[논문]TiO<tex> $_2$</tex> 광촉매 졸 담체에 따른 가스상 벤젠 제거의 적정조건

양원호; 손현석; 김현용; 박종래; 조경덕

TiO $_2$ 광촉매 졸 담체에 따른 가스상 벤젠 제거의 적정조건
Optimal Condition of Photocatalytic Degradation of Benzene Using TiO $_2$ Coated on Support 원문보기

양원호 (서울대학교 보건대학원 환경보건학과) , 손현석 (서울대학교 보건대학원 환경보건학) , 김현용 (㈜이앤비코리) , 박종래 (보람이앤티) , 조경덕 (서울대학교 보건대학원 환경보건학과)

휘발성 유기화합물(VOCs)은 환경에 광범위하게 분포되어 있으며 특히 벤젠(benzene)은 발암물질로 규제가 강화되고 있다 또한 높은 증기압과 헨리상수를 가지고 있으므로 환경 중 이동이 용이하므로 대기, 수중, 토양 모두에 심각한 오염물질이 되고 있다. 이런 유기화합물 처리에 높은 효율을 나타내는 것이 자외선을 이용한 광분해(UV/Photodegradation)로 TiO$_2$를 촉매로 이용하는 것이다(Blystone et al., 1991). (중략)

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 TiO₂ sol을 광족매 활성이 우수한 anatase 구조로 제조하였다고, XRD 분석으로 결정 구조를 확인하였다. 아민으로 제조되어진 경우 그 결정성이 더 좋게 나타났고, 제조 온도가 증가함에 따라 결정성은 더 좋아지는 것을 볼 수 있었다.
, 1991). 본 연구에서는 가스상의 벤젠을 처리하기 위해 TiO₂ sol을 이용하였으며 TiO₂ sol의 물리적 특성 즉, 결정구조와 화학적 첨가제의 종류에 따른 흡광용량, 담체의 영향과 코팅의 횟수, pH, 그리고 UV 조사량에 따른 벤젠 제거율의 차이를 조사하여 적정한 TiO₂ sol의 조건을 찾기 위해 시행하였다.

제안 방법

이렇게 만들어진 졸 용액에 무기계 binder로 Si, Al 계통의 화합물을 일정량 혼합한 후 유리, 세라믹 구슬에 코팅한 후 상온에서 건조하여 TiO₂가 코팅된 담체를 제조하였다. 광촉매의 물성을 분석하기 위해 XRD(X-Ray diffraction analysis)로 Tio₂가 anatase 결정구조 여부를 확인하였고 SEM(Scanning Electron Microscopy) 분석을 통하여 입자크기를 측정하였다. 본 실험에서는 40 Watt의 광원을 가지는 365 nm UV lamp(Sanko Denki), 담체로 glass bead와 ceramic bead를 이용하였고 bead를 담은 piece의 수를 1 개, 2개, 3개 등의 다양한 변화 하에서 벤젠의 제거율 실험을 수행하였다(그림 1).
49 ㎥이었다. 반응 실험조에는 토치(torch)를 이용하여 벤젠의 농도를 계산하여 증발시켰으며, 광촉매를 포함한 시스템에는 팬(fan) 4개를 설치하여 벤젠을 포함한 공기가 강제 유입되도록 하였다. 팬당 유량은 1분당 3.
먼저 Ti(OC₃H₇)₄, 증류수, 화학적 첨가제를 넣고 혼합한 후 이 용액을 압력 용기에 넣고 일정 온도 압력에서 2시간 반응시켰다. 이렇게 만들어진 졸 용액에 무기계 binder로 Si, Al 계통의 화합물을 일정량 혼합한 후 유리, 세라믹 구슬에 코팅한 후 상온에서 건조하여 TiO₂가 코팅된 담체를 제조하였다. 광촉매의 물성을 분석하기 위해 XRD(X-Ray diffraction analysis)로 Tio₂가 anatase 결정구조 여부를 확인하였고 SEM(Scanning Electron Microscopy) 분석을 통하여 입자크기를 측정하였다.

