KR101125661B1 - 수소 발생용 다공질 구조의 펠릿형 광촉매 제조방법 및 그에 의해 제조된 다공질 구조의 펠릿형 광촉매 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양광을 이용한 촉매 반응으로 물에서 수소를 발생시키는 다공질 구조의 펠릿형 광촉매 제조방법 및 그 광촉매에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)을 볼 형태의 구조물로 성형하는 1단계와; 상기 볼 구조물 외표면에 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 광촉매, 조촉매 분말을 혼합한 광촉매 재료 및 상기 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al이나 Zn 분말을 혼합하여 일정 두께층으로 성형하는 2단계와; 진공 상태에서 150℃~250℃로 1차 소성시켜 폴리에틸렌을 녹여 제거하면서 외표면으로 다공질 구조를 갖는 펠릿을 형성하는 3단계 및; 진공 상태에서 350℃~750℃로 2차 소성시켜 폴리에틸렌 잔량을 녹여 제거함과 동시에 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al이나 Zn 분말이 용융되면서 다공질 구조의 펠릿과 결합하는 4단계에 의한 제조방법으로, 내부가 중공이고 다공질 구조를 갖는 펠릿 형태의 광촉매를 제공하므로서, 종래 광촉매를 분말이나 작은 알갱이 형태로 사용한 것에 비해 광촉매 재료의 손실 방지 및 절감 사용함은 물론 기술 Parameter 제어가 용이하게 제공되고, 뿐만 아니라 다공질 구조의 펠릿 형태로 태양광 및 물과의 접촉면 증대 및 유동성 증대로 경제적이면서 수소 발생 효율을 극대화하도록 제공하는데 그 특징이 있다.
수소 발생, 광촉매, 태양광, 펠릿형, 다공질, 소성가공
Description
본 발명은 태양광을 이용한 촉매 반응으로 물에서 수소를 발생시키는 광촉매를 내부가 중공을 이루는 다공질 구조의 펠릿 형태로 제공하므로 광촉매 재료의 손실 방지 및 절감, 기술 Parameter 제어의 용이는 물론 태양광 및 물과의 접촉면 증대 및 유동성 증대로 경제적이면서 수소 발생 효율을 극대화하는 수소 발생용 다공질 구조의 펠릿형 광촉매 제조방법 및 그에 의해 제조된 다공질 구조의 펠릿형 광촉매에 관한 것이다.
일반적으로 태양광을 이용하여 광촉매에 의한 촉매 반응으로 물에서 수소를 발생시키는 기술이 여러 형태로 알려진 바 있다.
특히, 희토류 스칸듐(Sc), 이트륨(Y)과 란타넘(La)족 원소 화합물을 광촉매재료로 사용하여 Na2S수용액의 광분해 반응으로부터 수소를 발생시키거나, Niobium과 알카리토류(Alkaline earth metal) 금속의 복합 산화물을 광촉매 재료로 사용하 여 메탄올 수용액의 광분해 반응으로부터 수소를 발생시키거나, 황화카드뮴 CdS계, 황화아연(ZnS)계, Silicon계 등을 광촉매 재료로 하여 Na2S SO32-수용액의 광분해 반응으로 수소를 발생시키는 등 다양하게 제공되었다.
또한 상기 광촉매와 조촉매의 종류 및 비율, 수용액 성분에 따라 수소 발생 량을 증가시키기 위한 방법 등을 다양하게 연구되었다.
이와 같은 종래의 광촉매는 주로 분말이나 작은 알갱이 형태로 제공되기 때문에 수소발생설비에 물과 혼합 상태로 투입하여 교반하는 방식으로 사용하는 과정에서 상기 물 입자보다 무거운 광촉매는 아래로 가라앉게 되고, 이 상태로 사용된 물을 배출하면서 새로운 물을 계속 공급 사용하기 때문에 물과 함께 광촉매의 작은 분말 일부가 배출되므로 고가의 광촉매 손실로 인한 경제성 저하의 문제점이 있었다.
특히, 상기와 같이 광촉매의 작은 분말 일부가 배출됨에 따라 그 배출된 광촉매의 비율 등을 조절하는 기술의 Parameter 제어가 어렵고, 이로인해 지속적이고 안정적인 수소 발생이 곤란하게 되는 문제점이 있었다.
