KR100921381B1 - 비표면적이 증가된 신규한 이산화티탄 촉매 및 이의제조방법 - Google Patents

비표면적이 증가된 신규한 이산화티탄 촉매 및 이의제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비표면적이 증가된 신규한 이산화티탄 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이산화티탄을 졸겔법으로 제조함에 있어서 계면활성제를 첨가하여 종래의 이산화티탄 촉매에 비해 비표면적이 넓고, 촉매 단위 중량당 광분해능이 높은 이산화티탄 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
광촉매, 이산화티탄, 계면활성제, 비표면적

Description

비표면적이 증가된 신규한 이산화티탄 촉매 및 이의 제조방법{Novel titanium dioxide catalyst having the increased specific surface and method for preparing the same}
본 발명은 비표면적이 증가된 신규한 이산화티탄 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이산화티탄을 졸겔법으로 제조함에 있어서 계면활성제를 첨가하여, 종래의 이산화티탄 촉매에 비해 비표면적이 넓고, 촉매 단위 중량당 광분해능이 높은 이산화티탄 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
현재 악취유발물질은 통상 VOC(휘발성 유기물)을 일컬으며 공기 탈기공정, 유해폐기물 소각시설, 화학제품 제조업, 섬유제품 제조업, 비료제조시설, 생물학적 폐수처리시설, 탄소재생시설, 도시토양 매립부지, 드라이클리닝 시설, 탈그리스 시설, 프레온 사용시설, 식품산업 등에서 발생된다. 공장에서 배출되는 톨루엔, 아세톤, 메틸에틸케톤(MEK) 등과 같은 휘발성 유기물들은 저 농도에서도 주변 주민의 불쾌감과 저항을 유발하여 분쟁을 일으키며 고농도에서 장기간 노출되는 경우에는 호흡기관의 장애, 발암 등의 원인이 된다. 주택지역의 확대로 공장과의 간격이 줄어들면서 악취유발물질의 관리는 필수적이며 조업단계에서 필연적으로 배출되는 휘발성 유기물의 효율적인 제거는 환경비 부담을 줄인다는 측면에서 생산자에게는 매우 중요하다.
휘발성 유기물의 제거를 위해 사용되는 방법으로는 흡착법, 연소법, 공기 희석법, 바이어 필터 법 등이 있다. 흡착법은 경제적으로 저렴하고 설비가 간단하여 많이 사용하고 있으나 단기간 내에 흡착제의 효율능력이 떨어짐으로써 장시간 사용이 어렵고 정기적으로 흡착제를 교환하거나 탈착공정을 거치는 등 관리비용의 상승한다는 단점이 있다. 연소법은 제거공정이 간단하고 관리가 용이하다는 장점은 있으나 동력비의 상승과 연소에 따른 유해한 2차 부산물이 발생할 가능성이 있다. 공기 희석법은 사용이 용이하나 장기적으로 적용할 경우 심각한 주변 환경문제를 유발시킬 가능성이 있으며 환경규제가 강화되면서 사용에 따른 장점이 점차 사라지고 있다. 바이어 필터법은 대상 물질이 한정적이고 고농도, 고속으로 처리가 어렵다.
이러한 문제들을 해결하기 위해 광화학 촉매를 이용한 유기물 제거기술이 검토되고 있으며 다음과 같은 선행기술들이 있다.
