[논문]가시광선 반응형 광촉매를 이용한 점토 도료의 개발과 대기정화성능에 관한 특성 연구

이준철; 김화중

문제 정의

본 연구는 가시광선 광촉매를 이용한 점토-광촉매 무기도료의 개발과 대기정화성능에 관한 기초적 연구로 도료의 물리적 특성 및 대기정화성능 실험결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 붕소(B)와 철(Fe)을 이용하여 이산화티타늄 합성을 합성하여 실내의 마감 및 기타 건축 재료에 바름 용도로 적용되어질 수 있는 점토-광촉매 무기 도료의 개발과 실용화를 검토하고자 한다.

제안 방법

wet-impregnation방법으로 합성한 광촉매 B-Fe/TiO₂ 분말(Fe wt.5%)을 점토비 0%, 5%, 10%, 15% 로 하여 충분히 건비빔을 한 후 점토비 약 40%의 물을 용기에 혼입한 후 약 30분가량 교반하였다. 고온에서 파열되지 않는 용기에 교반된 점토-광촉매를 담아 고온가열기에서 TiO₂의 형질이 변형되지 않는 약 500℃ 의 온도에서 4시간정도 소성 시 킨 후 소성 된 담체를 상온에서 공냉시켜 Attrition Mill을 이용하여 미분말화 하였다.
도료의 물리적 특성은 KS 규정에 의한 실험방법으로 실행하였으며 공기정화성능은 30cm><30cm의 밤 라이트 판에 제조된 도료를 2회 붓 칠하여 48시간 건조 후 밀폐식 시험장치와 태양광 시험장치에서 UW 램프, 형광등, 태양광 광원 하에서 NOx, ECHO, C₇H₈을 주입하여 1시간 간격으로 8시간동안 유해가스의 농도를 측정하였다.
배합비로 점토-광촉매(TiO₂)담체 100g과 밀크카세인 10g을 건조비빔한 후 물 120g, 규산칼륨 20g, 무기방수제 20g을 혼합한 용액을 첨가하여 상온에서 10분간 교반하여 무기도료를 제조하였다.
본 연구에서는 금속산화물과 비금속물질의 도핑을 이용하여 TiO₂를 합성하였다. 비금속물질로는 P 오비탈과 산소의 2P오비탈이 결합하여 밴드갭을 줄여주는 붕소를 사용하였으며 금속물질은 밴드갭이 2.
합성광촉매와 담체의 공기정화성능은 30cmx30cm의 표면적으로 분말을 얇게 깔아 밀폐식 시험 장치에서 UV라이트, 형광등을 광원으로 하여 NOx을 주입하여 1시간 간격으로 8시간동안 유해가스의 농도 감소를 측정하였다.

대상 데이터

5%)을 점토비 15%로 치환한 점토-광촉매(TiCb) 담체를 주원료로 하여 도료를 제조하였다. 도로용 수지에 일반적으로 사용되는 유기계 합성수지는 이산화티타늄의 광촉매 반응에 의한 산화작용으로 유기물을 이산화탄소나 물로 분해시켜 황변, 쵸킹 등의 열화(degradation)가 일어나기 때문에 본 실험에서는 산화에 강한 무기계 물질인 규산칼륨을 바인더로 이용하였다.
본 실험에서 제조된 도료는 기초적인 배합에 의한 것으로 합성광촉매 분말(Fe wt.5%)을 점토비 15%로 치환한 점토-광촉매(TiCb) 담체를 주원료로 하여 도료를 제조하였다. 도로용 수지에 일반적으로 사용되는 유기계 합성수지는 이산화티타늄의 광촉매 반응에 의한 산화작용으로 유기물을 이산화탄소나 물로 분해시켜 황변, 쵸킹 등의 열화(degradation)가 일어나기 때문에 본 실험에서는 산화에 강한 무기계 물질인 규산칼륨을 바인더로 이용하였다.
를 합성하였다. 비금속물질로는 P 오비탈과 산소의 2P오비탈이 결합하여 밴드갭을 줄여주는 붕소를 사용하였으며 금속물질은 밴드갭이 2.2eV인 삼산화이철을 사용하였으며 Fe 치환율은 0%, 1%, 3%, 5%로 하였다.

