KR100991754B1 - Preparation method of nano-sized TiO2 powder during the decomposition of CO2 by thermal plasma - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반응가스로서의 이산화탄소와 기화된 사염화티탄을 열플라즈마 제트장치의 반응관에 주입하는 단계(단계 1); 주입된 이산화탄소를 아르곤 가스를 이용하여 발생시킨 열플라즈마 제트로 분해시켜 캐리어 가스에 의해 운반된 사염화티탄과 반응시키는 단계(단계 2); 및 생성된 이산화티탄을 냉각시켜 이산화티탄 나노입자를 제조하는 단계(단계 3)를 포함하는 열플라즈마에 의한 이산화탄소 분해와 동시에 이산화티탄 나노입자를 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 이산화티탄 나노입자에 관한 것으로, 본 발명에 따른 방법은 반응가스로서 이산화탄소를 분해시키므로 지구온난화를 완화하는 데 도움을 줄 수 있으며, 고온, 고활성 등의 특징을 갖는 열플라즈마를 사용함으로써 후처리 과정을 고려할 필요가 없을 뿐 아니라 2차 오염 물질의 생성 우려가 없으며, 짧은 시간에 이산화탄소를 분해할 수 있어 효율성도 다른 방법에 비하여 우수하고, 본 발명에 따른 방법으로 합성된 이산화티탄은 단순히 산소와 반응하여 합성된 이산화티탄보다 자외선/가시광선영역에서 뛰어난 광촉매적 활성을 지니며, 20~50 nm 크기의 나노크기로 높은 비표면적을 가지며 아나타제상을 가지므로 광촉매로서 유용하게 사용될 수 있다.The present invention comprises the steps of injecting carbon dioxide and vaporized titanium tetrachloride as a reaction gas into the reaction tube of the thermal plasma jet apparatus (step 1); Decomposing the injected carbon dioxide into a thermal plasma jet generated using argon gas to react with titanium tetrachloride carried by the carrier gas (step 2); And a method for producing titanium dioxide nanoparticles simultaneously with the decomposition of carbon dioxide by thermal plasma, which comprises the step of preparing titanium dioxide nanoparticles by cooling the produced titanium dioxide nanoparticles, and the titanium dioxide nanoparticles produced thereby. As the method according to the present invention decomposes carbon dioxide as a reaction gas, it may help to alleviate global warming, and there is no need to consider a post-treatment process by using a thermal plasma having characteristics such as high temperature and high activity. However, there is no fear of the generation of secondary pollutants, and it can decompose carbon dioxide in a short time, and thus the efficiency is also superior to other methods, and titanium dioxide synthesized by the method according to the present invention is simply reacted with oxygen, and thus, It has excellent photocatalytic activity in the ultraviolet / visible region and is 20 ~ 50 nm Since it has a high specific surface area and anatase phase as a knock, it can be usefully used as a photocatalyst.

열플라즈마, 이산화탄소, 이산화티탄 합성 Thermal Plasma, Carbon Dioxide, Titanium Dioxide Synthesis

Description

열플라즈마에 의한 이산화탄소 분해와 동시에 이산화티탄 나노입자를 제조하는 방법{Preparation method of nano-sized TiO2 powder during the decomposition of CO2 by thermal plasma}Method for preparing titanium dioxide nanoparticles simultaneously with carbon dioxide decomposition by thermal plasma {Preparation method of nano-sized TiO2 powder during the decomposition of CO2 by thermal plasma}

본 발명은 열플라즈마에 의한 이산화탄소 분해와 동시에 이산화티탄 나노입자를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing titanium dioxide nanoparticles simultaneously with the decomposition of carbon dioxide by thermal plasma.

이산화탄소 발생의 증가는 지구온난화의 주요 요인으로 손꼽히고 있다. 이는 대기온도의 상승, 기후변화, 생태계에 미치는 영향 등의 큰 영향을 미치므로 이산화탄소의 처리는 지구온난화를 완화하는 데 중요한 과제로 남아있다.Increasing CO2 emissions are considered to be a major factor in global warming. This has a major impact on rising atmospheric temperatures, climate change, and ecosystem impacts, so the treatment of carbon dioxide remains an important challenge in mitigating global warming.

한편, 이산화티탄(TiO2)은 화학적, 광화학적으로 매우 안정하며, 강한 산화력과 무해성 등으로 인해 친환경소재로 주목받아 왔다. 상기 이산화티탄은 일반적으로 환경오염물질을 제거하는 광촉매제, 안료의 원료, 플라스틱 첨가제 또는 안경 의 멀티코팅제 등으로 사용되고 있으며, 아나타제상과 루틸상의 두 가지 결정상을 갖는다.On the other hand, titanium dioxide (TiO 2 ) is very stable chemically and photochemically, has been attracting attention as an environmentally friendly material due to strong oxidation and harmlessness. The titanium dioxide is generally used as a photocatalyst for removing environmental pollutants, a raw material of pigments, a plastic additive, or a multi-coating agent for glasses, and has two crystal phases, an anatase phase and a rutile phase.

아나타제상의 이산화티탄은 광활성도가 높기 때문에 아세톤, 페놀 및 트리클로로에틸렌 등을 광분해 시키거나 일산화질소 또는 이산화질소와 같은 질소산화물을 산화시키는 시스템과 태양에너지 변환시스템 등에서 광촉매로서 사용되고 있다.Titanium dioxide on anatase is used as a photocatalyst in systems such as photolysis of acetone, phenol and trichloroethylene, or oxidation of nitrogen oxides such as nitrogen monoxide or nitrogen dioxide and solar energy conversion systems.