또한, 상기와 같이 종래의 광촉매는 태양광 및 물과의 접촉력이 떨어지고, 물속에서 유동성이 떨어지면서 촉매 반응이 약하게 진행되어 수소 발생 효율이 저하되는 문제점이 있었다.
그 밖에 상기와 같이 종래의 광촉매는 분말이나 작은 알갱이 형태로 사용하기 때문에 광촉매의 취급, 특히 사용후 광촉매를 분리 수거하는 등의 작업이 불편하고, 이로 인한 고가의 광촉매 손실, 광촉매 배출로 인한 환경 오염 등의 여러 문 제점이 있었다.
본 발명은 상기한 종래 기술이 갖는 제반 문제점을 해결하고자 발명된 것으로서, 태양광을 이용한 촉매 반응으로 물에서 수소를 발생시키는 광촉매를 내부가 중공을 이루는 다공질 구조의 펠릿 형태로 제공하므로 종래와 달리 광촉매 재료의 손실 방지 및 절감, 기술 Parameter 제어의 용이는 물론 태양광 및 물과의 접촉면 증대 및 유동성 증대로 경제적이면서 수소 발생 효율을 극대화하는데 그 목적이 있다.
이러한 본 발명은,
고밀도 폴리에틸렌(HDPE)을 볼 형태의 구조물로 성형하는 1단계와; 상기 볼 구조물 외표면에 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 광촉매, 조촉매 분말을 혼합한 광촉매 재료 및 상기 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al이나 Zn 분말을 혼합하여 일정 두께층으로 성형하는 2단계와; 진공 상태에서 150℃~250℃로 1차 소성시켜 폴리에틸렌을 녹여 제거하면서 외표면으로 다공질 구조를 갖는 펠릿을 형성하는 3단계 및; 진공 상태에서 350℃~750℃로 2차 소성시켜 폴리에틸렌 잔량을 녹여 제거함과 동시에 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al이나 Zn 분말이 용융되면서 다공질 구조의 펠릿과 결합하는 4단계에 의해 제조하는 다공질 구조의 펠릿형 광촉매 제조방법을 제공함에 그 특징이 있다.
본 발명은 상기 2단계에서 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과, 광촉매, 조촉매 분말 을 혼합한 광촉매 재료 및 상기 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al이나 Zn 분말은 40~55wt%, 50~40wt%, 10~5wt%를 혼합 성형하는 다공질 구조의 펠릿형 광촉매 제조방법을 제공함에 그 특징이 있다.
본 발명은 상기 융점이 낮은 Al이나 Zn 분말을 4단계 2차 소성과정에서 350℃~750℃ 사이에서 녹아지도록 형성하는 다공질 구조의 펠릿형 광촉매 제조방법을 제공함에 그 특징이 있다.
본 발명은 상기 4단계에 의해 다공질 구조의 펠릿을 제조한 후, 상기 다공질 구조의 펠릿을 1차 유기용제(솔벤트), 2차 정제수에서 얇은 피막형태로 남아 있는 폴리에틸렌을 초음파 세척으로 제거하고, 건조부스 내부에서 초음파를 넣어 질소기류가 다공질 구조의 펠릿 내부까지 통과되면서 건조하는 세척/건조 과정의 후처리 단계를 더 행하는 다공질 구조의 펠릿형 광촉매 제조방법을 제공함에 그 특징이 있다.
본 발명은 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 성형된 볼 구조물 외부로 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 광촉매, 조촉매가 혼합된 광촉매 재료 및 상기 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al이나 Zn 분말을 40~55wt%, 50~40wt%, 10~5wt%로 혼합하여 일정 두께로 성형한 후, 진공 상태에서 150℃~250℃의 열로 1차 소성시키고 다시 350℃~750℃로 2차 소성시켜면서 폴리에틸렌을 녹여 제거하여 내부가 중공이고 다공질 구조를 갖는 펠릿 형태로 형성하는 다공질 구조의 펠릿형 광촉매를 제공함에 그 특징이 있다.
