KR102187039B1 - Method and Apparatus for Removing Air Pollutants Using Photocatalyst Based upon Stainless Steel Nanotubes - Google Patents

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Abstract

본 개시 내용에서는 다공성 표면을 갖는 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체(또는 기재)에 형성된 복수 개의 나노포어 내에 금속 나노입자를 담지 또는 부착시킨 광 촉매의 존재 하에서 대기 중 유기 오염 물질을 제거하는 기술이 기재된다. In the present disclosure, a technique for removing organic pollutants from the atmosphere in the presence of a photocatalyst in which metal nanoparticles are supported or attached in a plurality of nanopores formed on a stainless steel nanotube support (or substrate) having a porous surface is described.

Description

스테인리스 스틸 나노튜브를 기반으로 하는 광 촉매를 이용하여 대기 오염 물질을 제거하는 방법 및 장치{Method and Apparatus for Removing Air Pollutants Using Photocatalyst Based upon Stainless Steel Nanotubes}[Method and Apparatus for Removing Air Pollutants Using Photocatalyst Based upon Stainless Steel Nanotubes}

본 개시 내용은 스테인리스 스틸 나노튜브(Stainless steel nanotube, SSNT)를 기반으로 하는 광 촉매를 이용하여 대기 오염 물질을 제거하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시 내용은 다공성 표면을 갖는 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체(또는 기재)에 형성된 복수 개의 나노포어 내에 금속 나노입자를 부착 또는 담지시킨 광 촉매의 존재 하에서 대기 중 유기 오염 물질을 산화 제거하는 방법 및 장치에 관한 것이다. The present disclosure relates to a method and apparatus for removing air pollutants using a photocatalyst based on stainless steel nanotubes (SSNTs). More specifically, the present disclosure provides for oxidizing and removing organic pollutants from the atmosphere in the presence of a photocatalyst in which metal nanoparticles are attached or supported in a plurality of nanopores formed on a stainless steel nanotube support (or substrate) having a porous surface. It relates to a method and apparatus.

인간 생활에 있어서 쾌적한 환경을 요구하는 환경권의 대두 및 이를 뒷받침하고자 하는 정책 또는 제도적 규제 강화로 인하여 환경 오염에 대한 효과적인 제어가 도시화 및 산업화 사회에서 중대한 문제로 등장하고 있다. 도시화 및 산업화로 인한 대규모 공업 지역의 형성 및 대도시의 형성은 각종 대기 오염 물질, 예를 들면 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 탄화수소류(예를 들면, 단환 또는 다환 방향족 탄화수소류), 휘발성 유기 화합물(volatile organic compounds; VOCs) 등의 대기 오염 물질의 증가를 초래하고 있다. Effective control of environmental pollution has emerged as a serious problem in urbanized and industrialized societies due to the rise of environmental rights that require a pleasant environment in human life and the strengthening of policies or institutional regulations to support it. The formation of large-scale industrial areas and large cities due to urbanization and industrialization can result in various air pollutants such as nitrogen oxides (NOx), sulfur oxides (SOx), hydrocarbons (e.g., monocyclic or polycyclic aromatic hydrocarbons), It is causing an increase in air pollutants such as volatile organic compounds (VOCs).

이러한 대기 오염의 원인 물질이면서 다양한 산업 및 서비스 시설에서 발생하는 VOC는 대기 중 이동성이 강하고 악취를 유발할 뿐 아니라 마취성이 강한 것으로 알려져 있고, 신경계에 독성 물질로 작용한다. 또한, 벤젠, 방향족 유기화합물 (poly aromatic hydrocarbons, PAHs) 등의 오염 물질은 발암성을 갖고 있다. 이외에도, VOC는 성층권의 오존층을 파괴하여 지구 온난화를 가속시키는 요인으로 작용한다.VOCs, which are the causative agent of air pollution and generated in various industrial and service facilities, are known to have strong mobility in the atmosphere and cause odor, and have strong anesthetic properties, and act as toxic substances to the nervous system. In addition, pollutants such as benzene and poly aromatic hydrocarbons (PAHs) have carcinogenic properties. In addition, VOC acts as a factor that accelerates global warming by destroying the ozone layer in the stratosphere.

이처럼, VOC는 그 자체만으로도 유해할 뿐만 아니라, 대기 중에서 광화학 반응을 통하여 광화학 산화제를 생성하여 2차 오염을 일으키는 전구체로 작용함으로써 오존, 알데히드, PAN(p-oxyacethlnitrate) 등과 같은 유해 2차 대기오염 물질을 생성하기 때문에 VOCs의 제어는 대기 환경 보전에 있어서 중요한 연구 분야로 자리매김하고 있으며, 세계 각국에서는 VOC의 배출 저감을 위하여 강화된 정책적 수단을 부가하고 있다. 예를 들면, 미국 환경청(U.S. Environmental Protection Agency, EPA)은 유해 대기 오염물질로서 189개의 화합물을 지정하고 있는데, 이 중 97개가 VOC 계열이다. 이러한 대기 오염 물질은 저 농도로 존재하는 경우에도 실내에서 대부분의 시간을 생활하는 사람들에게 실내 환경에 대한 불만족 요소로 작용하며, 건강에도 직접적으로 유해한 영향을 미치게 된다. 또한, VOC를 비롯하여 각종 산업체, 하수, 농축산 폐수, 분뇨처리장 등에서 발생하는 악취 가스로 인하여 인접 지역의 민원 역시 증가하는 추세에 있다. 따라서, 대기 중 오염 물질을 제거하기 위한 다각적인 연구가 활발히 진행되고 있다.As such, VOCs are not only harmful by themselves, but also harmful secondary air pollutants such as ozone, aldehyde, and PAN (p-oxyacethlnitrate) by acting as a precursor for secondary pollution by generating a photochemical oxidant through a photochemical reaction in the atmosphere. Because of the generation of VOCs, the control of VOCs has become an important research field in the preservation of the atmosphere, and countries around the world are adding reinforced policy measures to reduce VOC emissions. For example, the U.S. Environmental Protection Agency (EPA) designates 189 compounds as hazardous air pollutants, of which 97 are in the VOC family. Even when these air pollutants are present in low concentrations, they act as a factor of dissatisfaction with the indoor environment for people who live most of the time indoors, and have a direct harmful effect on health. In addition, civil complaints in neighboring regions are also on the rise due to odor gases generated from various industries, sewage, agricultural and livestock wastewater, and manure treatment plants, including VOC. Therefore, various studies to remove pollutants from the air are actively being conducted.

현재, VOC 등의 대기 중 오염물질의 제어 기술로서 열 소각, 흡착, 촉매 연소, 바이오 필터, 흡착, 흡수 등의 다양한 방식이 개발된 바 있다. Currently, various methods such as heat incineration, adsorption, catalytic combustion, biofilter, adsorption, and absorption have been developed as technologies for controlling pollutants in the atmosphere such as VOC.

이와 관련하여, 열 소각 방식은 부하 변동이 크고 저농도이며 낮은 유량 조건 하에서는 비경제적이며 NOx 및 다이옥신(dioxin)과 같은 치명적인 유해 물질이 생성되는 문제점을 유발한다. 흡착 방식의 경우, 케톤, 알데히드, 에스테르 등이 포함될 경우에는 흡착제의 흡착능이 감소하며 흡착제의 폐기물의 생성을 증가시키게 된다. In this regard, the thermal incineration method has a large load fluctuation, is low concentration, is uneconomical under a low flow rate condition, and causes a problem in that deadly harmful substances such as NOx and dioxin are generated. In the case of the adsorption method, when ketones, aldehydes, esters, etc. are included, the adsorption capacity of the adsorbent decreases and the generation of waste products of the adsorbent increases.

촉매연소 방식은 배기가스 중에 함유된 가연성 물질을 촉매의 존재 하에서 연소시키는 방법으로서 화학적으로는 일반 연소와 같은 산화 반응인 바, 가연성 물질이 탄화수소인 경우 완전 연소시켜 무해 무취인 CO2 및 H2O로 전환시킨다. 촉매연소 방식은 VOC 등과 같은 대기 오염물질 제거에 우수한 특성을 나타내지만, 오염 성분의 종류 별로 다양한 문제점을 발생시킬 수 있다. 예를 들면, 탄화수소류의 제거 시 다른 종류의 VOC가 함유될 경우에는 처리 효율은 급격히 감소하는 경향이 있으며, 아민류에 대하여는 황에 대한 촉매의 내피독성이 낮고, N2에 대한 선택도가 낮아 NOx가 발생하는 문제점이 야기된다. 특히, 할로겐-함유 VOC의 경우에는 독성 물질인 PhClx가 생성되거나 휘발성의 CrClxOy 착화물이 생성되어 처리 효율이 낮고, 머캡탄류의 경우에는 다른 VOC에 대한 산화능이 상대적으로 낮다. 더욱이, 과다한 초기 투자비, 높은 운전비 및 촉매 가격 등으로 인하여 경제성을 확보하기 곤란하다.The catalytic combustion method is a method of combusting combustible substances contained in exhaust gas in the presence of a catalyst. Chemically, it is an oxidation reaction similar to general combustion. If the combustible substance is a hydrocarbon, it is completely combusted to cause harmless and odorless CO 2 and H 2 O. Convert to The catalytic combustion method exhibits excellent characteristics in removing air pollutants such as VOC, but may cause various problems depending on the type of pollutant. For example, when other types of VOC are contained when removing hydrocarbons, the treatment efficiency tends to decrease rapidly, and for amines, the endothelial toxicity of the catalyst to sulfur is low, and the selectivity to N 2 is low. There is a problem that occurs. In particular, in the case of halogen-containing VOCs, toxic substances such as PhClx or volatile CrClxOy complexes are generated, so that treatment efficiency is low, and in the case of mercaptans, the oxidation ability to other VOCs is relatively low. Moreover, it is difficult to secure economic feasibility due to excessive initial investment, high operating costs, and catalyst prices.

전술한 종래 처리 방식의 문제점을 극복하기 위한 대표적인 방안으로서 UV/TiO2 광 촉매를 이용한 VOC 제거 방식이 각광받고 있다. UV/TiO2 광 촉매 시스템은 저농도 또는 중간 농도의 VOC를 저온 또는 상온에서 처리할 수 있을 뿐만 아니라 초기 투자비용 및 운전비용이 저렴한 장점을 갖는다. 현재 적용되고 있는 TiO2 촉매는 할로겐-함유 탄화수소류(TCE 등)의 분해에는 양호한 성능을 나타내지만, 톨루엔, 아민계 또는 황-함유 VOC에 대하여는 촉매의 활성이 감소하는 문제점을 갖고 있다. 이외에도, 광 촉매로서 WO3, SrTiO3, α-Fe2O, ZnO 등이 알려져 있으며, 또한 금속황화물 계통으로서 ZnS 등이 이용되고 있으나, 전술한 기술적 한계로 인하여 광범위하게 적용되기 곤란한 실정이다. As a representative method for overcoming the problems of the conventional treatment method described above, a VOC removal method using a UV/TiO 2 photocatalyst is in the spotlight. The UV/TiO 2 photocatalyst system not only can treat low or medium concentration VOCs at low or room temperature, but also has the advantage of low initial investment and operation costs. TiO 2 catalysts currently applied show good performance in decomposing halogen-containing hydrocarbons (TCE, etc.), but have a problem that the activity of the catalyst decreases with respect to toluene, amine-based or sulfur-containing VOCs. In addition, WO 3 , SrTiO 3 , α-Fe 2 O, ZnO, etc. are known as photocatalysts, and ZnS is used as a metal sulfide system, but it is difficult to be widely applied due to the aforementioned technical limitations.

본 개시 내용에서는 종래의 대기 오염 물질 제거용 광 촉매에 비하여 경제적이면서 양호한 산화 제거능을 갖는 광 촉매를 이용하여 VOC를 비롯한 다양한 대기 오염물질에 대하여도 촉매 산화 방식(특히, 고도 산화 프로세스)으로서 효과적으로 제거할 수 있는 방법 및 장치를 제공하고자 한다.In the present disclosure, by using a photocatalyst that is economical and has good oxidation removal ability compared to the conventional photocatalyst for removing air pollutants, it is also effectively removed by catalytic oxidation method (especially advanced oxidation process) for various air pollutants including VOCs. We would like to provide a method and apparatus that can be done.

본 개시 내용의 제1 면에 따르면, According to the first aspect of this disclosure,

가스 내 오염 물질의 제거 방법으로서,As a method of removing contaminants in gas,

광 촉매를 제공하는 단계; 및Providing a photo catalyst; And

가스 상, 입자 및 미세 액적 중 적어도 하나가 선택되는 형태의 오염 물질이 함유된 가스를 자외선 조사 하에서 상기 광 촉매와 접촉시켜 상기 가스 내 오염 물질을 산화 제거하는 단계를 포함하며, Including the step of oxidizing and removing contaminants in the gas by contacting a gas containing contaminants in a form of at least one of a gas phase, particles, and fine droplets selected with the photocatalyst under UV irradiation,

여기서, 상기 광 촉매는, Here, the photocatalyst is,

표면에 복수 개의 나노포어가 형성된 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체; 및 A stainless steel nanotube support having a plurality of nanopores formed on the surface thereof; And

상기 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체의 나노포어에 담지된 금속 나노입자를 포함하는 방법이 제공된다.There is provided a method comprising metal nanoparticles supported on nanopores of the stainless steel nanotube support.

본 개시 내용의 제2 면에 따르면,According to the second aspect of this disclosure,

반응기; Reactor;

가스 상, 입자 및 미세 액적 중 적어도 하나가 선택되는 형태의 오염 물질이 함유된 가스를 반응기 내로 도입하기 위한 적어도 하나의 포트;At least one port for introducing into the reactor a gas containing contaminants in a form in which at least one of a gas phase, particles and fine droplets is selected;

상기 반응기 내에서 가스를 혼합하기 위한 팬 부재; A fan member for mixing gases in the reactor;

상기 반응기 내에서 상기 오염 물질이 함유된 가스와 접촉하도록 배치된 적어도 하나의 광 촉매; 및 At least one photocatalyst arranged to contact the gas containing the pollutant in the reactor; And

상기 광 촉매에 자외선을 조사하도록 반응기 내에 구비된 자외선 램프;An ultraviolet lamp provided in the reactor to irradiate ultraviolet light to the photocatalyst;

를 포함하며,Including,

상기 광촉매는, The photocatalyst,

표면에 복수 개의 나노포어가 형성된 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체; 및 A stainless steel nanotube support having a plurality of nanopores formed on the surface thereof; And

상기 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체의 나노포어에 담지된 금속 나노입자를 포함하는 가스 내에 함유된 오염 물질의 제거 장치가 제공된다.An apparatus for removing contaminants contained in a gas including metal nanoparticles supported on nanopores of the stainless steel nanotube support is provided.

본 개시 내용의 제3 면에 따르면,According to the third aspect of this disclosure,

표면에 복수 개의 나노포어가 형성된 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체; A stainless steel nanotube support having a plurality of nanopores formed on the surface thereof;

상기 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체의 표면에 도핑된 전자전달 매개체; 및 An electron transfer medium doped on the surface of the stainless steel nanotube support; And

상기 전자전달 매개체가 도핑된 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체의 나노포어에 담지된 금속 나노입자를 포함하는, 가스 내 오염 물질을 산화 제거용 광 촉매가 제공된다.A photocatalyst for oxidizing and removing contaminants in a gas is provided, including metal nanoparticles supported on nanopores of a stainless steel nanotube support doped with the electron transport medium.

