KR0185287B1 - 광환원법을 이용하여 백금을 담지시킨 이산화티타늄 광촉매가 코팅된 폐수처리용 튜브형 광화학 반응기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광촉매와 광에너지를 활용한 폐수처리 등 광화학 반응을 유발시킬 수 있는 튜브형 광화학 반응기와 광화학 환원법에 의한 백금의 담지 제조법에 관한 것으로써, 기존의 광촉배 효율을 향상시킬 수 있는 광화학 환원반응을 이용하여 백금을 이산티타늄을 담지시킨 후 이 백금담지촉매를 평판형 강화학 반응기에 코팅하여 폐수처리 후 광촉매 분말을 분리시키는 2차공정이나 에너지 소모를 없앤 것이다.
Description
제1도는 이산화티타늄에 광환원법을 이용하여 담지된 백금의 역할 설명도
제2도는 순수 이산화티타늄과 백금이 담지된 광촉배의 활용시 촉매효율의 비교도
제3도는 광환원법을 이용하여 백금을 담지시킨 이산화티타늄 광촉매를 코팅하기 위하여 사용한 평판형 광화학 반응기의 구성도
* 도면중 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 알루미늄 반사판 e : 전자
h : 정공 A : 전자를 받는 물질
D : 정공을 받는 물질
본 발명은 광환원법을 이용하여 백금을 담지시킨 이산화티타늄 광촉매가 코팅된 튜브형 광화학 반응기에 관한 것으로써, 보다 구체적으로 태양에너지 또는 램프(Lamp)의 광에너지와 불균일계 반도체성 광촉매를 활용하는 수용액내의 유독물질을 무해한 물질로 분해처리하는 광화학 반응기술에 관한 것이다.
본 발명의 1차 장점은 폐수의 처리 후 2차오염 또는 2차처리 설비등의 문제를 최소화시킬 수 있다는 것이다.
그리고 2차 장점은 유해물질이 완전 분해되거나, 폐수의 탈색이 완전하게 성취된다는 것이다.
각종 산업체, 드라이크리닝 공장, 심지어는 각 가저에서 배출되는 폐수에는 많은 종류와 유기물질들이 함유되어 있다.
이들 유기물질들은 지상 표면수에는 물론 지하수에서도 미량 검출되고 있으나 음용수로 활용하기 위해서 방류수에는 반드시 제거되거나 환경기준에 적합하여야 한다.
염료공장폐수, 염색폐수, 피혁공장폐수, 제지공장폐수, 드라이크리닝 공장등의 수용 액상에 용해되어 있는 디아조 화합물류, 트라이 클로로 에틸렌(Tri Chloro Ethylene), 퍼 클로로 에틸렌(Per Chloro Ethylene), 페놀(Phenol), 벤젠(Benzene), 톨루엔(Toluene), 사염화탄소, 폴리 클로로 바이 페닐(Poly Chloro Biphenyl) 그리고 디옥신(Dioxin)등과 같은 염화(Chlorinated) 유기물질 또는 탄화수소 화합물(Hyrocarbon), 방향족(Aromatic) 유독성 유기물질을 분해할 경우 지금까지는 주로 활성탄을 사용한 흡착, 미생물처리, 소각 또는 에어 스트리핑(Air Stripping)과 같은 단순한 상간의 이동처리적인 방법이 많이 채택되어 왔다.
이와 같은 기존의 공정들은 처리공정이 단순한 상이동 또는 처리후 2차오염을 유발 할 수 있으며 미생물의 선정 또는 미생물의 생사에 따른 문제점들을 지니고 있다.
특히 염색 폐수 등의 탈색은 거의 효과를 거두지 못하고 있다.
1976년 이래 광촉매를 이용한 분해반응이 오염된 물의 처리를 위한 대체방법으로 연구되어 왔으며, 최근에는 국내외에서 태양에너지 또는 램프의 광에너지와 불균일계 광촉매를 동시에 활요하여 수용액내의 유독물질을 분해처리하는 연구가 중점적으로 실시되어 왔다.
광화학반응을 활용한 처리방법은 단지 광촉매와 함께 광에너지만을 활용하여 20∼25℃ 정도의 상온에서도 완전 분해가 가능하다는 장점을 가지고 있다.
적용가능한 산화 광촉매는 종류가 매우 다양하여 TiO2, V2O5, ZnO, Fe2O3, CdS, CdSe, Cr2O3등을 들수 있다.
이중에서도 이산화티타늄(TiO2) 반도체 분말과 광에너지를 활용하는 광화학반응을 이용한 폐수처리는 태양에너지 활용의 기능으로 최근 국내외에서 관심을 가지고 연구되고 있다.
폐수내에 분산되어 있는 이산화티타늄 광촉매의 광화학반응은 슬러리 광촉매의 주변용액내에 용해되어 있는 유독물질과 이산화티타늄의 밴드 갭 에너지(Band Gap Energy)(= 3.0∼3.2eV)에 해당하는 광에너지의 흡수(400nm)에 의하여 생성되는 음전하의 전자(Electron)와 양전하의 정공(Hole)과의 반응에 의하여 발생한다.
