KR20130025536A - 이산화티타늄 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이산화티타늄분말 제조방법에 관한 것으로, 그 구성은 Ti을 열처리하고 가압하여 루타일상의 이산화티타늄(TiO2)을 형성하는 제 1단계와, 상기 이산화티타늄분말을 분쇄하는 제 2단계와, 상기 전이금속(M)이 0.01~0.1mol%로 포함되도록 상기 이산화티타늄(TiO2)과 전이금속(M)을 혼합하여 도핑하는 제 3단계와, 상기 전이금속(M)이 도핑된 이산화티타늄(Ti1-xMxO2)을 형성하는 제 4단계를 포함하고, 상기 x는 0.01≤x≤0.1인 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 이산화티타늄 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 티타늄 금속에 열과 압력을 가하여 이산화티탄을 만드는 이산화티타늄 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 과촉매제인 이산화티타늄(TiO2)분말은 인체 또는 환경에 유해한 영향을 주는 물질, 예컨대 유기 할로겐 화합물, 악취 가스, 오일류, 세균류, 균류 및 조류 등을 신속하게 효과적으로 제거하는 작용을 한다.
따라서, 오폐수, 매립지 침수 등 난분해서 유기물을 포함한 폐수의 수질정화, 배기가스 및 실내 공기정화, 조명기구, 위생도기 등의 항균, 방취 등의 환경제품으로서 각광을 받고 있다.
특히, 광촉매제는 고도산화처리방식(AOP: Advanced Oxidation Process)에 사용되는데, 이 때에 광촉매제는 환경오염물을 상온에서 완전히 분해하기 위해 특정 파장대의 태양광을 흡수하여 환경오염물을 분해시키는 보조물로서 작용한다. 또한, 그 처리효율이 높고 반응생성물이 부수적인 환경오염을 유발시키지 않을 뿐만 아니라, 반응공정이 간소하여 환경오염물을 신속하게 분해시킬 수 있다는 장점이 있다.
이산화티타늄 분말은 그 결정구조에 따라 크게 루타일(rutile)구조와 아나타제(anatase)구조로 구분할 수 있다. 특히, 아나타제상 이산화티타늄은 비교적 광활성도가 높아 트리클로로에텐을 광분해시키는 시스템과 태양에너지 변화시스템 등에서 광촉매제로 알려져 있다.
종래의 광촉매용 이산화티타늄 분말 제조방법으로는, 염소법(chloride process), 황산법(sulfate process) 및 졸-겔법(sol-gel process)이 있다. 우선, 황산법은, 티타늄원석인 일메나이트(ilmenite)를 분쇄한 후에 황산에 용해시켜 완전히 녹지 않은 고체상태로부터 액상의 TiO2를 얻고 이를 가수분해하여 제조하는 방법이다. 하지만, 이산화티타늄 분말을 가수분해 후에 수한화물을 하소/분쇄과정을 많은 공정을 거쳐야 하므로, 그 과정에서 많은 불순물들의 혼입으로 인해 최종 제품의 품질이 크게 저하되는 문제점이 있다.
이와 달리, 염소법은, 일메나이트에 염소가스를 반응시켜 사염화티타늄(TiCl4)를 생성하고, 이를 다시 산소가스와 반응시킴으로써 아나타제상의 이산화티타늄(TiO2)을 제조하는 방법이다. 하지만, 이 방법은 반응 중에 위험성이 높은 부식성가스(HCl, Cl2)가 발생되어, 이에 대한 보호설비가 요구되며, 원료가 풍부하지 못해, 생산단가가 높다는 문제점이 있다.
우수한 광촉매제로 알려진 독일 데구사(Degussa)의 P-25는 이러한 염소법으로 제조된 것이나, 광활성화도가 낮다는 문제가 있는 것으로 알려져 있다.
또한, 졸-젤법은 고순도 광촉매용 이산화티타늄을 제조할 수 있는 이점에도 불구하고, 그 품질이 정교하고 공정상 물성제어가 용이하다는 장점이 있으나, 출발물질인 티타늄알콕사이드(Ti(OC3H7)4), Ti(OC2H5)4)가 고가이며, 그 독성과 안정성이 문제된다.
