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문제 정의
- 본 연구에서는 공기 오염물질의 제거 및 탈취효과를 극대화하고, 다양한 실내공간에 적용 가능한 광촉매 복합 공정을 구성, 효율적이고 경제적인 단위의 시스템에 적용될 고효율 광촉매의 제조법에 대해 연구하였다.
제안 방법
- 용매로 ethyl acetate(EA), butyl acetate(BA), methyl ethyl ketone(MEK), methylene chloride(MC), 물 및 에탄올에 대한 용해도 테스트에 대한 결과를 기초로 알루미늄기판에 flow코팅을 하고 경화조건은 80℃, 20min에서 경화하였다. 코팅층의 물성을 알아보기 위하여 경도와 부착력 테스트를 실시하였다.
- 증류수를 1℃로 냉각시킨 후, 금속 전구체를 천천히 첨가시켜 콜로이드 상태의 원액을 제조하였다. 이 콜로이드의 이온 세기(ionic strength)를 감소시켜 안정성을 증가시키고 원액내의 염소 이온을 제거하기위해 Dialyzing 하였다. 그리고 얻어진 콜로이드를 감압 증발과정을 통해 가시광 광촉매 나노입자를 얻었다.
- 장파장 흡수를 위한 광촉매의합성은 TiCl4의 저온 반응에 의해 합성되며, 가시광에 대한 활성을 확인하였다. 증류수를 1℃로 냉각시킨 후, 금속 전구체를 천천히 첨가시켜 콜로이드 상태의 원액을 제조하였다.
- 용매로 ethyl acetate(EA), butyl acetate(BA), methyl ethyl ketone(MEK), methylene chloride(MC), 물 및 에탄올에 대한 용해도 테스트에 대한 결과를 기초로 알루미늄기판에 flow코팅을 하고 경화조건은 80℃, 20min에서 경화하였다. 코팅층의 물성을 알아보기 위하여 경도와 부착력 테스트를 실시하였다. 이때 사용된 바인더는 무기계 바인더(Enpion 제품), 유·무기 복합 바인더(애경화학 제품), 수용성 바인더(보광화학 제품)를 사용하였다.
- 휴대용 자외선 강도 측정기(UV radiometer)를 사용하여 광섬유의 조건별 빛의 전달능을 대략적으로 측정해 보았으며, 촉매가 코팅된 길이에 따라 전달된 빛의 양에 대해 체계적으로 광검출기(photodetector)등을 이용하여 측정하였다.
대상 데이터
- Degussa P-25(anatase : rutile = 75:25)와 Aldrich에서 생산된 anatase구조의 TiO2, 졸-겔법에 의해 합성된 Enpion사의 TiO2를 사용하였다. TiO2를 바인더와 결합하여 안정한 광촉매 졸을 제조하였다.
- TiO2 전구체로 Ti(SO4)2용액을 사용하였으며, 이를 활성탄소섬유(ACF, activated carbon fiber)에 함침 시키고 회전식 감압농축기를 사용하여 Ti(SO4)2용액이 활성탄소섬유의 내부에까지 완전히 침투되도록 하였다. Ti(SO4)2가 담지된 활성탄소섬유를 100℃에서 건조한 후 500℃, 공기 분위기에서 열처리하여 활성탄소섬유를 완전히 제거하였다.
- TiO2 전구체로는 Ti(SO4)2와 TiCl3를 사용하였고, 담체로는 고표면적 SiO2를 사용하였다. TiO2는 회전식 감압농축기(rotary vacuum evaporator)를 통해 5-50 wt%의 비로 SiO2위에 담지하고, 300-700℃로 5시간 동안 열처리하여 결정화하였다.
- 를 사용하였다. TiO2를 바인더와 결합하여 안정한 광촉매 졸을 제조하였다.
- 본 연구에 사용한 광섬유(POF, plastic optical fiber)는 표 2와 같다. 휴대용 자외선 강도 측정기(UV radiometer)를 사용하여 광섬유의 조건별 빛의 전달능을 대략적으로 측정해 본 결과 이론에 의하여 예상 할 수 있는 결과들을 얻을 수 있었다.
- 코팅층의 물성을 알아보기 위하여 경도와 부착력 테스트를 실시하였다. 이때 사용된 바인더는 무기계 바인더(Enpion 제품), 유·무기 복합 바인더(애경화학 제품), 수용성 바인더(보광화학 제품)를 사용하였다. 앞서 실험한 TiO2의 용해도 결과에 의하여 Enpion에서 만든 졸 상태의 TiO2이 바인더와 접목하는데 있어서 가장 우수한 결과가 나왔으나, 분말 상태인 Degussa P-25와 Aldrich TiO2(anatase)도 교반을 통하여 코팅액을 배합할 수 있었다.
