KR102554375B1 - 나노 기능화된 지지체 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
나노 기능화된 지지체(1)는 적용 표면(2) 및 적용 표면(2) 상에 증착된 광촉매 나노입자 코팅(3)을 포함한다. 광촉매 나노입자 코팅(3)은 질소 함유 도핑제로 도핑된 이산화티타늄을 포함한다.
Description
본 발명은 기체 혼합물에서 오염 물질을 감소시키기 위한 장치에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 공기 필터에 설치하기에 특히 적합한 나노 기능화된 지지체에 관한 것이다.
오랜 세월에 걸친 인간 활동의 발전 및 확산으로 인해 우리가 호흡하는 공기 중에 존재하는 오염 물질이 점차적으로 증가하게 되었다.
특히, 생산 시스템 및 운송 수단에 의해 생성된 오염 물질의 배출이 환경 및 생태계에 미치는 영향에 대한 관심이 높아지고 있다.
그러나, 많은 연구에 따르면 폐쇄된 구역에 축적된 오염 물질 수준은 외부 환경에 존재하는 수준과 같거나 그보다 높을 수 있다.
가장 높은 수준으로 존재하는 물질은 일반적으로 질소 산화물(NOX)과 휘발성 유기 화합물(VOC)인데, 이들은 세척 제품, 탈취제, 에어컨 시스템 및 인테리어 가구를 포함한 일반적으로 사용되는 가정용 물체로부터 기원한 것일 수 있다.
거주자의 건강을 해치지 않으면서 실내, 가정 또는 직장 환경의 거주성을 보장하려는 필요성에 따라, 인체 건강에 해를 끼칠 수 있는 모든 물질을 제거할 수 있거나 적어도 이러한 물질들을 무해하게 만들 수 있는 여과 시스템에 대한 연구가 이루어졌다.
특히, 산소 및 물의 존재하에서 이산화티타늄과 같은 광촉매 화합물은 공기 중에 존재하는 전술한 오염 물질 화합물을 효과적으로 분해 및 산화시킬 수 있다는 것이 알려져있다.
이 특성은 이산화티타늄이 가정 및 직장 환경에서 호흡하는 공기의 품질을 현저하게 개선할 수 있기 때문에 특히 에어 필터 생산 분야에 사용되는 화합물이 되게 하는 이유이다.
특히, 아나타제 형태의 이산화티타늄은 이 분야에서 가장 유망한 광촉매 활성 반도체이며, 이 특별한 결정질 형태의 제조 및 적용을 위한 공정을 최적화하려는 많은 노력이 이루어졌다.
예를 들어, 이 분야에 대한 우수한 결과는 동일한 출원인에 의한 WO2007088151호에 개시된 이산화티타늄 나노입자의 수성 분산액의 제조 방법을 사용하여 달성되었다.
보다 상세하게는, 이산화티타늄은 자외선, 예를 들어 300 내지 390 nm 범위의 파장으로 조사될 때 활성화될 수 있는 광촉매 특성을 가지며, 따라서 가시 광선의 5%만이 이를 활성화시킬 수 있다.
입사 광자는 이산화티타늄에 흡수되어, 많은 환경 오염 물질을 산화시킬 수 있는 라디칼의 형성을 일으키며, 따라서 오염 물질을 무해하게 한다.
이러한 유형의 장치는 이산화티타늄을 활성화시키는 기능을 수행하도록 특수하게 설계되고 제조된 자외선 램프와 함께 사용되지 않는 한 매우 낮은 수준의 효율을 갖는다.
지난 수십년 동안, 가시 광선의 흡수 부족 문제는 가시 광선 영역에서 TiO2의 광촉매 효율을 향상시킬 수 있는 도핑제를 사용하는 것에 의해서 해결되었다. 연구된 일부 도핑제는 예를 들어 귀금속, 희토류 원소, 몇몇 전이 금속(Cu, Ni, Co, Mn, Fe, Cr 등) 및 비금속(C, S, F, N)이다. 특히, 이산화티타늄의 밴드 갭 에너지를 변경하는 질소로 도핑된 TiO2를 사용하여 흥미로운 결과를 얻었으며, 가시 영역에서 광촉매 효율을 증가시킨다.
