KR100773895B1 - 수열 및 수계 합성 방법을 이용한 광촉매 졸의 제조방법 - Google Patents
수열 및 수계 합성 방법을 이용한 광촉매 졸의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 수열 및 수계 합성 방법을 이용한 광촉매 졸의 제조방법에 관한 것으로, 티타늄 화합물을 물로 가수분해한 다음, 극성용매와 산을 첨가한 후 수열합성반응으로 결정을 성장시키는 단계, 티타늄 화합물 및 유기용매를 물과 혼합한 다음, 가온 후 산을 첨가하는 수계합성반응을 통해 분산성을 향상시키는 단계 및 이들을 혼합하는 단계로 이루어진 것이다.
상기 본 발명의 광촉매 졸의 제조방법에서는 광촉매 산화티탄 졸의 결정성을 향상시키기 위해 기존의 졸겔법과는 달리 수열합성기를 이용하여 고온 고압하에서 반응을 진행시키고, 분산성을 향상시키기 위해 수계합성으로 제조한 졸을 혼합하여 활성이 우수하고 투명한 졸을 제조한다.
수열합성, 수계합성, 광촉매, 가시광
Description
도 1은 본 발명의 수열합성반응장치의 모식도이다.
도 2는 본 발명에서 제조한 광촉매 졸의 SEM 분석 결과 사진이다.
도 3은 본 발명에서 제조한 광촉매 졸의 XRD 분석 결과 그래프이다.
도 4는 본 발명에서 제조한 광촉매 졸의 UV-DRS 분석 결과 그래프이다.
도 5는 본 발명에서 제조한 광촉매 졸의 탈취시험 결과 그래프이다.
도 6은 본 발명에서 제조한 광촉매 졸의 항곰팡이 시험 결과 사진이다.
도 7은 본 발명에서 제조한 광촉매 졸의 항균시험 결과 사진이다.
도 8은 본 발명에서 제조한 광촉매 졸의 Self-cleaning 결과 사진이다.
* 도면 중의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1. 온도계 2. 압력계 3. 자켓
4. 교반기
본 발명은 수열 및 수계 합성 방법을 이용한 광촉매 졸의 제조방법에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 티타늄 화합물을 물로 가수분해한 다음, 극성용매와 산을 첨가한 후 수열합성반응으로 결정을 성장시키는 단계, 티타늄 화합물 및 유기용매를 물과 혼합한 다음, 가온 후 산을 첨가하는 수계합성반응을 통해 분산성을 향상시키는 단계 및 이들을 혼합하는 단계로 이루어진 것이다.
상기 본 발명의 광촉매 졸의 제조방법에서는 광촉매 산화티탄 졸의 결정성을 향상시키기 위해 기존의 졸겔법과는 달리 수열합성기를 이용하여 고온 고압하에서 반응을 진행시키고, 분산성을 향상시키기 위해 수계합성으로 제조한 졸을 혼합하여 활성이 우수하고 투명한 졸을 제조한다.
광촉매란 필요한 파장대의 빛을 흡수하여 화학적 반응이 일어나도록 도와주는 물질을 말하는데, 이러한 광촉매는 광조사하에서 산소나 물 등을 산화제로 하여, 유독성 유기물을 이산화탄소와 물로 완벽하게 산화시킨다.
일반적으로 광촉매로 사용되는 물질에는 TiO2, ZnO, ZrO2, CdS, MoS2 등이 있으며 이들 광촉매는 포화탄화수소, 계면 활성제, 염료, 살충제, 제초제, 유기산 등의 물질 분해에 유효하다. 그 중에서도 결정구조가 아나타제형인 산화티탄(TiO2)은 광촉매로서 가장 폭넓게 사용되고 있는 반도체성 산화물로 알려져 있는데, 그 이유는 독성이 없고, 물에 용해되지 않으며, 빛에 의해 분해 반응이 일어나지 않고 비교적 값이 싼 장점 때문이다.
일반적으로 광촉매는 분말상으로 용액에 현탁시켜 사용하는 경우와 광촉매 산화티탄 졸용액을 기재 표면 또는 내부에 담지한 형태로 사용되는 경우가 있다.
광촉매 분말을 제조하는 대표적인 방법으로는 염화티탄이나 황산티탄 등의 무기티탄을 가수분해하여 염기로 중화한 다음, 수용성 금속염을 일정 중량비로 첨가하여 고온 소성하여 입도가 작고 비표면적이 큰 아나타제형 산화티탄을 얻어내는 방법을 예로 들 수 있다.
