KR20220056406A - 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 표면에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키는 방법 - Google Patents

콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 표면에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이산화티타늄 나노입자를 화학적 결합을 통해 콘크리트 표면에 안정적으로 고정화시킴과 함께 이산화티타늄 고정화 공정을 간략화할 수 있는 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 표면에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키는 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물을 이용한 콘크리트 표면에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키는 방법은 물, 이산화티타늄 나노입자 및 Na2HPO4를 포함하여 구성되는 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물(이하, 이산화티타늄 분산액이라 함)을 준비하는 단계; 및 이산화티타늄 분산액을 콘크리트 표면에 분사하는 단계;를 포함하여 이루어지며, 이산화티타늄 분산액 내에서 이산화티타늄 나노입자 표면에 Na2HPO4로부터 해리된 인산기(HPO4 -)가 흡착되며, 인산기(HPO4 -)와 콘크리트를 구성하는 칼슘실리케이트수화물(CSH)의 칼슘이온(Ca2+)이 화학적 결합을 이루어, 이산화티타늄 나노입자가 콘크리트 표면에 고정화되는 것을 특징으로 한다.

Description

콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 표면에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키는 방법{Aqueous dispersions of TiO2 for Cementitious Photocatalytic Surfaces and Method for TiO2 immobilized Cementitious Surfaces using The Same}
본 발명은 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 표면에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이산화티타늄 나노입자를 화학적 결합을 통해 콘크리트 표면에 안정적으로 고정화시킴과 함께 이산화티타늄 고정화 공정을 간략화할 수 있는 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 표면에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키는 방법에 관한 것이다.
자외선 조사 하에 초과산화물(O2·-), 수산화래디컬(·OH) 등의 다양한 활성산소를 발생시키는 이산화티타늄(TiO2)의 광촉매 특성은 수처리 기술에 널리 이용되고 있다. 이산화티타늄의 광촉매 반응에 의해 생성되는 활성산소를 통해 수계에 존재하는 악취물질, 바이러스, 박테리아 등의 미생물 및 휘발성유기화합물(VOCs)을 효과적으로 제거할 수 있다.
최근에는 이산화티타늄의 광촉매 특성을 실내공기 정화에 응용하기도 한다. 실내공기 중에 존재하는 휘발성유기화합물, 질소산화물, 다양한 미생물 등을 이산화티타늄의 광촉매 특성을 이용하여 효과적으로 분해할 수 있기 때문이다.
건축물의 실내에 이산화티타늄을 적용하는 방법으로는 건축물의 콘크리트 표면에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키는 방법을 고려할 수 있다. 일 예로, 콘크리트 배합물에 시멘트와 함께 이산화티타늄 나노입자, 아크릴폴리머와 같은 유기바인더를 혼합하여 콘크리트를 타설함으로써 콘크리트에 포함된 이산화티타늄 나노입자로부터의 광촉매 특성을 유도하는 기술이 제시된 바 있다. 또 다른 방법으로, 티타늄 전구체를 에탄올, 물, 염산과 혼합한 후 이를 콘크리트 표면에 코팅한 다음, 450℃의 온도에서 탄화시키는 방법도 제시된 바 있다. 간단한 방법으로, 이산화티타늄 나노입자를 콘크리트 표면 상에 분사하는 기술도 제안된 바 있다.
이산화티타늄(TiO2)과 콘크리트는 모두 무기물임에 따라 이산화티타늄의 광촉매 특성이 안정적으로 지속적으로 발현되기 위해서는 이산화티타늄의 고정화가 관건이다. 또한, 실내공기 정화를 목적으로 하기 때문에 이산화티타늄 고정화로 인한 유해물질 발생은 최소화되어야 한다. 이와 함께, 이산화티타늄 고정화로 인해 이산화티타늄의 광촉매 특성이 저하되어서는 안 된다.