가시 영역에서 질소 도핑된 이산화티타늄의 광촉매 적용에 관한 예는 M. Tahir et al에 의한 논문(M.Tahir, B. Tahir, Applied Surface Science 377(2016) 244-252)에 개시되어 있는데, 이 논문에는 벌집 구조를 갖고 있으며 질소 도핑된 TiO2로 코팅된 세라믹 지지체가 기술되어 있다. 그러나, 코팅된 지지체는 분자 수소의 존재 하에 가시 광선 조사 하에서 오로지 CO2가 CO 및 CH4로의 광촉매 환원의 효율을 연구하기 위해 사용되었으며, 질소 산화물(NO, NOX, NO2) 및 휘발성 유기 화합물(VOC)과 같은 오염 물질의 산화(또한 가시 영역에서 수행되는)에 관한 적용은 기술되어 있지 않다.
또한, M. Tahir et al에 의한 논문에 기술된 코팅된 지지체를 제조하는 방법은 산업 규모로 사용할 수 있는 제품을 얻을 수 없다. 실제로, 이 논문에 기술된 공정을 적용함으로써, 표면에 부착되지 않은 상당한 양의 느슨하게 도핑된 TiO2 분말로 코팅된 지지체를 얻는다. 이것은 수처리 및 공기 처리 장치에 지지체의 통합 가능성을 제한하며 따라서 대규모로 사용될 수 있다. 실제로, 실시예의 부분에 기재된 비교 실험에서 강조된 바와 같이, 지지체는 M. Tahir et al에 의한 공정에 따라 코팅된 지지체는 표면에 부착되지 않은 도핑된 이산화티타늄 분말을 제거하기 위해 사용하기 전에 세척 단계를 필요로 하여, 제품의 상당한 손실 및 폐기를 초래한다. 또한, 세척된 지지체는 가시 영역에서 오염 물질(특히 질소 산화물)의 산화 측면에서 감소된 광촉매 효율을 나타낸다.
이와 관련하여, 본 발명의 기초가 되는 기술적 과제는 공기 필터 내에 후속해서 설치될 수 있고 전술한 종래 기술의 단점들 중 적어도 일부를 극복하는 나노 기능화된 지지체를 제안하는 것이다.
정의된 기술적 과제 및 특정된 목적은 첨부된 청구 범위의 실질적으로 하나 이상의 청구항에 기재된 기술적 특징을 포함하는 나노 기능화된 지지체에 의해 달성된다.
본 발명에 따라, 나노입자를 수용하도록 구성된 적용 표면 및 상기 적용 표면에 증착된 광촉매 나노입자 코팅을 포함하는 나노 기능화된 지지체가 제시된다.
광촉매 나노입자 코팅은 질소 함유 도핑제로 도핑된 이산화티타늄을 포함한다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부된 도면에 도시된 바와 같이 나노 기능화된 지지체의 바람직한 그러나 배타적이지 않은 실시예에 대한 예시적이고 비제한적인 설명으로부터 분명해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 나노 기능화된 지지체를 도시한 도면이다.
도 2는 나노 기능화된 지지체의 세부 사항을 도시한 도면이다.
도 3은 나노 기능화된 지지체를 제조하는 방법의 블록도이다.
도 4는 예 D에 따라 제조된 샘플의 조사에 의한 오염 물질(NO, NOX, NO2)에 대한 저감 경향을 나타내는 그래프이며, 상기 조사는 25W의 전력으로 백색 LED(COOL WHITE LED)로 수행되며;
도 5는 예 L에 따라 제조된 샘플의 조사에 의한 오염 물질(NO, NOX, NO2)에 대한 저감 경향을 나타내는 그래프이며, 상기 조사는 25W의 전력으로 백색 LED로 수행되며;
도 6은 예 M에 설명된 바와 같이 정확하게 종래 기술의 방법에 따라 제조된 샘플의 조사에 의한 오염 물질(NO, NOX, NO2)의 저감 경향을 나타내는 그래프이며, 상기 조사는 25W의 전력으로 백색 LED로 수행된다.
