KR100969643B1 - 밴드 갭 에너지가 상이한 이중층 광분해 촉매를 이용하여방향족 고리 화합물을 분해하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 밴드 갭 에너지가 상이한 이중층 광분해 촉매를 이용하여 방향족 고리 화합물을 분해하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3.0 eV 미만의 밴드 갭 에너지를 갖는 촉매 및 이산화티탄 촉매를 함유하는 광촉매층을 함유하여 기상조건에서 방향족 고리 화합물을 효율적으로 제거할 수 있는 밴드 갭 에너지가 상이한 이중층 광분해 촉매를 이용하여 방향족 고리 화합물을 분해하는 방법에 관한 것이다.
이중층 광분해 촉매, 이산화티탄, 밴드 갭 에너지, 방향족 고리 화합물

Description

밴드 갭 에너지가 상이한 이중층 광분해 촉매를 이용하여 방향족 고리 화합물을 분해하는 방법{Method for decomposing aromatic cyclic compound using photolysis catalyst double layer with different band gap energy}
본 발명은 밴드 갭 에너지가 상이한 이중층 광분해 촉매를 이용하여 방향족 고리 화합물을 분해하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3.0 eV 미만의 밴드 갭 에너지를 갖는 촉매 및 이산화티탄 촉매를 함유하는 광촉매층을 함유하여 기상조건에서 방향족 고리 화합물을 효율적으로 제거할 수 있는 밴드 갭 에너지가 상이한 이중층 광분해 촉매를 이용하여 방향족 고리 화합물을 분해하는 방법에 관한 것이다.
악취유발물질은 VOC(휘발성 유기물)와 VIC(휘발성 무기화합물)로 나누며 공기 탈기공정, 유해폐기물 소각공정, 화학제품 제조공정, 섬유제품 제조공정, 비료 제조공정, 생물학적 폐수처리공정, 탄소재생공정, 도시토양 매립부지, 드라이클리닝 시설, 탈그리스 시설, 프레온 사용시설, 식품산업공정 등 다양한 산업에서 발생 되고 있다. 벤젠, 톨루엔, 스티렌, 메르캅탄류 등과 같은 VOC는 그 자체가 호흡기관의 장애, 발암성 등 독성을 유발시키는 것 외에도 광화학반응을 통한 스모그의 형성, 악취발생, 도시 오존농도 상승 등의 원인이 되고 있으며, 인화성이 높아 화재 및 폭발의 원인이 되기 때문에 국내외적으로 VIC 물질에 비해 규제가 강화되고 있다.
VOC 제거를 위해 사용되는 방법으로는 흡착법, 연소법, 공기 희석법, 바이어 필터법 등이 있다. 흡착법은 비용이 저렴하고 설비가 간단하여 널리 사용하고 있으나 단기간 내 흡착제의 효율능력이 떨어지기 때문에 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 발생 가능성이 있다. 공기 희석법은 사용이 용이하나 장기적으로 적용할 경우 심각한 주변 환경문제를 유발시킬 가능성이 있으며 환경규제가 강화되면서 사용분야가 점차 줄어들고 있다. 바이어 필터법은 대상 물질이 한정적이고 고농도인 경우, 고속으로 처리가 어려우며 특히 벤젠 유도체 물질인 경우 그 제거효율이 떨어진다.
이러한 문제들을 해결하기 위해 광화학 촉매를 이용한 광분해 기술을 적용하고 있으며 선행기술로는 다음과 같다.
대한민국 특허 제0324541호에서는 광촉매가 코팅된 충전물을 충전한 튜브형 광화학 반응장치를 이용하여 트라이클로로에틸렌(TCE) 등의 휘발성 유기 물질을 제거하였다. 그러나 상기 광화학 반응장치는 충전물이 충전된 튜브 외부에 UV 램프가 장착되어 있어 광의 이용률이 떨어지기 때문에 휘발성 유기 물질의 분해 효율이 만족스럽지 않았다.
대한민국 특허 제0469005호에서는 무기바인더인 실리카를 이용하여 광촉매를 부착시킨 광반응기를 사용하였으나, 실리카를 무기바인더로 사용할 경우 그 부착능이 떨어져서 장기간 사용시 광촉매의 유실 우려가 있었다.
