradation. Additional doping of copper or tungsten on the $Pd/TiO_2$ had no positive effect on the photodegradation activity.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
특히 Fe의 경우 톨루엔 제거효율이 약 55% 수준이었다. 2종류 이상의 금속물질이 첨가될 경우 광분해 과정 중 첨가된 각 금속물질 간 시너지효과 발생여부를 조사하기 위해 톨루엔 제거효율에 있어 가장 우수한 Pd/TiO2 광촉매에 Cu, Fe, W을 첨가하여 2종류의 금속물질 첨가 효과를 파악하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 UV/TiO2 광촉매 시스템을 사용하여 TiO2 등을 포함한 다양한 금속산화물을 적절하게 분산시킬 수 있는 분산제, 반응기내의 여러 조업조건에서도 적절한 효율을 유지시켜 주는 안정제의 특성을 연구하였으며, 대표적 난분해성 휘발성유기화합물인 톨루엔을 효율적으로 처리할 수 있는 촉매시스템을 도출하기 위해 각종 금속산화물 첨가 영향을 조사하였다.
제안 방법
TiO2 광촉매를 이용한 광분해 반응실험에 적용한 실험조건은 톨루엔 농도 50ppm, 수분함량 3%로 하였다. 그림에서 W, Cu, Pd를 TiO2 광촉매에 첨가한 경우 금속물질을 첨가하지 않은 경우보다 전체적으로 광분해 효율이 증가함을 알 수 있었다.
광촉매반응기에 촉매가 담지된 석영관을 장착한 후 공기 유입구와 유출구를 개방한 채 충분히 공기를 통과시켜 공기분위기를 만든 후 반응기 내를 대기압 조건으로 조성한 후 반응 대상 VOC 물질을 주입하였다. 광촉매와 VOC 대상 물질간 흡착평형에 도달한 후 UV 광원을 조사하여 반응물질에 대한 광반응성을 측정하였다.
광촉매반응기에 촉매가 담지된 석영관을 장착한 후 공기 유입구와 유출구를 개방한 채 충분히 공기를 통과시켜 공기분위기를 만든 후 반응기 내를 대기압 조건으로 조성한 후 반응 대상 VOC 물질을 주입하였다. 광촉매와 VOC 대상 물질간 흡착평형에 도달한 후 UV 광원을 조사하여 반응물질에 대한 광반응성을 측정하였다. 다양한 분산제, 안정제, 금속물질 등의 첨가를 통해 얻어진 광분해능을 갖는 석영관을 각 실험조건에 따라 주입하였다.
광촉매와 VOC 대상 물질간 흡착평형에 도달한 후 UV 광원을 조사하여 반응물질에 대한 광반응성을 측정하였다. 다양한 분산제, 안정제, 금속물질 등의 첨가를 통해 얻어진 광분해능을 갖는 석영관을 각 실험조건에 따라 주입하였다. 분석 방법은 auto sampling valve를 이용하여 반응기체를 일정시간 마다 gas chromatography(GC-FID)로 분석하였다.
이러한 표면에서의 뭉침현상은 광촉매 활성을 저해시키는 요인으로 작용하기도 한다. 따라서 도로분야를 포함한 분체산업분야에서 분산제로 널리 사용되고 있는 isoproply alcohol과 ethylene glycol을 이용하여 TiO2 광촉매를 분산시킨 후 UV/TiO2 광반응시스템에서 광분해 특성을 조사하였다. Fig.
전이금속이 TiO2 광촉매에 첨가되면 광촉매는 전자-정공쌍이 생성된 후 전자가 금속으로 이동하여 산화반응에 참여하게 되나 실제적으로 한정된 금속이온만이 전자-정공의 재결합을 지연시키는 것으로 알려져 있다[8]. 본 연구에서는 TCE, 아세톤 등의 휘발성유기화합물에 대한 광분해 효율을 향상시키는 것으로 알려져 있는 Pt, Pd, Fe, W를 TiO2 광촉매에 첨가하여 대표적 난분해 휘발성유기화합물인 톨루엔에 대한 각 첨가 금속물질의 광분해 효율 변화를 조사하였으며, 실험결과를 Fig. 5에 나타내었다.
분말상의 촉매를 증류수에 일정농도로 투여한 후 sonicator를 사용하여 충분히 분산시킨 후 분산제와 안정제를 첨가하여 재분산시켜 촉매용액으로 제조하였다. 촉매개질에 사용된 각종 금속물질들은 TiO2를 기준으로 무게단위로 주입하였다.