도 2는 나노 기능화된 지지체의 세부 사항을 도시한 도면이다.
도 3은 나노 기능화된 지지체를 제조하는 방법의 블록도이다.
도 4는 예 D에 따라 제조된 샘플의 조사에 의한 오염 물질(NO, NOX, NO2)에 대한 저감 경향을 나타내는 그래프이며, 상기 조사는 25W의 전력으로 백색 LED(COOL WHITE LED)로 수행되며;
도 5는 예 L에 따라 제조된 샘플의 조사에 의한 오염 물질(NO, NOX, NO2)에 대한 저감 경향을 나타내는 그래프이며, 상기 조사는 25W의 전력으로 백색 LED로 수행되며;
도 6은 예 M에 설명된 바와 같이 정확하게 종래 기술의 방법에 따라 제조된 샘플의 조사에 의한 오염 물질(NO, NOX, NO2)의 저감 경향을 나타내는 그래프이며, 상기 조사는 25W의 전력으로 백색 LED로 수행된다.
도 1에서, 예를 들어 에어 필터 내부에 설치될 수 있는 나노 기능화된 지지체는 전체적으로 숫자 1로 표시되어 있다.
나노 기능화 라는 용어는 지지체가 주로 산화 공정에 의해 오염 물질의 분해를 촉진하기에 적합한 광촉매 특성을 갖는 나노입자로 코팅된 표면, 바람직하게는 균질하게 코팅된 것을 나타내는 데 사용된다.
지지체(1)는 적용 표면(2) 및 적용 표면(2)에 증착되도록 구성된 광촉매 나노입자 코팅(3)을 포함한다.
나노입자 코팅(3)은 바람직하게는 질소로 도핑된 이산화티타늄의 나노입자를 포함하는 광촉매 활성 나노입자의 현탁액의 증착에 의해 실현되며, 여기서 나노입자는 아나타제 결정질 형태이다.
지지체(1)에 적용하기 전에, 나노입자 코팅(3)은 질소 함유 도핑제에 의해 도핑된다.
환언하면, 적용 표면(2)은 질소로 도핑된 나노입자 형태의 이산화티타늄으로 코팅된다.
특히, 질소 함유 도핑제로서 사용된 전구체는 바람직하게는 아민, 아미드, 유기 암모늄염 및 무기 암모늄염 중에서 선택된다.
질소의 존재는 이산화티타늄의 밴드 갭 에너지를 변경, 구체적으로 감소시킬 수 있게 하며, 광촉매 특성을 예를 들면 종래 기술의 장치에서 일어나는 것과 같은 매우 제한된 자외선 성분 뿐만 아니라 광범위한 가시광 스펙트럼을 사용하여 활성화될 수 있게 한다.
바람직하게는, 적용 표면(2)은 세라믹 재료로 만들어지는데, 세라믹 재료는 불활성이며 매우 저항성인 지지체를 제공하고 따라서 이를 사용하는 장치의 긴 수명을 보장한다는 점에서 특히 적합한 것으로 입증되었다.
더욱더 바람직하게는, 적용 표면은 코오디어라이트(cordierite), 멀라이트(mullite) 및/또는 알루미나 중 적어도 하나를 사용하여 실현된다.
지지체(1)의 효율을 최대화하고 최적의 필터링 결과를 보장하기 위해, 적용 표면(2)은 기체 혼합물의 통과를 가능하게 하도록 양 단부에서 개방된 복수의 평행 채널로 구성된 벌집 구조를 형성하는 얇은 세라믹 벽을 갖는 매트릭스에 의해 실현된다. 이 벌집 적용 표면(허니콤 표면이라고도 함)은 40 내지 120, 바람직하게는 50 내지 100, 보다 바람직하게는 50 내지 70, 더욱더 바람직하게는 55 내지 65의 CPSI(평방 인치당 셀) 값에 의해 특징지어진다. 환언하면, 적용 표면(2)은 복수의 채널을 가지며, 이들 각각은 나노입자 코팅(3)으로 코팅되어 복수의 산화 장소를 형성하는데, 질소 함유 도핑제로 도핑된 이산화티타늄 나노입자의 광촉매 특성의 활성화에 의해 입사 광자의 부분에서 환경 오염 물질이 흡수되고 분해되며, 적용 표면(2)의 채널을 통과하는 기체 혼합물, 특히 공기의 정화가 달성된다.
