KR20010089827A - 촉매반응의 강화방법 - Google Patents

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Abstract

하전 입자를 포함하는 유체 중에 반도체 촉매를 배치하고, 그 반도체 촉매가 배치된 장소에 자계를 형성시켜 그 하전 입자에 전자 유도 에너지를 부여함으로써 그 반도체 촉매 반응을 높이는 것을 특징으로 하는 촉매반응 강화방법으로서, 질소 산화물의 환원 제거, 유기 염소 화합물의 탈염소 반응 등을 효율적으로 할 수 있다.

Description

촉매반응의 강화방법{METHOD OF REINFORCING CATALYST REACTION}
종래, 유체(즉 기체·액체)에 자계를 부여하여 기체·액체의 활성화·개질을 실시하는 기술이 알려져 있다. 또한 산화 티탄 등의 산화물 등의 반도체 촉매에 자외선 에너지를 조사하고, 그 촉매 면에 접촉하는 기체나 액체에 산화·환원 반응, 탈질소 반응, 탈유황 반응, 탈염소 반응 등을 일으키는 기술 (광촉매법)도 널리 알려져 있다.
그러나, 이러한 단독 사용으로는 그 효과·반응이 충분하지 않거나, 또 지속성이 부족하였다.
특히, 광촉매 반응은 촉매 표면에 충분한 양의 자외선 에너지를 도달시키는 것이, 촉매 반응을 일으키는 필수조건이 되고, 자외선 에너지의 촉매 표면에의 도달을 방해하는 여러가지 요인 (촉매 표면의 더러움, 미립자에 의한 광 산란, 광에너지의 액상에 의한 흡수·감소 및 약화 등)이나 낮은 에너지 효율(조사 에너지당 촉매 효과)이 본격적인 실용화를 방해하는 큰 장벽이 되어 왔다.
발명의 요약
본 발명이 해결하려고 하는 과제는, 종래의 유체 자기 활성화법과 광촉매법의 원리를 조합함으로써 쌍방의 약점을 동시에 극복하고자 하는 것이다. 구체적으로는, 자계 중에서 운동하는 하전 입자에 발생하는 전자 유도 에너지를 반도체의 촉매 반응에 이용함으로써 반도체가 가지는 촉매 반응을 최대한 끌어내고, 또한, 지속적으로 그 능력을 유지할 수 있는, 반도체의 촉매 반응 강화법을 제공하는데 있다. 특히, 가장 적절하게는, 이 발명을 사용한 효과적인 질소 산화물의 환원방법과 염소계 유기화합물의 탈염소 반응을 제공하는데 있다.
이러한 과제를 해결한 본 발명의 구성은, 하전 입자를 포함하는 유체 중에 반도체 촉매를 배치하고, 그 반도체 촉매가 배치된 장소에 자계를 형성시켜 그 하전 입자에 전자 유도 에너지를 부여함으로써 그 반도체 촉매 반응을 높이는 것을 특징으로 하는 촉매반응 강화방법 (청구항 1), 및 반도체 촉매층, 그 촉매층에 하전 입자를 포함하는 유체를 도입하여 배출하는 유체 공급·배출수단 및 그 유체에 자계를 형성시키기 위한 자계 발생부를 구비하여 이루어지는 촉매 반응 장치 (청구항 13)를 요지로 한다.
본 발명에서는, 가장 적절하게는 반도체 촉매와 접촉하는 기체 또는 액체의 유체 내에 하전 입자를 포함하게 하고, 이 유체를 소요 속도로 흘려 보내면서 반도체 촉매 유로 개소에 자계를 줌으로써, 하전 입자에 전자 유도 에너지（로렌쯔의 힘)를 도４의 ａ, ｂ에 도시하는 바와 같이 일으킨다. 이 활성화된 하전 입자가 가지는 유도 방출된 에너지는 반도체 촉매에 접촉하는 것으로 이에 공여되어 그 촉매 기능을 높이고, 여러가지 반응(산화·환원 반응, 탈질소 반응, 탈유황 반응, 탈염소 반응 등)을 효율적으로 진행시킬 수 있다.
또한, 하전 입자를 유로 중에서 이동시킬 뿐만 아니라, 반응기 등의 조(槽) 내의 유체에 초음파 진동을 부여하여 운동을 가하더라도 동일한 효과를 줄 수 있다.