대한민국 특허 제0485756호에서는 이산화티탄이 도포된 복수 가이드 플레이트를 공기흐름 방향과 일정한 각도를 가지도록 배열함으로써 휘발성 유기 물질의 체류시간을 높이는 방법을 개시하고 있고, 대한민국 특허 제0569410호에서는 이산화티탄이 코팅된 나선형 유리코일반응기를 사용하여 휘발성 유기 물질의 체류시간을 높이는 방법을 개시하고 있다. 그러나 단순히 체류시간의 증가만으로는 만족할 만한 휘발성 유기 화합물 분해 효율을 달성하기 어렵다.
상기 특허들은 효율적인 VOC 제거를 위해 사용되었으나 VOC 중 광분해가 어려운 방향족 고리 화합물, 즉, 벤젠 유도체 유기물을 효과적으로 분해하기 위한 촉매 시스템을 구체적으로 개시하고 있지 않다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 광분해 촉매의 산화력이 증가되어 효율적으로 방향족 고리 화합물을 분해하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
지지체 및 상기 지지체 상에 고정된 광 촉매층을 포함하되,
상기 광 촉매층은 3.0 eV 미만의 밴드 갭 에너지를 갖는 촉매; 및
이산화티탄 촉매를 포함하는 광분해 촉매와 방향족 고리 화합물을 접촉하는 단계를 포함하는 방향족 고리화합물의 분해 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 밴드 갭 에너지가 3.0 eV 미만으로, 이산화티탄보다 작은 광촉매를 건식도포법으로 일차 고정하고, 그 위에 다시 습식도포법으로 이산화티탄을 도포시킴으로써 건식도포층 광촉매의 감광제 효과를 얻을 수 있으며, 석영관 표면에 대한 이산화티탄 고정층의 접착력 불량을 개선하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 종래의 실란 대신 졸-겔법으로 무결정 티타늄계 화합물을 합성하여 바인더로 사용함으로써, 이산화티탄과의 친화력이 좋고 고온상태 에서도 장기간 사용할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 구성을 구체적으로 설명한다.
본 발명은 지지체 및 상기 지지체 상에 고정된 광 촉매층을 포함하되,
상기 광 촉매층은 3.0 eV 미만의 밴드 갭 에너지를 갖는 촉매; 및
이산화티탄 촉매를 포함하는 광분해 촉매와 방향족 고리 화합물을 접촉하는 단계를 포함하는 방향족 고리화합물의 분해 방법에 관한 것이다.
상기 3.0 eV 미만의 밴드 갭 에너지를 갖는 촉매 및 이산화티탄 촉매는 광 촉매 층에 균일하게 분포되어 있어도 무방하나, 지지체 상에 고정되고, 3.0 eV 미만의 밴드 갭 에너지를 갖는 촉매를 함유하는 제1촉매 층; 및 상기 제1촉매 층 상에 고정되고, 이산화티탄 촉매를 함유하는 제2촉매 층의 이중 층을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 밴드 갭 에너지가 3.0 eV 미만, 보다 바람직하게는 1.5 내지 3.0 eV인 제1촉매는 이산화티탄보다 밴드 갭 에너지가 작은 물질은 제한 없이 사용할 수 있으나, CdS(2.4 eV), Fe2O3(2.3 eV), 또는 WO3(2.8 eV)를 단독 또는 2종 이상 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 제 1 촉매층의 두께는 0.01 내지 0.5 ㎛가 바람직하다. 그 두께가 0.01 ㎛ 미만이면 미도포 부위가 발생하여 부위별 광원의 편차가 발생하고, 0.5 ㎛를 초과하면 광원의 손실이 발생하여 분해능이 떨어질 우려가 있다.
한편 본 발명에 따른 광촉매 층에 함유되는 다른 촉매는 이산화티탄이다. 상기 이산화티탄은 특별히 제한되지 않으며, 아나타제(anatase), 브루카이트(brookite), 또는 루타일(rutile)의 3가지 결정형을 모두 사용할 수 있으나, 루타일에 비해 결정구조가 불안정하여 우수한 광촉매 활성을 발휘하는 아나타제형을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 이산화티탄을 제조하는 방법 역시 특별히 한정되지 않으며 공지된 염소법, 황산법, 또는 알콕사이드를 이용한 졸-겔법 등에 의하여 제조된 이산화티탄을 사용할 수 있다. 또한 이산화티탄의 평균입경은 분산성을 고려하여 10 내지 30 nm인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 2 촉매 층의 두께는 제1촉매 층 두께의 50 내지 100 배인 것이 바람직하다. 상기 제 2 촉매 층의 두께가 50배 미만인 경우 제1 촉매 층을 통과하면서 광원의 손실율이 높아져 제 2 촉매의 광분해능이 낮아질 우려가 있고, 100배를 초과하는 경우 지나치게 제2촉매의 두께가 두꺼워 본 발명의 청구항과 같은 제1 촉매의 효과를 얻을 수 없어 분해능이 낮아질 우려가 있다.