광촉매 연구는 주로 분말형태의 광촉매를 반응물과 혼합한 슬러리 형태의 반응(대한민국 등록특허제0185179호)에 대하여 이루어졌으나 분말의 침전으로 인한 용액의 안정성 저하 등의 문제로 실용화에 제한이 있었다. 이후, 광촉매 용액의 응용 형태는 2가지가 있다. 첫째, 광촉매 분말을 이용한 분산액이다. 이 분산액으로 코팅된 막은 입자의 결정성 및 유기물 흡착, 분해성능, 친수성능 등 광촉매 성능이 우수한 장점이 있다. 그러나, 코팅막의 투명성 저하 및 그 부착력(고정화)이 약해 조그마한 충격에도 쉽게 탈리되어 실용화에 있어 많은 문제점이 나타났다. 그래서 실리콘 화합물 등을 이용한 바인더를 사용해서 고정화시키는 방법이 주로 연구되고 있으나, 광촉매 활성이 저하되는 문제점이 있다. 실례로, 부착제를 이용한 광촉매 고정화에 관한 미국 특허 제5,755,867호는 실리콘 화합물을 이용하여 바인더를 제조하고 여기에 산화 티탄을 분산시켜 기판에 코팅하는 방법을 사용하여 부착력이 향상되었으나, 광촉매 활성 저하의 문제점이 있었다. 둘째, 분산액 대신 금속 알콕사이드를 출발물질로 하는 졸겔(Sol-Gel)공정에 의해 코팅 용액을 제조한 후 이를 이용하여 코팅막을 형성하는 것이다. 졸겔(Sol-Gel)공정에 따른 용액은 작은 입자(<10㎚)를 가진 용액을 제조할 수 있어 코팅 막을 형성하면 우수한 투명성을 얻을 수 있으며, 제조시 화학 양론적 양보다 과량의 산을 포함시킴으로써 결합밀도를 더욱 크게 하여, 상온 또는 저온의 열처리를 통해서도 코팅막의 밀도나 경도를 높일 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 일반적인 졸겔법에 의하여 제조된 광촉매는 비표면적이 약 50㎡/g에 불과하여 촉매 활성이 떨어지는 단점이 있었다.
한편, VOC를 제거하는 관련기술은 다음과 같다. 대한민국 특허 제0324541호에서는 광촉매가 코팅된 충전물을 충전한 튜브형 광화학반응장치를 이용하여 트라이클로로에틸렌(TCE) 등의 VOC를 제거하였다. 상기 특허는 기존의 이산화티탄 촉매를 충전층 표면에 코팅하고 유기물을 충전층과 접촉시키면서 분해시키는 광화학반응장치의 시스템이다. 대한민국 특허 제0469005호에서는 광촉매 졸이 코팅된 담지체를 금속 플레이트 위에 부착시킨 광반응기를 사용하여 VOC를 반사체를 반응기 내 벽에 부착시켜 광분해 효율을 증진시키는 기술이 기재되어 있다. 상기 특허는 광촉매를 코팅한 담지체를 사용하여 VOC를 제거하였다는 측면에서 대한민국 특허 제0324541호의 충전층의 기술요소와 유사하다. 또한, 대한민국 특허 제0714849호에서는 이산화티탄을 실란을 사용하여 반응기 내에 고정시켜 VOC를 제거하였다. 실란을 이산화티탄을 고정시키는 바인더로 사용하는 경우 접착력은 우수하나 장기간 고열을 받는 경우 실란은 이중 결합을 갖는 물질로 변형될 가능성이 있으며 궁극적으로 이산화티탄의 광분해 효율을 떨어뜨린다.
따라서, 선행기술과 구별되는 산업현장에서 발생하는 휘발성 유기물을 효율적으로 제거할 수 있는 고활성의 광촉매가 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 비표면적이 증가된 이산화티탄 광촉매 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
용매 및 계면활성제의 혼합물에 티타늄 알콕사이드를 첨가하여 반응시키는 제1단계;
상기 반응물을 지지체에 고정하는 제2단계;
상기 지지체에 고정된 반응물로부터 계면활성제를 추출하는 제3단계; 및
상기 계면활성제가 추출된 반응물을 소결하는 제4단계를 포함하는 이산화티탄 촉매의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한 지지체, 및 지지체 상에 고정된 이산화티탄 촉매층을 포함하되, 상기 이산화티탄 촉매는 비표면적이 100 내지 300 m2/g인 이산화티탄 촉매를 제공한다.
본 발명에 따른 이산화티탄 촉매는 미세한 표면기공을 가지고 있어 기존 이산화티탄에 비해 비표면적이 2배 이상 넓기 때문에 촉매 단위 중량당 광분해능이 높다.