본 개시 내용의 제4 면에 따르면,According to the fourth aspect of this disclosure,

a) 표면에 복수 개의 나노포어가 형성된 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체를 제공하는 단계;a) providing a stainless steel nanotube support having a plurality of nanopores formed on the surface;

b) 이와 별도로, 전자전달 매개체를 함유하는 수계 용액 또는 수계 분산물을 제공하는 단계;b) separately from this, providing an aqueous solution or aqueous dispersion containing an electron transport medium;

c) 상기 전자전달 매개체를 함유하는 수계 용액 또는 수계 분산물에 상기 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체를 침적시킴으로써 상기 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체의 표면에 전자전달 매개체를 도핑하는 단계;c) doping an electron transport medium onto the surface of the stainless steel nanotube support by immersing the stainless steel nanotube support in an aqueous solution or dispersion containing the electron transport medium;

d) 상기 전자전달 매개체가 도핑된 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체의 나노포어에 금속 나노입자를 담지하는 단계;d) supporting metal nanoparticles in the nanopores of the stainless steel nanotube support doped with the electron transport medium;

를 포함하며,Including,

상기 단계 b)는 전자전달 매개체의 전구체를 200 내지 300℃의 온도에서 열 분해하여 전자전달 매개체로 전환시키는 단계를 포함하고,The step b) includes converting the precursor of the electron transport medium into an electron transport medium by thermally decomposing the precursor at a temperature of 200 to 300°C,

상기 전자전달 매개체는 그래핀, 그래핀 산화물 또는 이의 조합인, 가스 내에 함유된 오염 물질의 제거를 위한 광 촉매의 제조방법이 제공된다. The electron transport medium is graphene, graphene oxide, or a combination thereof, and a method of preparing a photocatalyst for removing contaminants contained in a gas is provided.

본 개시 내용의 구체예에 따른 가스 내 오염 물질의 제거 방법 및 장치는 TiO2와 같은 종래의 광 촉매가 아닌, 표면에 복수 개의 나노포어가 형성된 스테인리스 스틸 나노튜브 기반의 지지체 상에 금속 나노입자, 특히 환원된 금속 나노입자를 담지시킨 광 촉매의 존재 하에서 다양한 실내 및/또는 실외 대기 중 오염 물질을 보다 짧은 시간 내에 효과적으로 산화 제거할 수 있기 때문에 처리 용량을 증대시킬 수 있고, 특히 저비용으로 제작 가능한 촉매를 사용함에 따라 경제성을 획기적으로 제고할 수 있는 장점을 갖는다. 또한, 추가적으로 촉매 내에 전자전달 매개체를 더 포함시켜 대기 내 오염 물질의 제거능을 더욱 향상시킬 수 있다.A method and apparatus for removing contaminants in a gas according to an embodiment of the present disclosure is not a conventional photocatalyst such as TiO 2 , but a metal nanoparticle on a stainless steel nanotube-based support having a plurality of nanopores formed on the surface thereof, In particular, in the presence of a photocatalyst carrying the reduced metal nanoparticles, a variety of indoor and/or outdoor air pollutants can be effectively oxidized and removed within a shorter time, thereby increasing the treatment capacity, and in particular, a catalyst that can be manufactured at low cost. It has the advantage of dramatically improving the economics by using it. In addition, it is possible to further improve the ability to remove pollutants from the atmosphere by further including an electron transport medium in the catalyst.

더 나아가, 상술한 광 촉매는 자외선을 적용하고 있는 기존의 시설에 특별한 변경을 요하지 않으면서 광 촉매만을 대체하거나 추가함으로써 현장에서 즉시 적용할 수 있고, 사용 후에도 특별한 안정화 과정 없이도 반복 사용(또는 재사용)할 수 있으며, 또한 다른 오염 물질 제거 방식과 달리 고온의 열이나 2차 오염물질 처리를 위한 추가적인 공정을 요하지 않는다. 따라서, 향후 광범위한 상용화가 기대된다. Furthermore, the above-described photocatalyst can be applied immediately in the field by replacing or adding only the photocatalyst without requiring any special changes to the existing facility to which ultraviolet rays are applied, and repeated use (or reuse) even after use without a special stabilization process. Also, unlike other pollutant removal methods, it does not require high temperature heat or an additional process for secondary pollutant treatment. Therefore, widespread commercialization is expected in the future.

도 1은 광 촉매에 의한 가스 중 오염 물질의 산화 제거 반응을 메커니즘을 보여주는 도면이고(OX: 산화제, Red: 환원제);
도 2는 일 구체예에 따른 대기 중 오염 물질의 제거 장치의 개략적인 구성을 도시하는 도면이고;
도 3은 실시예 1에서 양극 산화처리된 기재의 표면에 대한 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM) 사진이고;
도 4a 및 도 4b 각각은 실시예 1에서 제조된 2종의 스테인리스 스틸 나노튜브-기반의 광촉매(광 촉매-1 및 광 촉매-2)에 대한 에너지-분산 X-선 스펙트로스코피(EDX) 분석 결과를 나타내는 그래프이고;
도 5는 실시예 1에서 오염 물질로서 알데히드 혼합 가스를 함유하는 폴리에스테르 알루미늄 백(bag)의 외관을 보여주는 사진이고;
도 6은 실시예 1에서 벤젠 및 톨루엔을 각각을 오염 물질로 하여 이를 가스 상으로 가열하기 위한 장치의 외관을 보여주는 사진이고;
도 7a 및 도 7b는 각각 실시예 1에서 사용된 광 촉매 반응기의 외관 및 내부 구조를 보여주는 사진이고;
도 8a 내지 도 8d는 실시예 1에 따라 광 촉매(광 촉매-1)의 존재 여부에 따른 오염 물질의 분해 결과를 나타내는 그래프이고(도 8a: 벤젠, 도 8b: 스티렌, 도 8c: 알데히드 혼합 가스, 및 도 8d: 벤젠, 스티렌 및 알데히드 혼합 가스);
도 9는 실시예 2에 따라 금속 나노입자-스테인리스 스틸 나노튜브(metal nanoparticle-stainless steel nanotube) 기반의 광 촉매의 존재 여부에 따른 오일 미스트의 제거 효율을 나타내는 그래프이고; 그리고
도 10은 실시예 2에 따라 금속 나노입자-스테인리스 스틸 나노튜브(metal nanoparticle-stainless steel nanotube) 기반의 광 촉매의 재사용 가능성을 평가한 결과를 나타내는 그래프이다.
1 is a diagram showing a mechanism of oxidation and removal reaction of pollutants in a gas by a photocatalyst (OX: oxidizing agent, Red: reducing agent);
2 is a diagram showing a schematic configuration of an apparatus for removing pollutants from the atmosphere according to an embodiment;
3 is a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) photograph of the surface of a substrate subjected to anodization treatment in Example 1;
4A and 4B are energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) analysis results for two types of stainless steel nanotube-based photocatalysts (photocatalyst-1 and photocatalyst-2) prepared in Example 1 Is a graph showing;
5 is a photograph showing the appearance of a polyester aluminum bag containing an aldehyde mixed gas as a pollutant in Example 1;
6 is a photograph showing the appearance of an apparatus for heating benzene and toluene as pollutants in a gas phase in Example 1;
7A and 7B are photographs showing the external and internal structures of the photocatalytic reactor used in Example 1, respectively;
8A to 8D are graphs showing decomposition results of pollutants according to the presence or absence of a photocatalyst (photocatalyst-1) according to Example 1 (FIG. 8A: benzene, FIG. 8B: styrene, FIG. 8C: aldehyde mixed gas) , And FIG. 8D: benzene, styrene and aldehyde mixed gas);
9 is a graph showing the removal efficiency of oil mist according to the presence or absence of a metal nanoparticle-stainless steel nanotube based photocatalyst according to Example 2; And
10 is a graph showing the results of evaluating the reusability of a photocatalyst based on a metal nanoparticle-stainless steel nanotube according to Example 2. FIG.

본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 개별 구성에 관한 세부 사항은 후술하는 관련 기재의 구체적 취지에 의하여 적절히 이해될 수 있다.The present invention can all be achieved by the following description. The following description should be understood as describing preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not necessarily limited thereto. In addition, the accompanying drawings are provided to aid understanding, and the present invention is not limited thereto, and details of individual configurations may be appropriately understood by the specific purpose of the related description to be described later.

"휘발성 유기 화합물(VOC)"는 전형적으로 상온 및 상압 조건 하에서 약 50 내지 260℃의 비점을 갖는 유기 화합물로 정의될 수 있다.“Volatile organic compound (VOC)” can be defined as an organic compound having a boiling point of about 50 to 260°C, typically under conditions of ambient temperature and pressure.

"광 촉매"는 광의 존재 하에서 반응을 촉진하되, 전체 반응에서는 소비되지 않는 불균일 촉매, 구체적으로 고상의 촉매를 의미할 수 있다. 전형적으로, 광 촉매는 (i) 광 활성을 갖고, (ii) 근-자외선(near-UV light)을 이용하며, (iii) 생물학적 및 화학적으로 비활성이고, (iv) 광-안정성을 나타내고, 그리고 (v) 비독성을 나타내는 특성을 가질 수 있다."Photocatalyst" promotes a reaction in the presence of light, but may refer to a heterogeneous catalyst that is not consumed in the entire reaction, specifically a solid catalyst. Typically, the photocatalyst is (i) has photoactivity, (ii) uses near-UV light, (iii) is biologically and chemically inert, (iv) exhibits photo-stability, and (v) It may have non-toxic properties.

"기재(substrate)"는 그 위에 부착(고정) 또는 코팅(도포) 가능한 표면을 제공하는 구조 또는 구조물을 의미할 수 있으며, 1차원, 2차원 또는 3차원 형상을 가질 수 있다."Substrate" may mean a structure or structure that provides a surface that can be attached (fixed) or coated (applied) thereon, and may have a one-dimensional, two-dimensional, or three-dimensional shape.

"고도산화 프로세스(advanced oxidation process; AOP)"는 비-선택적 산화를 촉진하는 프로세스로서, 화학적 및/또는 다른 형태의 에너지를 이용하여 인-시튜 전이 종(transitory species), 주로 히드록시 라디칼을 생성하는 물리화학적 프로세스를 기반으로 하는 것으로 이해될 수 있다. AOP는 일반적으로 2 단의 산화 단계를 수반하는 바, 먼저 상대적으로 강한 산화제(예를 들면, 히드록시 라디칼(OH·))를 형성하고, 이러한 산화제를 오염 물질과 반응시키는 바, 이때 히드록시 라디칼은 높은 산화능을 갖고 있다."Advanced oxidation process (AOP)" is a process that promotes non-selective oxidation and uses chemical and/or other forms of energy to generate in-situ transitional species, mainly hydroxy radicals. It can be understood as being based on a physicochemical process. AOP generally involves a two-stage oxidation step. First, a relatively strong oxidizing agent (e.g., hydroxy radical (OH)) is formed, and the oxidizing agent is reacted with a contaminant. Has high oxidation ability.

"양극산화(anodization)"은 금속 등의 기재를 전해액 중에 침지시킨 후, 이에 양극을 걸어주고 전류가 흐르도록 함으로써 양극에서 발생하는 산소에 의하여 기재 표면에 다공성 피막(코팅)을 형성하는 반응을 의미할 수 있다. "Anodization" refers to a reaction of forming a porous film (coating) on the surface of the substrate by oxygen generated from the anode by immersing a substrate such as a metal in an electrolyte, and then attaching an anode to it and allowing current to flow. can do.

"나노포어"는 나노 스케일(예를 들면, 약 0.1 내지 1000 nm, 구체적으로 약 1 내지 500 nm, 보다 구체적으로 약 10 내지 100 nm)의 치수 또는 사이즈를 갖는 포어를 의미할 수 있다.“Nanopores” may mean pores having a dimension or size of nanoscale (eg, about 0.1 to 1000 nm, specifically about 1 to 500 nm, more specifically about 10 to 100 nm).

"상에" 및 "위에"라는 표현은 상대적인 위치 개념을 언급하기 위하여 사용되는 것으로 이해될 수 있다. 따라서, 언급된 층에 다른 구성 요소 또는 층이 직접적으로 존재하는 경우뿐만 아니라, 그 사이에 다른 층(중간층) 또는 구성 요소가 개재되거나 존재할 수도 있다. 이와 유사하게, "하측에", "하부에" 및 "아래에"라는 표현 및 "사이에"라는 표현 역시 위치에 대한 상대적 개념으로 이해될 수 있을 것이다. 또한, "순차적으로"라는 표현 역시 상대적인 위치 개념으로 이해될 수 있다. The expressions "on" and "on" may be understood as being used to refer to the concept of relative position. Therefore, not only the case in which another component or layer is directly present in the mentioned layer, but also another layer (intermediate layer) or component may be interposed or present therebetween. Similarly, the expressions “below”, “below” and “below” and the expressions “between” may also be understood as relative concepts of location. In addition, the expression "sequentially" may also be understood as a concept of a relative position.

본 명세서에 있어서, 어떠한 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 별도의 언급이 없는 한, 다른 구성 요소 및/또는 단계를 더 포함할 수 있음을 의미한다. In the present specification, when a certain component is "included", it means that other components and/or steps may be further included unless otherwise stated.

A. 가스(대기) 중 오염 물질의 제거용 광 촉매의 제조A. Preparation of photocatalyst for removing pollutants from gas (atmosphere)

도 1은 광 촉매에 의한 가스 중 오염 물질의 산화 제거 반응을 메커니즘을 보여준다.1 shows a mechanism of oxidation and removal of pollutants in a gas by a photocatalyst.

상기 도면을 참조하면, 광 촉매 산화 반응 중 가장 중요한 단계는 가전도대(valence band)와 전도대(conduction band) 사이의 밴드 갭을 극복하기 위한 에너지가 필요한 정공-전자 쌍의 형성 단계이다. 광 에너지가 밴드 갭 에너지와 같거나, 이를 초과할 경우, 정공-전자 쌍이 촉매 내에서 형성되며, 전도대에서는 광 전자, 그리고 가전도대에서는 광 정공으로 각각 분해된다. 이와 동시에, 공기, 산소 및 오염 물질의 존재 하에서 광 산화 및 환원 반응이 일어나는 바, 상기 반응 과정에서 흡착된 대기 중 수분의 산화 또는 OH-로부터 유래하는 히드록시 라디칼의 반응성이 높다. 또한, 전자의 환원능으로 인하여 분자 산소가 수퍼옥사이드(O2-)로 환원되도록 유도한다. 이러한 고반응성 종인 히드록시기 및 수퍼옥사이드는 오염 물질(구체적으로 유기 및/또는 무기 오염 물질, 더 나아가 미생물 오염 물질)에 대한 강한 분해능을 제공하게 된다. Referring to the drawing, the most important step in the photocatalytic oxidation reaction is the step of forming a hole-electron pair that requires energy to overcome a band gap between a valence band and a conduction band. When the light energy equals or exceeds the band gap energy, a hole-electron pair is formed in the catalyst, and is decomposed into photoelectrons in the conduction band, and optical holes in the home appliance band. At the same time, photo-oxidation and reduction reactions occur in the presence of air, oxygen, and pollutants, and the oxidation of moisture in the atmosphere adsorbed in the reaction process or the reactivity of hydroxy radicals derived from OH is high. In addition, molecular oxygen is induced to be reduced to superoxide (O 2 - ) due to the electron reducing ability. These highly reactive species, hydroxy groups and superoxides, provide strong decomposition for contaminants (specifically, organic and/or inorganic contaminants, further microbial contaminants).

일 구체예에 따르면, 가스 중 오염물질, 특히 VOC를 제거하기 위한 광 촉매는 (i) 표면에 복수 개의 나노포어가 형성된 스테인리스 스틸 나노튜브(SSNT) 지지체; 및 (ii) 지지체의 나노포어에 담지된 금속 나노입자를 포함할 수 있다.According to one embodiment, a photocatalyst for removing pollutants, in particular VOCs in a gas, includes: (i) a stainless steel nanotube (SSNT) support having a plurality of nanopores formed on the surface thereof; And (ii) metal nanoparticles supported on nanopores of the support.

