[논문]가시광선을 활용한 방향족 VOCs의 이산화티타늄 광촉매 분해

김종태; 신명희; 조완근

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김종태 (경북대학교 환경공학과) , 신명희 (경북대학교 환경공학과) , 조완근 (경북대학교 환경공학과)

가시광에서 활성을 보이는 $TiO_2$광촉매를 이용하여 대표적인 방향족 VOCs인 BTEX의 분해효과에 대한 실험을 실시하였다. 실험 결과 Xylene은 높은 전환율을 나타낸 반면, Benzene은 가장 낮은 전환율을 나타냈다. 이는 Benzene이 다른 물질에 비해 상대적으로 안정적인 분자 구조에 의해서 반응성이 매우 약하기 때문인 것으로 사료된다. 본 실험은 여러 가지 조건들 중에 농도와 유량만 변화 시킨 가운데 얻어진 결과이기 때문에 향후 연구에서 습도, 농도, 유량 및 빛의 강도 등 다양한 조건의 변화에 따라 최적의 조건을 찾아낼 수 있을 것으로 판단된다. S 가 도핑된 $TiO_2$ 광촉매는 가시광 하에서 방향족 VOCs를 제어하는 광촉매 기술 중에 비교적 최신의 기술이며, 향후의 연구 개발이 더욱 필요하다.

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문제 정의

이러한 점이 태양광 및 실내 조명하에서의 광촉매 이용을 제한하는 요소로 작용한다. 그러므로 TiO₂ 광촉매를 개선하여 가시광 하에서 빛의 흡수 및 광활성도를 증가시키는 것이 최근 가장 주요한 연구 목적이 되었다. TiO₂ 광촉매를 개선 또는 개질 할 수 있는 방법으로 많이 연구된 것이 1) 염료감응형 TiO₂j 2) 전이금속 (Fe, Cu, Co, Ni.

제안 방법

가시광에서 활성을 보이는 TiO₂광촉매를 이용하여 대표적인 방향족 VOCs인 BTEX의 분해 효과에 대한 실험을 실시하였다. 실험 결과 Xylenee 높은 전환율을 나타낸 반면, Benzenee 가장 낮은 전환율을 나타냈다.
광촉매 반응기는 광촉매 반응기 내에 위치하는 램프의 직경을 제외한 수리학적 직경이 0.5cm인 반응기를 이용해 실험을 하였다. 그 밖의 자세한 실험 조건에 대해서는 다음의 Table.
본 연구에서도 이러한 원리를 이용하여 TiO₂ 광촉매를 개선하여 다양한 방향족 휘발성 유기화합물(VOCs) 중 Benzene, Toluene, Ethylbenzene 및 Xylene(BTEX)을 선정하여, S를 도핑시킨 TiO₂ 광촉매를 통한 가시광 하에서의 분해효율 실험을 하였다.
분석방법은 유입부와 유출부에서 각각 Tenax TA가 충진 된 trap을 이용하여 시료를 포집하였고, 포집된 시료는 열탈착장치(TDS)와 불꽃이온화검출기(FID)가 장착된 가스크로마토그래프(GC)를 이용하여 분석하였다.
혼합된 VOCs를 실린지 및 실린지 펌프를 이용하여 일정한 양으로 주입함과 동시에 zero grade 가스를 일정한 유량으로 흘려줌으로써, 일정한 농도의 VOCs가 광촉매 반응기로 유입되도록 하였다. 유입된 농도가 일정한 수준에 도달 할 때까지 광촉매 램프를 끈 상태에서 시료의 농도를 측정하였고, 농도 평형이 이루어졌다고 판단되면, 가시광 램프를 켜고 TiG광촉매 분해 실험을 실시하였다.
L에 자세히 나타내었다. 혼합된 VOCs를 실린지 및 실린지 펌프를 이용하여 일정한 양으로 주입함과 동시에 zero grade 가스를 일정한 유량으로 흘려줌으로써, 일정한 농도의 VOCs가 광촉매 반응기로 유입되도록 하였다. 유입된 농도가 일정한 수준에 도달 할 때까지 광촉매 램프를 끈 상태에서 시료의 농도를 측정하였고, 농도 평형이 이루어졌다고 판단되면, 가시광 램프를 켜고 TiG광촉매 분해 실험을 실시하였다.

대상 데이터

본 실험을 위해 S가 도핑된 TiO₂ 광촉매를 제조 하였다. 제조 방법은 titanium isoprop- oxide 와 thiourea를 적정 몰비로 에탄올에 혼합한다.

성능/효과

에 요약하였다. 농도가 증가함에 따라, 그리고 유량이 증가함에 따라서 제거 효율은 약간 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 저농도 보다 고농도에서 높은 농도 부하량으로 인한 영향과 저유량 보다 고유량에서 광촉매 반응기내의 체류시간이 짧아져 산화종과 충분히 반응할 수 있는 시간이 짧아지기 때문인 것으로 사료된다.
대한 실험을 실시하였다. 실험 결과 Xylenee 높은 전환율을 나타낸 반면, Benzenee 가장 낮은 전환율을 나타냈다. 이는 Benzene이 다른 물질에 비해 상대적으로 안정적인 분자 구조에 의해서 반응성이 매우 으¥중}■기 때문인 것으로 사료된다.

후속연구

본 실험은 여러 가지 조건들 중에 농도와 유량만 변화 시킨 가운데 얻어진 결과이기 때문에 향후 연구에서 습도, 농도, 유량 및 빛의 강도 등 다양한 조건의 변화에 따라 최적의 조건을 찾아낼 수 있을 것으로 판단된다. S 가 도핑된 TiO₂ 광촉매는 가시광 하에서 방향족 VOCs를 제어하는 광촉매 기술 중에 비교적 최신의 기술이며, 향후의 연구 개발이 더욱 필요하다.
이는 Benzene이 다른 물질에 비해 상대적으로 안정적인 분자 구조에 의해서 반응성이 매우 으¥중}■기 때문인 것으로 사료된다. 본 실험은 여러 가지 조건들 중에 농도와 유량만 변화 시킨 가운데 얻어진 결과이기 때문에 향후 연구에서 습도, 농도, 유량 및 빛의 강도 등 다양한 조건의 변화에 따라 최적의 조건을 찾아낼 수 있을 것으로 판단된다. S 가 도핑된 TiO₂ 광촉매는 가시광 하에서 방향족 VOCs를 제어하는 광촉매 기술 중에 비교적 최신의 기술이며, 향후의 연구 개발이 더욱 필요하다.

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