본 발명에 있어서 사용되는 반도체 촉매로서는, TiO2(2산화 티탄), ZnO, Nb2O5, SrTiO3, PbNb2O6, K4Nb6O17등의 산화물, CdS, ZnS 등의 황화물, 폴리파라페닐렌 등의 유기 고분자를 들 수 있고, 목적으로 하는 촉매 반응에 따라 적절하게 선택할 수 있다.
이들 중에, 산화물 반도체가 가장 적합하고, 또한 산화·환원 반응를 일으키는 이산화티탄이 가장 바람직하다.
유체 중의 하전 입자의 예로서 아래의 성분·원소가 있다. 기체에 포함되는 하전 입자의 예로서는, 질소 산화물, 유황 산화물, 오존, 악취 성분 등이 있다. 또한, 액체에 포함되는 하전 입자의 예로서는, 질소 산화물; 트리클로로에틸렌, 테트라클로로에틸렌, 트리클로로에탄, 다이옥신류, 트리할로메탄 등의 유기 염소 화합물; Na, Mg이온; 각종의 인공 화학 물질 등이 있다. 또한, 물 분자 그 자체도 극성을 가지고 있어, 넓은 의미에서 하전된 것이고, 본 발명 하전 입자의 일종이다. 전자 분포가 편재되어 있는 물질이면 본 발명의 하전 입자가 될 수 있다. 이러한 하전 입자는, 반드시 촉매 반응을 받는 물질이 아니어도 된다.
본 발명이 인가하는 자계로는 일방향의 자계(직류 자계)와, 자력선 방향을 반전시키는 교번 자계의 경우가 있고, 고속으로 강자계를 반전시킴으로써 산화물 반도체의 촉매작용을 높인다. 그 발생 방법은 전자석과, 영구자석이 있고, 이들을 통로 외주 또는 통로 내에 배치하여 산화물 반도체의 장소로 자계를 가한다. 자계의 강도는, 0.ｌ테슬라（1000 가우스）이상인 것이 적합하다.
또한, 본 발명에 있어서 하전입자에 운동 에너지를 부여하는 방법으로서, 크게 3가지 방법이 있다. 제 1 방법은, 하전입자를 일방향성으로 직선 혹은 회전 운동시키는 방법이다 (예를 들면, 하전입자를 유체압으로 이동시키는 방법). 제 2 방법은, 하전입자에 초음파·마이크로 웨이브의 에너지를 부여하여 하전입자를 직접 랜덤 운동시키는 방법이다. 제 3 방법은, 반도체 촉매를 운동시킴으로써 하전 입자를 촉매와의 충돌과 촉매면에서의 점성에 의하여 간접적으로 연동시키는 방법이다 (예를 들면 반도체 촉매를 하전 입자가 있는 공간 내에서 회전 운동, 왕복 운동, 랜덤 운동시킨다). 이것을 만들어 내는 에너지원으로서, (l) 유체에 사전에 부여되어 있는 액압, (2) 각종의 자연 에너지(위치 에너지, 풍력 에너지, 파력이나 조력에너지 등의 자연 에너지 등), (3) 인공 에너지 (전력 모터, 내연 엔진, 초음파, 전자파 등)를 들 수 있다.
또 이산화티탄 등의 반도체 촉매에 관하여도 이하와 같은 태양이 선택될 수있다.
(1) 촉매 사이즈
입경이 작고, 표면적이 큰 것이 바람직하나, 막상, 괴상 등의 벌크이어도 된다.
(2) 목적으로 하는 촉매 반응에 적합한 각종 화합물의 선정
이산화티탄과 납의 화합물에서는, 광촉매 반응에 의하여 CO2로부터 메탄을 생산하는(탄산동화반응) 효율이 이산화티탄 단독보다 약30배 증강되는 것, 테트라티탄산바륨에 루테늄을 담지시킴으로써 자외선 에너지로 물을 수소와 산소로 분해할 수 있는 것(수분해 반응) 등도 알려져 있다. 이와 같이 종래의 산화물 반도체 등을 사용한 광촉매법에서 검토되어 온 여러가지 경험이나 기술을 토대로, 목적으로 하는 촉매 반응에 적합한 산화물 반도체의 화합물을 선정할 수 있고, 목적으로 하는 촉매 반응을 종래법보다 효율적으로 실시할 수 있다. 물론, 광조사법을 병용할 수도 있다.