예를 들어, 질소 산화물은 질산염으로 분해되는 반면, 다른 휘발성 유기 물질은 산화되어 탄소 잔류물 및/또는 이산화탄소를 형성한다.
공기의 여과에 의해 생성된 부산물은 적용 표면(2)으로부터 용이하게 세척되며, 그 작동 상태를 완전히 회복시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 나노 기능화된 지지체(1)는 예를 들어 공기와 같은 기체 혼합물에서 오염 물질을 제거하기 위한 장치에 통합하기에 특히 적합한 것으로 입증되었다.
전술한 본 발명에 따른 나노 기능화된 지지체(1)를 제조하는 방법(10)이 또한 본 발명의 목적을 구성한다.
방법(10)은 이산화티타늄의 나노입자의 수성 현탁액을 합성하는 단계(11); 현탁액에 질소 함유 도핑제를 첨가하여 나노입자 및 질소 함유 도핑제의 현탁액을 실현하는 단계(12); 현탁액을 적용 표면(2)에 도포하여 나노 기능화된 지지체(1)를 실현하는 단계(13); 지지체(1)에 가열 사이클을 적용하는 단계(14)를 포함한다.
바람직하게는, 단계 11에서, 아나타제 형태의 이산화티타늄 나노입자의 수성 현탁액은 특허 WO2007088151에 개시된 것에 따라 제조된다. 특히, 티타늄 알콕시드는 무기산 및 비이온성 계면 활성제의 존재하의 물에서 열에 반응하도록 만들어진다.
아나타제 형태의 이산화티타늄 나노입자의 수성 현탁액의 합성을 위한 출발 물질은 티타늄 알콕시드 그룹의 물질로부터 선택된다. 특히, 알콕시드는 티타늄 메톡시드, 티타늄 에톡시드, 티타늄 노말-프로폭시드, 티타늄 이소프로폭시드, 티타늄 노말-부톡시드 및 티타늄 이소부톡시드 중에서 선택될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 선택된 티타늄 알콕시드는 저렴하고 본 합성의 반응 조건 하에서보다 효율적으로 반응하기 때문에 티타늄 이소프로폭시드(TIP)이다.
사용될 수 있는 비이온성 계면 활성제의 예는 비이온화 에테르, 에스테르 및 에테르 에스테르이다. Triton X-100(TX-100)의 사용이 본 합성에 특히 바람직하다.
무기산은 염산, 질산, 황산, 과염소산, 브롬화수소산 및 요오드화수소 중에서 선택된 산을 의미한다. 바람직한 실시예에서, 사용된 무기산은 하이드로할릭 산중에서 선택되며, 특히 염산이다.
티타늄 알콕시드/무기산 몰비는 0.005 내지 15, 바람직하게는 5 내지 6의 범위이다.
반응 온도는 15 내지 95℃, 바람직하게는 45 내지 55℃의 범위이고, 반응 시간은 12 내지 72 시간의 범위이고, 바람직하게는 24 시간이다.
수득된 생성물은 FEG-SEM(Field Emission Gun Scanning Electron Microscopy), TEM(Transmission Electron Microscopy) 및 DLS(Dynamic Light Scattering)와 같은 분야에 공지된 방법들로 측정된 30 내지 50 nm 범위의 크기를 갖는 아나타제상의 TiO2 나노입자의 수성 현탁액이다. DLS 기술로 측정된 나노입자의 다분산성 지수는 0.3 미만, 바람직하게는 0.21 내지 0.29, 더욱 바람직하게는 0.216 내지 0.286의 범위이다. 물에 현탁된 TiO2 나노입자의 농도는 1 내지 10 중량%, 바람직하게는 2 내지 8 중량%의 범위이다.
나노입자의 현탁액은 응고 및 복합 현상을 일으키지 않고 매우 오랜 기간 동안 안정적이다.