한편 본 발명에 따른 광촉매에 있어서, 광촉매 층의 총 두께는 2 내지 15㎛가 바람직하며, 보다 바람직하게는 5 내지 10㎛인 것이 좋다. 상기 광촉매층의 두께가 2 ㎛미만이면 광분해능이 떨어지며, 15 ㎛을 초과하면 광원의 손실(흡수, 반사 등)이 발생하여 광분해능이 떨어진다.
본 발명에 따른 광 촉매에 있어서, 지지체의 종류 및 형상은 특별히 한정되지 않고, 유리, 플라스틱, 세라믹, 또는 금속 등의 판상, 구상, 원통 형 등을 사용할 수 있으나, 광의 효율적 이용 및 공정의 용이성을 고려할 때, 광섬유가 내장된 글라스 튜브를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 광섬유의 재료는 특별히 제한하지 않으며, 유리계 광섬유 또는 플라스틱계 광섬유 등이 사용될 수 있으나 석영으로 제조된 광섬유를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 광섬유의 직경 역시, 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.
또한, 상기 글라스 튜브의 직경은 특별히 제한되지 않으나, 광섬유의 직경보다 0.3 내지 0.6mm 정도 커서 광섬유가 글라스 튜브 표면에 접촉되지 않게 글라스 튜브 내에 장착될 수 있는 것이 바람직하다.
상기 광분해 촉매는 지지체 상에 3.0 eV 미만의 밴드 갭 에너지를 갖는 촉매 및 이산화티탄 촉매를 고정시켜 광 촉매 층을 형성하는 단계를 포함하여 제조할 수 있다.
상기 광 촉매 층을 형성하는 방법이나 순서는 특별히 한정되지 않으며, 습식도포법 또는 건식도포법 등 공지의 방법을 사용할 수 있으나,
3.0 eV 미만의 밴드 갭 에너지를 갖는 촉매를 지지체 상에 고정시켜 제1촉매 층을 형성하는 단계; 및
이산화티탄 촉매를 상기 제1촉매 층 상에 고정시켜 제2촉매 층을 형성하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제1촉매 층의 고정방법은 특별히 제한하지는 않으나, 건식도포법을 사용하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 스퍼터링법, 또는 증착법 등이 좋다.
상기 제2촉매 층의 고정방법 역시 특별히 제한되지 않으나 습식도포법에 의해 제1촉매 층 상에 고정되는 것이 바람직하다.
상기 습식도포법은 이산화티탄을 함유하는 코팅 용액을 제조하는 단계 a); 및
상기 용액에 제1촉매 층이 고정된 지지체를 침전시키는 단계 b)를 포함하는 딥 코팅(dip coating)법인 것이 보다 바람직하다.
상기 단계 a)는 용매에 무기 바인더 및 산 수용액을 첨가하여 졸을 형성하는 단계; 및
상기 졸에 이산화티탄 고형물을 첨가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 단계 a)의 용매는 특별히 제한되지는 않으나, 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.
상기 단계 a)의 무기 바인더 역시 특별히 제한되지는 않으나, 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 내화학성과 결합 안정성이 우수한 티타늄계 화합물인 것이 바람직하다.
또한 상기 단계 a)의 산 수용액 역시 특별히 제한되지는 않으나, 염산, 황산, 또는 질산의 무기산을 수용액이 바람직하다.
또한, 무기 바인더 및 용매를 이용하여 제조되는 졸 상태의 무기물은 용매 및 무기 바인더의 부피비를 4.5∼10.5:1로 하여 합성하고, 0.2 내지 1시간 동안 반 응시킨 후에, 물 및 염산의 부피비가 0.5∼1.5:1인 염산 수용액을 상기 졸 상태의 무기물 100 중량부에 대하여 0.001∼0.01 중량부로 첨가하여 반응시킨 다음 교반시켜 얻는 것이 바람직하다. 용매 및 무기 바인더의 조성 부피비가 상기 범위 내일 때, 내열성, 내식성 등이 우수하여 산 수용액을 사용하지 않는 경우보다 3∼5배 장기간 사용할 수 있다.