(3) 다른 촉매와의 병용
이산화티탄 등의 반도체 촉매에 활성탄이나 산화철을 편성함으로써 촉매 작용을 강화할 수 있다.
(4) pH 콘트롤과의 병용
유체 중에 산· 알카리 성분을 부가하여 최적 pH치로 pH치를 제어함으로써, 더욱 본 발명 촉매 반응을 높일 수 있다.
(5) 유체 중에 H2O2나 오존 O- 3를 첨가함으로써 자유 라디칼의 발생을 높여 촉매 반응을 강화할 수 있다.
본 발명 방법을 실시하기 위하여, 반도체 촉매층, 그 촉매층에 하전 입자를 포함하는 유체를 도입하여 배출하는 유체 공급·배출 수단 및 그 유체에 자계를 형성시키기 위한 자계 발생부를 구비하여 이루어지는 촉매 반응 장치가 사용된다. 반도체 촉매층은, 유체의 통로 또는 반응 용기 등의 물통 내에 배치될 수 있지만, 촉매층 자체는, 고정상, 유동상 등의 어떠한 방식이든 무방하다. 또한, 유체 공급·배출 수단도 특히 제한되지 않으며, 펌프 등에 의할 수 있다. 자계발생부도 특별히 제한되지 않지만, 상술한 바와 같이 교번 자계를 인가할 수 있는 것이 바람직하다.
본 발명을 사용하여 반도체 촉매의 촉매 작용을 높이고, 지속력을 유지할 수 있기 때문에, 아래와 같은 여러가지 분야에서 활용할 수 있다.
1. 일반적인 유기 화학 합성이나 화학 분해 플랜트에의 응용
2. 환경 오염 대책
1) 자동차나 쓰레기 소각에 의하여 배출되는 배가스 중의 탈질소, 탈유황, 탈염소 처리
2) 가정 배수, 산업 배수, 산업 배수 처리시설로부터의 배수, 일반 하수 처리 시설로부터의 배수 등의 탈질소, 탈유황, 탈염소 처리나 각종 인공 화학물질의 제거나 무독화
3) 호수, 늪이나 하천, 못, 바다 등의 부영양화 대책 (탈질소, 탈인산 등)
4) 호수, 늪이나 하천, 못, 바다, 토양 등에 포함되는 각종 인공 화학 물질의효율적인 제거
5) 자연 에너지를 이용하여 이산화탄소로부터 메탄을 합성하는 시스템을 개발하는 것에 의한 지구 온난화 대책
3. 건강·보건 대책
1) 상수도 시설이나 개별 정수 시설 (기업, 호텔, 병원, 가정 등)에서의 정수 처리(수질 정화나 각종 인공 화학 물질의 제거나 무독화)
2) 일반 가정용 수도물에 포함될 가능성이 있는 유해 물질 (염소, 트리할로메탄, 환경 호르몬류 등)의 분해·제거
3) 수영장, 공중 목욕탕 등의 수질 정화
4) 냄세 제거, 제균 기능을 함께 가진 공기 청정기의 개발
4. 산업에의 응용
1) 정화수 또는 자장 활성수로서 농업(축산·양계·원예 등)에 이용
2) 활어, 열대어, 양식어 등의 수조 정화 시스템
3) 자연 에너지를 이용한 수분해 시스템에 의한, 연료 전지의 원료가 되는 수소 연료의 공급.
본 발명은, 촉매반응의 강화방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 촉매에 의한 산화·환원 반응·탈질소 반응·탈유황 반응·탈염소 반응 등의 촉매 반응을 자계와 하전 입자에 의하여 높이는 자장 촉매법의 기술에 관한 것이다. 기체나 물에 용존된 화학 물질의 산화·환원 등의 반응을 효율적·경제적 그리고 대량으로 진행시키는 데 유용한 기술이며, 특히 화학 플랜트, 환경오염 대책, 정수 처리, 탈취 처리, 공기 청정 처리, 농업·축산용 등으로 이용할 수 있는 것이다.
도1은, 실시례 1∼3에서의 자장을 인가하지 않는 상태의 실시 장치의 구조를 도시하는 설명도이다.