이론/모형

본 실험에서는 광촉매를 합성하는 방법으로 WetTmpiEgnation(NI)법을 이용하였다. 붕산을 증류수에 녹이며(용액1), Iron(HI) acetylcetonte를 증류수와 아세톤 1:1 혼합용액(용액2)에 녹였다.

성능/효과

1) 형광등 광원 하에서의 순수 이산화티타늄 분말과 합성광촉매 분말(Fe wt.5%)의 대기정화성능 비교를 통해 합성광촉매 분말이 낮은 에너지영역인 가시광선 하에서도 반응한다는 것을 알 수 있었다.
Fe 치환율에 따른 합성광촉매의 광원별 NO₂ 정화성능 실험 결과, UV램프 광원 하에서 Fe 5% 치환의 경우 8시간동안 85%가량의 농도감소율을 나타냈으며 3% 치환의 경우 70%, 1% 치환의 경우 50%가량의 농도감소율을 나타냈다. 형 광등 광원 하에서는 Fe 5% 치환의 경우 8시간동안 75%가량의 농도감소율을 나타냈으며 3% 치환의 경우 66%, 1% 치환의 경우 58%가량의 농도감소율을 나타냈으며 UV램프 하에서의 실험결과와 유사한 제거율을 나타냈다.
도료의 광원별 대기정화성능 실험 결과, UV램프 하에서 8시간 동안 NG의 농도감소율은 68%, HCHO 의 농도감소율은 71 %, C₇H₈의 농도감소율은 70%로 나타났다. 형광등 광원 하에서는 8시 간동안 NO2의농도감소율은 70%, HCHO의 농도감소율은 70%, C₇H₈의 농도감소율은 65%로 나타나 제조된 도료가 담체화 되었을때 보다 광활성이 떨어지기는 하나 가시광선에도 광반응이 일으키는 것을 알 수 있었다.
도료의 물리적 특성 실험 결과, 부착강도(F)는 일반적인 수성용 도료보다 높은 2.27MPa로 나타냈으며, 붓 작업시 분말 결집들에 의한 붓 끌림현상, 스트리킹, 붓 자국, 플로팅 현상은 일어나지 않았으나 수직 방향으로 세워 건조하였을 경우 도료가 흘러내리는 플로우잉 현상을 나타냈다. 스프레이 작업시 더 스팅, 버블링, 색얼룩, 스트리킹, 실킹, 크레터링은 발생하지 않았으나 새깅, 핀홀, 크링클링(주름) 현상이 약간 발생하였다.
본 연구의 결과, 합성광촉매를 이용한 점토-광촉매 무기도료가 대기유해 인자인 NOx, HCHO, Toluene을 제거할 수 있음을 확인하였으며 친환경재료로서의 가능성을 증명하였다.
스프레이 작업시 더 스팅, 버블링, 색얼룩, 스트리킹, 실킹, 크레터링은 발생하지 않았으나 새깅, 핀홀, 크링클링(주름) 현상이 약간 발생하였다. 점토의 높은 흡수성으로 인하여 도료의 건조시간은 지촉건조의 경우 38분, 점착 건조의 경우 55분, 고착건조까지 95분, 고화건조까지 120분, 완전건조가 되기까지 480분의 시간이 소요되었다.
합성광촉매 분말(Fe wt.5%) 치환율에 따른 담체의 각 유해물질별 제거 성능실험 결과, 광촉매 NO₂ 농도의 감소율은 5% 치환율의 경우 실험시작 8시간동안 70%, 10% 치환율의 경우 71%, 15% 치환율의 경우 85%의 농도감소율을 나타냈다. HCHO 제거성능은 5% 치환율의 경우 8시간동안 71%, 10% 치환율의 경우 73%, 15% 치환율의 경우 81%의 농도감소율을 나타냈다.
의 농도감소율은 70%로 나타났다. 형광등 광원 하에서는 8시 간동안 NO2의농도감소율은 70%, HCHO의 농도감소율은 70%, C₇H₈의 농도감소율은 65%로 나타나 제조된 도료가 담체화 되었을때 보다 광활성이 떨어지기는 하나 가시광선에도 광반응이 일으키는 것을 알 수 있었다.

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