[논문]시판용 TiO2 광촉매의 doping 성분에 따른 비주류 담배연기의 유해물질 제거효율

김태영; 조영태; 문기학; 김재용

doi:10.14478/ace.2017.1076

시판용 TiO2 광촉매의 doping 성분에 따른 비주류 담배연기의 유해물질 제거효율
Removal Efficiency of Harmful Substances in Side-stream Tobacco Smoke by the Doping Components of Commercial TiO2 Photocatalysts 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.28 no.5, 2017년, pp.565 - 570

김태영 (충북대학교 환경공학과) , 조영태 (충북대학교 환경공학과) , 문기학 (충북대학교 환경공학과) , 김재용 (충북대학교 환경공학과)

초록
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흡연으로 발생되는 담배연기는 주류 연기와 비주류 연기로 구분된다. 담배연기 중 실내로 확산되는 연기의 대부분은 비주류 연기이며, 비주류 연기의 유해물질 농도는 주류 연기의 농도보다 2~3배 높다. 본 연구에서는 $TiO_2$ 광촉매의 doping 성분에 따른 비주류 담배연기 내의 CO, $H_2S$, $NH_3$, HCHO의 제거 효율을 확인하고자 하였다. 실험 결과, CO가 최대 78.37% 제거되었으며, $TiO_2$ 광촉매 공정이 CO 제거에 효과적인 것으로 확인되었다. 또한 CO, $H_2S$, HCHO의 제거에 있어서 $TiO_2$ 광촉매에 doping된 O, Si 성분에 의해 영향을 크게 받는다. 결론적으로, doping된 O, Si 성분이 많을수록 유해물질 제거효율이 높다.

Abstract ▼ AI-Helper

Tobacco smoke emitted during smoking is divided into a main-stream and side-stream smoke. Most of the tobacco smoke that spreads to a room while smoking is a side-stream one. The side-stream tobacco smoke is two to three times more harmful than that of the main-stream tobacco smoke. In this study, the removal efficiency of CO, $H_2S$, $NH_3$ and HCHO in a side-stream tobacco smoke using the doping component of $TiO_2$ photocatalysts was confirmed. As a result, CO was removed up to 78.37%, which indicated that the $TiO_2$ photocatalytic process is effective for CO removal. Also, the removal efficiencies of CO, $H_2S$ and HCHO were greatly affected by the amount of doped O and Si components of the $TiO_2$ photocatalyst. In conclusion, the more doped O and Si components had, the higher removal efficiencies of harmful substances were achieved.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

광촉매 셀의 doping 성분 및 광촉매 셀 표면의 금속 성분들의 구조 결합 상태에 따른 비주류 담배연기 내 유해물질의 제거 특성을 조사한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
또한 FT-IR 분석을 통해 광촉매 지지체의 구조 및 성분을 확인하 였다. 기기분석을 통한 결과를 바탕으로 하여 TiO₂ 광촉매의 doping 성분에 따른 비주류 담배연기 내의 일산화탄소(CO), 황화수소(H₂S), 암모니아(NH₃), 포름알데히드(HCHO)의 제거 효율을 비교해보고자 한다.
본 연구에서는 시판용 TiO₂ 광촉매의 doping 성분에 따른 비주류 담배연기 내의 오염물질의 제거 효율을 확인하고자 하였다. TiO₂ 광촉매의 doping 성분 분석을 위해 EDS 분석을 실시하였고, 광촉매 표면의 금속 원소들의 결합상태를 확인하기 위해 XPS 분석을 시행하였다.

가설 설정

Figure 10. H 2 S removal by photocatalytic process.
환기 장치의 유속은 2.30 m/s 로 조절하였으며, 실험 장치 내부 온도는 여름철 일반 가정의 실내 환경을 가정하여 28 ± 0.5 ℃, 상대습도는 60 ± 2%의 조건 아래서 실험을 진행하였다.

