KR20020058946A

KR20020058946A - 환경친화적 질소산화물 분해성 이산화티탄 고정화 건축재

Info

Publication number: KR20020058946A
Application number: KR1020000087086A
Authority: KR
Inventors: 이종황
Original assignee: 이종황
Priority date: 2000-12-30
Filing date: 2000-12-30
Publication date: 2002-07-12

Abstract

본 발명은 환경친화적 질소산화물 분해성 건축재에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 대기 또는 우수(雨水) 등에 포함되어 있는 주요 오염물인 질소산화물을 효과적으로 제거할 수가 있는 환경친화적 질소산화물 분해성 이산화티탄 고정화 건축재에 관한 것으로서, 이산화티탄 분체 1∼20중량%와 통상의 건축재 80∼99중량%로 구성되며, 차량 배기 가스 등과 같은 유해한 대기 오염물, 특히 질소 산화물을 분해할 수 있고 메인테넌스가 전혀 불필요한 반영구적 효과가 있으며, 도심의 대부분을 구성하는 건축재로서 또는 노면 등에 광범위하게 이용시 도심의 대기 오염을 현저히 완화시킬 수가 있음과 아울러, 옥내에 있어서는 벽지나 내벽 도포재 또는 천장 마감재 등으로 이용시 흡연 또는 조리 등으로 인한 옥내 공기 정화에 따른 쾌적한 환경을 만들 수가 있다.

Description

환경친화적 질소산화물 분해성 이산화티탄 고정화 건축재{ENVIRONMENTAL AFFINITIVE BUILDING MATERIALS IMMOBILIZED TITANIUM OXIDE HAVING NITROGEN OXIDES DECOMPOSITION CAPABILITY }

본 발명은 환경친화적 질소산화물 분해성 건축재에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 대기 또는 우수(雨水) 등에 포함되어 있는 주요 오염물인 질소산화물을 효과적으로 제거할 수가 있는 환경친화적 질소산화물 분해성 이산화티탄 고정화 건축재에 관한 것이다.

산업용 보일러나 발전 설비 등의 고정원과, 차량이나 선박등의 이동원으로부터 배출되는 질소산화물은 대기 중에 존재하는 탄화수소 유도체류와 반응하여 광화학 스모그를 유발하거나 산성비의 원인이 되는 유해 대기오염물질이다. 또한, 우리 나라에서는 최근 10여 년간 차량 운행 대수의 급격한 증가로 인하여 차량 배기 가스량이 급격히 증가되고 있음과 아울러, 중국 동안의 급격한 산업화로 인하여 편서풍을 따라 유입되는 대기 오염물의 양도 급격히 증가하고 있어 우리나라의 대기 오염을 급격히 악화시키고 있다. 따라서, 질소산화물에 의한 대기 오염을 완화시킬 수 있는 방안의 마련이 사회적으로 절실히 요구되고 있는 실정이다.

질소산화물 NO_X는 대도시나 공장지대에서 심각한 대기 공해를 야기시키는 성분으로서 잘 알려져 있으며, 특히 NO₂는 주요한 위험 성분으로서 대기중에 50ppm 정도의 존재로 생체의 사멸을 초래하며, 0.05∼0.2ppm 사이의 낮은 농도에서도 호흡기 장애를 일으키는 것으로 알려져 있다. 더욱이, 이보다 낮은 대기중 농도에서도 대기중의 수분 및 탄화수소류와의 광화학 반응을 일으켜 대도시의 가장 심각한 문제중의 하나인 '스모그(smog)' 현상을 야기하는 것으로 알려져 있다. 고온의 배기 가스 중에서는 대부분의 NO_X가 고온에서 비교적 안정한 NO의 형태로 존재한다. 그러나, 상온에서는 쉽게 NO₂로 산화되어 공해의 직접적인 원인이 된다.

따라서, 대기오염물질을 배출하는 시설 및 장치 내에서의 질소산화물을 저감시키기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 이러한 연구는 주로 배연탈질 기술 및 연소방법의 변경 기술로 구분될 수 있다. 질소산화물(NO_X)의 제어는 황산화물의 제어와는 달리 연소 방법의 변경이 효율적인 것으로 알려져 있다. 그러나, 1997년 현재 우리 나라의 차량 대수는 1천만 대를 넘어선 이래 계속적으로 급격히 증가하고 있으므로, 저공해 차량 제조 기술만에 의존하여 대기 오염 증가를 극복 내지 완화시키기에는 현실적인 한계가 있을 수 밖에 없으며, 더욱이 차량의 주요 배출오염물질인 질소산화물(NO_X)과 입자상 공해 물질(PM:Particulate Materials)의 발생은 상호 교환적 변경 관계에 있어 이 두 가지를 동시에 저감시키는 데에는 한계가 있다.

