KR20130000655A - 폐 유리를 이용한 광촉매 담체 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산업폐기물로 버려지는 폐 LCD 유리, 폐 CRT 유리, 일반 유리 등과 같은 폐 유리를 담체로 활용함으로써 고활성인 동시에 저가로 제조 가능한 폐 유리를 이용한 광촉매 담체 및 그 제조방법을 개시한다. 본 발명에 의한 광촉매 담체는 폐 유리 60~75 중량%, 카본 5~20 중량%, PVA 10 중량%, 발포제 5~20 중량%의 조성을 갖는 담체; 및 상기 담체에 코팅 또는 담지된 광촉매;를 포함한다. 그리고, 광촉매 제조방법은 폐 유리 60~75 중량%, 카본 5~20 중량%, PVA 10 중량%, 발포제 5~20 중량%의 조성을 갖는 담체를 성형하는 단계; 상기 담체의 표면을 개질하는 단계; 및 표면이 개질된 담체에 광촉매를 코팅하여 소성하는 단계;를 포함한다. 본 발명에 의하면, 고가의 합성 제올라이트를 사용하지 않고 폐기되는 폐 유리를 활용하여 광촉매 담체를 제조하기 때문에, 광촉매 담체의 가격을 획기적으로 낮출 수 있으며, 광촉매의 활성이 향상되어, 유기 화합물의 분해, 대기 정화, 수중의 오염물질 정화 작용 등의 효과를 얻을 수 있어 환경 정화에 크게 기여할 수 있다.
Description
본 발명은 광촉매 담체에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 산업폐기물로 버려지는 폐 LCD 유리, 폐 CRT 유리, 일반 유리 등과 같은 폐 유리를 담체로 활용함으로써 제조 비용을 줄일 수 있는 폐 유리를 광촉매 담체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
산업발전이 급격히 진전됨에 따라 지구 환경의 파괴와 오염이 심각해지고 있다. 이에 따라 환경 파괴의 주원인인 오염물질의 처리를 위한 많은 연구가 진행되어 왔다.
오염물질의 처리방법으로 오염물질이 흡착된 농축물을 각종 흡착제를 이용하여 탈착시키는 방법이 일반적으로 사용되어 왔으나, 이 경우 탈착과 재처리를 위한 2차 처리 공정의 필요에 따른 설치 비용 과다 소요와 에너지의 낭비가 크다는 단점이 있다. 따라서, 2차 오염이 없고 에너지 소비가 적은 광촉매를 이용한 산업 폐수 및 난분해성 유기물의 처리 기술에 대한 연구가 진행되어 왔다.
특히, 이산화티탄(TiO2)은 약 3.0eV에 해당되는 밴드갭에너지(Eg)를 가지는데, 이 때, 상기 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 파장의 빛으로 여기하면 가전자대의 전자가 전도대로 여기되면서 가전자대에는 정공이 형성되어 광촉매층의 표면으로 이동한다. 이 때 상기 정공과 광촉매층의 표면에 있는 수분 또는 OH-기가 반응하면 강력한 산화력을 갖는 OH- 라디칼이 생성되는데, 이 OH- 라디칼은 표면에 흡착되어 있는 유기물을 무해한 화합물로 분해시키거나 또는 병원균을 산화시켜 살균하는 특성을 나타낸다는 것은 공지의 사실이다.
이러한 TiO2에는 아나타제형(anatase), 루틸형(rutile), 부루카이트형(brookite)의 3가지 종류의 결정 구조가 있으며, 광촉매로서 적합한 것은 아나타제형 TiO2 이다. 아나타제형 TiO2는 찌든 때의 분해성, 방취, 수중 또는 공기 중의 오염물질의 분해 및 제거 등의 기능을 가지고 있어 주로 환경 정화 분야에 응용할 수 있다.
미립의 TiO2 분말을 담체에 담지시켜 사용하는 것이 일반적이며, 담체로서는 제올라이트 등의 다공성 물질이 주로 사용된다. 그러나, TiO2의 광촉매 반응은 빛이 닿는 곳에서만 일어나므로, 다공성 산화물을 담체로 사용하는 것은 그다지 바람직하지 못하며, 합성 제올라이트와 같은 다공성 물질은 가격이 비싸 광촉매 가격을 상승시키는 요인이 되고 있다.
일반적으로 유리류, 세라믹류 또는 금속류와 같은 기판 표면의 광촉매 박막의 제조에 대해서는 비교적 많은 응용 연구가 수행되어 왔으나, 산업 폐기물의 하나인 폐 유리를 이용한 광촉매 담체 및 그 제조에 대해서는 아직 알려진바 없다. 따라서, 산업폐기물로 버려지는 폐 유리를 이용하여 광촉매 담체를 제조할 수 있으면 광촉매 담체의 가격을 획기적으로 낮출 수 있을 것이다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 산업폐기물로 버려지는 폐 LCD 유리, 폐 CRT 유리, 일반 유리 등과 같은 폐 유리를 담체로 활용함으로써 고활성인 동시에 저가로 제조 가능한 폐 유리를 이용한 광촉매 담체 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 폐 유리를 이용한 광촉매 담체는, 폐 유리 60~75 중량%, 카본 5~20 중량%, PVA 10 중량%, 발포제 5~20 중량%의 조성을 갖는 담체; 및 상기 담체에 코팅 또는 담지된 광촉매;를 포함한다.