그러나 이렇게 형성된 전자와 정공은 산화 또는 환원반응을 유발한 물질과 만나 시간적 여유가 없거나 대상물질이 존재하지 않으면 전자와 정공은 극도의 빠른속도로 재결합하여 분해반응을 효율적으로 진행할 수 없다.
따라서 광화학반응에 의한 폐수처리의 첫번째 필수 요구반응은 이산화티타늄의 밴드 갭 에너지를 능가하는 파장의 광흡수로 인한 전자-정공 쌍(Electron-Hole Pair)의 생성반응이다.
폐수내의 유기물은 광촉매의 표면에서 직접 정공에 의해서나 표면의 정공과 물분자간의 산화반응에 의해 생성되는 하이드록실 라디칼(Hydroxyl Radical)에 의하여 산화처리된다.
하이드록실 라디칼은 광화학반응에서 가장 중요한 강력한 유독물질의 산화제이다.
이러한 광촉매의 성을 향상시키는 방법들로는 밴드 갭 에너지의 가시광선(Visible) 파장범위의 이동, 즉 밴드 갭 에너지를 낮추거나(낮은 광에너지의 활용), 또는 전자-정공 쌍의 재결합 속도를 지연시키는 것이다.
재결합 속도를 지연시키거나 방지함으로서 전자나 전공이 분해대상 물질과 반응을 일으킬 수 있는 시간이 충분하여지기 때문이다.
본 발명에서는 일차적으로 후자의 전자-정공 쌍의 재결합 속도를 지연시키는 것에 목표를 두어 백금을 이산화티타늄 촉매에 담지시키고 그 효과를 활용하였다.
이의 이론적 관찰을 알기쉽게 제1도에 도시하였다.
제1도에서 백금은 전자를 잡아두는 역할을 하게되어 정공이 시간적 여유를 가지고 산화반응을 진행할 수 있도록 도움을 주게된다.
제1도에서 백금은 전자를 잡아두는 역할을 하게되어 정공이 시간적 여유를 가지고 산화반응을 진행할 수 있도록 도움을 주게된다.
백금과 같은 금속물질을 금속산화물에 담지시키기 위하여 제시된 일반적인 방법들은 화학석출법, 동시침전법, 함침법, 금속분말 첨가법, 진탕법, 혼련법 그리고 광석출법 등이 있다.
본 발명에서 활용한 광환원법은 광석출법과 유사한 방법이나 화학성분은 다른것으로 사용하였다.
한편, 지금까지 본 기술의 일차단계로서 불균일계 광촉매 반응에서 광반응기에 폐수와 더불어 분말상태로 사용하여 왔기 때문에 광화학반응 최종처리수로 부터 광촉매를 분리시키는 공정이 요구되고 있다.
따라서 본 발명에서는 앞의 광환원법에 의하여 제조한 고효율 광촉매를 광반응기에 코팅한 광화학 반응기를 개발하였다.
우선 광화학 환원법에 의한 백금의 담지제조법을 설명하면 다음과 같다.
일정부피의 용기에 일정량의 이산화티타늄을 넣고, 6염 소백금함수산(H2PtCL6·nH20, 함수물 분자수(n) = 4.8이나 6)을 1mM 에틸알코올 또는 메틸알코올에 용해한 후 용기에 넣는다.
모든 화학물질의 첨가량은 정확하게 1wt.% 질량의 백금이 담지될 수 있도록 양론적으로 계산하여 용해하였다.
이 후 혼합용액에 증류수를 다시 일정량으로 첨가한 후 용기를 봉한 후 자외선 램프 또는 수은램프로부터 빛을 조사하면서 일정시간 동안 광화학 환원반응을 유발시켰다.
이 광화학 환원반응으로 인하여 알코올은 산화되면서 용액내의 백금이온은 백금으로 환원된다.
이와같은 환원반응을 활용하여 궁극적으로 백금을 이산화티타늄 표면에 담지시키는 것이다.
반응이 완결된 6시간 ∼24시간 후에 증류수로 반복 세척하면서 마이크로필터를 사용하여 반응욕액으로부터 제조된 광촉매만을 걸러내 후 상온에서 건조시킨다.
이렇게 백금이 담지된 광촉매는 백금이 담지되지 않은 순수 이산화티타늄 광촉매에 비하여 촉매효율(Quantum Yield)이 훨씬 우수하였다. (제2도 참조).
이와같은 광촉매의 제조공정을 거쳐서 획득한 백금담지 이산화티타늄은 수용액에서 광반응을 거친 후 수용액과 광촉매분말의 분리공정을 사용하지 않아도 되게 하기 위하여 백금담지 이산화티타늄 광촉매를 코팅한 광화학 반응기를 제작하였다.
[실시예]
제3도는 본 발명의 튜브형 광화학 반응기로서, 광화학 반응기에 코팅하기 위하여 다음과 같은 과정을 실시 하였다.
본 발명의 반응기는 파이렉스(Pyrex) 재잴로서 구성되어 있으며, 일차적으로 코팅을 실시하고자 하는 대상면인 튜브(1)내부면을 우선 탈지제와 증류수로 3∼4차례 반복세척을 하였다.