광촉매 활성의 측면에서 보면 비표면적이 큰 분말이 우수하지만 이를 효과적으로 활용할 수 있는 방법은 그리 많지 않다. 예를 들면, 광촉매 분말을 이용하여 폐수 중 유기물을 분해하는 폐수처리 시스템의 경우, 유입 오염물질을 연속적으로 처리하고자 할 때 폐수내의 광촉매 분말 입자를 부상시키는데 동력이 다량 소요되며 입자의 분리 및 회수에 추가적인 후처리 공정이 요구된다. 또한 수 ㎛ 이하의 광촉매 입자를 이용할 경우 재래식 침전법에 의한 광촉매 분말회수가 불가능하며 원심분리 방법은 비용이 상승하는 단점을 가지고 있다.
또한 모든 산업구조가 환경 친화성을 최우선으로 하는 시대적 요구에 부응하여, 광촉매의 용도는 항균, 산화질소 및 황산화물(NOx, SOx)의 분해, 난분해성 유기물질의 분해, 해상에 유출된 원유의 분해, 가정 및 축사, 사무실에 존재하는 악취의 탈취작용 등의 전 부문으로 확대되고 있는 실정이고, 최근에는 산화티탄의 양친매성을 이용하여 김서림 방지 등의 부가적인 기능을 가지도록 고안되는 추세이다.
상기의 다양한 용도로서 광촉매를 효과적으로 이용하려면 아나타제형 산화티탄이 용매 중에 고르게 분산되어 있는 액상형이 바람직하며, 더욱이 기재의 구조 및 모양에 따라서 침지코팅, 스핀코팅, 롤코팅, 분무코팅 등의 다양한 응용 방법을 감안한다면 향후의 광촉매 시장은 액상형의 성장이 클 것으로 예상되며 기존의 분말 제조업체도 액상형으로 전환하는 경향을 보이고 있다.
그러나 염화티탄이나 황산티탄 등의 무기티탄 화합물과 티타늄 알콕사이드 등의 유기티탄 화합물을 가수분해한 후, 무기산 등의 첨가제를 이용하여 산화티탄졸을 제조하는 종래의 졸겔법으로는 아나타제형으로의 결정 성장이 제한적이고, 100℃ 이하의 온도에서 산화티탄졸을 제조 후, 기재 담지과정에서 500∼600℃로 고온 소성하여 성막 후에 결정을 성장시키는 방법은 고온으로 인하여 이용되는 기재가 극히 제한적일 수밖에 없다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여, 기존의 졸겔법에 의한 가수분해 방법을 개량한 것으로서 결정 성장 및 안정된 분산성을 유지할 수 있도록 하는 새로운 광촉매 산화티탄졸을 제조하는 방법으로서, 티타늄 화합물을 사용하여 수열합성법과 수계합성법을 통해 광촉매를 제조함으로써 광활성과 안정성, 분산력이 우수한 광촉매 산화티탄 졸을 제조하는 방법을 그 목적으로 한다.
즉, 본 발명자들은 산화티탄의 분산성 및 결정성장 정도가 광촉매 졸의 pH, 반응온도, 반응압력 등과 밀접한 관련이 있을 것으로 판단하여 각기의 조건을 변화시켜 상기 본 발명의 목적에 부합하는 수열합성반응과 수계합성반응을 이용한 광촉매 졸을 제조하고자 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 티타늄 화합물을 물로 가수분해한 다음, 극성용매와 산을 첨가한 후 수열합성반응으로 결정을 성장시키는 단계, 티타늄 화합물 및 유기용매를 물과 혼합한 다음, 가온 후 산을 첨가하는 수계합성반응을 통해 분산성을 향상시키는 단계 및 이들을 혼합하는 단계로 이루어진 것이 특징이다.
구체적으로, 본 발명은 수열합성 방법과 수계합성 방법을 이용하여 고활성을 나타내며 결정성이 뛰어나고 투명한 가시광 영역에서 반응하는 아나타제형 광촉매용 산화티탄졸의 제조 방법에 관한 것이다.
여기서, 상기 티타늄 화합물로는 테트라티타늄이소프로폭사이드, 티타늄알콕사이드, 티타늄클로라이드, 티타늄나이트레이트, 티타늄술페이트 혹은 티타늄아미노옥살레이트 등을 들 수 있다.