이어서 단계 12에서, 질소-함유 도핑제가 이산화티타늄 나노입자의 상기 수성 현탁액에 첨가되고, 상기 질소-함유 도핑제는 아민, 아미드, 유기 암모늄염 및 무기 암모늄염 중에서 적절히 선택된다.
도핑된 현탁액을 실현하기 위한 몇몇 가능한 작동 파라미터는 비제한적인 예에 의해 아래에 보고되어 있다.
실시예 A : 5.00 g의 농축 염산, 7.50 g의 TX-100 및 물, 총 750.00 g을 2- 리터 반응기에서 혼합하고 50℃로 가열하였다. 50.00g의 티타늄 이소프로폭시드(TIP)가 첨가되고 백색 침전물의 형성이 관찰된다. 이산화티타늄의 안정적인 투명한 졸이 24 시간 후에 형성된다.
실시예 B : 실시예 A에 대해 설명한 바와 같이 수득된 이산화티타늄의 수성 현탁액 97.81 g 및 디에탄올아민 2.00 g을 200 ml 비이커에서 혼합하고, 온도를 25℃로 설정하고, 18 시간 동안 혼합한 후 이산화티타늄의 5.87 중량% 감소 및 질소의 0.27 중량% 감소와 더불어 유백색 용액이 수득된다.
실시예 C : 실시예 A에 대해 설명한 바와 같이 수득된 이산화티타늄의 수성 현탁액 97.00 g 및 구연산이암모늄 4.07 g을 200 ml 비이커에서 혼합하고, 온도를 25℃로 설정하고, 24 시간 동안 혼합한 후 이산화티타늄의 5.76 중량% 감소 및 질소의 0.49 중량% 감소와 더불어 유백색 용액이 형성된다.
실시예 D : 실시예 C에 대해 설명한 바와 같이 수득된 현탁액 90.0 g을 벌집 구조를 갖는 세라믹 재료의 150 x 150 x 20 cm 지지체 상에 유동 코팅 기술(flow-coating technique)로 도포 하였다. 상기 절차는 지지체 상에 현탁액을 도포하는 단계를 포함하고, 초과 물질이 수집되어 재사용될 수 있도록 상기 현탁액은 펌프에 의해 탱크로부터 끌어 내어지며 상기 지지체는 랙 위에 위치된다.
이렇게 제조된 지지체는 벨트 속도가 4 m/h로 설정된 상태로 500℃에서 3 시간 동안 연속 전기로에서 소성 사이클(firing cycle)을 거쳤다. 소성 후, 증착된 이산화티타늄의 도핑 양은 5.8 g 이었다. 이 지지체로부터 77 x 77 x 20 cm 크기의 샘플을 얻었으며 광원으로서 25W의 전력을 가진 백색 LED를 사용하여 이 샘플로 오염 물질 저감 테스트(NO, NOX, NO2에 대한)가 수행되었다(도 4 참조).
실시예 E : 실시예 A에 대해 설명한 바와 같이 수득된 이산화티타늄의 수성 현탁액 97.00 g 및 테트라부틸암모늄 하이드록사이드 4.00 g을 200 ml 비이커에서 혼합하고 온도를 25℃로 설정하고; 24 시간 동안 혼합한 후, 이산화티타늄의 5.76 중량% 감소 및 질소의 0.085 중량% 감소와 더불어 유백색 용액이 형성된다.
실시예 F : 실시예 A에 대해 설명한 바와 같이 수득된 이산화티타늄의 수성 현탁액 97.00 g 및 테트라부틸암모늄 하이드록사이드 6.00 g을 200 ml 비이커에서 혼합하고 온도를 25℃로 설정하고; 24 시간 동안 혼합한 후, 이산화티타늄의 5.65 중량% 감소 및 질소의 0.125 중량% 감소와 더불어 유백색 용액이 형성된다.
실시예 G : 실시예 A에 대해 설명한 바와 같이 수득된 이산화티타늄의 수성 현탁액 49.49 g 및 우레아 0.53 g을 200 ml 비이커에서 혼합하고 온도를 25℃로 설정하고; 24 시간 동안 혼합한 후, 이산화티타늄의 5.93 중량% 감소 및 질소의 0.498 중량% 감소와 더불어 유백색 용액이 형성된다.
