KR102438310B1 - 중공사형 광촉매 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 TiO2가 코팅된 세라믹 중공사형 광촉매 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상전이법으로 만든 세라믹 중공사 지지체를 TiO2 코팅 용액으로 딥코팅하여 제조하고, 이를 수중 유기물 분해를 위한 광촉매 반응기에 응용하는 기술에 관한 것이다.
Description
본 발명은 실리콘계 바인더와 이산화티타늄 나노입자를 포함하는 중공사형 광촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
과학기술과 산업의 발전에 따라 삶의 질이 향상되고 편리한 생활이 가능해졌으나, 그 이면에는 환경오염과 인구 증가로 인하여 물 부족 문제가 전 세계적으로 심화되고 있는 실정이다. 따라서 다양한 형태의 수자원을 확보하기 위한 기술이 개발되어오고 있다. 특히, 최근에는 하수처리수 재이용과 해수담수화 기술이 현실적인 대안으로 주목받고 있다. 하수처리수 재이용은 하수처리시설을 거친 폐수를 용수로 활용하는 기술로써, 상수 사용량의 절감과 동시에 하수처리장의 오염 배출량 저감을 통해 수자원의 효율적인 이용이 가능할 것으로 기대되고 있다. 기존의 하수처리수 재이용 기술은 화학적, 생물학적 처리방법과 오존 산화법, 그리고 정밀여과, 한외여과법, 역삼투법 등 막을 이용한 기술이 있으나, 고가의 처리비용과 유지비용이 발생하며, 공정 운전 조건이 복잡하다는 단점이 존재한다. 따라서 저비용-고효율의 하수처리수 재이용 기술에 대한 필요성이 제기되고 있으며, 하수 내 난분해성 물질까지도 안전하고 완벽하게 처리 가능한 광촉매를 이용한 공정이 주목받고 있다. 광촉매/UV 공정은 강력한 라디칼을 생성시켜 수중 또는 대기 중의 유기물을 산화시키고 물이나 이산화탄소로 분해시키는 공정으로, 2차 오염물질 발생 없이 효율적으로 유기화합물을 분해할 수 있는 친환경 고도산화기술(advanced oxidation process: AOP)이다.
광촉매는 빛을 받아서 광화학반응을 가속화시키는 물질을 통칭한다. 밴드갭 에너지(band gap) 이상의 빛을 받아 전자가 가전도대(valence band)에서 전도대(conduction band)로 튀어올라 전기전도도가 증가할 수 있는 물질을 광반도체라고 하며, 이를 유기물 분해를 위한 광촉매 공정에 적용하기 위한 연구가 수행되어오고 있다. TiO2, SiO2, ZnO, WO3, Cds, ZnS 등의 금속산화물과 SrTiO3, BaTiO3 등의 페롭스카이트 소재가 광촉매 효과를 나타내는 것으로 알려져 있다. 특히, TiO2는 높은 산화·환원력과 더불어 광촉매능이 뛰어나고, 가격이 저렴할 뿐만 아니라 물리화학적으로 매우 안정하며, 인체에 무해한 물질로 알려져 있기 때문에 다양한 분야에서 많은 연구가 수행되어오고 있다.
TiO2는 아나타제(anatase), 루타일(rutile), 브루카이트(brookite) 등의 결정상 형태로 존재할 수 있으며, 이 중에서 광촉매 활성이 높은 아나타제와 루타일상의 TiO2가 상업적으로 널리 활용되고 있다. 아나타제와 루타일상 TiO2는 밴드갭 에너지가 각각 3.2 eV와 3.0 eV로써, 파장이 400 nm 이하인 자외선 영역에서 광촉매의 활성이 나타난다(비특허문헌 1). 도 1과 같이 TiO2 표면에 밴드갭 에너지 이상의 빛 에너지가 조사되면 가전도대에 있는 전자가 전도대로 전이하면서, 전자(e-)와 정공(h+) 쌍이 생성된다. 가전도대에서 생성되는 정공은 산화반응에 기여하며, 표면에 흡착된 물 분자와 반응하여 하여 hydroxyl 라디칼(·OH)을 생성시키거나 직접 반응을 통하여 유기물을 산화시킨다. 전도대에서 생성되는 전자는 산소분자의 환원반응을 일으켜 superoxide 이온(·O2 -).을 형성하고, 몇 단계의 반응을 통하여 hydroxyl 라디칼을 생성시킨다. 정공과 전자에 의해서 생성된 hydoxyl 라디칼에 의해 유기물이 이산화탄소와 물로 분해될 수 있다.
