KR20040089967A - 희박상을 갖는 순환유동층 광촉매 반응기 및 그를 이용한트리클로로에틸렌의 광분해 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 순환유동층(circulating fluized bed) 광촉매 반응기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 희박상(lean phase)을 갖는 순환유동층 광촉매 반응기 및 그를 이용한 휘발성 유기화합물 기체의 광분해방법에 관한 것이다. 본 발명의 순환유동층 광촉매 반응기는 상승관을 석영관으로 전환하고 상승관 외부에 자외선 램프를 배치함으로써, 반응기체 및 광촉매제에 조사되는 자외선의 광에너지의 조사 효율을 최대화하고 자외선의 조사 세기를 일정하게 조절한다. 그리고, 상승관 내에 적당한 기체유속을 통해 얻어지는 희박상을 통해 자외선, 반응기체, 광촉매제간의 접촉을 극대화시킨다. 그 결과, 광분해 처리용량 및 반응 효율을 상당히 증가시키고 반응기의 제작비용을 절감하는 효과를 얻을 수 있다.
Description
본 발명은 순환유동층 광촉매 반응기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 희박상을 갖는 순환유동층 광촉매 반응기 및 그를 이용한 휘발성 유기화합물 기체의 광분해방법에 관한 것이다.
광촉매 반응기는 수질, 대기, 해양, 지하수 등 다양한 환경분야에서 난분해성 물질 및 독성 물질, 휘발성 유기 및 무기 화합물 등을 고효율로 완전 산화/분해시키는 광촉매 반응에 사용되는 반응기로, 반응의 종류에 따라 다양한 형태가 있다. 이러한 광촉매 반응기 중에서 유동층 반응기는 촉매와 반응물의 분리공정이 필요 없다는 장점으로 인하여, 최근에는 염색 폐수의 탈색과 인쇄회로기판 제작 공정에서 발생되는 중금속 폐수의 COD 제거, 의약품 제조공정에서 발생되는 고농도 항생물질을 포함한 폐수처리 등의 다양한 분야에서 연구되어지고 있다(촉매(Catalysis), vol. 14, No.2, 1998: 반도체 광촉매의 원리와 특성).
특히, 핀버그(Firnberg et al.) 등의 미국특허 제5,374,405호에는 회전하는플레넘베셀(plenum vessel)이 장착된 다공성 베드베셀드럼(bed vessel drum)을 이용한 광화학 반응기가 개시되어 있다. 이 반응기는 드럼의 벽면을 통하여 주입된 반응기체가 회전하는 플레넘베셀이 장착된 다공상 베드베셀드럼을 통과하면서 유동화된 고체입자와 반응한 다음, 배출부를 통과하도록 구성되어 있고, 드럼 내부에는 전자기장 방사장치가 설치되어 광촉매 반응을 촉진시킨다. 그러나, 상기 반응기에는 촉매제 등의 고체 입자들이 원심력 외에도 중력에 의한 영향을 받고 있기 때문에, 고체 입자들을 유동화되도록 하기 위하여 복잡한 장치가 필요하다는 단점이 있다.
또한, 라웁(Raupp et al.) 등의 미국특허 제5,045,288호에는 평평한 2장의 유리판으로 이뤄진 좁은 간격을 갖는 유리벽면, 다공성 분산판, 반응기체 주입부 및 배출부로 구성되고 유리벽면 내부에는 광촉매제가 채워지며, 유리벽면의 외부에서 자외선이 조사되는 이차원 광촉매 반응기가 반응기가 개시되어 있다. 이 광촉매 반응기는 트리클로로에틸렌(trichloroethylene; TCE) 등의 휘발성 유기화합물이나 폴리클로리네이티드 바이페닐(polychlorinated biphenyl) 등의 비휘발성 유기화합물들로 오염된 대기와 수질을 정화하기 위하여 사용되고 있다. 그러나, 상기 광촉매 반응기는 반응기의 유리벽면으로 보로실리케이트 유리가 사용되고 있어서 단파장인 자외선이 유리에 흡수됨에 따라 자외선의 공급이 비효율적이다. 또한, 상기 반응기가 평면상이기 때문에 반응기의 위치에 따라 도달되는 자외선의 강도가 다르다는 문제점이 있다. 아울러, 대량의 휘발성 유기화학물질을 제거하기에는 그 처리용량이 상당히 부족하다는 단점을 갖고 있다.