제안 방법

3.1절에서 분석한 3가지 광촉매 셀을 공기 정화 장치에 적용하고, 비주류 담배연기 내의 일산화탄소, 황화수소, 암모니아, 포름알데히드에 대한 제거효율을 검토하였다.
EDS (energy dispersive X-ray spectroscopy) 분석을 실시하여 광촉매 셀 표면의 금속 종류와 조성비를 알아보고자 하였으며, 그 결과를 Figures 3~5에 나타내었다. EDS 분석 결과 A셀의 경우 무게비(wt%)가 높은 순으로 Ti > O > Pt > Si > C > Al 등이 존재하였다.
광촉매는 Active Pure Technology사의 US 70728 RCI(Radiant Catalytic Ionization) Cell과 US 71090 RCI Cell, Alpine Living Air사의 KR 70852 RCI Cell을 사용하였다. OH 라디칼을 생성하기 위해 254 nm 파장의 자외선 램프를 사용하였고, 근적외선을 주사하여 반응성을 향상시키고자 하였다. 실험장치 내부를 담배연기가 순환할 수 있도록 동건공업(주)사의 DOB-140 펌프를 장착하였다.
광촉매의 doping 성분에 따른 비주류 담배연기 내의 오염물질의 제거 효율을 확인하고자 하였다. TiO₂ 광촉매의 doping 성분 분석을 위해 EDS 분석을 실시하였고, 광촉매 표면의 금속 원소들의 결합상태를 확인하기 위해 XPS 분석을 시행하였다. 또한 FT-IR 분석을 통해 광촉매 지지체의 구조 및 성분을 확인하 였다.
XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) 분석을 통하여 광촉매 셀표면의 금속 성분들의 구조 결합 상태를 확인하였다. 비율이 가장 높게 측정된 binding energy (전위값) 값은 각각 A셀이 284.
공기 정화에 사용된 US 70728 RCI Cell (이하 A셀), US 71090 RCI Cell (이하 B셀), KR 70852 RCI Cell (이하 C셀)의 지지체의 성분 및구조, doping 성분에 대하여 알아보고자 다음과 같은 기기분석을 시행하였다.
사의 ThermoHygro Formaldemeter를 사용하였다. 광촉매 셀의 FEG-SEM 분석에는 FEI사의 Inspect F50 모델을 사용하여 샘플의 표면 형태를 관찰하였 으며, EDAX사의 Apollo XL을 사용하여 시료의 원소 함량을 확인하였다. 그리고 XPS 분석에는 Ulvac-PHI사의 PHI 5000 VersaProbe 모델을 이용하여 6.
그리고 XPS 분석에는 Ulvac-PHI사의 PHI 5000 VersaProbe 모델을 이용하여 6.7 × 10 -8 Pa 미만의 압력 하에 단색 Al Ka X-ray (1486.6 eV)로 스펙트럼을 얻었다.
실험장치 내부를 담배연기가 순환할 수 있도록 동건공업(주)사의 DOB-140 펌프를 장착하였다. 담배연기 내의 입자상 물질을 정화 장치 내부로의 유입을 방지하기 위하여 (주)케이엠 하이진 솔루션 사의 AiRecover 섬유필터를 설치하였다. 담배를 연소시키는 실험 챔버의 크기는 1.
TiO₂ 광촉매의 doping 성분 분석을 위해 EDS 분석을 실시하였고, 광촉매 표면의 금속 원소들의 결합상태를 확인하기 위해 XPS 분석을 시행하였다. 또한 FT-IR 분석을 통해 광촉매 지지체의 구조 및 성분을 확인하 였다. 기기분석을 통한 결과를 바탕으로 하여 TiO₂ 광촉매의 doping 성분에 따른 비주류 담배연기 내의 일산화탄소(CO), 황화수소(H₂S), 암모니아(NH₃), 포름알데히드(HCHO)의 제거 효율을 비교해보고자 한다.
본 실험의 측정항목으로는 일산화탄소(CO), 황화수소(H2S), 암모니아(N 3 ), 포름알데히드(HCHO)의 제거 효율을 평가하였으며, 실험 측정값의 오차를 줄이기 위해 3회 실시한 측정값의 평균을 결과 값으로 하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 3가지의 anatase TiO₂광촉매는 Active Pure Technology사의 US 70728 RCI(Radiant Catalytic Ionization) Cell과 US 71090 RCI Cell, Alpine Living Air사의 KR 70852 RCI Cell을 사용하였다. OH 라디칼을 생성하기 위해 254 nm 파장의 자외선 램프를 사용하였고, 근적외선을 주사하여 반응성을 향상시키고자 하였다.
사의 Z800-XP 암모니아 측정 장비, 그리고 포름알데히드 측정에 있어서는 Meter Industrial Co.사의 ThermoHygro Formaldemeter를 사용하였다. 광촉매 셀의 FEG-SEM 분석에는 FEI사의 Inspect F50 모델을 사용하여 샘플의 표면 형태를 관찰하였 으며, EDAX사의 Apollo XL을 사용하여 시료의 원소 함량을 확인하였다.
OH 라디칼을 생성하기 위해 254 nm 파장의 자외선 램프를 사용하였고, 근적외선을 주사하여 반응성을 향상시키고자 하였다. 실험장치 내부를 담배연기가 순환할 수 있도록 동건공업(주)사의 DOB-140 펌프를 장착하였다. 담배연기 내의 입자상 물질을 정화 장치 내부로의 유입을 방지하기 위하여 (주)케이엠 하이진 솔루션 사의 AiRecover 섬유필터를 설치하였다.