상기 폐 유리는 폐 LCD 유리, 폐 CRT 유리 또는 일반 폐 유리를 이용할 수 있으며, 폐 LCD 유리가 가장 바람직하게 이용될 수 있다.
또한, 상기 폐 유리는 200mesh 이하의 분말, 상기 카본은 250mesh 이하의 분말로 미분하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 발포제는, 탄산수소나트륨(NaHCO3) 또는 탄산나트륨(Na2CO3)을 이용할 수 있다.
또한, 상기 광촉매는 TiO2 광촉매 또는 Ag-TiO2 광촉매를 이용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 담체는 폐 LCD 유리 75 중량%, 카본 10 중량%, PVA 10 중량%, 발포제 10 중량%의 조성을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 폐 유리를 이용한 광촉매 담체 제조방법은, a) 폐 유리 60~75 중량%, 카본 5~20 중량%, PVA 10 중량%, 발포제 5~20 중량%의 조성을 갖는 담체를 성형하는 단계; b) 상기 담체의 표면을 개질하는 단계; 및 c) 표면이 개질된 담체에 광촉매를 코팅하여 소성하는 단계;를 포함한다.
상기 폐 유리는, 폐 LCD 유리, 폐 CRT 유리 및 일반 폐 유리를 이용할 수 있으며, 폐 LCD 유리의 경우가 가장 바람직하며, 이 때, 상기 담체는 폐 LCD 유리 75 중량%, 카본 10 중량%, PVA 10 중량%, 발포제 10 중량%의 조성을 갖는 것이 바람직하다.
상기 a) 단계는, a-1) 폐 LCD 유리를 미립화하는 단계; a-2) 상기 폐 LCD 유리 분말에 카본 분말, 발포제 및 2.5% PVA 수용액을 첨가하여 일정하게 혼합시키는 단계; a-3) 상기 a-2) 단계의 혼합물을 압축 성형기에 넣고 일정 크기의 구형 비드를 성형하는 단계; 및 a-4) 성형된 구형 비드를 실온에서 일정시간 건조한 후 산소 분위기에서 10~800℃로 0~8시간 동안 열처리하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 폐 LCD 유리 분말은 200mesh 이하, 상기 카본 분말은 250mesh 이하만을 분취하여 사용하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 a-2) 단계는 1~3시간 동안 교반하는 것이 바람직하며, 상기 a-3) 단계는 구형 비드의 크기를 10~15mm로 성형하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 a-4) 단계는 실온에서 24시간 건조 후, 800℃에서 2시간 이상 열처리하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 b) 단계는, 40~60rpm으로 회전하는 볼 밀을 이용하여 30분 수행한 후, 40℃에서 12시간 건조하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 c) 단계는, c-1) 담체의 표면에 광촉매를 도포하여 딥 코팅하는 단계; 및 c-2) 10~300℃의 온도 분위기에서 0~2시간 동안 열처리하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 c) 단계에서 담체에 대한 광촉매의 코팅은 총 5회 실시하며, 매회 코팅 후 4시간 건조하고 최종 코팅 후 24시간 건조하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 광촉매는 수열합성법으로 합성된 TiO2 광촉매 또는 Ag-TiO2 광촉매를 사용할 수 있다.
본 발명에 의하면, 고가의 합성 제올라이트를 사용하지 않고 폐기되는 폐 유리를 활용하여 광촉매 담체를 제조하기 때문에, 광촉매 담체의 가격을 획기적으로 낮출 수 있으며, 광촉매의 활성이 향상되어, 유기 화합물의 분해, 대기 정화, 수중의 오염물질 정화 작용 등의 효과를 얻을 수 있어 환경 정화에 크게 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예예 의한 폐유리를 이용한 광촉매 담체의 제조방법에 대한 공정도,
도 2는 폐 CRT 유리를 함유한 담체의 조성 변화에 따른 구형 성형성 및 발포성을 실험한 결과를 나타낸 도면,
도 3은 폐 LCD 유리 및 일반유리를 함유한 담체의 조성 변화에 따른 구형 성형성 및 발포성을 실험한 결과를 나타낸 도면,
도 4는 폐 LCD 유리에 탄산수소나트륨을 첨가하고 카본의 양을 변화시켜 제조한 담체의 구형 성형성 및 발포성을 실험한 결과를 나타낸 도면,
도 5는 폐 LCD 유리에 탄산나트륨의 양을 변화시켜 제조한 담체의 구형 성형성 및 강도를 실험한 결과를 나타낸 도면,
도 6은 폐 LCD 유리를 함유한 담체의 표면 개질 실험 결과를 나타낸 도면,
도 7은 도 6의 현미경 사진,
도 8은 폐 LCD 유리를 함유한 담체의 밀도 실험 결과를 나타낸 도면, 그리고,
도 9는 폐 LCD 유리를 함유한 담체의 강도 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 2는 폐 CRT 유리를 함유한 담체의 조성 변화에 따른 구형 성형성 및 발포성을 실험한 결과를 나타낸 도면,
도 3은 폐 LCD 유리 및 일반유리를 함유한 담체의 조성 변화에 따른 구형 성형성 및 발포성을 실험한 결과를 나타낸 도면,
도 4는 폐 LCD 유리에 탄산수소나트륨을 첨가하고 카본의 양을 변화시켜 제조한 담체의 구형 성형성 및 발포성을 실험한 결과를 나타낸 도면,
도 5는 폐 LCD 유리에 탄산나트륨의 양을 변화시켜 제조한 담체의 구형 성형성 및 강도를 실험한 결과를 나타낸 도면,
도 6은 폐 LCD 유리를 함유한 담체의 표면 개질 실험 결과를 나타낸 도면,
도 7은 도 6의 현미경 사진,
도 8은 폐 LCD 유리를 함유한 담체의 밀도 실험 결과를 나타낸 도면, 그리고,
도 9는 폐 LCD 유리를 함유한 담체의 강도 실험 결과를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 실시예들을 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 의한 폐 유리를 이용한 광촉매 담체는, 담체와 이 담체에 코팅 또는 담지되는 광촉매를 포함한다.