대기중에 배출되는 오염물질 중에서 NO_X는 약 30%를 차지하고 있으며, 최근 RV(Recreation Vehicle)차량을 중심으로 한 디젤차의 증가에 따라 내호흡기에 악영향을 주는 NO_X증가가 우려된다. 각국의 NO_X환경설정기준을 살펴보면 우리 나라의 NO₂에 대한 환경기준치는 0.05ppm으로서 WHO의 권고기준 0.021ppm과는 상당한 차이를 보이고 있으며, 환경에 대한 인식 제고에 따라 이 기준치는 더욱 낮아 질 것으로 예상된다.

한편, 광 에너지에 의한 화학 반응을 매개하는 광촉매로서는, 이산화티탄(TiO₂), 루테늄트리스비필리딜, ZnO, ZrO₂, CdS, WO₃등을 들 수 있다. 이들 중에서, 이산화티탄(TiO₂)은 그 자체가 빛에 의해 분해되거나 촉매독 현상이 없으므로 반영구적으로 사용 가능하고 염소 기체나 오존 보다 높은 산화력을 갖고 있어서 강한 살균력을 나타냄과 아울러, 대기와 수 중에 함유되어 있는 유기오염물질을 인체에 무해한 이산화탄소와 물로 분해시킬 수가 있다. 더욱이, 이산화티탄은 산, 염기, 유기용매 등에 대한 내약품성이 강하여 화학적인 안정성을 가지며, 다른광촉매와는 달리 중독성 및 발암성도 없다.

TiO₂는 밴드 갭이 약 3eV로서, 태양광의 파장으로 환산시 400nm 이하의파장을 갖는 자외선 영역에 해당한다. 즉, TiO₂에 자외선을 조사하면 여기(勵起:exiting) 되어 전자의 이동이 일어나며(즉, 밴드 갭에 해당되는 에너지를 가진 빛에 의해 가전자대의 전자가 전도대로 올라 감), 여기된 전자와 정공은 주변의 산소나 수소 혹은 OH- 등과 반응하게 된다. 생성된 O₂ ^-, 0^-, 0, OH 등은 강한 산화력을 가지고 있어 다양한 산화반응을 일으키며, 오염물질의 주성분인 유기물질을 분해시키게 된다.

본 발명의 목적은 차량 배기 가스 등에 다량 포함되어 있는 질소 산화물을 분해할 수 있으며 메인테넌스가 불필요한 반영구적인 건축재를 제공함으로써, 대기, 특히 도심지나 실내 대기를 정화시켜 쾌적한 환경을 만들기 위한 것이다.

도 1(a) 및 (b)는 본 발명에 따른 인터록킹블록 및 다공성 콘크리트의 시간에 따른 NO_x제거능을 나타내는 그래프도이다.

도 2(a) 및 (b)는 본 발명에 따른 패널의 시간에 따른 NO_x제거능을 나타내는 그래프도이다.

본 발명은 질소산화물(NO_X)에 의한 대기오염을 정화할 수 있는 이산화티탄 광촉매를 건축재에 고정화시킨 것으로서, 이산화티탄의 광촉매 작용을 이용한 NO_X의 고정화 및 무해화가 가능하다. 즉, 이산화티탄 광촉매가 태양에너지와 반응하여 질소산화물, 유기염소 화합물 등, 대기나 실내 오염물질을 산화하여 제거하는 능력을 이용한 것이다.

본 발명에 따른 건축재는 이산화티탄 광촉매를 통상의 건축재에 고정 화시킴으로써, 차량 등으로부터 배출되는 유해 물질, 특히 질소산화물을 바로 분해, 제거함으로써 도시의 대기오염방지 및 완화에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

본 발명에 따른 건축재의 종류에는 특별한 제한은 없으며, 도로포장재, 도로측벽, 차음벽, 인터록킹 보도블록, 패널, 콘크리트 구조물 등 도시 공간의 대부분을 차지하고 있는 광범위하고 다양한 유형의 건축재에 적용 가능하며, 이들 건축 재료 자체에 유해가스 정화기능을 부여할 수가 있다. 본 명세서 중에서 사용되는 '건축재'라는 용어는 좁은 의미의 건축에 사용되는 재료를 의미하는 것이 아니라, 도로 포장재 등과 같은 토목재를 포함하는 넓은 의미로 이해되어야 할 것이다.