이와 같은 특징과 장점을 가진 광촉매는 물과 대기 오염물질 제거를 위한 지속 가능한 기술로 주목받고 있다. 최근에는 태양광을 효율적으로 활용하고, 광촉매의 특성을 높이기 위해서 가시광선 영역에서 활성을 갖도록 처리하거나 비표면적 증가를 위해서 촉매를 고정화하는 연구가 활발히 수행되고 있다. 특히 분말 형태의 광촉매를 반응기에 분산하여 사용하면 추가적인 분리 공정을 적용해도 회수 및 유지가 어렵고, 공정 운전비용 상승을 야기한다. 다공성 세라믹 중공사를 지지체로 하여 광촉매를 제조하였을 때 고분자 중공사의 한계점인 열적 및 화학적 안정성을 가지며, 유리기재와 금속기재에 비하여 넓은 비표면적을 통하여 높은 충진율을 가질 수 있다. 광촉매 고정화 방법은 스프레이법, 파이로졸법, CVD법, 딥코팅법, 스핀코팅법, 롤코팅법, 스크린 인쇄법 등이 있으며, 가장 대중화된 방법은 TiO2 콜로이드 용액을 만들어 스프레이법이나 딥코팅법으로 지지체에 피막을 형성시키는 방법이다. TiO2 코팅층과 지지체와의 결합력을 높이기 위하여 바인더를 사용하거나 고온으로 가열하여 TiO2와 지지체 입자를 소성하여 고정화할 수 있다. 단, 유기 바인더는 400 nm 이하의 파장광에서 TiO2에 의해 분해될 수 있으므로 적용이 불가능 하다.
Jia, J., Li, D., Wan, J., and Yu, X. "Characterization and Mechanism Analysis of graphite/C-doped TiO2 Composite for Enhanced Photocatalytic Performance", J. Ind. Eng. Chem., 33, 162-169(2016).
이에 본 연구에서는 기존의 하수처리 공정을 대체할 수 있는 하수처리수 재이용을 위한 다공성 세라믹 중공사형 광촉매를 제조하여 우수한 유기물 분해능을 가지며 위와 같은 분말형태의 광촉매에서 나타나는 문제를 해결하고자 한다.
본 발명의 일 실시상태는 기공 구조를 포함하는 세라믹 중공사 지지체; 상기 세라믹 중공사 지지체의 기공 구조 표면상의 광촉매 활성층을 포함하는 중공사형 광촉매로서, 상기 광촉매 활성층은 실리콘계 바인더와 이산화티타늄 나노입자를 1:5 내지 1:25의 중량비로 포함하는 중공사형 광촉매를 제공한다.
본 발명의 다른 실시상태는 기공 구조를 포함하는 세라믹 중공사 지지체를 제조하는 단계; 실리콘계 바인더 용액 및 이산화티타늄 분말을 포함하는 코팅 용액을 준비하는 단계; 및 상기 세라믹 중공사 지지체를 상기 코팅 용액으로 함침한 다음 건조하는 단계를 포함하는 본 발명의 일 실시상태에 따른 중공사형 광촉매의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 광촉매는 성능이 우수하다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 광촉매의 제조방법은 간단한 방법으로 성능이 우수한 광촉매를 구현할 수 있다.
도 1은 TiO2 광촉매 메커니즘을 나타낸 도면이다.
도 2는 광촉매용 TiO2의 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 3은 중공사막 제조 및 TiO2 코팅 실험 방법을 나타낸 도면이다.
도 4는 실리콘계 바인더 용액 제조 및 실리콘계 바인더를 이용한 TiO2 코팅 실험 방법을 나타낸 도면이다.
도 5는 광촉매 반응기를 나타낸 도면이다.
도 6은 제조한 TiO2 분말의 XRD 패턴을 나타낸 도면이다.
도 7은 실리콘계 바인더를 이용하지 않고 제조한 TiO2를 코팅한 중공사형 광촉매의 SEM 사진 및 EDS 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 실리콘계 바인더를 이용하여 TiO2를 코팅한 중공사형 광촉매의 SEM 사진 및 EDS 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 실리콘계 바인더를 이용하여 TiO2를 (a) 1회 코팅한 중공사형 광촉매의 SEM 사진, (b) 3회 코팅한 중공사형 광촉매의 SEM 사진을 나타낸 도면이다.
도 10은 실리콘계 바인더를 이용하여 TiO2를 (a) 1회 코팅한 중공사형 광촉매, (b) 3회 코팅한 중공사형 광촉매를 나타낸 모식도이다.
도 11은 TiO2 분말을 이용한 유기물 분해 실험-회분식 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 실리콘계 바인더 없이 TiO2 코팅한 중공사형 광촉매 유기물 분해 실험-회분식 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13은 실리콘계 바인더 이용하여 TEOS : TiO2 : Ehtanol = 7.5 : 5 : 87.5 비율로 코팅한 중공사형 광촉매 유기물 분해 실험-순환식 결과를 나타낸 그래프이다.