또한, 본 출원인의 대한민국특허 제358950호에는 직경이 다른 두 개의 석영관으로 이루어진 얘뉼러스부와 전기 석영관 중, 작은 직경의 석영관 내부에 구비된 자외선 램프를 포함하는 애뉼러스 형태의 좁은 간격을 갖는 이차원 유동층 광촉매 반응기가 개시되어 있는데, 이 광촉매 반응기는 산화질소를 광분해하는데 사용될 수 있다(도 1 참조). 그러나, 상기 광촉매 반응기는 적절한 유속에 의하여 형성되는 기포를 이용한 자외선, 광촉매, 반응기체의 접촉이 2차원적으로 제한되어 3가지 접촉 효율성이 감소되며, 상기 적절한 유속이 비교적 낮기 때문에 대용량의 휘발성 유기화합물질을 분해하기에는 접합하지 않은 문제점이 있다.
따라서, 전술한 광촉매 반응기들의 단점을 해소하여, 광촉매제들의 분산이 균일할 뿐만 아니라, 자외선, 반응기체, 광촉매제간의 접촉을 극대화시켜서 광분해 효율향상을 꾀할 뿐만 아니라 처리용량을 증가시킬 수 있는 광촉매 반응기를 개발하여야 할 필요성이 끊임없이 대두되었다.
이에, 본 발명자들은 종래의 유동층 광촉매 반응기의 성능을 더욱 향상시키기 위하여, 종래의 보로실리케이트 유리관으로 이루어진 유동층 광촉매 반응기의 벽면을 자외선 광에너지의 손실을 최소화하는 석영으로 교체하고, 적절한 크기의 석영관으로 이루어진 상승관 외부에 자외선 램프를 설치하며, 적당한 기체유속 증가에 의해 얻어진 희박상(lean phase)을 통해 자외선, 반응기체, 광촉매제간의 접촉이 상대적으로 최대화되게 함으로써 트리클로로에틸렌의 광분해 효율을 최대화시키고 광분해 처리용량을 극대화시킬 수 있음을 밝힘으로써 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 희박상을 갖는 개량된 순환유동층 광촉매 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 개량된 순환유동층 광촉매 반응기를 이용한 휘발성 유기화합물의 광분해방법을 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 애뉼러스 유동층 광촉매 반응기의 본체를 개략적으로 나타낸 모식도이고,
도 2는 본 발명의 희박상을 갖는 순환유동층 광촉매 반응기의 본체를 개략적으로 나타낸 모식도이고,
도 3은 본 발명의 희박상을 갖는 순환유동층 광촉매 반응기와 종래의 애뉼러스 유동층 광촉매 반응기에서의 트리클로로에틸렌의 전환율을 비교하여 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11 : 보로실리케이트 유리벽면, 15, 28 : 반응기체 주입부,
12, 22 : 자외선 램프, 16, 27 : 반응기체 배출부,
13 : 광촉매제, 17 : 생성된 기포,
14, 23 : 다공성 분산판, 21 : 상승관,
25 : 하강관, 24 : 광촉매제 재순환 설비,
26 : 싸이클론
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 석영관으로 이루어지고 광촉매제가 충진된 상승관; 상기 상승관의 하단부에 구비된 다공성 분산판; 상기 다공성 분산판 최말단에 구비된 반응기체 주입부; 상기 상승관의 상단 부위와 연결된 싸이클론; 상기 싸이클론 하단부에 구비된 하강관; 상기 다공성 분산판에 연결되고 상기 하강관의 말단에 구비된 루프-실(loop-seal) 형태인 광촉매 재순환 설비; 상기 싸이클론(cyclone) 및 상승관의 최상단부에 구비된 반응기체 배출부; 및 상기 상승관 외부에 구비된 자외선 램프를 포함하는, 희박상을 갖는 순환유동층 광촉매 반응기를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 순환유동층 광촉매 반응기의 상기 상승관에 광촉매제를 충진시키는 단계; 상기 반응기체 주입부에 휘발성 유기화합물 기체를 주입시키는 단계; 및 상기 상승관에 자외선을 조사시키는 단계를 포함하는, 휘발성 유기화합물의 광분해방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 개량된 순환유동층 광촉매 반응기를 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.