상기 산으로는 포름산, 초산, 프로피온산, 부티르산, 락트산, 시트르산푸마르산 등 유기산 혹은 인산, 황산, 염산, 질산, 불화수소산, 클로로설포닉산, 파라-톨루엔설포닉산, 3염화초산, 폴리포스포릭산, 아이오딕산, 요오드산 무수물, 과염소산 등 무기산 모두 가능하나 특히 질산, 염산, 불화수소산, 황산 등과 같은 무기산이 바람직하다
이하, 본 발명에서 사용되는 수열합성반응 및 수계합성반응에 대해 상술한다.
1. 수열합성반응
본 발명에서는 아나타제 형 결정을 높은 비율로 얻어내기 위하여 수열합성반응을 이용하여 고온, 고압하에서 결정을 성장시키는 방법이 효율적이다.
본 발명에서는 고온, 고압반응을 수행하기 위하여 도1의 수열합성반응기를 이용하였다.
도 1은 본 발명의 수열합성반응장치의 모식도로서, 반응기에 온도계(1)와 압력계(2)를 설치하고 외부에 자켓(3)을 장착하고 있다.
수열합성반응기의 용량은 5L이고, 최고온도 500℃, 최고압력 25기압을 견딜 수 있도록 스테인레스 스틸로 제작하였다. 또한 결정 성장과정 중에서 침전을 방지하고 균일하게 성장이 일어날 수 있도록 1400rpm의 회전속도를 갖는 교반기(4)를 부착하였다.
승온 과정 중에 발생할 수 있는 급격한 온도상승을 방지하고 정확한 온도제어를 위하여 반응기 내에 온도계(1)를 부착하고 PID 제어방식으로 광촉매 졸 합성을 프로그램화 하여 수행하였다.
본 발명의 수열합성조건에서의 온도범위는 100~300℃, 바람직하게는 150~200℃ 이고, 압력은 10~20 기압이며, 반응시간은 2~3시간이다. 온도와 압력이 너무 낮은 경우는 수열합성 반응이 일어나지 않고 너무 높은 경우에는 위험성이 커져 좋지 않다.
2. 수계합성반응
수계합성조건의 온도범위는 80~90℃로 하며, 반응시간은 2시간 합성반응 후 12시간 동안 교반하여 자연냉각 시켰다.
상기 본 발명의 수열 및 수계합성반응을 통해 얻어진 각 화합물을 혼합하여 제조되는 광촉매 산화티탄 졸은 산화티탄 중량비로 0.5%~ 5%에서 제조되는 것이 바람직하다.
상기의 광촉매 졸을 제조하는 과정에서 코팅성 향상을 목적으로 수열합성 단계에서 알코올 등의 극성용매를 일정중량 첨가, 혼합하여 사용하였다. 이러한 극성용매로서는 에틸알코올, 이소프로필 알코올, 메틸 알코올 등의 알코올류가 바람직하다.
한편, 제조된 광촉매의 분산성을 유지하려면, 첨가되는 물의 양은 중량대비 5~20%가 적당하다.
이하, 상기와 같은 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 본 발명의 목적의 범위 내에서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있음은 물론이다.
실시예1(수열합성)
티타늄 화합물 중 하나인 테트라티타늄이소프로폭사이드(TTIP) 200g에 순수 63g을 첨가하여 가수분해 반응을 실시한 다음, 95% 에틸알코올 3L와 HNO3 (67%) 19g을 투입한 후 교반기의 회전속도를 1000rpm으로 고정한 후 다음과 같이 온도조건을 설정하였다.
150℃ 승온까지 1시간, 150℃에서 2시간 동안 수열합성을 실시한 후 실온까지 냉각시킨 후 배출구를 통해 1% 정도의 백색 산화티탄 분산졸을 제조하였다. 150℃에서 가해지는 용기내 압력은 10~15기압으로 확인되었다.
실시예2(수계합성)
수계 졸 합성을 위해 5L 반응기에 순수 1Kg에 티타늄 화합물 중 하나인 TTIP 177.65g과 아세틸아세톤 65g을 투입하고 30분 동안 교반을 실시하며 가열장치(heating mantle과 hot plate)를 통해 온도를 조절하여 90℃까지 상승시켰다. 90℃에서 2시간을 유지시킨 후 HNO3 9.8g을 첨가한 후 2시간 동안 교반을 실시하였고, 이후에 12시간 동안 교반을 하면서 자연냉각을 시켜 yellow 색의 수계 졸을 제조하였다.