상기 담체는 종래와 같은 비교적 고가인 합성 제올라이트 등과 같은 다공성 물질을 사용하지 않고, 폐기 처리되는 폐 유리, 즉 폐 LCD 유리나 폐 CRT 유리 또는 일반 폐 유리를 주성분으로 사용하여 제조된다. 따라서, 기존의 합성 제올라이트 등과 같은 다공성 물질을 사용하여 제조한 광촉매 담체 대비 제조 비용을 획기적으로 줄일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 담체는 폐 유리 분말 60~75 중량%, 카본 분말 5~20 중량%, 폴리비닐 알콜(Poiyvinyl alcohol:이하 'PVA'라 칭한다) 10 중량%, 발포제 5~20 중량%의 조성을 갖는다. 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 담체는 폐 LCD 유리 분말 75 중량%, 카본 분말 10 중량%, PVA 10 중량% 및 발포제 10 중량%의 조성을 갖는다.
여기서, 상기 폐 LCD 유리는 200mesh 이하로 미립화된 분말 형태이며, 상기 카본은 250mesh 이하로 미립화된 분말 형태이다. 또한, 상기 PVA는 2.5% 수용액이 사용되는데, 이 PVA 수용액에 상기 폐 LCD 유리 분말, 카본 분말 및 발포제가 혼합되어 교반됨으로써 본 발명의 광촉매 담체를 성형하기 위한 혼합물이 만들어진다.
또한, 상기 발포제로는 탄산수소나트륨(NaHCO3) 또는 탄산나트륨(Na2CO3)이 바람직하게 사용될 수 있으며, 상기 광촉매는 TiO2 광촉매 또는 Ag-TiO2 광촉매가 바람직하게 사용될 수 있다.
이하, 상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 의한 폐 유리를 이용한 광촉매 담체의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 폐 유리를 이용한 광촉매 담체의 제조방법에 대한 공정도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 폐 유리를 이용한 광촉매 담체 제조방법은, 폐 유리를 주성분으로 하는 담체를 성형하는 단계(S100), 상기 담체의 표면을 개질하는 단계(S200) 및 표면이 개질된 상기 담체에 광촉매를 코팅하여 소성하는 단계(S300)를 포함한다.
상기 담체는 앞서 설명한 바와 같이, 폐 유리 분말 60~75 중량%, 카본 분말 5~20 중량%, PVA 10 중량%, 발포제 5~20 중량%의 조성을 갖는다. 바람직한 상기 담체의 조성은 폐 LCD 유리 분말 75 중량%, 카본 분말 10 중량%, PVA 10 중량% 및 발포제 10 중량%이다.
상기 담체를 성형하는 단계(S100)는, 폐 LCD 유리를 미립화하는 단계(S110), 상기 폐 LCD 유리 분말에 카본 분말, 발포제 및 2.5% PVA 수용액을 첨가하여 일정하게 혼합시키는 단계(S120), 상기 단계의 혼합물을 압축 성형기에 넣고 일정 크기의 구형 비드를 성형하는 단계(S130) 및 성형된 구형 비드를 실온에서 일정시간 건조한 후 산소 분위기에서 10~800℃로 0~8시간 동안 열처리하는 단계(S140)를 포함한다.
상기 단계 S110은 폐 LCD 유리를 볼 밀에 넣고 분쇄 및 미분하여 200mesh 이하의 분말로 미립화하는 단계이다.
상기 단계 S120는 상기 단계 S110에서 미분된 폐 LCD 유리 분말에 카본 분말, 발포제 및 2.5% PVA 수용액을 첨가하여 일정하게 혼합시켜 담체 성형용 혼합물을 형성하는 단계이다. 이 단계에서 상기 혼합을 위한 교반은 대략 1시간 정도 수행한다.
이후, 상기와 같은 혼합물을 압축 성형기에 투입하여 일정 크기의 구형 비드를 형성한다(S130). 여기서, 상기 구형 비드의 크기는 10~15mm 정도, 바람직하게는 10mm 정도의 크기로 형성한다.