또한, 상기 합성된 졸 100 중량부에 대하여 이산화티탄 고형물을 1 내지 20 중량부 혼합하여 도포 용액을 제조하는 것이 바람직하다. 상기 함량이 1 중량부 미만이면 광분해 능력이 현저히 감소하여 벤젠 유도체로 구성된 휘발성 유기물의 분해가 어려우며 20 중량부를 초과하면 고형물 농도에 관계없이 분해능은 일정하며 고온에서 장기간 사용하면 표면에서 깨짐현상이 발생한다.
또한, 상기 도포액에 분해능이 높은 금속물을 혼합 사용할 수 있다. 상기 금속물로는 금, 은 백금 등을 단독 또는 2종 이상 사용할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 광분해 촉매의 제조방법에 있어서, 제1촉매 층 상에 고정된 제2촉매 층의 결합력을 높이기 위해서 건조하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 건조 조건은 특별히 한정되지 않으나 상온에서 1차 건조시키는 단계; 및 150 내지 250℃에서 2차 건조시키는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 건조단계의 시간은 사용한 원료 및 촉매 층의 두께에 따라 상이할 수 있으나, 1차 건조 는 약 22 내지 26시간 동안, 2차 건조는 0.5 내지 1.5시간 동안 실시할 수 있다.
본 발명에 따른 방향족 고리 화합물의 분해 방법에 있어서, 광분해 장치는 특별히 한정되지 않으나, 도 1에 도시된 광분해 장치를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 광분해 장치는 내부에 하나 이상의 광섬유(24)가 장착된 글라스 튜브(50) 및 글라스 튜브(50)의 표면에 형성된 광촉매층(30, 40)을 포함하는 반응 유니트(25); 자외선광을 반응 유니트의 광섬유로 전광시키는 자외선 공급 유니트(21); 오염물질과 수분을 공급하는 혼합 유니트(26); 및 수분 공급 유니트(200)를 포함하고, 상기 광촉매층(30, 40)은 3.0 eV 미만의 밴드 갭 에너지를 갖는 촉매(30) 및 이산화티탄 촉매(40)를 함유하는 본 발명의 광촉매를 포함한다.
또한, 광화학 촉매반응에 사용되는 본 발명의 광촉매는 가전자대(valence band)와 전도대(conduction band)로 구성된 분자 궤도 함수로 이루어져 있는데, 광촉매에 자신의 고유한 대간격 에너지(band gap energy)와 같거나 큰 에너지를 가지는 파장의 빛을 받으면, 가전자대의 전자가 그 빛을 흡수하여, 전도대로 여기되고, 정공(hole, hvb +)과 전자(electron, ecb -)가 발생하게 된다. 정공은 가전자대에서, 전자는 전도대에서 형성되어 정공-전자 쌍(charge pair)을 이루게 된다. 이와 같은 작용에 의해 전도대에서 생성된 전자는 강력한 환원력을, 그리고 가전자대의 정공은 강력한 산화력을 가지게 된다. 여기된 전도대의 전자와 가전자대의 정공은 다른 전자 수용체 또는 정공 스캐빈저(hole scavenger)가 없는 경우 재결 합(recombination)하여 열에너지를 생성하거나 각각 다른 산화-환원 반응을 일으킬 수도 있다. 여기에서 발생하는 수산화 라디칼(·OH)의 산화 작용으로 유기물을 CO2와 H2O로 완전 분해시키게 된다.
한편, 자외선 공급 유니트(21)는 자외선을 발광하는 인공램프(22)와 집광기(23)로 구성되며, 램프에서 방사된 자외선 광은 집광기(23)에 의해 집광되어 광섬유(24)를 통해 반응 유니트(25)내로 전달된다. 상기 인공램프는 특별히 제한되지 않으나, BLB(back light blue) 램프(6 W, 주파장 365 nm) 등을 사용할 수 있다.
수분은 수분 공급유니트(200)에서 공급되며, 수분 공급유니트(200)는 공기압축기(29), 유량계(28), 및 습기 발생장치(27)로 구성되며 공기압축기(29)에서 공급되는 공기는 유량계(28)를 통해 일정한 유속으로 습기 발생장치(27)로 유입된 후 일정량의 수분과 혼합된 상태로 혼합 유니트(26)로 공급된다.
혼합 유니트(26)에서는 처리할 휘발성 유기물(10), 공기, 습기를 일정하게 교반한 후 반응 유니트(25)의 유입구(31)로 전달한다. 반응 유니트(25)를 거친 정화 물질은 출구(32)를 통해 배출된다.