실시예 H : 실시예 A에 대해 설명한 바와 같이 수득된 이산화티타늄의 수성 현탁액 49.49 g 및 우레아 1.06 g을 200 ml 비이커에서 혼합하고; 온도를 25℃로 설정하고 1 시간 동안 혼합한 후, 이산화티타늄의 5.87 중량% 감소 및 질소의 0.980 중량% 감소와 더불어 유백색 용액이 형성된다.
실시예 I : 실시예 A에 대해 설명한 바와 같이 수득된 이산화티타늄의 수성 현탁액 86.21 g 및 트리에탄올아민 13.79 g을 200 ml 비이커에서 혼합하고; 온도를 25℃로 설정하고 4 시간 동안 혼합한 후, 이산화티타늄의 5.17 중량% 감소 및 질소의 1.29 중량% 감소와 더불어 유백색 용액이 형성된다.
실시예 L : 실시예 I에 설명한 바와 같이 수득된 현탁액 125.0 g을 벌집 구조를 갖는 세라믹 재료의 150 x 150 x 20 cm 지지체 상에 유동 코팅 기술로 도포 하였다. 상기 절차는 지지체 상에 현탁액을 도포하는 단계를 포함하고, 초과 물질이 수집되어 재사용될 수 있도록 상기 현탁액은 펌프에 의해 탱크로부터 끌어 내어지며 상기 지지체는 랙 위에 위치된다.
이렇게 제조된 지지체는 벨트 속도가 4 m/h로 설정된 상태로 500℃에서 3 시간 동안 연속 전기로에서 소성 사이클을 거쳤다. 소성 후, 증착된 이산화티타늄의 도핑 양은 8.2 g 이었다. 이 지지체로부터 77 x 77 x 20 cm 크기의 샘플을 얻었으며 광원으로서 25W의 전력을 가진 백색 LED를 사용하여 이 샘플로 도 5에 도시된 오염 물질 저감 테스트(NO, NOx, NO2에 대한)가 수행되었다.
실시예 M(비교 실험)
질소 소스로서 우레아를 함유하는 TiO2 졸은 M. Tahir et al.에 의해 논문(M.Tahir, B. Tahir, Applied Surface Science 377(2016) 244-252)의 섹션 2.1에 기술된 단계들을 정확하게 재현함으로써 합성되었다. 유동 코팅 기술에 의해, 상기 졸은 벌집 구조를 갖는 세라믹 재료의 150 x 150 x 20 cm 지지체 상에 도포 되었다. 이렇게 제조된 지지체를 벨트 속도가 4 m/h로 설정된 상태로 500℃에서 3 시간 동안 연속 전기로에서 소성 사이클을 거쳤다. 소성 후, 증착된 이산화티타늄의 도핑 양은 2.88 g 이었다. 그러나, 이 단계 후에, 지지체 표면에 부착되지 않은 상당한 양의 느슨한 도핑 이산화티타늄 분말의 존재에 관한 문제가 발견되었다.
이러한 이유로, 분석하기 이전에, 느슨한 분말을 제거하고 환경(작업자의 건강에 잠재적으로 유해할 수 있는)으로 분말이 확산되는 것을 방지할 뿐만 아니라 지지체의 양호한 취급성을 보장하기 위하여 물로 세척해야 했다. 다량의 비부착 도핑 이산화티타늄 분말의 제거로 이어지는 세척 절차는 생성물의 상당한 손실 및 낭비를 초래한다. 세척된 지지체로부터 77 x 77 x 20 cm 크기의 샘플을 얻었고, 이 샘플로 25W의 전력을 갖는 백색 LED를 사용하여 오염 물질 저감 테스트(NO, NOX, NO2)를 수행하였다(도 6 참조).