루틸상의 이산화티탄은 자외선을 차단하는 산란효과가 우수하여 백색 안료용 재료로서 널리 사용되며, 다른 재료에 비해 유전상수와 굴절률이 높고, 기름의 흡착 및 착색력이 우수할 뿐만 아니라 강산성이나 강염기성에서도 화학적으로 안정하여 광학용 코팅, 빔 스플리터, 비반사 코팅막 등에 사용되고 있다. 이 외에도 이산화티탄은 넓은 화학적 안정성과 비화학양론 상영역을 가지고 있어서 산소분압에 따라 다양한 전기적 특성을 보이기 때문에 습도센서 및 고온 산소센서의 구성물질로도 연구되고 있으며 그 응용분야는 점차 확대되고 있다. Rutile titanium dioxide is widely used as a material for white pigments because of its excellent UV-scattering effect.It has higher dielectric constant and refractive index than other materials, as well as excellent adsorption and coloring ability of oil, and chemicals in strong acidity and strong basicity. It has been used in optical coatings, beam splitters, anti-reflective coatings, and the like. In addition, since titanium dioxide has a wide chemical stability and a non-stoichiometric phase region, and shows various electrical characteristics according to oxygen partial pressure, it is being studied as a component of humidity sensor and high temperature oxygen sensor, and its application field is gradually expanding.

지금까지 보고된 일반적인 이산화티탄의 제조방법은 기상법인 클로라이드 공정(chloride process)과 액상법인 설페이트 공정(sulfate process)이 있다. Common methods for producing titanium dioxide reported so far include the chloride process (gas phase method) and the sulfate process (sulfate process).

클로라이드 공정은 1956년 미국의 듀폰(Du Pont)이 공업화한 방법으로, 공기 중의 수분과 반응하여 심한 가수분해 반응을 일으키는 사염화티타늄(TiCl4)을 출발원료로 하여 1,000 ℃ 이상의 높은 온도에서의 반응이 이루어지며, 얻어진 이산화 티탄 입자가 미세하지만 거칠고, 반응 중에 발생하는 부식성가스(HCl, Cl2)로 인한 부대 보호장치 설비가 필요하여 제품의 생산 단가가 높다. The chloride process was industrialized by Du Pont in the US in 1956. The chloride process is based on titanium tetrachloride (TiCl 4 ), which reacts with moisture in the air to cause severe hydrolysis reactions. It is made, the obtained titanium dioxide particles are fine but coarse, and the production cost of the product is high due to the need for an auxiliary protection device equipment due to corrosive gases (HCl, Cl 2 ) generated during the reaction.

설페이트 공정은 1916년 노르웨이의 티탄사(Titan Co.)가 공업화한 티타늄설페이트(TiSO4)를 출발원료로 하는 방법으로, 가수분해 후 얻어진 비정질 수산화물을 다시 하소한 후 분쇄과정을 거쳐 이산화티탄 분말을 얻기 때문에 이 과정에서 많은 불순물들의 혼입으로 최종제품의 품질이 크게 떨어지는 문제가 있다.The sulfate process uses titanium sulfate (TiSO 4 ), commercialized by Titan Co., Norway, in 1916 as a starting material.The amorphous hydroxide obtained after hydrolysis is calcined, and then crushed to obtain titanium dioxide powder. Because of this, there is a problem that the quality of the final product is greatly degraded due to the incorporation of many impurities in this process.

최근에 소개된 새로운 액상법의 하나로서 러시아 특허 SU-1398321호에 기재된 바에 의하면, 적당량의 아나타제상 침전 시드(titaniferous seed)를 사염화티타늄 용액에 첨가한 상태에서 가열방법으로 가수분해시켜 수화된 이산화티탄을 침전시키고, 다시 고온 열처리의 후처리 공정을 거쳐 이산화티탄을 제조하는데, 이 방법은 제조 공정이 비교적 단순한 반면, 아나타제상 이산화티탄을 얻기 위해서는 600∼650 ℃에서의 추가적인 고온 열처리가 필요하며, 루틸상 이산화티탄을 얻기 위해서는 더 높은 온도의 열처리가 필요하다는 단점이 있다.As one of the new liquid phase methods recently introduced, it is described in Russian Patent SU-1398321, and hydrolyzed titanium dioxide is hydrolyzed by heating by adding an appropriate amount of anatase phase precipitate to a titanium tetrachloride solution. Titanium dioxide is prepared by precipitation and post-treatment process of high temperature heat treatment. This process is relatively simple, whereas additional high temperature heat treatment at 600-650 ° C. is required to obtain anatase-like titanium dioxide, and the rutile phase In order to obtain titanium dioxide, there is a disadvantage that a higher temperature heat treatment is required.

또한, 일본 특허 출원 평9-124320호에서는 부탄올 등의 알코올에 녹아 있는 사염화티타늄 용액에 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 포함된 여러 가지 종류의 아세테이트, 카보네이트, 옥살레이트, 시트레이트들 중의 한 물질을 물과 함께 첨 가하여 겔을 만든 후, 고온 열처리 공정을 거쳐 이산화티탄을 제조하는 방법을 제시하였는데, 이 방법에 의하면 물성이 양호한 초미립상 이산화티탄이 생성되지만 가격이 비싼 유기산과 같은 제 3의 첨가제들을 사용해야 하고, 겔 제조 후 첨가된 유기산들을 제거하기 위한 고온 열처리 공정이 다시 필요하다는 문제점이 있다.In addition, Japanese Patent Application No. Hei 9-124320 discloses one of various kinds of acetate, carbonate, oxalate, and citrate containing alkali metal or alkaline earth metal in a titanium tetrachloride solution dissolved in alcohol such as butanol. After adding together to make a gel, a method of producing titanium dioxide through a high temperature heat treatment process is produced, which uses a third additive such as an ultra-fine titanium dioxide with good physical properties, but expensive organic acid And, there is a problem that a high temperature heat treatment process for removing the added organic acids after the gel production is required again.

