KR20160115088A - 이산화티타늄 분말의 제조방법 - Google Patents

이산화티타늄 분말의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 측면은, 사염화티탄(TiCl4) 또는 황산티탄 원액을 준비하는 단계; 상기 원액에 물을 첨가하여 티타닐클로라이드(TiOCl2) 또는 티타늄하이드록사이드(Ti(OH)4) 수용액을 얻는 단계; 상기 수용액을 50~350℃의 온도에서 2~20시간 동안 열처리하여 침전물을 얻는 단계; 상기 침전물을 수거 및 건조하여 이산화티타늄(TiO2) 분말을 얻는 단계;를 포함하고, 상기 원액과 물의 혼합비는 0.05:99.5 내지 80:20인 이산화티타늄 분말의 제조방법을 제공한다.

Description

이산화티타늄 분말의 제조방법{METHOD OF PRODUCING TITANIUM DIOXIDE POWDER}
본 발명은 이산화티타늄 분말의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광촉매용 루타일(rutile)상 이산화티타늄 분말의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 광촉매용 이산화티타늄 분말을 제조하는 방법으로는 염소법, 황산법, 졸-겔(sol-gel)법이 널리 알려져 있다.
이 중, 염소법은 티타늄 원석을 염소 가스와 반응시켜 사염화티탄을 생성하고, 생성된 사염화티탄을 산소 가스와 반응시켜 이산화티타늄 분말을 얻는 방법이다. 이러한 염소법은 균일한 입자의 이산화티타늄 분말을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 공정이 간소하고, 자동화가 용이한 장점이 있으나, 취급 물질의 위험성이 높고, 원료가 풍부하지 못한 단점이 있다.
다음으로, 황산법은 티타늄 원석을 황산에 용해시킨 후, 정제와 가수 분해 등을 거쳐 이산화티타늄 분말을 얻는 방법이다. 이러한 황산법은 염소법과 더불어 경제성이 우수하여 널리 상용화되어 있는 방법이나, 황산법에 의해 제조된 이산화티타늄 분말은 활성이 낮은 단점이 있다.
마지막으로, 졸-겔법은 물성 제어가 용이하고, 활성이 높은 이산화티타늄 분말을 얻을 수 있는 장점이 있으나, 원료 물질인 알콕사이드(alkoxide)의 가격이 비싸 경제성이 낮고, 복잡한 공정을 거치기 때문에 그 과정에서 원치 않는 다양한 불순물들이 형성된다는 단점이 있다.
나아가, 상기와 같은 방법에 의해 이산화티타늄 분말을 제조할 경우, 상온 안정상인 아나타제(anatase)상 이산화티타늄 분말이 얻어지게 되어, 고온 안정상인 루타일(rutile)상 이산화티타늄 분말을 얻고자 할 경우 상변태 온도인 685℃ 이상의 온도로 재가열하는 후열 처리가 필수적으로 수반되어야만 하는 단점이 있다.
본 발명의 목적 중 하나는, 공정이 간소하고, 대량 생산이 용이하며, 경제성이 우수한 광촉매용 루타일(rutile)상 이산화티타늄 분말의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면은, 사염화티탄(TiCl4) 또는 황산티탄 원액을 준비하는 단계; 상기 원액에 물을 첨가하여 티타닐클로라이드(TiOCl2) 또는 티타늄하이드록사이드(Ti(OH)4) 수용액을 얻는 단계; 상기 수용액을 50~350℃의 온도에서 2~20시간 동안 열처리하여 침전물을 얻는 단계; 상기 침전물을 수거 및 건조하여 이산화티타늄(TiO2) 분말을 얻는 단계;를 포함하고, 상기 원액과 물의 혼합비는 0.05:99.5 내지 80:20인 이산화티타늄 분말의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 여러 효과 중 하나로서, 중온 영역에서 수열합성법을 이용해 루타일(rutile)상 이산화티타늄 분말을 제조할 수 있어, 공정이 간소하고, 대량 생산이 용이하며, 경제성이 우수한 장점이 있다.
또한, 본 발명의 여러 효과 중 하나로서, 본 발명에 의해 제조된 이산화티타늄 분말은 입자크기가 미세하고, 비표면적이 넓어 활성이 우수한 장점이 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 발명예 1, 발명예 2 및 비교예 1의 XRD 분석 결과이다.
도 2의 (a)는 발명예 1의 SEM 및 TEM 이미지이고, 도 2의 (b)는 발명예 2의 SEM 및 TEM 이미지이다.
도 3은 발명예 1, 발명예 2 및 비교예 1의 TOC 분석을 통한 분해능 평가 결과이다.
이하, 본 발명의 일 측면인 이산화티타늄(TiO2) 분말의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 사염화티탄(TiCl4) 또는 황산티탄 원액을 준비한다.
상기 황산티탄은 황산제일티탄(Ti2(SO4)3) 및 황산제이티탄(Ti(SO4)2)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 원액은, 99~99.9중량%의 사염화티탄(TiCl4) 또는 황산티탄을 포함할 수 있다.
이후, 상기 원액에 물을 첨가하여 티타닐클로라이드(TiOCl2) 또는 티타늄하이드록사이드(Ti(OH)4) 수용액을 얻는다.