이러한 본 발명은 광촉매를 종래와 같이 분말이나 작은 알갱이 형태로 사용하는 것이 아니라, 볼 형태의 구조물 외표면에 폴리에틸렌과 광촉매 재료, 상기 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al이나 Zn 분말을 일정 두께로 혼합 성형하여 1,2차 소성과정을 거치는 것에 의해 내부가 중공을 이루고 외표면이 다공질 구조를 갖는 펠릿 형태로 제공하므로 종래 분말이나 작은 알갱이 형태로 사용함에 따라 광촉매 재료의 손실 방지 및 절감 사용함은 물론 기술 Parameter 제어가 용이하게 제공되고, 뿐만 아니라 다공질 구조의 펠릿 형태로 태양광 및 물과의 접촉면 증대 및 유동성 증대로 경제적이면서 수소 발생 효율을 극대화하여 제공하는 효과를 갖는 것이다.
본 발명은 광촉매 재료를 절감하면서 태양광의 접촉면 증대, 물과의 접촉면 증대 및 유동성 증대로 경제적이면서 수소 발생 효율을 극대화하는 수소 발생용 광촉매를 제공하고자 하는 것이다.
먼저, 본 발명의 제조방법에 대해 첨부도면 도 1 내지 도 4을 참조하여 살펴보기로 한다.
고밀도 폴리에틸렌(HDPE)을 볼 형태의 구조물(10)로 성형하는 1단계와,
상기 볼 구조물 외표면에 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 광촉매, 조촉매 분말을 혼합한 광촉매 재료 및 상기 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al이나 Zn 분말을 혼합하여 일정 두께층(20)으로 성형하는 2단계와,
진공 상태에서 150℃~250℃로 1차 소성시켜 폴리에틸렌을 녹여 제거하면서 외표면으로 다공질 구조를 갖는 펠릿(30)을 형성하는 3단계 및, 진공 상태에서 350℃~750℃로 2차 소성시켜 폴리에틸렌 잔량을 녹여 제거함과 동시에 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al이나 Zn 분말이 용융되면서 다공질 구조의 펠릿(30)과 결합하는 4단계에 의해 다공질 구조의 펠릿형 광촉매를 제조하게 되는 것이다.
상기 1단계에서 성형되는 볼 구조물(10)은 다공질 구조의 펠릿 내부 공간부 사이즈로 형성하되, 상기 볼 구조물에 의해 1차 소성시 다공질 구조의 펠릿을 형성하면서 그 불량을 방지하고, 광촉매 재료를 현저히 절감할 수 있게 되는 것이다.
그리고 상기 볼 구조물(10)에는 고정핀(15)을 관통 삽입하여 성형하므로 상기 볼 구조물을 2단계에서 금형(100)의 성형부(110)에 일정 간극(다공질 구조의 펠릿 두께를 결정하게 됨)을 형성하도록 장착하므로 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 광촉매 재료, 상기 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al이나 Zn 분말을 혼합하여 일정 두께층(20)으로 성형이 용이하게 제공되는 것이다.
상기 2단계에서 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 광촉매, 조촉매 분말의 광촉매 재료 및 상기 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al이나 Zn 분말은 40~55wt%, 50~40wt%, 10~5wt%로 혼합 성형함이 바람직하다.
이때, 상기 저밀도 폴리에틸렌을 40wt% 미만으로 형성하는 경우 다공질 구조가 효과적으로 형성되지 못하고 55wt% 초과로 형성하는 경우에 다공질 구조의 펠릿이 너무 엉성하게 형성되는 문제점이 있고, 상기 광촉매 재료를 40wt% 미만으로 형성하는 경우 수소 발생 효율이 너무 떨어지고 50wt% 초과하는 경우에 저밀도 폴리에틸렌의 비율이 적어 다공질 구조가 효과적으로 형성되지 못하고 이로 인해 광촉매 재료의 효율이 오히려 떨어지는 문제점이 있으며, 상기 Al이나 Zn 분말을 5wt% 미만으로 형성하는 경우에 2차 소성후 에서 다공질 펠릿을 견고하게 제공하지 못하고, 10wt% 초과로 형성하는 경우에 광촉매 재료를 감싸 오히려 수소 발생 효율이 저하되는 문제점이 있기 때문에 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 광촉매 재료 및 상기 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al이나 Zn 분말은 40~55wt%, 50~40wt%, 10~5wt%를 혼합 성형함이 바람직하다.