상술한 종래 기술의 경우, 유기바인더를 사용에 따라 탄소 배출이 증가되고 이산화티타늄의 광촉매 특성이 저하되는 단점이 있다. 또한, 염산 등의 강산이 적용됨으로 인한 인체 유해성이 유발되며, 이산화티타늄 나노입자를 직접 분사하는 기술의 경우 이산화티타늄 나노입자의 고정화 특성이 우수하지 못하다.
La Russa, Mauro F., Silvestro A. Ruffolo, Natalia Rovella, Cristina M. Belfiore, Anna M. Palermo, Maria T. Guzzi, and Gino M. Crisci. "Multifunctional TiO2 coatings for cultural heritage." Progress in Organic Coatings 74, no. 1 (2012): 186-191. Hamidi, Fatemeh, and Farhad Aslani. "Tio2-based photocatalytic cementitious composites: Materials, properties, influential parameters, and assessment techniques." Nanomaterials 9, no. 10 (2019): 1444. Hussein, Ayat, Riyad H. Al Anbari, and Maan S. Hassan. "Nitric Oxide Reduction by Applying Various Coating Methods of TiO2 on Cementitious Materials." MS&E 737, no. 1 (2020): 012188. Hassan, Marwa M., Heather Dylla, Louay N. Mohammad, and Tyson Rupnow. "Methods for the application of titanium dioxide coatings to concrete pavement." International Journal of Pavement Research and Technology 5, no. 1 (2012): 12. Koli, Valmiki B., Shielah Mavengere, and Jung-Sik Kim. "Photocatalytic properties of TiO2-SiO2-coated concrete on toluene gas." Materials Research Express 5, no. 12 (2018): 125006.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 이산화티타늄 나노입자를 화학적 결합을 통해 콘크리트 표면에 안정적으로 고정화시킴과 함께 이산화티타늄 고정화 공정을 간략화할 수 있는 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 표면에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물은 물, 이산화티타늄 나노입자 및 Na2HPO4를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이산화티타늄 나노입자의 분산 특성을 고려하여, Na2HPO4는 전체 이산화티타늄 나노입자 중량 대비 12.5∼100wt%로 포함될 수 있다. 보다 바람직하게는, Na2HPO4는 전체 이산화티타늄 나노입자 중량 대비 12.5∼25wt%로 포함될 수 있다.
이산화티타늄 나노입자의 광촉매 특성을 고려하여, Na2HPO4는 전체 이산화티타늄 나노입자 중량 대비 175wt% 이하로 포함될 수 있다. 보다 바람직하게는, Na2HPO4는 전체 이산화티타늄 나노입자 중량 대비 25∼75wt%로 포함될 수 있다.
이산화티타늄 나노입자는 물 중량 대비 2∼8wt% 비율로 혼합될 수 있다.
본 발명에 따른 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물을 이용한 콘크리트 표면에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키는 방법은 물, 이산화티타늄 나노입자 및 Na2HPO4를 포함하여 구성되는 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물(이하, 이산화티타늄 분산액이라 함)을 준비하는 단계; 및 이산화티타늄 분산액을 콘크리트 표면에 분사하는 단계;를 포함하여 이루어지며, 이산화티타늄 분산액 내에서 이산화티타늄 나노입자 표면에 Na2HPO4로부터 해리된 인산기(HPO4 -)가 흡착되며, 인산기(HPO4 -)와 콘크리트를 구성하는 칼슘실리케이트수화물(CSH)의 칼슘이온(Ca2+)이 화학적 결합을 이루어, 이산화티타늄 나노입자가 콘크리트 표면에 고정화되는 것을 특징으로 한다.
이산화티타늄 분산액을 콘크리트 표면에 분사하는 단계; 이후에, 이산화티타늄 분산액이 도포된 콘크리트 표면을 열처리하여 이산화티타늄 분산액의 용매를 증발시키는 건조단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 건조단계의 열처리 온도는 100∼500℃이다.