본 발명은 석영관으로 이루어지고 광촉매제가 충진된 상승관(21); 상기 상승관(21)의 하단부에 구비된 다공성 분산판(23); 상기 다공성 분산판(23) 최말단에 구비된 반응기체 주입부(28); 상기 상승관(21)의 상단 부위와 연결된 싸이클론(26); 상기 싸이클론(26) 하단부에 구비된 하강관(25); 상기 다공성 분산판(23)에 연결되고 상기 하강관(25)의 말단에 구비된 루프-실 형태인 광촉매 재순환 설비(24); 상기 싸이클론(26) 및 상승관(21)의 최상단부에 구비된 반응기체 배출부(27); 및 상기 상승관(21) 외부에 구비된 자외선 램프(22)를 포함하는, 희박상을 갖는 순환유동층 광촉매 반응기를 제공한다.
이때, 상기 상승관(21)은 석영관으로 제조되어 자외선 등의 광에너지를 그 내부로 효율적으로 투과시켜 광촉매제에 전달할 뿐만 아니라 반응기체 주입부(28)를 통하여 유입된 기체 유속에 의하여 반응기체 및 광촉매제를 적절히 희석시켜 희박상이 되도록 한다. 또한, 상기 다공성 분산판(23)은 광촉매제를 지지하고, 싸이클론(26)은 광촉매제들을 원활하게 포집해주며, 하강관(25)은 모아진 광촉매제들을재순환 설비(28)로 전달해주는 기능을 한다. 또한, 상기 재순환 설비(28)는 루프-실(loop-seal) 형태로서 상기 하강관(25)에서 상승관(21)으로 광촉매제들을 원활하게 재순환시켜 주는 기능을 한다.
상기 상승관(21)의 상단 부위에는 비산된 광촉매제를 포집하는 싸이클론(26)이 설치되며, 상기 싸이클론(26) 하단부에는 포집된 광촉매제들을 재순환 설비(24)로 수직방향으로 이동시키는 하강관(25)이 설치되고, 상기 하강관(25) 말단에는 상기 상승관(21)으로 광촉매제를 원활하게 재순환시켜주는 재순환 설비(24)가 설치된다. 상기 다공성 분산판(23)의 최말단과 상기 싸이클론(26)의 최상단부에는 각각 반응기체 주입부(28)와 반응기체 배출부(27)가 구비됨으로써, 반응기체가 반응기체 주입부(28), 다공성 분산판(23), 이산화티탄 등의 광촉매제가 충진된 상승관(21), 광촉매제를 포집해주는 싸이클론(26), 그리고 싸이클론(26) 상단부에서 반응기체를 배출시켜주는 반응기체 배출부(27)의 순서로 통과된다. 한편, 자외선 램프(22)는 상기 석영관으로 이루어진 상승관(21) 외부에 구비된다.
이와 같이, 본 발명의 반응기는 순환유동층을 이루어 반응기 전체에 걸쳐 상기 반응기체 및 광촉매제가 순환되도록 함으로써 종래의 일반적인 유동층 반응기에 비하여 데드 존(dead zone)의 발생을 억제시키는 장점이 있다. 종래의 이차원 유동층 반응기의 경우 촉매제의 원활한 순환이 잘 일어나지 못함으로써 반응에 참여하지 못하는 광촉매 층(이른바, "데드 존(dead zone)")이 생기게 되므로, 효과적인 광분해 효율이 얻어지기 힘들다. 그러나, 본 발명의 순환유동층 광반응기의 경우광촉매제 전체가 순환됨으로써 광촉매제, 반응기체, 자외선의 접촉이 전체적으로 균일하게 일어나게 된다. 그 결과, 광반응에 참여하지 못하는 광촉매 층(데드 존)의 발생이 상당히 억제되므로, 이에 따라 효율적인 광분해 효율을 얻을 수 있다.
또한, 상승관 외부에 자외선 램프를 부착시켜 자외선 램프로부터의 자외선 조사량을 균일하게 함으로써, 상기의 반응기체 및 광촉매제의 적절한 유속을 통해 얻어지는 순환유동층의 특성과 함께 이들의 희박상을 통하여 자외선, 반응기체, 광촉매의 접촉의 극대화를 이룰 수 있다.