성능/효과

1. 광촉매 셀의 FT-IR 분석 결과 지지체가 PET (polyethylene terephthalate) 성분으로 구성되어 있으며 낮은 파장일수록 빛의 흡수율이 높아지는 것으로 나타났다. 그러나 빛의 흡수율이 유해물질 제거에 미치는 영향은 적은 것으로 확인되었다.
2. XPS 분석으로 3가지 광촉매 셀 표면의 금속 성분들의 구조 결합 상태를 확인한 결과 3가지 셀 모두 C-H bond와 O’ bond가 우세하는 경향을 나타냈다.
3. 일산화탄소의 제거 효율 측정 결과 B셀 > A셀 > C셀 순으로, 일산화탄소 제거효율은 최대 78.87%로 나타났다.
광촉매를 이용한 일산화탄소를 제거하기 위해서는 Pt 금속을 doping한 TiO₂광촉매여야 제거가 가능하고 순수 TiO₂광촉매에서는 일산 화탄소의 제거 반응이 일어나지 않는다[22]. 3.1.2절의 EDS 분석에 의하면 A셀에 Pt가 doping된 양은 무게비로 13.93%, B셀은 5.09%, C셀은 4.58%로 나타났다. 3가지 광촉매에 따른 일산화탄소 제거 실험 결과를 Figure 9에 나타내었다.
4. 황화수소, 포름알데히드의 제거 효율 측정 결과 역시 B셀 > A셀 > C셀 순으로 나타났다.
5. 암모니아의 분해효율은 B셀 > C셀 > A셀 순으로 높게 나타났다.
Binding energy table 확인 결과 3가지 셀 모두 C-H bond와 O’ bond가 셀 표면을 구성하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
그러나 빛의 흡수율이 유해물질 제거에 미치는 영향은 적은 것으로 확인되었다. EDS 분석 결과 Ti, Pt, Si, Al 등과 같은 다공성 금속합금으로 구성되어 있는 것을 확인할 수 있다.
황화수소, 포름알데히드의 제거 효율 측정 결과 역시 B셀 > A셀 > C셀 순으로 나타났다. EDS 분석결과와 비교하였을 때, B셀은 본연구에 사용된 다른 셀에 비해 상대적으로 높은 O와 Si 함량을 나타 내었다. 또한 O와 Si 함량이 높을수록 일산화탄소, 황화수소, 포름알 데히드에 대한 제거효율이 높은 것을 확인할 수 있다.
FT-IR 분석을 통하여 3가지 광촉매 셀 모두 지지체가 PET (polyethylene terephthalate) 성분으로 구성되어 있었다. Wavenumber에 따른 absorbance를 비교해보면 1500 cm ^-1 아래의 낮은 영역의 파장 에서 3가지 광촉매 셀 모두 흡수가 일어나며 일반적으로 파장이 낮아 질수록 흡수율이 높아지는 것을 확인할 수 있었다.
FT-IR, EDS, XPS 분석결과와 비교하였을 때, B셀이 가장 우세를 나타내는 점은 O와 Si 원소의 함량이다. O원소의 무게비는 A셀, B셀, C셀 각각 27.94, 32.60, 20.88% 이고, Si 원소의 무게비는 A셀, B셀, C셀 각각 11.29, 13.28, 1.18%로 나타나 B셀이 수치가 가장 높고, A셀, C셀의 순으로 높다. O 원소 성분 함량이 높을수록 광촉매 표면의 O 원소가 Si, Al 등의 금속 원소들과 산화되어 oxide 형태로 존재하면서 유해물질들과 추가적인 반응이 일어나 더 높은 제거효율을 보인 것으로 판단된다.
FT-IR 분석을 통하여 3가지 광촉매 셀 모두 지지체가 PET (polyethylene terephthalate) 성분으로 구성되어 있었다. Wavenumber에 따른 absorbance를 비교해보면 1500 cm ^-1 아래의 낮은 영역의 파장 에서 3가지 광촉매 셀 모두 흡수가 일어나며 일반적으로 파장이 낮아 질수록 흡수율이 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 흡수율의 크기를 비교해보면 C셀 > B셀 > A셀 순으로 되어있으며, 분석의 결과를 Figure 2에 표시하였다.
