KR20220115593A - 광촉매 장치를 제조하기 위한 방법, 광촉매 장치, 광촉매 조성물 및 기체 오염 제거 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다음의 단계를 갖는 촉매 장치를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다: a) 광촉매 활성을 갖는 제1 촉매, 제1 촉매와 상이한 분자인 제2 촉매, 및 흡착제를 각각 분말 상태로 제공하는 단계, b) 촉매 조성물을 형성하기 위해 제1 촉매, 제2 촉매 및 흡착제를 섞는(mingling) 단계 및 슬러리를 형성하기 위해 촉매 조성물을 현탁액에 현탁하는 단계, 및 c) 슬러리를 기체가 캐리어를 통해 유동하도록 배열(configure)된 복수의 관통 홀(through hole)을 갖는 고체 격자-형 캐리어 상에 반복적으로 코팅하는 단계, 및 현탁액을 증발시키는 단계.

Description

광촉매 장치를 제조하기 위한 방법, 광촉매 장치, 광촉매 조성물 및 기체 오염 제거 장치
본 발명은 촉매 장치를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명의 또 다른 관점은 이러한 방법을 통해 얻을 수 있는 촉매 장치에 관한 것이다. 또 다른 관점에 따르면, 본 발명은 촉매 조성물에 관한 것이다. 또 다른 관점에 따르면, 본 발명은 이러한 촉매 장치 및/또는 촉매 조성물을 포함하는 기체 오염 제거 장치에 관한 것이다.
기체의 오염 제거는 널리 사용되며 필요하다. 기체, 특히 공기 내의 오염 물질은 다양한 유형일 수 있다. 이들은 입자, 기체 또는 휘발성 화학 오염 물질 및 생물학적 오염 물질로 나뉠 수 있다. 생물학적 오염 물질은 박테리아, 포자 또는 진드기를 포함하는 균류 및 바이러스, 파지 등과 같은 미생물이다.
기체 또는 휘발성 물질은 예를 들어 소위 휘발성 유기 화합물(VOC)이다. VOC는 일반적으로 적어도 하나의 탄소 원자 및 수소, 할로겐, 산소, 황, 인 및/또는 규소 중 일 이상의 원자를 함유하고 20 ℃의 온도에서 적어도 0.01 kPa의 증기압 또는 특정 환경에서 특정 휘발성을 갖는 화합물로 정의된다. 탄소 산화물 및 무기 탄산염 또는 중탄산염은 일반적으로 VOC로 간주되지 않는다. VOC는 따라서 쉽게 증발하거나 승화하는 공통점을 갖는 광범위한 다양한 물질을 나타낸다. 휘발성 또는 기체 오염 물질의 예는 포름알데히드, 일산화탄소, 질소 산화물, 오존 또는 라돈과 같은 방사성 물질이다.
기체, 특히 공기를 처리하고 오염을 제거하는 한 가지 방법은 HEPA 필터 등과 같은 기계적 필터를 사용하는 것이다. 이들은 미립자 오염 물질 및 일부 생물학적 오염 물질을 필터링한다. 따라서, 이들은 특정 시간 후에 세척되거나 교체되어야 한다는 단점이 있다. 또한, 이러한 필터는 대부분의 바이러스의 크기인 약 0.1 내지 1 미크론의 크기를 갖는 입자에 대해서는 덜 효율적이다. 또한, 필터의 미생물 오염은 박테리아 등으로부터 유해하거나 독성이 있는 물질의 생성 및 분비를 초래할 수 있으며, 이는 이후 기체 흐름과 함께 운반된다. 예를 들어, 이러한 독성 물질은 필터 상의 미생물 분해로부터의 일부 그램-음성(gram-negative) 박테리아 세포벽 또는 VOC의 용해 후 형성되는 내독소(endotoxin)일 수 있다. Staphylococcus epidermidis, E. coli 또는 Brevundimonas diminuta와 같은 취약한 미생물은 이러한 필터에서 2 내지 6일 동안 생존할 수 있다. Bacillus atrophaeus, MS-2 Coliphage, 및 Aspergillus brasilensis와 같은 강한 생물학적 오염 물질은 6일 초과로 생존한다. Bacillus atrophaeus는 210일 초과 동안 생존할 수 있다. 따라서 이러한 필터의 사용은 세척될 가스의 추가적인 오염을 초래할 수 있다. 또한, 생물학적 오염 물질은 필터의 포화를 초래할 수 있고, 이는 증가된 흐름 저항을 초래한다. 또한, 여과되고 이후에 필터 표면에 추가로 대량 서식하는(colonizing) 생물학적 오염 물질에 의한 필터의 포화는 기체 오염 제거 장치의 성능의 전반적인 감소를 초래할 수 있다. 일반적으로 발생할 수 있는 문제는 냄새, 기류의 감소, 압력 강하의 증가 및 필터 및 기체 오염 제거 장치의 내부 표면 상의 바이오필름의 형성이다. 그럼에도 불구하고 이러한 필터는 미립자 오염 물질을 제거하는데 유용할 수 있다.
