KR20010075752A - 산화티탄 광촉매 제조용 고정화 용액 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산화티탄 광촉매 박막제조를 위한 코팅작업시 제조용액의 경화현상을 지연하여 오랜기간 동안 보존 및 사용이 가능하도록 하는 산화티탄 광촉매 제조용 고정화 용액 및 그 제조방법에 관한 것이다. 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 에탄올 또는 이소프로파놀로 이루어지는 알코올성 용매 : 티타늄이소프로폭사이드 : 염산 또는 질산이 100 : 10 내지 20 : 1 내지 5의 중량비로 이루어지는 고정화 기초용액을 제조하는 과정과; 상기 제조된 고정화 기초용액에 대하여 중량비로 1 내지 5%로 티타늄프로폭사이드의 고른 분산을 유도하는 비이온성계면활성제를 첨가하는 과정과; 상기 비이온성계면활성제가 첨가된 고정화기초용액을 3000rpm 이상의 교반속도로 50분이상의 시간으로 졸-겔용액을 안정화시키는 과정; 그리고 상기 안정화시킨 졸-겔용액에 겔화를 지연하도록 이소프로파놀로 이루어진 겔화지연용매를 기초용액의 중량비에 대하여 10 내지 20% 첨가하는 과정으로 이루어지는 산화티탄 박막제조용 고정화 용액 및 그 제조방법을 제공하는 것이며, 상기 비이온성계면활성제는 폴리옥시에틸렌계 에테르로 이루어지도록 한다. 따라서 고정화용액의 겔화현상이 지연되어 장시간 사용이 가능하고, 또한 고정담체와 결합력이 증대되어 코팅작업이 쉽게 진행되는 잇점이 있다.

Description

산화티탄 광촉매 제조용 고정화 용액 및 그 제조방법{ coating solution and its preparing method for titanium dioxide photo-catalyst}

본 발명은 산화티탄 광촉매 조제용 용액에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산화티탄 광촉매의 코팅작업시 제조용액의 경화현상을 지연하여 오랜기간 동안 보존 및 사용이 가능하도록 하는 산화티탄 광촉매 제조용 고정화 용액 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 산업이 발달함에 따라 강이나 호수 등의 수질 및 대기중에는 각종 인체에 유해한 유기물질이 존재하고 있으며, 그 양은 점차 증가하고 있는 실정이다. 그리고 이러한 유해 유기화합물 및 각종 세균들은 자연이 본래 지니고 있는 자정능력을 벗어나 인위적으로 제거하고 있으며, 더욱이 난분해성 유기물은 각종 처리에도 불구하고 쉽게 분해가 이루어 지지 않아 수질에 녹아 있는 이러한 유해물질들은 인체에 치명적인 영향을 끼치고 있다.

따라서 이러한 유기화합물들의 처리에 대한 광범위한 연구들이 세계각국에서 진행되고 있으며, 그 중의 하나의 방법으로 최근에는 조사되는 적정 파장수에 의해 반응하는 광분해반응을 이용한 광촉매에 많은 연구결과들이 발표되고 있다. 상기한 광분해반응은, 유기화합물에 일정한 광강도 이상의 자외선 등의 빛을 조사함으로써 이루어지는데, 산화티탄과 같은 광촉매의 존재하에서 비약적으로 촉진되며, 현재까지의 연구결과에 따르면, 광촉매들을 이용함으로써 다양한 종류의 유기화합물뿐만 아니라 인체에 무익한 각종 세균들까지 분해 사멸할 수 있음이 확인된다.

그리고, 일예로 수처리에 이러한 광분해반응을 이용할 경우, 기존의 수처리 기술에 비하여 설비가 간단하고 사용약품이 거의 없어 설비비와 운전비가 저렴할 뿐만 아니라 2차오염을 유발하지 않는 광조사 에너지를 사용하므로 상당히 효과적이다. 또한, 광분해반응을 이용한 수처리기술은 슬러지가 발생하지 않을 뿐만 아니라 대부분이 생물학적으로 난분해성 물질인 유기염소화합물에 대한 광분해효과가 높아 최근 각광받고 있다.

이러한 광화학처리를 위해 사용되는 광촉매로는 TiO₂,WO₃, ZnO, SiC, Cds, GaAs 등이 사용되나, 가장 일반적으로는 산화티탄(TiO₂)이 널리 사용되고 있다. 그리고, 현재 상기 광촉매를 이용한 오염물질 처리 방법으로는 산화티탄의 분말상으로 이용하는 경우 또는 졸겔법(sol-gel method)을 이용하여 고정담체상에 박막을 코팅하는 방법이 널리 채용되고 있다.