이하, 본 발명의 구성을 구체적으로 설명한다.
본 발명은
용매 및 계면활성제의 혼합물에 티타늄 알콕사이드를 첨가하여 반응시키는 제1단계;
상기 반응물을 지지체에 고정하는 제2단계;
상기 지지체에 고정된 반응물로부터 계면활성제를 추출하는 제3단계; 및
상기 계면활성제가 추출된 반응물을 소결하는 제4단계를 포함하는 비표면적이 증가된 이산화티탄 촉매의 제조방법에 관한 것이다.
상기 제1단계는 졸겔법에 의하여 이산화티탄을 합성하는 단계이다. 상기 제1단계의 용매는 물, 알코올, 및 셀로솔브로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 알코올로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 이소프로판올, 또는 디아세틸알콜 등을 사용할 수 있으며, 셀로솔브로는 메틸셀로솔브, 에틸셀로솔브, 부틸셀로솔브, 또는 셀로솔브아세테이트 등을 사용할 수 있다.
또한, 상기 계면활성제는 알킬할로이드, 알킬아민, 및 알킬포스페이트로 이 루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다. 상기 알킬기를 가지는 계면활성제의 탄소수는 10 내지 20개인 것이 보다 바람직하다. 알킬의 탄소수가 10 미만인 경우 비표면적 개선효과가 떨어지고, 20을 초과하는 경우 기공의 형상 및 크기 제어가 어려워진다.
상기 알킬계 계면활성제는 유기용매 100 중량부에 대하여 2 내지 25 중량부, 보다 바람직하게는 3 내지 23 중량부, 가장 바람직하게는 5 내지 20 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 함량이 2 중량부 미만이면 기공형성 효과가 떨어지고, 20 중량부를 초과하면 기공의 형상, 크기의 균일성이 떨어진다.
상기 티타늄 알콕사이드는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 것이 바람직하다.
Ti(OR)4
상기 식에서, R은 탄소수 1 내지 6의 알킬기를 나타낸다.
상기 티타늄 알콕사이드는 티타늄 프록폭사이드(Titanium(Ⅳ) propoxide), 티타늄 이소프로폭사이드(Titanium(Ⅳ) isopropoxide), 티타늄 디이소프로폭사이드(Titanium(Ⅳ) diisopropoxide), 티타늄 부톡사이드(Titanium(Ⅳ) butoxide), 티타늄 에톡사이드(Titanium(Ⅳ) ethooxide), 및 티타늄 메톡사이드(Titanium(Ⅳ) methoopoxide)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.
상기 티타늄 알콕사이드는 유기용매 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 그 함량이 1 중량부 미만인 경우 광분해 효과가 떨어지고, 10 중량부를 초과하는 경우 광촉매 농도가 지나치게 높아 광의 손실로 인한 광분해 효과가 낮아질 우려가 있다.
또한, 제1단계의 용매는 광촉매의 고정을 위해 무기 바인더를 추가로 사용할 수 있다.
상기 무기 바인더는 티타늄테트라이소프로폭사이드, 티타늄테트라에톡사이드, 티타늄테트라프로폭사이드, 또는 티타늄테트라부톡사이드 등의 티타늄계 무기 바인더, 지르코늄테트라에톡사이드, 지르코늄테트라프로폭사이드, 또는 지르코늄테트라부톡사이드 등의 지르코늄계 무기 바인더, 알루미늄테트라에톡사이드, 알루미늄테트라프로폭사이드, 또는 알루미늄테트라부톡사이드 등의 알루미늄계 무기 바인더, 또는 텅스텐헥사에톡사이드 등의 텅스텐계 무기 바인더를 단독 또는 2종 이상 사용할 수 있으며, 특히 티타늄계 무기 바인더를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 무기 바인더는 유기용매 100 중량부에 대하여 0.01 내지 0.5 중량부로 첨가되는 것이 바람직하다. 무기 바인더의 함량이 0.01 중량부 미만이면 외부환경에 의해 광촉매가 떨어질 우려가 있고, 0.5 중량부를 초과하면 광촉매의 광분해 효과가 낮아질 우려가 있다.