또한, 상기 광촉매는 희토류 스칸듐(Sc), 이트륨(Y)과 란타넘 (La)족 원소 화합물 등을 광촉매로 사용하거나 Niobium 과 알카리토류(Alkaline earth metal) 금속의 복합 산화물 등을 사용할 수 있다.
상기 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al이나 Zn 분말은 상기 Al이 650℃정도, Zn이 410℃정도에서 녹아지게 된다.
상기 1차 소성과정은 150℃미만으로 행하면 폴리에틸렌을 녹여 제거하여 외표면으로 다공질 구조를 형성함이 원활하지 못하고, 250℃ 초과로 행하면 폴리에틸렌과 함께 그 밖에 Al이나 Zn 분말이 용융 분리될 우려가 있어 150℃~250℃으로 행함이 바람직하고, 상기 2차 소성과정은 350℃미만으로 행하면 Al이나 Zn 분말의 용융이 곤란하고, 750℃초과로 행하면 Al이나 Zn 분말이 너무 과하게 용융되어 오히려 촉매를 감싸도록 결합되어 촉매 반응을 저해하게 되므로 350℃~750℃로 행함이 Al이나 Zn 분말이 완전 용융되어 촉매를 감싸므로 촉매 반응을 저해하지 않으면서 다공질 구조의 펠릿이 부서지지 않도록 보강하는 결합을 행하기에 바람직하다.
그리고 상기와 같이 다공질 구조의 펠릿을 제조한 후에는 세척/건조 과정의 후처리 단계를 추가로 행하되, 1차 유기용제(솔벤트), 2차 정제수에서 얇은 피막형태로 남아 있는 폴리에틸렌을 초음파 세척으로 제거한 후, 건조부스 내부에서 초음파를 넣어 질소기류가 다공질 구조의 펠릿 내부까지 통과되면서 건조하도록 행하게 되는 것이다.
특히 상기 건조과정에서는 열풍 히터를 통하여 온도 150℃~250℃를 유지하며 55kHz의 초음파를 넣고 질소 기류를 형성한 후, 진공Pump와 배출 Valve를 이용하여 본체 내부 기압을 0.1Torr - 0.5Torr유지 시키므로 와류 현상을 유발하여 건조 기류가 다공질 구조의 펠릿 내부까지 통과되면서 건조하게 되는 것이다.
이러한 본 발명의 제조방법은 금형에 의해 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 고압 Injection 성형하여 고정핀(15)을 삽입한 형태의 볼 구조물(10)을 성형한 후, 상기 볼 구조물을 다시 금형에 의해 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 광촉매, 조촉매가 혼합된 광촉매 재료 및 상기 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al이나 Zn 분말을 혼합하여 일정 두께로 성형하여 완성한다. 그리고 상기 성형물을 진공 상태에서 150℃~250℃의 열로 1차 소성시켜 폴리에틸렌을 녹여 제거하면서 외표면으로 다공질 구조를 갖는 펠릿을 형성하고, 이를 다시 진공 상태에서 350℃~750℃로 2차 소성시켜 폴리에틸렌 잔량을 녹여 제거함과 동시에 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al이나 Zn 분말이 용융되면서 다공질 구조의 펠릿과 결합한 후, 다공질 구조의 펠릿을 세척하고 건조시키는 방법에 의해 다공질 구조의 펠릿형 광촉매를 제조하게 되는 것이다.
이러한 본 발명에 의해 제조된 다공질 구조의 펠릿형 광촉매(30')는 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)의 볼 구조물(10) 외부로 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 광촉매, 조촉매가 혼합된 광촉매 재료 및 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al이나 Zn 분말을 40~55wt%, 50~40wt%, 10~5wt%로 혼합하여 일정 두께층(20)으로 성형한 후, 진공 상태에서 150℃~250℃의 열로 1차 소성시키고 다시 350℃~750℃로 2차 소성시키면서 폴리에틸렌을 녹여 제거하여 내부가 중공(32)이고 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al이나 Zn 분말이 용융되어 결합된 다공질 구조를 갖는 펠릿(30) 형태로 형성하여 이루어진다.