- 스테인리스 스틸 나노튜브 기재(지지체)의 제조-Manufacturing of stainless steel nanotube substrate (support)

예시적 구체예에 따르면, 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체는 전기화학적 프로세스인 양극산화법에 의하여 제조될 수 있다. 이 경우, 양극산화 시스템은 크게 전해질 용액, 스테인리스 스틸 기재로 이루어진 양극 및 음극을 포함할 수 있다. 양극산화법은 다양한 타입의 금속 상에 나노튜브 및 나노다공성 구조를 형성하는데 적합한 기술로서 조절이 용이하고 대량 생산에 소요되는 비용이 낮은 장점을 갖는다. According to an exemplary embodiment, the stainless steel nanotube support may be manufactured by an anodization method, which is an electrochemical process. In this case, the anodization system may largely include an electrolyte solution, an anode and a cathode made of a stainless steel substrate. The anodization method is a technology suitable for forming nanotubes and nanoporous structures on various types of metals, and has advantages of easy control and low cost required for mass production.

이와 관련하여, 스테인리스 스틸 기재의 형상은 특별히 한정되지 않으며, 플레이트(또는 시트), 육면체, 구형 등의 다양한 2차원 또는 3차원 형상을 가질 수 있다. 또한, 예시적 구체예에 따르면, 전해질 용액은 산을 포함하는 수용액 또는 에틸렌글리콜과 같은 유기용매일 수 있는 바, 산으로는 불화수소, 황산, 인산, 과염소산 등을 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있으며, 보다 구체적으로는 보다 양호한 반응성을 제공하는 불화수소를 포함하는 수용액, 과염소산을 포함하는 에틸렌글리콜 유기용매 등을 사용할 수 있다. In this regard, the shape of the stainless steel substrate is not particularly limited, and may have various two-dimensional or three-dimensional shapes such as a plate (or sheet), a hexahedron, and a sphere. Further, according to an exemplary embodiment, the electrolyte solution may be an aqueous solution containing an acid or an organic solvent such as ethylene glycol, and as the acid, hydrogen fluoride, sulfuric acid, phosphoric acid, perchloric acid, etc. may be used alone or in combination. , More specifically, an aqueous solution containing hydrogen fluoride that provides better reactivity, an ethylene glycol organic solvent containing perchloric acid, or the like can be used.

예시적으로, 전해질 용액의 농도는, 예를 들면 약 3 내지 10 체적%, 구체적으로 약 4 내지 8 체적%, 보다 구체적으로 약 5 내지 6 체적% 범위일 수 있다. 전해질 용액 내 전해질 농도는 양극산화 반응 조건(예를 들면, 인가 전압)에 영향을 미치고, 스테인리스 스틸 기재의 표면에 형성되는 산화물 층의 성상에도 영향을 미칠 수 있는 만큼, 전술한 농도 범위 내에서 적절히 선택하는 것이 바람직할 수 있다. 다만, 상기 범위는 예시적 의미로 이해되어야 한다.Illustratively, the concentration of the electrolyte solution may range from, for example, about 3 to 10% by volume, specifically about 4 to 8% by volume, and more specifically about 5 to 6% by volume. The electrolyte concentration in the electrolyte solution affects the anodic oxidation reaction conditions (e.g., applied voltage), and can affect the properties of the oxide layer formed on the surface of the stainless steel substrate. It may be desirable to choose. However, the above range should be understood in an exemplary sense.

한편, 양극산화 시스템에서 음극의 재질은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 스테인리스 스틸 기재보다 표준 환원 전위가 큰 재질을 사용할 수 있고, 보다 구체적으로는 스테인리스 스틸과는 적절한 표준 환원 전위차를 나타내고 입수가 용이하면서도 화학적으로 안정한 재질을 사용할 수 있다. 이러한 음극의 재질로서 예를 들면 백금, 구리, 탄소, 이의 조합 등을 사용할 수 있다.On the other hand, in the anodic oxidation system, the material of the negative electrode is not particularly limited, but for example, a material having a standard reduction potential larger than that of a stainless steel substrate can be used, and more specifically, it exhibits an appropriate standard reduction potential difference from stainless steel and is available. Easy and chemically stable materials can be used. As the material of such a negative electrode, for example, platinum, copper, carbon, a combination thereof, or the like can be used.

이와 같이, 스테인리스 스틸 기재의 양극 및 음극을 전해질 용액 내에 침지시킨 후에, 전압을 인가하여 산화 반응에 의하여 스테인리스 스틸 기재의 표면이 산화되면서 복수의 나노포어를 형성하게 된다. 양극산화 조건은 스테인리스 스틸 기재의 표면에 형성된 나노포어의 3차원적 구조에 영향을 미치는 만큼, 원하는 다공성 특성에 따라 반응 조건을 적절히 설정할 필요가 있다. 예시적 구체예에 따르면, 다공성 형성을 위한 양극 산화 온도는, 예를 들면 약 0 내지 20℃, 구체적으로 약 2 내지 10℃, 보다 구체적으로 약 3 내지 7℃ 범위 내에서 선정될 수 있다. 또한, 인가 전압 및 전류 각각은, 예를 들면 약 30 내지 70 V(구체적으로 약 35 내지 60 V, 보다 구체적으로 약 40 내지 55 V), 그리고 약 2.0 내지 5.2 A(구체적으로 약 2.5 내지 4.5 A, 보다 구체적으로 약 3.0 내지 4.0 A) 범위 내에서 선정될 수 있다. In this way, after immersing the positive electrode and the negative electrode of the stainless steel substrate in the electrolyte solution, a voltage is applied to form a plurality of nanopores while the surface of the stainless steel substrate is oxidized by an oxidation reaction. As the anodic oxidation conditions affect the three-dimensional structure of the nanopores formed on the surface of the stainless steel substrate, it is necessary to appropriately set the reaction conditions according to the desired porosity characteristics. According to an exemplary embodiment, the anodic oxidation temperature for porosity formation may be selected within a range of, for example, about 0 to 20°C, specifically about 2 to 10°C, and more specifically about 3 to 7°C. In addition, each of the applied voltage and current is, for example, about 30 to 70 V (specifically about 35 to 60 V, more specifically about 40 to 55 V), and about 2.0 to 5.2 A (specifically, about 2.5 to 4.5 A , More specifically, it may be selected within the range of about 3.0 to 4.0 A).

이외에도, 전해질 용액 내에서의 반응 시 교반 또는 비교반 조건 하에서 수행될 수 있으며, 구체적으로는 교반 조건(예를 들면, 약 100 내지 300 rpm, 구체적으로 약 150 내지 200 rpm) 하에서 수행될 수 있다. In addition, the reaction in the electrolyte solution may be performed under stirring or non-half conditions, and specifically, may be performed under stirring conditions (eg, about 100 to 300 rpm, specifically about 150 to 200 rpm).

상술한 바와 같이, 양극산화에 의하여 다공성이 형성된 스테인리스 스틸 기재는 표면의 이물질 등을 제거할 목적으로, 선택적으로 통상의 후송 처리 단계, 예를 들면 세정 또는 세척 단계를 거칠 수 있다. 이러한 세정 또는 세척의 예는 탈지 처리를 들 수 있는데, 통상적인 세제뿐만 아니라, 증기 탈지, 용제 또는 알칼리 세정 등과 같은 다양한 처리 방식이 적용될 수 있다.As described above, the stainless steel substrate having porosity formed by anodization may optionally undergo a conventional evacuation treatment step, for example, a washing or washing step, for the purpose of removing foreign substances on the surface. Examples of such cleaning or washing include a degreasing treatment, and various treatment methods such as steam degreasing, solvent or alkaline cleaning, as well as conventional detergents, may be applied.

한편, 본 구체예에 있어서, 스테인리스 스틸 나노튜브(SSNT)의 표면에 형성된 나노포어의 형태학적 특징(morphology), 배열, 밀도, 비표면적, 포어 체적 등은 후술하는 가스 매질 내 오염 물질을 흡착하고, 이를 산화 제거하는데 영향을 미치는 요소이다. Meanwhile, in this embodiment, the morphology, arrangement, density, specific surface area, pore volume, etc. of the nanopores formed on the surface of the stainless steel nanotube (SSNT) adsorb contaminants in the gas medium to be described later. , It is a factor that affects oxidation and removal of it.

상기의 점을 고려하여, 나노포어의 사이즈(평균 직경) 및 깊이 각각은, 특히 기상 매질의 처리에 적합한 사이즈, 예를 들면 약 10 내지 100 nm(구체적으로 약 15 내지 60 nm, 보다 구체적으로 약 20 내지 40 nm), 그리고 약 40 내지 200 nm(구체적으로 약 70 내지 150 nm, 보다 구체적으로 약 75 내지 100 nm)의 범위일 수 있다. 예시적 구체예에 따르면, 나노포어의 사이즈 및 깊이는 후술하는 금속 나노입자가 견고하면서 용이하게 부착할 수 있는 범위 내에서 선정하는 것이 유리할 수 있다. 예시적으로, 나노포어의 사이즈 : 나노포어의 깊이의 비는, 예들 들면 약 0.05 내지 1 : 1, 구체적으로 약 0.2 내지 0.8 : 1, 보다 구체적으로 약 0.5 내지 0.6 : 1 범위일 수 있다.In view of the above, each of the size (average diameter) and depth of the nanopores is a size suitable for processing a gaseous medium, for example, about 10 to 100 nm (specifically, about 15 to 60 nm, more specifically about 20 to 40 nm), and about 40 to 200 nm (specifically about 70 to 150 nm, more specifically about 75 to 100 nm). According to an exemplary embodiment, it may be advantageous to select the size and depth of the nanopores within a range in which metal nanoparticles to be described later can be firmly and easily attached. For example, the ratio of the size of the nanopores to the depth of the nanopores may range from, for example, about 0.05 to 1:1, specifically about 0.2 to 0.8:1, and more specifically about 0.5 to 0.6:1.

또한, 다공성 SSNT 기재 상에 형성된 나노포어의 밀도는, 예를 들면 약 100 내지 500개/㎛2, 구체적으로 약 150 내지 400개/㎛2, 보다 구체적으로 약 200 내지 300개/㎛2 범위일 수 있다. In addition, the density of the nanopores formed on the porous SSNT substrate is, for example, about 100 to 500 / μm 2 , specifically about 150 to 400 / μm 2 , more specifically about 200 to 300 / μm 2 I can.

이와 관련하여, 나노포어의 사이즈 및/또는 깊이가 지나치게 작거나 큰 경우에는 후술하는 금속 나노입자의 부착이 용이하지 않거나, 기계적 강도를 저하시킬 수 있다. 또한, 나노포어의 밀도가 지나치게 낮은 경우에는 대기 중 오염물질의 흡착/산화 제거 효율이 저하될 수 있다. 따라서, 전술한 범위 내에서 적정 수준을 선정하는 것이 유리할 수 있다.In this regard, when the size and/or depth of the nanopores is too small or large, it is difficult to attach metal nanoparticles to be described later, or mechanical strength may be reduced. In addition, when the density of the nanopores is too low, the efficiency of adsorption/oxidation removal of pollutants in the air may decrease. Therefore, it may be advantageous to select an appropriate level within the above-described range.

또한, 예시적 구체예에 따르면, 다공성 SSNT 기재의 비표면적(BET 비표면적) 및 포어 체적 각각은, 예를 들면 약 100 내지 400 ㎡/g(구체적으로 약 200 내지 350 ㎡/g, 보다 구체적으로 약 250 내지 300 ㎡/g) 및 예를 들면 약 0.5 내지 2 ㏄/g(구체적으로 약 1 내지 1.8 ㏄/g, 보다 구체적으로 약 1.3 내지 1.5 ㏄/g) 범위일 수 있다. 다만, 상기 수치 범위는 앞서 언급한 나노포어의 사이즈, 밀도 등에 영향을 받는 만큼, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, according to an exemplary embodiment, each of the specific surface area (BET specific surface area) and pore volume of the porous SSNT substrate is, for example, about 100 to 400 m 2 /g (specifically about 200 to 350 m 2 /g, more specifically About 250 to 300 m 2 /g) and for example about 0.5 to 2 cc/g (specifically about 1 to 1.8 cc/g, more specifically about 1.3 to 1.5 cc/g). However, the numerical range is not necessarily limited to this as it is affected by the size and density of the aforementioned nanopores.

스테인리스 스틸 나노튜브 지지체 상에 금속 나노입자의 부착(담지)Attachment (support) of metal nanoparticles on stainless steel nanotube support

일 구체예에 따르면, 상술한 바와 같이 복수의 나노포어를 갖는 다공성 SSNT 기반의 기재는 광 촉매의 지지체로 사용될 수 있으며, 상기 나노포어에 금속 나노입자를 부착(담지)하는 방식으로 광 촉매를 제조할 수 있다.According to one embodiment, as described above, the porous SSNT-based substrate having a plurality of nanopores can be used as a support for a photocatalyst, and a photocatalyst is prepared by attaching (supporting) metal nanoparticles to the nanopores. can do.

예시적 구체예에 따르면, SSNT 지지체의 나노포어 내에서 부착되는 금속 나노입자의 사이즈(평균 직경)는, 예를 들면 약 5 내지 60 nm, 구체적으로 약 10 내지 40 nm, 보다 구체적으로 약 20 내지 30 nm 범위일 수 있다. 또한, 금속 나노입자는, 예를 들면 구형, 계란형, 접시형, 막대형 등의 형상을 가질 수 있으나, 부착 용이성(또는 견고성) 및 광 촉매의 활성을 최대한 확보하기 위하여는 구형이 바람직할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the size (average diameter) of the metal nanoparticles attached within the nanopores of the SSNT support is, for example, about 5 to 60 nm, specifically about 10 to 40 nm, more specifically about 20 to It can be in the range of 30 nm. In addition, the metal nanoparticles may have, for example, a shape such as a spherical shape, an egg shape, a dish shape, a rod shape, etc., but a spherical shape may be preferable in order to maximize adhesion (or robustness) and activity of the photocatalyst. .

일 구체예에 따르면, 금속 나노입자가 SSNT 기재의 나노포어 내에 부착하기 위하여는 금속 나노입자의 사이즈가 상기 나노포어의 사이즈보다 작도록 선정될 필요가 있다. 예시적으로, 나노포어의 사이즈 : 금속 나노입자의 사이즈의 비는, 예를 들면 약 1 내지 10 : 1, 구체적으로 약 1.5 내지 5 : 1, 보다 구체적으로 약 1.5 내지 2 : 1 범위일 수 있다. 금속 나노입자의 상대적 사이즈가 지나치게 작은 경우에는 SSNT 기재 내 나노포어에 대한 부착능이 저하될 수 있는 반면, 지나치게 큰 경우에는 담지에 따른 광 촉매 효과의 개선 정도가 감소될 수 있다. 따라서, 전술한 비율 범위에서 금속 나노입자의 사이즈를 조절하는 것으로 유리할 수 있을 것이다.According to one embodiment, in order for the metal nanoparticles to adhere to the nanopores of the SSNT substrate, the size of the metal nanoparticles needs to be selected to be smaller than the size of the nanopores. Illustratively, the ratio of the size of the nanopores: the size of the metal nanoparticles may range from, for example, about 1 to 10: 1, specifically about 1.5 to 5: 1, and more specifically about 1.5 to 2: 1 . If the relative size of the metal nanoparticles is too small, the ability to adhere to the nanopores in the SSNT substrate may be reduced, whereas if the metal nanoparticles are too large, the degree of improvement of the photocatalytic effect according to the support may be reduced. Therefore, it may be advantageous to control the size of the metal nanoparticles within the above-described ratio range.

