KR20220046386A - Filter based on photocatalyst - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광촉매 기반 필터에 관한 것으로, 보다 자세하게는, 전기방사 공정으로 합성된 나노섬유와 광촉매 나노입자의 자기 조립을 이용한 저비용 고효율 광촉매 필터에 관한 것이다.The present invention relates to a photocatalyst-based filter, and more particularly, to a low-cost and high-efficiency photocatalytic filter using self-assembly of nanofibers and photocatalytic nanoparticles synthesized by an electrospinning process.
에너지 및 물 부족과 관련한 글로벌한 문제를 해결하기 위해, 신속하고 에너지 효율적인 물 정화 방법이 요구되고 있다. 태양 에너지와 반도체 광촉매 물질을 이용한 광촉매 분해는, 태양 에너지가 저렴한 녹색 에너지 원으로 간주되고 대부분의 기후에서 쉽게 이용할 수 있기 때문에, 폐수에서 유기 오염 물질을 제거하는데 많은 관심을 받고 있다. 이는 안전하고 에너지 절약 특성에 의해, 환경 개선을 위한 유망한 기술 중 하나로 인식되고 있다. 현재 많은 연구가 환경 관련 응용 분야를 위한 매우 효율적이고, 경제적이며, 다양한 광촉매, 모듈 및 시스템의 개발에 중점을 두고 있다.In order to solve the global problem related to energy and water shortage, a rapid and energy-efficient water purification method is required. Photocatalytic decomposition using solar energy and semiconductor photocatalytic materials is of great interest to remove organic pollutants from wastewater because solar energy is considered an inexpensive green energy source and is readily available in most climates. It is recognized as one of the promising technologies for environmental improvement due to its safe and energy-saving properties. Much research is currently focused on the development of highly efficient, economical, and versatile photocatalysts, modules and systems for environmental applications.
현재까지 높은 양자 수율, 광 부식에 대한 안정성, 물에 대한 불용성, 낮은 독성 및 낮은 비용 등의 장점과 함께 높은 광촉매 효율을 갖는 다양한 광촉매 나노 입자가 개발되었다. 그러나, 광촉매 나노 입자는 광촉매 분해 동안 표면 에너지를 최소화하기 위해 쉽게 응집되어 전체 광촉매 효율이 감소되기 쉽다. 또한, 유해한 유기 오염 물질의 광촉매 분해 후 용액에 분산된 나노 입자를 분리, 회수 및 재활용하기 어렵다. 즉, 광촉매 자체가 오염물질이 될 수 있고, 이를 해결하기 위한 과정까지 고려하면 광촉매 나노 입자를 활용한 공기 및 물 정화는 기존의 방법에 비해 경제적이지 않다.To date, various photocatalytic nanoparticles with high photocatalytic efficiency have been developed along with advantages such as high quantum yield, stability against photocorrosion, insolubility in water, low toxicity and low cost. However, the photocatalytic nanoparticles are easily agglomerated to minimize the surface energy during photocatalytic decomposition, which tends to decrease the overall photocatalytic efficiency. In addition, it is difficult to separate, recover, and recycle nanoparticles dispersed in a solution after photocatalytic decomposition of harmful organic pollutants. That is, the photocatalyst itself can become a pollutant, and considering the process for solving this problem, air and water purification using photocatalyst nanoparticles is not economical compared to the existing method.
나노 크기의 미립자 광촉매의 이러한 단점을 극복하기 위해, 특정 지지체 물질 상에 작은 나노 입자를 고정시키는 것이 필수적이다. 고정화된 광촉매 나노 입자는 공정이 끝날 때 액체-고체 분리를 위한 여과 장치를 필요로 하지 않아, 초기 및 운용 비용을 감소시켜 대규모 산업에 경제적으로 더 적합하기 때문에, 산업용 대규모 시스템에 훨씬 적합하다. 그러나, 고정화된 광촉매는 주로 반응 표면의 환원으로 인해 분해 효율이 저하되는 단점이 있다. 따라서, 고정된 광촉매 기술에서 높은 기공률, 큰 비표면적뿐만 아니라, 적절한 기계적 특성, 열저항, 낮은 밀도, 화학적 안정성, 저비용, 풍부성 및 높은 외부 질량 전달을 갖는 지지 물질 및 구조를 개발하는 것이 중요하다.To overcome these shortcomings of nano-sized particulate photocatalysts, it is essential to immobilize small nanoparticles on specific support materials. Immobilized photocatalytic nanoparticles are much more suitable for industrial large-scale systems, as they do not require a filtration device for liquid-solid separation at the end of the process, reducing initial and operating costs, making them more economically suitable for large-scale industries. However, the immobilized photocatalyst has a disadvantage in that the decomposition efficiency is lowered mainly due to the reduction of the reaction surface. Therefore, it is important to develop support materials and structures with high porosity, large specific surface area, as well as suitable mechanical properties, thermal resistance, low density, chemical stability, low cost, abundance and high external mass transfer in immobilized photocatalytic technology. .