실시예3(수열합성+수계합성)
상기 실시예1과 실시예2에서 얻어진 각 화합물을 50:50(중량비)로 혼합하여 원하는 본 발명의 광촉매 졸을 얻었다. 얻어진 광촉매 졸에 대해 하기와 같이 물성과 각종 시험을 실시하였다.
[물성측정]
우선 입도를 분석하기 위하여 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM)을 이용하였다. 도 2는 본 발명에서 제조한 광촉매 졸의 SEM 분석 결과 사진을 나타낸다.
또한, 결정성 및 입도를 확인하기 위한 목적으로는 X선 회절분석기(X-ray Diffractometer, XRD)를 이용하였으며, 그 결과를 도 3에 나타낸다.
또한, 가시광 영역에서 반응하는 것을 확인하기 위해 UV-DRS를 측정하였다. 도 4는 본 발명에서 제조한 광촉매 졸의 UV-DRS 분석 결과 그래프로서, 현재 시중에 유통되고 있는 3개의 상품을 비교예로 하여 본 발명의 실시예3과 대비하였다. 그래프에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 광촉매 졸은 자연광이나 형광등의 가시광 영역에서 반응하지만 비교예는 주로 자외선 영역에서 반응하고 있음을 알 수 있다.
이하 제조된 샘플의 성능을 측정하기 위해 탈취시험, 항곰팡이 시험, 항균시험, Self-cleaning 시험을 각각 수행하였다.
[탈취시험]
탈취시험은 광촉매 협회에서 지정한 가스백 A법을 사용하여 실시하였다.
먼저 5ℓ의 테프론 백에 광촉매가 코팅된 벽지를 넣고 100ppm의 아세트알데 히드 가스(3ℓ)를 채워 40W의 BLB(black light blue) 자외선 램프를 이용, 자외선강도 1㎽ /㎝2의 광을 2시간 동안 조사하면서 10분 단위로 농도의 변화를 측정하였다.
도 5는 본 발명에서 제조한 광촉매 졸의 탈취시험 결과 그래프로서, 시간이 경과함에 따라 탈취효율이 증가함을 알 수 있어, 본 발명의 광촉매 졸은 아나타제 결정성과 활성이 우수한 것임을 확인할 수 있다.
[항곰팡이 시험]
본 발명의 광촉매 졸이 코팅된 5×5cm 벽지 6장의 시험편을 준비하였다. 배양기는 평판배양기를 사용하였고 배양기 조성은 물 1L, 질산암모늄 3.0g, 인산칼륨 1.0g, 황산마그네슘 0.5g, 염화칼륨 0.25g, 황산제일철 0.002g, 한천 25g을 사용하였다. 다음에 평판 배양기의 배양면에 혼합 포자 현탁액 0.1mL를 균일하게 도말한 후, 시험편 1매를 배양기 중앙에 놓고, 다시 그 시험편 중앙에 포자 현탁액 0.05mL을 균일하게 주입한 후 뚜껑을 덮고, 온도 28±2℃, 습도 95% 이상으로 보존된 장소에 두어 14일 동안 배양하였다. 이 실험을 다른 시험편에도 반복 실시하여, 배양 기간 중에 2개의 시험편 위에 나타나는 곰팡이 발생 상태를 관찰하였다. 곰팡이 저항성 시험 결과는 이하에 정리한 기준에 의거하여 3 등급으로 판정하고, 그 판정 결과는 하기 표1과 같이 정리하였다.
| 곰팡이의 저항성 표시 | 균사의 발육 |
| 3 | 균 접종된 시험편에 균사 발육이 전혀 인지되지 않음 |
| 2 | 균 접종된 시험편 면적 중 1/3을 초과하지 않는 면적에 균사 발육이 인지됨 |
| 1 | 균 접종된 시험편 면적 중 1/3을 초과하는 면적에 균사 발육이 인지됨 |
도 6은 본 발명에서 제조한 광촉매 졸의 항곰팡이 시험 결과 사진으로 시험 후 4주 후의 사진이다. 도면에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 광촉매 졸이 코팅된 벽지는 4주 후에 곰팡이균이 완전히 사멸된 것을 확인할 수 있다.
[항균시험]
대장균 E. coli를 인큐베이터 안에서 35℃, 24시간을 배양한 후, 배지에 접종하여 24시간 후에 육안으로 균수를 확인하였다. 20W 자외선 램프를 광원으로 이용하였다.