예를 들어, 플라즈마, 이온화, 오존화, 또는 촉매의 사용과 같은 공기 오염 제거 또는 정화를 위한 몇몇 추가의 솔루션이 제안된다.
이온화 기술에서, 높은 에너지는 예를 들어, 고전압 또는 특정 램프로 산소 이온을 형성하는데 사용된다. 이는 먼저와 같은 미립자 오염 물질의 표면 상에 축적되어 보다 클 클러스터의 형성을 촉진하며, 이는 이후에 여과되거나 바닥으로 내려갈 수 있다.
따라서, 오염 물질은 제거되거나 분해되지 않으나 예를 들어 부닥에 클러스터로 남아있을 수 있고 이후 여전히 공기 중에 떠있을 수 있다. 또한 오존이 생성되어 한편으로는 소독되나 다른 한편으로는 알러지를 야기하거나 주변 사람에게 해로울 수 있다.
오존화 동안 반응성이 높고 강한 산화제인 오존이 형성된다. 이는 미생물 및 화학 오염 물질 모두와 반응한다. 단점은 생성된 모든 오존이 어염 물질과 직접 반응하지 않아 오존이 다시 주변 사람들에게 해로울 수 있다는 것이다.
촉매는 많은 산업 분야에서 사용된다. 촉매는 반응을 촉진할 수 있는 물질, 즉 반응에서 소모되지 않고 화학 반응 속도를 증가시키는 물질이다. 한 가지 특정 분야는 공기, 특히 주변 공기 또는 배기 가스 또는 공정 가스와 같은 기체를 오염 제거하기 위한 촉매의 사용이다. 이들은 병원, 검역소 또는 식당 또는 공공 기관 등과 같은 공공 장소의 주위 공기를 정화하기 위한 공기 컨디셔닝 시스템 또는 공기 정화 시스템에서 사용될 수 있다.
촉진되는 반응에 따라 단일 촉매를 사용하거나 일 초과의 촉매를 조합하는 것이 가능하다.
광촉매 활성을 갖는 촉매는 당 업계에 공지되어 있다. 이들은 종종 광촉매로 지칭되며 일반적으로 반도체이다. 일반적으로 광촉매는 UV 활성화될 수 있다. UV 활성화 가능한 광촉매는 UV 방사선, 즉 약 100 nm 내지 약 400 nm의 파장의 전자기 방사선으로 조사될 때, 활성화되어 반응을 촉진시킬 수 있다. 예를 들어, 촉매의 표면에서 물은 반응성이 높은 OH-라디칼과 반응되며, 이는 이후 오염 물질과 반응한다. 또한, 분자 산소는 소위 ROS(반응성 산소종), 특히 초산화물(superoxide) 음이온과 반응될 수 있다. 반응성 종은 화학적 및 생물학적 오염 물질 모두와 반응하며 예를 들어 바이러스 막의 지질 이중층을 파괴한다.
기체 오염 제거를 위해 광촉매를 사용하는 경우, 일반적으로 UV 방사선 소스가 존재해야 한다. 이러한 방사선 소스는 일반적으로 많은 양의 에너지를 소비하며 30-40%의 에너지 효율만을 갖는다. 따라서, 30-40%의 에너지만이 광촉매를 활성화하는데 사용된다.