이때, 상기 Al이나 Zn 분말은 촉매를 감싸므로 촉매 반응을 저해하지 않으면서 다공질 구조의 펠릿이 부서지지 않도록 결합하게 구성된다.
이러한 본 발명 다공질 구조의 펠릿형 광촉매는 수소발생설비에 물과 혼합 상태로 투입하여 교반하면서 태양광에 의한 촉매 반응으로 산소를 발생하게 되는데, 사용된 물을 배출하면서 새로운 물을 계속 공급하며 사용하는 과정중에 종래 분말이나 작은 알갱이 형태의 광촉매와 같이 일부가 배출되는 고가의 광촉매 손실을 방지하고, 광촉매의 비율 등을 조절하는 기술의 Parameter 제어가 용이하고, 이로인해 지속적이고 안정적인 수소 발생이 가능하게 되는 것이다.
또한, 본 발명 다공질 구조의 펠릿형 광촉매는 내부가 중공부를 고가의 광촉매 재료를 절감하면서 외표면으로 다공질 구조를 갖기 때문에 태양광 및 물과의 접촉력이 증대됨은 물론 물속에서 유동성이 뛰어나 촉매 반응이 활발히 진행되어 수소 발생 효율이 극대화하게 되는 것이다.
그 밖에 본 발명 다공질 구조의 펠릿형 광촉매는 종래 분말이나 작은 알갱이 형태의 광촉매와 다르게 취급이나 사용후 광촉매를 분리 수거하는 등의 작업이 편리하게 제공되는 등의 잇점을 갖는 것이다.
한편, 본 발명 제조방법의 다른 실시 예로서, 도 5에서와 같이 다공질 구조의 펠릿 내부가 중공을 형성하지 않는 행태로 제조하게 되는바, 이는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 광촉매, 조촉매가 혼합된 광촉매 재료 및 상기 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al, Zn과 같은 Al이나 Zn 분말을 40~55wt%, 50~40wt%, 10~5wt%로 혼합하여 볼 형태로 성형한 후, 진공 상태에서 150℃~250℃의 열로 1차 소성시켜 폴리에틸렌을 녹여 제거하면서 외표면으로 다공질 구조를 갖는 펠릿을 형성하고, 다시 진공 상태에서 350℃~750℃로 2차 소성시켜 폴리에틸렌 잔량을 녹여 제거함과 동시에 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al이나 Zn 분말이 용융되면서 다공질 구조의 펠릿과 결합하여 내부가 중공을 형성하지 않는 다공질 구조의 펠릿형 광촉매를 제조하게 되는 것이다.
그 밖에 제조 과정은 전술한 제조방법과 동일하게 적용된다.
이와 같은 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 내부가 중공을 형성하지 않는 다공질 구조의 펠릿형 광촉매(30'-1)는 도 5에서와 같이 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 광촉매, 조촉매가 혼합된 광촉매 재료 및 상기 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al, Zn과 같은 Al이나 Zn 분말을 40~55wt%, 50~40wt%, 10~5wt%로 혼합하여 볼 형태의 성형물(20-1)로 성형한 후, 진공 상태에서 150℃~250℃의 열로 1차 소성시키고 다시 350℃~750℃로 2차 소성시키면서 폴리에틸렌을 녹여 제거하고 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al이나 Zn 분말이 용융되어 결합된 내부가 중공을 형성하지 않는 다공질 구조를 갖는 펠릿(30-1) 형태로 형성하여 이루어진다.
이와 같은 본 발명의 실시 예는 전술한 바람직한 실시 예와 비교하여 볼때 내부가 중공을 형성하지 않으므로 인해 고가의 광촉매 재료가 많이 소요되는 단점을 갖게 되나, 그 밖에 다공질 구조를 갖기 때문에 태양광 및 물과의 접촉력이 증대됨은 물론 물속에서 유동성이 뛰어나 촉매 반응이 활발히 진행되어 수소 발생 효율이 극대화 함은 물론 종래 분말이나 작은 알갱이 형태의 광촉매와 다르게 취급이나 사용후 광촉매를 분리 수거하는 등의 작업이 편리하게 제공되는 등의 잇점을 동일하게 갖는 것이다.