상기 원액과 물의 혼합비는 0.05:99.5 내지 80:20인 것이 바람직하다. 만약, 상기 원액과 물의 혼합비가 0.05:99.5 미만일 경우, Ti 이온의 산화 반응이 이뤄지지 않아 TiO2 결정화가 이뤄지지 않으며, 반면, 8:2를 초과할 경우, Ti 이온의 과량 첨가로 인해 Ti 금속이 석출되는 문제가 있다.
상기 원액과 물의 반응은 상온에서 일어나는 상온반응일 수 있다.
이후, 상기 수용액을 50~350℃의 온도에서 2~20시간 동안 열처리하여 침전물을 얻는다.
상기 열처리시, 그 온도가 50℃ 미만인 경우 Ti-O-Ti bonding을 위한 활성화 에너지가 부족하여 TiO2 결정화가 이뤄지지 않으며, 반면, 그 온도가 350℃를 초과하는 경우 결정화 온도가 높아져 결정립 성장이 이뤄지며, 이로 인해 결과적으로 제조되는 이산화티타늄 분말의 입경이 조대화되는 단점이 있다.
상기 열처리시, 그 시간이 2시간 미만인 경우, TiO2 결정화를 위한 반응 에너지가 부족하여 비정질 형태의 이산화티타늄만 형성되는 단점이 있으며, 그 시간이 20시간을 초과하는 경우 반응 에너지 과다로 인해 결정립 조대화 및 입자 뭉침 현상이 일어나는 단점이 있다.
이후, 상기 침전물을 수거 및 건조하여 이산화티타늄(TiO2) 분말을 얻는다.
상기 침전물의 건조는, 70℃ 이하의 온도에서 10~48시간 동안 이뤄질 수 있다.
본 발명의 방법에 의해 제조된 이산화티타늄 분말은 루타일(rutile) 결정 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 방법에 의해 제조된 이산화티타늄 분말의 형태는 구형 또는 침상형일 수 있다.
본 발명의 방법에 의해 제조된 이산화티타늄 분말은 입자크기가 미세하고, 비표면적이 넓어 활성이 우수한 장점이 있다. 본 발명의 방법에 의해 제조된 이산화티타늄 분말은 ASTM D10 기준으로 10nm~200μm의 입자크기를 가지고, 70~300m2/g의 비표면적을 가질 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 실시예의 기재는 본 발명의 실시를 예시하기 위한 것일 뿐 이러한 실시예의 기재에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.
( 실시예 )
발명예 1
사염화티탄(TiCl4) 원액(99.9중량%)을 물과 12.5:87.5의 비율로 혼합한 후, 교반하였다. 상기 혼합 및 교반은 상온(25℃)에서 이루어졌다. 이후, 80℃에서 12시간 동안 열처리하여 침전물을 얻었다. 이후, 상기 침전물을 수세척 및 필터링 한 후, 40℃에서 10시간 동안 건조하여 백색의 이산화티타늄(TiO2) 분말을 얻었다.
발명예 2
황산티탄(TiSO4) 원액(99.9중량%)을 물과 60:40의 비율로 혼합한 후, 교반하였다. 상기 혼합 및 교반은 상온(25℃)에서 이루어졌다. 이후, 80℃에서 12시간 동안 열처리하여 침전물을 얻었다. 이후, 상기 침전물을 수세척 및 필터링 한 후, 40℃에서 10시간 동안 건조하여 백색의 이산화티타늄(TiO2) 분말을 얻었다.
비교예 1
비교를 위해, 상용 분말인 Millennium社의 이산화티타늄 분말(제품명: P25)을 마련하였다.
미세 구조 분석
X-선 회절 분석(XRD, X-ray Diffraction)을 이용하여 제조된 이산화티타늄(TiO2) 분말의 결정 구조를 평가하였다.
또한, 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscopy) 및 투과전자현미경(TEM, Transmission Electron Microscopy)을 이용하여 제조된 이산화티타늄(TiO2) 분말의 형태 및 입자크기를 관찰하였다.
도 1은 발명예 1, 발명예 2 및 비교예 1의 XRD 분석 결과이다. 도 1에서 "R"에 해당하는 피크는 루타일(rutile) 결정 구조를 갖는 이산화티타늄(TiO2)에 의해 나타나는 피크를 의미하고, "●"에 해당하는 피크는 아나타제(anatase) 결정 구조를 갖는 이산화티타늄(TiO2)에 의해 나타나는 피크를 의미하는데, 발명예 1 및 2의 경우, "R"에 해당하는 피크만 나타나는 점에서 100% 루타일(rutile) 결정 구조를 가짐을 알 수 있다.
도 2의 (a)는 발명예 1의 SEM 및 TEM 이미지이고, 도 2의 (b)는 발명예 2의 SEM 및 TEM 이미지이다. 도 2를 참조할 때, 발명예 1 및 2의 경우 분말의 입자크기가 20μm 이하로 매우 미세함을 알 수 있다.
활성 평가
이산화티타늄의 활성을 평가하기 위해, 4-클로로페놀(4-Chlorophenol) 수용액에 상기 발명예 1, 발명예 2 및 비교예 1의 이산화티타늄 분말을 각각 투입한 후, 자외선 및 가시광선 조사하여 광분해를 실시하였다.
시간의 경과(5분, 20분, 35분)에 따라 각각의 수용액을 수거하고, TOC 분석을 통해 분해능을 평가하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3을 참조할 때, 발명예 1 및 2의 이산화티타늄 분말은 상용 분말인 비교예 1의 이산화티타늄 분말에 비해 약 20% 이상 우수한 광 활성을 가짐을 알 수 있다.