분말상 산화티탄을 이용하는 경우, 광촉매활성 작용에 기여하는 표면적이 넓어 박막을 이용하는 후자의 경우보다 유리하지만 실용적인 측면에서는 후자의 경우가 널리 사용되고 있다. 즉, 분말상 산화티탄을 이용하는 방법으로서, 물에 현탁시켜 수중의 오염물질을 처리한 후, 회수장치를거쳐 재 사용하는 방법으로 이용되고 있다. 산화티탄의 현탁액은 분말의 미립자로써 비표면적이 넓어 오염물질과의 많은 접촉기회로 인하여 처리효율이 높은 편이다. 그러나, 별도의 회수장치가 필요하므로 설치비용이 많이 소요될 뿐만 아니라 상수나 하수처리와 같은 대형시설에는 회수장치의 한계로 인하여 적용이 불가능하며 소형장치에만 사용 가능한 문제점이 있다.

또한, 일정시간 사용 후, 착색이나 오염으로 재이용이 불가능할 경우 회수폐기하여야 함으로 슬러지가 발생되며 너무 많은 산화티탄을 수중에 주입하게 되면 광촉매로써 활성을 나타내는 전자정공 생성수율이 빛 투과율의 감소로 낮아지게 되는 문제점이 있다.

한편, 널리 일반적으로 사용되는 고정담체상에 산화티탄 박막을 코팅하는 방법 에서는 다음과 같은 문제점이 있다.

박막제조용으로 사용되는 코팅용액이 쉽게 변질되어 오랜기간동안 사용할 수 없다는 문제점이 있다. 즉, 종래에는 에탄올 : 티타늄이소프로폭사이드 : 염산 또는 질산을 중량비로 100 : 10 : 1 비율로 섞어 용액을 안정화시킨 후 광촉매 박막제조에 이용하고 있다. 그러나, 상기 방법으로 제조된 졸-겔용액은 보관용기 외부의 공기나 습도에 의해 급속히 경화현상이 진행됨으로써 실온에서 4일 정도가 경과하게 되면 용액이 차츰 굳어져 더 이상 사용할 수 없게 될 뿐만 아니라 한번 경화 현상이 진행되면 원래의 안정된 졸 상태로 되돌아 가지 않는 문제점이 있다.

그리고, 상기와 같은 산화티탄 박막제조용 코팅용액(졸-겔용액)의 경화현상으로 어떤 형태의 오염정화장치 제조에 필요한 산화티탄박막을 제조하기 위해서는박막을 형성할 부분의 부피보다 많은 양이 제조되어야 하므로 비용이 많이 발생할 뿐만 아니라 또한 많은 양의 산화티탄 제조용 코팅용액이 버려져 새로운 환경오염을 유발하는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 최근 일본에서는 외부공기 또는 습기가 없는 진공크린벤치에서 코팅작업이 이루어지도록 하고 있으며, 또한 코팅용액의 보관역시 진공데시케이트를 이용하고 있으나, 이럴 경우 별도의 진공장치가 필요하게 되어 많은 비용이 발생되는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 산소와 습도하에서 쉽게 겔화현상이 이루어지지 않아 장시간동안에도 변화없이 사용할 수 있는 산화티탄 박막제조용 고정화용액 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

그리고, 본 발명은 용액내에 산화티탄의 고른 분산이 이루어지도록 하여 박막제조시 보다 치밀한 산화티탄박막이 이루어지도록 하는 산화티탄 박막제조용 고정화용액 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1특징에 따르면, 에탄올 또는 이소프로파놀로 이루어지는 알코올성 용매 : 티타늄이소프로폭사이드 : 염산 또는 질산이 100 : 10 내지 20 : 1 내지 5의 중량비로 이루어지는 고정화 기초용액과; 상기 고정화 기초용액에 대하여 중량비로 1 내지 5%로 첨가되고 티타늄프로폭사이드의 고른 분산을 유도하는 비이온성계면활성제;그리고 상기 고정화 기초용액에 대하여 중량비로 10 내지 20 첨가되고, 기초용액의 겔화를 지연하도록 알코올기를 함유하는 겔화지연용매;로 이루어지는 산화티탄 박막제조용 고정화 용액을 제공하는 것을 기술적 요지로 하고 있다. 그리고, 상기 비이온성게면활성제는 폴리옥시에틸렌계 에스테르이고, 상기 겔화지연용매는 이소프로파놀로 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 제2특징에 따르면, 에탄올 또는 이소프로파놀로 이루어지는 알코올성 용매 : 티타늄이소프로폭사이드 : 염산 또는 질산이 100 : 10 내지 20 : 1 내지 5의 중량비로 이루어지는 고정화 기초용액을 제조하는 과정과; 상기 제조된 고정화 기초용액에 대하여 중량비로 1 내지 5%로 티타늄프로폭사이드의 고른 분산을 유도하는 비이온성계면활성제를 첨가하는 과정과; 상기 비이온성계면활성제가 첨가된 고정화기초용액을 3000rpm 이상의 교반속도로 50분이상의 시간으로 졸-겔용액을 안정화시키는 과정; 그리고 상기 안정화시킨 졸-겔용액에 겔화를 지연하도록 이소프로파놀로 이루어진 겔화지연용매를 기초용액의 중량비에 대하여 10 내지 20% 첨가하는 과정으로 이루어지는 산화티탄 박막제조용 고정화 용액 제조방법을 제공하는 것이다.