한편, 상기 제1단계의 용매는 pH 및 반응속도를 조절하고, 아나타제 형(anatase type) 이산화티탄 졸의 저장안정성 및 분산성을 위하여 산 또는 염기 촉매를 사용할 수 있다. 산 또는 염기 촉매는 광촉매 졸의 저장안정성과 물성 등에 따라 단독으로 사용될 수 있으며, 또는 2종 이상의 촉매가 병용될 수 있다. 산촉매는 초산, 인산, 황산, 염산, 질산, 클로로설포닉산, 파라-톨루엔설포닉산, 트리클로아세틱액시드, 폴리포스포릭액시드, 아이오딕액시드, 또는 요오드산 무수물 퍼클로릭액시드 등을 포함한다. 염기촉매는 가성소다, 포타슘 하이드록사이드, 노말부틸아민, 이미다졸, 또는 암모늄 퍼클로레이트 등을 포함한다.
상기 제1단계는 다음과 같이 진행되는 것이 바람직하나, 이에 특별히 제한하지는 않는다.
용매 100 중량부에 Ti(OR)4 1 내지 10 중량부(여기서, R은 탄소수 1 내지 6의 알킬기를 나타낸다), 알킬계 계면활성제를 2 내지 25 중량부 혼합하여 0.5 내지 1.5시간 동안 교반시킨 다음, TTIP(티타늄 테트라이소프로폭사이드)를 0.01 내지 0.5 중량부 첨가하여 0.2 내지 1시간 동안 충분히 교반하면서 반응시킨다.
본 발명에 따른 이산화티탄의 제조방법에 있어서, 제2단계는 상기 단계에서 제조된 반응물을 지지체에 고정시키는 단계이다.
상기 제1단계로부터 제조한 반응물을 지지체에 고정시키는 방법은 특별히 제한되지는 않으나, 습식도포법에 따라 고정시키는 것이 바람직하다. 보다 바람직하 게는, 습식도포법은 액체상태에 집어넣어 지지체 표면에 광촉매를 도포하는 딥코팅(dip coating)법인 것이 좋다.
또한, 상기 딥코팅으로 고정시킨 반응물은 상온에서 1시간 이상 건조시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 이산화티탄의 제조방법에 있어서, 제3단계는 고정된 반응물로부터 계면활성제를 추출하는 단계이다.
상기 계면활성제의 추출은 무기산 수용액 또는 초임계 추출법을 사용하는 것이 바람직하다.
무기산 수용액을 사용하는 경우 무기산 수용액에 상기 지지체에 고정된 반응물을 침전시켜 계면활성제를 추출할 수 있다. 상기 무기산 수용액은 염산, 질산, 또는 황산 등을 포함한다. 무기산 수용액의 농도는 특별히 한정되지 않으나, 1∼20ml/L인 것이 바람직하다. 그 농도가 1 ml/L 미만이면 계면활성제의 추출량이 적어 이산화티탄 촉매의 비표면적이 낮아질 우려가 있고, 20ml/L를 초과하면 그 농도 이상의 조건에서도 추출능이 일정하여 생산비만 상승할 우려가 있다. 또한 추출시간은 특별히 제한되지 않으나, 3 내지 5시간 동안 침전하는 것이 바람직하다.
또한 초임계 추출을 사용하는 경우 주로 이산화탄소 초임계유체를 주로 사용하며 압력 8~15 MPa, 온도 30∼50℃에서 10∼60분 동안 진행하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 이산화티탄의 제조방법에 있어서, 제4단계는 기공이 형성된 광촉매를 소결시켜 광촉매층을 형성하는 단계이다.