상술한 방법 외에도 졸-겔(sol-gel)법, 수열합성법 등으로 입자의 형상, 입자의 크기 및 입자 크기 분포 등의 이산화티탄의 원료 분말의 특성을 조절하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 균일한 크기를 갖는 구형의 이산화티탄 분말을 제조하기 위해서는 금속 알콕사이드를 이용하는 방법이 주로 이용되고 있는데, 이러한 졸-겔 방법은 1.0㎛ 이하의 미세한 구형의 균일한 크기를 갖는 분말을 형성하지만, 출발원료인 알콕사이드 자체가 공기 중에서도 격렬한 가수분해 반응을 일으키므로 반응조건을 엄격히 조절해야 하며, 알콕사이드가 비싸기 때문에 현재 상업화되지 못하고 실험실 규모 정도로 진행되고 있는 수준이다. 그리고, 수열합성법은 이 방법에 의해 얻어진 분말의 상태는 좋으나, 주로 고온, 고압 조건이 유지되는 반응용기(autoclave)를 이용해야 하기 때문에 연속 공정이 불가능하다는 단점이 있다. In addition to the above-described methods, studies are being actively conducted to control characteristics of the raw material powder of titanium dioxide such as particle shape, particle size, and particle size distribution by sol-gel method, hydrothermal synthesis method, and the like. In order to prepare spherical titanium dioxide powder having a uniform size, a method using a metal alkoxide is mainly used. This sol-gel method forms a powder having a fine spherical uniform size of 1.0 μm or less, but starting materials Phosphorus alkoxide itself causes violent hydrolysis reactions in the air, so the reaction conditions must be strictly controlled. Since alkoxide is expensive, it is currently not commercialized and is progressing to a laboratory scale. In addition, the hydrothermal synthesis method has a good state of the powder obtained by this method, but it is disadvantageous in that the continuous process is not possible because an autoclave that maintains high temperature and high pressure conditions is mainly used.

이에, 본 발명자들은 지구온난화의 주요 요인이 되는 이산화탄소를 효과적으로 처리하고 종래 이산화티탄 분말을 제조하는 과정에서의 문제점을 해결하고자 연구한 결과, 열플라즈마를 사용하여 이산화탄소를 분해하는 동시에 아나타제상 이산화티탄 나노입자를 제조할 수 있음을 알아내고, 본 발명을 완성하였다.Therefore, the present inventors have studied to solve the problems in the process of effectively treating the carbon dioxide which is the main factor of global warming and manufacturing the conventional titanium dioxide powder, as a result of decomposing the carbon dioxide using thermal plasma at the same time anatase titanium dioxide nano It was found that the particles could be produced and the present invention was completed.

본 발명의 목적은 열플라즈마를 이용한 아나타제형 이산화티탄 나노입자의 제조방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a method for producing anatase type titanium dioxide nanoparticles using thermal plasma.

본 발명의 다른 목적은 상기 방법에 의해 제조된 아나타제형 이산화티탄 나노입자를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention to provide anatase type titanium dioxide nanoparticles prepared by the above method.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 반응가스로서의 이산화탄소와 기화된 사염화티탄을 열플라즈마 제트장치의 반응관(reaction tube)에 주입하는 단계(단계 1); 주입된 이산화탄소를 아르곤 가스를 이용하여 발생시킨 열플라즈마 제트로 분해시켜 캐리어 가스에 의해 운반된 사염화티탄과 반응시키는 단계(단계 2); 및 생성된 이산화티탄을 냉각시켜 이산화티탄 나노입자를 제조하는 단계(단계 3)를 포함하는 열플라즈마를 이용한 이산화티탄 나노입자의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of injecting carbon dioxide and vaporized titanium tetrachloride as a reaction gas into a reaction tube of the thermal plasma jet apparatus (step 1); Decomposing the injected carbon dioxide into a thermal plasma jet generated using argon gas to react with titanium tetrachloride carried by the carrier gas (step 2); And it provides a method for producing titanium dioxide nanoparticles using a thermal plasma comprising the step (step 3) of cooling the produced titanium dioxide nanoparticles.

또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 아나타제형 이산화티탄 나노입자를 제공한다.The present invention also provides anatase titanium dioxide nanoparticles prepared by the above method.

본 발명에 따른 방법은 반응가스로서 이산화탄소를 분해시키므로 지구온난화를 완화하는 데 도움을 줄 수 있으며, 고온, 고활성 등의 특징을 갖는 열플라즈마 를 사용함으로써 후처리 과정을 고려할 필요가 없을 뿐 아니라 2차 오염 물질의 생성 우려가 없으며, 짧은 시간에 이산화탄소를 분해할 수 있어 효율성도 다른 방법에 비하여 우수하다. 또한 본 발명에 따른 방법으로 합성된 이산화티탄은 단순히 산소와 반응하여 합성된 이산화티탄보다 자외선/가시광선영역에서 뛰어난 광촉매적 활성을 지니며, 20~50 nm 크기의 나노크기로 높은 비표면적을 가지며 아나타제상을 가지므로 광촉매로서 유용하게 사용될 수 있다.Since the method according to the present invention decomposes carbon dioxide as a reaction gas, it may help to alleviate global warming, and it is not necessary to consider the post-treatment process by using thermal plasma having characteristics such as high temperature and high activity. There is no concern about the generation of secondary pollutants, and it can decompose carbon dioxide in a short time, so the efficiency is superior to other methods. In addition, titanium dioxide synthesized by the method according to the present invention has superior photocatalytic activity in the ultraviolet / visible region than titanium dioxide synthesized by simply reacting with oxygen, and has a high specific surface area with a nano size of 20 to 50 nm. Since it has an anatase phase, it can be usefully used as a photocatalyst.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 반응가스로서의 이산화탄소와 기화된 사염화티탄을 열플라즈마 제트장치의 반응관(reaction tube)에 주입하는 단계(단계 1); The present invention comprises the steps of injecting carbon dioxide and vaporized titanium tetrachloride as a reaction gas into a reaction tube of a thermal plasma jet apparatus (step 1);