예를 들어, 별도의 단계의 촉매, 예를 들어, 서로 공간적으로 이격된 3개의 별개의 단계의 조합을 제공하는 것은 본 기술 분야에 공지되어 있다. 각 단계는 특정 화합물을 함유하며, 예를 들어, 일 단계는 이산화티타늄을 함유하고, 일 단계는 일산화망간을 함유하며, 일 단계는 제올라이트를 함유한다. 이들은 오염 제거될 기체의 흐름 방향으로 차례로 제공된다.
예를 들어, CN 106582265 A 및 CN 105597528 A로부터 기체 오염 제거를 위한 촉매 조성물이 공지된다. 이들은 산화 망간의 전구체, 예를 들어 망간 아세테이트가 로드된 흡착제로 이루어지며, 부분적으로 이산화티타늄의 전구체, 예를 들어, 부틸 티타네이트로 이루어진다. 그 후 전구체를 갖는 흡착제는 300 ℃ 이상의 온도에서 하소되어 산화 망간 및 이산화 티타늄을 형성한다. 높은 하소 온도로 인해, 주로 또는 단독으로 이산화망간이 형성된다.
예를 들어, JPH11-137656으로부터 촉매 조성물이 공지되며, 이는 산화 망간, 이산화티타늄 및 흡착제로 이루어져 있다. 이들은 바인더를 통해 고체 지지체에 결합된다. 바인더는 촉매를 부분적으로 덮고 따라서 감소된 양만이 UV 방사 및 크래킹될 분자를 활성화하여 도달될 수 있다. 또 다른 구체예에 따르면, 구성 성분의 현탁액은 다공성 바디 또는 직물에 함침된다. 그러나 이는 오염 제거될 가스에 대해 높은 흐름 저항을 제공한다. 따라서, 단위 시간 당 많은 양의 가스를 효율적으로 정화할 수 없다. 본 명세서의 구현에서, 제2 촉매 비는 이산화티타늄의 활성을 저하시키지 않기 위해 이산화티타늄의 22%의 양을 초과하지 않을 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 제조가 용이하고 기체의 오염 제거의 높은 효율을 갖는 촉매 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 다음의 단계를 갖는 촉매 장치를 제조학 위한 방법으로 상기 목적을 달성한다: a) 광촉매 활성을 갖는 제1 촉매, 제1 촉매와 상이한 분자인 제2 촉매, 및 흡착제를 갖는 제1 촉매를 각각 분말 상태로 제공하는 단계, b) 촉매 조성물을 형성하기 위해 제1 촉매, 제2 촉매 및 흡착제를 섞는(mingling) 단계 및 슬러리를 형성하기 위해 촉매 조성물을 현탁 액체에 현탁하는 단계, 및 c) 슬러리를 기체가 캐리어(2)를 통해 유동하도록 배열(configure)된 복수의 관통 홀(through hole)(6)을 갖는 고체 격자-형 캐리어(2) 상에 반복적으로 코팅하는 단계, 및 현탁 액체를 증발시키는 단계.
본 발명의 구체예는 첨부된 도면과 관련하여 설명될 것이다.
도 1은 촉매 장치용 캐리어의 일 구체예에 대한 사시도를 도시하고,
도 2는 코팅된 상태의 도 1의 캐리어의 사시도를 도시하여 촉매 장치의 구체예를 형성하며,
도 3은 기체 오염 제거 장치의 구체예의 부분적으로 조립된 오염 제거 유닛의 분해도를 도시하며, 및
도 4는 도 3으로부터의 조립된 오염 제거 유닛의 사시도를 도시한다.
제1 촉매 및 제2 촉매는 상이한 분자이다. 이는 제1 촉매와 제2 촉매가 화학적 조성이 상이하다는 것을 의미한다. 제1 및 제2 촉매는 상이한 입자 크기, 결정 구조, 형상 등과 같은 상이한 특성을 갖는 동일한 화합물일 수 없다. 다시 말해, 상이한 형태, 결정 구조 등의 하나의 화합물을 포함하는 조성물은 본원에서 청구된 바와 같은 두 개의 상이한 촉매를 포함하는 것으로 간주될 수 없다.