예시적 구체예에 따르면, SSNT 지지체에 담지 또는 부착되는 금속 나노입자의 량은, 예를 들면 약 1 내지 1000 ㎍/㎠, 구체적으로 약 10 내지 100 ㎍/㎠, 보다 구체적으로 약 20 내지 50 ㎍/㎠ 범위일 수 있다.According to an exemplary embodiment, the amount of metal nanoparticles supported or attached to the SSNT support is, for example, about 1 to 1000 μg/cm2, specifically about 10 to 100 μg/cm2, more specifically about 20 to 50 μg. /Cm2 range.

본 구체예에 있어서, SSNT 지지체의 나노포어 내에 부착되는 금속 나노입자는 자외선 광 조사 에너지에 의한 정공-전자 쌍의 형성 후 광 전자가 전도대로 여기되는 과정에서 밴드 갭을 낮추는 기능을 수행하게 된다. 이처럼, 적은 량의 자외선 조사 하에서도 광 촉매의 작동이 이루어지고, 그 결과 히드록시 라디칼 및 수퍼옥사이드 라디칼과 같이 고도산화 프로세스에서 가스 중 오염 물질의 산화 제거를 위한 산화제의 생성 속도를 증가시켜 오염 물질의 분해 효과를 높일 수 있다. In this embodiment, the metal nanoparticles attached to the nanopores of the SSNT support perform a function of lowering the band gap in the process of excitation of the photoelectrons to the conduction band after formation of a hole-electron pair by ultraviolet light irradiation energy. As such, the photocatalyst operates even under a small amount of UV irradiation, and as a result, the generation rate of oxidizing agents for oxidation and removal of pollutants in gases such as hydroxy radicals and superoxide radicals is increased in the advanced oxidation process. Can increase the decomposition effect of

예시적 구체예에 따르면, 금속 나노입자는 전자 이동성이 용이한 특성을 갖는 종류에서 선택 가능한 바, 예시적으로 은(Ag), 티타늄(Ti), 이의 혼합물 및 합금으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 보다 구체적으로는, 티타늄일 수 있다.According to an exemplary embodiment, the metal nanoparticle may be selected from a type having an easy electron mobility property, and illustratively may be selected from the group consisting of silver (Ag), titanium (Ti), mixtures and alloys thereof. . More specifically, it may be titanium.

이때, 주목할 점은 SSNT 지지체의 나노포어에 부착(담지)되는 금속 나노입자는 산화 상태가 아닌 환원 상태라는 점이다. 이를 위하여, 당업계에서 알려진 환원법, 예를 들면 화학적 환원법. 광화학적 환원법(Radiation-Assisted Reduction) 등을 통하여 나노포어 내에 환원 상태(원소 형태)의 금속 나노입자를 부착할 수 있다.At this time, it should be noted that the metal nanoparticles attached (supported) to the nanopores of the SSNT support are in a reduced state rather than an oxidized state. To this end, a reduction method known in the art, for example, a chemical reduction method. Metal nanoparticles in a reduced state (elemental form) may be attached to the nanopores through a photochemical reduction method (Radiation-Assisted Reduction) or the like.

- 화학적 환원법-Chemical reduction method

화학적 환원법은 금속의 염(전구체)을 함유하는 산화 상태의 금속을 환원제에 의하여 환원시켜 입자 형태로 성장시키는 방식이다. 예시적 구체예에 따르면, 금속 염(수용성 금속 염)을 첨가한 전구체 수용액에 SSNT 기재를 침지시킨 후, 환원제를 첨가하여 환원(원소) 상태의 금속 나노입자로 SSNT의 포어(나노포어) 내에 부착(담지)시킬 수 있다. The chemical reduction method is a method in which a metal in an oxidized state containing a salt (precursor) of a metal is reduced by a reducing agent and grown in the form of particles. According to an exemplary embodiment, the SSNT substrate is immersed in a precursor aqueous solution to which a metal salt (water-soluble metal salt) is added, and then a reducing agent is added to attach the metal nanoparticles in a reduced (element) state into the pores (nanopores) of the SSNT. It can be (supported).

예시적 구체예에 따르면, 금속 나노입자의 전구체로서, 상기 금속의 수용성 음이온염을 사용할 수 있다. 예시적으로, 금속이 은(Ag)인 경우, 초산 은(AgC2H3O2), 질산 은(AgNO3), 황산 은(AgSO4), 인산 은(Ag3PO4), 요오드화 은( AgI), 염화 은(AgCl), 불화 은(AgF), 브롬화 은(AgBr) 등과 같이 당업계에 공지된 은(Ag) 전구체를 사용할 수 있고, 이들을 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다. 또한, 금속이 티타늄인 경우에는, 삼염화티탄(TiCl3), 사염화티탄(TiCl4), 티타늄 이소프로폭사이드(C12H28O4Ti), 티타늄 부톡사이드(C16H36O4Ti) 등을 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다. According to an exemplary embodiment, as a precursor of metal nanoparticles, a water-soluble anionic salt of the metal may be used. Illustratively, when the metal is silver (Ag), silver acetate (AgC 2 H 3 O 2 ), silver nitrate (AgNO 3 ), silver sulfate (AgSO 4 ), silver phosphate (Ag 3 PO 4 ), silver iodide ( AgI), silver chloride (AgCl), silver fluoride (AgF), silver bromide (AgBr), etc., known in the art may be used, and these may be used alone or in combination. In addition, when the metal is titanium, titanium trichloride (TiCl 3 ), titanium tetrachloride (TiCl 4 ), titanium isopropoxide (C 12 H 28 O 4 Ti), titanium butoxide (C 16 H 36 O 4 Ti) And the like may be used alone or in combination.

예시적 구체예에 따르면, 수용액 내 금속염의 농도는, 예를 들면 약 0.01 내지 1 M, 구체적으로 약 0.05 내지 0.5 M, 보다 구체적으로 약 0.1 내지 0.2 M 범위일 수 있는 바, 금속 염의 농도는 생성되는 나노입자의 균일성, 치수 등에 영향을 미치는 만큼, 전술한 범위 내에서 적절히 조절하는 것이 유리할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the concentration of the metal salt in the aqueous solution may be in the range of, for example, about 0.01 to 1 M, specifically about 0.05 to 0.5 M, more specifically about 0.1 to 0.2 M, and the concentration of the metal salt is generated. It may be advantageous to appropriately control within the above-described range as it affects the uniformity and dimensions of the nanoparticles.

예시적 구체예에 따르면, 환원제는 수산화나트륨(NaOH), 수소화붕소나트륨(NaBH4), 수산화암모늄(NH4OH) 등으로부터 적어도 하나가 선택되는 강염기성 환원제일 수 있다. 이때, 수용액 에 첨가되는 환원제의 농도는, 예를 들면 약 0.01 내지 1 M, 구체적으로 약 0.05 내지 0.5 M, 보다 구체적으로 약 0.1 내지 0.2 M 범위일 수 있다.According to an exemplary embodiment, the reducing agent may be a strongly basic reducing agent selected from at least one selected from sodium hydroxide (NaOH), sodium borohydride (NaBH 4 ), and ammonium hydroxide (NH 4 OH). At this time, the concentration of the reducing agent added to the aqueous solution may be, for example, about 0.01 to 1 M, specifically about 0.05 to 0.5 M, more specifically about 0.1 to 0.2 M.

일 예로서, 은 전구체로서 질산 은을 사용하고, 환원제로서 수소화붕소나트륨을 사용할 경우, 환원 상태의 은 입자의 형성 반응 메커니즘은 하기 반응식 1과 같이 나타낼 수 있다.As an example, when silver nitrate is used as a silver precursor and sodium borohydride is used as a reducing agent, a reaction mechanism for forming silver particles in a reduced state can be represented as shown in Scheme 1 below.

[반응식 1][Scheme 1]

AgNO3 + NaBH4 → Ag + ½H2 + ½B2H6 +NaNO3 AgNO 3 + NaBH 4 → Ag + ½H 2 + ½B 2 H 6 +NaNO 3

예시적 구체예에 따르면, 환원 반응 온도는, 예를 들면 약 20 내지 60℃, 구체적으로 약 25 내지 40℃, 보다 구체적으로 약 25 내지 35℃ 범위일 수 있고, 환원 반응 시간은, 예를 들면 약 0.1 내지 12 시간, 구체적으로 약 0.5 내지 6 시간, 보다 구체적으로 약 1 내지 2 시간 범위일 수 있다. According to an exemplary embodiment, the reduction reaction temperature may be, for example, about 20 to 60° C., specifically about 25 to 40° C., more specifically about 25 to 35° C., and the reduction reaction time is, for example It may range from about 0.1 to 12 hours, specifically about 0.5 to 6 hours, and more specifically about 1 to 2 hours.

- 광화학 환원법-Photochemical reduction method

택일적 구체예에 따르면, 금속 나노입자는 광화학 환원법에 의하여 SSNT 기재의 나노포어 내에 부착(담지)될 수 있다. According to an alternative embodiment, the metal nanoparticles may be attached (supported) in the nanopores of the SSNT substrate by a photochemical reduction method.

이와 같이 광화학 환원법에 의한 금속 나노입자의 형성 방법의 예는 암 상태 및 진공 조건 하에서 금속 전구체(구체적으로 수용성 금속 염)를 첨가한 수용액에 SSNT 기재를 침지시킨 후에 자외선(UV) 조사(구체적으로 UV-C 조사)를 수반할 수 있다. UV-C는 약 200 내지 280 nm의 파장 범위를 갖는 광을 의미할 수 있다. 이때, 광 조사에 앞서, 선택적으로 물(구체적으로 증류수) 및/또는 질소 가스로 세척하는 단계를 수행할 수 있다.As such, examples of the method of forming metal nanoparticles by the photochemical reduction method are ultraviolet (UV) irradiation after immersing the SSNT substrate in an aqueous solution to which a metal precursor (specifically, a water-soluble metal salt) is added under dark and vacuum conditions. -C investigation) may be involved. UV-C may mean light having a wavelength range of about 200 to 280 nm. In this case, prior to light irradiation, a step of selectively washing with water (specifically distilled water) and/or nitrogen gas may be performed.

광화학 환원법에 있어서, 금속 전구체(구체적으로 수용성 금속 염)의 종류, 수용액 내 금속 전구체 및 산 성분의 농도 등은 앞서 설명한 화학적 환원법에서와 유사하다. 광화학 환원 중 수용액 내에 SSNT 기재를 나노포어 내에 적정 량의 금속 나노입자가 형성될 수 있는 시간 동안 침지시킬 수 있는 바, 예를 들면 약 1 내지 12 시간, 구체적으로 약 3 내지 6 시간, 보다 구체적으로 약 5 내지 6 시간 범위 내에서 조절할 수 있다.In the photochemical reduction method, the type of the metal precursor (specifically, the water-soluble metal salt), the concentration of the metal precursor and the acid component in the aqueous solution, and the like are similar to those in the chemical reduction method described above. During photochemical reduction, the SSNT substrate can be immersed in the aqueous solution for a time during which an appropriate amount of metal nanoparticles can be formed in the nanopores, for example, about 1 to 12 hours, specifically about 3 to 6 hours, more specifically It can be adjusted within the range of about 5 to 6 hours.

예시적 구체예에 따르면, 자외선(구체적으로 UV-C 광)의 조사 시간은, 금속 이온의 환원 효율, 경제성 등을 고려하여 적정 범위 내에서 조절할 수 있는 바, 예를 들면 약 1 내지 24 시간, 구체적으로 약 6 내지 18 시간, 보다 구체적으로 약 10 내지 12 시간 범위일 수 있다.According to an exemplary embodiment, the irradiation time of ultraviolet rays (specifically, UV-C light) can be adjusted within an appropriate range in consideration of the reduction efficiency and economy of metal ions, for example, about 1 to 24 hours, Specifically, it may be in the range of about 6 to 18 hours, more specifically about 10 to 12 hours.

본 개시 내용의 다른 구체예에 따르면, SSNT 기재 또는 지지체의 나노포어 내에 담지 또는 부착된 금속 나노입자 사이에 전자 이동을 원활히 하기 위하여 SSNT 기재의 표면(예를 들면, SSNT 기재 표면에 형성된 복수 개의 나노포어 내부)에 먼저 전자전달 매개체를 도핑하고, 후속적으로 전술한 바와 같이 금속 나노금속을 고정 또는 담지시킴으로써 대기 내 오염 물질의 제거능을 향상시킬 수 있다. According to another embodiment of the present disclosure, in order to facilitate electron transfer between metal nanoparticles supported or attached in the nanopores of the SSNT substrate or the support, the surface of the SSNT substrate (for example, a plurality of nanoparticles formed on the surface of the SSNT substrate The inside of the pore) is first doped with an electron transport medium, and subsequently the metal nanometal is fixed or supported as described above, thereby improving the ability to remove pollutants from the atmosphere.

일 예로서, 전자전달 매개체는 탄소를 기반으로 형성된 유기물일 수 있는 바, 예를 들면 그래핀(Graphene), 그래핀 산화물 또는 이의 조합일 수 있다. 이와 관련하여, "그래핀"은 탄소 원자들의 sp2 결합으로 이루어진 벌집모양의 2차원 평면 구조 탄소 동소체로서, 축구공모양의 풀러렌(Fullerene, C60)과 원기둥 모양의 탄소나노튜브(Carbon Nanotube), 다층구조의 흑연(Graphite)과 함께 나노구조의 탄소 동소체의 하나에 해당될 수 있다. 또한, "그래핀 산화물"은 산소-함유 화학적 그룹(예를 들면, 에폭시 또는 히드록시기)으로 관능화된 그래핀, 구체적으로 단일층 그래파이트 산화물(C-O 공유 결합을 도입함으로써 그래핀으로부터 유도된 2차원 물질)을 의미할 수 있고, 그래핀의 엣지(edge) 부위에는 카르보닐기 및 카르복시기가 위치하여 극성 표면 특성을 나타낼 수 있다. 그래핀 산화물은 그래핀계 격자 및 다양한 산소-함유 그룹의 존재로 인하여 그래핀 산화물 표면의 작용기는 다양한 활성종을 고정하기 위한 앵커 사이트로 작용할 수 있고, 조절 가능한 전자적 특성을 갖게 된다.As an example, the electron transport medium may be an organic material formed based on carbon, for example, graphene, graphene oxide, or a combination thereof. In this regard, "graphene" is a honeycomb-shaped two-dimensional planar carbon allotrope consisting of sp2 bonds of carbon atoms, soccer ball-shaped fullerene (C60) and cylindrical carbon nanotubes, multilayered It may correspond to one of the nanostructured carbon allotropes together with the structured graphite. In addition, "graphene oxide" is graphene functionalized with an oxygen-containing chemical group (eg, epoxy or hydroxy group), specifically, a two-dimensional material derived from graphene by introducing a single layer graphite oxide (CO covalent bond) ), and a carbonyl group and a carboxyl group are positioned at an edge portion of graphene to exhibit polar surface characteristics. Graphene oxide due to the presence of a graphene-based lattice and various oxygen-containing groups, the functional groups on the surface of the graphene oxide can act as anchor sites for fixing various active species, and have adjustable electronic properties.

예시적 구체예에 따르면, SSNT-기반의 광 촉매 내에 추가적으로 도입 가능한 전자전달 매개체로서, 저분자의 유기산 물질을 열 분해시켜 고분자화하여 합성된 그래핀을 적용할 수 있다. 이와 같이, 추가적으로 도핑되는 전자전달 매개체는 앞서 제조된 광 촉매의 전자 이동성을 효과적으로 증진시킴으로써 특히 VOC 등에 대한 산화 제거능을 촉진하는 기능을 제공할 수 있다. According to an exemplary embodiment, as an electron transport medium that can be additionally introduced into an SSNT-based photocatalyst, graphene synthesized by thermally decomposing a low-molecular organic acid material to polymerize it may be applied. In this way, the additionally doped electron transport medium can effectively enhance the electron mobility of the previously prepared photocatalyst, thereby providing a function of particularly promoting oxidation removal capability for VOCs.