[실험 예 1]
광촉매 재료로 CdCl2 광촉매 분말과 AlCl3 조촉매 분말을 혼합 채택하였다.
먼저 광촉매 재료를 직경 30mm 규격으로 제조하기 위해 촉매의 내부 공간과 같은 볼 구조물에 고정핀을 삽입하여 다공질 구조의 펠릿 보다 10mm 작은 20mm규격으로 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 고압 Injection 으로 볼 구조물을 성형한 후,
상기 광촉매 재료 40%와 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al 분말을 6%, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 54%를 교반기에 넣어 혼합하여 볼 구조물 외부에 고압 고압 Injection 으로 일정 두께층을 갖도록 성형하여 직경 30mm로 제작한다.
그리고 진공상태에서 180℃의 열로 소성함으로서 폴리에틸렌(PE)은 녹여 외표면이 다공질을 갖는 펠릿을 제조한 후, 2차 진공상태에서 650℃의 열로 소성함으로써 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al 분말이 용융되어 펠릿에 결합되어 다공질 구조의 펠릿형 광촉매를 제조하였다.
그리고 상기와 같이 제조된 다공질 구조의 펠릿형 광촉매는 표면에 미세하게 남아 있는 폴리에틸렌을 유기용제 (솔벤트)에 넣고 초음파 세척후 다시 정제수에 넣고 초음파 세척한 후 질소기류에서 진공 건조하여 다공질 구조의 펠릿형 광촉매 제조를 완료하였다.
이와 같이 제조된 다공질 구조의 펠릿형 광촉매를 태양광과 접촉하는 반응기에 촉진제 Na2S농도 0.35mol SO32- 농도0.35mol을 수용액 1000cc에 넣고 매10시간 간격으로 Na2S농도 0.35mol SO32- 농도0.35mol인 수용액을 반복하여 투입하여 30mm 다공질 구조의 펠릿형 광촉매에서 수소발생량이 240(ml/hr)이 되었으며 상기와 같은 방법으로 300시간을 반복하여 시험하였는데 수소 발생량의 차이가 없었습니다.
[실험 예 2]
광촉매 재료로 AlCl3 광촉매 분말과 CuSO4 조촉매 분말을 혼합 채택하였다.
먼저 광촉매 재료를 직경 30mm 규격으로 제조하기 위해 촉매의 내부 공간과 같은 볼 구조물에 고정핀을 삽입하여 다공질 구조의 펠릿 보다 10mm 작은 20mm규격으로 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 고압 Injection 으로 볼 구조물을 성형한 후,
상기 광촉매 재료 45%와 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al 분말을 5%, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 50%를 교반기에 넣어 혼합하여 볼 구조물 외부에 고압 고압 Injection 으로 일정 두께층을 갖도록 성형하여 직경 30mm로 제작한다.
그리고 실험 예1과 동일하게 진공상태에서 180℃의 열로 소성함으로서 폴리에틸렌(PE)은 녹여 외표면이 다공질을 갖는 펠릿을 제조한 후, 2차 진공상태에서 650℃의 열로 소성함으로써 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al 분말이 용융되어 펠릿에 결합되어 다공질 구조의 펠릿형 광촉매를 제조하고, 표면에 미세하게 남아 있는 폴리에틸렌을 유기용제 (솔벤트)에 넣고 초음파 세척후 다시 정제수에 넣고 초음파 세척한 후 질소기류에서 진공 건조하여 다공질 구조의 펠릿형 광촉매 제조를 완료하였다.
이와 같이 제조된 다공질 구조의 펠릿형 광촉매를 태양광과 접촉하는 반응기에 촉진제를 Na2SO3 농도0.35mol와, NaH2PO2농도 0.35mol을 수용액1000cc에 넣고 매20시간 간격으로 동일한 수용액을 반복하여 투입하였는데 수소 발생량이 230(ml/hr)이 되었으며 상기와 같은 방법으로 300시간을 반복하여 시험하였는데 수소발 생량의 차이가 없었습니다.