다음, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 보다 자세하게 설명하기로 한다. 하기에서 설명되는 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것이 아님을 본 발명이 속한 기술분야의 당업자에게 있어서는 자명할 것이다.

먼저, 고정화기초용액을 준비한다. 고정화기초용액은 에탄올 또는 이소프로파놀로 이루어진 알코올성용매와 산화티탄 박막제조용 기재로써 티타늄프로폭사이드 그리고 반응조절제로서 염산 또는 질산이 중량비로 100 : 10 내지 20 : 1 내지 5의 비율로 이루어지도록 한다. 상기와 같은 고정화 기초용액은 종래에 사용되는 일반적인 산화티탄 박막제조용 고정화 용액이므로 더 이상 자세한 설명은 생략하기로 한다.

다음, 상기 고정화기초용액에 티타늄프로폭사이드의 고른 분산을 위해서 분산제를 첨가한다. 분산제로는 비이온성계면활성제를 이용하며, 사용량은 상기 고정화기초용액에 대하여 1 내지 5%중량비가 첨가되도록 한다. 상기와 같이 분산제가 필요한 이유는 티타늄프로폭사이드가 알코올성용매내에 고른 분산이 이루어지도록 하기 위함이다. 즉, 종래에는 단순히 알코올성용매에 티타늄프로폭사이드를 첨가한 후, 교반으로 고른 분산을 유도하였으나, 상기 티타늄프로폭사이드의 고른 분산이 이루어지지 않아 쉽게 겔화가 이루어졌다. 따라서 이러한 겔화를 지연하기 위해서는 티타늄프로폭사이드가 알코올 용매에 고른 분산이 이루어져야한다. 이를 위해서는 용매와 티타늄프로폭사이드와 화학반응을 일으키지 않으며, 양 계면에서 고른 분산작용을 이룰 수 있는 분산제가 필요하다.

본 발명자들은 다양한 분산제를 이용하여 실험한 결과 비이온성계면활성제가 적합함을 알 수 있었다. 비이온성계면활성제의 종류로는 그 구조상 폴리옥시 화합물의 지방산에스테르, 폴리에틸렌 옥시드 축합물, 폴리에틸렌 이민 축합물 등이 있으나, 바람직하기로는 폴리옥시 화합물의 지방산 에스테르가 가장효과가 좋았으며, 특히, 폴리옥시에틸렌 노닐(또는 옥틸) 페닐 에테르(polyoxyethylene nonyl(oroctyl) phenyl ether)가 가장효과가 좋음을 알 수 있었다. 그리고, 사용량으로는 1 내지 5 %/중량이 적당함을 알 수 있었는데, 이는 너무 적은 양의 사용시 충분한 분산제로서의 역활 수행이 곤란하였으며, 5%/중량비 이상의 사용시 코팅용액의 점도, 표면장력 및 전단응력의 증가로 오히려 박막제조를 위한 코팅시 균일하게 코팅되는 것을 저지함을 알 수 있었다.

그리고, 상기 비이온성계면활성제로 이루어진 분산제를 사용함으로써 고정화용액을 이용하여 박막제조를 위한 코팅작업시 코팅이 보다 잘 이루어졌으며, 또한 코팅의 두께가 보다 두꺼워져 보다 적은 횟수의 코팅이 가능함을 알 수 있었다. 이는 상기 분산제가 티타늄프로폭사이드의 고른 분산을 유도함으로 코팅작업을 위한 도포시 티탄프로폭사이드가 전체면에 고른 분포가 이루어지기 때문이며, 또한 상기 분산제는 도포를 위한 고정담체 예를 들어 유리, 금속스테인레스의 표면에 고정화용액이 더욱 견고하게 부착될 수 있도록 양 계면에서 중간제의 역활을 하는 것으로 사료된다.