폴리머 재료는 유리, 알루미나, 석영 및 스테인레스 스틸 등의 금속-, 세라믹- 및 탄소 기반 지지체, 활성화 탄소, 탄소 나노 튜브, 그래핀 및 그래파이트에 비해 유연성, 성형성, 인성, 비용 효율성 및 경량성으로 인해 잠재적이고 적합한 촉매 지지체로 주목받았다. 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리아닐린, 폴리아민, 폴리술폰, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리아크릴로니트릴 및 폴리테트라플루오로에틸렌이 광촉매 분해를 위한 지지체 물질로서 연구되어 왔다. 기하학적 관점에서, 간단하고 비용 효율적인 전기 방사 기술에 의해 제조된 초장(ultra-long) 폴리머 나노섬유는, 다공질체, 두꺼운 필름 및 마이크로크기 섬유에 비해, 그 3D 개방 구조, 높은 기공률 및 큰 종횡비로 인해 가장 적합한 지지체로 인식되어 왔다. 이들 특성은 광촉매가 응집 없이 고밀도로 지지체에 고정되게 할 수 있다.Polymer materials are superior to metal-, ceramic- and carbon-based supports such as glass, alumina, quartz and stainless steel, activated carbon, carbon nanotubes, graphene and graphite due to their flexibility, formability, toughness, cost-effectiveness and light weight. It has attracted attention as a potential and suitable catalyst support. Polyvinylidene fluoride (PVDF), polyaniline, polyamine, polysulfone, polyurethane, polyester, polyacrylonitrile and polytetrafluoroethylene have been studied as support materials for photocatalytic degradation. From a geometrical point of view, ultra-long polymer nanofibers prepared by simple and cost-effective electrospinning techniques, compared to porous masses, thick films and microscale fibers, due to their 3D open structure, high porosity and large aspect ratio It has been recognized as the most suitable support. These properties allow the photocatalyst to be immobilized on the support at high density without agglomeration.
전기 방사를 위해 폴리머 용액에 나노 입자를 혼합함으로써 제조된 반도체 나노 입자를 함유하는 전기 방사된 폴리머 나노 섬유에 기초한 다양한 광촉매 분해 연구가 보고되었으나, 이러한 방법은 나노 섬유 지지체의 표면에 위치한 나노 입자의 분율의 한계 때문에 전기 방사 나노 섬유의 장점을 충분히 이용할 수 없다. 최근, 전기 방사된 폴리머 나노 섬유 지지체의 표면에 광촉매 나노 입자를 완전히 고정화시키기 위한 용매열(solvothermal) 공정에 기초한 다른 접근이 연구되어 왔다. 이 방법은 섬유 표면에 매우 작은 나노 입자를 위치시킬 수 있다는 장점이 있으나, 도입된 나노 입자의 분율에 한계가 있고, 나노 섬유의 큰 유연성으로 인해 다른 지지체에 다시 고정된다는 한계가 있었다.Various photocatalytic decomposition studies based on electrospun polymer nanofibers containing semiconductor nanoparticles prepared by mixing nanoparticles in a polymer solution for electrospinning have been reported, but this method is based on the fraction of nanoparticles located on the surface of the nanofiber support. The advantages of electrospun nanofibers cannot be fully exploited due to their limitations. Recently, another approach based on a solvothermal process for completely immobilizing photocatalytic nanoparticles on the surface of an electrospun polymer nanofiber support has been studied. This method has the advantage that very small nanoparticles can be placed on the surface of the fiber, but there is a limit in the fraction of the introduced nanoparticles, and there are limitations in that the nanofibers are fixed again on other supports due to the great flexibility.
한국 등록특허 제10-1641123호Korean Patent Registration No. 10-1641123
본 발명은, 전기 방사 중합체 나노 섬유 지지체에 기초한 기존의 광촉매 필터의 상술한 한계를 극복하기 위해, 산업적으로 실행 가능한 방법을 이용하는 새로운 유형의 광촉매 필터를 제공하는 것이다. The present invention is to provide a new type of photocatalytic filter using an industrially feasible method to overcome the above-mentioned limitations of the existing photocatalytic filter based on an electrospun polymer nanofiber support.
본 발명의 필터는 광촉매, 전기 방사된 PVDF(electrospun polyvinylidene fluoride) 등의 폴리머 나노 섬유 및 부직 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 직물을 포함하는 3개의 층으로 구성된다. 필터를 효율적이고 경제적으로 제조하기 위해, 카르복실기를 갖는 폴리(스티렌-알트-말레 무수물)(poly(styrene-alt-maleic anhydride; PSMA)을 먼저 PVDF 용액에 자기-조립(self-assembly) 반응제로서 도입하고, 이 용액을 부직 PET 직물 상에 전기 방사하여 PSMA/PVDF 나노 섬유를 합성하였다. 이어서, 고온 압축에 의해 직물 상에 고정하여서, 나노 섬유의 유연성으로 인한 문제를 해결할 수 있는 광촉매 지지체를 형성하였다.The filter of the present invention consists of three layers comprising a photocatalyst, polymer nanofibers such as electrospun electrospun polyvinylidene fluoride (PVDF), and a non-woven polyethylene terephthalate (PET) fabric. In order to efficiently and economically manufacture a filter, poly(styrene-alt-maleic anhydride; PSMA) having a carboxyl group was first added to a PVDF solution as a self-assembly reagent. PSMA/PVDF nanofibers were synthesized by introducing and electrospinning this solution on a non-woven PET fabric.Then, by fixing it on the fabric by high-temperature compression, a photocatalytic support capable of solving the problem due to the flexibility of the nanofibers was formed. did
본 발명은, 폴리머 용액을 지지체 상에 전기 방사하여 나노 섬유가 부착된 부직포를 제조하는 단계; 및 상기 나노 섬유가 부착된 지지체를 광촉매 현탁액에 침지시킴으로써, 광촉매를 나노 섬유 상에 자기-조립시키는 단계;를 포함하는 광촉매 필터의 제조 방법을 제공한다.The present invention comprises the steps of: electrospinning a polymer solution on a support to prepare a nonwoven fabric to which nanofibers are attached; and self-assembling the photocatalyst on the nanofibers by immersing the support to which the nanofibers are attached in a photocatalyst suspension.