상기 순환유동층 광촉매 반응기에 있어서, 상기 광촉매제는 실리카겔에 코팅되어 그 입자 크기는 직경이 190 내지 250 ㎛ 인 것이 바람직하고, 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO), 삼산화텅스텐(WO3), 삼산화이철(Fe2O3), 황화카드뮴(CdS), 이황화몰리브덴(MoS2), 셀렌화카드뮴(CdSe) 및 이셀렌화 몰리브덴(MoSe2)으로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것이 더욱 바람직하고, 이산화티탄(TiO2)인 것이 가장 바람직하다.
상기 상승관(21)에는 광촉매제가 충진되는데 광촉매제의 유동화 특성을 향상시키기 위하여, 일반적인 분말 상태의 광촉매제를 대신하여 실리카 겔에 코팅된 광촉매제가 사용되는 것이 바람직하다. 따라서, 광촉매제의 크기는 190-250 ㎛인 것이 적당한데, 그것은 입자의 크기가 작은 광촉매제를 대신하여 자외선 투과도가 비교적 높고 적당한 물성을 갖는 실리카 겔이 코팅된 광촉매제가 사용되는 경우, 유동화 특성이 향상되어 적합한 희박상이 생성됨에 따라서 자외선, 반응기체, 광촉매제간의 접촉이 극대화되기 때문이다. 특히, 실리카 젤은 비교적 자외선을 잘 투과할 뿐만 아니라 다공성이므로 그 기공 내에 이산화티탄을 비롯한 다양한 촉매제의 코팅이 용이한 장점이 있다.
또한, 광촉매제로서는 일반적인 전이원소의 화합물이 널리 사용될 수 있으나, 특히 전이원소가 산소, 황 또는 셀레늄 등과 결합된 화합물인 것이 바람직하다. 이산화티탄 광촉매제는 n-형 반도체로서 빛을 흡수함으로써 생성되는 공유띠 정공과 전도띠 전자의 화학적인 에너지를 이용하여 계면에서 전자전이(산화-환원반응)를 일으켜서 빛 에너지를 화학에너지로 전환한다. 따라서, 이산화티탄 광촉매제는 비교적 값이 저렴하며, 재생 가능한 에너지원과 화학적으로 유용한 물질을 얻을 수 있게 해줄 뿐만 아니라 난분해성 유기물의 산화분해 반응에 응용될 수 있는 장점을 갖고 있다.
또한 상기 순환유동층 광촉매 반응기에 있어서, 상기 상승관(21)의 지름은 13 내지 20 ㎜인 것이 바람직하다.
도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 순환유동층 광촉매 반응기의 상승관(21)은 직경이 적당한 석영관을 이용하여 제작된다. 이때, 상승관(21)의 내경은 내부의 반응기체가 자외선에 의하여 균일하게 조사될 수 있도록 13 내지 20 ㎜로 유지하여야 한다. 이러한 이유는 상승관(21) 내경이 13 ㎜에 이르지 못한 경우는 반응기체의 통과량이 작아지게 되고, 20 ㎜를 초과하는 경우는 통과하는 기체에 조사되는 자외선의 강도가 불균일하게 되어 광촉매 분해반응이 고르게 일어나지 않는 문제점이 있기 때문이다.
또한, 상기 순환유동층 광촉매 반응기에 있어서, 다공성 분산판(23)의 기공의 크기는 평균 직경이 100 내지 220 ㎛인 것이 바람직하다.
상기 상승관(21)의 하단부에는 다수의 작은 기공을 가진 다공성 분산판(23)이 설치된다. 상기 다공성 분사판(23)은 이산화티탄 등으로 이루어진 광촉매제를 지지하고, 반응기체가 상승관(21)으로 분산되어 균일한 희박상이 생성되도록 한다. 이를 위하여, 다공성 분산판(23)의 기공의 크기는 평균 직경이 100 내지 200 ㎛이 되도록 한다. 다공성 분산판(23) 기공의 평균직경이 100 ㎛에 이르지 못하는 경우, 반응기체의 압력이 증가되어 희박상이 균일하게 생성되지 않게 되며, 200 ㎛를 초과하는 경우에는 광촉매제가 기공을 막는 현상이 발생하여, 광촉매 반응이 고르게 일어나지 않게 된다.