예시적 구체예에 따르면, 전자전달 매개체는 금속 나노입자를 형성하기에 앞서 SSNT 기재 상에 도핑될 수 있는 바, 예를 들면 전자전달 매개체의 전구체, 구체적으로 그래핀 및/또는 그래핀 산화물의 전구체를 이용하여 SSNT 기재(또는 이의 표면)에 도핑시킬 수 있다. According to an exemplary embodiment, the electron transport medium may be doped on the SSNT substrate prior to forming the metal nanoparticles, for example, a precursor of an electron transport medium, specifically a precursor of graphene and/or graphene oxide. It may be doped to the SSNT substrate (or its surface) using.

일 예로서, 전자전달 매개체의 전구체는, 예를 들면 탄소-함유 화합물, 구체적으로 유기산일 수 있는 바, 보다 구체적으로는 시트르산, 락트산 등을 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다. 이와 같이, 유기산을 전구체로 사용하는 이유는 저탄소분자 구조로부터 버텀-업(bottom-up) 방식으로 그래핀 구조를 합성할 수 있기 때문이다.As an example, the precursor of the electron transport medium may be, for example, a carbon-containing compound, specifically an organic acid, and more specifically, citric acid, lactic acid, or the like may be used alone or in combination. As described above, the reason why an organic acid is used as a precursor is that a graphene structure can be synthesized from a low-carbon molecular structure in a bottom-up manner.

예시적 구체예에 따르면, 전자전달 매개체를 제조하기 위하여 고상의 전구체를 사용할 수 있는 바, 이를 열 분해시켜 액상화시킬 수 있다. According to an exemplary embodiment, a solid precursor may be used to prepare an electron transport medium, and the precursor may be thermally decomposed to liquefy.

예시적 구체예에 따르면, 열 분해 온도는, 예를 들면 약 200 내지 300℃, 구체적으로 약 220 내지 280℃, 보다 구체적으로 약 230 내지 250℃ 범위일 수 있다. 또한, 예시적 구체예에 따르면, 열 분해 반응 시간은, 예를 들면 약 0.4 내지 1 시간, 구체적으로 약 0.5 내지 0.8 시간, 보다 구체적으로 약 0.6 내지 0.7 시간 범위일 수 있다. 이러한 열 분해 반응 온도 및 시간은 예시적 목적으로 기재된 것으로, 사용되는 전구체의 종류, 도포 량 등에 따라 변화 가능하다.According to an exemplary embodiment, the thermal decomposition temperature may range from, for example, about 200 to 300°C, specifically about 220 to 280°C, and more specifically about 230 to 250°C. Further, according to an exemplary embodiment, the thermal decomposition reaction time may range from, for example, about 0.4 to 1 hour, specifically about 0.5 to 0.8 hours, and more specifically about 0.6 to 0.7 hours. These thermal decomposition reaction temperatures and times are described for illustrative purposes, and may vary depending on the type of precursor used and the amount of application.

상술한 바와 같이, 수득된 열 분해 생성물은 수계 용액(또는 수계 분산물) 형태로 제조될 수 있는 바, 특정 구체예에 따르면, 전구체로서 유기산을 사용할 경우, 열 분해 생성물의 수계 용액(또는 수계 분산물)은 산성을 나타낼 수 있다. 이때, 열 분해 생성물의 수계 용액(또는 수계 분산물)의 안정성 등을 확보할 목적으로 열 분해 생성물을 염기 수용액(예를 들면, 수산화나트륨, 수소화붕소나트륨, 수산화암모늄 또는 이의 조합을 함유하는 수용액, 구체적으로 수산화나트륨 수용액)에 첨가할 수 있다. 이와 관련하여, 염기 수용액의 농도는, 예를 들면 약 0.01 내지 0.5 M, 구체적으로 약 0.02 내지 0.4 M 범위일 수 있다. 이때, 염기 수용액의 농도는, 예시적인 것으로 열 분해 생성물의 첨가량에 따라 적절히 조절할 수 있다. As described above, the obtained thermal decomposition product can be prepared in the form of an aqueous solution (or aqueous dispersion).According to a specific embodiment, when an organic acid is used as a precursor, an aqueous solution (or aqueous dispersion) of the thermal decomposition product Water) can be acidic. At this time, for the purpose of securing the stability of the aqueous solution (or aqueous dispersion) of the thermal decomposition product, the thermal decomposition product is used as an aqueous base solution (for example, an aqueous solution containing sodium hydroxide, sodium borohydride, ammonium hydroxide, or a combination thereof, Specifically, it can be added to sodium hydroxide aqueous solution). In this regard, the concentration of the aqueous base solution may be, for example, in the range of about 0.01 to 0.5 M, specifically about 0.02 to 0.4 M. In this case, the concentration of the aqueous base solution is exemplary and can be appropriately adjusted according to the amount of the thermal decomposition product added.

예시적 구체예에 따르면, 상기 수계 용액(또는 수계 분산물) 내 전자전달 매개체(즉, 열 분해 생성물)의 농도는, 전구체 기준으로, 예를 들면 약 0.1 내지 3 M, 구체적으로 약 0.5 내지 2 M, 보다 구체적으로 약 1 내지 1.5 M 범위일 수 있는 바, 이러한 전자전달 매개체의 농도는 도핑되는 전자전달 매개체 입자의 균일성, 치수 등을 고려하여 전술한 범위 내에서 적절히 조절하는 것이 유리할 수 있다. According to an exemplary embodiment, the concentration of the electron transport medium (i.e., thermal decomposition product) in the aqueous solution (or aqueous dispersion) is, based on a precursor, for example, about 0.1 to 3 M, specifically about 0.5 to 2 M, more specifically, may be in the range of about 1 to 1.5 M, and it may be advantageous to appropriately control the concentration of the electron transport medium within the above-described range in consideration of the uniformity and dimensions of the doped electron transport medium particles. .

한편, 열 분해에 의하여 형성된 전자전달 매개체는 산화물 형태로 존재할 수 있기 때문에, 이의 환원을 위하여 선택적으로 염기를 이용하여 후속 처리를 수행할 수 있다. 예시적으로, 염기는, 예를 들면 수산화나트륨(NaOH), 수소화붕소나트륨(NaBH4), 수산화암모늄(NH4OH) 등일 수 있고, 이를 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다. 특히, 수산화나트륨을 사용할 수 있다. 이러한 환원 처리를 위하여, 염기 수용액을 열 분해 생성물(즉, 전자전달 매개체)을 함유하는 수용액에 첨가할 수 있는 바, 이때 첨가되는 염기 수용액의 농도는, 예를 들면 약 0.1 내지 2 M, 구체적으로 약 0.15 내지 1 M, 보다 구체적으로 약 0.2 내지 0.4 M 범위 내에서 조절 가능하다. Meanwhile, since the electron transport medium formed by thermal decomposition may exist in the form of an oxide, a subsequent treatment may be performed using a base selectively for its reduction. Illustratively, the base may be, for example, sodium hydroxide (NaOH), sodium borohydride (NaBH 4 ), ammonium hydroxide (NH 4 OH), and the like, and may be used alone or in combination. In particular, sodium hydroxide can be used. For this reduction treatment, an aqueous base solution may be added to an aqueous solution containing a thermal decomposition product (ie, an electron transfer medium), and the concentration of the aqueous base solution added at this time is, for example, about 0.1 to 2 M, specifically It is adjustable within the range of about 0.15 to 1 M, more specifically about 0.2 to 0.4 M.

이와 같이 염기 처리에 의하여 전자전달 매개체를 함유하는 수용액의 pH를, 예를 들면 약 6.5 내지 8, 구체적으로 약 7로 조절할 수 있다. In this way, the pH of the aqueous solution containing the electron transport medium can be adjusted to, for example, about 6.5 to 8, specifically about 7, by the base treatment.

그 다음, 전자전달 매개체를 함유하는 수계 용액(또는 수계 분산물) 내에서 SSNT 기재 또는 지지체를 접촉(침적)시키는 방식으로, 전자전달 매개체를 SSNT 기재 상에 도핑(부착)할 수 있다. 예시적으로, 도핑용 수계 용액 내 전자전달 매개체의 농도는, 예를 들면 약 0.005 내지 0.1 중량%, 구체적으로 약 0.007 내지 0.08 중량%, 보다 구체적으로 약 0.009 내지 0.03 중량% 범위 내에서 조절될 수 있다. 또한, 접촉 또는 침적 시간은, 예를 들면 약 0.2 내지 2 시간, 구체적으로 약 0.5 내지 1.5 시간, 보다 구체적으로 약 0.8 내지 1.2 시간 범위일 수 있다. 이후, 통상의 후처리 단계, 예를 들면 건조 단계 등이 수행될 수 있다. 또한, 접촉 또는 침적 온도는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 약 15 내지 30℃, 구체적으로 약 20 내지 25℃, 보다 구체적으로는 상온일 수 있다.Then, by contacting (depositing) the SSNT substrate or support in an aqueous solution (or aqueous dispersion) containing the electron transport medium, the electron transport medium may be doped (attached) on the SSNT substrate. Illustratively, the concentration of the electron transport medium in the aqueous solution for doping may be adjusted within the range of, for example, about 0.005 to 0.1% by weight, specifically about 0.007 to 0.08% by weight, and more specifically about 0.009 to 0.03% by weight. have. Further, the contact or immersion time may range from, for example, about 0.2 to 2 hours, specifically about 0.5 to 1.5 hours, and more specifically about 0.8 to 1.2 hours. Thereafter, a conventional post-treatment step, for example, a drying step, or the like may be performed. In addition, the contact or immersion temperature is not particularly limited, but may be, for example, about 15 to 30°C, specifically about 20 to 25°C, and more specifically room temperature.

예시적 구체예에 따르면, SSNT 기재 또는 지지체에 도핑되는 전자전달 매개체는, 예를 들면 입자 형태일 수 있는 바, 이 경우 입자 사이즈는, 예를 들면 약 0.5 내지 2 nm, 구체적으로 약 1 내지 1.5 nm, 보다 구체적으로 약 1.2 내지 1.3 nm 범위일 수 있으며, 이외에도 청색 루미네센스(blue luminescence)를 나타낼 수 있다.According to an exemplary embodiment, the electron transport medium doped on the SSNT substrate or the support may be, for example, in the form of particles, in which case the particle size is, for example, about 0.5 to 2 nm, specifically about 1 to 1.5 nm, more specifically, may range from about 1.2 to 1.3 nm, and may also exhibit blue luminescence.

전자전달 매개체로 도핑된 SSNT 기재는 앞서 기술한 바와 동일한 절차에 따라 금속 나노입자를 부착할 수 있다. 이와 관련하여, 광 촉매 내에서 추가적으로 도입된 전자전달 매개체의 량은, 후속적으로 부착 또는 담지되는 금속 나노입자 : 전자전달 매개체의 중량 비가, 예를 들면 약 10 내지 150 : 1, 구체적으로 약 50 내지 100 : 1, 보다 구체적으로 약 70 내지 80 : 1이 되도록 하는 범위 내에서 선정될 수 있다.The SSNT substrate doped with an electron transport medium may adhere metal nanoparticles according to the same procedure as described above. In this regard, the amount of the electron transport mediator additionally introduced in the photocatalyst is the metal nanoparticles that are subsequently attached or supported: the weight ratio of the electron transport mediator, for example, about 10 to 150:1, specifically about 50 To 100:1, more specifically about 70 to 80:1 may be selected within a range.

본 발명이 특정 이론에 구속되는 것은 아니지만, 이러한 선택적으로 도입되는 전자전달 매개체는 도핑을 통하여 금속 나노입자와 SSNT 지지체 간의 전자이동 특성을 향상시킴과 동시에 밴드 갭을 변화시키는 방식으로 광 촉매 활성을 개선할 수 있는 것으로 판단된다. Although the present invention is not bound by a specific theory, the selectively introduced electron transport medium improves photocatalytic activity by changing the band gap while improving the electron transfer characteristics between the metal nanoparticles and the SSNT support through doping. I believe it can be done.

B. 광 촉매를 이용한 대기 오염 물질의 제거B. Removal of air pollutants using photocatalyst

본 개시 내용의 일 구체예에 따르면, 상술한 바와 같이 제조된 SSNT-기반의 광 촉매를 이용하여 가스(구체적으로 실내 또는 실외 대기) 내에 함유된 오염 물질을 제거하는 방법 및 관련 장치가 제공된다. 이때, 오염 물질은 대기 또는 실내외 분위기(가스 상 매질) 내에 함유 가능한 종류인 한, 특별히 한정되는 것은 아니다. According to one embodiment of the present disclosure, a method and related apparatus for removing contaminants contained in a gas (specifically, indoor or outdoor atmosphere) using an SSNT-based photocatalyst prepared as described above are provided. At this time, the pollutant is not particularly limited as long as it is a kind that can be contained in the atmosphere or indoor/outdoor atmosphere (a gaseous medium).

예시적 구체예에 따르면, 오염 물질은 환원 황 화합물(reduced sulfur compound), 알데히드계 화합물 및 VOC로 이루어진 군으로부터 적어도 하나가 선택되는 종류를 포함할 수 있다. 이러한 오염 물질의 예시적인 종류는 하기 표 1과 같다.According to an exemplary embodiment, the pollutant may include at least one selected from the group consisting of reduced sulfur compounds, aldehyde compounds, and VOCs. Exemplary types of such contaminants are shown in Table 1 below.

오염 물질pollutant 종류Kinds 환원 황 화합물류Reduced sulfur compounds 황화수소Hydrogen sulfide 메틸 머캅탄Methyl mercaptan 디메틸 설파이드Dimethyl sulfide 디메틸 디설파이드Dimethyl disulfide 알데히드류Aldehydes 아세트알데히드Acetaldehyde 프로피온알데히드Propionaldehyde 부틸알데히드Butylaldehyde 이소발렐알데히드 Isovarelaldehyde VOCsVOCs 톨루엔toluene 스티렌Styrene 벤젠benzene 알코올Alcohol 케톤Ketone

예시된 오염 물질은 실내 또는 실외에서 다양한 소스, 예를 들면 건축물 내에 도포된 각종 화학 물질, 요리 과정에서 흄(fumes) 또는 입자 상 물질, 몰드 또는 박테리아 등으로부터 기인할 수 있다. Illustrative contaminants may come from various sources indoors or outdoors, for example various chemicals applied within buildings, fumes or particulate matter in the cooking process, molds or bacteria, and the like.

이와 관련하여, 오염 물질의 예로서 아세트알데히드가 광 촉매에 의하여 산화, 구체적으로 고도 산화 공정(AOP)을 통하여 제거되는 반응 메커니즘은 하기 반응식 2와 같이 나타낼 수 있다.In this regard, as an example of a pollutant, a reaction mechanism in which acetaldehyde is oxidized by a photocatalyst, specifically, through an advanced oxidation process (AOP), can be represented as shown in Scheme 2 below.

[반응식 2][Scheme 2]

Figure 112018126197728-pat00001
Figure 112018126197728-pat00001

한편, 처리 대상 가스 내 오염 물질의 농도는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 전형적으로 약 1 내지 200 ppm, 보다 전형적으로는 약 50 내지 100 ppm 수준일 수 있다. Meanwhile, the concentration of the pollutant in the gas to be treated is not particularly limited, but may be typically about 1 to 200 ppm, more typically about 50 to 100 ppm.