주입된 이산화탄소를 아르곤 가스를 이용하여 발생시킨 열플라즈마 제트로 분해시켜 캐리어 가스에 의해 운반된 사염화티탄과 반응시키는 단계(단계 2); 및 Decomposing the injected carbon dioxide into a thermal plasma jet generated using argon gas to react with titanium tetrachloride carried by the carrier gas (step 2); And

생성된 이산화티탄을 냉각시켜 이산화티탄 나노입자를 제조하는 단계(단계 3)를 포함하는 열플라즈마를 이용한 이산화티탄 나노입자의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing titanium dioxide nanoparticles using thermal plasma comprising the step (step 3) of cooling the produced titanium dioxide nanoparticles.

본 발명의 일실시형태에 있어서, 사용되는 열플라즈마 제트장치는 도 1에 나타낸 바와 같이, 이산화탄소를 분해시키기 위한 열원을 공급하는 플라즈마 토치부(1)와; 이산화탄소와 사염화티탄이 주입되며, 이산화탄소가 분해되고 사염화티탄과 반응하는 반응관(2)과 냉각관(3), 반응 후 발생되는 폐가스를 배출시키는 배기 부(4), 토치부(1)에 전원을 공급하는 전원공급장치(5)로 구성되며, 전원으로는 직류를 사용하고, 전압은 40 V, 전류는 150 ~ 200 A의 범위 내에서 사용한다. 토치부(1)는 텅스텐 음극봉과 양극노즐을 사용하며, 상기 양극노즐과 음극봉 사이에 아르곤 가스를 흘려 플라즈마 제트를 발생시킨다. 또한, 토치부(1)를 열로부터 보호하기 위하여 양쪽의 전극을 수냉시키도록 하고 있다. 반응관(2)은 창이 부착된 스테인리스 이중관으로 되어 있다. 배기부(4)로 배출되는 가스는 스크러버(41)를 통해 처리된 후 가스크로마토그래피(42)를 이용하여 이산화탄소의 분해율이 측정된다.In one embodiment of the invention, the thermal plasma jet system to be used is 1, the plasma Sat tooth (1) for supplying a heat source for the decomposition of carbon dioxide and; Carbon dioxide and titanium tetrachloride are injected, the reaction tube (2) and cooling tube (3) in which carbon dioxide is decomposed and reacted with titanium tetrachloride, the exhaust section (4) and the torch section (1) for discharging the waste gas generated after the reaction. It consists of a power supply (5) for supplying a power supply, using a direct current as a power source, the voltage is 40 V, the current is used in the range of 150 ~ 200 A. The torch unit 1 uses a tungsten cathode rod and an anode nozzle, and generates a plasma jet by flowing argon gas between the anode nozzle and the cathode rod. In addition, in order to protect the torch part 1 from heat, both electrodes are cooled by water. The reaction tube 2 is a stainless double tube with a window. The gas discharged to the exhaust part 4 is processed through the scrubber 41 and then the decomposition rate of carbon dioxide is measured using the gas chromatography 42.

먼저, 단계 1은 이산화탄소와 사염화티탄을 열플라즈마 제트장치의 반응관에 주입하는 단계이다.First, step 1 is a step of injecting carbon dioxide and titanium tetrachloride into the reaction tube of the thermal plasma jet apparatus.

상기 이산화탄소는 지구온난화의 주요 요인으로서, 대기온도의 상승, 기후변화, 생태계 파괴 등의 큰 영향을 미치므로 이산화탄소의 분해는 지구온난화를 완화하는 데 도움을 줄 수 있으며, 분해되어 나온 산소는 이산화티탄을 합성하는 데 좋은 재료가 된다. 이때, 이산화탄소 주입구에는 질량유량제어기(Mass Flow Controller; MFC)를 설치하여 이산화탄소의 유량에 따른 이산화탄소 분해율을 확인하는 것이 바람직하다.The carbon dioxide is a major factor of global warming, and since the carbon dioxide has a great influence on atmospheric temperature, climate change, and ecosystem destruction, the decomposition of carbon dioxide can help to alleviate global warming, and the decomposed oxygen is titanium dioxide It is a good material to synthesize. At this time, it is preferable to install a mass flow controller (MFC) in the carbon dioxide inlet to check the decomposition rate of carbon dioxide according to the flow rate of the carbon dioxide.

