[논문]광촉매 이산화티타늄(TiO2)을 혼합한 도로 포장재의 습윤 조건에서의 성능 변화에 관한 실험적 연구

서다와; 윤태섭

doi:10.7843/kgs.2016.32.5.49

초록
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본 연구는 도심지의 도로 환경을 고려하여, 기능성 포장 재료 중 하나인 이산화티타늄($TiO_2$)을 포함한 시멘트 모르타르의 실질적인 일산화질소(NO) 제거 성능을 평가하고자 하였다. 실험은 크게 두 가지로, 유입되는 기체의 습도에 따른 NO 제거율 변화 실험과 시편의 포화도에 따른 NO 제거율 변화 실험으로 구성되었다. 습도 변화 실험에서는 건조 상태의 시편을 대상으로 유입 기체의 습도를 변화시키며 NO 제거율을 관찰하였다. 습도-NO 제거율 곡선은 로그 정규 분포 형상으로, 특정 습도에서 최대 NO 제거율이 나타났다. 포화도 변화 실험은 강우 및 생활 하수로 인하여 불포화 상태인 도로를 반영하고자 습윤 상태인 시편을 대상으로 하였다. 습윤 상태의 시편은 건조 상태보다 낮은 NO 제거 성능을 보였으며 증발이 진행되면서 $TiO_2$가 노출되어 NO 제거 성능이 증가하였다. 그리고 시편의 특정 깊이 아래에 존재하는 $TiO_2$는 NO 제거 성능에 크게 기여하지 않는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study aims to present the practical Nitrogen monoxide (NO) removal capacity of cement mortar with Titanium dioxide ($TiO_2$) which is one of the paving materials by considering the environment of pavement in urban areas. NO removal capacity test under designated conditions of humidit...

This study aims to present the practical Nitrogen monoxide (NO) removal capacity of cement mortar with Titanium dioxide ($TiO_2$) which is one of the paving materials by considering the environment of pavement in urban areas. NO removal capacity test under designated conditions of humidity of inflow gas and the test with variation of the degree of saturation of specimen were conducted. In the test for humidity, dry specimen is subject to the test and NO removal ratio was observed. Humidity-NO removal ratio curve is a log normal distribution in shape, and the maximum NO removal ratio appears at specific humidity. NO removal capacity test relying on the degree of saturation was carried out with wet specimen to reflect the unsaturated pavement by rainfall and domestic sewage. Wet specimen presents less NO removal capacity than dry specimen and the recovering evolution of NO removal capacity follows evaporation. Moreover, $TiO_2$ under the specific depth of specimen hardly contributes to NO removal capacity.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 습윤 상태인 도심의 도로 환경에서 실질적으로 나타나는 기능성 도로 포장재의 성능 양상을 알아보고자 하였으며, 이산화티타늄(TiO₂)이 첨가된 도로 포장재를 대상으로 습도 실험 및 증발에 따른 일산화질소(NO) 제거 성능을 관찰하였다. 이를 위해 치환배합으로 TiO₂를 첨가하여 시멘트 모르타르 시편을 제작하였으며, 습도 실험 및 증발 실험과 동시에 NO 농도 변화를 측정하였다.

가설 설정

(3) 시편의 하부의 TiO₂은 시편의 성능에 크게 기여하지 않는다. 이는 광촉매인 TiO₂가 NO 가스 및 빛에너지에 노출되어 활성화되는데에 한계가 있기 때문이며, 완전 건조 상태가 아닌 시편(포화도 35%)에서 NO 제거 성능의 대부분(96%)이 회복되었다.
본 연구에서는 공극이 시편 내에 균일하게 분포한다고 가정하였으며 증발은 시편의 표면으로부터 발생하므로, 이에 따라 10mm 높이의 시편에서 공극 내 남아 있는 35.71%의 물은 시편의 바닥으로부터 약 3.5mm 높이 이내에 존재한다(Fig. 7).

제안 방법

Fig. 1의 세기병(gas washing bottle)을 통하여 주입되는 NO 가스의 습도 조절을 하였으며, 습도는 각 5, 15, 25, 35, 50, 65% 총 6 가지 경우로 실험이 시행되었다. 각 실험은 45 분씩 진행되었고, NOx 측정기를 통하여 1 초 간격으로 NO 농도를 측정하였다.
이에 따라, 본 연구에서는 습도 변화 및 포화도에 따른 시멘트 모르타르의 NO 제거 성능을 평가하였다. 건조 상태인 시편을 대상으로 유입 기체의 습도에 따른 NO 제거율을 비교하였으며, 포화상태인 콘크리트 시편이 건조 상태로 증발하는 동안 변화하는 시편의 NO 제거 성능의 특성을 분석하였다.
, 2010a; Lee, 2012). 또한 TiO₂ 시편의 정확한 성능 평가를 위하여 실제 환경 조건을 고려하는 실험이 시행되었다. 도로 위 하중에 대한 시편의 내구성 평가, 가스 노출 시간에 따른 시편의 NOx 제거율 분석을 위한 유속 변화 실험 혹은 NOx 제거 반응에 필수적인 물 분자의 영향에 대한 대기 중의 습도 변화 실험 등이 제안되었다(Ballari et al.
습도 변화 실험에서는 완전 건조된 시편을 대상으로, 유입되는 NO 혼합 기체의 습도에 따른 TiO₂의 NO 제거율 변화를 측정하였다. Fig.
)이 첨가된 도로 포장재를 대상으로 습도 실험 및 증발에 따른 일산화질소(NO) 제거 성능을 관찰하였다. 이를 위해 치환배합으로 TiO₂를 첨가하여 시멘트 모르타르 시편을 제작하였으며, 습도 실험 및 증발 실험과 동시에 NO 농도 변화를 측정하였다. 주된 실험 결과로부터 도출된 결론은 다음과 같다.
이로 인하여 평가된 성능은 실제 발현되는 성능과 차이를 보인다. 이에 따라, 본 연구에서는 습도 변화 및 포화도에 따른 시멘트 모르타르의 NO 제거 성능을 평가하였다. 건조 상태인 시편을 대상으로 유입 기체의 습도에 따른 NO 제거율을 비교하였으며, 포화상태인 콘크리트 시편이 건조 상태로 증발하는 동안 변화하는 시편의 NO 제거 성능의 특성을 분석하였다.
포화도 변화 실험은 포화된 시편을 대상으로 증발에 의하여 변하는 포화도와 제거된 NO 농도를 동시에 관찰하며 진행하였다. ISO 22971-1의 기준에 따라 NO 가스는 습도 50%로 유입되었다.