본 발명에 따른 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 표면에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키는 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
유기바인더의 사용 없이 이산화티타늄 나노입자를 콘크리트 표면에 안정적으로 고정화시킬 수 있다. 또한, 바인더 성분으로 인한 광촉매 특성의 저하 현상을 최소화할 수 있으며, 유해물질 발생을 차단할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따라 이산화티타늄 나노입자가 콘크리트 표면에 고정화되는 기작을 설명하기 위한 참고도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물을 이용한 콘크리트 표면에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키는 방법을 설명하기 위한 순서도.
도 3은 실험예 1에 따라 제조된 이산화티타늄 분산액의 사진.
도 4a는 실험예 2에 따라 이산화티타늄 나노입자가 고정화된 콘크리트의 사진.
도 4b는 실험예 2에 따라 콘크리트 표면에 고정화된 이산화티타늄 나노입자의 광촉매 특성을 나타낸 실험결과.
도 5a는 실험예 3에 따라 이산화티타늄 나노입자가 고정화된 콘크리트의 사진.
도 5b는 실험예 3에 따라 콘크리트 표면에 고정화된 이산화티타늄 나노입자의 광촉매 특성을 나타낸 실험결과.
도 6은 실험예 3에 따라 콘크리트 표면에 고정화된 이산화티타늄 나노입자의 XPS 분석결과.
도 7은 실험예 3에 따라 콘크리트 표면에 고정화된 이산화티타늄 나노입자의 XRD 분석결과.
도 8은 실험예 3에 따라 이산화티타늄 나노입자가 고정화된 콘크리트의 SEM 사진.
본 발명은 콘크리트 표면에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키는 기술에 관한 것이며, 이산화티타늄 나노입자와 바인더(DSP)를 포함하는 이산화티타늄 분산액 조성물을 제시함과 함께 이산화티타늄 분산액 조성물을 이용하여 콘크리트 표면에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키는 방법을 제시한다.
앞서 '발명의 배경이 되는 기술'에서 언급한 바와 같이, 유기바인더 등을 이용하여 이산화티타늄 나노입자를 콘크리트 표면에 고정화시킬 수 있으나 유기바인더에 기인한 유해물질 발생, 유기바인더에 의한 광촉매 특성 저하 등의 문제가 있다.
본 발명에 따른 이산화티타늄 분산액 조성물에서 바인더로 DSP(disodium hydrogen phosphate, Na2HPO4)가 이용된다. Na2HPO4는 이산화티타늄 나노입자와 콘크리트를 구성하는 칼슘실리케이트수화물(CSH) 간의 화학적 결합을 유도함과 함께 이산화티타늄 나노입자의 균일한 분산을 유도하는 역할을 한다.
Na2HPO4에 의해 이산화티타늄 나노입자와 칼슘실리케이트수화물(CSH)이 화학적 결합을 이룸에 따라 이산화티타늄 나노입자의 고정화 특성이 향상되며, 유기바인더가 아닌 Na2HPO4를 적용함에 따라 이산화티타늄의 광촉매 특성이 저하되는 것을 최소화할 수 있으며 유해물질 발생을 차단할 수 있다.
또한, Na2HPO4는 이산화티타늄 분산액 내에서 이산화티타늄 나노입자의 균일한 분산을 유도함에 따라, 이산화티타늄 분산액의 콘크리트 표면 도포시 일정한 밀도로 이산화티타늄 나노입자를 고정화시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 표면에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키는 방법을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물은 물, 이산화티타늄 나노입자 및 Na2HPO4를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이산화티타늄 분산액 조성물은 콘크리트 표면에 도포되며, 이산화티타늄 분산액 조성물에 포함된 이산화티타늄 나노입자는 콘크리트 표면에 고정화된다. 이산화티타늄 나노입자가 콘크리트 표면에 고정화되는 과정에서 Na2HPO4는 이산화티타늄 나노입자와 콘크리트를 구성하는 칼슘실리케이트수화물(CSH) 간의 화학적 결합을 유도하는 역할을 한다.