그런 다음, 상기 단계 S130에서 성형된 구형 비드를 실온에서 일정시간 건조한 후 산소 분위기에서 10~800℃로 0~8시간 정도 열처리를 수행한다(S140). 상기 열처리의 바람직한 조건은 800℃의 온도 분위기에서 2시간 이상 수행하는 것이 바람직하다.
상기 담체 표면 개질 단계(S200)는 담체에 광촉매 코팅을 용이하게 하기 위하여 담체의 표면을 거칠게 하는 단계로서, 열처리된 구형 비드를 유리볼과 함께 볼 밀에 투입하여 볼 밀을 40~60rpm으로 회전시키면서 약 30분 정도 수행한다.
마지막으로, 상기 광촉매 코팅 단계(S300)는 담체 표면에 광촉매를 딥 코팅하는 단계(S310)와 광촉매가 코팅된 담체를 열처리하는 단계(S320)를 포함한다.
상기 열처리는 10~300℃의 온도 분위기에서 0-2시간 동안 실시한다. 또한, 상기 광촉매 코팅은 총 5회 정도 실시하며, 매 코팅 후 4시간 정도 건조하고, 최종 코팅 후 24시간 건조하는 과정을 포함한다. 한편, 상기 딥 코팅의 구체적인 조건은 폐 LCD 유리의 조성 등과 같은 코팅하고자 하는 박막의 특성에 따라 달라질 수 있다.
상기 담체에 코팅되는 광촉매의 합성은 다음과 같은 방법에 의해 제조된 TiO2 광촉매 또는 Ag-TiO2 광촉매가 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 TiO2 광촉매는, 먼저, 1:10의 중량%로 TTIP 2mL과 Isopropyl Alcohol을 비이커에 넣고 약 10분 정도 균일하게 혼합한다.
이후, 상기 혼합물에 물과 1:1의 비율로 질산용액을 투입하여 교반함으로써 졸(sol) 상태의 TiO2 화합물을 만든다.
그리고, 테프론 용기에 밀봉한 후 수열합성기에서 200℃의 온도로 6시간 정도 반응시킨다.
그런 다음, 용액을 원심분리기에 넣고 대략 2시간 30분 동안 150rpm으로 용액을 분리한 후 상등액을 버린다. TiO2 화합물에 에탄올을 일정량 넣고 상기와 같은 조건으로 원심 분리를 2회 더 실시한다.
최종 원심 분리된 TiO2 화합물을 건조기에 넣고 40℃의 온도로 12시간 건조한 후, 성형된 TiO2 광촉매를 분쇄하여 아나타제형 분말을 생성한다.
한편, 상기 Ag-TiO2 광촉매는, 상기와 같은 TiO2 광촉매를 제조하는 방법을 적용하여 질산에 Ag 금속을 녹여 최종 농도가 20,000ppm이 되도록 하여 광촉매를 제조한다. 이 방법은 금속원자를 도핑하여 광효율을 증가시키고, 비표면적을 증가시켜 광활성화를 향상시킨 고효율 극미세 구조의 이산화티타늄을 제조하는 방법으로서, 광촉매의 에너지 밴드갭이 가시광선대역의 파장에서도 빛을 흡수하여 광촉매로 작용할 수 있는 전이 금속이 도핑되면, 가시광선대역 파장(약 380nm~770nm)도 흡수할 수 있는 에너지 밴드 갭을 가짐으로써, 광활성도와 광효율 측면에서 매우 우수한 특성을 갖는다.
이하, 하기의 실시예와 실험예를 통하여 본 발명을 설명한다. 그러나, 이하의 실시예 및 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
<실시예:폐 CRT 유리, 폐 LCD 유리 및 일반유리를 이용한 구형 담체의 제조>
폐 CRT 유리, 폐 LCD 유리 및 일반유리를 이용하여 구형 담체를 제조하기 위하여 다양한 조성 방법 및 소성 조건을 실시하였다. 구형 담체의 첨가물로는 카본(200mesh 이하), 황토 분말, PVA(2.5%)를 사용하였으며, 담체의 발포성을 올리기 위하여 탄산수소나트륨(NaHCO3) 또는 탄산나트륨(Na2CO3)을 발포제로 첨가하여 제조하였다.
기본적인 조성 비율은 아래와 같으나, 추가로 발포제가 들어갔을 경우는 조성 비율을 달리하였다.
① CRT 유리 : 카본 : PVA(2.5%) = 80 : 10 : 10
② LCD 유리 : 카본 : PVA(2.5%) = 80 : 10 : 10
③ 일반 유리 : 카본 : PVA(2.5%) = 80 : 10 : 10
④ CRT 유리 : 황토 : PVA(2.5%) = 80 : 10 : 10
⑤ LCD 유리 : 황토 : PVA(2.5%) = 80 : 10 : 10
⑥ 일반 유리 : 황토 : PVA(2.5%) = 80 : 10 : 10
담체의 소성 조건은 50℃의 건조기에서 120분 정도 1차 건조시킨 후 가마를 이용하여 제조하였다. 가마의 온도 및 시간 조건을 변화시키면서 적절한 강도와 뛰어난 발포성을 갖는 구형 담체를 제조하였다.