도 7은 본 발명에서 제조한 광촉매 졸의 항균시험 결과 사진으로, 도7a는 반응 전, 도7b는 24시간 반응 후의 결과이다. 도면에서와 같이, 본 발명에서 제조한 광촉매 졸은 24시간 경과 후에는 대장균이 완전히 사멸함을 확인할 수 있다.
[Self-cleaning 시험]
본 발명으로 제조된 광촉매 졸에 100ppm의 Methylene blue 용액을 넣어 샤알레에 담고 40W의 BLB(black light blue) 자외선 램프를 이용하여 1시간 동안 염료분해 시험을 실시하였고, 색소상태를 육안으로 관찰하였다. 자외선 강도는 UV-radiometer를 이용하여 1.0㎽/㎠로 조절하였다.
도 8은 본 발명에서 제조한 광촉매 졸의 Self-cleaning 결과 사진이다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 반응 전(도8a)에 비해 반응 후(도8b) 자정의 효과가 탁월함을 확인할 수 있다.
이상의 광촉매 성능시험으로부터 수열 및 수계합성을 통하여 제조된 본 발명의 광촉매 졸의 결정도 및 광촉매 활성이 우수함을 관찰하였고, 더욱이 분선성이 양호하여 기재에 효과적으로 코팅 및 담지시킬 수 있으므로 본 발명의 목적에 부합한다고 할 수 있겠다.
특히, 광촉매 TiO2는 강한 산화력으로 인하여 물을 수소와 산소로 분해시켜 청정 에너지인 수소를 에너지로 활용할 수 있고 수중 및 대기 중의 난분해성 유기물질과 악취물질, 차량 배기가스 등의 분해, 항균 및 독소분해능력으로 인하여 주목받고 있는 친환경적인 재료물질이다.
따라서 응용범위가 넓은 광촉매를 실제로 적용하려면 아나타제 결정성이 높은 초미립자 분산졸을 제조하는 것이 중요하다. 상기 실시예 및 활성시험으로부터 알 수 있는 바와 같이 수열합성반응기를 이용하여 160℃, 15기압의 고온, 고압 조건하에서 분산성이 뛰어나고 아나타제 결정성이 향상된 광촉매 수열 졸을 제조할 수 있었다. 또한 분산력을 증가시키기 위해 수계반응을 통하여 제조된 수계졸과 수열졸을 혼합하여 투명도도 증가하고 가시광 영역에서도 반응이 나타나는 광촉매 졸을 제조할 수 있었다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 기존의 졸겔법에 의한 가수분해 방법을 개량한 것으로, 티타늄 화합물을 사용하여 수열합성법과 수계합성법을 통해 광촉매를 제조함으로써 광활성과 안정성, 분산력이 우수한 외에 코팅성이 양호하고 각종 유기물을 분해할 수 있는 능력이 탁월하여 관련 분야에의 이용 및 응용이 기대된다 하겠다.
Claims (6)
- 티타늄 화합물을 물로 가수분해한 다음, 극성용매인 에틸알코올과 산을 첨가한 후 수열합성반응으로 결정을 성장시키는 단계;티타늄 화합물 및 유기용매를 물과 혼합한 다음, 가온 후 산을 첨가하는 수계합성반응을 통해 분산성을 향상시키는 단계; 및상기 수열 및 수계 합성 방법을 통해 얻어진 각 화합물을 혼합하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 수열 및 수계 합성 방법을 이용한 광촉매 졸의 제조방법
- 제 1 항에 있어서,상기 티타늄 화합물이 테트라티타늄이소프로폭사이드, 티타늄알콕사이드, 티타늄클로라이드, 티타늄나이트레이트, 티타늄술페이트 혹은 티타늄아미노옥살레이트인 것을 특징으로 하는 수열 및 수계 합성 방법을 이용한 광촉매 졸의 제조방법
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,얻어지는 광촉매 졸의 산화티탄 함량은 중량비로 0.5~5%인 것을 특징으로 하는 수열 및 수계 합성 방법을 이용한 광촉매 졸의 제조방법
- 제 1 항에 있어서,상기 가수분해시에 첨가되는 물의 양이 중량대비 5~20%인 것을 특징으로 하는 수열 및 수계 합성 방법을 이용한 광촉매 졸의 제조방법
- 제 1 항에 있어서,상기 수열합성의 온도범위는 150~200℃, 압력은 10~20기압, 반응시간은 2~3시간인 것을 특징으로 하는 수열 및 수계 합성 방법을 이용한 광촉매 졸의 제조방법
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| KR20070105707A (ko) | 2007-10-31 |
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