이와 같이, 종래의 광촉매용 이산화티타늄(TiO2)제조공정은 복잡하면서 큰 비용이 소모되거나, 취급물질과 공정이 위험하다는 문제가 있다. 따라서, 당 기술분야에서는 우수한 광활성도와 광효율을 갖는 이산화티타늄 분말을 보다 간소한 공정을 통해 제조할 수 있는 방법이 요구되어 왔다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 안전하고 간단하게 티타늄 단조공정에 의한 이산화티타늄 제조방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 이산화티타늄분말 제조방법에 관한 것으로서, Ti을 열처리하고 가압하여 루타일상의 이산화티타늄(TiO2)을 형성하는 제 1단계;
상기 이산화티타늄분말을 분쇄하는 제 2단계;
상기 전이금속(M)이 0.01~0.1mol%로 포함되도록 상기 이산화티타늄(TiO2)과 전이금속(M)을 혼합하여 도핑하는 제 3단계; 그리고,
상기 전이금속(M)이 도핑된 이산화티타늄(Ti1-xMxO2)을 형성하는 제 4단계를 포함하고, 상기 x는 0.01≤x≤0.1인 것을 특징으로 한다.
상기 전이금속(M)은 Pt, Pd, Ru, Cr, Ni, Mo, V, Nb, Mn, Si 및 Al 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1단계에서, 가열은 상압로에서 0.1 내지 100℃/min으로 500 내지 1300℃에서 유지하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1단계에서, 가압은 10 내지 500㎫의 압력으로 100 내지 1000초 동안 유지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 티타늄 단조공정에 의한 이산화티타늄 제조방법에서는 다음과 같은 효과가 있다.
티타늄에 열을 가하는 공정 상에서 직접산화법을 이용하여 원하는 금속이 도핑된 TiO2분말을 제조할 수 있으므로, 다른 종래의 제조방법에 비해 공정의 안정성과 실용성이 우수한 효과가 있다.
또한, 본 발명에서 얻어진 이산화티탄늄 분말은 전이금속의 도핑효과를 통해 가시광선에서도 작용이 가능하므로, 우수한 광활성화도와 광효율을 갖는 광촉매제로서도 활용될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이산화티타늄분말 제조과정을 보인 순서도.
도 2는 본 발명인 이산화티타늄분말 제조과정에 따라 제조된 이산화티타늄분말을 X-ray 회절분석한 결과를 보인 그래프.
도 3은 본 발명인 이산화티타늄분말 제조과정에 따라 제조된 이산화티타늄분말을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 도면.
도 4는 본 발명인 이산화티타늄분말 제조과정에 따라 제조된 이산화티타늄분말을 열분석(TG/DSC)한 결과를 보인 그래프.
도 2는 본 발명인 이산화티타늄분말 제조과정에 따라 제조된 이산화티타늄분말을 X-ray 회절분석한 결과를 보인 그래프.
도 3은 본 발명인 이산화티타늄분말 제조과정에 따라 제조된 이산화티타늄분말을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 도면.
도 4는 본 발명인 이산화티타늄분말 제조과정에 따라 제조된 이산화티타늄분말을 열분석(TG/DSC)한 결과를 보인 그래프.
이하, 본 발명에 의한 이산화티타늄분말 제조과정의 바람직한 실시예가 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
먼저, 본 발명인 이산화티타늄분말의 제조과정은, 도 1에 도시된 바와 같이, Ti을 열처리하고 가압하여 루타일상의 이산화티타늄(TiO2)을 형성하는 제 1단계와, 상기 이산화티타늄을 분쇄하는 제 2단계와, 상기 전이금속(M)이 0.01~0.1mol%로 포함되도록 상기 이산화티타늄(TiO2)과 전이금속(M)을 혼합하여 도핑하는 제 3단계와, 상기 전이금속(M)이 도핑된 이산화티타늄(Ti1-xMxO2)을 형성하는 제 4단계를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 x의 범위는 0.01≤x≤0.1인 것이 바람직하다.
먼저, 본 발명인 이산화티타늄분말을 제조하기 위한 티타늄이 마련된다. 상기 티타늄을 열처리하고 가압한다(S1). 보다 구체적으로, 상기 열처리는 상기 티타늄을 상압로에서 승온온도 0.1 내지 100℃/min으로 500 내지 1300℃에서 유지하여 처리한다.
그리고, 상기 가압은 상기 예열된 티타늄을 10 내지 500㎫의 압력으로 100 내지 1000초 동안 유지하여 처리한다.