수산화 라디칼의 발생농도를 높이기 위해 도 1에 도시된 광분해 장치에 수분을 공급되는 혼합가스를 기준으로 25 내지 55 vol% 공급할 경우, 특히 벤젠 유도체로 구성된 유기물을 적어도 95 wt% 이상 분해시키는 효과가 있다. 25 vol% 미만의 조건에서는 벤젠구조는 유지된 채 외곽 사슬(메틸기 등)만 분해되며, 55 vol%을 초과하면 반응기 내부에 물방울 응집현상이 발생하여 광원의 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 실시했다.
(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> 이중 촉매층의 제조
제1촉매층으로 산화제이철(2.3eV)층과 제2촉매층으로 이산화티탄(3.0eV)층의 두 층이 형성된 광섬유 글라스 튜브를 제조하였다. 직경이 1.5mm인 석영 광섬유가 내장된 직경 2mm의 글라스 튜브 상에 산화제이철을 간이 스퍼터링법으로 도포시켰다. 이와 같이 스퍼터링법으로 건식 도포된 산화제이철 층의 표면사진을 도 2에 도시하였다.
다음으로, 알코올 및 TTIP(티타늄 테트라이소프로폭사이드)의 조성 부피비를 6.5:1로 혼합하고 0.5시간 동안 반응시켜 무기물 졸을 형성한 후에, 상기 무기물 졸 100 중량부에 대하여 물/염산의 조성 부피비가 1:1인 혼합물 0.003 중량부를 첨가하여 반응시킨 다음 교반시켜 졸 상태의 무기 바인더를 제조하였다.
상기 무기 바인더에 입경 0.03 ㎛의 이산화티탄 고형물을 5 중량부를 혼합하여 도포액을 제조한 후, 상기 제1촉매층 위에 딥 코팅법으로 고정시켰다. 이와 같이 딥 코팅법으로 고정된 이산화티탄 층의 표면사진을 도 3에 도시하였다.
이중층이 고정화된 촉매층의 단면 사진을 도 4에 도시하였으며, 제1촉매층 및 제2촉매층의 두께는 각각 0.04㎛과 3.15㎛이었다.
<비교예 1> 단일 코팅층의 제조
실시예 1에서 제조한 무기 바인더 및 이산화티탄 고형물을 포함하는 도포액을 글라스 튜브 상에 딥 코팅법으로 고정시켜 단일 촉매층을 형성시켰다. 상기 촉매층의 두께는 1.5㎛이었다. 고정화된 단일 촉매층의 단면 사진을 도 5에 도시하였 다.
<실험예 1> 실시예 1의 광촉매를 이용한 톨루엔 분해 시험
도 1에 도시된 광분해 장치를 사용하여 기체상태의 벤젠 유도체를 가지고 있는 톨루엔의 광분해 시험을 수행하였다.
도 1에서 반응 유니트(25)는 상기 실시예 1에서 제조된 이중층 광촉매가 고정된 광섬유 15개가 내장된 직경이 50 mm이고 길이가 1 m인 원기둥형의 반응기를 이용하였고, 자외선 공급 유니트(21)의 광원은 BLB 램프(6 W, 주파장 365 nm)를 사용하였다. 혼합 유니트(26)를 통하여 수분 45 vol%, 톨루엔 100 ppm으로 구성된 혼합가스를 반응 유니트(25)에 300 mL/sec의 유속으로 공급하고 체류시간 30초 후에 채취한 배출가스의 톨루엔의 농도는 1.5 ppm이었으며, 부산물을 분석한 결과 벤젠 유도체의 구조는 분해되었고, 이를 도 6에 도시하였다.
<실험예 2> 비교예 1의 광촉매를 이용한 톨루엔 분해 시험
도 1에 도시된 광분해 장치를 사용하여 기체상태의 벤젠 유도체를 가지고 있는 톨루엔의 광분해 시험을 수행하였다.
도 1에서 반응 유니트(25)는 상기 비교예 1에서 제조된 단일층 광촉매가 고정된 광섬유 15개가 내장된 직경이 50 mm이고 길이가 1 m인 원기둥형의 반응기를 이용하였고, 자외선 공급 유니트(21)의 광원은 BLB 램프(6 W, 주파장 365 nm)를 사용하였다. 혼합 유니트(26)를 통하여, 수분 5 vol%, 및 톨루엔 100 ppm으로 구성된 혼합가스를 광반응기에 300 mL/sec의 유속으로 공급하고 체류시간 30초 후에 채취한 배출가스의 톨루엔의 농도는 7.2 ppm이었으며, 부산물을 분석한 결과, 벤젠 유도체의 구조가 관찰되었고, 이를 도 7에 도시하였다.