[실험 예 3]
광촉매 재료로 BaCl2 광촉매 분말과 Cr(NO3)3 조촉매 분말을 혼합 채택하였다.
먼저 광촉매 재료를 직경 30mm 규격으로 제조하기 위해 촉매의 내부 공간과 같은 볼 구조물에 고정핀을 삽입하여 다공질 구조의 펠릿 보다 10mm 작은 20mm규격으로 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 고압 Injection 으로 볼 구조물을 성형한 후,
먼저 광촉매 재료 45%와 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Zn 분말을 10%, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 45%를 교반기에 넣어 혼합하여 내부에 공간을 형성하지 않는 볼 형태로 직경 30mm 규격으로 제조하였다.
그리고 진공상태에서 180℃의 열로 소성함으로서 폴리에틸렌(PE)은 녹여 외표면이 다공질을 갖는 펠릿을 제조한 후, 2차 진공상태에서 410℃의 열로 소성함으로써 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Zn 분말이 용융되어 펠릿에 결합되어 내부에 공간을 형성하지 않는 다공질 구조의 펠릿형 광촉매를 제조하였다.
이와 같이 제조된 다공질 구조의 펠릿형 광촉매를 태양광과 접촉하는 반응기에 촉진제를 Na2SO3 농도0.35mol 와, NaH2PO2농도 0.35mol을 수용액 1000cc에 넣고 매10시간 간격으로 동일한 수용액을 반복하여 투입하였는데 초기 수소발생량이 340(ml/hr)이 되었으나 상기와 같은 방법으로 300시간을 반복하여 시험한 바 200시간 이후에는 310(ml/hr)으로 시간이 경과 될수록 수소 발생량이 일부 저감되는 것을 알 수 있습니다.
상기와 같은 실험 예 1,2,3에서와 같이 광촉매 재료를 다공질 구조의 펠릿 형 광촉매로 제공하여도 수소 발생이 효과적으로 제공됨을 알 수 있었다. 오히려 종래 분말이나 작은 알갱이 형태에 비해 태양광 및 물 접촉부위가 많고, 유동이 좋아 더 효율적으로 수소 발생을 이루게 됨을 알 수 있는 것이다.
또한, 상기 실험 예 1,2,3에서와 같이 다공질 구조의 펠릿형 광촉매는 내부에 중공부를 형성하거나 하지 않거나 수소를 발생하는 기능상의 큰 차이를 없으나, 내부에 중공부를 형성하는 것은 중공부를 형성하지 않는 형태에 비해 재료를 최대 절감하면서 시간이 경과하더라도 더 안정적이고 일정한 수소 발생을 이루게 됨을 알 수 있는 것이다.
도 1은 본 발명의 제조 공정을 개략적으로 보여주는 순서도.
도 2는 본 발명의 제조 공정을 개략적으로 보여주는 공정도.
도 3은 본 발명의 제조 과정중에 사용되는 금형의 일례를 보여주는 평면도.
도 4는 본 발명 다공질 구조의 펠릿형 광촉매 표면을 절단하여 확대 촬영한 참고 사진.
도 5는 본 발명 제조 공정의 다른 실시 예를 개략적으로 보여주는 공정도.