도 14는 실리콘계 바인더를 이용하고, TBOT를 전구체로 하여 제조한 TiO2를 코팅용액의 조성을 변화시키며 코팅한 중공사형 광촉매의 표면 SEM 이미지 및 Ti의 EDS 분석 결과이다.
도 15는 실리콘계 바인더를 이용하고, TBOT를 전구체로 하여 제조한 TiO2를 코팅용액의 조성을 변화시키며 코팅한 중공사형 광촉매의 광투과도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 16은 실리콘계 바인더를 이용하고, TBOT를 전구체로 하여 제조한 TiO2를 코팅용액의 조성을 변화시키며 코팅한 중공사형 광촉매 유기물 분해 실험-순환식 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 광촉매용 TiO2의 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 3은 중공사막 제조 및 TiO2 코팅 실험 방법을 나타낸 도면이다.
도 4는 실리콘계 바인더 용액 제조 및 실리콘계 바인더를 이용한 TiO2 코팅 실험 방법을 나타낸 도면이다.
도 5는 광촉매 반응기를 나타낸 도면이다.
도 6은 제조한 TiO2 분말의 XRD 패턴을 나타낸 도면이다.
도 7은 실리콘계 바인더를 이용하지 않고 제조한 TiO2를 코팅한 중공사형 광촉매의 SEM 사진 및 EDS 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 실리콘계 바인더를 이용하여 TiO2를 코팅한 중공사형 광촉매의 SEM 사진 및 EDS 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 실리콘계 바인더를 이용하여 TiO2를 (a) 1회 코팅한 중공사형 광촉매의 SEM 사진, (b) 3회 코팅한 중공사형 광촉매의 SEM 사진을 나타낸 도면이다.
도 10은 실리콘계 바인더를 이용하여 TiO2를 (a) 1회 코팅한 중공사형 광촉매, (b) 3회 코팅한 중공사형 광촉매를 나타낸 모식도이다.
도 11은 TiO2 분말을 이용한 유기물 분해 실험-회분식 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 실리콘계 바인더 없이 TiO2 코팅한 중공사형 광촉매 유기물 분해 실험-회분식 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13은 실리콘계 바인더 이용하여 TEOS : TiO2 : Ehtanol = 7.5 : 5 : 87.5 비율로 코팅한 중공사형 광촉매 유기물 분해 실험-순환식 결과를 나타낸 그래프이다.
도 14는 실리콘계 바인더를 이용하고, TBOT를 전구체로 하여 제조한 TiO2를 코팅용액의 조성을 변화시키며 코팅한 중공사형 광촉매의 표면 SEM 이미지 및 Ti의 EDS 분석 결과이다.
도 15는 실리콘계 바인더를 이용하고, TBOT를 전구체로 하여 제조한 TiO2를 코팅용액의 조성을 변화시키며 코팅한 중공사형 광촉매의 광투과도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 16은 실리콘계 바인더를 이용하고, TBOT를 전구체로 하여 제조한 TiO2를 코팅용액의 조성을 변화시키며 코팅한 중공사형 광촉매 유기물 분해 실험-순환식 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 TiO2가 코팅된 세라믹 중공사형 광촉매 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상전이법으로 만든 세라믹 중공사 지지체를 TiO2 코팅 용액으로 딥코팅하여 제조하고, 이를 수중 유기물 분해를 위한 광촉매 반응기에 응용하는 기술에 관한 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시상태는 기공 구조를 포함하는 세라믹 중공사 지지체; 상기 세라믹 중공사 지지체의 기공 구조 표면상의 광촉매 활성층을 포함하는 중공사형 광촉매로서, 상기 광촉매 활성층은 실리콘계 바인더와 이산화티타늄 나노입자를 1:5 내지 1:25의 중량비로 포함하는 중공사형 광촉매를 제공한다.
TiO
2
광촉매 분말 제조
상용화 공정에서는 주로 황산법과 염소법을 이용하여 TiO2를 제조하며, 실험실 규모에서는 제조 방법이 쉽고 고활성의 광촉매 제조가 가능한 졸-겔법과 수열합성법을 이용한 연구가 활발히 수행되고 있다. 본 연구에서는 제조방법에 따른 광촉매 활성을 비교하기 위하여 졸-겔법을 이용하여 TiO2 광촉매를 제조하였으며, 도 2에 제조 실험 방법을 모식도로 간략히 정리하였다.
- 졸-겔법(시작 물질 tetrabutyl orthotitanate, TBOT)
증류수 100 ml에 nitric acid(60%, Samchun Pure Chemical Co. Ltd., Korea)를 1.5 ml 첨가하고 교반기를 이용하여 10분간 교반하였다. 여기에 15 ml의 tetrabutyl orthortitanate (TBOT, 97%, Sigma Aldrich, U.S.A)를 첨가하고 500 rpm에서 1시간 교반하였다. 이후 iso-propanol(IPA, >99.0%, Samchun Pure Chemical Co. Ltd., Korea)을 첨가하고 2시간 교반하였으며, 100 ℃ 오븐에서 24시간 건조하여 분말을 얻었다.