이 처리 공정후 5N NaOII 용액으로 일정시간동안 엣칭을 실시한 후에 증류수로 반복해서 세척을 하였다.
한편, 백금이 담지된 이산화티타늄을 5g/I의 농도로 증류수에 용해시켜 슬러리용액을 조성한 후 슬러리용액의 pH를 원하는 값으로 적정한 후 격렬하게 혼합하였다.
마지막 단계로 이 슬러리 혼합용액을 다음과 같은 과정을 거쳐서 튜브형 광화학 반응기를 제작하였다.
본 발명의 튜브형 광화학 반응기의 경우 백금이 담지된 이산화티타니아 슬러리 용액을 튜브(1)내부에 투입하여 일정시간 흔들어 주거나 소니케이션(Sonication)을 실시한 후 슬러리 용액을 반응기들로부터 꺼낸 후 80℃ 정도의 더운공기로 건조시켰다.
이와같은 과정을 6∼7차례 반복하여 최종적인 광화학기 반응기를 완성하였다.
본 발명의 튜브형 광화학 반응기에 의한 폐수처리에 있어서는 제3도에서 보는 바와같이 광에너지를 공급하여 주는 자외선 램프(도시없음)나 태양에너지를 직접 반응기에 공급할 수 있도록 설치하여 구성하였다.
튜브형 반응기 하단부에는 반사판(2)를 설치하여 가능한 광에너지의 손실을 감소시킬 수 있도록 하였다.
이 반응기들을 직렬로 또는 병렬로 연결하여 폐수의 용량에 맞는 반응기로 구성할 수 있으며, 폐수는 튜브형 반응기 내부를 통하여 흐르면서 처리가 이루어진다.
이와 같은 본 발명은 광촉매와 광에너지를 활용한 폐수처리등 광화학 반응을 유발시킬 수 있는 새로운 광화학반응기로써, 폐수처리 후 광촉매 분말을 분리시키는 2차 공정이나 에너지 소모를 없앤 것으로써 산업 분야에 응용될 수 있는 효과가 기대되는 것이다.
Claims (1)
- 튜브(1) 내부표면에는 광환원법을 이용하여 백금을 담지시킨 이산화티타늄 광촉매가 코팅되고 이 이산화티타늄 광촉매가 코팅된 튜브(1)의 외부에는 광에너지를 공급하여 주는 자외선 램프나 태양에너지를 직접 반응기에 공급할 수 있도록 설치하여 구성하였으며, 튜브형 반응기 하단부에는 반사판(2)을 설치하여 가능한 광에너지의 손실을 감소시킬 수 있도록 하였고 이 단위 튜브형 반응기들을 직렬로 또는 병렬로 연결하여 폐수의 용량에 맞는 반응기로 구성할 수 있으며, 폐수는 튜브형 반응기 내부를 통하여 흐르면서 처리가 이루어 지는 것을 특징으로 하는 광환워넙을 이용하여 백금을 담지시킨 이산화티타늄 광촉매가 코팅된 폐수처리용 튜브형 광화학 반응기.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019960001575A KR0185287B1 (ko) | 1996-01-25 | 1996-01-25 | 광환원법을 이용하여 백금을 담지시킨 이산화티타늄 광촉매가 코팅된 폐수처리용 튜브형 광화학 반응기 |
| KR1019980043252A KR0185561B1 (ko) | 1996-01-25 | 1998-10-16 | 광환원법을 이용한 백금의 담지 제조법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019960001575A KR0185287B1 (ko) | 1996-01-25 | 1996-01-25 | 광환원법을 이용하여 백금을 담지시킨 이산화티타늄 광촉매가 코팅된 폐수처리용 튜브형 광화학 반응기 |
Related Child Applications (1)
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Family Applications (2)
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Family Applications After (1)
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|---|---|---|---|
| KR1019980043252A KR0185561B1 (ko) | 1996-01-25 | 1998-10-16 | 광환원법을 이용한 백금의 담지 제조법 |
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|---|---|
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20000072137A (ko) * | 1999-08-14 | 2000-12-05 | 김영웅 | 산화티탄 광촉매 코팅막이 구비된 회전부재를 이용한수질오염 정화장치 |
| KR100925247B1 (ko) * | 2008-02-20 | 2009-11-05 | 포항공과대학교 산학협력단 | 광촉매, 이의 제조방법 및 이를 이용한 폐수처리방법 |
-
1996
- 1996-01-25 KR KR1019960001575A patent/KR0185287B1/ko not_active IP Right Cessation
-
1998
- 1998-10-16 KR KR1019980043252A patent/KR0185561B1/ko not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20000072137A (ko) * | 1999-08-14 | 2000-12-05 | 김영웅 | 산화티탄 광촉매 코팅막이 구비된 회전부재를 이용한수질오염 정화장치 |
| KR100925247B1 (ko) * | 2008-02-20 | 2009-11-05 | 포항공과대학교 산학협력단 | 광촉매, 이의 제조방법 및 이를 이용한 폐수처리방법 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR0185561B1 (ko) | 1999-04-15 |
| KR970059108A (ko) | 1997-08-12 |
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