상기 광촉매는 TiO2, ZnO, Bi2O3, BaTiO3, Fe2O3, V2O5, SnO2, WO3, Ga2O3, CuS, ZnS, CdS, CdSe, g-C3N4 등 을 포함하는 군으로부터 선택된 어느 1종일 수 있다.The photocatalyst is TiO 2 , ZnO, Bi 2 O 3 , BaTiO 3 , Fe 2 O 3 , V 2 O 5 , SnO 2 , WO 3 , Ga 2 O 3 , CuS, ZnS, CdS, CdSe, gC 3 N 4 , etc. It may be any one selected from the group comprising
상기 지지체는 부직포일 수 있다.The support may be a non-woven fabric.
상기 나노 섬유는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리이써술폰(PES), 폴리술폰(PS), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 셀룰로오스아세테이트(CA) 및 폴리(스티렌-코-말레이미드), 폴리(스티렌-아크릴로니트릴), 폴리(스티렌-코-메틸메타아크릴레이트), 폴리(스티렌-알트-말레 무수물)(PSMA) 등 을 포함하는 군으로부터 선택된 어느 1종 이상을 포함할 수 있다.The nanofiber is polyvinylidene fluoride (PVDF), polyisosulfone (PES), polysulfone (PS), polyacrylonitrile (PAN), cellulose acetate (CA) and poly (styrene-co-maleimide), Poly(styrene-acrylonitrile), poly(styrene-co-methylmethacrylate), poly(styrene-alt-maleic anhydride) (PSMA), and the like may include any one or more selected from the group consisting of.
상기 PVDF 대 PSMA의 중량비는 9:1~5:5일 수 있다.The weight ratio of PVDF to PSMA may be 9:1 to 5:5.
본 발명은 전기방사 공정을 이용하여 지지체의 비표면적을 크게 할 수 있고, 자기 조립에 의해 광촉매를 지지체에 고정시킬 수 있어, 단시간에 효율적으로 필터를 제조할 수 있다.In the present invention, the specific surface area of the support can be increased by using the electrospinning process, the photocatalyst can be fixed to the support by self-assembly, and the filter can be efficiently manufactured in a short time.
본 발명의 광촉매 기반 필터는 공기정화용 및 수처리용 필터로 사용할 수 있다.The photocatalyst-based filter of the present invention can be used as a filter for air purification and water treatment.
도 1은 전기방사된 나노 섬유 및 부직포에 의해 제조된 지지체 및 나노 크기의 광촉매로 이루어지는 광촉매 필터를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명에서 이용하는 전기 방사 공정을 나타낸 모식도이다.
도 3의 A, B 및 C는 전기 방사된 섬유의 SEM 이미지를 나타내고, 도 3의 D, E 및 F는 2% 이산화티탄 용액으로 자기조립된 멤브레인을 나타낸 도이다.
도 4은 PVDF, PVDF/PSMA, PVDF/PSMA-이산화티탄 자기조립 멤브레인의 ATR-FTIR 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 5는 SM-1-이산화티탄, SM-3-이산화티탄 및 SM-5-이산화티탄의 TGA를 나타낸 도이다.
도 6는 상이한 시간에서 이산화티탄을 포함하거나 포함하지 않는 멤브레인을 활용하여 광촉매 특성을 평가하였을 때 MB 용액의 흡수 스펙트럼을 나타낸다.
도 7은 이산화티탄을 포함하거나 포함하지 않는 멤브레인의 MB의 광촉매 분해를 나타낸 도이다.
도 8은 SMT-5 멤브레인에 흡착된 MB를 대기중에서 빛에 노출시켰을 때 색의 변화를 나타낸 도이다.
도 9은 SM-5 및 자기 조립된 SM-5-이산화티탄의 XPS 스펙트럼 결과이다.
도 10은 이산화티탄 및 자기 조립된 SM-5-이산화티탄의 XPS 스펙트럼 결과이다.1 is a schematic view showing a photocatalyst filter made of a nano-sized photocatalyst and a support prepared by electrospun nanofibers and nonwoven fabric.
2 is a schematic diagram showing the electrospinning process used in the present invention.
3A, B, and C show SEM images of electrospun fibers, and D, E, and F of FIG. 3 are diagrams showing a membrane self-assembled with a 2% titanium dioxide solution.
4 is a view showing ATR-FTIR spectra of PVDF, PVDF/PSMA, PVDF/PSMA-titanium dioxide self-assembled membranes.
5 is a view showing the TGA of SM-1-titanium dioxide, SM-3-titanium dioxide and SM-5-titanium dioxide.
6 shows absorption spectra of MB solutions when photocatalytic properties were evaluated using membranes with or without titanium dioxide at different times.
7 is a diagram illustrating the photocatalytic decomposition of MBs with or without titanium dioxide.
8 is a diagram showing the color change of MB adsorbed on the SMT-5 membrane when exposed to light in the air.
9 is an XPS spectrum result of SM-5 and self-assembled SM-5-titanium dioxide.
10 is an XPS spectrum result of titanium dioxide and self-assembled SM-5-titanium dioxide.
본 발명을 이하의 실시예를 들어 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명을 이하의 실시예로 한정하여 해석해서는 안된다.The present invention will be specifically described with reference to the following examples. However, the present invention should not be construed as being limited to the following examples.