분산제 및 안정제의 역할을 조사한 실험결과를 바탕으로 TiO2 광촉매를 제조하였으며, 제조한 광촉매를 사용하여 동일한 반응조건에서 반복 사용함에 따른 광분해 변화 특성을 조사한 실험결과를 Fig. 4에 나타내었다.
회분식 광촉매반응기를 이용하여 TiO2 광촉매에 분산제, 안정제 그리고 금속물질 첨가에 따른 톨루엔 광분해 특성을 조사하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
대상 데이터
우선 대상 VOC의 광촉매 반응특성, 즉 kinetics 연구를 수행하기 위한 반응기는 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 내경 100mm, 높이 210mm, 부피가 약 1634cc이며, 석영관으로 구성되어 있다. 반응기 중심부에 수직으로 UV lamp를 삽입하고 그 외부에 촉매를 코팅한 석용관을 고정시켰으며 반응기 내의 온도를 일정하게 유지시키기 위해 항온조/순환장치를, 그리고 반응기 내의 농도가 균일하도록 반응기 하부에 magnetic stirrer를 설치하였다.
이론/모형
다양한 분산제, 안정제, 금속물질 등의 첨가를 통해 얻어진 광분해능을 갖는 석영관을 각 실험조건에 따라 주입하였다. 분석 방법은 auto sampling valve를 이용하여 반응기체를 일정시간 마다 gas chromatography(GC-FID)로 분석하였다.
이때 금속물질을 첨가하지 않은 경우는 약 71%의 제거율을 보였다. 그리고 Pt 또는 Fe를 첨가한 경우는 무첨가의 경우에 비해 오히려 광분해 효율을 감소시키는 것으로 나타났다. 특히 Fe의 경우 톨루엔 제거효율이 약 55% 수준이었다.
그리고 TiO2를 보다 더 우수하게 분산시키기 위해 주입한 분산제 중 ethylene glycol의 경우 오히려 광분해 반응을 저해하는 것으로 나타났으며, isoproply alcohol의경우 분산제를 첨가하지 않은 경우보다 반응시간 전체에 걸쳐 초기분해속도를 비롯하여 광분해 효율이 보다 더 우수함을 알 수 있었다. UV/TiO2 광촉매반응시스템은 비록 상온에서 광분해 반응이 이루어지나 적용 대상공정에 따라 비교적 높은 유속, 높은 수분함량, 장시간 UV조사 등의 공정조건이 예상되므로 이러한 공정조건에서 장시간 높은 활성을 유지시켜 주는 안정제가 필요하다.
이때 수행한 광분해반응 실험조건은 톨루엔 함량 50ppm, 수분함량 3% 이었다. 그림에서 동일한 실험조건하에서 10회 반복 사용하여도 전체적으로 TiO2 광촉매의 톨루엔에 대한 광분해 효율은 거의 변화가 없음을 알 수 있었다.
그림에서 분말형태의 TiO2 촉매를 안정화시키는 것으로 알려진 TEOS의 경우 안정제를 첨가하지 않은 경우보다 약 50% 이상 광분해 효율 감소현상이 나타났으며, sodium silicate를 첨가한 경우 무첨가의 경우보다 반응 시간 10분 이후부터 광분해 효율이 점차 증가하여 반응 시간 약 40분에서는 10% 정도의 광분해 효율향상이 있 었다. 이러한 현상은 TEOS의 경우 TiO2와 가교를 형성하는 binder 역할을 수행하지 못하고 분말형태의 TiO2 표면을 coating 하여 촉매산화물의 비활성화를 유도하기 때문이며, sodium silicate의 경우는 TiO2와 가교를 형성하기 때문이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
UV/TiO2 광촉매 시스템의 장점은?
이러한 문제점을 해결하기 위해 다양한 종류의 고급산화공정(Advanced Oxidation Process : AOPs) 기술이 연구되고 있으며, 그 중에서도 UV/TiO2 광산화촉매를 이용한 휘발성유기화합물 처리에 관한 연구가 크게 주목을 받고 있다[5,6]. UV/TiO2 광촉매 시스템은 중․저농도의 휘발성유기화합물을 저온 또는 상온에서 청정 처리할 수 있는 환경적인 장점 뿐만 아니라 초기투자비와 조업비가 저렴하다는 경제적인 장점도 함께 갖고 있다.
열소각법의 단점은?