이들 결과는 도 4에 도시된 실시예 D에 대해 설명한 바와 같이 수득된 본 발명의 나노 기능화된 지지체로 얻은 결과와 비교되었다. 도 6의 오염 물질의 경향을 나타내는 그래프는 볼록한 경향을 나타내며 도 4에서의 그래프의 경우와 같이 오목한 경향이 아니다. 따라서, 두 그래프에서의 곡선의 비교로부터 종래 기술의 방법에 따라 수득된 세척된 지지체의 광촉매 효율은 본 발명의 지지체의 광촉매 효율보다 낮은 것으로 입증된 것을 유의해야 한다. 실제로, 종래 기술의 방법으로 수득된 지지체의 경우에, 50 분의 조사 후 NO 및 NOx의 농도는 약 300 ppbv 수준인 반면, 본 발명의 나노 기능화된 지지체의 경우에 농도는 약 200 ppbv 수준인 것으로 입증되었다.
도포 단계(13)는 예를 들어 분무 공정에 의해 이산화티타늄 및 질소 함유 도핑제의 나노입자 현탁액을 적용 표면(2)에 도포하는 제1 하위 도포 단계(13a) 및 초과 증착된 나노입자 코팅(3)을 제거하기 위해 적용 표면(2) 상에 압축 공기를 유동시키는 제2 하위 도포 단계를 포함한다.
대안으로, 도핑 현탁액은 침지 코팅 또는 유동 코팅 공정에 의해 도포되거나, 또는 베일 글레이징, 스크린 인쇄, 벨 글레이징, 에어 브러싱 또는 디지털 인젝션과 같은 세라믹 분야의 전형적인 방식으로 도포될 수 있다.
특히, 지지체(1)가 일정 기간 동안 휴식 상태로 유지된 후, 지지체(1)에 가열 사이클을 적용하는 단계(14)에서 가열 사이클이 수행되고, 지지체를 490℃ 내지 510℃의 온도로 가열한다.
가열 사이클 동안(하소 단계라고도 함), 질소 함유 도핑제로부터의 질소로 이산화티타늄의 도핑이 일어난다. 하소 단계 동안 질소로 TiO2의 도핑이 일어나고 질소가 TiO2 나노입자에 침투하여, TiO2 격자 내의 치환 위치 및/또는 침입 위치, 즉 TiO2 격자의 결정면 내부에 위치한다.
고정 노(static furnace)가 사용되는 경우, 가열 사이클은 바람직하게는 10 시간 동안 50 ℃/h의 온도 변화 계수로 실행되고 약 500℃의 최대 온도에 도달한다.
그러나, 연속 진행 노가 사용되는 경우, 3 시간 가열 사이클이 약 4 m/h의 진행 속도로 예열 단계, 500℃ 가열 단계 및 냉각 단계로 실현될 수 있다.
일반적으로, 가열 사이클은 사용된 가열 장치의 유형에 따라 실질적으로 2 내지 11 시간 범위의 기간임을 유의해야 한다.
본 발명의 다른 목적은 오염 물질을 제거하기 위한 장치를 배치하는 단계로 시작하는, 가스 혼합물에서 오염 물질을 저감시키는 방법이며, 상기 장치는 앞에서 설명한 것에 따라 적어도 하나의 나노 기능화된 지지체(1) 및 가능하게는 가시 광선의 광원을 포함한다.
상기 방법은 장치를 기체 혼합물의 흐름에 노출시키는 단계 및 가시 광선에 의해 적어도 하나의 나노 기능화된 지지체(1)를 조명하는 단계를 또한 포함한다.
지지체를 조명함으로써, 적용 표면 상에 존재하는 나노입자 코팅(3)의 광촉매 특성이 활성화될 수 있다.
지지체(1)를 제조하는데 사용된 특별한 제조 방법으로 인해, 이산화티타늄의 광촉매 특성은 가시 광선 스펙트럼에서의 광범위한 파장에 의해서 그리고 스펙트럼의 자외선 영역의 성분에 의해서도 활성화되는 것으로 입증되었다.
따라서, 공기의 흐름이 나노 기능화된 지지체(1)를 통과할 때, 공기에 포함된 오염 물질이 산화되고 이에 의해 장치를 빠져 나가는 공기의 질이 개선된다.