시판의 이산화티탄(P25, 에보닉 산업, 독일) 및 부직포(PET 39, 남양 부직포 주식회사, 한국)를 각각 광촉매 및 지지체로서 사용했다. 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF, Mw= 570,000), 폴리(스티렌-알트-말레 무수물)(PSMA, 13wt% in H2O), N,N-디메틸아세트아미드(DMAc, 무수물, 99.8%) 및 아세톤(>99.5%)을 시그마 알드리치사로부터 구매하였고, 모든 시약은 분석용 등급이며, 추가 정제 없이 그대로 사용하였다. Commercially available titanium dioxide (P25, Evonik Industries, Germany) and nonwoven fabric (PET 39, Namyang Nonwovens Co., Ltd., Korea) were used as photocatalysts and supports, respectively. polyvinylidene fluoride (PVDF, Mw=570,000), poly(styrene-alt-maleic anhydride) (PSMA, 13wt% in H 2 O), N,N-dimethylacetamide (DMAc, anhydride, 99.8%) and acetone (>99.5%) was purchased from Sigma Aldrich and all reagents were analytical grade and used as such without further purification.
PVDF 및 PVDF/PSMA 나노 섬유는 전기 방사법을 이용하여 합성되었다. 전기 방사를 위한 점성 용액은 50℃에서 2시간 동안 300rpm의 속도의 교반 하에 PVDF 및 PSMA를 DMAc 및 아세톤 혼합물에 3:7의 비율로 용해시켜 제조하였다. 모든 화학 물질이 용해된 것을 확인한 후, 용액을 1시간 동안 초음파 처리하여 탈기하였다. PVDF 및 PSMA가 조합된 총 폴리머의 농도는 16wt%였고, PVDF 대 PSMA의 중량비는 10:0, 9:1. 7:3 및 5:5로 다양하게 변경하였다. 제조된 용액을 250㎛의 내경을 갖는 바늘이 부착된 플라스틱 주사기에 적재하고, 이를 노즐과 수집기 사이에서 12cm의 고정된 거리를 갖도록 회전 금속 수집기 앞에 두었다. 전구체 용액의 공급 속도는 시린지 펌프(KDS200, KD Scientifid Inc.)에 의해 2ml/h의 속도로 조정되고, 용액은 전원 공급(HV60, NanoNC Co., Ltd)에 의해 15kV로 음전하되었다. 부직포로 피복된 컬럼상 금속 배럴은 수집기로서 동작하였고, 전기 방사 동안 300rpm으로 회전하였다. 환경 조건은 45℃ 및 20%의 상대 습도에서 일정하게 유지되었다.PVDF and PVDF/PSMA nanofibers were synthesized using electrospinning. A viscous solution for electrospinning was prepared by dissolving PVDF and PSMA in a mixture of DMAc and acetone in a ratio of 3:7 under stirring at a speed of 300 rpm at 50° C. for 2 hours. After confirming that all chemicals were dissolved, the solution was degassed by ultrasonication for 1 hour. The concentration of the total polymer combined with PVDF and PSMA was 16 wt %, and the weight ratio of PVDF to PSMA was 10:0, 9:1. Various changes were made to 7:3 and 5:5. The prepared solution was loaded into a plastic syringe with a needle attached with an inner diameter of 250 μm, and placed in front of a rotating metal collector to have a fixed distance of 12 cm between the nozzle and the collector. The feed rate of the precursor solution was adjusted at a rate of 2 ml/h by a syringe pump (KDS200, KD Scientifid Inc.), and the solution was negatively charged to 15 kV by a power supply (HV60, NanoNC Co., Ltd). A metal barrel on a column coated with a nonwoven acted as a collector and rotated at 300 rpm during electrospinning. Environmental conditions were kept constant at 45° C. and a relative humidity of 20%.
부직포 상의 방사된 나노 섬유를 건조 박스에서 밤새 80℃에서 건조시켰다. 이하, 제조된 샘플을 각각 PSMA 대 PVDF의 비(0:10, 1:9, 3:7 및 5:5)에 따라, 각각 SM-0, SM-1, SM-3 및 SM-5로 명명한다. 마지막으로, 전기 방사된 PVDF 및 PVDF/PSMA 샘플을 2wt%의 수성 이산화티탄 현탁액에 1주일 동안 침지시킴으로써, 이산화티탄 나노 입자를 나노 섬유 상에 자기-조립하였다. 이어서, 샘플을 탈이온수로 수회 세척하여 약하게 결합된 나노 입자를 제거하고, 실온에서 건조시켰다. 이하에서, 이산화티탄 나노 입자가 자기-조립된 SM-0, SM-1, SM-3 및 SM-5를 각각, SMT-0, SMT-1 또는 SM-1-이산화티탄, SMT-3 또는 SM-3-이산화티탄, 및 SMT-5 또는 SM-T-이산화티탄으로 명명한다. 여기서, 이산화티탄의 자기-조립은 PSMA에 의해 형성되는 기능기에 의해 형성되는 것인 바, SMT-0의 경우, PSMA가 존재하지 않아 이산화티탄은 실질적으로 자기-조립되지 않았다.The spun nanofibers on the nonwoven were dried at 80° C. overnight in a drying box. Hereinafter, the prepared samples were named SM-0, SM-1, SM-3 and SM-5, respectively, according to the ratios of PSMA to PVDF (0:10, 1:9, 3:7 and 5:5), respectively. do. Finally, the titanium dioxide nanoparticles were self-assembled onto the nanofibers by immersing the electrospun PVDF and PVDF/PSMA samples in a 2 wt% aqueous titanium dioxide suspension for 1 week. The sample was then washed several times with deionized water to remove weakly bound nanoparticles and dried at room temperature. Hereinafter, SM-0, SM-1, SM-3 and SM-5 in which titanium dioxide nanoparticles are self-assembled are referred to as SMT-0, SMT-1 or SM-1-titanium dioxide, SMT-3 or SM, respectively. -3-Titanium dioxide, and SMT-5 or SM-T-Titanium dioxide. Here, the self-assembly of titanium dioxide is formed by the functional group formed by PSMA. In the case of SMT-0, PSMA was not present, so that the titanium dioxide was not substantially self-assembled.