또한, 고도산화 프로세스와 같은 산화 반응 시 수분은 오염 물질 제거에 필요한 히드록시 라디칼의 소스로 작용하는 바, 이때 처리 대상 가스의 습도(상대 습도)는, 예를 들면 적어도 약 15%, 구체적으로 약 15 내지 50%, 보다 구체적으로 약 20 내지 30% 범위일 수 있다.In addition, during an oxidation reaction such as an advanced oxidation process, moisture acts as a source of hydroxy radicals required to remove contaminants. At this time, the humidity (relative humidity) of the gas to be treated is, for example, at least about 15%, specifically about It may range from 15 to 50%, more specifically from about 20 to 30%.

도 2는 일 구체예에 따른 대기 중 오염 물질의 제거 장치의 개략적인 구성을 도시한다.2 shows a schematic configuration of an apparatus for removing pollutants from the atmosphere according to an embodiment.

상기 도시된 예에 따른 대기(가스) 중 오염 물질의 제거 장치(100)는 크게 반응기(101), 상기 반응기 내부 공간에 배치된 자외선 램프(102), 상기 자외선 램프(102)와 소정 간격을 두고 이격되어 있는 적어도 하나(구체적으로 한 쌍)의 SSNT-기반의 광 촉매(103), 반응기 외부로부터 내부로 처리 대상 가스(또는 대기 가스)를 도입하기 위하여 반응기에 구비된 적어도 하나의 포트(104), 그리고 반응기 내 가스 성분을 혼합하기 위한 팬 부재(105)를 포함한다.The apparatus 100 for removing pollutants in the atmosphere (gas) according to the illustrated example is largely spaced apart from the reactor 101, the ultraviolet lamp 102 disposed in the inner space of the reactor, and the ultraviolet lamp 102. At least one (specifically, a pair) of SSNT-based photocatalysts 103 that are spaced apart, at least one port 104 provided in the reactor for introducing the gas to be treated (or atmospheric gas) from the outside of the reactor to the inside. And a fan member 105 for mixing gas components in the reactor.

예시적 구체예에 따르면, 반응기(101)는, 실린더(원통) 형상, 육면체 형상, 구형 형상 등과 같은 임의의 형상을 가질 수 있다. 다만, 구체적으로는 실린더 형상일 수 있다. According to an exemplary embodiment, the reactor 101 may have an arbitrary shape, such as a cylinder (cylindrical) shape, a hexahedral shape, a spherical shape, and the like. However, it may be specifically a cylinder shape.

예시적 구체예에 따르면, 처리 대상 가스 내에 함유된 오염 물질은 가스 상, 입자 및 미세 액적 중 적어도 하나가 선택되는 형태일 수 있다. 예를 들면, VOC, 탄화수소류(특히, 톨루엔 등과 같은 방향족 탄화수소류, 불포화 결합을 갖는 탄화수소류 등), 알데히드 등이 가스 상으로 처리 대상 가스 내에 함유될 수 있다. 한편, 오일 미스트(oil mist)와 같은 오염 물질은 가스 내에서 오일 액적(예를 들면, 약 1 내지 10 ㎛, 구체적으로 약 2 내지 7 ㎛의 직경을 갖는 오일 액적) 형태로 함유될 수 있다. According to an exemplary embodiment, the pollutant contained in the gas to be treated may be in a form in which at least one of a gas phase, a particle, and a fine droplet is selected. For example, VOCs, hydrocarbons (especially aromatic hydrocarbons such as toluene, hydrocarbons having an unsaturated bond, etc.), aldehydes, etc. may be contained in the gas to be treated as a gas. Meanwhile, contaminants such as oil mist may be contained in the form of oil droplets (eg, oil droplets having a diameter of about 1 to 10 μm, specifically about 2 to 7 μm) in the gas.

상기 오염 물질-함유 가스(대기 가스)는 적어도 하나의 포트(104)를 통하여 반응기(101) 내로 도입될 수 있고, 도입된 가스는 반응기, 구체적으로 반응기 덮개에 부착된 팬 부재(105)의 구동 하에서 반응기 내부 공간에 균일하게 혼합(분포)되도록 하는 것이 바람직할 수 있다. The pollutant-containing gas (atmospheric gas) may be introduced into the reactor 101 through at least one port 104, and the introduced gas is driven by the reactor, specifically, the fan member 105 attached to the reactor cover. It may be desirable to make it uniformly mixed (distributed) in the space inside the reactor.

예시적 구체예에 따르면, 자외선 램프(102)로부터 방출되는 자외선의 조사 강도는, 예를 들면 약 0.1 mW/㎠ 내지 80 kW/㎠, 구체적으로 약 1 mW/㎠ 내지 10 kW/㎠, 보다 구체적으로 약 10 mW/㎠ 내지 1 kW/㎠ 범위일 수 있다. 이와 관련하여, 자외선의 조사 강도는 광 촉매 효율에 영향을 주는 주된 요인 중 하나인 만큼, 전술한 범위 내에서 적절히 조절하는 것이 유리할 수 있으나, 이는 가스 내 오염 물질의 종류, 농도 등에 따라 변화 가능한 만큼, 예시적 의미로 이해될 수 있다. 또한, 조사되는 자외선의 파장은, 예를 들면 약 100 내지 400 nm, 구체적으로 약 180 내지 320 nm, 보다 구체적으로 약 230 내지 280 nm 범위일 수 있다. According to an exemplary embodiment, the irradiation intensity of ultraviolet rays emitted from the ultraviolet lamp 102 is, for example, about 0.1 mW/cm 2 to 80 kW/cm 2, specifically about 1 mW/cm 2 to 10 kW/cm 2, more specifically It may be in the range of about 10 mW/cm 2 to 1 kW/cm 2. In this regard, since the irradiation intensity of ultraviolet rays is one of the main factors affecting the photocatalytic efficiency, it may be advantageous to appropriately control it within the above-described range, but this may vary depending on the type and concentration of pollutants in the gas. , Can be understood in an exemplary sense. In addition, the wavelength of the irradiated ultraviolet rays may be, for example, about 100 to 400 nm, specifically about 180 to 320 nm, and more specifically about 230 to 280 nm.

예시적 구체예에 따르면, 자외선 램프(102)는 무전극식 자외선 램프일 수 있는 바, 무전극식 자외선 램프는 진공관의 내부에 전극을 형성하지 않고 외부에서 고주파를 조사시킴으로써 자외선이 방출되는 원리를 이용하는 것이다. 즉, 진공관 내부에 충전된 수은, 아르곤 등의 가스 상 분자가 여기되어 방전을 일으켜 자외선을 방사하는 방식일 수 있다. 구체적으로, 자외선 램프는 UV LED 타입일 수 있다.According to an exemplary embodiment, the ultraviolet lamp 102 may be an electrodeless ultraviolet lamp, and the electrodeless ultraviolet lamp does not form an electrode inside the vacuum tube, but the principle that ultraviolet rays are emitted by irradiating high frequency from the outside. It is to use. That is, gaseous molecules, such as mercury or argon, charged in the vacuum tube may be excited to generate discharge to emit ultraviolet rays. Specifically, the ultraviolet lamp may be a UV LED type.

예시적 구체예에 따르면, 오염 물질이 함유된 가스와 광 촉매의 접촉 온도는, 예를 들면 약 4 내지 40 ℃, 구체적으로 약 10 내지 35 ℃, 보다 구체적으로 약 15 내지 30 ℃ 범위일 수 있는 바, 촉매 반응 온도는 오염 물질의 종류에 따라 변경될 수 있기 때문에 전술한 범위는 예시적 목적으로 이해될 수 있다. According to an exemplary embodiment, the contact temperature of the pollutant-containing gas and the photocatalyst may range from, for example, about 4 to 40°C, specifically about 10 to 35°C, and more specifically about 15 to 30°C. Bar, since the catalyst reaction temperature can be changed according to the kind of pollutant, the above range can be understood for illustrative purposes.

광 촉매(103)는 전술한 SSNT 기재 또는 지지체의 형상에 따라 다양한 형상, 예를 들면 플레이트, 메시, 튜브 등과 같은 형상의 구조물일 있는 바, 보다 구체적으로는 플레이트 형상으로 적용될 수 있으며, 반응기 내에서 적어도 하나가 배치될 수 있다. The photocatalyst 103 may be a structure having various shapes, for example, plates, meshes, tubes, etc., depending on the shape of the aforementioned SSNT substrate or support, and more specifically, may be applied in a plate shape, and in the reactor At least one may be arranged.

도시된 구체예에 따르면, 반응기(101) 내에서 복수, 구체적으로 한 쌍의 플레이트 형상의 SSNT-기반 광 촉매가 배치되어 있다. 일 예로서, 실린더 형 반응기(101) 내부에서 플레이트 형상의 광 촉매(103)가 서로 대향하면서 수직 배치될 수 있다.According to the illustrated embodiment, in the reactor 101 a plurality, specifically a pair of plate-shaped SSNT-based photocatalysts are disposed. As an example, the plate-shaped photocatalysts 103 may be vertically disposed inside the cylindrical reactor 101 while facing each other.

도시된 구체예에 따르면, 반응기(101) 내로 도입된 가스 중 오염 물질을 효과적으로 제거하기 위하여는 광 촉매(102)를 자외선 램프(102)로부터 균일한 이격 거리를 두고 배치하는 것이 유리할 수 있다. 도시된 예에서는 하나의 자외선 램프(102)가 배치되어 있으나, 경우에 따라서는 반응기 내에 복수의 자외선 램프를 설치할 수도 있다. 또한, 반응기(101) 내에서 자외선 램프(102)의 설치를 용이하게 하기 위하여 홀더(특히, 반응기의 바닥면을 기준으로 종 방향 또는 수직 방향으로 배치할 경우; 도시되지 않음)를 장착하거나, 반응기의 바닥 면에 홈 구조를 형성하여 착탈식으로 고정할 수도 있다(특히, 반응기의 바닥면 상에 횡 방향으로 접촉하면서 배치할 경우; 도시되지 않음). According to the illustrated embodiment, in order to effectively remove pollutants from the gas introduced into the reactor 101, it may be advantageous to dispose the photocatalyst 102 at a uniform distance from the ultraviolet lamp 102. In the illustrated example, one ultraviolet lamp 102 is disposed, but in some cases, a plurality of ultraviolet lamps may be installed in the reactor. In addition, in order to facilitate the installation of the ultraviolet lamp 102 in the reactor 101, a holder (especially, when it is arranged in a longitudinal direction or vertical direction based on the bottom surface of the reactor; not shown), or A groove structure may be formed on the bottom surface of the reactor to be detachably fixed (especially, in the case of placing it in transverse contact on the bottom surface of the reactor; not shown).

도시된 바와 같이 복수 개(구체적으로 한 쌍)의 광 촉매 구조물이 배치되는 예에 있어서, 반응기 내부의 온도 변화가 적도록 자외선 램프를 반응기(101)의 상측 덮개에 배치할 경우에는 그만큼 자외선 램프와 광 촉매간 이격 거리의 증가로 인하여 촉매 효율이 감소할 수 있다.In the example in which a plurality (specifically, a pair) of photocatalytic structures are arranged as shown, when an ultraviolet lamp is disposed on the upper cover of the reactor 101 so that the temperature change inside the reactor is small, the ultraviolet lamp and Catalyst efficiency may decrease due to an increase in the distance between the photocatalysts.

상기의 점을 고려하여, 도시된 구체예에 따르면, 반응기(101)의 중앙 부위에 연장된 길이를 갖는 형상, 예를 들면 봉 또는 바 형상의 자외선 램프(102)를 배치하되, 이때 자외선 램프(102)는 반응기 바닥 면을 기준으로 종 방향(수직 방향)으로 배치될 수 있다. 이러한 자외선 램프(102)의 배치 방식을 통하여, 자외선 램프(102)와 한 쌍의 광 촉매(103) 간에 이격 거리는 균일하게 유지되어 복수의 촉매에서 균일한 광 촉매 효과를 유도함과 동시에 자외선 램프(102)와 광 촉매(103) 간의 이격 거리를 가급적 가깝게 유지함으로써 광 촉매 효율의 저하를 억제할 수 있다. 더욱이, 반응기 내 자외선 램프는 반응기 내에서 온도 변화를 유발하는 바, 이러한 온도 변화(구체적으로 온도 상승)가 처리 대상 가스 내 오염 물질의 농도 계산에 영향을 주기 때문에 광 촉매 반응 조건을 최적화하는데 장애 요인으로 작용할 수 있는 만큼, 전술한 방식으로 광 촉매를 배치하는 것이 유리할 수 있다. In consideration of the above, according to the illustrated embodiment, a shape having an extended length, for example, a rod or bar-shaped UV lamp 102 is disposed at the central portion of the reactor 101, at this time, the UV lamp ( 102) may be disposed in the longitudinal direction (vertical direction) with respect to the bottom of the reactor. Through the arrangement of the UV lamps 102, the separation distance between the UV lamps 102 and the pair of photocatalysts 103 is maintained uniformly to induce a uniform photocatalytic effect in a plurality of catalysts, and at the same time, the UV lamps 102 ) And the photocatalyst 103 may be kept as close as possible to suppress a decrease in photocatalytic efficiency. Moreover, since the UV lamp in the reactor causes a temperature change in the reactor, this temperature change (specifically, a temperature increase) affects the calculation of the concentration of pollutants in the gas to be treated, which is an obstacle to optimizing the photocatalytic reaction conditions. As much as it can act as, it may be advantageous to arrange the photocatalyst in the manner described above.

도시된 구체예에 있어서, 전술한 바와 같이 반응기(101)에는 적어도 하나의 포트(104)가 구비되어 있다. 상기 포트(104)의 1차적인 기능은 오염 물질을 함유하는 처리 대상 가스를 반응기 내부로 도입하는 것인 바, 부가적으로 광 촉매에 의하여 오염 물질의 제거 전, 제거 과정 또는 제거 후, 가스 내 오염 물질의 제거 정도(구체적으로 농도)를 확인하기 위한 샘플 취출 포트로서 기능할 수도 있다. 다만, 경우에 따라서는 별도의 포트를 설치하여 샘플 취출 포트로 사용할 수도 있다.In the illustrated embodiment, the reactor 101 is provided with at least one port 104 as described above. The primary function of the port 104 is to introduce a gas to be treated containing contaminants into the reactor.In addition, before, during or after removal of the contaminant by a photocatalyst, It can also function as a sample take-out port to check the degree of contaminant removal (specifically, the concentration). However, in some cases, a separate port may be installed and used as a sample extraction port.

다른 예시적 구체예에 따르면, 처리 대상 가스 중 오염 물질의 제거를 추가적으로 촉진하기 위하여 선택적으로 오존의 존재 하에서 광 촉매 반응을 수행할 수 있다. 이를 위하여, 오존은 별도의 오존 유입구(도시되지 않음)를 통하여 도입될 수도 있으며, 택일적으로 처리 대상 가스와 함께 반응기(101) 내로 도입할 수 있다. 또한, 오존 주입을 위하여 반응기 외부에 오존 발생기(도시되지 않음)를 추가적으로 구비할 수도 있다.According to another exemplary embodiment, in order to further promote the removal of contaminants from the gas to be treated, a photocatalytic reaction may be selectively performed in the presence of ozone. To this end, ozone may be introduced through a separate ozone inlet (not shown), alternatively, may be introduced into the reactor 101 together with the gas to be treated. In addition, an ozone generator (not shown) may be additionally provided outside the reactor for ozone injection.

이와 같이 오존을 도입함으로써, 처리 대상 가스 내에 오염 물질(예를 들면, 벤젠 등)이 비교적 높은 농도로 존재할 경우, 촉매를 비활성화시키는 현상을 억제할 수 있는 부가적인 효과를 제공할 수 있다. 이때, 광 화학 반응시 반응기 내 오존의 농도는, 예를 들면 약 1 내지 100 ppm, 구체적으로 약 10 내지 80 ppm, 보다 구체적으로 약 30 내지 50 ppm 범위일 수 있다.By introducing ozone as described above, when a contaminant (eg, benzene, etc.) is present in a relatively high concentration in the gas to be treated, it is possible to provide an additional effect of suppressing the phenomenon of deactivating the catalyst. At this time, the concentration of ozone in the reactor during the photochemical reaction may range from, for example, about 1 to 100 ppm, specifically about 10 to 80 ppm, and more specifically about 30 to 50 ppm.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 명확히 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적에 불과하며 발명의 영역을 제한하고자 하는 것은 아니다. The present invention may be more clearly understood by the following examples, and the following examples are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the invention.