상기 기공이 형성된 촉매는 80℃ 내지 110℃에서 30분 내지 2시간 동안 1차 소결 후, 400℃ 내지 700℃에서 30분 내지 2시간 동안 2차 소결시켜 결정 특성을 갖는 광촉매를 얻는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 상기 지지체 및 지지체 상에 고정된 이산화티탄 촉매층을 포함하되, 상기 이산화티탄 촉매는 비표면적이 100 내지 300 m2/g인 광 촉매에 관한 것이다.
상기 이산화티탄 촉매는 비표면적이 100 내지 300 m2/g인 것을 특징으로 하고, 보다 바람직하게는 120 내지 300 m2/g, 가장 바람직하게는 150 내지 300 m2/g이다. 이산화티탄 촉매의 비표면적이 100㎡/g 미만이면 유해 물질의 처리효율이 떨어지고, 300 ㎡/g을 초과하면 이산화티탄 촉매의 합성이 곤란할 우려가 있다.
상기 지지체의 종류는 특별히 한정되지 않으나, 유리, 금속판, 세라믹판, 각종 고분자 또는 광섬유 등을 포함한다. 특히 광의 효율적 이용의 측면에서 광섬유가 바람직하다. 광섬유의 종류 역시 특별히 한정되지 않고, 유리계 광섬유 또는 플라스틱계 광섬유 등이 사용될 수 있으나, 소결 온도를 고려할 때 석영으로 제조된 광섬유를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 광섬유의 직경은 특별히 한정되지 않으나 0.5 내지 5mm인 것이 바람직하다. 광섬유의 직경이 0.5mm 미만이면 광촉매층의 내구성 유지가 어렵고, 5mm를 초과하면 부분적인 광원 편차가 발생하여 일정한 광분해능 유지가 어렵다.
상기 고정된 이산화티탄 촉매 층의 두께는 2 내지 15㎛인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는, 5 내지 10㎛가 좋다. 두께가 2㎛ 미만이면 광분해능이 떨어지며, 15㎛을 초과하면 광원의 손실(흡수, 반사 등)이 발생하여 광분해능이 떨어질 우려가 있다.
본 발명에 따른 이산화티탄 촉매는 도 1에 도시된 광분해 장치에 포함되어 휘발성 유기물을 분해하는데 사용하는 것이 바람직하다.
상기 광분해 장치는 광촉매층(20)이 형성된 하나 이상의 광섬유(4)가 장착된 반응 유니트(5); 자외선광을 반응 유니트의 광섬유로 전광시키는 자외선 공급 유니트(1); 및 반응 유니트(5)에 오염물질과 수분을 공급하는 혼합 유니트(6)를 포함하고, 상기 광촉매층(20)은 비표면적이 100 내지 300 m
Figure 112008012360251-pat00001
/g인 본 발명의 이산화티탄 광촉매를 포함한다.
도 1을 참고로 하여 보다 상세하게 설명하면, 자외선 공급 유니트(1)에서 집광된 자외선광은 광섬유(4)를 통해 반응 유니트(5)내로 전달된다.
반응 유니트(5)는 다수의 광섬유(4)를 설치할 수 있는 중공(中空)의 관 부재인 것이 바람직하나, 그 형태는 반드시 이에 한정되지 않으며 대상 물질의 특성, 초기 및 배출 공급 농도, 처리비용 등에 따라 변경될 수 있다.
반응 유니트(5)를 구성하는 광섬유(4)는 피복이 제거된 표면에 광촉매(20)가 고정되어 있다.
자외선 공급 유니트(1)는 자외선을 발광하는 인공램프(2)와 집광기(3)로 구성되며, 램프(2)에서 방사된 자외선 광은 집광기(3)에 의해 집광되어 광섬유로 전광된다. 상기 인공램프는 특별히 제한되지 않으나 이산화티탄이나 3.0 eV 이하의 밴드갭 에너지를 갖는 광촉매의 광분해능을 높이기 위해 BLB(back light blue) 램프(6 W, 주파장 365 nm) 등을 사용할 수 있다. 집광기의 집광효율을 높이기 위해 오목렌즈가 부착된 구조가 바람직하며 자외선 공급 유니트의 내벽에 반사판을 설치하면 광원의 손실을 최소화할 수 있다. 자외선 공급 유니트에서 광섬유와 접촉되는 연결관은 장기간 사용에 따라 승온될 우려가 있으므로 절연재질로 설치하는 것이 좋다.