이산화티타늄 나노입자가 콘크리트 표면에 고정화되는 기작을 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 이산화티타늄 분산액 내에서 이산화티타늄 나노입자와 Na2HPO4가 혼합되면, Na2HPO4에서 해리된 인산기(HPO4 -)가 이산화티타늄 나노입자의 표면에 흡착된다. 이러한 상태의 이산화티타늄 분산액을 도포하면, 이산화티타늄 나노입자 표면의 인산기(HPO4 -)는 콘크리트를 구성하는 칼슘실리케이트수화물(CSH)의 칼슘이온(Ca2+)과 화학적 결합을 이루게 된다.
이산화티타늄 나노입자 표면의 인산기(HPO4 -)가 콘크리트의 칼슘이온(Ca2+)과 화학적 결합을 이룸에 따라, 이산화티타늄 나노입자는 콘크리트 표면에 안정적으로 고정화된다.
또한, Na2HPO4는 이산화티타늄 나노입자와 콘크리트 간의 화학적 결합을 유도하는 역할 이외에 이산화티타늄 분산액 내에서 이산화티타늄 나노입자의 균일한 분산을 유도하는 역할을 한다. 이산화티타늄 분산액 내에서의 이산화티타늄 나노입자의 균일한 분산은 콘크리트 표면에 이산화티타늄 나노입자를 일정한 밀도로 균일하게 도포하는 측면 그리고 이산화티타늄 분산액의 시공 측면에서 중요하다.
한편, 이산화티타늄 분산액 조성물에서 Na2HPO4의 함량비는 이산화티타늄 나노입자의 분산 특성, 이산화티타늄 나노입자의 광촉매 특성에 밀접한 영향을 미치며, 이에 따라 최적 조성의 Na2HPO4가 첨가될 필요가 있다.
이산화티타늄 나노입자의 분산 특성을 고려하면, Na2HPO4는 전체 이산화티타늄 나노입자 중량 대비 12.5∼100wt%로 포함되는 것이 바람직하다. Na2HPO4의 함량이 12.5wt%보다 작으면 이산화티타늄 나노입자가 이산화티타늄 분산액 내에서 뭉쳐지는 현상이 발생되며, Na2HPO4의 함량이 100wt%보다 크면 이산화티타늄 나노입자가 침전되는 문제가 발생된다. 본 발명에 따른 이산화티타늄 분산액은 일 실시예로 분사 방식으로 콘크리트 표면에 도포될 수 있는데, 이산화티타늄 나노입자가 침전되면 도포효율이 저하된다. 한편 바람직하게는, Na2HPO4는 전체 이산화티타늄 나노입자 중량 대비 12.5∼25wt%로 포함될 필요가 있으며, 이 경우에 이산화티타늄 나노입자의 침전이 발생되지 않음과 함께 이산화티타늄 나노입자의 뭉침 현상이 최소화된다.
이산화티타늄 나노입자의 광촉매 특성을 고려할 때, Na2HPO4는 전체 이산화티타늄 나노입자 중량 대비 175wt% 이하로 포함되는 것이 바람직하다. Na2HPO4의 함량이 175wt%보다 크면 광촉매 특성이 저하된다. 또한, Na2HPO4의 함량비는 175wt%에서 낮아질수록 이산화티타늄의 광촉매 특성이 향상된다. 구체적으로, Na2HPO4의 함량비가 150wt% 이하이면, 유해물질 제거시간에 차이가 있지만 동등한 수준의 유해물질 제거특성을 나타낸다. 보다 바람직하게는 Na2HPO4는 전체 이산화티타늄 나노입자 중량 대비 25∼75wt%로 포함될 필요가 있으며, 이 경우 빠른 시간 내에 유해물질을 효과적으로 제거할 수 있다.