- 졸-겔법(시작 물질 titanium isopropoxide, TTIP)
Titanium isopropoxide(TTIP, Sigma Aldrich, U.S.A) 28.4 g과 IPA 200 ml를 10분간 300 rpm에서 교반하였다. 제조된 용액에 물 72 g을 천천히 넣어주면서 500 rpm에서 1시간 교반하였다. 교반 후 sodium hydroxide solution(NaOH solution, 0.5 mol/L, Samchun Pure Chemical Co. Ltd., Korea)을 이용하여 pH를 7-8로 맞추어 TiO2 졸을 제조하였고, 100 ℃ 오븐에서 24시간 건조하여 용매를 제거하였다.
건조된 분말은 전기로에서 400 ℃의 온도로 3시간 소성하였으며, 몰타르를 이용하여 5분간 분쇄하여 최종적으로 분말 형태의 TiO2 광촉매를 얻을 수 있었다.
TiO
2
코팅된 세라믹 중공사형 광촉매 제조
세라믹 중공사형 지지체 제조
TiO2 광촉매를 코팅하기 위한 지지체의 제조를 위하여, 표 1과 같은 조성으로 도프용액을 제조하였다. 도프용액은 1-Methyl-2-pyrrolidone(NMP, 99.5%, Samchun Pure Chemical Co. Ltd., Korea) 용매에 바인더로 사용된 polyethersulfone(PESf, Ultrason® E6020P, BASF, Germany)를 12시간 동안 교반하여 녹인 후, Al2O3 powder (alumina, 99.9%, Kceracell, Korea)와 분산제인 Polyvinylpyrrolidone(PVP, Sigma Aldrich, U.S.A)를 넣어 24시간 동안 추가로 혼합하였다. 교반 과정 중 생긴 기포를 제거하기 위하여 진공펌프(vacuum pump, IDP3, Varian, U.S.A.)를 이용하여 약 1시간 동안 진공 탈포하였다. 중공사막 노즐 외부로 도프용액을 공급하고, 내부로는 응고제인 증류수를 공급하였다. 이후 중공사막은 기공 형성을 위하여 24시간 동안 상전이 하였으며, 외부 응고제로는 수돗물을 사용하였다. 잔여 용매 제거를 위하여 3회 세척하였으며, 24시간 100 ℃ 오븐에서 건조를 하였다. 건조된 세라믹 중공사 생소지(greenbody)는 전기로를 이용하여 1300 ℃에서 4시간 소결하여, 기공 구조를 포함하는 세라믹 중공사 지지체를 제조하였다. 상기 기공 구조는 핑거-라이크 구조(Finger-like structure)일 수 있다.
건조 및 소결을 제외한 모든 방사 과정은 상온에서 수행하였으며, 실험 조건은 표 1에 정리하여 나타내었다.
| Dope solution composition | wt% |
| Alumina | 60 |
| NMP | 33.5 |
| PESf | 6 |
| PVP | 0.5 |
| Spinning condition | Value |
| Extrusion pressure (bar) | 1 |
| Flow rate of internal coagulant (ml/min) | 5 |
| Air gap (cm) | 10 |
표 1: 중공사막 도프용액 조성 및 방사 조건TiO 2 졸을 이용하여 지지체 딥코팅
시작물질로 각각 TBOT와 TTIP를 사용해서 도 2의 건조 단계 전까지 졸-겔법을 수행하여 TiO2 졸을 제조하였다. 염소법으로 제조한 침전물은 점도가 너무 높아 중공사 지지체 코팅에 부적합하여 제외하였다. 준비한 TiO2 졸에 3~4 cm로 절단한 중공사 소결체를 30분 간 딥코팅하였다. TiO2가 코팅된 세라믹 중공사 광촉매는 오븐에서 24시간 건조하고, 400 ℃에서 3시간 동안 고온소성처리 하여 TiO2 코팅층을 알루미나 중공사 지지체에 결합하였다. 도 3에 TiO2가 코팅된 세라믹 중공사형 광촉매 제조 방법을 정리하여 나타내었다.