실시예 1Example 1

스테인리스 스틸 나노튜브(SSNT) 기재의 제조Preparation of stainless steel nanotube (SSNT) substrate

스테인리스 스틸(포스코사) 기재에 대하여 양극 산화 프로세스를 통하여 표면에 다공성이 형성된 스테인리스 스틸 나노튜브(SSNT) 기재를 제조하였다. 상기 SSNT 기재의 치수는 10 ㎝ × 4 ㎝이었고, 다공성 형성을 위한 양극 산화 프로세스는 하기 공정 조건에 의해서 수행하였다.A stainless steel nanotube (SSNT) substrate having porosity formed on the surface of a stainless steel (POSCO) substrate was prepared through an anodizing process. The size of the SSNT substrate was 10 cm x 4 cm, and the anodizing process for forming porosity was performed according to the following process conditions.

양극 산화용 반응기 내부를 5 ℃로 일정하게 유지하기 위하여, 항온기를 이용한 순환형 이중자켓 및 교반기가 구비된 반응기(4 L) 내에 전해질로서 과염소산 수용액(농도: 5 체적%)을 투입하고, 스테인리스 스틸 기재를 침지시켰다. 이후, 스테인리스 스틸 기재를 양극으로 하여 50 V의 전압을 인가하여 양극 산화 반응 과정에서 일정하게 유지하였다. 이때, 양극 산화 반응은 150 rpm의 교반 조건 하에서 20 분에 걸쳐 수행하였다. 또한, 음극으로서 백금을 사용하였다.In order to keep the inside of the anodic oxidation reactor constant at 5°C, an aqueous perchloric acid solution (concentration: 5% by volume) was added as an electrolyte into a reactor (4 L) equipped with a circulating double jacket using a thermostat and a stirrer, and stainless steel The substrate was immersed. Thereafter, a voltage of 50 V was applied using a stainless steel substrate as an anode, and the resultant was kept constant during the anodization reaction. At this time, the anodic oxidation reaction was carried out over 20 minutes under stirring conditions of 150 rpm. In addition, platinum was used as the negative electrode.

상기 양극 산화처리된 기재를 전계방출형 주사전자현미경 (FE-SEM)에 의하여 관찰하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 상기 도면으로부터 스테인리스 스틸 기재의 표면에 다공성의 나노튜브 구조가 형성되었음을 확인하였다. 이때, 형성된 나노포어는 20 nm의 평균 직경, 그리고 78 nm의 평균 깊이를 갖고 있고, 나노포어의 밀도는 220개/㎛2 수준이었는 바, 특히 가스 상 오염물질에 적합한 포어사이즈를 갖고 있음을 확인할 수 있다.The anodized substrate was observed with a field emission scanning electron microscope (FE-SEM), and the results are shown in FIG. 3. From the above drawing, it was confirmed that a porous nanotube structure was formed on the surface of the stainless steel substrate. At this time, the formed nanopores had an average diameter of 20 nm and an average depth of 78 nm, and the density of the nanopores was at the level of 220 pieces/µm 2 , and in particular, it was confirmed that it had a pore size suitable for gaseous pollutants. I can.

SSNT 기재 상에 Ti 나노입자가 부착된 광 촉매(광 촉매-1)의 제조Preparation of photocatalyst (photocatalyst-1) with Ti nanoparticles attached on SSNT substrate

금속 전구체로서 0.2 M의 티타늄 이소프로폭사이드를 첨가한 금속 전구체 수용액(0.5 L)을 제조하였다. A metal precursor aqueous solution (0.5 L) to which 0.2 M of titanium isopropoxide was added as a metal precursor was prepared.

이후, 앞서 제조된 SSNT 기재를 상온에서 침지시킨 후에 상기 수용액에 0.2 M의 수산화암모늄(Sigma-Aldrich사)을 첨가하여 60분 동안 반응시켰다. 이와 같이 환원 처리된 SSNT 기재를 증류수와 에탄올로 세척한 후에 Ti 나노입자가 SSNT 기재의 나노포어 내에 부착(담지)된 상태를 확인하기 위하여 에너지-분산 X-선 스펙트로스코피(EDX)를 이용하여 분석하였으며, 그 결과를 도 4a에 나타내었다. 상기 도면으로부터, SSNT 기재의 표면에 형성된 나노사이즈의 포어 내에 티타늄(Ti) 나노입자가 성공적으로 부착되어 있음을 확인할 수 있다.Then, after immersing the previously prepared SSNT substrate at room temperature, 0.2 M of ammonium hydroxide (Sigma-Aldrich) was added to the aqueous solution and reacted for 60 minutes. After washing the reduced SSNT substrate with distilled water and ethanol, analysis using energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) to confirm the attached (supported) state of Ti nanoparticles in the nanopores of the SSNT substrate. And the results are shown in FIG. 4A. From the above drawing, it can be seen that titanium (Ti) nanoparticles are successfully attached to nano-sized pores formed on the surface of the SSNT substrate.

전자전달 매개체가 도핑된 SSNT 기재 상에 Ti 나노입자가 부착된 광 촉매(광 촉매-2)의 제조Preparation of photocatalyst (photocatalyst-2) with Ti nanoparticles attached on SSNT substrate doped with electron transport mediator

시트르산 파우더(99%; Sigma-Aldrich사)를 220℃에서 40분 동안 열 분해하여 액상화한 후, 이를 0.25 M NaOH 수용액에 첨가하였으며, 후속적으로 pH 7에 도달할 때까지 1 N NaOH 수용액을 첨가하여 적정하였다. Citric acid powder (99%; Sigma-Aldrich) was thermally decomposed at 220° C. for 40 minutes to liquefy, and then it was added to 0.25 M NaOH aqueous solution, followed by addition of 1 N NaOH aqueous solution until pH 7 was reached. And it was titrated.

이후, 전자전달 매개체를 0.01 중량%로 함유하도록 조절된 수계 용액(또는 수계 분산물) 내에서 앞서 제조된 SSNT 기재를 1시간 동안 상온에서 침적(침지)시킴으로써 전자전달 매개체를 도핑하였다. Thereafter, the previously prepared SSNT substrate was immersed (immersed) at room temperature for 1 hour in an aqueous solution (or aqueous dispersion) adjusted to contain 0.01% by weight of the electron transport medium, thereby doping the electron transport medium.

이와 별도로, 금속 전구체로서 0.2 M의 티타늄 이소프로폭사이드를 첨가한 금속 전구체 수용액(0.5 L)을 제조하였다. 그 다음, 전자전달 매개체로 도핑된 SSNT 기재를 상온에서 침지시킨 후에 금속 전구체 수용액에 0.2 M의 수산화암모늄(Sigma-Aldrich사)을 첨가하여 60분 동안 반응시켰다. 이와 같이 환원 처리된 SSNT 기재를 증류수와 에탄올로 세척한 후에 Ti 나노입자가 SSNT 기재의 나노포어 내에 부착(담지)된 상태를 확인하기 위하여 에너지-분산 X-선 스펙트로스코피(EDX)를 이용하여 분석하였으며, 그 결과를 도 4b에 나타내었다. 상기 도면으로부터, SSNT 기재의 표면에 형성된 나노사이즈의 포어 내에 티타늄(Ti) 나노입자와 전자전달 매개체(C)가 성공적으로 부착되어 있음을 확인할 수 있다.Separately, an aqueous metal precursor solution (0.5 L) to which 0.2 M of titanium isopropoxide was added as a metal precursor was prepared. Then, after immersing the SSNT substrate doped with the electron transport medium at room temperature, 0.2 M ammonium hydroxide (Sigma-Aldrich) was added to the aqueous metal precursor solution, and reacted for 60 minutes. After washing the reduced SSNT substrate with distilled water and ethanol, analysis using energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) to confirm the attached (supported) state of Ti nanoparticles in the nanopores of the SSNT substrate. And the results are shown in Fig. 4b. From the above drawing, it can be seen that titanium (Ti) nanoparticles and electron transport mediator (C) are successfully attached in nano-sized pores formed on the surface of the SSNT substrate.

가스 중 오염 물질에 대한 스테인리스 스틸 나노튜브(SSNT) 기반의 광 촉매의 성능 테스트Performance test of stainless steel nanotube (SSNT) based photocatalyst against pollutants in gas

- 테스트용 물질 및 장치-Test materials and devices

(i) 벤젠(>99%) 및 스티렌(>99%) 각각은 Sigma-Aldrich사로부터 입수하였다.(i) Benzene (>99%) and styrene (>99%), respectively, were obtained from Sigma-Aldrich.

(ii) 알데히드 가스 혼합물은 도 5에 도시한 폴리에스테르 알루미늄 백에 함유된 상태 그대로 사용하였다. 사용된 알데히드 가스 혼합물의 조성은 하기 표 2와 같다.(ii) The aldehyde gas mixture was used as it was contained in the polyester aluminum bag shown in FIG. 5. The composition of the aldehyde gas mixture used is shown in Table 2 below.

성분ingredient 농도(ppm)Concentration (ppm) 아세트알데히드Acetaldehyde 99.699.6 프로피온알데히드Propionaldehyde 20.120.1 부틸알데히드Butylaldehyde 18.618.6 발렐알데히드Valelaldehyde 15.115.1 이소발렐알데히드 Isovarelaldehyde 19.619.6

또한, 도 6에 도시된 공기 차단 용기에 벤젠 및 스티렌 각각을 투입하고 60℃에서 2 시간 동안 가열하여 벤젠 및 스티렌 각각의 증기를 얻었다. In addition, benzene and styrene were each added to the air blocking container shown in FIG. 6 and heated at 60° C. for 2 hours to obtain vapors of benzene and styrene.

(iii) 반응기(iii) reactor

본 실시예에서 사용된 반응기는 밀폐된 챔버형(실린더 형상) 반응기로서 도 7a 및 도 7b에 나타낸 구조를 갖고 있다. 상기 반응기는 단일 자외선 램프(출력: 4W, 파장: 254 nm), 2개의 플레이트형 촉매 구조물(촉매 구조물 사이즈: 10 cm x 4 cm, 전체 표면적: 80 ㎠), 가스 주입 및 소정 시간 후 샘플링용 단일 포트 및 혼합용 단일 팬을 포함하였다. 또한, 챔버의 높이, 챔버 직경, 및 반응기 체적은 각각 12 ㎝, 20 ㎝ 및 3770 ㎤(3.77 L)이었다.The reactor used in this embodiment is a closed chamber type (cylinder-shaped) reactor and has the structure shown in Figs. 7A and 7B. The reactor is a single UV lamp (output: 4W, wavelength: 254 nm), two plate-shaped catalyst structures (catalyst structure size: 10 cm x 4 cm, total surface area: 80 cm2), gas injection and a single for sampling after a predetermined time Included a pot and a single pan for mixing. In addition, the height of the chamber, the chamber diameter, and the reactor volume were 12 cm, 20 cm and 3770 cm 3 (3.77 L), respectively.

- 샘플의 주입-Sample injection

반응기로 공기 밀봉 실(air tight seal)을 이용하여 밀폐시켰다. 벤젠 및 스티렌의 경우, 120 mL의 가스를 샘플 주입 포트를 통하여 반응기 내로 주입하였다. 벤젠 및 스티렌은 개별 혼합물로 제조되므로 반응기 내 초기 농도는 정확하게 결정될 수 없었다. 반면, 표준 알데히드 가스 혼합물의 농도는 알려져 있는 바, 반응기 내 초기 농도는 165 ppm이었다.The reactor was sealed using an air tight seal. In the case of benzene and styrene, 120 mL of gas was injected into the reactor through the sample injection port. Since benzene and styrene are prepared as separate mixtures, the initial concentration in the reactor could not be accurately determined. On the other hand, the concentration of the standard aldehyde gas mixture was known, and the initial concentration in the reactor was 165 ppm.

- 샘플 분석 절차 -Sample analysis procedure

화염 이온화 검출기(flame ionization detector: FID)가 구비된 YL-6100 가스 크로마토그래피 시스템을 하용하여 반응기 내부의 오염 물질의 농도 변화를 분석하였다. 각각의 분석을 위하여, 샘플 1000 ㎕를 반응기로부터 취출하여 GC 주입 포트내로 주입하였다. 1 내지 5 시간의 규칙적 시간 간격을 두고 샘플을 취출하였다(T0, T1, T2, T3, T4, 및 T5). 또한, 3개의 가스 상 샘플 각각에 대하여 2가지 실험을 수행하였다(UV/SSNT-기반 촉매 시스템의 존재 및 부존재).A YL-6100 gas chromatography system equipped with a flame ionization detector (FID) was used to analyze the change in the concentration of contaminants in the reactor. For each analysis, 1000 μl of a sample was taken out of the reactor and injected into the GC injection port. Samples were taken at regular time intervals of 1 to 5 hours (T0, T1, T2, T3, T4, and T5). In addition, two experiments were performed for each of the three gas phase samples (with and without UV/SSNT-based catalyst system).

분석에 사용된 GC-FID 파라미터를 하기 표 3(알데히드류) 및 표 4(벤젠 및 스티렌)에 나타내었다.The GC-FID parameters used in the analysis are shown in Table 3 (aldehydes) and Table 4 (benzene and styrene) below.

구성 부재Component 세부 사항Detail 검출기(detecter)Detector FIDFID 컬럼column 모세관 알루미나Capillary alumina 컬럼 길이Column length 50 m50 m 컬럼 직경Column diameter 0.53 mm0.53 mm 인젝터 온도Injector temperature 200 ℃200 ℃ 컬럼 온도Column temperature 45 ℃45 검출기 온도Detector temperature 200 ℃200 ℃ 캐리어 가스Carrier gas 헬륨helium

구성 부재Component 세부 사항Detail 검출기(detecter)Detector FIDFID 컬럼column 모세관 알루미나Capillary alumina 컬럼 길이Column length 50 m50 m 컬럼 직경Column diameter 0.53 mm0.53 mm 인젝터 온도Injector temperature 220 ℃220 ℃ 컬럼 온도Column temperature 80 ℃80 ℃ 검출기 온도Detector temperature 250 ℃250 ℃ 캐리어 가스Carrier gas 헬륨helium

- 테스트 결과-Test result

가스 중 오염 물질에 대한 광 촉매 활성 평가 결과를 도 8a 내지 도 8d에 나타내었다.The photocatalytic activity evaluation results for pollutants in gas are shown in FIGS. 8A to 8D.

상기 도면에 따르면, 광 촉매의 부존재 하에서 오염 물질의 농도는 유의미한 수준으로 감소되지 않았다. 그러나, SSNT-기반의 광 촉매/자외선 시스템을 적용할 경우, 벤젠, 스티렌 및 알데히드류 각각에 대한 분해율은 43%, 64% 및 49%이었다.According to the figure, the concentration of pollutants in the absence of the photocatalyst was not reduced to a significant level. However, when applying the SSNT-based photocatalyst/ultraviolet system, the decomposition rates for benzene, styrene and aldehydes were 43%, 64% and 49%, respectively.