peak 농도에 대한 일산화탄소의 제거효율은 각각 71.90, 78.37, 62.08%로 B셀 > A셀 > C셀의 순으로 제거효율이 높은 것을 확인할 수 있다.
각 셀의 doping된 Pt 성분의 양을 비교해보면 A셀 > B셀 > C셀의 순으로 일산화탄소 제거를 위해서는 TiO 2 광촉매에 Pt 금속이 doping되어야 하지만, Pt가일정량 이상 된 이후 일산화탄소 제거에 미치는 영향은 비교적 적다고 판단된다.
암모니아 제거 실험 결과 제거 효율 역시 B셀이 가장 높은 것을 확인하였다. 각 셀의 제거효율은 A셀이 51.85%, B셀이 56.00%, C셀이 52.17%로 나타났다. 일산화탄소와 황화수소 실험결과와는 다르게 두 번째로 제거효율이 높은 셀은 C셀이었다.
일산화탄소와 황화수소 실험결과와는 다르게 두 번째로 제거효율이 높은 셀은 C셀이었다. 그러나 두 셀의 암모니아 제거효율의 차이가 0.32%로 위의 두 유해성분보다 O나 Si의 성분의 영향이 비교적 적은 것을 확인할 수 있다.
암모니아의 분해효율은 B셀 > C셀 > A셀 순으로 높게 나타났다. 다른 유해물질 제거 실험과는 다르게 C셀이 A셀을 역전하였지만 두셀의 제거효율 차이가 0.32%이고, 가장 효율이 높은 B셀과 A셀의 차이도 4.15%로, 다른 유해인자보다 O 및 Si의 영향이 비교적 적은 것으로 판단된다.
포름알데히드의 시간에 따른 농도 변화 측정값을 Figure 12에나타내었다. 담배 2개비 자연 연소 시에 발생하는 포름알데히드의 농도는 약 3.83 ppm으로 포름알데히드 농도 측정 결과 일산화탄소와 마찬가지로 측정 초기에는 일산화탄소보다 경향은 적지만 포름알데히드 농도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 측정 10 min 동안의 제거효 율은 A셀이 49.
EDS 분석결과와 비교하였을 때, B셀은 본연구에 사용된 다른 셀에 비해 상대적으로 높은 O와 Si 함량을 나타 내었다. 또한 O와 Si 함량이 높을수록 일산화탄소, 황화수소, 포름알 데히드에 대한 제거효율이 높은 것을 확인할 수 있다.
본 연구에서 TiO₂ 광촉매가 비주류 담배연기 내의 일산화탄소 제거에 특히 효과적이며, 기타 황화수소 및 암모니아, 포름알데히드 등의 물질 또한 상당부분 제거되는 것이 확인되었다. 따라서 간접 흡연으로 인한 갈등이 심각한 우리나라 특성상, TiO₂ 광촉매 공기정화기가 실내 공간에서의 담배 연기에 대한 피해를 저감시키는 방안으로 활용이 가능하다고 판단된다.
XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) 분석을 통하여 광촉매 셀표면의 금속 성분들의 구조 결합 상태를 확인하였다. 비율이 가장 높게 측정된 binding energy (전위값) 값은 각각 A셀이 284.56, 531.46 eV, B셀은 284.60, 531.48 eV, C셀은 284.59, 531.93 eV로 측정되었다. Binding energy table 확인 결과 3가지 셀 모두 C-H bond와 O’ bond가 셀 표면을 구성하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
3가지 광촉매에 따른 일산화탄소 제거 실험 결과를 Figure 9에 나타내었다. 실험 결과 측정 초기에는 모든 경우에서 일산화탄소 농도가 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 담배의 연소가 끝난 시점부터 측정을 시작하였기 때문에 연기가 챔버 내에 계속해서 확산되면서 측정 지점까지 도달하는데 걸리는 시간에 의한 영향으로 판단된다.