TiO
2
분말을 Si계 바인더를 이용하여 지지체 딥코팅
도 2와 같이 졸-겔법을 이용하여 TiO2 코팅을 위한 분말을 제조하였고 Tetraethyl orthosilicate(TEOS, Sigma Aldrich, U.S.A) 전구체로 하여 Si계 바인더 용액을 제조하였다. Si계 바인더 용액은 DI-Water : Nitric acid : TEOS를 10.2 : 88.3 : 1.5 하여 질량비로 혼합한 뒤 5 시간 교반하여 제조하였다. 제조한 TiO2 분말 : Si계 바인더 : Ethanol을 2.5 ~ 17.5 : 7.5 : 90 ~ 75 질량비로 혼합한 뒤 3 시간 교반하여 TiO2 코팅 용액을 제조하였고 중공사형 지지체에 1,3회 딥코팅 하였다. 도 4에 Si계 바인더 용액 제조 및 Si계 바인더를 이용한 TiO2 코팅 실험 방법을 모식도로 간략히 정리하였다.
TiO
2
광촉매 특성 분석
여러 방법으로 제조한 TiO2 분말과 TiO2가 코팅된 세라믹 중공사형 촉매의 결정구조 및 결정성을 확인하기 위하여 X-선 회절분석기(XRD, ultima IV, Rigaku, U.S.A)로 분석하였다. 이 때 광원은 CuKα선을 사용하여 20 ° < 2θ < 80 °의 주사범위로 분석하였다.
전자 주사 현미경(FE-SEM, S-4800, Hitachi, Japan)을 이용하여 TiO2 코팅 중공사 촉매의 코팅 여부와 형태학적 특성을 대략적으로 확인할 수 있었다.
세라믹 중공사 지지체 표면과 기공의 TiO2 코팅층의 확인을 위하여 에너지 분산 X선 분광분석기(EDS, S-4800, Hitachi, Japan)로 분석하였으며, 맵핑을 통하여 다공성 지지체에 TiO2 코팅층 분포를 확인하였다.
TiO
2
광촉매를 이용한 유기물 분해 실험
순환식 광촉매 반응기는 도 5(b)에 나타내었다. 순환식 반응기에는 약 3~4 cm 길이의 TiO2가 코팅된 중공사형 촉매를 15 g 로딩하였고, 초기 반응물은 회분식 반응기와 동일하게 20 ppm의 MB 수용액 200 ml를 사용하였다. 기어펌프(Gear Pump, REGLO-Z Digital, ISMATEC, U.S.A.)를 이용하여 MB 수용액을 100 ml/min의 유량으로 공급해주었다. UV-램프 및 공기 주입 조건과 UV-vis 분석방법은 회분식 반응기 실험과 동일하게 수행하였다. 단, 순환식 반응기에서는 용액이 일정하게 순환될 수 있도록 저장조를 교반해주었다.
| Wavelength, λ | Relative strength | |
| UV region | 254 nm | 90.0% |
| 297 nm | 0.2% | |
| 302 nm | 0.3% | |
| 312 nm | 1.3% | |
| 365 nm | 1.2% | |
| Visible light region | 404 nm | 1.6% |
| 436 nm | 3.3% | |
| 546 nm | 1.6% | |
| 577 nm | 0.3% |
표 2: 광촉매 반응기 UV-lamp 스펙트럼 방사선 분포(spectral radiation distribution)TiO 2 분말 및 TiO 2 코팅 중공사 광촉매 특성
도 6은 400 ℃에서 소결된 다양한 제조법으로 만든 TiO2 분말의 XRD 결과이다. 또한, JCPDS#21-1272 및 #21-1276은 각각 아나타제상, 루타일상 TiO2의 XRD 피크를 나타낸다. TTIP를 시작물질로 만든 TiO2 분말은 아나타제상을 나타내고 있으나 TBOT를 시작물질로 제조한 TiO2 분말은 아나타제상과 루타일상 TiO2가 혼합하여 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 특히, TTIP 졸-겔법으로 제조한 TiO2가 가장 아나타제 피크가 선명하게 나타났으며, 높은 결정성을 가지는 것을 알 수 있었다.
도 7은 실리콘계 바인더를 이용하지 않고 제조한 TiO2를 코팅한 중공사형 광촉매의 SEM 사진 및 EDS 분석 결과를 나타낸 도면이다. 구체적으로, TTIP를 전구체로 이용하여 졸 코팅한 경우의 단면 SEM 분석 결과((a), (b)), 외부 표면 EDS 분석 결과((c), (d)), 및 TBOT를 전구체로 이용하여 졸 코팅한 경우의 단면 SEM 분석 결과((e), (f)), 외부 표면 EDS 분석 결과((g), (h))를 나타낸 도면이다.
도 7은 TiO2를 코팅한 알루미나 중공사의 SEM/EDS 결과이다. 세라믹 중공사 지지체는 단일 기체 투과 측정을 통해 다공성임을 확인하였다. SEM 분석을 통해 TiO2 졸 이용 딥코팅 후에도 기공이 막히지 않음을 확인하였다. TiO2가 세라믹 중공사 지지체에 얼마나 골고루 코팅되어 있는지 확인하기 위하여 EDS를 분석하였다. EDS 결과 코팅이 되었으나, 그 양이 매우 적으며 TTIP를 전구체로 한 TiO2 졸을 이용하여 딥코팅 하였을 때 코팅된 TiO2가 뭉쳐서 코팅됨을 확인할 수 있었다.