한편, 이산화티타늄 분산액 조성물은 물, 이산화티타늄 나노입자 및 Na2HPO4로 이루어지며, 이산화티타늄 나노입자와 Na2HPO4 간의 조성비를 한정하였는데, 물과 이산화티타늄 나노입자 간의 조성비 또한 한정할 수 있다. 물과 이산화티타늄 나노입자 간의 조성비를 한정하는 이유는 이산화티타늄 분산액의 분사특성 및 건조특성을 고려하기 위함이다. 이를 위해, 이산화티타늄 나노입자는 물 중량 대비 2∼8wt% 비율로 혼합되는 것이 바람직하며, 최적 조건으로는 물 중량 대비 3.5∼4.5wt%의 비율로 혼합될 필요가 있다. 이산화티타늄 나노입자의 함량이 2wt%보다 작으면 이산화티타늄 분산액의 건조가 지연되며, 이산화티타늄 나노입자의 함량이 8wt%보다 크면 스프레이 분사 중 분사노즐이 막힐 수 있다.
상술한 바와 같은 이산화티타늄 나노입자의 분산 특성을 고려한 Na2HPO4의 최적 함량비 그리고 이산화티타늄 나노입자의 광촉매 특성을 고려한 Na2HPO4의 최적 함량비는 후술하는 실험예에 의해 뒷받침된다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물에 대해 설명하였다. 다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물을 이용한 콘크리트 표면에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키는 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물(이하, 이산화티타늄 분산액이라 함)을 준비한다(S201). 이산화티타늄 분산액은 상술한 바와 같이 물, 이산화티타늄 나노입자 및 Na2HPO4를 포함하여 이루어진다.
이산화티타늄 나노입자의 분산 특성을 고려하는 경우 Na2HPO4는 전체 이산화티타늄 나노입자 중량 대비 12.5∼100wt%로 포함될 수 있으며, 이산화티타늄 나노입자의 광촉매 특성을 고려하는 경우 Na2HPO4는 전체 이산화티타늄 나노입자 중량 대비 175wt% 이하로 포함될 수 있다.
이산화티타늄 분산액 내에서, Na2HPO4에서 해리된 인산기(HPO4 -)는 이산화티타늄 나노입자의 표면에 흡착된다.
상술한 바와 같은 이산화티타늄 분산액이 준비된 상태에서, 이산화티타늄 분산액을 콘크리트 표면에 도포한다(S202). 이산화티타늄 분산액의 도포는 다양한 방법을 사용할 수 있으며, 일 실시예로 분사 방식을 이용할 수 있다.
콘크리트 표면에 이산화티타늄 분산액이 도포되면, 이산화티타늄 나노입자 표면의 인산기(HPO4 -)는 콘크리트를 구성하는 칼슘실리케이트수화물(CSH)의 칼슘이온(Ca2+)과 화학적 결합을 이루게 된다. 이산화티타늄 나노입자 표면의 인산기(HPO4 -)가 콘크리트의 칼슘이온(Ca2+)과 화학적 결합을 이룸에 따라, 이산화티타늄 나노입자는 콘크리트 표면에 안정적으로 고정화된다.
상기의 이산화티타늄 분산액 준비, 이산화티타늄 분산액의 콘크리트 표면으로의 도포를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물을 이용한 콘크리트 표면에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키는 방법은 실질적으로 완료된다.
톨루엔과 같은 소수성 유해물질의 효과적인 제거를 위해서는, 이산화티타늄 분산액의 도포 후에 이산화티타늄 분산액의 용매인 물을 건조시키는 건조단계가 추가될 수 있다(S203).
구체적으로, 이산화티타늄 분산액이 도포된 콘크리트 표면을 100∼500℃의 온도에서 건조시켜 콘크리트의 표면 및 기공에 존재하는 이산화티타늄의 물 성분을 제거할 수 있으며, 이를 통해 톨루엔과 같은 소수성 유해물질을 효과적으로 제거할 수 있다. 이산화티타늄 나노입자가 물이 존재하는 친수성 환경에 구비되는 경우, 톨루엔과 같은 소수성 유해물질을 광촉매 작용을 통해 제거하는데 효율이 떨어진다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 표면에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키는 방법에 대해 설명하였다. 이하에서는, 실험예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
<실험예 1 : DSP/TiO2 중량비에 따른 이산화티타늄 분산액의 분산 특성>
5ml 물에 0.2g TiO2와 DSP(Na2HPO4)를 혼합하여 이산화티타늄 분산액을 제조함에 있어서, TiO2 대비 DSP의 중량비를 0wt%, 6.25wt%, 25wt%, 50wt%, 75wt%, 100wt%, 125wt%, 150wt%, 175wt%로 달리하여 이산화티타늄 분산액을 제조하였다.