대상 데이터

본 연구에서는 아나타제(Anatase) 85%와 루틸(Rutile) 15%로 구성된 산업용 TiO₂(SG-TOP25, Sukgyung AT) 를 시멘트 모르타르에 치환배합으로 적용하였다(Table 1). 시멘트 모르타르 시편은 Table 1의 배합 조건에 따라 시멘트 및 잔골재(중량비 1:2)를 1분간 손비빔 후, 시멘트 중량의 5%에 해당하는 TiO₂ 분말을 1분간 혼합하였다.

이론/모형

Fig. 1의 NOx 농도 변화 측정 장치는 NOx 제거에 관한 광촉매 성능 측정 방법인 ISO 22971-1에 따라 구현되었다. NO 가스와 공기(zero air)를 혼합하여 초기 농도 1ppm을 맞추었으며, 파장 365nm인 UV 램프를 사용하여 10W/m2 의 세기로 빛을 가하였으며, Closed chamber의 상부는 붕규산 유리를 사용하여 UV-A가 모두 통과할 수 있도록 구성하였다(Fig.

성능/효과

(1) 유입되는 기체의 습도 25%에서 시편의 NO 제거율이 가장 좋았다. 이는 NO 제거 반응에서 수산화 라디칼(OH^● )을 위한 물 분자가 요구되므로 습도와 비례하여 제거율이 좋아지나, 특정 습도 이상이 되어 과다한 물 분자가 TiO₂의 작용을 방해하면서 제거율이 감소하는 것으로 보인다.
(2) 건조 상태인 시편의 NO 제거율보다 습윤 상태의 시편이 낮은 제거율을 보인다. 또한 습윤 상태의 TiO₂는 포화도에 반비례하는 NO 제거 능력을 보이며, 전체적인 NO 제거율의 회복 양상은 증발의 이중곡선 현상을 따른다.
이는 표면으로부터 멀어 질수록 NO 가스와 접촉이 어렵고 UV lamp로부터 빛 에너지가 닿지 않아 TiO₂의 활성이 저조하기 때문이다. 결과적으로, 본 연구의 시편에서 약 0.450ppm의 NO 제거율을 얻기 위하여 필요한 TiO₂를 포함한 시멘트 모르타르 시편의 높이는 6.5mm이다.
05%를 기준으로 나타난다. 구간 III에서 증기 확산을 통하여 표면이 노출되므로 TiO₂의 노출 속도가 현저하게 떨어졌으며, 포화도가 48.05%에서 포화도 35.71%까지 감소할 때 NO 제거 성능의 25.82%(B)가 증가되었다. 결과적으로 NO 제거 성능의 총 96.

후속연구

본 연구 결과는 기존 TiO₂ 평가 방법의 제한점을 보여주며, 도심지에서 실질적으로 발현되는 기능성 도로의 성능을 예측하고 평가 방법을 개선하는데 기여할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	질소산화물은 어떤 특징을 가지는가?	최근 전세계적인 경제성장과 도심 지역의 인구 밀집으로 인하여 대기 중 오염 물질이 증가하였다. 이동 오염원 중 58%의 높은 비율을 차지하는 질소산화물(NOx)은 광화학 스모그와 산성비를 야기하여 2차 피해를 일으키며, 0.05-0.2ppm의 낮은 농도에서 천식과 기관지염과 같은 호흡기 질환을 유발하여 유해한 물질로 분류되고 있다(EPA, 2010; Tao et al., 2010; Kim et al.
	TiO2의 어떤 특징에 따라 종류가 분류되는가?	TiO2는 결정 구조에 따라 아나타제(anatase), 루틸(rutile)과 브루카이트(brookite) 3가지 종류로 존재하는 동질이상 물질이다. 이 중 흡광 특성이 우수한 아나타제와 띠 간격(band gap) 에너지가 작은 루틸이 화학적으로 안정적이고 무해하여 상업적으로 적용되고 있다(Hüsken et al.
	질소산화물은 1970년에 무엇으로 지정되었으며 이로인해 어떤 물질이 주목받고 있는가?	, 2004). 이에 따라 1970년 청정대기법에서 대기질을 평가하는 6가지 주요 오염원 중 하나로 지정되었으며, NOx 제거를 위한 광촉매인 TiO2가 주목 받고 있다.

참고문헌 (18)

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