광촉매 활성을 갖는 촉매는 예를 들어, 아래에 명시된 바와 같이 특정 조사에 의해 사실상 광-활성화될 수 있는 물질이다. 즉, 광촉매 특성을 갖지만 광-활성화될 수 없는 물질 예를 들어, 매트릭스에 임베드(embed) 되거나 코팅되어 있어, 실제로 광-활성화될 수 없기 때문에 광촉매 활성을 갖는 촉매로 간주되지 않는다. 예를 들어, 이산화 티타늄은 화장품 산업에서 산란제로 사용된다. 이는 일반적으로 광촉매 활성을 억제하기 위해 코팅된다. 이들 입자의 광촉매 활성은 ROS의 생성으로 이어지며, 이는 화장품에 바람직하지 않고 유해하다. 따라서, 이러한 코팅된 이산화티타늄 입자는 광촉매 활성을 갖는 촉매로 간주되지 않으며, 이는 이들이 실제로 광-활성화될 수 없기 때문이다. 이는 또한 방사선이 입자에 도달하여 광-활성화하는 것을 허용하지 않는 매트릭스에 임베드된 이러한 입자를 설명한다. 그럼에도 불구하고, 실제로 광-활성화될 수 있는 물질은 조사되지 않음에도 활성화되더라도 광촉매 활성을 갖는 촉매로 간주된다.
출원인은 놀랍게도 각각 분말 상태의 제1 촉매, 제2 촉매 및 흡착제의 혼합물이-현탁 액체, 예를 들어 탈염수 또는 탈염수 및 에탄올의 용액에 현탁되고, 이후 고체 캐리어에 반복적으로 적용되는 경우, 캐리어에 잘 접착되어 효과적인 촉매 장치를 형성할 수 있다.
조합의 이점은 높은 오염 제거 효율을 갖는 동시에 단순한 필터의 경우와 같이 촉매 장치에서 미생물 성장이 일어나지 않는다는 것이다. 또한 오염 물질 뿐 아니라 바람직하지 않거나 해로울 수 있는 파괴 공정의 부산물을 파괴할 수 있다. 바람직하게는 수 ppb에서 최대 수백 ppm의 오염 물질을 함유하는 기체를 오염 제거할 수 있다.
제1 촉매, 제2 촉매 및 흡착제는 별개의 분말로 제공된다. 한편, 전구체 등은 다른 물질에 함침되지 않기 때문에, 다루기가 보다 쉽다. 다른 한편 몇몇 구체예에서, 예를 들어 개별 구성 성분의 하소 온도는 상이한 두 구성 성분을 동시에 합성하는 것이 불가능할 수 있도록 상이하기 때문에, 이는 화학적으로 필요하다.
제1 촉매, 제2 촉매 및 흡착제를 섞는 단계는 바람직하게는 이들을 현탁액에 현탁시키기 전에 수행된다. 따라서, 먼저 구성 성분의 혼합물이 만들어지고, 이후 이는 슬러리를 형성하기 위해 현탁액에 도입된다. 대안적으로, 비-혼합 상태의 일부 또는 모든 성분을 현탁액에 도입하고 예를 들어 블렌더를 사용하여 현탁액 내의 모든 구성 성분의 혼합을 수행하는 것도 가능하다.
현탁액은 바람직하게는 어떠한 구성 성분도 용해되지 않는 액체 또는 용액이다. 이는 바람직하게는 제1 촉매, 제2 촉매 및 흡착제의 용해도가 각각 현탁액의 1 g/l 미만, 보다 바람직하게는 0.1 g/l 미만인 경우이다.