이산화티탄 나노 입자를 첨가하기 전후에, 나노 섬유의 미세 구조 특성은 전계 방출 주사 전자 현미경(FE-SEM, Hitachi, 일본)에 의해 관찰되었다. 열중량 분석(TGA)을 수행하여 자기-조립된 이산화티탄 나노 입자의 양을 확인하였다. 상기 열중량 분석은 TGA/DTA 6300 열중량 분석기를 공기 중 10℃/min의 가열 속도에서 이용하였다. 제조된 멤브레인은 범용 ATR 샘플링 기기(ATR-FTIR, PerkinElmer Spectrum One, 미국)를 갖는 감쇠된 총 반사 푸리에 변환 적외선 분광계에 의해 특성을 관찰하였다. 4번의 스캔을 이용하여 4000~250cm-1 범위에서 2cm-1 스펙트럼 해상도로 스펙트럼을 수집하였다. 몇몇 샘플을 X-선 광전자 분광법(XPS, K-ALPHA+, Thermo Fisher Scientific, 미국)을 이용하여 분석하고, 흑연질 탄소의 C1 피크(BE=284.6 eV)를 레퍼런스로서 이용하여 전하 이동 관찰을 위한 결합 에너지를 보정하였다.Before and after adding the titanium dioxide nanoparticles, the microstructural properties of the nanofibers were observed by field emission scanning electron microscopy (FE-SEM, Hitachi, Japan). Thermogravimetric analysis (TGA) was performed to determine the amount of self-assembled titanium dioxide nanoparticles. The thermogravimetric analysis was performed using a TGA/DTA 6300 thermogravimetric analyzer at a heating rate of 10° C./min in air. The prepared membranes were characterized by an attenuated total reflection Fourier transform infrared spectrometer with a universal ATR sampling instrument (ATR-FTIR, PerkinElmer Spectrum One, USA). Spectra were collected at 2 cm -1 spectral resolution in the 4000-250 cm -1 range using 4 scans. Several samples were analyzed using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, K-ALPHA + , Thermo Fisher Scientific, USA), and the C1 peak of graphitic carbon (BE=284.6 eV) was used as a reference for charge transfer observation. The binding energy was corrected.
메틸렌 블루(MB)의 광분해 속도를 측정하여 SMT-5 샘플의 광촉매 활성을 관찰하였다. 흡수 종의 흡광도와 농도 사이의 선형 관계를 나타내는 Beer-Lambert law에 기초한, 광촉매 분해 동안의 MB의 탈색으로부터 확인되었다. 실험은 1×10-5M MB 수용액과 300W 제논 램프 및 48.2°의 천정각으로 지구 표면에 도달하는 태양 복사를 시뮬레이션하는 Air Mass 1.5 Global Filter가 장착된 솔라 시뮬레이터를 사용하여 수행되었다. 조사 전, 현탁액을 30분 동안 교반하면서 암실에 두어 흡착-탈착 평형을 확립했다. 실험 동안, 현탁액을 25℃에서 수조에서 자기 교반하였다. 일련의 특정 부피의 샘플을 분석을 위해 선택된 시간에서 회수하였고, 측정을 위해 원심 분리하였다. MB의 잔류 농도는 UV/vis 분광계(UV-vis DRS, UV-2600, SHIMADZU, 일본)에 의해 측정되었다.The photocatalytic activity of the SMT-5 sample was observed by measuring the photolysis rate of methylene blue (MB). It was confirmed from the decolorization of MB during photocatalytic degradation, based on the Beer-Lambert law, which shows a linear relationship between the absorbance and concentration of the absorbing species. Experiments were performed using a 1×10 -5 M MB aqueous solution and a solar simulator equipped with a 300 W xenon lamp and an Air Mass 1.5 Global Filter that simulates solar radiation reaching the Earth's surface at a zenith angle of 48.2°. Prior to irradiation, the suspension was placed in the dark with stirring for 30 min to establish adsorption-desorption equilibrium. During the experiment, the suspension was magnetically stirred in a water bath at 25°C. A series of specific volumes of samples were withdrawn at selected times for analysis and centrifuged for measurement. The residual concentration of MB was measured by UV/vis spectrometer (UV-vis DRS, UV-2600, SHIMADZU, Japan).
결과result
FE-SEM을 이용하여 이산화티탄의 자기 조립 전후의 형태를 관찰하였다. 도 3의 A, B 및 C는 전기 방사된 섬유의 SEM 이미지를 나타낸다. 방사된 샘플은 매끄러운 표면을 갖는 잘 형성된 섬유질 구조를 나타낸다. 나노 섬유는 부직포 형태로 랜덤하게 배향된다. 섬유 직경은 블렌드 용액에서 PSMA 농도가 증가함에 따라 감소한다. 섬유의 직경이 작을수록, PSMA가 섬유의 표면에 노출되기 쉬워진다. 도 3의 D, E 및 F는 각 PSMA 함량에서 2% 이산화티탄 용액으로 자기-조립된 멤브레인을 나타낸다. 자기 조립 전과 다르게, 섬유 표면은 거칠어졌다. 실제로, PSMA 함량이 증가함에 따라, 섬유의 표면 거칠기는 증가했다. 이는 PSMA의 양이 증가함에 따라 섬유 표면에 이산화티탄이 많이 존재함을 의미한다.The shape of titanium dioxide before and after self-assembly was observed using FE-SEM. 3A, B and C show SEM images of electrospun fibers. The spun sample shows a well-formed fibrous structure with a smooth surface. The nanofibers are randomly oriented in the form of a nonwoven fabric. Fiber diameter decreases with increasing PSMA concentration in the blend solution. The smaller the diameter of the fiber, the more likely PSMA is exposed to the surface of the fiber. 3D, E and F show membranes self-assembled with 2% titanium dioxide solution at each PSMA content. Unlike before self-assembly, the fiber surface was roughened. Indeed, as the PSMA content increased, the surface roughness of the fibers increased. This means that as the amount of PSMA increases, there is a large amount of titanium dioxide on the fiber surface.