도2는, 실시례 1∼3의 실시 장치의 자석의 배치와 계측점을 도시하는 설명도이다.
도3은, 본 발명의 모식적인 설명도이다.
도4는, 본 발명의 로렌쓰의 힘을 도시하는 설명도이다.
도5는, 실시례4를 도시한 설명도이다.
이하, 본 발명 실시례를 도면과 데이타에 기초하여 설명하나, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.
도1은, 실시례 1∼3에서의 자장을 인가하지 않는 상태의 실시 장치의 구조를 도시한 설명도이다.
도2는, 실시례 1∼3의 실시 장치의 자석의 배치와 계측점을 가리키는 설명도이다.
실시례 1∼3은 반도체 촉매로서 이산화티탄 입자를 통로 중에 충전하고, 그 통로 외주에 표면 자속밀도가 4,000Gauss인 네오듐 자석(Nd-Fe-B Magnet)을 배치하여, 원액을 펌프로 강제 압송하고, 원액을 이산화티탄의 산화환원반응으로 활성화하고, 이것에 의하여 원액을 정화·활성화 할 수 있도록 한 예이다.
도1, 2 중, 1은 원액을 흘려보내는 통로, 1a는 동 통로를 형성하는 가로 폭37mm, 높이 15mm, 전장 1,000mm이고 두께가 l.5mm인 스테인레스 파이프, 2는 산화물 반도체인 입상의 이산화티탄, 3은 원액(4)을 1.9L/min의 저속과, 5.4L/min의 고속으로 통로로 보내주는 가압 펌프, 4는 처리되는 원액, 5는 활성화 처리된 처리액, 6은 4,000 Gauss의 표면 자속밀도의 네온 자석, 7은 입자간 거리가 2.5cm인 유도 기전력 측정 단자이고, 통로(1)의 A, B, C의 3지점에서 계측된다. 통로(1)의 A점은 입구에서 25cm의 위치, B점은 입구에서 40cm의 위치 및 C점은 입구에서 75cm의 위치에 있다.
(전자 유도 에너지)
본 발명에서의 자계와 하전 입자에 의한 전기 유도 에너지의 발생에 대하여 설명하면, 하전 입자가 자계 중을 연동할 때 받는 힘을 로렌쯔의 힘이라 하고, 그러한 자계 내에 수직으로 입사한 하전 입자는, 자계에도, 또 하전 입자의 운동 방향에도 수직인 방향으로 로렌쯔의 힘(전자 유도 에너지)을 받는다. 그 힘(F)은, 하전입자의 전하를 q, 하전 입자의 속도를 v, 자속밀도를 B라고 하면
F=qvB(1)로 나타내진다.
또한, 이 때 발생하는 전압 et는
et = es+(EL) = es+((VxB)L) (2)
이 때, es는 정전압, E는 흐름에 의하여 발생하는 전장 벡터, L은 자장에 놓여진 두 개의 전극의 간격, V는 유체 흐름의 벡터, B는 자장 벡터이다.
실제로, 1V의 전압에 전자가 가속되어 얻는 에너지 1eV는 1.6×10-l9J이고, 이것을 온도로 환산해 보면 (Boltzmann 정수 k = 1.38 x 10 - 23JK -1로 나눈다)
1eV = 1l,588.3K = 11,315℃ (3)
가 된다.
이하, 본 발명에 의한 자장 활성화에 의하여 실제로 어느 정도의 기전력이 발생하는지를 나타낸다. 원액을 수돗물로 하여 유속을 바꾸고, 도2에 나타내는 A,B, C 지점에서 유도기전력을 2회 계측하여 평균치를 계산한 결과를 아래표 1에 나타내었다. 수돗물 중의 주요 하전 입자는, Na+, Mg++, C1-이온 등이다.
표l-l
자석 없음 계측 유도기전력 (단위 mV)
측정장소 유속 0 저속 고속 저속-유속 0 고속-유속 0
A -5.5 -6.5 -11.0 -1.0 -5.5
B 0.5 -3.0 -10.0 -3.5 -10.5
C -7.5 -0.5 -2.0 7.0 5.5
표1-2
자석 있음 계측 유도기전력 (단위 mV)
측정장소 유속 0 저속 고속 저속-유속 0 고속-유속 0
A -10.0 -6.0 -8.0 4.0 2.0
B 189.0 149.5 120.0 -39.5 -69.5
C -9.0 -3.5 6.0 5.5 15.0
이상의 결과로부터 다음의 사실을 알 수 있다.