또한, 본 발명은 상기 순환유동층 광촉매 반응기의 상기 상승관(21)에 광촉매제를 충진시키는 단계; 상기 반응기체 주입부(28)에 휘발성 유기화합물 기체를 주입시키는 단계; 및 상기 상승관(21)에 자외선을 조사시키는 단계를 포함하는, 휘발성 유기화합물의 광분해방법을 제공한다.
자외선 램프(22)는 석영관으로 이루어진 상기 상승관(21) 외부에 구비됨으로써 광촉매 반응을 초기화시키기 위하여 적합한 기체유속에 의해 얻어진 희박상을통해 자외선, 반응기체, 광촉매제간의 접촉 및 광분해 처리용량을 극대화해서 최대의 휘발성 유기화합물 기체의 광분해 효율 및 처리량을 얻도록 해준다.
이때, 상기 광촉매제는 실리카 겔에 코팅된 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO), 삼산화텅스텐(WO3), 삼산화이철(Fe2O3), 황화카드뮴(CdS), 이황화몰리브덴(MoS2), 셀렌화카드뮴(CdSe) 및 이셀렌화 몰리브덴(MoSe2)으로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하고, 상기 반응기체 주입부(28)에 휘발성 유기화합물 기체를 주입하는 유속은 1.1 내지 1.9 m/s인 것이 바람직하다. 또한, 상기 휘발성 유기화합물 기체는 트리클로로에틸렌(trichloroethylene; TCE), 에탄올, 메탄올, 아세톤, 톨루엔, 아세트알데하이드, 프로판올, 포름산 및 벤젠 등으로 이루어진 군 중에서 선택되는 것이 바람직하고, 트리클로로에틸렌인 것이 가장 바람직하다.
이하에서는, 본 발명의 개량된 순환유동층 광촉매 반응기의 작용 및 효과를 설명한다.
본 발명의 순환유동층 광촉매 반응기에서는, 반응 기체가 반응기체 주입부(28)에서 주입되고, 다공성 분산판(23)을 통해 유동화된 반응기체가 적당한 기체 유속이 유지되면 광촉매제가 충진된 상승관(21) 내에서 희박상이 형성된다. 이때, 자외선 램프(22)에서 자외선이 조사되어 자외선, 반응기체, 광촉매제간의 접촉이 극대화되어 광분해 효율이 증가된 다음, 반응기체는 반응기체 배출부(27)를통과하여 반응기 밖으로 배출된다. 그리고 광촉매제는 싸이클론(26)에서 포집되어 하강관(25)을 통과한 후 루프-실 형태를 갖는 재순환 설비를 통해 상기 하강관(25)에서 상승관(21)으로 주입되게 된다.
본 발명의 희박상을 갖는 순환유동층 광촉매 반응기는 일반적인 광촉매 반응기의 벽면으로 사용되던 종래의 보로실리케이트 유리관를 석영관으로 전환하고 석영관의 외부에 자외선 램프(22)를 구비하며 상승관(21) 내에 적당한 기체 유속을 유지시켜 줌으로서 발생하는 희박상을 통해 자외선, 반응기체, 광촉매제간의 접촉을 극대화시킨다. 이를 통하여, 트리클로로에틸렌 등의 휘발성 유기화합물 기체의 광분해 효율을 최대화시킴과 동시에 자외선 광에너지의 손실을 최소화한다. 또한, 반응기체 및 이산화티탄 광촉매제에 조사되는 자외선의 세기가 광촉매 반응기 전체 면에서 균일하게 되도록 하고, 아울러 제작비용을 절감하는 부수적인 효과도 얻을 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
<실시예 1> 개선된 순환유동층 광촉매 반응기의 제작
본 발명자들은 직경이 13 ㎜인 석영관으로 이루어진 상승관(21); 상기 상승관(21)의 하단부에서 평균직경 160 ㎛의 기공을 포함한 다공성 분산판(23); 상기 다공성 분산판(23) 하단에 구비된 반응기체 주입부(28); 상기 상승관(21) 상단 부위에서 광촉매제들을 원활하게 포집해주는 싸이클론(26); 상기 싸이클론(26)에서 모아진 광촉매제들을 재순환설비로 전달해주는 직경이 22 ㎜인 하강관(25); 상기 하강관(25)에서 상기 상승관(21)으로 광촉매제들을 원활하게 재순환시켜주는 루프-실 형태의 재순환 설비; 상기 싸이클론(26)의 상단부에 구비된 반응기체 배출부(27); 및 상기 상승관(21)의 외부에 구비된 자외선 램프(22)로 구성되어 있는 순환유동층 광분해 반응기의 본체를 제작하였다(도 2).