제조된 각각의 이산화티타늄 분산액은 도 3에 도시한 바와 같으며, DSP가 혼합되지 않은 경우(0wt%) 이산화티타늄 나노입자가 고밀도로 뭉쳐지는 현상이 발생되고, 반면 DSP의 중량비가 100wt%를 넘게 되면 이산화티타늄 나노입자가 빠르게 침전되는 현상이 나타났다. DSP의 중량비가 12.5∼25wt% 범위인 경우 뭉침 현상이 배제됨과 함께 이산화티타늄이 고르게 분산되는 특성을 나타냈다.
<실험예 2 : DSP/TiO2 중량비에 따른 이산화티타늄의 광촉매 특성>
10ml 물에 0.4g TiO2와 DSP(Na2HPO4)를 혼합하여 이산화티타늄 분산액을 제조함에 있어서, TiO2 대비 DSP의 중량비를 25wt%, 50wt%, 75wt%, 100wt%, 125wt%, 150wt%, 175wt%로 달리하여 이산화티타늄 분산액을 제조하였다.
이어, 제조된 각각의 이산화티타늄 분산액을 콘크리트 표면에 도포한 후(도 4a 참조) 석영용기에 넣고 밀폐한 후, 톨루엔 기체를 주입하여 자외선 조사 환경 하에서 톨루엔 제거특성을 살펴보았다.
도 4b을 참조하면, DSP의 중량비가 150wt%인 경우 60분이 경과되는 시점에서 톨루엔이 모두 제거되었고, DSP의 중량비가 25wt%인 경우 약 23분이 경과되는 시점에 톨루엔이 모두 제거됨을 확인하였다. 또한, DSP의 중량비가 175wt%인 경우 60분이 경과되는 시점에 톨루엔은 약 60%만이 제거되었다.
상기의 결과에서, DSP의 중량비가 150wt% 이하에서 DSP의 중량비가 낮아질수록 이산화티타늄 나노입자의 광촉매 특성이 향상됨을 확인할 수 있다. 특히, DSP의 중량비가 25wt%인 경우, 이산화티타늄 나노입자 자체의 광촉매 특성에 근접하는 것으로 나타났다.
<실험예 3 : 건조온도에 따른 이산화티타늄의 광촉매 특성>
10ml 물에 0.4g TiO2와 0.2g DSP(Na2HPO4)를 혼합하여 이산화티타늄 분산액을 제조하고, 제조된 이산화티타늄 분산액을 콘크리트 표면에 도포한 다음, 100℃, 300℃, 500℃의 온도로 각각 건조하였다(도 5a 참조). 이어, 자외선 조사 환경 하에서 톨루엔 기체의 제거특성을 살펴보았다.
도 5b를 참조하면, 건조온도가 높을수록 이산화티타늄 나노입자의 광촉매 특성이 향상됨을 확인할 수 있다. 건조온도 100℃인 경우 40분이 경과되는 시점에서 톨루엔이 모두 제거되는 반면, 건조온도 500℃인 경우 10분이 경과되는 시점에 톨루엔이 모두 제거되는 것으로 나타났다.
건조온도가 높은 경우 이산화티타늄 분산액의 용매인 물이 콘크리트 표면 및 기공으로부터 빠르게 증발되고, 이에 따라 소수성을 띠는 톨루엔이 광촉매 작용에 의해 효과적으로 제거되는 것으로 나타났다.