PSMA/PVDF 블렌드 멤브레인 상의 이산화티탄의 자기-조립 메커니즘을 파악하기 위해, 순수 PVDF 멤브레인, 블렌드 멤브레인 및 전기 방사에 의한 자기조립 멤브레인을 ATR-FTIR에 의해 관찰하였으며, 그 결과를 도 4에 나타낸다.In order to understand the self-assembly mechanism of titanium dioxide on the PSMA/PVDF blend membrane, the pure PVDF membrane, the blend membrane and the self-assembled membrane by electrospinning were observed by ATR-FTIR, and the results are shown in FIG. 4 .
PVDF의 -CF2 및 -CH2 스트레칭 밴드는 각각 1178cm-1 및 1400cm-1에서 나타난다. 한편, PVDF/PSMA 블렌드 멤브레인에서, 1780cm-1 및 1705cm-1에서 추가적인 피크가 관찰된다. 1780cm-1에서의 밴드는 말레산 무수물기의 대칭 무수물 C=0 스트레칭 모드, 1700cm-1 근처의 피크는 카르복실산 기의 C=0 스트레칭 모드에 기인한다. -CF 2 and -CH 2 stretching bands of PVDF appear at 1178 cm -1 and 1400 cm -1 , respectively. On the other hand, in the PVDF/PSMA blend membrane, additional peaks are observed at 1780 cm −1 and 1705 cm −1 . The band at 1780 cm −1 is due to the symmetric anhydride C=0 stretching mode of the maleic anhydride group, and the peak near 1700 cm −1 is due to the C=0 stretching mode of the carboxylic acid group.
이산화티탄 결합에 의한 가장 현저한 변화는 800cm-1 미만의 폴리머 피크의 결합이다. 더 낮은 주파수에서 피크된 단일의 넓은 흡수에 의해 이동된 것이다. 다양한 Ti-O 진동 모드에 의해, 그 영역에는 겹치는 피크가 포함될 수 있다. 결과적으로, 이들 PVDF/PSMA 블렌드 멤브레인은 이산화티탄 나노 입자 용액에 특정 시간 동안 침지될 때, 이산화티탄의 나노 입자가 멤브레인 표면의 카르복실기와 자기 조립되는 것이 확인되었다.The most significant change due to titanium dioxide bonding is the bonding of polymer peaks less than 800 cm −1 . It is shifted by a single broad absorption peaked at a lower frequency. Due to the various Ti-O vibrational modes, the region may contain overlapping peaks. As a result, when these PVDF/PSMA blend membranes were immersed in a titanium dioxide nanoparticle solution for a specific time, it was confirmed that the titanium dioxide nanoparticles self-assembled with carboxyl groups on the membrane surface.
PSMA 농도 등의 고정화 조건으로 인한 일부 변화를 관찰하기 위해, 열 안정성을 분석했다. 이산화티탄은 실온에서 700℃까지 명확한 중량 손실을 보이지 않았다. 그러나, 이산화티탄과의 자기 조립 멤브레인은 도 5와 같이, 중량 손실 패턴을 보였다. 또한, 첨가된 PSMA 농도가 증가됨에 따라 감소되는 중량 변화를 통해 자기 조립된 TiO2의 양이 증가한 것을 확인할 수 있다. 도 5의 SM-1, SM-3, SM-5의 조성을 하기 표 1에 나타낸다. 표 1에서, 각 성분의 단위는 wt%이며, DMAc 및 아세톤의 합계 100중량%에 대한 중량비이다.To observe some changes due to immobilization conditions, such as PSMA concentration, thermal stability was analyzed. Titanium dioxide showed no apparent weight loss from room temperature to 700°C. However, the self-assembled membrane with titanium dioxide showed a weight loss pattern, as shown in FIG. 5 . In addition, it can be seen that the amount of self-assembled TiO 2 is increased through a weight change that is decreased as the added PSMA concentration is increased. The compositions of SM-1, SM-3, and SM-5 of FIG. 5 are shown in Table 1 below. In Table 1, the unit of each component is wt%, and is a weight ratio with respect to a total of 100% by weight of DMAc and acetone.
부직포의 경우, PE와 PP로 구성되며, 각각 130℃ 및 165℃에서의 흡열 피크를 갖는다. 그리고, PVDF의 융점은 약 170℃이다. 그러나, 부직포 및 PVDF가 복합체 멤브레인인 경우, 열안정성은 370℃까지 안정하다. PVDF/부직포 폴리머 사슬의 손실에 의해, 중량 손실은 370℃ 내지 430℃에서 발생한다. 결과적으로, PSMA 함량에 따라, 자기 조립된 이산화티탄의 양은 SM-1의 경우 7.5%, SM-3의 경우 16%, 그리고 SM-5의 경우 33%이다.In the case of the nonwoven fabric, it is composed of PE and PP, and has endothermic peaks at 130°C and 165°C, respectively. And, the melting point of PVDF is about 170°C. However, when the nonwoven fabric and PVDF are composite membranes, the thermal stability is stable up to 370°C. Due to loss of PVDF/nonwoven polymer chains, weight loss occurs between 370°C and 430°C. Consequently, depending on the PSMA content, the amount of self-assembled titanium dioxide is 7.5% for SM-1, 16% for SM-3, and 33% for SM-5.