상기 사염화티탄은 이산화탄소가 해리되었다가 재결합하는 과정에서 산소와 탄소의 재결합을 방지하는 역할을 하며, 이산화티탄 합성시 반응물질의 역할을 한다. 이때, 사염화티탄은 비점이 낮으므로 상온에서도 쉽게 기화되기 때문에 캐리 어 가스로 아르곤을 사용하여 주입하는 것이 바람직하다. 이때 사염화티탄을 일정량으로 주입하기 위하여 항온조는 30~35 ℃ 정도로 유지하는 것이 바람직하다.The titanium tetrachloride serves to prevent the recombination of oxygen and carbon in the process of dissociation and recombination of carbon dioxide, and serves as a reactant in the synthesis of titanium dioxide. At this time, since titanium tetrachloride has a low boiling point, since it is easily vaporized even at room temperature, titanium tetrachloride is preferably injected using argon as a carrier gas. At this time, in order to inject a predetermined amount of titanium tetrachloride, it is preferable to maintain the thermostat at about 30 ~ 35 ℃.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 이산화탄소와 사염화티탄은 순차적으로 주입할 수 있고, 동시에 주입할 수도 있다. 그러나 이산화탄소의 분해율 향상을 위하여 상기 이산화탄소와 사염화티탄을 동시에 주입하는 것이 바람직하다. In the method according to the invention, the carbon dioxide and titanium tetrachloride may be injected sequentially, or may be injected at the same time. However, in order to improve the decomposition rate of carbon dioxide, it is preferable to simultaneously inject the carbon dioxide and titanium tetrachloride.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 이산화탄소와 사염화티탄은 플라즈마 제트 발생 방향과 평행한 방향으로 주입시키는 것이 바람직하다. 이는 고온의 플라즈마 영역에서 사염화티탄을 효과적으로 분해하여 산소원자와의 결합을 원활하게 해주기 때문이다.In the method according to the invention, the carbon dioxide and titanium tetrachloride are preferably injected in a direction parallel to the plasma jet generation direction. This is because titanium tetrachloride is effectively decomposed in a high temperature plasma region to facilitate the coupling with oxygen atoms.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 이산화탄소와 사염화티탄은 분해 및 반응이 원활할 수 있도록 플라즈마 제트 노즐로부터 2 mm 이내의 위치로 주입시키는 것이 바람직하다. 만일 상기 주입 위치가 2 mm을 벗어나게 되면 플라즈마에 따른 분해 및 반응이 바람직하게 일어나지 않는 문제가 있다.In the method according to the invention, the carbon dioxide and titanium tetrachloride are preferably injected to a position within 2 mm from the plasma jet nozzle to facilitate decomposition and reaction. If the injection position is out of 2 mm there is a problem that decomposition and reaction according to the plasma does not occur preferably.

다음으로 단계 2는 상기 열플라즈마 제트장치 내에서 이산화탄소 및 사염화티탄을 분해하여 반응시키는 단계이다.Next, step 2 is a step of decomposing and reacting carbon dioxide and titanium tetrachloride in the thermal plasma jet apparatus.

상기 단계에서 사용되는 열원은 직류 열플라즈마 제트장치에 의한 열플라즈마이다. 열플라즈마(thermal plasma)는 직류 아크나 고주파 유도결합 방전을 이용하는 플라즈마 토치에서 발생시킨 전자, 이온, 원자와 분자로 구성된 이온화 기체로, 수천에서 수만 K에 이르는 초고온과 높은 열용량을 가진 고속 제트 불꽃 형태 를 띠고 있어서 고체, 액체, 기체와는 전혀 다른 극한적인 물리화학적 특성을 갖는 제 4의 물질의 상태이다. The heat source used in this step is a thermal plasma by a direct current thermal plasma jet device. Thermal plasma is an ionizing gas composed of electrons, ions, atoms and molecules generated from a plasma torch using a direct current arc or a high frequency inductively coupled discharge. It is a form of high speed jet flame with ultra high temperature and high heat capacity ranging from thousands to tens of thousands of K. It is a state of a fourth material which has extreme physicochemical properties that are completely different from solids, liquids and gases.

본 발명의 열플라즈마 제트장치에서는 열플라즈마 발생 기체로 아르곤 가스, 공기, 질소 가스를 사용할 수 있고, 특히 아르곤 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 아르곤은 8족 원소이기 때문에 비교적 적은 에너지에 의해서도 전자의 방출이 용이하며 비활성 기체로 화학반응에 거의 영향이 없으므로 열플라즈마의 발생에 가장 널리 사용된다. 열플라즈마 제트장치의 전원공급장치의 음극과 양극의 전기에너지에 의해 아크가 형성되고 열플라즈마 발생기체로 사용된 아르곤 가스에 의하여 약 10,000K의 초고온 플라즈마가 생성된다. 이러한 열플라즈마에 의하여 발생된 초고온의 온도는 열처리방식이나 연소방식에 의해 발생된 온도보다 훨씬 높다. 또한, 아르곤 가스는 다른 반응가스와 반응하지 않아 부산물을 배출하지 않는다.In the thermal plasma jet apparatus of the present invention, argon gas, air, and nitrogen gas can be used as the heat plasma generating gas, and in particular, argon gas is preferably used. Since argon is a group 8 element, it is easy to emit electrons with relatively little energy and is most widely used for generating thermal plasma because it is an inert gas and has little effect on chemical reactions. An arc is formed by the electrical energy of the cathode and anode of the power supply device of the thermal plasma jet apparatus, and an ultra high temperature plasma of about 10,000 K is generated by argon gas used as the thermal plasma generator gas. The ultra high temperature generated by the thermal plasma is much higher than the temperature generated by the heat treatment method or the combustion method. In addition, argon gas does not react with other reaction gases and does not emit by-products.