실시예 2Example 2

오일 미스트의 분해 성능 평가Oil mist decomposition performance evaluation

실시예 1에서 제조된 SSNT-기반의 광 촉매(광 촉매-1)를 이용하여 대기 오염 물질로서 실내에서 요리 시 발생하는 오일 미스트에 대한 분해 테스트를 수행하였다. 그 결과를 도 9에 나타내었다. 이와 함께, 자외선만을 조사한 경우(광 촉매를 사용하지 않음), 광 촉매만을 사용한 경우(자외선을 조사하지 않음), 그리고 자외선 조사 및 광 촉매를 모두 적용하지 않은 경우에 따른 평가 결과를 비교 목적으로 나타내었다.A decomposition test was performed on oil mist generated during cooking indoors as an air pollutant using the SSNT-based photo catalyst (photo catalyst-1) prepared in Example 1. The results are shown in FIG. 9. In addition, the evaluation results for the case where only ultraviolet rays were irradiated (no photocatalyst was used), only the photocatalyst was used (the ultraviolet rays were not irradiated), and both ultraviolet rays and photocatalysts were not applied are shown for comparison purposes. Done.

상기 도면을 참조하면, SSNT 기반의 광 촉매(광 촉매-1)에 자외선 조사 시 오일 미스트의 제거 효율이 가장 높음을 알 수 있다.Referring to the drawing, it can be seen that the removal efficiency of oil mist is highest when UV irradiation to the SSNT-based photocatalyst (photocatalyst-1).

한편, 복수 회의 오일 미스트 제거 반응에 SSNT 기반의 광 촉매를 반복 적용하여 반복 사용 가능성을 평가하였으며, 그 결과를 도 10에 나타내었다.On the other hand, the possibility of repeated use was evaluated by repeatedly applying an SSNT-based photocatalyst to a plurality of oil mist removal reactions, and the results are shown in FIG. 10.

상기 도면에 따르면, 재사용 회수와 상관없이 광 촉매는 실질적으로 일정한 제거 효율을 나타내었는 바, 이는 사용 전·후의 광 촉매의 특성에 큰 차이가 나타나지 않아 반영구적인 사용이 가능하다는 점을 시사한다.According to the drawing, the photocatalyst exhibited a substantially constant removal efficiency regardless of the number of reuses, which suggests that there is no significant difference in the characteristics of the photocatalyst before and after use, so that semi-permanent use is possible.

실시예 3 Example 3

실시예 1에서 제조된 SSNT-기반의 광 촉매(광 촉매-2)에 대하여 대기 오염 물질로서 공기청정기협회에서 지정한 5종의 악취가스(포름알데히드, 암모니아, 아세트알데히드, 아세트산 및 톨루엔)에 대한 분해 테스트를 수행하였다. 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.Decomposition of 5 types of malodorous gases (formaldehyde, ammonia, acetaldehyde, acetic acid and toluene) designated by the Air Purifier Association as air pollutants for the SSNT-based photocatalyst (photocatalyst-2) prepared in Example 1 The test was carried out. The results are shown in Table 5 below.

Figure 112018126197728-pat00002
Figure 112018126197728-pat00002

상기 표를 참조하면, SSNT 기재에 전자전달 매개체 및 Ti를 도핑한 광 촉매를 이용한 시스템에 의하여 대기 오염 물질들이 효과적으로 제거됨을 확인할 수 있다.Referring to the above table, it can be seen that air pollutants are effectively removed by a system using a photocatalyst doped with an electron transport medium and Ti on the SSNT substrate.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로, 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.All simple modifications to changes of the present invention belong to the scope of the present invention, and the specific scope of protection of the present invention will become apparent by the appended claims.

Claims (20)

가스 내 오염 물질의 제거 방법으로서,
광 촉매를 제공하는 단계; 및
가스 상, 입자 및 미세 액적 중 적어도 하나가 선택되는 형태의 오염 물질이 함유된 가스를 자외선 조사 하에서 상기 광 촉매와 접촉시켜 상기 가스 내 오염 물질을 산화 제거하는 단계를 포함하며,
여기서, 상기 광 촉매는,
표면에 복수 개의 나노포어가 형성된 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체;
상기 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체의 표면에 형성된 복수 개의 나노포어 내부에 도핑된, 0.5 내지 2 nm 사이즈의 입자 형태를 갖는 전자전달 매개체; 및
상기 전자전달 매개체가 도핑된 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체의 나노포어에 담지된 금속 나노입자를 포함하며,
상기 나노포어 사이즈는 10 내지 60 nm이고, 나노포어 사이즈 : 나노포어의 깊이의 비는 0.05 내지 0.8 : 1인 방법.
As a method of removing contaminants in gas,
Providing a photo catalyst; And
Including the step of oxidizing and removing contaminants in the gas by contacting a gas containing contaminants in a form of at least one of a gas phase, particles, and fine droplets selected with the photocatalyst under UV irradiation,
Here, the photocatalyst is,
A stainless steel nanotube support having a plurality of nanopores formed on the surface thereof;
An electron transport medium having a particle size of 0.5 to 2 nm, doped inside a plurality of nanopores formed on the surface of the stainless steel nanotube support; And
Including metal nanoparticles supported on nanopores of a stainless steel nanotube support doped with the electron transport medium,
The nanopore size is 10 to 60 nm, the nanopore size: the ratio of the depth of the nanopores is 0.05 to 0.8: 1.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 전자전달 매개체는 그래핀, 그래핀 산화물 또는 이의 조합인 것을 특징으로 하는 방법. The method of claim 1, wherein the electron transport medium is graphene, graphene oxide, or a combination thereof. 제3항에 있어서, 금속 나노입자 : 전자전달 매개체의 중량 비는 10 내지 150 : 1의 범위인 것을 특징으로 하는 방법. The method of claim 3, wherein the weight ratio of the metal nanoparticle: the electron transport medium is in the range of 10 to 150:1. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노포어의 깊이는 40 내지 200 nm 범위인 것을 특징으로 하는 가스 내 오염 물질의 제거 방법.The method of any one of claims 1, 3 and 4, wherein the depth of the nanopores is in the range of 40 to 200 nm. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체에 형성된 나노포어의 밀도는 100 내지 500개/㎛2 범위인 것을 특징으로 하는 가스 내 오염 물질의 제거 방법.The method of claim 1, wherein the density of the nanopores formed on the stainless steel nanotube support is in the range of 100 to 500/µm 2 . 제1항에 있어서, 나노포어의 사이즈 : 금속 나노입자의 사이즈의 비는 1 내지 10 : 1의 범위인 것을 특징으로 하는 가스 내 오염 물질의 제거 방법.The method of claim 1, wherein the ratio of the size of the nanopores to the size of the metal nanoparticles is in the range of 1 to 10:1. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 나노입자는 은(Ag), 티타늄(Ti), 이의 혼합물 및 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 가스 내 오염 물질의 제거 방법.According to any one of claims 1, 3, and 4, the metal nanoparticles are selected from the group consisting of silver (Ag), titanium (Ti), mixtures and alloys thereof. Methods of removal of substances. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오염 물질은 환원 황 화합물, 알데히드계 화합물 및 VOC로 이루어진 군으로부터 적어도 하나가 선택되는 것을 특징으로 하는 가스 내 오염 물질의 제거 방법.The method of any one of claims 1, 3 and 4, wherein the pollutant is at least one selected from the group consisting of reduced sulfur compounds, aldehyde compounds, and VOCs. Way. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자외선의 조사 강도는 0.1 mW/㎠ 내지 80 kW/㎠ 범위인 것을 특징으로 하는 가스 내 오염 물질의 제거 방법.The method of any one of claims 1, 3, and 4, wherein the irradiation intensity of the ultraviolet rays is in the range of 0.1 mW/cm 2 to 80 kW/cm 2. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오염 물질이 함유된 가스와 광 촉매의 접촉 온도는 4 내지 40 ℃ 범위인 것을 특징으로 하는 가스 내 오염 물질의 제거 방법.The method of any one of claims 1, 3 and 4, wherein the contact temperature between the gas containing the pollutant and the photocatalyst is in the range of 4 to 40°C. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오염 물질이 함유된 가스의 상대 습도는 적어도 15 %인 것을 특징으로 하는 가스 내 오염 물질의 제거 방법.The method according to any one of claims 1, 3, and 4, wherein the relative humidity of the gas containing the pollutant is at least 15%. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오염 물질이 함유된 가스와 광 촉매의 접촉은 오존의 존재 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 가스 내 오염 물질의 제거 방법.The method of any one of claims 1, 3 and 4, wherein the contact of the gas containing the pollutant and the photocatalyst is performed in the presence of ozone. 반응기;
가스 상, 입자 및 미세 액적 중 적어도 하나가 선택되는 형태의 오염 물질이 함유된 가스를 반응기 내로 도입하기 위한 적어도 하나의 포트;
상기 반응기 내에서 가스를 혼합하기 위한 팬 부재;
상기 반응기 내에서 상기 오염 물질이 함유된 가스와 접촉하도록 배치된 적어도 하나의 광 촉매; 및
상기 광 촉매에 자외선을 조사하도록 반응기 내에 구비된 자외선 램프;
를 포함하며,
상기 광촉매는,
표면에 복수 개의 나노포어가 형성된 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체;
상기 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체의 표면에 형성된 복수 개의 나노포어 내부에 도핑된, 0.5 내지 2 nm 사이즈의 입자 형태를 갖는 전자전달 매개체; 및
상기 전자전달 매개체가 도핑된 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체의 나노포어에 담지된 금속 나노입자를 포함하며,
상기 나노포어 사이즈는 10 내지 60 nm이고, 나노포어 사이즈 : 나노포어의 깊이의 비는 0.05 내지 0.8 : 1인 가스 내에 함유된 오염 물질의 제거 장치.
Reactor;
At least one port for introducing into the reactor a gas containing contaminants in a form in which at least one of a gas phase, particles and fine droplets is selected;
A fan member for mixing gases in the reactor;
At least one photocatalyst arranged to contact the gas containing the pollutant in the reactor; And
An ultraviolet lamp provided in the reactor to irradiate ultraviolet light to the photocatalyst;
Including,
The photocatalyst,
A stainless steel nanotube support having a plurality of nanopores formed on the surface thereof;
An electron transport medium having a particle size of 0.5 to 2 nm, doped inside a plurality of nanopores formed on the surface of the stainless steel nanotube support; And
Including metal nanoparticles supported on nanopores of a stainless steel nanotube support doped with the electron transport medium,
The nanopore size is 10 to 60 nm, and the ratio of the nanopore size: the depth of the nanopores is 0.05 to 0.8: 1. An apparatus for removing contaminants contained in a gas.
제15항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광 촉매는 실린더 형의 반응기 내에 플레이트형 구조물 형태로 서로 대향하도록 배치된 한 쌍의 광 촉매이며, 그리고
상기 자외선 램프는 상기 반응기의 중앙 부위에 연장된 길이를 갖는 형상으로 반응기 바닥 면을 기준으로 종 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 가스 내에 함유된 오염 물질의 제거 장치.
The method of claim 15, wherein the at least one photocatalyst is a pair of photocatalysts arranged to face each other in a plate-like structure in a cylindrical reactor, and
The ultraviolet lamp is a device for removing contaminants contained in gas, characterized in that the ultraviolet lamp is disposed in a longitudinal direction with respect to the bottom of the reactor in a shape having an extended length at the center of the reactor.
제16항에 있어서, 상기 장치는 오존을 반응기 내로 도입하기 위한 오존 유입구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 내에 함유된 오염 물질의 제거 장치.18. The apparatus of claim 16, wherein the apparatus further comprises an ozone inlet for introducing ozone into the reactor. 표면에 복수 개의 나노포어가 형성된 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체;
상기 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체의 표면에 형성된 복수 개의 나노포어 내부에 도핑된, 0.5 내지 2 nm 사이즈의 입자 형태를 갖는 전자전달매개체; 및
상기 전자전달 매개체가 도핑된 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체의 나노포어에 담지된 금속 나노입자를 포함하며,
상기 나노포어 사이즈는 10 내지 60 nm이고, 나노포어 사이즈 : 나노포어의 깊이의 비는 0.05 내지 0.8 : 1인 가스 내 오염 물질을 산화 제거용 광 촉매.
A stainless steel nanotube support having a plurality of nanopores formed on the surface thereof;
An electron transport medium having a particle shape of 0.5 to 2 nm, doped inside a plurality of nanopores formed on the surface of the stainless steel nanotube support; And
Including metal nanoparticles supported on nanopores of a stainless steel nanotube support doped with the electron transport medium,
The nanopore size is 10 to 60 nm, the nanopore size: the ratio of the depth of the nanopores is 0.05 to 0.8: 1 Photo catalyst for oxidizing and removing pollutants in the gas.
a) 표면에 복수 개의 나노포어가 형성된 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체를 제공하는 단계;
b) 이와 별도로, 전자전달 매개체를 함유하는 수계 용액 또는 수계 분산물을 제공하는 단계;
c) 상기 전자전달 매개체를 함유하는 수계 용액 또는 수계 분산물에 상기 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체를 침적시킴으로써 상기 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체의 표면에 전자전달 매개체를 도핑하는 단계;
d) 상기 전자전달 매개체가 도핑된 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체의 나노포어에 금속 나노입자를 담지하는 단계;
를 포함하며,
상기 단계 b)는 전자전달 매개체의 전구체를 200 내지 300℃의 온도에서 열 분해하여 전자전달 매개체로 전환시키는 단계를 포함하고,
상기 전자전달 매개체는 그래핀, 그래핀 산화물 또는 이의 조합인, 가스 내에 함유된 오염 물질의 제거를 위한 광 촉매의 제조방법.
a) providing a stainless steel nanotube support having a plurality of nanopores formed on the surface;
b) separately from this, providing an aqueous solution or aqueous dispersion containing an electron transport medium;
c) doping an electron transport medium onto the surface of the stainless steel nanotube support by immersing the stainless steel nanotube support in an aqueous solution or dispersion containing the electron transport medium;
d) supporting metal nanoparticles in the nanopores of the stainless steel nanotube support doped with the electron transport medium;
Including,
The step b) includes converting the precursor of the electron transport medium into an electron transport medium by thermally decomposing the precursor at a temperature of 200 to 300°C,
The electron transport medium is graphene, graphene oxide, or a combination thereof, a method of manufacturing a photocatalyst for removing contaminants contained in a gas.
제19항에 있어서, 상기 전자전달 매개체의 전구체는 시트르산, 락트산 또는 이의 조합인 것을 특징으로 하는 광 촉매의 제조방법.The method of claim 19, wherein the precursor of the electron transport medium is citric acid, lactic acid, or a combination thereof.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007061806A (en) 2005-08-03 2007-03-15 Konica Minolta Business Expert Inc Method for removing volatile organic compound
JP2009521282A (en) * 2005-12-23 2009-06-04 ユニバーシティ オブ ノース ダコタ Photocatalytic fluidized bed air purifier
KR101726039B1 (en) * 2015-04-08 2017-04-12 한양대학교 산학협력단 Catalyst for wastewater treatment, method for preparing the catalyst, and device for wastewater treatment including the catalyst

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130012747A (en) * 2011-07-26 2013-02-05 한양대학교 산학협력단 Complex of nano zero valent iron and titanium dioxide nanotube and the fabrication method thereof
KR101802564B1 (en) * 2014-09-17 2017-12-28 한양대학교 산학협력단 Water Treatment Apparatus Using The Stainless Steel Nanotube
KR101824304B1 (en) * 2015-08-26 2018-02-01 울산대학교 산학협력단 Composite hollow sphere and method for producing the same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007061806A (en) 2005-08-03 2007-03-15 Konica Minolta Business Expert Inc Method for removing volatile organic compound
JP2009521282A (en) * 2005-12-23 2009-06-04 ユニバーシティ オブ ノース ダコタ Photocatalytic fluidized bed air purifier
KR101726039B1 (en) * 2015-04-08 2017-04-12 한양대학교 산학협력단 Catalyst for wastewater treatment, method for preparing the catalyst, and device for wastewater treatment including the catalyst

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