**도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명**
10: 볼 구조물
15: 고정핀
30,30-1: 다공질 구조의 펠릿
32: 펠릿의 내부 중공
100: 금형
110: 성형부
Claims (7)
- 태양광을 이용한 촉매 반응으로 물에서 수소를 발생시키는 광촉매를 제조함에 있어서,고밀도 폴리에틸렌(HDPE)을 볼 형태의 구조물로 성형하는 1단계와,상기 볼 구조물 외표면에 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 광촉매, 조촉매 분말을 혼합한 광촉매 재료 및 상기 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al이나 Zn 분말을 혼합하여 일정 두께층으로 성형하는 2단계와,진공 상태에서 150℃~250℃로 1차 소성시켜 폴리에틸렌을 녹여 제거하면서 외표면으로 다공질 구조를 갖는 펠릿을 형성하는 3단계와 및, 진공 상태에서 350℃~750℃로 2차 소성시켜 폴리에틸렌 잔량을 녹여 제거함과 동시에 상기 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al이나 Zn 분말이 용융되면서 다공질 구조의 펠릿과 결합하는 4단계에 의해 제조하는 것을 특징으로 하는 수소 발생용 다공질 구조의 펠릿형 광촉매 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 2단계에서 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 광촉매, 조촉매 분말을 혼합한 광촉매 재료 및 상기 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al이나 Zn 분말은 40~55wt%, 50~40wt%, 10~5wt%를 혼합 성형한 것을 특징으로 하는 수소 발생용 다공질 구조의 펠릿형 광촉매 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al이나 Zn 분말은 4단계 2차 소성과정에서 350℃~750℃ 사이에서 녹아지도록 형성한 것을 특징으로 하는 수소 발생용 다공질 구조의 펠릿형 광촉매 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 4단계에 의해 다공질 구조의 펠릿을 제조한 후, 상기 다공질 구조의 펠릿을 1차 유기용제(솔벤트), 2차 정제수에서 얇은 피막형태로 남아 있는 폴리에틸렌을 초음파 세척으로 제거하고, 건조부스 내부에서 초음파를 넣어 질소기류가 다공질 구조의 펠릿 내부까지 통과되면서 건조하는 세척/건조 과정의 후처리 단계를 더 행하는 것을 특징으로 하는 수소 발생용 다공질 구조의 펠릿형 광촉매 제조방법.
- 태양광을 이용한 촉매 반응으로 물에서 수소를 발생시키는 광촉매를 제조함에 있어서,저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 광촉매, 조촉매가 혼합된 광촉매 재료 및 상기 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al이나 Zn 분말을 40~55wt%, 50~40wt%, 10~5wt%로 혼합하여 볼 형태로 성형한 후, 진공 상태에서 150℃~250℃의 열로 1차 소성시켜 폴리에틸렌을 녹여 제거하면서 외표면으로 다공질 구조를 갖는 펠릿을 형성하고, 다시 진공 상태에서 350℃~750℃로 2차 소성시켜 폴리에틸렌 잔량을 녹여 제거함과 동시에 상기 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al이나 Zn 분말이 용융되면서 다공질 구조의 펠릿과 결합하여 제조하는 것을 특징으로 하는 수소 발생용 다공질 구조의 펠릿형 광촉매 제조방법.
- 태양광을 이용한 촉매 반응으로 물에서 수소를 발생시키는 광촉매에 있어서,고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 성형된 볼 구조물 외부로 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 광촉매, 조촉매가 혼합된 광촉매 재료 및 상기 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al이나 Zn 분말을 40~55wt%, 50~40wt%, 10~5wt%로 혼합하여 일정 두께층으로 성형한 후, 진공 상태에서 150℃~250℃의 열로 1차 소성시키고 다시 350℃~750℃로 2차 소성시키면서 폴리에틸렌을 녹여 제거하여 내부가 중공이고 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al이나 Zn 분말이 용융되어 결합된 다공질 구조를 갖는 펠릿 형태로 형성하여 이루어진 것을 특징으로 하는 수소 발생용 다공질 구조의 펠릿형 광촉매.
- 태양광을 이용한 촉매 반응으로 물에서 수소를 발생시키는 광촉매에 있어서,저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 광촉매, 조촉매가 혼합된 광촉매 재료 및 상기 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al이나 Zn 분말을 40~55wt%, 50~40wt%, 10~5wt%로 혼합하여 볼 형태의 성형물로 성형한 후, 진공 상태에서 150℃~250℃의 열로 1차 소성시키고 다시 350℃~750℃로 2차 소성시키면서 폴리에틸렌을 녹여 제거하고 광촉매 재료 보다 융점이 낮은 Al이나 Zn 분말이 용융되어 결합되고 내부가 중공을 형성하지 않는 다공질 구조를 갖는 펠릿 형태로 형성하여 이루어진 것을 특징으로 하는 수소 발생용 다공질 구조의 펠릿형 광촉매.
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