상기 단계에서는 단계 1에서 주입된 이산화탄소와 사염화티탄이 상기 열플라즈마 제트장치 내에서 발생되는 열플라즈마에 의하여 분해되어 이산화탄소는 산소와 탄소로, 사염화티탄은 염소와 티타늄으로 이온화된다. 이때, 상기 열플라즈마에 의해 분해되는 이산화탄소의 분해율을 향상시키기 위해 이산화탄소의 유량을 1~3 L/분으로 조절하는 것이 바람직하다.In this step, the carbon dioxide and titanium tetrachloride injected in step 1 are decomposed by the thermal plasma generated in the thermal plasma jet apparatus, so that carbon dioxide is ionized to oxygen and carbon, and titanium tetrachloride to chlorine and titanium. At this time, in order to improve the decomposition rate of carbon dioxide decomposed by the thermal plasma, it is preferable to adjust the flow rate of carbon dioxide to 1 ~ 3L / min.

이와같이 이온화된 산소와 티타늄은 결합하여 이산화티탄을 형성한다.Thus, ionized oxygen and titanium combine to form titanium dioxide.

다음으로 단계 3은 생성된 이산화티탄을 냉각시켜 이산화티탄 나노입자를 제조하는 단계이다.Next, step 3 is a step of preparing the titanium dioxide nanoparticles by cooling the produced titanium dioxide.

상기 단계 2에서 이산화탄소가 분해되어 생성된 산소원소는 열플라즈마에 의해 이온화된 티타늄과 결합하게 되며, 냉각관에서 냉각에 의해 이산화티탄 나노입자로 형성된다.Oxygen element generated by the decomposition of carbon dioxide in step 2 is combined with titanium ionized by thermal plasma, and formed as titanium dioxide nanoparticles by cooling in a cooling tube.

이때 냉각 공정은 형성되는 이산화티탄의 결정화에 영향을 주어 나노크기의 나노입자가 생성될 수 있게 하기 위해 취하는 공정이다. 즉, 합성된 이산화티탄을 서서히 냉각(이하 서냉이라 한다)시킬 경우에는 이산화티탄의 입자 크기가 나노 크기 이상으로 증가하게 된다. 따라서, 본 발명에서는 합성된 이산화티탄을 냉각수로 급냉(이하 수냉이라 한다)시키는 공정이 바람직하다. 이때 냉각수의 온도는 15∼25 ℃를 유지하여 기화된 이산화티탄의 온도를 급격하게 낮추는 것이 필요하다.At this time, the cooling process is a step taken in order to affect the crystallization of the titanium dioxide to be formed to produce nano-sized nanoparticles. That is, when the synthesized titanium dioxide is slowly cooled (hereinafter referred to as slow cooling), the particle size of titanium dioxide is increased to more than nano size. Therefore, in the present invention, a step of quenching the synthesized titanium dioxide with cooling water (hereinafter referred to as water cooling) is preferable. At this time, it is necessary to maintain the temperature of the cooling water at 15 to 25 ° C. to rapidly lower the temperature of the vaporized titanium dioxide.

또한, 본 발명은 상기 방법에 따라 제조된 이산화티탄을 제공한다.The present invention also provides titanium dioxide prepared according to the above method.

상기 방법에 따라 제조된 이산화티탄은 주사전자현미경으로 관찰한 결과 20~50 nm의 나노입자인 것으로 나타났으며(도 3 참조), X선 회절 분석을 통하여 측정한 결과, 대부분이 아나타제상으로 나타났다(도 4 참조).Titanium dioxide prepared according to the above method was found to be nanoparticles of 20 to 50 nm as observed by scanning electron microscope (see FIG. 3 ). As a result of measurement through X-ray diffraction analysis, most of them were found to be anatase phase. (See FIG. 4 ).

따라서, 본 발명에 따라 제조된 이산화티탄은 아나타제상으로서 광촉매적 활성이 뛰어나며, 나노크기의 입자이기 때문에 표면적이 넓어 광활성을 증가시킬 수있고, 새로운 기능으로 적용할 수 있다. 예를 들면 전기적 특성을 이용하여 도전재료나 센서재료로 응용이 가능하고, 광학적 특성을 이용하여 광흡수제나 광필터, 광촉매, 광섬유, 적외선 센서에 응용이 가능하다.Therefore, the titanium dioxide prepared according to the present invention has excellent photocatalytic activity as the anatase phase, and because it is a nano-sized particle, the surface area can be increased to increase the photoactivity, and can be applied as a new function. For example, it can be applied as a conductive material or sensor material by using electrical properties, and can be applied to light absorbers, optical filters, photocatalysts, optical fibers, and infrared sensors by using optical properties.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are illustrative of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

<< 실시예Example > > 열플라즈마를Thermal Plasma 이용한  Used 나노크기의Nanoscale 이산화티탄의 합성 Synthesis of Titanium Dioxide

도 1의 직류 열플라즈마 제트 장치를 이용하여 이산화티탄을 합성하였다.Titanium dioxide was synthesized using the direct current thermal plasma jet apparatus of FIG. 1 .