1: 통로(1)에 자장을 부하하는 것만으로, 그 기전력의 기초값은 크게 변동된다. 이것은, 수돗물 중에 존재하는 하전 입자의 분포가 강력한 자장의 영향으로 기울었기 때문에 생기는 기전력으로 생각된다.
2: 또한, 가압 펌프(3)에 강제적으로 통수하면, 유속에 의존하여 기전력이 크게 변화한다. 이것은, 강자계중에 존재하는 하전 입자에 운동 에너지가 가하여짐으로써 생기는 전자 유도 에너지(로렌쯔힘)에 의하여 발생한 기전력이라 생각된다.
3: 이 때 생기는 전자 에너지 (자석이 있는 경우의 상기 표 중의 B: 측정 개소의 값 - 69.0)를 (3)식으로부터 온도 환산하면
l1,315℃×69/1000=780.7℃
의 온도 상승에 필적한다.
(산화·환원 반응 촉매)
이산화티탄 등의 산화물 반도체류를 사용한 광촉매 시스템에서는 충분한 양의 광에너지를 촉매 금속 표면에 직접 도달시킬 필요가 있었다. 이에 대하여, 본 발명은, 전자 유도 에너지와 전자파의 일종인 광에너지의 본질이 동일한 것임을 주목하고, 빛이 충분하게 도달할 수 없는 수용액 중이나 폐쇄 공간이라도 하전 입자 자신에게 직접 부하되는 전자 유도 에너지의 일부가 산화물 반도체 금속에 전해짐으로써 광촉매 반응과 화학반응을 일어나게 할 수 있다.
물론, 자외선 등의 광에너지와 병용할 수도 있다.
실시례 1 (자장 촉매를 사용한 탈질산 반응)
도1, 2의 장치를 사용하고, 원액 (4)으로서, 아래의 질산나트륨 용액을 사용하고, 케이스 A, B, C에 있어서 자장 촉매 처리 후의 처리액(5)의 아질산 및 질산 이온 농도를 계측하여, 탈질산 반응을 확인한다.
1: 원액(4)으로서 10mg/L(10ppm)의 질산나트륨 용액 (수도물 중의 허용 한계)을 작성한다.
2: 표1의 시험과 마찬가지 실험 시스템을 사용하여 자장 촉매 처리 후의 용액(처리액 5) 중의 질산 이온 농도를 고속 액체 크로마토그램법 (HPLC)를 사용하여 검체를 분리하고, 그리스 반응시키고, 최종적으로 디아조 발색 강도에 의하여 정량하였다. 이하 NOx의 농도는 흡광도 검출기로부터 전압 강도의 적분치로서 표현하고 있다(피크 면적).
케이스A: 10ppm의 질산나트륨을 함축한 자장 촉매 처리전 용액 (원액4)에 검출되는 NOx의 피크 면적
케이스B: 자석을 장착하지 않는 시스템으로 처리한 때의 NOx의 피크 면적
케이스C: 자석을 장착한 자장 촉매 처리를 한 때의 NOx의 피크 면적
그 결과를 아래표 2에 나타낸다.
NO- 2농도mV NO- 3농도mV NO- 2+3농도mV 잔존율%
케이스 A케이스 B(자석 없음)케이스 C(자석 있음) 0511+8068±25 5220±814550±2644117±720 522050614180 *97.080.1
n=4
이상의 결과부터,
l: 자석을 장착하지 않는 경우는 NO- 3부터 NO- 2로의 시프트가 약 10%를 나타내나, NOx로서의 총량에 변화는 보이지 않았다.
2: 이에 대하여, 자석을 장착한 경우는, 1회의 자장 촉매 처리로 약 20%의 총질소 산화물을 소실시킬 수 있었다. 본 실험 결과부터도 명백한 바와 같이, 본 촉매 시스템을 유효하게 기능시키기 위하여 자장 활성화가 필요조건이라고 할 수 있다.
3: 이 시스템을 다단계식 또는 순환식으로 구축한 경우 극적인 탈질산 효과를 기대할 수 있다.