한편, 실험예 3에 따라 콘크리트 표면에 결합된 이산화티타늄 나노입자를 XPS 및 XRD 분석을 실시한 결과(도 6 및 도 7 참조), DSP를 매개로 콘크리트의 칼슘실리케이트 수화물(CSH)와 TiO2가 화학적 결합상태를 이루고 있음을 확인하였다(도 1 및 도 2 참조). 추가적으로 SEM 분석을 통해 100배, 10,000배 100,000배 확대하여 관찰한 결과 (도 8 참조), 콘크리트 표면에 TiO2 나노 입자들이 골고루 분산되어 부착되어 있음을 확인하였다.

Claims (14)

  1. 물, 이산화티타늄 나노입자 및 Na2HPO4를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서, 이산화티타늄 나노입자의 분산 특성을 고려하여, Na2HPO4는 전체 이산화티타늄 나노입자 중량 대비 12.5∼100wt%로 포함되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서, 이산화티타늄 나노입자의 광촉매 특성을 고려하여, Na2HPO4는 전체 이산화티타늄 나노입자 중량 대비 175wt% 이하로 포함되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물.
  4. 제 2 항에 있어서, Na2HPO4는 전체 이산화티타늄 나노입자 중량 대비 12.5∼25wt%로 포함되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물.
  5. 제 3 항에 있어서, Na2HPO4는 전체 이산화티타늄 나노입자 중량 대비 25∼75wt%로 포함되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물.
  6. 제 1 항에 있어서, 이산화티타늄 나노입자는 물 중량 대비 2∼8wt% 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물.
  7. 물, 이산화티타늄 나노입자 및 Na2HPO4를 포함하여 구성되는 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물(이하, 이산화티타늄 분산액이라 함)을 준비하는 단계; 및
    이산화티타늄 분산액을 콘크리트 표면에 분사하는 단계;를 포함하여 이루어지며,
    이산화티타늄 분산액 내에서 이산화티타늄 나노입자 표면에 Na2HPO4로부터 해리된 인산기(HPO4 -)가 흡착되며,
    인산기(HPO4 -)와 콘크리트를 구성하는 칼슘실리케이트수화물(CSH)의 칼슘이온(Ca2+)이 화학적 결합을 이루어, 이산화티타늄 나노입자가 콘크리트 표면에 고정화되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물을 이용한 콘크리트 표면에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 이산화티타늄 분산액을 콘크리트 표면에 분사하는 단계; 이후에,
    이산화티타늄 분산액이 도포된 콘크리트 표면을 열처리하여 이산화티타늄 분산액의 용매를 증발시키는 건조단계;를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물을 이용한 콘크리트 표면에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 건조단계의 열처리 온도는 100∼500℃인 것을 특징으로 하는 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물을 이용한 콘크리트 표면에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키는 방법.
  10. 제 7 항에 있어서, 이산화티타늄 나노입자의 분산 특성을 고려하여, 이산화티타늄 분산액 내에서 Na2HPO4는 전체 이산화티타늄 나노입자 중량 대비 12.5∼100wt%로 포함되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물을 이용한 콘크리트 표면에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키는 방법.
  11. 제 7 항에 있어서, 이산화티타늄 나노입자의 광촉매 특성을 고려하여, 이산화티타늄 분산액 내에서 Na2HPO4는 전체 이산화티타늄 나노입자 중량 대비 175wt% 이하로 포함되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물을 이용한 콘크리트 표면에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키는 방법.
  12. 제 10 항에 있어서, Na2HPO4는 전체 이산화티타늄 나노입자 중량 대비 12.5∼25wt%로 포함되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물을 이용한 콘크리트 표면에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키는 방법.
  13. 제 11 항에 있어서, Na2HPO4는 전체 이산화티타늄 나노입자 중량 대비 25∼75wt%로 포함되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물을 이용한 콘크리트 표면에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키는 방법.
  14. 제 11 항에 있어서, 이산화티타늄 나노입자는 물 중량 대비 2∼8wt% 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 결합용 이산화티타늄 분산액 조성물을 이용한 콘크리트 표면에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키는 방법.
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