광분해 장치에서 수분은 수분 공급유니트(100)에서 공급되며, 수분 공급유니트(100)는 공기압축기(9), 유량계(8), 및 습기 발생장치(7)로 구성된다. 공기압축기(9)에서 공급되는 공기는 유량계(8)를 통해 일정한 유속으로 습기 발생장치(7)로 유입된 후 일정량의 수분과 혼합된 상태로 혼합 유니트(6)로 공급된다.
혼합 유니트(6) 내에서는 외부장치(10)에서 공급된 유해 물질, 공기 및 습기가 일정하게 교반되며, 이후 유입구(11)를 통하여 반응 유니트(5)내로 공급된다. 반응 유니트(5)내에서의 촉매 반응에 의해서 생성된 정화 물질은 출구(12)를 통해 외부로 배출된다.
또한, 상기 광분해 장치에 고정된 본 발명의 이산화티탄 광촉매는 자외선 광으로부터 에너지를 받아 유기물을 분해할 수 있는 산화력이 높은 수산화 라디칼(·OH)를 발생시키는데 반응 유니트로 공급되는 혼합가스 기준 25 내지 55 vol%의 수분조건에서 이러한 반응은 더욱 활발해진다. 25 vol% 미만의 조건에서는 광분해능이 떨어질 뿐 아니라 휘발성 유기물의 사이클로 구조는 유지된 채 외곽 사슬(메틸기 등)만 분해되며 55 vol% 을 초과하여 공급하면 반응기 내부에 물방울 응집현상이 발생하여 광의 손실을 가져온다.
이하 상기의 발명을 아래와 같은 실시예에 의거하여 상세하게 설명한다. 단, 아래의 예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 이에 한정하지 않으며 본 발명의 실시예 및 비교예에서 제조한 시료의 분석은 다음과 같은 방법으로 실시하였다.
(1) 광분해능
광분해능은 기체 크로마토그래피-질량 분광분석기와 UV/VIS 분광분석기를 이용하여 기체 중에 존재하고 있는 유기물의 농도를 측정하여 시험하였다. GC-질량 분광분석기는 미국 휴렛 팩카드(Hewlett-Packard)사의 HP-6890을 사용했으며 UV/VIS 분광분석기는 일본 시마즈(Shimadzu)사의 UV-160A를 사용했다. 광분해능은 하기 수학식 1에 따라 구하였다.
분해능(%)=제거된 유기 화합물의 농도/ 초기 유기 화합물의 농도
(2) 광촉매의 비표면적
이산화티탄의 비표면적은 미국 Beckman Coulter사의 SA3100 Plus를 사용하였으며 시료는 200℃에서 40분간 고정시킨 후 측정하였다.
(3) 광촉매층의 두께
유리관 표면에 고정된 광촉매 필름의 두께는 SEM(scanning electron microscopy, XL30 ESEM-FEG, FEI Co., N.Y., U.S.A.)을 이용하여 측정하였다.
<실시예 1> 비표면적이 증가된 이산화티탄 촉매의 제조 및 고정
알코올 100 중량부에 Ti(OC4H9)4 3 중량부, 탄소수 19 개로 구성된 노나데카아민(C19H41N, 동경화성공업, 일본, 분자량 283.54)을 8 중량부 혼합하여 60분간 교반시킨 다음 TTIP(티타늄테트라이소프로폭사이드)를 0.1 중량부 첨가하여 0.5시간 동안 충분히 교반하면서 반응시켰다.