구체적으로, 상기 열플라즈마 제트 장치의 반응관에 플라즈마 제트 노즐 옆 2 mm 간격에 반응가스 주입구를 설치하고, 반응 가스로서 이산화탄소와 사염화티탄을 플라즈마 제트 발생 방향과 평행한 방향으로 주입시켰다. 이산화탄소의 유량은 질량유량제어기를 사용하여 조절하였고, 사염화티탄의 주입량을 고정하기 위해 기화된 사염화티탄의 캐리어 가스로 아르곤 가스를 사용하였다. 캐리어 가스 유량은 2 L/분으로 고정하였고, 사염화티탄의 온도를 고정하기 위해 항온조의 온도는 30 ℃로 유지하였다. 이때 직류 열플라즈마 제트 장치는 전원은 직류로 전압은 40V, 전류는 150A로 하고, 열플라즈마 발생기체로 아르곤 가스를 사용하였다.Specifically, a reaction gas inlet was installed in the reaction tube of the thermal plasma jet apparatus at a distance of 2 mm next to the plasma jet nozzle, and carbon dioxide and titanium tetrachloride were injected as a reaction gas in a direction parallel to the plasma jet generation direction. The flow rate of carbon dioxide was controlled using a mass flow controller, and argon gas was used as a carrier gas of vaporized titanium tetrachloride to fix the injection amount of titanium tetrachloride. The carrier gas flow rate was fixed at 2 L / min, and the temperature of the thermostat was maintained at 30 ° C to fix the temperature of titanium tetrachloride. In this case, the DC thermal plasma jet device used a direct current, a voltage of 40V, a current of 150A, and argon gas was used as a thermal plasma generating gas.

상기 반응관에서 토치부의 양극노즐과 음극봉 사이에 아르곤 가스를 흘려 플라즈마 제트를 발생시키고, 상기 플라즈마를 이용하여 이산화탄소와 사염화티탄을 분해시킨 후, 냉각관으로 이동시켜 냉각관 주위에 냉각수를 공급하여 급냉함으로써 나노크기의 이산화티탄을 합성하였다. 반응 후 기체는 스크러버를 지난 후 가스크로마토그래피를 거쳐 이산화탄소의 분해율을 확인하였다.In the reaction tube, argon gas is flowed between the anode nozzle and the cathode rod of the torch unit to generate a plasma jet, and the carbon dioxide and titanium tetrachloride are decomposed using the plasma, and then moved to a cooling tube to supply cooling water around the cooling tube. By quenching, nanosized titanium dioxide was synthesized. After the reaction, the gas passed through the scrubber, and then confirmed the decomposition rate of carbon dioxide through gas chromatography.

<분석><Analysis>

상기 합성된 이산화티탄 나노입자를 주사현미경을 이용하여 관찰한 후, 그 결과를 도 3에 나타내었다.After observing the synthesized titanium dioxide nanoparticles by using a scanning electron microscope, the results are shown in Fig.

도 3에 나타낸 바와 같이, 생성된 입자가 구형으로 잘 분산되어 있고, 평균 30~40 nm의 입경을 가짐을 확인하였다.As shown in FIG . 3 , it was confirmed that the produced particles were well dispersed in a spherical shape and had an average particle diameter of 30 to 40 nm.

또한, 상기 이산화티탄 나노입자를 X선 회절 분석한 후, 그 결과를 도 4에 나타내었다.Further, after the titanium dioxide nanoparticles by X-ray diffraction analysis, the results are shown in Fig.

도 4에 나타낸 바와 같이, 합성된 이산화티탄 나노입자는 대부분 아나타제상을 갖는 것을 확인하였다.As shown in FIG . 4 , it was confirmed that the synthesized titanium dioxide nanoparticles mostly had an anatase phase.

나아가, 상기 이산화티탄 나노입자를 BET법에 의해 비표면적을 측정하였다.Furthermore, the specific surface area of the titanium dioxide nanoparticles was measured by the BET method.

측정 결과, 합성된 이산화티탄 나노입자의 비표면적은 78~81 m2/g으로 나타났다. 이로부터 본 발명에 따라 제조된 이산화티탄 나노입자는 큰 비표면적을 가짐으로써 촉매적 특성으로 볼 때 높은 효율성을 가질 수 있음을 알 수 있다.As a result, the specific surface area of the synthesized titanium dioxide nanoparticles ranged from 78 to 81 m 2 / g. From this, it can be seen that the titanium dioxide nanoparticles prepared according to the present invention can have high efficiency in view of catalytic properties by having a large specific surface area.

<< 실험예Experimental Example > 이산화탄소의 유량에 따른 이산화탄소의 분해율 측정> Decomposition rate of carbon dioxide according to the flow rate of carbon dioxide

이산화탄소의 유량을 1~4 L/분으로 변화시키면서 이산화티탄 나노입자 합성 후, 배출된 가스를 통하여 가스크로마토그래피를 이용하여 이산화탄소의 분해율을 측정하였다.After the synthesis of titanium dioxide nanoparticles while changing the flow rate of carbon dioxide to 1 ~ 4L / min, the decomposition rate of carbon dioxide was measured using gas chromatography through the discharged gas.

또한, 반응가스로 이산화탄소만 주입한 것과 이산화탄소와 사염화티탄을 함께 주입하였을 때의 이산화탄소의 분해율도 측정하였다.In addition, the decomposition rate of carbon dioxide when only carbon dioxide was injected into the reaction gas and carbon dioxide and titanium tetrachloride were also measured.

측정 결과를 도 2 및 표 1에 나타내었다.The measurement results are shown in FIG. 2 and Table 1.