<실험예 1;일반 폐유리를 이용한 구형 담체 제조>
상기 실시예에 의해 제조된 담체의 성형 결과를 측정하였다.
폐 CRT 유리를 포함한 담체는 구형으로 성형되지 않고 넓게 퍼졌으며, 이는 CRT 유리의 녹는점이 낮아서 구형 형태로 이루어지지 않고 녹아 버린 것으로 생각된다. 폐 LCD 유리를 포함한 담체는 일정 모양의 구형과 탄소에 의한 발포성을 나타내었으나, 일반유리를 포함한 구형 담체는 일정 모양의 구형은 유지되었으나, 표면에 발포성은 나타나지 않다.
이 실험예 1에 따라 폐 LCD 유리를 사용하고 카본을 소정 비율 첨가하여 제조하는 경우가 가장 바람직하다는 것을 알 수 있었다.
<실험예 2;조성 변화에 따른 CRT 유리 함유 구형 담체 제조>
상기 실시예에 의해 제조된 담체의 조성 조건으로 실험하였다.
실험 과정은 상기 실시예의 실험 조건으로, 폐 CRT 유리를 함유한 담체를 제조하여 담체를 50℃의 건조기에서 120분 동안 1차 건조시킨 후, 가마를 이용하여 최고 온도를 600℃로 조절하여 구형 성형체의 변화와 발포성을 확인하였다. 조성비는 (1) CRT 유리: 카본 : PVA(2.5%) = 8 : 10 : 10과, (2) CRT 유리: 황토 : PVA(2.5%) = 8 : 10 : 10 이었다. 실험 결과 도 2에 나타낸 바와 같이 구형 담체로의 성형은 가능하였지만, 두 시료 모두 발포성은 나타나지 않았다.
<실험예 3;폐 LCD 유리 및 일반유리를 이용한 구형 담체 제조>
상기 실시예에 의해 제조된 담체의 조성 조건으로 실험하였다.
실험 과정은 상기 실시예의 실험 조건으로, 폐 LCD 유리와 일반유리를 함유한 담체를 제조하여 담체를 50℃의 건조기에서 120분 동안 1차 건조시킨 후, 가마를 이용하여 최고 온도를 800℃로 조절하여 구형 성형체의 변화와 발포성을 확인하였다. 실험 결과 도 3에 나타낸 바와 같이 모든 성형체가 구형을 유지하였지만, 카본을 함유한 LCD 구형 담체만이 발포성을 나타내었다.
<실험예 4;폐 LCD 유리와 발포제(NaHCO3) 변화에 따른 담체 제조>
상기 실시예에 의해 제조된 담체의 조성 조건으로 실험하였다.
실험 과정은 상기 실시예의 실험 조건으로, 폐 LCD 유리에 탄산수소나트륨을 첨가하고 카본의 양을 변화시켜 폐 LCD 유리가 함유된 구형 담체를 성형한 후 50℃의 건조기에서 24시간 동안 1차 건조시킨 후, 가마를 이용하여 최고 온도 800℃에서 3시간 동안 소성하였다. 실험 결과 도 4에 나타낸 바와 같이 모든 성형체가 구형을 유지하였으며, 표면에 미세한 발포가 일어난 것을 확인하였다.
<실험예 5;폐 LCD 유리와 발포제(Na2CO3) 변화에 따른 담체 제조>
상기 실시예에 의해 제조된 담체의 조성 조건으로 실험하였다.
실험 과정은 상기 실시예의 실험 조건으로, 폐 LCD 유리에 탄산나트륨의 양을 변화시켜 폐 LCD 유리가 함유된 구형 담체를 성형한 후 50℃의 건조기에서 24시간 동안 1차 건조시킨 후, 가마를 이용하여 최고 온도 800℃에서 3시간 동안 소성하였다. 조성 비율은 LCD 유리 : 카본 : PVA(2.5%) = 75g : 10g : 10g에 탄산나트륨을 ① 5g ② 10g ③ 15g ④ 20g로 증시키면서 첨가하여 제조하였다. 실험 결과 도 5에 나타낸 바와 같이 모든 성형체가 구형을 유지하였지만, 강도면에서 샘플 ②가 가장 큼을 확인하였다.
<실험예 6;폐 LCD 유리 성형 담체의 표면 개질 실험>
상기 실험예 5에 의해 제조된 담체의 조성 조건으로 실험하였다.
폐 LCD 유리 : 카본 : PVA(2.5%) = 75g : 10g :10g에 탄산나트륨 10g을 넣고 성형한 구형 담체를 50℃의 건조기에서 24시간 동안 1차 건조시킨 후, 가마를 이용하여 최고 온도 800℃에서 3시간 동안 소성하였다. 소성된 구형 담체의 표면을 개질하기 위하여 구형 담체 20개와 유리볼(3mm) 500g을 볼 밀에 넣고, 속도를 40~60rpm으로 40분간 돌린 후 광학현미경으로 구형 담체의 표면 상태를 확인하였다.
볼 밀에서 구형 담체를 개질한 결과, 도 6에 나타낸 바와 같이 구형 담체 안의 발포 부분들이 많이 표출되었으며, 광학현미경으로 표면을 관찰해 본 결과, 도 7에 나타낸 바와 같이, 표면 개질전 매끄러웠던 표면에 물결모양의 굴곡들이 나타난 것을 확인할 수 있었다.