Claims (6)

  1. 사염화티탄(TiCl4) 원액을 준비하는 단계;
    상기 사염화티탄(TiCl4) 원액에 물을 첨가하여 티타닐클로라이드(TiOCl2) 수용액을 얻는 단계;
    상기 티타닐클로라이드(TiOCl2) 수용액을 50~350℃의 온도에서 2~20시간 동안 열처리하여 침전물을 얻는 단계;
    상기 침전물을 수거 및 건조하여 이산화티타늄(TiO2) 분말을 얻는 단계;를 포함하고,
    상기 사염화티탄(TiCl4) 원액과 물의 혼합비는 0.05:99.5 내지 80:20인 이산화티타늄 분말의 제조방법.
  2. 황산티탄 원액을 준비하는 단계;
    상기 황산티탄 원액에 물을 첨가하여 티타늄하이드록사이드(Ti(OH)4) 수용액을 얻는 단계;
    상기 티타늄하이드록사이드(Ti(OH)4) 수용액을 50~350℃의 온도에서 2~20시간 동안 열처리하여 침전물을 얻는 단계;
    상기 침전물을 수거 및 건조하여 이산화티타늄(TiO2) 분말을 얻는 단계;를 포함하고,
    상기 황산티탄 원액과 물의 혼합비는 0.05:99.5 내지 80:20인 이산화티타늄 분말의 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 황산티탄은, 황산제일티탄(Ti2(SO4)3) 및 황산제이티탄(Ti(SO4)2)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 이산화티타늄 분말의 제조방법.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 원액은, 99~99.9중량%의 사염화티탄(TiCl4) 또는 황산티탄(TiSO4)를 포함하는 이산화티타늄 분말의 제조방법.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 침전물의 건조는, 70℃ 이하의 온도에서 10~48시간 동안 이뤄지는 이산화티타늄 분말의 제조방법.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 침전물의 수거 및 건조에 의해 얻어지는 이산화티타늄(TiO2) 분말은 루타일(rutile) 결정 구조를 가지는 이산화티타늄 분말의 제조방법.
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KR20210039660A (ko) * 2019-10-02 2021-04-12 더블유알씨 주식회사 이산화티탄 분말의 제조 방법

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