도 8은 실리콘계 바인더를 이용하여 TiO2를 코팅한 중공사형 광촉매의 SEM 사진 및 EDS 분석 결과를 나타낸 도면이다. 구체적으로, TBOT를 전구체로 이용하여 제조한 경우의 단면 SEM 분석 결과((a), (b)), 외부 표면 EDS 분석 결과((c), (d)), 및 TTIP를 전구체로 이용하여 제조한 경우의 단면 SEM 분석 결과((e), (f)), 외부 표면 EDS 분석 결과((g), (h))를 나타낸 도면이다.
도 8은 Si계 바인더를 이용하여 TiO2를 1회 코팅한 알루미나 중공사의 SEM/EDS 결과이다. SEM 분석을 통해 코팅 후에도 기공이 막히지 않음을 확인하였다. EDS 결과 tetrabutyl orthortitanate를 전구체로 한 TiO2를 코팅한 경우 Si계 바인더를 이용하지 않고 코팅한 중공사에 비해 월등히 많은 양의 TiO2가 코팅 되었으며 코팅된 TiO2가 뭉치지 않고 고르게 코팅된 것을 확인하였으며 TTIP를 전구체로 한 TiO2를 코팅한 경우 코팅된 TiO2가 Si계 바인더를 이용하지 않은 것에 비하여 코팅량이 크게 증가하였으나 고르게 코팅되지 않고 뭉쳐 코팅 된 것을 확인하였다.
| 코팅 횟수 | 비표면적 (m2/g) |
| Non-coating | 1.2232 |
| 1 | 2.8640 |
| 3 | 0.5539 |
표 3: Si계 바인더를 이용하여 TiO2를 코팅한 중공사형 광촉매의 비표면적도 9 는 Si계 바인더를 이용하여 tetrabutyl orthortitanate를 전구체로 한 TiO2를 1회, 3회 코팅한 알루미나 중공사의 단면 SEM 결과이다. 1회 코팅할 경우 중공사의 기공이 막히지 않았으며 3회 코팅할 경우 중공사의 기공이 막히는 것을 확인하였다. 표 3은 Si계 바인더를 이용하여 tetrabutyl orthortitanate를 전구체로 한 TiO2를 1회, 3회 코팅한 알루미나 중공사의 비표면적 측정 결과이다. 3회 코팅을 하였을 때 비표면적이 1회 코팅하였을 때 보다 급격하게 감소하며 이는 SEM 결과에서 확인한 것과 같이 중공사의 기공이 막혔기 때문으로 생각된다. 도 10에 3회 코팅을 하였을 때 기공이 막히는 것을 나타내었다.
본 발명의 일 실시상태에 따른, 광촉매 활성층은 비표면적이 2.5 m2/g 이상 3.5 m2/g 이하일 수 있다.
광촉매 유기물 분해 특성
도 9에 졸-겔법으로 제조한 TiO2 분말 광촉매의 반응시간에 따른 MB 제거율(%)를 나타내었다. TBOT-sol로 제조한 TiO2 광촉매는 MB 제거율이 약 15~20% 수준이었나, TTIP-sol로 제조한 TiO2 광촉매는 이에 비해 월등한 MB 분해 특성을 가지는 것을 확인할 수 있었다. TTIP-sol로 제조한 TiO2 광촉매는 UV광 조사 10분 만에 80% 이상의 MB를 분해하였으며, 60분 반응시간 이후에는 약 96.7%의 MB가 분해되었다.
이와 같은 결과는 우선 TiO2 결정상 형태에 따른 촉매 특성 변화로 볼 수 있으며, 단일 아나타제상을 갖는 TTIP-sol로 제조한 광촉매가(도 5) MB 분해능이 뛰어난 것으로 확인된다. 기존 연구 결과에서도 아나타제상 TiO2가 다른 구조의 TiO2에 비해 수중의 유기 물질을 광분해 하는데 뛰어난 광촉매능을 가지고 있다고 보고되고 있다. 또한, 빛 에너지를 받아 hydroxyl 라디칼을 형성하는 광촉매 반응은 TiO2 표면에서 일어나기 때문에 TTIP-sol로 제조한 광촉매가 다른 광촉매에 비해서 비표면적이 높은 것으로 생각할 수 있다.