실시례 2 (자장촉매를 사용한 탈염소 반응)
도1, 2의 장치를 사용하고, 원액(4)으로서 아래의 5염화 페놀(Pentachrolpheno1, PCP) 용액을 사용하고, 아래 케이스 D, E에 있어서 처리수의 PCP 농도를 계측하여, 탈염소 반응을 확인하였다.
1: 원액 (4)로서 5mg/L(5ppm)의 PCP용액을 작성한다
2: 상기 시험과 다름없는 실험 시스템을 사용하여 자장 촉매 처리 후의 용액(처리액 5) 중의 PCP 농도를 고속 액체 크로마토그램법 (HPLC)+전기 화학 검출기를 사용하여 측정한다
케이스D : 5ppm의 PCP를 포함한 자장 촉매처리전 용액(원액4)에서 검출되는 PCP의 피크 면적
케이스E: 자장 촉매 시스템에 처리를 한 때의 PCP의 피크 면적
그 결과를 아래표 3에 나타낸다.
PCP 농도mVs 잔존율%
케이스D케이스E 20300±26015179±647 *74.8%
n=4
이상의 결과로부터
1: 본 발명을 응용한 1회의 자장 촉매 처리에 의하여 약25%의 PCP를 소실시킬 수 있었다. 또한, 본 자장처리 용액(처리액5) 중의 잔류 염소 농도가 처리 전후에 우위로 상승하는 것도 시험지법으로 확인할 수 있고, 이 PCP의 소실은 탈염소반응에 의한 것으로 추측되었다.
2: 이 시스템을 다단계식 혹은 순환식으로 구축한 경우, 극적인 탈염소 효과를 기대할 수 있다.
3: PCP는 다이옥신류나 PCB 등 모두 공통 특징을 가진 대표적인 염소계 유기화합물이고, 다른 염소계 유기화합물도 효율적으로 탈염소화(무독화)할 수 있는 것으로 추측된다.
실시례 3 (자장촉매효과를 증강시키는 예) (탈질산반응)
도 1, 2의 장치를 사용하고, 통로(l) 내의 충전물 조성을 (1) 입자지름 0.2mm의 이산화티탄, (2) 입자지름 0.2mm의 활성탄, (3) 입자지름 5mm의 자철광을 1:1:4의 용량비로 혼합상태로 충전한다.
실시례 (1)과 마찬가지로 질산 이온을 함유하는 물 (원액4)을 가압 펌프(3)에 의하여 통수하고, 전후에 질산 이온 농도를 비교한다.
결과1. B지점에 의한 기전력
자석없음
유속 없음 +5mV
유속 l.7L/min -50mV
기전력의 차 -55mV
자석 있음
유속 없음 +20mV
유속 1.7L/min -100mV
기전력의 차 -120mV
결과2. 질산 이온 농도의 변화
20ppm의 이온을 포함한 용액 NO- 21.3mVs
(원액4) NO- 3l1,603mVs
(잔존율)
처리 후의 용액 자석 없음 NO- 21.1mVs
(처리액5) NO- 36,370mVs
(59.4%)
자석 있음 NO- 21.5mVs
NO- 34,010mVs
(34.6%)
이상의 결과로부터,
1: 이산화티탄의 입자를 잘게 하여 활성탄 및 자철광을 가함으로써 유도되는 기전력 에너지가 증강되고, 탈질산작용도 현저하게 되었다.
2: 본 실시례부터, 광촉매 반응을 증강하는 이미 공지된 방법을 본 발명 자장 촉매법과 조합함으로써 산화·환원 촉매 반응을 보다 증강시킬 수 있다는 것이시사되어 있다.
실시례 4 (초음파 부여에 의한 자장 촉매)
실험 순서
l. 도5에 도시하는 바와 같이 갈색의 글래스병 10 (100ml) 중에 각종 pH용액(pH 3, 6, 9) 5ppm의 NO- 3용액 80ml의 원액(11)을 용해하고, 실시예(3)에서 사용한 것과 같은 소재의 이산화티탄 입자 1g과 활성탄 입자1g과 자철광 입자 5g의 촉매(12)를 담근다. 또한, 이 글래스병(10) 바닥에 전술한 네온 자석13(4,000G)을 바깥쪽으로부터 붙인다.