최종적으로, 졸 겔법에 의하여, 1 g의 실리카 겔(평균직경 270 ㎛)에 0.3 g의 이산화티탄이 코팅된 이산화티탄 광촉매제를 상기 순화유동층 광촉매 반응기 본체의 상승관(21)에 80 g을 충진하여 순환유동층 광분해 반응기를 완성하였다.
<실시예 2> 상기 순환유동층 광촉매 반응기를 이용한 트리클로로에틸렌의 광분해 효과
<2-1> 순환유동층 광촉매 반응기에 의한 트리클로로에틸렌의 광분해 측정
실시예 1에서 제작한 순환유동층 광분해 반응기의 다공성 분산판(23) 하단의 반응기체 주입부(28)를 통하여 트리클로로에틸렌 기체를 주입시켰다. 구체적으로, 트리클로로에틸렌 기체의 주입 유속을 1.3 m/s로 유지하면서 유입시의 초기 농도를 99 내지 500 ppm으로 변화시켜가며 실험하였다. 각각의 트리클로로에틸렌 주입 농도에서 자외선(I max = 254 ㎚, 강도(intensity) = 32 ㎽/㎠)을 조사시켜서 반응기체 배출부(27)로 배출되는 트리클로로에틸렌 농도 변화를 측정하여 트리클로로에틸렌 전환율을 계산했다. 이때, 배출된 트리클로로에틸렌의 농도는 HP 6890 Ⅱ(HP 사, 미국) 기기를 이용하여 측정하였으며, 트리클로로에틸렌 전환율은 다음의 식을 이용하여 계산하였다:
트리클로로에틸렌 전환율 = (초기농도 - 반응후 농도)/초기농도
<2-2> 종래의 애뉼러스 유동층 광촉매 반응기를 이용한 트리클로로에틸렌의 광분해 측정
폭 100 ㎜, 높이 250 ㎜의 보로실리케이트 유리판 두장이 4 ㎜의 간격으로 부착되고, 하단에 평균직경 140 ㎛의 기공을 포함하는 다공성 분산판(14)이 구비되었으며, 분산판 하단과와 유리판의 상단부에 각각 반응기체 주입부(15)와 배출부가 구비된 종래의 애뉼러스 유동층 광촉매 반응기의 본체(도 1)를 제작하고, 실시예 1과 동일한 광촉매제(실리카 겔에 이산화티탄이 코팅된 이산화티탄 광촉매제) 80 g을 충진하였다. 도 1에서 보듯이, 반응기 내부에서 자외선(I max = 254 ㎚, 강도 = 32 ㎽/㎠)이 조사되는 형태로 종래의 애뉼러스 유동층 광촉매 반응기을 제작하였다. 실시예 <2-1>과 동일한 트리클로로에틸렌의 초기 반응기체 유속을 1.2 m/s로 유지하였으며, 광촉매 반응기에 주입되는 상기 기체의 초기농도를 100 ppm 내지 498 ppm으로 변화시켰다. 자외선을 조사시키고 반응기체 유출부에서 배출되는 트리클로로에틸렌 기체의 농도를 측정한 뒤, 상기 실시예 <2-1>과 동일한 식을 적용하여 트리클로로에틸렌 전환율을 측정하였다.
<2-3> 순환유동층 광촉매 반응기와 애뉼러스 유동층 광촉매 반응기에 의한 트리클로로에틸렌의 광분해 측정의 비교
상기 실시예 <2-1> 및 실시예 <2-2>의 결과를 비교하였다(도 3). 도 3에서, (--●---●--)는 본 발명의 희박상을 갖는 순환유동층 광촉매 반응기에 의한 초기 농도에 따른 트리클로로에틸렌의 전환율이고, (--▲---▲--)는 종래의 애뉼러스 유동층 광반응기에 의한 초기 농도에 따른 트리클로로에틸렌의 전환율을 나타낸다. 본 발명의 희박상을 갖는 순환유동층 광촉매 반응기를 사용한 경우에, 주입되는 반응기체의 초기농도에 따라 트리클로로에틸렌 전환율이 변하였으나, 전체 초기농도에서 종래의 애뉼러스 광촉매 반응기에 비하여 상당히 높은 트리클로로에틸렌 전환율을 보이는 것을 확인할 수 있었다(도 3).