본 발명에 사용 가능한 이산화티탄 촉매에는 특별한 제한은 없으나, 아나타제 타입 결정 구조와 루틸 타입 결정 구조 중, 가격이 낮고 광촉매 활성이 높은 아나타제 타입이 바람직하다. 본 발명에 있어서 이산화티탄의 순도는 낮더라도 무방하나 바람직하게는 적어도 10%, 바람직하게는 적어도 50%, 더욱 바람직하게는 적어도 70%, 특별하게는 적어도 90%이다.

본 발명에 사용되는 이산화티탄 촉매의 입자 크기는 일반적으로 0.10∼200㎛이며, 바람직하게는 0.20∼50㎛, 가장 바람직하게는 0.25∼3㎛이다. 입자 크기가 0.1㎛ 미만인 경우에는 표면적 증대로 인한 광촉매 활성의 증대를 기대할 수는 있으나 건축 재료 자체의 강도 저하 및 고정 재료 자체의 면적 감소를 초래할 수 있으므로 바람직하지 못하다. 또한, 200㎛를 초과하는 경우에는 촉매의 표면적 감소로 인하여 광촉매 활성이 기대에 미치지 못하게 될 우려가 있으므로 역시 바람직하지 못하다.

본 발명에 사용되는 이산화티탄의 건축재료에의 고정화는 다양한 방법이 이용될 수 있으며, 예컨대, 이산화티탄 분말을 칩, 분체, 다공체 등의 담체로서의 건축 원재료와 일정 비율로 혼합하여 건축 재료로 성형하는 방법, 이산화티탄을 금속티탄 박판으로 만드는 방법, 광촉매 페이스트를 건축 재료의 표면에 도포하는 방법, 광촉매를 페인트에 혼합하여 도포하는 방법 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이산화티탄을 건축 재료에 고정화(또는 복합화)함에 있어서는, 건축 재료 자체의 특성(예컨대, 강도, 단열성, 차음성 등)에 심각한 영향을 주지 않는 범위 내에서 사용되어야 하며, 또한 형태의 다양성이나 의장적인 측면도 고려되어야 하며, 또한 광촉매 효과도 극대화하여야 한다.

고정화 과정에서 광촉매를 건축 재료에 견고하게 고정, 부착시키고자 하면 광촉매의 유효 표면적이 감소하며, 이와 반대로 광촉매의 유효 표면적을 증가시키기 위해서는 광촉매의 견고한 고정에 어려움이 있다. 이러한 문제점은 입체적인 구조를 만들면 재료의 최표면과 그 내부의 광촉매 입자도 작용을 하게 되며, 다공질의 형태를 가지는 구조를 고정화하는 방법이 필요하다. 또, 미세한 입자의 광촉매를 많이 사용하는 것이 좋으나 지나칠 경우 재료자체의 강도 저하와 고정체 자체의 실체적이 감소하는 단점이 있으므로 상호 안정적인 범위 내로 할 필요가 있다.

따라서, 상기한 점을 감안시, 이산화티탄 분말을 건축 원재료와 혼합하여 건축 재료로 성형하는 방법에 있어서의 이산화티탄 분말의 혼합비는 건축 재료의 건축 재료전중량 기준으로 1중량%∼20중량%의 범위이며, 바람직하게는 1.5중량%∼12중량%의 범위, 더욱 바람직하게는 1.5중량%∼8중량%의 범위이다.

광촉매 페이스트 또는 광촉매 페인트를 건축 재료 표면에 도포하는 방법에 있어서의 이산화티탄 분말의 혼합비는 페이스트 또는 페인트 전중량 기준으로 2중량%∼15중량%의 범위이며, 바람직하게는 3중량%∼12중량%의 범위이다.

이하, 본 발명을 실시예 및 비교예 등을 통하여 더욱 상세히 설명하기로 하나, 이는 본 발명을 예증하기 위한 것일 뿐 본 발명을 제한하는 것이 아님을 이해하여야 한다.