이렇게 하면, 각 조건에서 티타늄이 표면에서 산화반응이 자발적으로 발생하게 되어 이산화티타늄이 만들어진다(S2). 또한, 상기 산화반응을 촉진하기 위해, 공기압을 가하여 공기를 불어줄 수 있다. 여기서 제조되는 이산화티타늄분말은 각 조건에 따라서 분말의 결정상, 크기 및 분포, 모양이 달라진다.
그리고, 상기 이산화티타늄을 분쇄한다(S3). 이때, 제조된 이산화티탄분말을 회수하여 볼밀로 분쇄하여 각 크기별로 분급한다.
그리고, 상기 분쇄된 이산화티타늄을 전이금속과 혼합한다(S4). 이때, 상기 이산화티타늄(TiO2)과 전이금속(M)의 혼합물에 기계적 합금법을 적용하여, 전이금속(M)이 도핑된 이산화티타늄(Ti1-xMxO2)을 형성할 수 있다.
상기 기계적 합금법을 구현하기 위해, 볼밀링공정을 실시하는 것이 바람직하다. 상기 볼밀링공정은 바람직하게는 상기 혼합물과 볼의 중량비를 13:1～25:1로 하는 조건에서 실시하며, 본 발명에 채용되는 볼밀링 공정은 100～300rpm의 회전속도로 적어도 8시간이상 실시하는 것이 바람직하다. 나아가, 볼밀링에 사용되는 볼로는 STS 313 물질로 이루어지고 2～16인치(JIS규격)인 연마볼을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 전이금속(M)은 Fe, Cr, V, Nb, Sb, Sn, Si 및 Al로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나일 수 있다. 그리고, 본 발명에서, TiO2분말과 전이금속(M)의 혼합비율은 전체 혼합물에서 전이금속이 0.01 ～ 1mol%가 되도록 하는 것이 바람직하다.
여기서, 전이금속이 0.01mol% 미만일 경우에는 도핑효과가 거의 없으며, 1mol%를 초과하는 경우에는 최종 이산화티탄늄 산화물의 결정구조 자체가 손상되는 문제가 있다.
이와 같은 전이금속 도핑공정을 통해, 전이금속(M)이 도핑된 이산화티타늄(Ti1-xMxO2)을 얻을 수 있다. 전이금속이 도핑되지 않은 통상의 이산화티타늄의 에너지밴드갭은 자외선대역(～380㎚)에만 한정되어 태양광에 대한 반응하는 문제가 있었으나, 본 발명과 같이 전이금속을 도핑하여 TiO2의 에너지밴드갭을 낮춤으로써 가시광선대역의 파장도 흡수할 수 있는 광효율성이 대폭 개선된 새로운 형태의 이산화티타늄(Ti1-xMxO2)을 제공할 수 있다.
완료된 전이금속이 도핑된 이산화티타늄 분말(Ti1-xMxO2)을 수거하여, XRD를 통하여 상분석을 실시하였다. ICP(Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry)를 통해 조성분석을 실시하였으며, BET(Brunauer-Emmett-Teller) 표면적 분석기를 통하여 비표면적을 측정하였다. ICP 조성분석결과, 도핑된 전이금속함량은 6.445wt%로 나타났으며, BET측정결과가 비표면적이 약 160m2/g으로 높게 나타났다.
그리고, 도 2는 본 실시예를 통해 제조된 금속이 도핑된 이산화티타늄분말을 촬영한 SEM 사진이다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
Claims (4)
- Ti을 열처리하고 가압하여 루타일상의 이산화티타늄(TiO2)을 형성하는 제 1단계;
상기 이산화티타늄분말을 분쇄하는 제 2단계;
상기 전이금속(M)이 0.01~0.1mol%로 포함되도록 상기 이산화티타늄(TiO2)과 전이금속(M)을 혼합하여 도핑하는 제 3단계; 그리고,
상기 전이금속(M)이 도핑된 이산화티타늄(Ti1-xMxO2)을 형성하는 제 4단계를 포함하고, 상기 x는 0.01≤x≤0.1인 것을 특징으로 하는 이산화티타늄분말 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 전이금속(M)은 Pt, Pd, Ru, Cr, Ni, Mo, V, Nb, Mn, Si 및 Al 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 이산화티타늄분말 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 제 1단계에서, 가열은 상압로에서 0.1 내지 100℃/min으로 500 내지 1300℃에서 유지하는 것을 특징으로 하는 이산화티타늄분말 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 제 1단계에서, 가압은 10 내지 500㎫의 압력으로 100 내지 1000초 동안 유지하는 것을 특징으로 하는 이산화티타늄분말 제조방법.
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