<실험예 7 ; 폐 LCD 유리 성형 담체의 밀도>
상기 실험예 6에 의해 제조된 담체의 조성 조건으로 밀도를 실험하였다.
실험 후 밀도 측정 결과 도 8에 나타낸 바와 같이, 폐 LCD 유리가 함유된 구형 담체의 평균밀도는 1.374g/㎤로 측정되었다. 시료 모두 다공성 성질을 보유하여 물에 넣는 순간 기포가 올라오는 것을 확인할 수 있었다.
<실험예 8 ; 폐 LCD 유리 성형 담체의 강도>
상기 실험예 6에 의해 제조된 담체의 조성 조건으로 강도를 실험하였다.
실험 후 강도 측정 결과 도 9에 나타낸 바와 같이, 폐 LCD 유리가 함유된 구형 담체의 평균 강도는 104.90N으로 측정되었다. 일반유리를 이용해 제조한 담체는 236.69N으로 강도면에서 폐 LCD 유리가 함유된 구형 담체보다 2배 정도 크게 나타났지만, 발포성이 포함되지 못해 광촉매 담체로는 부적합한 것으로 확인되었다.
상술한 여러 실험 결과, 본 발명에 의한 폐 유리를 이용한 광촉매 담체는 구형 성형성, 발포성, 밀도 및 강도측면에서 폐 LCD 유리 : 카본 : PVA(2.5%) : 발포제가 75 : 10 : 10 : 10의 조성 비율로 함유하는 경우가 본 발명의 목적을 가장 만족한다는 것을 확인하였다.
즉, 본 발명에 의한 폐 LCD 유리를 이용한 광촉매 담체는 기존의 합성 제올라이트 다공성 물질을 이용하여 제조한 광촉매 담체에 비하여 적어도 동등하거나 뛰어난 성능을 보이는 반면에, 제조 비용은 폐기물로 버려지는 폐 LCD 유리를 주성분으로 사용함으로써 상당히 낮출 수 있다.
<본 발명에 의한 광촉매 담체의 테스트>
본 출원인은 상기와 같은 조성을 갖는 본 발명에 의한 폐 LCD 유리를 이용한 광촉매 담체의 뛰어난 성능을 객관적으로 확인하기 위하여, 한국화학융합시험연구원에 탈취 테스트 및 인(P) 정화 능력 테스트를 의뢰하여 시험결과보고서를 받은바 있으며, 이하 상기 시험결과보고서에 기초하여 본 발명에 대한 시험 결과를 간단히 설명한다.
(1) 탈취 테스트
탈취 테스트는 본 출원인이 제공한 TiO2를 코팅한 정화 여재, 즉 본 발명에 의한 폐 LCD 유리를 주성분으로 함유하는 앞서 설명한 바와 같은 광촉매 담체의 폼알데하이드 가스에 대한 제거 능력을 시험한 것이다(시험번호 : TBH-000773, 시험기간 2011. 05. 31 ~ 2011. 06. 13).
1)시험조건
실내온도 : 20 ~ 30℃
상대습도 : 25 ~ 65%
시료 형태 및 모양 : 구형
시료투입량 : 36EA(개당 약 7.5~8.8g)
시험용 용기 : 10L 테들라백
시험기기 : 가스검지기(GV-100S, Gastec Co. Japan)
2)시험방법
① 10 L 테들라백 안에 'TiO2를 코팅한 정화 여재' 시료 36개를 넣은 후 밀봉한다.
② 테들라백 안에 폼알데하이드 표준 가스를 주입하여 내부의 농도가 폼알데하이드 20ppm이 되도록 가스검지기로 측정하여 이를 초기 농도로 하고 테들라백을 자외선 램프가 부착된 챔버 안에 넣는다.
③ 챔버의 뚜껑을 닫고 자외선 램프를 온으로 작동시켜 초기, 1시간, 2시간, 4시간, 6시간, 24시간 경과 시점의 폼알데하이드 농도를 가스텍으로 정확히 측정한다.
④ 동일하게 2회 반복 시험한다.
⑤ 'TiO2를 코팅한 정화 여재' 시료를 투입하지 않고, 동일하게 시험하여 바탕 시험으로 한다.
3)시험결과
| 시험항목 |
시간 |
단위 |
결과 | |||
| Blank | x1 | x2 | 평균 | |||
| 폼알데하이드 |
초기 | ppm |
20 | 20 | 29 | 20 |
| 1시간 후 | 20 | 3 | 3 | 3 | ||
| 2시간 후 | 20 | 1 | 1 | 1 | ||
| 4시간 후 | 20 | 1미만 | 1미만 | 1미만 | ||
| 6시간 후 | 20 | 1미만 | 1미만 | 1미만 | ||
| 24시간 후 | 19 | 1미만 | 1미만 | 1미만 | ||
상기 [표 1]과 같이, 본 발명에 의한 폐 LCD 유리를 이용한 광촉매 담체는 초기 농도 20ppm에서 4시간 후 1ppm 미만으로 나타났으나, 바탕시험은 초기 농도 20ppm에서 24시간 후에도 19ppm으로 큰 변화가 없었다.