성능/효과
- TiO2 fiber은 anatase 상과 rutile 상이 함께 존재하였고 상용 광촉매나 TiO2/SiO2보다 매우 높은 광촉매 활성을 나타내었다. POF 광전달 흡수 특성 분석실험에서 클래드(clad)가 있을 때 전달되는 광량의 차이가 없었으며, 클래드가 제거 되었을 때 약간의 감소가 나타났다. 안정한 광촉매 졸의 제조에서 상업용 수용성 바인더, 유·무기 복합 바인더를 사용한 경우 코팅층은 깨끗하였으나 부착력이 좋지 않았다.
- Enpion TiO2는 유·무기 복합 바인더와는 배합이 되지 않았고, 다른 바인더와 배합한 코팅액으로 코팅한 sheet의 표면은 깨끗하였지만 부착력은 수용성 바인더를 첨가한 sheet만 우수한 것으로 나왔다. 본 연구에서 사용된 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane(GPTMS), 물, ethanol과 acetic acid를 혼합한 무기계 바인더의 경우 부착력과 표면의 물성이 우수하였다.
- Enpion TiO2는 유·무기 복합 바인더와는 배합이 되지 않았고, 다른 바인더와 배합한 코팅액으로 코팅한 sheet의 표면은 깨끗하였지만 부착력은 수용성 바인더를 첨가한 sheet만 우수한 것으로 나왔다. 본 연구에서 사용된 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane(GPTMS), 물, ethanol과 acetic acid를 혼합한 무기계 바인더의 경우 부착력과 표면의 물성이 우수하였다.
- 일반적으로 TiO2가 초기에 anatase 상에서 고온에서 rutile 상으로 전이되는 것으로 알려져 있으나, 100℃에서 이미 rutile상의 TiO2가 형성되고 있는 것으로 확인할 수 있다. 이는 제조비용의 큰 절감을 가져와 기존 500℃고온에서만 제조해왔던 것에 비해 상업적으로 높은 잠재력을 가질 것으로 판단된다.
- 제조된 가시광선 광촉매의 활성은 순수 TiO2와 유사한 빛의 흡수와 광분해속도를 나타냈으며 고표면적 SiO2위에 분산된 TiO2/SiO2제조에서는 일반적으로 500℃이상의 고온에서 rutile 상으로 전이되는 것과 달리 100℃에서 이미 rutile상의 TiO2가 형성되고 있는 것으로 확인할 수 있었다. TiO2 fiber은 anatase 상과 rutile 상이 함께 존재하였고 상용 광촉매나 TiO2/SiO2보다 매우 높은 광촉매 활성을 나타내었다.
- 휴대용 자외선 강도 측정기(UV radiometer)를 사용하여 광섬유의 조건별 빛의 전달능을 대략적으로 측정해 본 결과 이론에 의하여 예상 할 수 있는 결과들을 얻을 수 있었다. 클래드(clad)가 있을 때 시스템에 사용될 적당한 길이(약 50cm)에서는 전달되는 광량의 차이가 없었으며, 클래드가 제거 되었을 때 약간의 감소가 나타났다. 또한 광촉매가 코팅된 길이에 따라 전달된 빛의 양이 감소하였는데, 이는 광촉매에 의한 흡수로 광섬유 시스템의 광화학반응에 적용 가능성을 보여준다.
- 본 연구에 사용한 광섬유(POF, plastic optical fiber)는 표 2와 같다. 휴대용 자외선 강도 측정기(UV radiometer)를 사용하여 광섬유의 조건별 빛의 전달능을 대략적으로 측정해 본 결과 이론에 의하여 예상 할 수 있는 결과들을 얻을 수 있었다. 클래드(clad)가 있을 때 시스템에 사용될 적당한 길이(약 50cm)에서는 전달되는 광량의 차이가 없었으며, 클래드가 제거 되었을 때 약간의 감소가 나타났다.
후속연구
- 클래드(clad)가 있을 때 시스템에 사용될 적당한 길이(약 50cm)에서는 전달되는 광량의 차이가 없었으며, 클래드가 제거 되었을 때 약간의 감소가 나타났다. 또한 광촉매가 코팅된 길이에 따라 전달된 빛의 양이 감소하였는데, 이는 광촉매에 의한 흡수로 광섬유 시스템의 광화학반응에 적용 가능성을 보여준다. 이러한 결과들은 보다 체계적으로 광검출기(photodetector) 등을 이용하여 측정되었으며, 모두 위의 결과와 동일하게 나타났다.
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