촉매를 15 g 로딩하여 순환식 반응기에서 유기물 분해실험을 수행하였다. 분말 실험과 동일하게 60분 동안만 반응을 시켰으나, TiO2 코팅 중공사 촉매에서는 유기물 제거효율이 계속 상승하는 것을 볼 수 있었다. Si계 바인더 없이 코팅한 중공사형 광촉매 유기물 분해 실험 결과에서 분말 실험 결과에 비해 TTIP의 경우에는 성능이 낮아졌으나 TBOT의 경우에는 오히려 코팅한 결과가 성능이 향상된 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 지지체의 기공 구조 제어와 코팅 방법에 따라서 비표면적을 늘려 광촉매 성능을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
Si계 바인더를 이용 TiO2를 세라믹 중공사에 1회 코팅한 경우 광촉매의 성능이 향상된 것을 확인할 수 있었다. 특히 tetrabutyl orthortitanate를 전구체로 하여 제조한 TiO2를 코팅한 경우 광촉매의 성능이 크게 향상 되었다. 이는 표면에 코팅되는 TiO2의 양이 증가하고 고르게 코팅 되였기 때문으로 생각된다. Si계 바인더를 이용 TiO2를 3회 하는 경우에는 유기물 분해능이 감소하였다. 이는 3회 코팅하는 경우 도 9와 도 10에서 나타내듯이 TiO2 입자가 중공사의 기공을 막으면서 비표면적이 줄어들었기 때문으로 생각된다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 실리콘계 바인더 용액 및 상기 이산화티타늄 분말은 중량비가 1:0.6 내지 1:2.5일 수 있다.
도 14는 Si계 바인더 이용 TBOT를 전구체로 제조한 TiO2를 이용하여 코팅용액의 조성을 Si계 바인더의 조성은 7.5 wt%로 고정하고 TiO2의 조성을 2.5 ~ 17.5 wt%까지 변화시키며 중공사에 코팅한 광촉매의 표면 SEM (주사전자현미경) 이미지 및 Ti의 EDS (에너지 분산형 분광분석법) 분석 결과이다.
도 14를 참조하면, 코팅 용액의 TiO2 함량이 증가함에 따라 표면에 코팅되는 TiO2의 양이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 15는 Si계 바인더 이용 TBOT를 전구체로 제조한 TiO2를 이용하여 코팅용액의 조성을 Si계 바인더의 조성은 7.5 wt%로 고정하고 TiO2의 조성을 2.5 ~ 17.5 wt%까지 변화시키며 중공사에 코팅한 광촉매의 파장 200nm 내지 800 nm 광의 광투과도를 UV-vis spectrometer를 이용하여 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
또한, Si계 바인더 이용 TBOT를 전구체로 제조한 TiO2를 이용하여 코팅용액의 조성을 Si계 바인더의 조성은 7.5 wt%로 고정하고 TiO2의 조성을 2.5 wt%, 12.5 wt% 또는 17.5 wt%로 변화시키며 중공사에 코팅한 광촉매의 파장 500 nm에서의 광투과도와 파장 320 nm에서의 광투과도의 차이를 하기 표 4에 나타내었다.
| 광투과도 차이(%) (500nm 광 투과도-320nm 광 투과도) |
|
| TiO2: Si 바인더: 에탄올=2.5:7.5:90 | 17.2695 |
| TiO2: Si 바인더: 에탄올=12.5:7.5:80 | 26.7318 |
| TiO2: Si 바인더: 에탄올=17.5:7.5:75 | 35.9392 |
도 15 및 상기 표 4를 참조하면, TiO2가 자외선 영역의 빛을 흡수하여 전자전이가 일어나는 특성을 가져서 코팅 용액의 TiO2 함량이 증가함에 따라 투과도 차이도 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 코팅 용액의 TiO2 함량이 증가함에 따라 표면에 코팅되는 TiO2의 양이 증가함에 따른 것으로 보인다. 또한, Si계 바인더 이용 TBOT를 전구체로 제조한 TiO2를 이용하여 코팅용액의 조성을 Si계 바인더의 조성은 7.5 wt%로 고정하고 TiO2의 조성을 2.5 wt%, 12.5 wt% 또는 17.5 wt%로 변화시키며 중공사에 코팅한 광촉매의 비표면적 및 평균 기공 크기를 질소 흡착/탈착 분석을 통하여 측정하고 하기 표 5에 나타내었다.