대상 데이터

광촉매의 물성을 분석하기 위해 XRD(X-Ray diffraction analysis)로 Tio₂가 anatase 결정구조 여부를 확인하였고 SEM(Scanning Electron Microscopy) 분석을 통하여 입자크기를 측정하였다. 본 실험에서는 40 Watt의 광원을 가지는 365 nm UV lamp(Sanko Denki), 담체로 glass bead와 ceramic bead를 이용하였고 bead를 담은 piece의 수를 1 개, 2개, 3개 등의 다양한 변화 하에서 벤젠의 제거율 실험을 수행하였다(그림 1). 반응 실험조는 배치(batch)식으로 아크릴로 구조되었으며 체적은 0.
, 1995). 화학적 첨가제로는 아민계 화합물과 아세틸아세톤(Junsei Co.)을 사용하였다. 먼저 Ti(OC₃H₇)₄, 증류수, 화학적 첨가제를 넣고 혼합한 후 이 용액을 압력 용기에 넣고 일정 온도 압력에서 2시간 반응시켰다.

성능/효과

그러므로 이를 상용화하기 위해서는 경제성을 고려하여 최적 조건의 TiO₂ 81 용액의 농도와 코팅 횟수를 구하여야 할 것이다. UV lamp의 조사량과 촉매량에 대하여 조사한 결과 그 양이 많을수록 활성이 우수하였고 제거반응은 초기에는 담체에 의하여 영향을 받고 후기에는 UV 조사량에 의하여 영향을 받았다. 즉 반응의 시작은 담체의 흡착에서 시작되고 이는 전체 반응의 중요한 부분임을 나타내었다.
본 실험의 결과에 의하면 P-25, 아세틸아세톤, 질산, 그리고 아민계화합물에 대해 띠간격은 별 차이를 보이지 않았다. 또한 파장에 따른 각 물질의 홉광도의 조사는 200 nm 부분에서 가장 높은 흡광도를 보였으며, 아민계화합물을 사용한 TiO₂ sol의 제조온도에 따른 변화를 보면 120 ℃에서 가장 높은 흡광도를 보였다.
결론은 다음과 같다. 벤젠 제거 실험 결과 TiO₂를 glass와 ceramic bead에 코팅한 결과 glass bead보다 벤젠 가스의 흡착력이 우수한 ceramic bead에서 높은 반응성을 보임에 따라 촉매 반응에 있어 담체의 선택이 중요한 인자임을 알 수 있었다(그림 2).
또한 띠 간격이 너무 작으면 산화·환원 반응에 대한 구동력(driving force)가 작아지므로 오염물질의 제거효율의 감소를 보인다. 본 실험의 결과에 의하면 P-25, 아세틸아세톤, 질산, 그리고 아민계화합물에 대해 띠간격은 별 차이를 보이지 않았다. 또한 파장에 따른 각 물질의 홉광도의 조사는 200 nm 부분에서 가장 높은 흡광도를 보였으며, 아민계화합물을 사용한 TiO₂ sol의 제조온도에 따른 변화를 보면 120 ℃에서 가장 높은 흡광도를 보였다.
따라서 본 연구에서는 TiO₂ sol을 광족매 활성이 우수한 anatase 구조로 제조하였다고, XRD 분석으로 결정 구조를 확인하였다. 아민으로 제조되어진 경우 그 결정성이 더 좋게 나타났고, 제조 온도가 증가함에 따라 결정성은 더 좋아지는 것을 볼 수 있었다. SEM을 이용하여 아민계 화합물을 사용한 TiO₂ sol의 입자크기는 약 30~40nm를 나타내었다.
즉 반응의 시작은 담체의 흡착에서 시작되고 이는 전체 반응의 중요한 부분임을 나타내었다. 촉매의 pH에 관한 영향은 촉매가 산성일 경우 벤젠의 산화반응에 좋은 활성을 보였다.

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