슬러리는 격자형 캐리어에 반복적으로 적용된다. 이는 일 초과의 층에 적용되고 적어도 2회, 바람직하게는 적어도 5회, 보다 바람직하게는 적어도 10회 적용됨을 의미한다. 바람직하게는 슬러리는 100회 이하, 보다 바람직하게는 50회 이하로 적용된다. 슬러리가 반복적으로 적용되는 것은 바람직하게는 각 반복 또는 통과에서 표면의 적어도 50%, 보다 바람직하게는 표면의 적어도 75%, 가장 바람직하게는 표면의 적어도 90%가, 특히 전체 표면이 슬러리로 코팅될 때마다를 의미한다.
슬러리가 격자형 캐리어에 코팅될 때마다 이는 캐리어의 표면 상의 층 및/또는 아래의 코팅 층을 형성한다. 코팅을 반복적으로 적용함으로써, 효율적인 오염 제거를 위해 충분한 촉매 및 흡착제를 제공하는 코팅을 달성할 수 있다. 또한, 코팅은 바람직하게는 많은 촉매 분자가 반응 및 UV 방사선에 의한 활성화에 이용 가능하도록 너무 조밀하지 않게 된다. 바람직하게는 적어도 95%, 보다 바람직하게는 적어도 99%의 격자형 캐리어의 표면이 코팅된다. 이는 특히 캐리어 내의 관통 홀의 내부 표면을 설명한다. 기체 오염 제거를 위한 사용에서, 기체는 관통 홀을 통해 안내되고 이에 따라 오염 물질이 내부 표면에 코팅된 촉매 및 흡착제와 접촉한다.
바람직하게는, 코팅의 각 적용 후에, 현탁액은 예를 들어 가열에 의해, 또는 바람직하게는 특히 추가적인 가열 없는 기류 하에서 증발된다. 이는 분명히 모세관 결합 현탁액을 포함하며, 이는 정상적인 증발 공정, 예를 들어 100 ℃ 내지 150 ℃에서 증발되지 않는다. 또 다른 구체예에서, 현탁액은 다음 층이 적용되기 전에 완전히가 아닌 부분적으로 증발하며, 예를 들어, 적어도 75%의 현탁액이 증발된다. 또 다른 구체예에서, 현탁액은 새로운 층을 적용하기 전에 증발하지 않거나 25%를 초과하지 않는 현탁액의 일부만이 증발된다. 새로운 층을 적용하기 전에 현탁액이 덜 증발될수록, 절차에 소요되는 시간이 감소된다. 최상의 결과는 일반적으로 새로운 층을 적용하기 전에 가능한 많은 현탁액을 증발시킨 후에 얻어진다.
캐리어는 예를 들어 알루미늄 또는 강철과 같은 금속, 플라스틱 물질 또는 복합 재료로 형성될 수 있다. 이는 예를 들어 격자, 플레이트 또는 확장된 금속으로 형성될 수 있다. 바람직한 구체예에서, 캐리어는 바람직하게는 허니컴(honeycomb) 방식으로 복수의 관통 홀을 형성하는 주름진(corrugated) 및/또는 접힌 시트로부터 성형된다. 평면 물질에 대한 허니컴 패널의 이점은 보다 넓은 코팅될 표면 및 보다 낮은 압력 강하이다. 또한, 세포 내의 방사 조도(irradiance)가 보다 좋다. 캐리어는 이후 종종 단순히 허니컴 또는 허니컴 패널로 지칭된다. 바람직하게는 관통 홀은 6각형 단면을 갖는다.
바람직한 구체예에서, 관통 홀은 캐리어의 부피의 적어도 80%, 보다 바람직하게는 적어도 85%, 가장 바람직하게는 적어도 90%, 특히 캐리어의 부피의 적어도 95%를 차지한다. 이는 사용 중인 캐리어를 통한 충분한 기체 흐름을 보장하는 것을 돕는다. 따라서 캐리어의 지지 구조체는 예를 들어 얇은 금속의 형태, 바람직하게는 알루미늄, 또는 다른 비활성 물질로 얇게 제공된다. 알루미늄은 경량이고 충분히 비활성인 이점을 제공하여, 촉매가 캐리어 자체를 치명적인 방식으로 공격하지 않도록 한다.