석영으로 제조된 직경 1.5mm의 광섬유 상에 상기 반응물을 딥 코팅(dip coating)으로 고정시킨 후 상온에서 2 시간 건조시키고, 건조된 광촉매는 9mL/L의 질산수용액에 4시간 동안 침전시켜 노나데카아민의 성분을 충분히 추출하여 기공을 형성하였다. 기공이 형성된 광촉매는 100℃ 1 시간 1차 소결한 다음, 600℃에서 1시간 동안 2차 소결시켜 이산화티탄(TiO2)의 결정 특성을 갖도록 하였다.
이때, 이산화티탄의 비표면적은 175 ㎡/g 이며 고정층의 두께는 6.9 ㎛였다.
<실험예 1> 실시예 1의 광촉매를 이용한 유해물질 분해 시험
도 1에 도시된 광분해 장치를 사용하여 기상 아세톤의 광분해 시험을 수행하였다. 도 1에서 반응 유니트(5)는 상기 실시예 1에서 제조된 이산화티탄이 고정된 광섬유 15개가 내장된 직경이 50mm이고 길이가 1m인 원기둥형의 반응기를 이용하였고, 자외선 공급 유니트(1)의 광원은 BLB 램프(6W, 주파장 365nm)를 사용하였다. 혼합 유니트(6)를 통하여 공급되는 혼합가스를 기준으로 수분 30vol%, 아세톤 100ppm으로 구성된 혼합가스를 반응유니트(5)에 300mL/sec의 유속으로 공급하고 체류시간 30초 후에 채취한 배출가스의 아세톤의 농도는 0.5ppm이였다.
<실시예 2> 비표면적이 증가된 이산화티탄의 제조 및 고정
알코올 100 중량부에 Ti(OC4H9)4 3 중량부, 탄소수 19 개로 구성된 노나데카아민(C19H41N, 동경화성공업, 일본, 분자량 283.54)을 4 중량부 혼합하여 60분간 교반시킨 다음 TTIP를 0.1 중량부 첨가하여 0.5 시간 동안 충분히 교반하면서 반응시켰다.
석영으로 제조된 직경 1.5mm의 광섬유 상에 상기 반응물을 딥 코팅(dip coating)으로 고정시킨 후 상온에서 2 시간 건조시켰다. 건조된 광촉매는 12mL/L의 질산수용액에 4시간 동안 침전시켜 노나데카아민의 성분을 충분히 추출하여 기공을 형성하였다. 기공이 형성된 광촉매는 95℃ 에서 1 시간 동안 1차 소결한 다음, 500 ℃에서 1시간 동안 2차 소결시켜 이산화티탄(TiO2)의 결정 특성을 갖도록 하였다.
이때 이산화티탄의 비표면적은 125 ㎡/g 이며 고정층의 두께는 5.7㎛이다.
<실험예 2> 실시예 2의 광촉매를 이용한 유해물질 분해 시험
도 1에 도시된 광분해 장치를 사용하여 기상 MEK의 광분해 시험을 수행하였다. 도 1에서 반응 유니트(5)는 상기 실시예 2에서 제조된 이산화티탄이 고정된 광섬유 15개가 내장된 직경이 50mm이고 길이가 1m인 원기둥형의 반응기를 이용하였고, 자외선 공급 유니트(1)의 광원은 BLB 램프(6W, 주파장 365nm)를 사용하였다. 혼합 유니트(6)를 통하여 수분 35vol%, 아세톤 100ppm으로 구성된 혼합가스를 반응 유니트(5)에 300mL/sec의 유속으로 공급하고 체류시간 30초 후에 채취한 배출가스의 MEK(Methyl Ethyl Ketone)의 농도는 0.8ppm이다.
<실시예 3 내지 5 및 비교예 1 내지 5>
하기 표 1의 조성에 따라 이산화티탄 광촉매를 제조하고, 실시예 1 및 2와 같은 방법으로 기상 유기물 광분해 실험을 실시하였으며 실험조건을 표 1과 같이 각각 변화시키면서 그 결과를 비교하였다.