2. 아래의 각종 파장과 출력 초음파를 발생하는 수조 X, Y, Z를 준비하고, 이 수조 X, Y, Z 중에 상기 1에서 준비한 각종 글래스병(10)을 담그고, 일정 시간 초음파를 부여하여, 그 전후의 질소 산화물 농도를 측정한다. 도 5 중, l4는 초음파 발진 장치, 15는 수조X, Y, Z 저부에 설치한 초음파 발진부이다.
초음파 주파수 출력 에너지
수조X. 38KHz, 600W 1W/cm2
수조Y. 150KHz, 1200W 2.5W/cm2
수조Z. 770KHz, 2400W 2.5W/cm2
얻어진 결과를 다음으로 나타낸다.
수조X Total
<pH3> 시간 NO- 2농도 NO- 3농도 NOX농도
0min 1.3mVs 2048mVs 2049mVs
10min 32.3mVs 1514mVs 1546mVs
20min 35.9mVs 1383mVs 1419mVs
Total
<pH6> 시간 NO- 2농도 NO- 3농도 NOX농도
0min 3.5mVs 2727mVs 2730mVs
10min 43.7mVs 1989mVs 2032mVs
20min 47.9mVs 1977mVs 2025mVs
Total
<pH9> 시간 NO- 2농도 NO- 3농도 NOX농도
0min 3.8mVs 3413mVs 3417mVs
10min 10.7mVs 3230mVs 3241mVs
20min 13.9mVs 3081mVs 3095mVs
수조Y Total
<pH3> 시간 NO- 2농도 NO- 3농도 NOX농도
0min 0.7mVs 2384mVs 2385mVs
10min 418.7mVs 1817mVs 2236mVs
20min 689.1mVs 1557mVs 2246mVs
Total
<pH6> 시간 NO- 2농도 NO- 3농도 NOX농도
0min 1.6mVs 2046mVs 2048mVs
10min 34.5mVs 1870mVs 1905mVs
20min 268.9mVs 1637mVs 1906mVs
Total
<pH9> 시간 NO- 2농도 NO- 3농도 NOX농도
0min 2.0mVs 2877mVs 2879mVs
10min 428.0mVs 3277mVs 3705mVs
20min 763.2mVs 3519mVs 4282mVs
수조Z Total
<pH3> 시간 NO- 2농도 NO- 3농도 NOX농도
0min 2.0mVs 1728mVs 1730mVs
10min 1.2mVs 2053mVs 2054mVs
20min 2.7mVs 1572mVs 1575mVs
Total
<pH6> 시간 NO- 2농도 NO- 3농도 NOX농도
0min 1.5mVs 2874mVs 2876mVs
10min 3.6mVs 500mVs 2504mVs
20min 2.8mVs 2133mVs 2136mVs
Total
<pH9> 시간 NO- 2농도 NO- 3농도 NOX농도
0min 4.8mVs 3141mVs 3145mVs
10min 7.3mVs 3237mVs 3244mVs
20min 7.4mVs 3315mVs 3322mVs
이상의 결과로부터,
1: 상기 결과부터 이하와 같은 경향이 인정된다.
1) pH가 낮을수록 총질소 산화물의 흡착 및 분해가 증강된다. 총질소 산화물 용존량으로 평가하면, 저파장대 (38KHz)가 가장 탈질산 효과가 높고, 다음으로 고주파대 (770KHz)가 그 뒤를 따른다.
2) 중파장대 (150KHz)의 pH3 및 pH6에서는, 질소 산화물 총량은 변화하지 않지만, NO- 2의 농도가 부여 에너지량 의존적으로 증가하는 경향을 보였다.또한, PH9에서는, 질소 산화물 총량 그 자체도 증가하였다. 이 결과는, 중파장대에 있어서, NO- 3부터 NO- 2가 유도되는 반응 뿐만 아니라, 용액에 용존 하는 질소나 산소로부터 NO-이나 NO- 2가 유도될 가능성도 시사한다.
2: 초음파 에너지 부여에 의한 자장 촉매 반응의 경우, 저주파대 및 고주파대는 탈질산 반응(환원 반응)이 우세한 것 같으나, 중파장대에서는, 오히려 용존 가스로부터의 아질산 이온의 유도(산화 반응)가 특징적이었다. 이것은, 자장 촉매 조건에 의하여 산화 반응이나 환원 반응의 우위성이 변화하는 것을 의미하고, 반대로 이 특성을 이용하여, (l) 수용액 중의 질소 산화물의 제거 목적은 저주파 혹은 고주파대의 초음파 조사 (2) 공기 중의 일산화질소의 산화 흡착 목적으로는 중파장대의 초음파 조사가 유효하다고 생각된다.