상기와 같은 본 발명에 의한 폐 LCD를 이용한 광촉매 담체의 폼알데하이드 제거 성능은 일반적인, 즉 합성 제올라이트 등과 같은 다공성 물질을 이용하여 제조한 광촉매 담체의 성능에 비하여 적어도 동일하거나 더 뛰어난 것이며, 따라서, 본 발명에 의한 폐 LCD 유리를 이용한 광촉매 담체는 제조 비용적인 측면에서 큰 잇점을 가질 수 있다.
(2)인(P) 정화 능력 테스트
인 정화 능력 테스트는 자외선 조사기를 이용하여 본 출원인이 제공한 시료(폐 LCD 유리를 이용한 광촉매 담체)에 자외선을 조사시킨 후 시간에 따른 총인(T-P)의 제거율을 측정한 것이다(시험번호 : TBH-000742, 시험기간 : 2011. 05. 19 ~ 2011. 06. 14).
1)시험조건 및 재료
온도 : 23℃
습도 : 56%
자외선조사기 : UV-B Ramp가 부착된 W 0.3(m)×L 0.3(m)×H 0.4(m) 불투명 BOX)
수질정화여과재 : 시료 A(No Coating Bead), 시료 B(TiO2 Coating Beab)
총인 표준용액 : KH2PO4 0.439g을 물에 녹여 100mL로 한다(1000 mg/L).
총인 시험용액 : 초인 표준용액을 200배 회석하여 50mg/L로 조제한 시료를 시험용액으로 한다.
2)분석방법
총인 시험용액 20mL당 1개의 비율로 시료 A, 시료 B를 각각 5개씩 투명한 메스플라스크에 채웠으며, 바탕시험을 위하여 여과재 없는 시험용액(공시료) 100mL를 준비하였다.
자외선 조사기 안에 시료 A, 시료 B, 공시료가 들어있는 시험용액으로 채워진 메스플라스크를 넣은 후, 시간(0h, 1h, 3h, 6h, 24h)에 따른 시험용액의 총인 농도변화를 확인하였다.
3)분석결과
| 시료 A : NO COATING BEAD | ||
| No. | Time(h) | T-P(mg/L) |
| 0 | 0 | 4.970 |
| 1 | 1 | 3.970 |
| 2 | 3 | 2.620 |
| 3 | 6 | 1.520 |
| 4 | 12 | 0.770 |
| 제거율(%) | 84.5 | |
| 시료 B : TiO2 COATING BEAD | ||
| No. | Time(h) | T-P(mg/L) |
| 0 | 0 | 4.970 |
| 1 | 1 | 3.135 |
| 2 | 3 | 1.890 |
| 3 | 6 | 1.390 |
| 4 | 12 | 0.470 |
| 제거율(%) | 90.5 | |
| 공시험용액 | ||
| No | Time(h) | T-P(mg/L) |
| 0 | 0 | 4.970 |
| 1 | 24 | 4.900 |
상기 [표 2] 내지 [표 4]에 나타낸 바와 같이, 시료 A는 24시간 동안 자외선을 조사한 결과 84.5%의 총인 제거율을 보였으나, 시료 B는 24시간 자외선을 조사한 결과 90.5%의 제거율을 보였다. 한편, 공시험용액의 경우는 24시간 동안 자외선을 조사하여도 총인 농도는 거의 변화가 없었다.
상기와 같은 본 발명에 의한 폐 LCD를 이용한 광촉매 담체의 총인 제거율은 일반적인, 즉 합성 제올라이트 등과 같은 다공성 물질을 이용하여 제조한 광촉매 담체의 총인 제거율에 비하여 적어도 동일하거나 더 뛰어난 것이며, 따라서, 본 발명에 의한 폐 LCD 유리를 이용한 광촉매 담체는 제조 비용적인 측면에서 큰 잇점을 가질 수 있다.
이상에서 본 발명은 특정 실시예에 대하여 설명되었으나, 본 발명의 본질적 특성들을 벗어남이 없이 본 발명이 다른 특정 형태들로 실시될 수 있음이 당업자에게 자명하다. 따라서 나타내어진 실시예들은 모든 관점에서 예시적이며 비제한적인 것으로 고려되어야 하며, 따라서 당업자들에게 자명한 모든 변경들은 그 안에 포함되는 것이다.