(실시예)

사용 재료

시멘트 : (주)쌍용의 통상적인 포틀랜드 시멘트

잔 골재 : 경북 해평산 강모래(비중 2.6, FM 2.8)

페인트 : 노루표 합성수지 에멀션 페인트

이산화티탄 광촉매 : 백색 결정의 아나타제 타입. 비중 3.84∼4.26. 경도 5.8. 입경 0.25∼0.35㎛.

실시예 1 - 이산화티탄 함유 시멘트 페이스트 도포 인터록킹 블록체

물 시멘트 55중량%의 시멘트 페이스트 94중량%와 이산화티탄 분체 6중량%를 균질하게 혼합하고, (주)쌍용의 U타입 블록체 6개의 상면 각각에 30분 간격으로 3회 도포하였다.

이산화티탄 시멘트 페이스트가 도포 처리된 블록체의 질소산화물 분해 제거율을 측정하기 위하여, 다음과 같은 밀폐식 질소산화물 처리 장치를 자체 제작 사용하였다.

밀폐형 스테인레스 박스 용기 내부에 상기한 블록체를 위치시킨 다음, 이로부터 수직 상방으로 10cm 이격한 위치에 UV 램프(TLK 40W/10R)를 설치하고 하부에는 진공 펌프를 설치하였다. 상기한 진공 펌프를 이용하여 상자 내부의 공기를 제거한 후, 산소와 질소산화물을 주입하고, 조사 면적 160㎠로 UV 램프를 점등시킨 다음, 시간에 따른 질소산화물의 농도를 NO_x용 검지관을 이용하여 측정하였다. 온도는 20±3℃로 유지하였다.

측정 결과를 하기의 표 1 및 2와 도 1(a)(b) 및 도 2(a)(b)에 나타낸다.

실시예 2 - 이산화티탄 함유 페인트 도포 인터록킹 블록체

상기한 페인트 90중량%와 상기한 이산화티탄 분체 10중량%로 이루어지는 균질하게 혼합된 에멀션 페인트를 상기한 (주)쌍용의 U타입 블록체 6개의 상면 각각에 30분 간격으로 3회 도포하였다.

실시예 1에서 사용한 장치를 이용하여 질소산화물 분해, 제거율을 측정하였으며, 그 결과를 하기의 표 1 및 2와 도 1(a)(b) 및 도 2(a)(b)에 나타낸다.

실시예 3 내지 5 - 이산화티탄 함유 패널체

물시멘트비가 45중량%이고, 시멘트:모래=1:2이며, 이산화티탄 함량이 각각 2중량%, 4중량% 및 6중량%인 치수 40×40×2.5cm인 패널체를 7일간 양생하여 제조한 다음(각각 실시예 3, 4 및 5), 실시예 1에서 사용한 장치를 이용하여 질소산화물 분해, 제거율을 측정하였으며, 그 결과를 하기의 표 1 및 2와 도 1(a)(b) 및 도 2(a)(b)에 나타낸다.

비교예 1 - 이산화티탄 비함유 패널체

대조를 위하여, 물시멘트비가 45중량%이고, 시멘트:모래=1:2이며, 이산화티탄 함량이 0중량%인 치수 40×40×2.5cm인 패널체를 7일간 양생하여 제조한 다음, 실시예 1에서 사용한 장치를 이용하여 질소산화물 분해, 제거율을 측정하였으며, 그 결과를 하기의 표 1 및 2와 도 1(a)(b) 및 도 2(a)(b)에 나타낸다.

실시예 6 - 이산화티탄 함유 다공질 콘크리트

물시멘트비가 30중량%이고, 골재의 입도가 5∼13mm이며, 이산화티탄 함량이 6중량%인 치수 40×40×2.5cm인 다공질 콘크리트체를 7일간 양생하여 제조한 다음, 실시예 1에서 사용한 장치를 이용하여 질소산화물 분해, 제거율을 측정하였으며, 그 결과를 하기의 표 1 및 2와 도 1(a)(b) 및 도 2(a)(b)에 나타낸다.