| 비표면적 (m2/g) | 평균기공크기(Å) | |
| TiO2: Si 바인더: 에탄올=2.5:7.5:90 | 3.3415 | 69.0028 |
| TiO2: Si 바인더: 에탄올=12.5:7.5:80 | 2.610 | 62.8938 |
| TiO2: Si 바인더: 에탄올=17.5:7.5:75 | 2.5334 | 42.6370 |
상기 표 5를 참조하면, 코팅 용액의 TiO2 함량이 17.5 wt%인 경우 평균 기공크기가 현저히 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 표면에 코팅된 TiO2로 인해 기공이 막히는 현상이 발생하고, 이에 의해 기공 크기가 작아지며 비표면적도 감소하는 것으로 보인다.도 16은 Si계 바인더 이용 TBOT를 전구체로 제조한 TiO2를 이용하여 코팅용액의 조성을 Si계 바인더의 조성은 7.5 wt%로 고정하고 TiO2의 조성을 2.5 ~ 17.5 wt%까지 변화시키며 중공사에 코팅한 광촉매의 유기물 분해 실험 결과이다. 코팅용액의 TiO2 조성이 2.5 wt%에서 12.5 wt%까지 증가함에 따라 광촉매의 성능도 크게 향상되었으며 12.5 wt% 이상의 조성에서는 성능이 감소함을 확인하였다. 최고의 성능을 나타내는 코팅용액의 비는 TiO2 : Si 바인더 : Ethanol = 12.5 : 7.5 : 85 중량비 이며 UV 조사 10분만에 80%의 유기물 분해능을 보였다.
Si계 바인더를 이용 세라믹 중공사 지지체에 코팅한 경우 광촉매를 고정화할 수 있는 훌륭한 대안이 될 수 있을 것으로 보인다. 또한, 분리막을 모듈화하여 막반응기 형태로 구성한다면 획기적인 유기물 제거 효율을 얻을 수 있을 것으로 생각된다.
Claims (6)
- 알루미나 분말 및 1-메틸-2-피롤리돈 용매를 포함하는 혼합 용액을 이용하여, 기공 구조를 포함하는 세라믹 중공사 지지체를 제조하는 단계;
테트라부틸 오쏘티타네이트(TBOT) 전구체를 이용하여 졸-겔법에 의하여 이산화티타늄 분말을 제조하는 단계;
테트라에틸 오소실리케이트(TEOS) 전구체를 이용하여 실리콘계 바인더 용액을 제조하는 단계;
상기 실리콘계 바인더 용액 및 상기 이산화티타늄 분말을 포함하는 코팅 용액을 준비하는 단계; 및
상기 세라믹 중공사 지지체를 상기 코팅 용액으로 코팅하는 단계;를 포함하고,
상기 이산화티타늄 분말의 함량은 12.5 wt% 이상 15 wt% 이하이고,
상기 실리콘계 바인더 용액 및 상기 이산화티타늄 분말은 중량비가 1:1.6 내지 1:2이고,
상기 세라믹 중공사 지지체를 상기 코팅 용액으로 코팅하는 단계;는 상기 세라믹 중공사 지지체를 상기 코팅 용액에 1회 함침한 다음 건조하는 것이며,
상기 기공 구조는, 상기 세라믹 중공사 지지체의 외면에서 내측 방향을 향하는 핑거-라이크 구조(Finger-like structure)이고,
상기 테트라에틸 오소실리케이트(TEOS) 전구체와 상기 이산화티타늄 분말의 중량비는 1:111 내지 1:134인 것인 중공사형 광촉매의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 세라믹 중공사 지지체를 제조하는 단계;는
상기 알루미나 분말, 상기 1-메틸-2-피롤리돈 용매, 바인더 및 분산제를 포함하는 혼합 용액을 제조하는 단계;
상기 혼합 용액을 이용하여 중공사막을 형성하는 단계;
상기 중공사막을 상전이하여 세라믹 중공사 생소지를 제조하는 단계; 및
상기 세라믹 중공사 생소지를 1300 ℃의 온도에서 소결하여 상기 중공사 지지체를 제조하는 단계;를 포함하는 것인 중공사형 광촉매의 제조방법.
- 삭제
- 제1항에 따른 방법으로 제조되는 중공사형 광촉매로서,
상기 중공사형 광촉매는 기공 구조를 포함하는 세라믹 중공사 지지체; 및 상기 세라믹 중공사 지지체의 기공 구조 표면상의 광촉매 활성층;을 포함하고,
상기 광촉매 활성층은 실리콘계 바인더와 이산화티타늄 나노입자를 1:10 내지 1:25의 중량비로 포함하고,
상기 광촉매 활성층은 비표면적이 2.5 m2/g 이상 3.5 m2/g 이하이고,
상기 기공 구조는, 상기 세라믹 중공사 지지체의 외면에서 내측 방향을 향하는 핑거-라이크 구조(Finger-like structure)인 것인 중공사형 광촉매.
- 제4항에 있어서,
상기 이산화티타늄 나노입자는 아나타제 및 루타일 중에서 선택된 1종 이상의 결정 구조를 갖는 것인 중공사형 광촉매.
- 제4항에 있어서,
상기 세라믹은 알루미나 세라믹인 것인 중공사형 광촉매.
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