Claims (18)
- 폐 유리 60~75 중량%, 카본 5~20 중량%, PVA 10 중량%, 발포제 5~20 중량%의 조성을 갖는 담체; 및
상기 담체에 코팅 또는 담지된 광촉매;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐 유리를 이용한 광촉매 담체. - 제1항에 있어서,
상기 폐 유리는 폐 LCD 유리, 폐 CRT 유리 및 일반 폐 유리 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 폐 유리를 이용한 광촉매 담체. - 제1항에 있어서,
상기 폐 유리는 200mesh 이하의 분말, 상기 카본은 250mesh 이하의 분말인 것을 특징으로 하는 폐 유리를 이용한 광촉매 담체. - 제1항에 있어서,
상기 발포제는, 탄산수소나트륨(NaHCO3) 또는 탄산나트륨(Na2CO3)인 것을 특징으로 하는 폐 유리를 이용한 광촉매 담체. - 제1항에 있어서,
상기 광촉매는 TiO2 광촉매 또는 Ag-TiO2 광촉매인 것을 특징으로 하는 폐 유리를 이용한 광촉매 담체. - 제2항에 있어서,
상기 담체는 폐 LCD 유리 75 중량%, 카본 10 중량%, PVA 10 중량%, 발포제 10 중량%의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 폐 유리를 이용한 광촉매 담체. - a) 폐 유리 60~75 중량%, 카본 5~20 중량%, PVA 10 중량%, 발포제 5~20 중량%의 조성을 갖는 담체를 성형하는 단계;
b) 상기 담체의 표면을 개질하는 단계; 및
c) 표면이 개질된 담체에 광촉매를 코팅하여 소성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐 유리를 이용한 광촉매 담체 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 폐유리는, 폐 LCD 유리, 폐 CRT 유리 및 일반 폐 유리 중에서 선택된 어느 하나이며,
상기 담체는 폐 LCD 유리 75 중량%, 카본 10 중량%, PVA 10 중량%, 발포제 10 중량%의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 폐 유리를 이용한 광촉매 담체 제조방법. - 제8항에 있어서, 상기 a) 단계는,
a-1) 폐 LCD 유리를 미립화하는 단계;
a-2) 상기 폐 LCD 유리 분말에 카본 분말, 발포제 및 2.5% PVA 수용액을 첨가하여 일정하게 혼합시키는 단계;
a-3) 상기 a-2) 단계의 혼합물을 압축 성형기에 넣고 일정 크기의 구형 비드를 성형하는 단계; 및
a-4) 성형된 구형 비드를 실온에서 일정시간 건조한 후 산소 분위기에서 10~800℃로 0~8시간 동안 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐 유리를 이용한 광촉매 담체 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 폐 LCD 유리 분말은 200mesh 이하, 상기 카본 분말은 250mesh 이하만을 분취하여 사용하는 것을 특징으로 하는 폐 유리를 이용한 광촉매 담체 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 발포제는 탄산수소나트륨(NaHCO3) 또는 탄산나트륨(Na2CO3)을 이용하는 것을 특징으로 하는 폐 유리를 이용한 광촉매 담체 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 a-2) 단계는 1~3시간 동안 교반하는 것을 특징으로 하는 폐 유리를 이용한 광촉매 담체 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 a-3) 단계는 구형 비드의 크기를 10~15mm로 성형하는 것을 특징으로 하는 폐 유리를 이용한 광촉매 담체 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 a-4) 단계는 실온에서 24시간 건조 후, 800℃에서 2시간 이상 열처리하는 것을 특징으로 하는 폐 유리를 이용한 광촉매 담체 제조방법. - 제7항에 있어서, 상기 b) 단계는,
40~60rpm으로 회전하는 볼 밀을 이용하여 30분 수행한 후, 40℃에서 12시간 건조하는 것을 특징으로 하는 폐 유리를 이용한 광촉매 담체 제조방법. - 제7항에 있어서, 상기 c) 단계는,
c-1) 담체의 표면에 광촉매를 도포하여 딥 코팅하는 단계; 및
c-2) 10~300℃의 온도 분위기에서 0~2시간 동안 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐 유리를 이용한 광촉매 담체 제조방법. - 제16항에 있어서,
상기 c) 단계에서 담체에 대한 광촉매의 코팅은 총 5회 실시하며, 매회 코팅 후 4시간 건조하고 최종 코팅 후 24시간 건조하는 것을 특징으로 하는 폐 유리를 이용한 광촉매 담체 제조방법. - 제16항에 있어서,
상기 광촉매는 수열합성법으로 합성된 TiO2 광촉매 또는 Ag-TiO2 광촉매인 것을 특징으로 하는 폐 유리를 이용한 광촉매 담체 제조방법.
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| KR1020110061311A KR20130000655A (ko) | 2011-06-23 | 2011-06-23 | 폐 유리를 이용한 광촉매 담체 및 그 제조방법 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107754864A (zh) * | 2017-10-23 | 2018-03-06 | 浙江工业大学 | 植物纤维负载改性纳米二氧化钛复合材料及其制备与应用 |
| KR20180071111A (ko) * | 2016-12-19 | 2018-06-27 | 강릉원주대학교산학협력단 | 과립형 발포유리 형성 방법 및 이를 이용한 악취제거용 광촉매 제조방법 |
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2011
- 2011-06-23 KR KR1020110061311A patent/KR20130000655A/ko not_active Application Discontinuation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR20180071111A (ko) * | 2016-12-19 | 2018-06-27 | 강릉원주대학교산학협력단 | 과립형 발포유리 형성 방법 및 이를 이용한 악취제거용 광촉매 제조방법 |
| CN107754864A (zh) * | 2017-10-23 | 2018-03-06 | 浙江工业大学 | 植物纤维负载改性纳米二氧化钛复合材料及其制备与应用 |
| CN107754864B (zh) * | 2017-10-23 | 2019-11-29 | 浙江工业大学 | 植物纤维负载改性纳米二氧化钛复合材料及其制备与应用 |
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