유리하게는, 나노 기능화된 지지체(1)를 제조하기 위한 특별한 방법은 이산화티타늄의 최적 도핑을 달성할 수 있게 한다.
또한, 질소의 존재는 가시 광선 영역에서 파장을 갖는 광자로 또한 이산화티타늄 나노입자의 광촉매 특성의 활성화를 보장하여, 나노 기능화된 지지체(1)의 광촉매 활성도를 최대화할 수 있게 한다.
Claims (13)
- 나노 기능화된 지지체(1)를 제조하기 위한 방법(10)으로서,
- 티타늄 알콕시드를 무기산 및 비이온성 계면 활성제의 존재하의 물에서 가열하면서 반응시킴으로써, 아나타제 형태의 이산화티타늄 나노입자의 수성 현탁액을 합성하는 단계(11);
- 아민, 유기 암모늄염, 무기 암모늄염으로 구성된 그룹에서 선택된 질소 함유 도핑제를 현탁액에 첨가하여 나노입자 및 질소 함유 도핑제의 현탁액을 실현하는 단계(12);
- 상기 현탁액을 적용 표면(2)에 도포하여 광촉매 나노입자 코팅(3)을 형성하고 나노 기능화된 지지체(1)를 실현하는 단계(13), 여기서 상기 적용 표면(2)은 벌집 구조를 가지며;
- 상기 나노 기능화된 지지체(1)에 가열 사이클을 적용하는 단계(14)를 포함하며, 상기 가열 사이클은 나노 기능화된 지지체(1)를 490℃ 내지 510℃의 온도로 가열함으로써 수행되고, 가열 사이클은 2 내지 11 시간 지속되는 것을 특징으로 하는 나노 기능화된 지지체 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 현탁액을 적용 표면(2)에 도포하는 단계(13)는,
- 상기 적용 표면(2)에 도핑 현탁액을 분무하는 단계(13a);
- 적용 표면(2)에 압축 공기의 유동을 적용하는 단계(13b)의 하위 단계들을 포함하며, 이에 의해 적용 표면(2)으로부터 현탁액의 초과 부분을 용이하게 제거할 수 있는 것을 특징으로 하는 나노 기능화된 지지체 제조 방법. - 제1항에 따른 방법에 의해 얻어질 수 있는 나노 기능화된 지지체(1)로서, 적용 표면(2) 및 상기 적용 표면(2)에 증착된 광촉매 나노입자 코팅(3)을 포함하는 상기 나노 기능화된 지지체에 있어서,
상기 적용 표면(2)은 벌집 구조를 갖고 있으며, 상기 광촉매 나노입자 코팅(3)은 아민, 유기 암모늄염, 무기 암모늄염으로 구성된 그룹에서 선택된 질소 함유 도핑제로부터 유래한 질소로 도핑된 이산화티타늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 기능화된 지지체. - 제3항에 있어서,
벌집 구조는 기체 혼합물의 통과에 적합한 복수의 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노 기능화된 지지체. - 제3항에 있어서,
벌집 구조를 가진 적용 표면(2)은 40 내지 120 CPSI 값을 갖는 것을 특징으로 하는 나노 기능화된 지지체. - 제3항에 있어서,
적용 표면(2)은 세라믹 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 나노 기능화된 지지체. - 제6항에 있어서,
세라믹 재료는 코오디어라이트, 멀라이트 및/또는 알루미나 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 나노 기능화된 지지체. - 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 나노 기능화된 지지체(1) 및 가시 광선의 광원을 포함하는, 기체 혼합물에서 오염 물질을 제거하기 위한 장치.
- 기체 혼합물에서 오염 물질을 제거하기 위한 방법으로서,
- 제8항에 따른 오염 물질을 제거하기 위한 장치를 제공하는 단계;
- 오염 물질을 제거하기 위한 상기 장치를 기체 혼합물의 흐름에 노출시키는 단계;
- 장치에 포함된 가시 광선의 광원에 의해 발생된 가시 광선을 사용하여 적어도 하나의 나노 기능화된 지지체(1)를 조명하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 혼합물에서 오염 물질 제거 방법. - 삭제
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