질소산화물의 ppm 변화

	비교예1	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5	실시예6
경과시간	초기치	5.0	5.0	2.5	2.9	3.2	4.5	5.9
	1시간	4.9	1.8	1.4	1.8	1.35	1.7	1.6
	2시간	4.6	0.4	1.0	0.65	0.5	0.75	0.9
	3시간	4.7	0.1	0.3	0.3	0.16	0.2	0.15

초기치에 대한 질소산화물의 농도 백분율

	비교예1	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5	실시예6
경과시간	초기치	100	100	100	100	100	100	100
	1시간	98	36	56	62.1	42.2	37.8	27.1
	2시간	92	8	40	22.4	15.6	16.6	15.3
	3시간	94	2	12	10.4	5	4.4	2.5

상기한 표 1 및 표 2의 결과로부터, 본 발명의 실시예들에 있어서는 대체적으로 1시간 경과 후에는 초기치보다 38~73% 정도 질소산화물이 제거된 결과를 보이고 있으며, 3시간 경과 후에는 모든 실시예의 경우에서 초기치보다 90% 이상 낮은 매우 양호한 결과를 나타내는 것으로 판명되었다. 시험체 종류별로는 실시예 3∼5의 패널체 보다는 실시예 1의 시멘트 페이스트 도포 인터로킹블록 및 실시예 6의 다공질 콘크리트가 더 우수한 것으로 판명되었다. 이는 실시예 3∼5의 패널체인 경우 광촉매를 건축 재료와 혼합하여 반죽하였기 때문에 NO_x광촉매의 노출 표면적이 상대적으로 적어졌기 때문인 것으로 생각된다. 그러나, 실시예 3∼5의 패널체와 동일하게 시험체 제작 단계에서 이산화티탄 광촉매를 혼합한 실시예 6의 다공질 콘크리트의 경우에는 다공질 구조의 특성상 질소산화물 가스와 접촉가능한 표면적이 패널체에 비해 상대적으로 크기 때문에 상대적으로 양호한 결과를 보인 것으로 판단된다.

인터록킹 블록체의 경우에는 상부 표면에 페이스트를 도포한 경우가 페인트 도포의 경우에 비하여 NO_x제거 성능이 더 우수한 것으로 판명되었으며, 이는 페인트 도포의 경우 밀실한 피막을 형성함으로써 질소산화물 가스와 광촉매의 접촉에 다소간 장애가 있기 때문인 것으로 믿어진다.

따라서, 상기한 실시예 1 내지 6의 결과로부터, 건축 재료에 대한 NO_x의 고정화 방법으로는 건축 재료 표면 위에 직접 도포하거나 다공질 콘크리트의 형태로 적용하는 것이 바람직하다. 특히, 다공질 콘크리트는 질소산화물을 포함한 유해 가스의 흡착 성능의 향상 이외에도 소음 감소, 보행감 향상, 빗물의 신속한 배수능 등 부가적인 이점도 기대할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 이산화티탄 고정화 건축재는 차량 배기 가스 등과 같은 유해한 대기 오염물, 특히 질소 산화물을 분해할 수 있으며 메인테넌스가 전혀 불필요한 반영구적 효과가 있으며, 도심의 대부분을 구성하는 건축재로서 또는 노면 등에 광범위하게 이용시 도심의 대기 오염을 현저히 완화시킬 수가 있음과 아울러, 옥내에 있어서는 벽지나 내벽 도포재 또는 천장 마감재 등으로 이용시 흡연 또는 조리 등으로 인한 옥내 공기 정화에 따른 쾌적한 환경을 만들 수가있다.

Claims

이산화티탄 분체 1∼20중량%와 통상의 건축재 80∼99중량%로 구성되는 환경친화적 질소산화물 분해성 이산화티탄 고정화 건축재.
제1항에 있어서, 이산화티탄 분체 함량이 2중량%∼15중량%인 환경친화적 질소산화물 분해성 이산화티탄 고정화 건축재.
제1항 또는 제2항에 있어서, 이산화티탄 분체가 아나타제 타입 결정 구조를 가지며 입자 크기가 0.10∼200㎛인 환경친화적 질소산화물 분해성 이산화티탄 고정화 건축재.
제1항에 있어서, 상기한 건축재가 다공질 콘크리트 또는 패널체인 환경친화적 질소산화물 분해성 이산화티탄 고정화 건축재.
제2항에 있어서, 상기한 건축재가 시멘트 페이스트 또는 페인트인 환경친화적 질소산화물 분해성 이산화티탄 고정화 건축재.