3: 문헌적으로도, 물 분자에 초음파를 조사하면 물 분자 그 자체가 분해되고, 「OH·」히드록시 라디칼(활성 산소)이나「H·」활성 수소가 발생하는 것이 알려져 있다 (Makino et al., Radiat. Res. 96, 416-421, 1983). 자장 촉매법에서는, 이 때 발생하는 「OH·」히드록시 라디칼(활성 산소)나「H·」활성 수소를 효율적으로 이용하여 산화나 환원 반응을 유도할 수 있는 것으로 추측된다.
[발명의 효과]
이상과 같이, 본 발명에 의하면, 유체 중의 모든 하전 입자에 효율적으로 전자 유도에너지(전자력)를 부여할 수 있고, 또한 이러한 유도 방출 상태의 하전 입자와 반도체 촉매와 접촉시킴으로써 반도체 촉매에 의한 화학반응(산화 환원 반응, 탈질소, 탈유황, 탈염소 반응)을 효율적으로 유도하는 것이 가능하게 된다.
본 발명에 의한 자장 촉매 시스템은, 또한, 이하와 같은 편리성도 있다.
(l) 구조가 매우 간단하고, 강자석과 유체에 운동 에너지를 부여하는 기기(펌프 등)만 있으면, 대용량의 산업용으로부터 소규모의 일반 가정용까지 비교적 용이하게 설계 제조할 수 있다.
(2) 촉매 작용을 이용하고 있으므로, 그 효과는 장기간 유지되고, 유지 관리가 용이하며 코스트도 저감할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하여
(1) 자연 환경 중에 배출되는 환경 호르몬 물질이나 세제 등으로 대표되는 인공 화학 물질의 중화 제거,
(2) 산성비나 농업 배수, 일반 하수 배수 등에 의하여 생기는 호수와 늪이나 바다의 부영양화 대책,
(3) 쓰레기 처리 시설이나 산업 폐기물 처리 시설에서 배출되는 대량의 염소 유기화합물 등의 탈염소화 (무독화) 처리,
(4) 일반 음료수의 정화 대책,
등이 실현 가능하게 되고, 지구 환경 문제나 인류의 복지 향상에 크게 공헌할 수 있다.

Claims (14)

  1. 하전 입자를 포함하는 유체 중에 반도체 촉매를 배치하고, 그 반도체 촉매가 배치된 장에 자계를 형성하여 그 하전 입자에 전자 유도 에너지를 부여함으로써 그 반도체 촉매 반응을 높이는 것을 특징으로 하는 촉매 반응 강화 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    하전 입자가 자계 중에서 연동 에너지를 부여받는 촉매 반응 강화 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    운동 에너지가 유체에 부여되는 촉매 반응 강화 방법.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    운동 에너지가 초음파 에너지에 의하여 부여되는 촉매 반응 강화 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    반도체 촉매가 배치되는 장이 유체의 통로 또는 수조인 촉매 반응 강화 방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    반도체 촉매가 산화물 반도체 촉매인 촉매 반응 강화 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    산화물 반도체가 이산화티탄인 촉매 반응 강화 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    이산화티탄을 활성탄 및 자철광과 함께 사용하는 촉매 반응 강화 방법.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    자계가 교번자계인 촉매 반응 강화 방법.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    자계가 0.l 테슬라(1000Gauss) 이상인 촉매 반응 강화 방법.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    촉매 반응이 유체 중의 질소 산화물의 환원인 촉매 반응 강화 방법.
  12. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    촉매 반응이 유체중의 유기 염소화합물의 탈염소 반응인 촉매 반응 강화 방법.
  13. 반도체 촉매층, 그 촉매층에 하전 입자를 포함하는 유체를 도입하여 배출하는 유체 공급·배출 수단 및 그 유체에 자계를 형성시키기 위한 자계 발생부를 구비하여 이루어지는 촉매 반응 장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    초음파 에너지 발생부를 구비하여 이루어지는 촉매 반응 장치.
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