현재 적용되고 있는 휘발성유기화합물의 제어기술은 열소각, 흡착법, 촉매소각법 등이 있으나 열소각법은 부하변동이 크고 저농도이며 낮은 유량인 경우 비경제적이며 NOx/dioxin이 발생하는 단점이 있으며 흡착법은 케톤, 알데히드, 에스테르가 포함될 시 흡착제의 흡착능력이 감소하며 폐흡착제가 발생하는 단점이 있다. 현재 적용이 점차 증가하고 있는 고온에서 조업되는 촉매소각법은 각 촉매 및 휘발성유기화합물 종류별로 다음과 같은 단점이 있어 적용에 제한성이 있다.
회분식 광촉매반응기를 이용하여 TiO2 광촉매에 금속물질을 첨가한 경우 어떤 물질이 우수한 특성을 보였는가?
2. TiO2 광촉매의 광분해능력의 향상을 위해 첨가한 금속물질 중 Pd가 가장 우수하였으며, 그다음으로는 Cu, W 순이었다.
참고문헌 (13)
Yue Lin, Chi He, Xinyan Zhang, Peng Li, Zhuo Wang, Hailin Wang, and Zhengping Hao(2013), Catalytic behavior and reaction routes of MEK oxidation over Pd/ZSM-5 and Pd-Ce/ZSM-5 catalysts. Journal of Hazardous Materials, 244-245: 613-620. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jhazmat.2012.10.048
Huang Qiong, Yan xiaokang, Li Bing, Chen Yingwen, Zhu Shemin, Shen Shubao(2013), Study on catalytic combustion of benzene over cerium based catalyst supported on cordierite. Journal of Rare Earths, 31(2): 124-130. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/S1002-0721(12)60245-2
Gallastegi-villa, M., M. Romero-Saez., A. Aranzabal, J.A. Gonzalez-Marcos, and J.R. Gonzanlez-Velasco(2013), Starategies to enhance the stability of h-bea zeolite in the catalytic oxidation of Cl-VOCs:1,2-Dichloroethane. Catalysis Today, 213: 192-197. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cattod.2013.02.022
Yang, Peng, Xiaomin Xue, Zhonghua Meng, and Renxian Zhou(2013), Enhanced catalytic activity and stability of Ce doping on Cr supported HZSM-5 catalysts for deep oxidation of chlorinated volatile organic compounds. Chemical Engineering Journal, 234: 203-210. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2013.08.107
Kim, S.B., Y.M. Jo, and W.S Cha(2001), Effects of Water Vapor, Molecular Oxygen and Temperature on the Photocatalytic Degradatio of Gas-Phase VOCs using $TiO_2$ Photocatalyst: TCE and Acetone. J. KOSAE, 17(E2), 35-42.
Kim, S.B., W.S. Cha, and S.C. Hong(2002), Photocatalytic Degradation of Gas-Phase Methanol and Toluene Using Thin-Film $TiO_2$ photocatalyst II. Kinetic Study for the Effect of Initial Concentration and Photon Flux. J. Ind. Eng. Chem., 8(2), 162-167.
Cha, W. S.(2013), Photocatalytic degradation of acetaldehyde and MEK using batch type photo-reactor. J. of Korea Academic-Industrial Coorperation Society, 14(3), 1527-1532.
Kim, S.B., J.Y. Lee, H.T. Jang, W.S. Cha, and S.C. Hong(2003), Enhanced photocatalytic activity of $TiO_2$ by metal doping for degradation of VOCs in air, Journal of Industrial and engineering chemistry, 9(4): 440-446.
Jang, H.T., J. Kim, and W. Cha(2006), The performance of photocatalyst filter for an air cleaner-effect of novel metal, J. of Korea Academic-Industrial Coorperation Society, 7(6), 1284-1291.
Zielinska-Jurek, Anna, and Adriana Zaleska(2014), Ag/Pt-modified $TiO_2$ nanoparticles for toluene photooxidation in the gas phase, Catalysis Today, 230: 104-111. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cattod.2013.11.044
Kim, Jeonghyun, Pengyi Zhang, Jinge Li, Jinlong Wang, and Pngfeng Fu(2014), Photocatalytic degradation of gaseous toluene and ozone under $UV_{254+185\;nm}$ irradiation using a Pd-deposited $TiO_2$ film, Chemical Engineering Journal, 252: 337-345. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2014.05.015
Sano, T., N. Negishi, K. Uchino, J. Tanaka, S. Matsuzawa, and K. Takeuchi(2003), Photocatalytic degradation of gaseous acetaldehyde on $TiO_2$ with photodeposited metals and metal oxides, Journal of Photochemistry and Photobiollogy A: Chemistry, 160: 93-98. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/S1010-6030(03)00226-0
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.