다음, 상기와 같이, 비이온성계면활성제가 첨가된 고정화기초용액을 물리적으로 소정시간동안 교반하여 티타늄프로폭사이드가 고르게 분산되도록 한다. 이는 분산제가 알코올성 용매와 티타늄프로폭사이드의 양 계면에서 고루 분산될 수 있도록 하기 위함이며, 실지 다양한 교반속도 및 시간으로 혼합한 결과 교반속도는 3000rpm 이상으로 교반되로고 하고, 교반시간은 최소 40분 이상이 되도록 하는 것이 가장 효과적임을 알 수 있었다. 물론 교반속도를 증가할 수록 교반시간을 줄어들 수 있으며, 상기 교반으로 인하여 비이온성계면활성제가 충분히 작용하여 티타늄프로폭사이드가 알코올용매에 고루 교반됨을 알 수 있었으며, 이로 인하여 겔화가 지연됨을 알 수 있었다.

그리고, 상기 교반이 끝난 상태로 고정화용액을 제조할 경우 종래보다 겔화가 지연됨을 알 수 있었다. 즉, 상기 상태로 제조된 고정화 용액은 외부공기 및 습도존재하에서도 최소한 15일 정도 동안 겔화의 진행이 억제됨을 알 수 있었다. 그러나, 15일 이상시 어느 정도 겔화가 진행됨을 알 수 있었다. 본 발명자들은 겔화를 더욱 더 지연시키기 위해 여러가지로 실험한 결과, 겔화지연용매로 이소프로파놀을 상기 교반이 끝난 상태에서 첨가함으로써 겔화를 더욱 더 지연시킬 수 있음을 알 수 있었다. 상기 이소프로파놀을 10 내지 20%/중량비로 교반이 끝난 용액에 첨가시 겔화가 최소한 80일 동안은 억제됨을 알 수 있었다. 상기 이소프로파놀은 겔화의 억제 역활 뿐만 아니라 이미 겔화가 진행된 고정화용액을 어느 정도 다시 졸 상태로 변화시킴을 알 수 있었다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따르면, 산화티탄 박막제조용 고정화용액의 겔화가 지연되게 제조함으로써 한번 제조된 고정화용액의 장시간 사용이 가능하고, 이에 따라 불필요한 겔화용액의 생성이 억제되어 비용절감 뿐만 아니라 호나경오염을 방지할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 겔화가 지연됨에 따라 기존의 졸-겔 용액의 단점인 공기접촉이나 습도의 존재에 의한 급속한 경화현상을 극복함으로써 별도의 진공크린벤치가 불필요하므로 종래 진공시설하에서 소규모작업만 수행할 수 있던 것을 대규모플랜트까지작업이 가능한 다른 효과도 있다.

또한, 겔화지연제로 사용된 비이온성계면활성제에 의해 고른 분산이 가능해져 박막제조를 위한 코팅작업시 두께가 두꺼워져 반복코팅작업의 횟수가 줄어들 뿐아니라 고정담체와의 결합력이 좋아져 보다 빠른시간내에 코팅작업을 수행할 수 있는 또다른 효과도 있다.

Claims (3)

1. 에탄올 또는 이소프로파놀로 이루어지는 알코올성 용매 : 티타늄이소프로폭사이드 : 염산 또는 질산이 100 : 10 내지 20 : 1 내지 5의 중량비로 이루어지는 고정화 기초용액과;

   상기 고정화 기초용액에 대하여 중량비로 1 내지 5%로 첨가되고 티타늄프로폭사이드의 고른 분산을 유도하는 비이온성계면활성제;그리고

   상기 고정화 기초용액에 대하여 중량비로 10 내지 20 첨가되고, 기초용액의 겔화를 지연하도록 알코올기를 함유하는 겔화지연용매;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 산화티탄 박막제조용 고정화 용액.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 비이온성게면활성제는 폴리옥시에틸렌계 에테르이고, 상기 겔화지연용매는 이소프로파놀임을 특징으로 하는 산화티탄 박막제조용 고정화 용액.
3. 에탄올 또는 이소프로파놀로 이루어지는 알코올성 용매 : 티타늄이소프로폭사이드 : 염산 또는 질산이 100 : 10 내지 20 : 1 내지 5의 중량비로 이루어지는 고정화 기초용액을 제조하는 과정과;

   상기 제조된 고정화 기초용액에 대하여 중량비로 1 내지 5%로 티타늄프로폭사이드의 고른 분산을 유도하는 비이온성계면활성제를 첨가하는 과정과;

   상기 비이온성계면활성제가 첨가된 고정화기초용액을 3000rpm 이상의 교반속도로 50분이상의 시간으로 졸-겔용액을 안정화시키는 과정; 그리고

   상기 안정화시킨 졸-겔용액에 겔화를 지연하도록 이소프로파놀로 이루어진 겔화지연용매를 기초용액의 중량비에 대하여 10 내지 20% 첨가하는 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 산화티탄 박막제조용 고정화 용액 제조방법.