이산화탄소의
유량 (L/분)
Carbon dioxide
Flow rate (L / min)
이산화탄소의 분해율 (%)CO2 decomposition rate (%)
이산화탄소carbon dioxide 이산화탄소+사염화티탄Carbon dioxide + titanium tetrachloride 1One 9090 9595 22 8181 8787 33 7676 8484 44 6767 7272

도 2 및 표 1에 나타낸 바와 같이, 이산화탄소의 유량이 증가할수록 분해율이 감소하는 것을 알 수 있으며, 이산화탄소만 주입할 경우보다 이산화탄소와 사염화티탄을 함께 주입할 때 이산화탄소의 분해율이 5.5~9% 정도 증가하는 것을 알 수 있다.As shown in FIG . 2 and Table 1, it can be seen that the decomposition rate decreases as the flow rate of carbon dioxide increases, and when the carbon dioxide and titanium tetrachloride are injected together, the decomposition rate of carbon dioxide increases by 5.5 to 9%. I can see that.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이산화티탄의 제조에 사용되는 장치를 나타내는 사시도이다. 1 is a perspective view showing an apparatus used for the production of titanium dioxide according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 열플라즈마를 이용한 이산화탄소의 유량에 따른 이산화탄소의 분해율을 도시한 그래프이다. 2 is a graph showing the decomposition rate of carbon dioxide according to the flow rate of carbon dioxide using the thermal plasma according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 합성된 이산화티탄 나노입자의 주사현미경사진이다. Figure 3 is a scanning micrograph of the titanium dioxide nanoparticles synthesized in accordance with an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 합성된 이산화티탄 나노입자의 X선 회절 분석 그래프이다. 4 is an X-ray diffraction graph of titanium dioxide nanoparticles synthesized according to an embodiment of the present invention.

<도면 부호에 대한 간단한 설명><Short description of drawing symbols>

1: 토치부 2: 반응관1: torch part 2: reaction tube

3: 냉각관 4: 배기부3: cooling tube 4: exhaust

5: 전원공급장치 41: 스크러버5: power supply 41: scrubber

42: 가스크로마토그래피 43: 아스피레이터42: gas chromatography 43: aspirator

Claims (9)

반응가스로서의 이산화탄소와 기화된 사염화티탄을 열플라즈마 제트장치의 반응관(reaction tube)에 주입하는 단계(단계 1); Injecting carbon dioxide and vaporized titanium tetrachloride as a reaction gas into a reaction tube of a thermal plasma jet apparatus (step 1); 주입된 이산화탄소를 아르곤 가스를 이용하여 발생시킨 열플라즈마 제트로 분해시켜 캐리어 가스에 의해 운반된 사염화티탄과 반응시키는 단계(단계 2); 및 Decomposing the injected carbon dioxide into a thermal plasma jet generated using argon gas to react with titanium tetrachloride carried by the carrier gas (step 2); And 생성된 이산화티탄을 냉각시켜 이산화티탄 나노입자를 제조하는 단계(단계 3)를 포함하는 열플라즈마를 이용한 이산화티탄 나노입자의 제조방법.Method for producing titanium dioxide nanoparticles using thermal plasma comprising the step (step 3) of cooling the produced titanium dioxide nanoparticles. 제1항에 있어서, 상기 이산화탄소와 사염화티탄을 플라즈마 제트 발생 방향과 평행한 방향으로 플라즈마 제트 노즐로부터 2 mm 이내의 위치로 주입시키는 것을 특징으로 하는 열플라즈마를 이용한 이산화티탄 나노입자의 제조방법.The method of claim 1, wherein the carbon dioxide and titanium tetrachloride are injected to a position within 2 mm from the plasma jet nozzle in a direction parallel to the plasma jet generation direction. 제1항에 있어서, 상기 사염화티탄의 주입량을 일정하게 유지하기 위해 캐리어 가스로서 아르곤 가스를 사용하고, 항온조의 온도를 30~35 ℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 열플라즈마를 이용한 이산화티탄 나노입자의 제조방법.The method of claim 1, wherein argon gas is used as a carrier gas to maintain a constant injection amount of titanium tetrachloride, and the temperature of the thermostat is maintained at 30 to 35 ° C. of the titanium dioxide nanoparticles using thermal plasma. Manufacturing method. 제1항에 있어서, 상기 단계 3의 냉각은 15∼25 ℃의 냉각수로 급냉시키는 수냉 방식을 사용하는 것을 특징으로 하는 열플라즈마를 이용한 이산화티탄의 나노입자의 제조방법.The method of claim 1, wherein the cooling of the step 3 is a method of producing nanoparticles of titanium dioxide using thermal plasma, characterized in that using a water cooling method of quenching with cooling water of 15 to 25 ℃. 제1항에 있어서, 상기 제조방법은 열플라즈마에 의해 분해되는 이산화탄소의 분해율을 향상시키기 위해 이산화탄소의 유량을 1~3 L/분의 범위로 조절하는 것을 특징으로 하는 열플라즈마를 이용한 이산화티탄 나노입자의 제조방법.The method of claim 1, wherein the production method of titanium dioxide nanoparticles using thermal plasma, characterized in that for adjusting the flow rate of carbon dioxide in the range of 1 ~ 3L / min to improve the decomposition rate of carbon dioxide decomposed by thermal plasma Manufacturing method. 제1항의 방법으로 제조된 이산화티탄 나노입자.Titanium dioxide nanoparticles prepared by the method of claim 1. 제6항에 있어서, 상기 이산화티탄 나노입자의 평균 입경은 20~50 nm인 것을 특징으로 하는 이산화티탄 나노입자.The titanium dioxide nanoparticles of claim 6, wherein the titanium dioxide nanoparticles have an average particle diameter of 20 to 50 nm. 제6항에 있어서, 상기 이산화티탄 나노입자는 아나타제상을 갖는 것을 특징으로 하는 이산화티탄 나노입자.The titanium dioxide nanoparticles according to claim 6, wherein the titanium dioxide nanoparticles have an anatase phase. 제6항에 있어서, 상기 이산화티탄 나노입자는 78~81 m2/g의 큰 비표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 이산화티탄 나노입자.The titanium dioxide nanoparticles according to claim 6, wherein the titanium dioxide nanoparticles have a large specific surface area of 78 to 81 m 2 / g.
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