암모니아 제거 실험결과를 Figure 11에 나타내었다. 암모니아 제거 실험 결과 제거 효율 역시 B셀이 가장 높은 것을 확인하였다. 각 셀의 제거효율은 A셀이 51.
일산화탄소, 황화수소, 포름알데히드의 제거 효율 측정 결과 제거효 율이 가장 높은 셀은 B셀로 나타났다. FT-IR, EDS, XPS 분석결과와 비교하였을 때, B셀이 가장 우세를 나타내는 점은 O와 Si 원소의 함량이다.
17%로 나타났다. 일산화탄소와 황화수소 실험결과와는 다르게 두 번째로 제거효율이 높은 셀은 C셀이었다. 그러나 두 셀의 암모니아 제거효율의 차이가 0.
일산화탄소의 제거를 위해서는 순수 TiO 2 광촉매에 Pt를 doping해야 반응이 일어나지만 doping된 Pt 성분의 양을 비교해보면 A셀 > B셀 > C셀의 순으로, doping된 Pt의양은 일산화탄소 제거효율에 미치는 영향이 적다는 것을 알 수 있다.
측정 10 min 동안의 제거효 율은 A셀이 49.73%, B셀이 53.61%, C셀이 38.86%로 B셀 > A셀 > C셀의 순으로 제거효율이 높다.
황화수소 또한 일산화탄소 제거와 같이 B셀 > A셀 > C셀 순으로 제거효율이 높은 것으로 확인되었다.
광촉매 셀에 따른 시간에 따른 황화수소 제거 실험 결과를 Figure 10에 나타내었다. 황화수소 실험 결과 담배 2개비를 자연 연소시킬 경우 peak 농도는 0.6 ppm으로 나타났다. 광촉매 반응을 이용하여 황화수소를 모두 제거하 는데 걸리는 시간이 적게 걸리는 순으로 B셀의 8.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	흡연으로 발생되는 담배연기의 구분은 어떻게 되는가?	흡연으로 발생되는 담배연기는 주류 연기와 비주류 연기로 구분된다. 담배연기 중 실내로 확산되는 연기의 대부분은 비주류 연기이며, 비주류 연기의 유해물질 농도는 주류 연기의 농도보다 2~3배 높다.
	담배연기의 강도에서 비주류 연기와 주류 연기의 차이는?	담배연기 중 실내 공기로 확산되는 연기는 대부분 비주류 연기로 약 87%에 달하며, 두 연기의 성분 분포에 대해서도 차이가 있다. 담배연기의 강도에서 비주류 연기의 강도가 주류 연기보다 크며, 질량스펙트럼 또한 비주류 연기의 스펙트럼이 보다 복잡하다[11,12]. 이러한 위험성으로 인해 비주류 연기에 관한 많은 연구가 진행 중이다[13-15].
	비주류 담배연기 내 유해물질의 제거 특성 조사 결과, TiO2 광촉매의 효과는 무엇인가?	본 연구에서 TiO 2 광촉매가 비주류 담배연기 내의 일산화탄소 제거에 특히 효과적이며, 기타 황화수소 및 암모니아, 포름알데히드 등의 물질 또한 상당부분 제거되는 것이 확인되었다. 따라서 간접 흡연으로 인한 갈등이 심각한 우리나라 특성상, TiO 2 광촉매 공기정화기가 실내 공간에서의 담배 연기에 대한 피해를 저감시키는 방안으로 활용이 가능하다고 판단된다.

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J. H. Park, A study on Photocatalytic Degradation of Noxious Gases in Indoor Using $TiO_2$ Photocatalyst, MS Thesis, Kyonggi Univercity, Suwon, Korea (2010).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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