널리 사용되는 유기 염료인 메틸렌블루를 자기 조립된 이산화티탄 멤브레인의 광촉매 활성을 조사하기 위한 오염 물질로 선택했다. 광촉매 활성은 가시광선 조사 하에서 MB의 분해에 의해 측정된다. 도 6는 상이한 시간에서 이산화티탄을 포함하거나 포함하지 않는 멤브레인을 활용하여 광촉매 특성을 평가하였을 때 MB 용액의 흡수 스펙트럼을 나타낸다. 도 6에서, Blank는 광촉매 필터가 사용되지 않은 상태에서 MB용액에 빛을 조사하였을 때 시간에 따른 MB용액의 농도 변화를 나타내고, NWF는 이산화티탄을 포함하지 않는 부직포를 사용했을 때 MB용액의 농도 변화를 나타낸다. SMT-0은 이산화티탄이 자기조립되지 않아 부직포와 폴리머 나노섬유만 존재한다. MB 용액의 시간에 따른 UV-vis 흡수 스펙트럼은, 60분 조사 후 664nm의 최대 흡수도가 크게 감소하는 것을 나타낸다.Methylene blue, a widely used organic dye, was selected as a contaminant to investigate the photocatalytic activity of self-assembled titanium dioxide membranes. Photocatalytic activity is measured by the degradation of MBs under visible light irradiation. 6 shows absorption spectra of MB solutions when photocatalytic properties were evaluated using membranes with or without titanium dioxide at different times. In FIG. 6, Blank represents the change in the concentration of MB solution with time when light is irradiated to MB solution in a state where a photocatalytic filter is not used, and NWF is the concentration of MB solution when a nonwoven fabric containing no titanium dioxide is used. indicate change. Since SMT-0 does not self-assemble titanium dioxide, only nonwoven fabric and polymer nanofibers exist. The UV-vis absorption spectrum according to the time of the MB solution shows that the maximum absorbance at 664 nm is greatly reduced after 60 minutes of irradiation.
664nm에서 MB의 표준화된 광학 밀도 변화는 광촉매 활성을 평가하는데 사용된다. 반응 시간에 걸친 C/C0 변화는 분해 속도를 평가하기 위해 사용되며, C0은 염료의 원래 농도이며, C는 반응 동안 취한 여과액의 농도이다. 이산화티탄을 포함하거나 포함하지 않는 멤브레인의 MB의 광촉매 분해를 도 7에 나타낸다. The normalized optical density change of MB at 664 nm is used to evaluate the photocatalytic activity. The C/C 0 change over the reaction time is used to estimate the rate of degradation, where C 0 is the original concentration of the dye and C is the concentration of the filtrate taken during the reaction. The photocatalytic degradation of MBs of membranes with and without titanium dioxide is shown in FIG. 7 .
일반적으로, 염료의 분해는 단순화된 Langmuir-Hinshelwood 모델을 사용한 유사 1차 역학 반응을 따를 수 있다.In general, the degradation of dyes can follow a quasi-first-order kinetic reaction using the simplified Langmuir-Hinshelwood model.
lnC0/C=ktlnC 0 /C=kt
여기서, t는 가시 광선 조사 시간이며, k는 도 7에 나타낸 데이터에 대한 선형 분석으로부터 결정된 겉보기 1차 속도 상수이다. P25 0.05g의 상수 k 값은 0.6960이고, 제조된 샘플 SM-5-이산화티탄 멤브레인의 k 값은 0.0343이다. 그 결과, 약 2.5cm*3cm의 멤브레인 표면에 0.0025g의 이산화티탄 나노 입자가 고정되어 있다. 도 8은 SMT-5 멤브레인에 흡착된 MB를 대기중에서 빛에 노출시켰을 때 색의 변화를 나타낸 도이다. 빛에 노출된 시간에 따라 광촉매 필터에 흡착된 MB가 분해되는 것을 보여준다. where t is the visible light irradiation time, and k is the apparent first-order rate constant determined from a linear analysis of the data shown in FIG. 7 . The constant k value of 0.05 g of P25 was 0.6960, and the k value of the prepared sample SM-5-titanium dioxide membrane was 0.0343. As a result, 0.0025 g of titanium dioxide nanoparticles were fixed on the membrane surface of about 2.5 cm * 3 cm. 8 is a diagram showing the color change of MB adsorbed on the SMT-5 membrane when exposed to light in the air. It shows that the MB adsorbed on the photocatalytic filter is decomposed according to the exposure time to light.
도 9 및 10에 나타낸 바와 같이, X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy; XPS)을 수행하여 구성 요소 간의 상호 작용을 보다 명확히 측정했다. 저해상도에서 큰 에너지 범위에 걸친 넓은 스캔 XPS 스펙트럼을 측정하여 그래프트된 이산화티탄 나노 입자에 존재하는 요소를 식별했다. SM-5에서, 284.64 및 532.26eV에서의 피크는 각각 C1s 및 O1s에 해당한다. 그러나, 이산화티탄 나노 입자의 자기 조립 이후, Ti 2p의 피크는 SM-5-이산화티탄에 대해 454.9 및 460.3eV에서 관찰되었으며, 이는 무기 이산화티탄으로부터 유기 PSMA 사슬이 그래프트되었음을 나타낸다. As shown in FIGS. 9 and 10 , X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was performed to more clearly measure the interaction between the components. By measuring wide-scan XPS spectra over a large energy range at low resolution, elements present in the grafted titanium dioxide nanoparticles were identified. In SM-5, the peaks at 284.64 and 532.26 eV correspond to C 1s and O 1s , respectively. However, after self-assembly of titanium dioxide nanoparticles, the peaks of Ti 2p were observed at 454.9 and 460.3 eV for SM-5-titanium dioxide, indicating that organic PSMA chains were grafted from inorganic titanium dioxide.