<실시예 2 내지 5 및 비교예 2 내지 5>
실험예 1 및 2와 같은 방법으로 기상 유기물 광분해 실험을 실시했으며, 실험조건을 아래 표 1과 같이 각각 변화시키면서 그 결과를 비교하였다.
Figure 112008013039749-pat00001
표 1에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 5에 따라 제조된 이중층 광분해 촉매는 벤젠 유도체를 전량 분해하여 부산물 분석에서 전혀 발견되지 않았다. 또한, 비교예의 단일층 촉매와 비교하여 분해능이 현저히 높은 것을 확인하였다. 또한, 적량의 수분을 포함할 경우 촉매의 광분해능이 더욱 상승됨을 알 수 있었다.
도 1은 본 발명에 따른 일 실시예로서, 두 개의 촉매층을 형성시키고, 수분 공급 장치를 포함하는 광분해 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명이 일 실시예에 따른 제1촉매층의 표면사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2촉매층의 표면사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 촉매층의 단면 사진이다.
도 5는 본 발명의 비교예에 따른 고정화된 단일 촉매층의 단면사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유해물질 분해시험 결과이다.
도 7은 본 발명의 비교예에 따른 유해물질 분해시험의 결과로 나타난 벤젠 유도체의 구조이다.
<도면의 주요한 부분에 대한 부호의 설명>
10: 외부장치 21: 자외선 공급 유니트
22: 자외선을 발광하는 인공램프 23: 집광기
24: 광섬유 25: 반응 유니트
26: 혼합 유니트 27: 습기발생장치
28: 유량계 29: 공기압축기
30: 3.0 eV 미만의 밴드 갭 에너지를 갖는 촉매
31: 유입구 32: 출구
40: 이산화티탄 촉매 50: 글라스 튜브
200: 수분 공급 유니트

Claims (14)

  1. 지지체; 및 상기 지지체 상에 고정된 광 촉매층을 포함하되, 상기 광 촉매층은
    지지체 상에 고정되고, 3.0eV 미만의 밴드 갭 에너지를 갖는 촉매를 함유하는 제1촉매층; 및
    상기 제1촉매층 상에 고정되고, 이산화티탄 촉매를 함유하는 제2촉매층을 포함하는 광분해 촉매와 방향족 고리 화합물을 접촉하는 단계를 포함하는 방향족 고리 화합물의 분해 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    3 eV 미만의 밴드 갭 에너지를 갖는 촉매는 CdS, Fe2O3 및 WO3로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 방향족 고리 화합물의 분해 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    제1촉매 층의 두께는 0.01 내지 0.5㎛ 인 것을 특징으로 하는 방향족 고리 화합물의 분해 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    이산화티탄 촉매의 평균입경은 10 내지 30 nm인 것을 특징으로 하는 방향족 고리 화합물의 분해 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    제2촉매 층의 두께는 제1촉매 층 두께의 50 내지 100배인 것을 특징으로 하는 방향족 고리 화합물의 분해 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    광 촉매 층의 두께는 2 내지 15㎛인 것을 특징으로 하는 방향족 고리 화합물의 분해 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    지지체는 광섬유가 내장된 글라스 튜브인 것을 특징으로 하는 방향족 고리 화합물의 분해 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    광섬유의 직경은 0.5 내지 5mm 인 것을 특징으로 하는 방향족 고리 화합물의 분해 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    광섬유가 내장된 글라스 튜브의 직경은 광섬유의 직경보다 0.3 내지 0.6mm 더 큰 것을 특징으로 하는 방향족 고리 화합물의 분해 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    자외선 광을 이용하여 방향족 고리 화합물을 광분해하는 것을 특징으로 하는 방향족 고리 화합물의 분해 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    광분해 시 수분이 추가로 공급되는 것을 특징으로 하는 방향족 고리 화합물의 분해 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    수분은 공기와 혼합되어 공급되는 것을 특징으로 하는 방향족 고리 화합물의 분해 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    수분은 휘발성 유기물, 공기 및 수분으로 이루어진 혼합가스 100 vol%에 대하여 25 내지 55 vol%로 포함되는 방향족 고리 화합물의 분해 방법.
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