Figure 112008012360251-pat00002
표 1에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 5에 따라 제조된 이산화티탄 광촉매층은 대상물질을 거의 전량 분해하는 뛰어난 효과를 나타냈다.
또한, 상기 결과로부터, 이산화티탄 광촉매의 비표면적, 광촉매층의두께 등의 조건은 휘발성 유기물의 제거에 영향을 미치는 변수임을 확인할 수 있었다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 비표면적을 증가시킨 이산화티탄촉매층을 형성시키고 수분 공급 장치를 포함하는 광분해 장치의 개략도이다.
<도면의 주요한 부분에 대한 부호의 설명>
1: 자외선 공급 유니트 2: 자외선 발광 인공램프
3: 집광기 4: 광섬유
5: 반응 유니트 6: 오염물질 및 수분 공급 혼합 유니트
7: 습기발생장치 8: 유량계
9: 공기압축기 10: 외부장치
11: 유입구 12: 출구
20: 광촉매층 100: 수분 공급 유니트

Claims (19)

  1. 용매 및 계면활성제의 혼합물에 티타늄 알콕사이드를 첨가하여 반응시키는 제1단계;
    상기 반응물을 지지체에 고정하는 제2단계;
    상기 지지체에 고정된 반응물로부터 계면활성제를 추출하는 제3단계; 및
    상기 계면활성제가 추출된 반응물을 소결하는 제4단계를 포함하는 이산화티탄 촉매의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    제1단계의 용매는 물, 알코올, 및 셀로솔브로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 이산화티탄 촉매의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    제1단계의 계면활성제는 알킬할로이드, 알킬아민 및 알킬포스페이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 이산화티탄 촉매의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    계면활성제는 탄소수 10 내지 20의 알킬기를 갖는 것을 특징으로 하는 이산화티탄 촉매의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    제1단계의 계면활성제의 함량은 유기용매 100 중량부에 대하여 2 내지 25 중량부인 것을 특징으로 하는 이산화티탄 촉매의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    제1단계의 티타늄 알콕사이드는 티타늄 프록폭사이드(Titanium(Ⅳ) propoxide), 티타늄 이소프로폭사이드(Titanium(Ⅳ) isopropoxide), 티타늄 디이소프로폭사이드(Titanium(Ⅳ) diisopropoxide), 티타늄 부톡사이드(Titanium(Ⅳ) butoxide), 티타늄 에톡사이드(Titanium(Ⅳ) ethooxide) 및 티타늄 메톡사이드(Titanium(Ⅳ) methoopoxide)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 이산화티탄 촉매의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    제1단계의 티타늄 알콕사이드의 함량은 유기용매 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 비표면적이 증가된 이산화티탄 촉매의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    제1단계의 용매는 무기 바인더를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이산 화티탄 촉매의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    무기 바인더는 티타늄계, 지르코늄계, 알루미늄계 및 텅스텐계 무기 바인더로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 이산화티탄 촉매의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    무기 바인더는 유기용매 100 중량부에 대하여 0.01 내지 0.5 중량부로 첨가되는 것을 특징으로 하는 비표면적이 증가된 이산화티탄 촉매의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    제1단계의 용매는 산 촉매 또는 염기 촉매를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화티탄 촉매의 제조방법.
  12. 제1항에 있어서,
    제2단계는 반응물을 습식도포법에 의해 지지체에 고정하는 것을 특징으로 하는 이산화티탄 촉매의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    습식도포법은 딥 코팅(dip coating)법인 것을 특징으로 하는 이산화티탄 촉매의 제조방법.
  14. 제1항에 있어서,
    제3단계는 무기산 수용액 또는 초임계 추출법을 사용하여 계면활성제를 추출하는 것을 특징으로 하는 이산화티탄 촉매의 제조방법.
  15. 제1항에 있어서,
    제4단계는 80℃ 내지 110℃에서 1차 소결하고, 400℃ 내지 700℃에서 2차 소결하는 것을 특징으로 하는 이산화티탄 촉매의 제조방법.
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