원래의 이산화티탄(P25) 및 SM-5-이산화티탄의 Ti4+의 화학적 상태 및 전자 구조를 조사하기 위해 좁은 스캔 XPS 스펙트럼의 Ti 2p 영역을 측정하였다. 도 10은 각 샘플의 Ti 2p 영역의 고해상도 XPS 스펙트럼을 나타낸다. Ti 2p는 원래의 이산화티탄(P25)에 대해 457.88 내지 463.49Ev로 측정되었다. 원래의 이산화티탄의 457.88eV로부터 SM-5-이산화티탄에서 458.48eV로 Ti 2p3 피크가 이동하였고, 결합 에너지 뿐만 아니라 Ti 2p1에서의 함량도 유사한 경향을 나타낸다. 이는 SM-5-이산화티탄의 표면 상의 Ti3+의 형성에 의해 이산화티탄이 부분적으로 환원되기 때문으로 추정된다.To investigate the chemical state and electronic structure of Ti 4+ of the original titanium dioxide (P25) and SM-5-titanium dioxide, the Ti 2p region of the narrow scan XPS spectrum was measured. 10 shows a high-resolution XPS spectrum of the Ti 2p region of each sample. Ti 2p was measured to be 457.88 to 463.49 Ev for the original titanium dioxide (P25). The Ti 2p 3 peak shifted from 457.88 eV of the original titanium dioxide to 458.48 eV in SM-5-titanium dioxide, and the content in Ti 2p 1 as well as binding energy showed a similar trend. This is presumed to be because titanium dioxide is partially reduced by the formation of Ti 3+ on the surface of SM-5-titanium dioxide.
본 발명은, 전기 방사된 섬유의 -COOH 기와 광촉매 나노 입자 사이의 자기 조립을 통한 광촉매 고정 멤브레인을 제공할 수 있다. 광촉매의 그래프팅 조건은 PSMA의 함량에 의해 결정된다. 광촉매는 PSMA/PVDF 전기방사 섬유의 표면에서 화학적으로 반응하고, PSMA의 함량이 늘어날수록, 그 양이 증가한다. 고정된 광촉매 멤브레인의 광촉매 활성 특성은 메틸렌블루의 분해가 광촉매의 양에 의존하는 것에 의해 확인됐다.The present invention can provide a photocatalyst fixed membrane through self-assembly between -COOH groups of electrospun fibers and photocatalytic nanoparticles. The grafting conditions of the photocatalyst are determined by the content of PSMA. The photocatalyst chemically reacts on the surface of the PSMA/PVDF electrospun fiber, and as the content of PSMA increases, the amount increases. The photocatalytic activity properties of the immobilized photocatalytic membrane were confirmed by the dependence of the amount of photocatalyst on the decomposition of methylene blue.
Claims (5)
상기 나노 섬유가 부착된 지지체를 광촉매 현탁액에 침지시킴으로써, 광촉매를 나노 섬유 상에 자기-조립시키는 단계;를 포함하는 광촉매 필터의 제조 방법.Electrospinning a solution containing nanofibers on a support to prepare a nonwoven fabric to which nanofibers are attached; and
Self-assembly of the photocatalyst on the nanofibers by immersing the support to which the nanofibers are attached in a photocatalyst suspension;
상기 광촉매는 TiO2, ZnO, Bi2O3, BaTiO3, Fe2O3, V2O5, SnO2, WO3, Ga2O3, CuS, ZnS, CdS, CdSe, g-C3N4를 포함하는 군으로부터 선택된 어느 1종인 광촉매 필터의 제조 방법.The method of claim 1,
The photocatalyst is TiO 2 , ZnO, Bi 2 O 3 , BaTiO 3 , Fe 2 O 3 , V 2 O 5 , SnO 2 , WO 3 , Ga 2 O 3 , CuS, ZnS, CdS, CdSe, gC 3 N 4 A method of manufacturing any one type of photocatalytic filter selected from the group comprising:
상기 지지체는 부직포인 광촉매 필터의 제조 방법.3. The method of claim 2,
The method for manufacturing a photocatalytic filter wherein the support is a non-woven fabric.
상기 나노 섬유는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리이써술폰(PES), 폴리술폰(PS), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 셀레로즈아세테이트(CA) 및 폴리(스티렌-코-말레이미드), 폴리(스티렌-아크릴로니트릴), 폴리(스티렌-코-메틸메타아크릴레이트), 폴리(스티렌-알트-말레 무수물)(PSMA)를 포함하는 군으로부터 선택된 어느 1종 이상을 포함하는 광촉매 필터의 제조 방법.4. The method of claim 3,
The nanofibers are polyvinylidene fluoride (PVDF), polyisosulfone (PES), polysulfone (PS), polyacrylonitrile (PAN), celerose acetate (CA) and poly(styrene-co-maleimide) , poly(styrene-acrylonitrile), poly(styrene-co-methylmethacrylate), poly(styrene-alt-maleic anhydride) (PSMA) of a photocatalytic filter comprising at least one selected from the group consisting of manufacturing method.
상기 PVDF 대 PSMA의 중량비는 9:1~5:5인 광촉매 필터의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
The method of manufacturing a photocatalytic filter wherein the weight ratio of PVDF to PSMA is 9:1 to 5:5.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
E902 | Notification of reason for refusal | ||
AMND | Amendment | ||
E601 | Decision to refuse application | ||
AMND | Amendment | ||
X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
GRNT | Written decision to grant |