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 순환유동층 광촉매 반응기는 벽면으로 사용되던 종래의 보로실리케이트 유리판을 석영관으로 전환하고 상승관 외부에 자외선 램프를 배치함으로써, 반응기체 및 광촉매제에 조사되는 자외선의 광에너지의 조사 효율을 최대화하고 자외선의 조사 세기를 일정하게 조절하였다. 그리고, 상승관 내에 적당한 기체유속을 통해 얻어지는 희박상을 통해 자외선, 반응기체, 광촉매제간의 접촉을 극대화시켰다. 그 결과, 광분해 처리용량 및 반응 효율을 상당히 증가시키고 반응기의 제작비용을 절감하는 효과를 얻을 수 있었다.
Claims (11)
- 석영관으로 이루어지고 광촉매제가 충진된 상승관(21); 상기 상승관(21)의 하단부에 구비된 다공성 분산판(23); 상기 다공성 분산판(23) 최말단에 구비된 반응기체 주입부(28); 상기 상승관(21)의 상단 부위와 연결된 싸이클론(26); 상기 싸이클론(26) 하단부에 구비된 하강관(25); 상기 다공성 분산판(23)에 연결되고 상기 하강관(25)의 말단에 구비된 루프-실 형태인 재순환설비; 상기 싸이클론(26) 및 상승관(21)의 최상단부에 구비된 반응기체 배출부(27); 및 상기 상승관(21) 외부에 구비된 자외선 램프(22)를 포함하는, 희박상(lean phase)을 갖는 순환유동층 광촉매 반응기.
- 제 1항에 있어서, 상기 광촉매제는 실리카겔에 코팅되어 그 입자 크기의 직경이 190 내지 250 ㎛인 것을 특징으로 하는 반응기.
- 제 2항에 있어서, 상기 광촉매제는 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO), 삼산화텅스텐(WO3), 삼산화이철(Fe2O3), 황화카드뮴(CdS), 이황화몰리브덴(MoS2), 셀렌화카드뮴(CdSe) 및 이셀렌화 몰리브덴(MoSe2)으로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 반응기.
- 제 3항에 있어서, 상기 광촉매제는 이산화티탄(TiO2)인 것을 특징으로 하는 반응기.
- 제 1항에 있어서, 상기 상승관의 지름은 13 내지 20 ㎜인 것을 특징으로 하는 반응기.
- 제 1항에 있어서, 다공성 분산판의 기공의 크기는 평균 직경이 100 내지 220 ㎛인 것을 특징으로 하는 반응기.
- 제 1항의 희박상을 갖는 순환유동층 광촉매 반응기의 상기 상승관(21)에 광촉매제를 충진시키는 단계; 상기 반응기체 주입부(28)에 휘발성 유기화합물 기체를 주입시키는 단계; 및 상기 상승관(21)에 자외선을 조사시키는 단계를 포함하는, 휘발성 유기화합물의 광분해방법.
- 제 7항에 있어서, 상기 광촉매제는 실리카 겔에 코팅된 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO), 삼산화텅스텐(WO3), 삼산화이철(Fe2O3), 황화카드뮴(CdS), 이황화몰리브덴(MoS2), 셀렌화카드뮴(CdSe) 및 이셀렌화 몰리브덴(MoSe2)으로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 광분해방법.
- 제 7항에 있어서, 상기 반응기체 주입부(28)에 휘발성 유기화합물 기체를 주입하는 유속은 1.1 내지 1.9 m/s인 것을 특징으로 하는 광분해방법.
- 제 7항에 있어서, 상기 휘발성 유기화합물 기체는 트리클로로에틸렌(trichloroethylene; TCE), 에탄올, 메탄올, 아세톤, 톨루엔, 아세트알데하이드, 프로판올, 포름산 및 벤젠으로 이루어진 군 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 광분해방법.
- 제 10항에 있어서, 상기 휘발성 유기화합물 기체는 트리클로로에틸렌인 것을특징으로 하는 광분해방법.
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