관통 홀은 바람직하게는 기체가 캐리어를 통해 흐를 수 있는 길이가 적어도 1 cm, 보다 바람직하게는 적어도 2 cm이다. 바람직하게는 길이는 20 cm을 초과하지 않고, 보다 바람직하게는 10 cm을 초과하지 않는다. 일반적으로 격자형 캐리어의 두께와 동일한 홀의 길이는 오염 제거의 효율에 큰 영향을 미친다. 길이가 너무 짧으면 제공된 촉매적 활성 표면이 낮아 오염 제거가 효율적이지 않다. 길이가 너무 길면 UV 방사선이 홀의 중심 내의 광촉매에 도달하지 않거나 충분히 도달하지 않아 제공된 광촉매의 일부가 활성화되지 않는다. 또한, 긴 관통 홀의 중심 부분을 만족스럽게 코팅하는 것은 어렵다. 따라서 홀의 길이와 직경의 비 또한 중요할 수 있다. 비는 바람직하게는 2 초과이고, 보다 바람직하게는 5 초과이며, 특히 10 초과이고 바람직하게는 50 이하, 보다 바람직하게는 30 이하, 특히 20 이하이다. 관통 홀의 단면이 원형이 아닌 경우, 근사된 외접원 또는 최소 자승법을 통해 근사된 원의 직경이 비의 계산을 위한 직경을 결정하는데 사용될 수 있다. 홀의 직경은 바람직하게는 적어도 2 mm, 보다 바람직하게는 적어도 5 mm, 특히 적어도 7 mm이다. 바람직하게는 홀의 직경은 50 mm을 초과하지 않고, 보다 바람직하게는 20 mm을 초과하지 않으며, 특히 10 mm을 초과하지 않는다.
관통 홀은 바람직하게는 직선으로 뻗어 있고 길이를 따라 구부러지거나 기울어지지 않는다.
관통 홀의 직경과 이웃하는 관통 홀을 분리하는 캐리어의 바 또는 시트의 두께 사이의 비는 바람직하게는 10 초과, 보다 바람직하게는 20 초과, 특히 40 초과이다.
바람직한 구체예에서, 슬러리는 바인더가 없다. 이는 캐리어에 대한 제1 촉매, 제2 촉매 및 흡착제의 접착력을 강화하기 위해 추가적인 무기 또는 유기 바인더가 첨가되지 않음을 의미한다. 예를 들어, 바인더는 셀룰로오스 및 이의 유도체, 특정 단백질 또는 중합체 및 실리카 또는 알루미나와 같은 무기 바인더이다. 예를 들어 모세관 결합과 같은 현탁액의 잔여량은 바인더로 간주되지 않는다. 또한 예를 들어 대기 습도로부터 유래하는 물은 바인더로 간주되지 않는다. 바람직하게는 슬러리는 흡착제, 제1 촉매 및 제2 촉매의 총 질량에 대해 2%의 바인더의 양을 초과하지 않는 한 여전히 무-바인더로 간주된다. 특히 현탁액을 증발시킨 후 캐리어 상의 흡착제와 촉매 주위에 형성된 바인더 분자의 매트릭스가 없다.
슬러리는 디핑(dipping)을 포함하는 다양한 방법으로 캐리어에 적용될 수 있다. 바람직한 구체예에서, 슬러리는 스프레이 코팅을 통해 적용된다. 스프레이 코팅은 특히 슬러리에 별도의 바인더를 제공할 필요 없이 매우 내구성이 있고 구성된(consisting) 코팅을 생성했다. 코팅은 바람직하게는 특히 바인더를 사용하지 않고 최대 4 bar의 기압에 저항한다. 슬러리는 바람직하게는 스프레이 건으로 적용된다. 바람직하게는 수동 스프레이 건이 사용되며, 이는 특히 8 bar의 최대 압력 Pmax를 갖는 저-중압 스프레이 건이다. 이는 바람직하게는 중력 흡입 컵을 갖는다. 스프레이 코팅은 바람직하게는 수직으로 수행된다. 바람직한 일 구체예에서, 입구 압력은 3.5 bar이고 액체 흐름은 분당 2.5-3.0 리터이다. 캐리어와 스프레이 건 사이의 거리는 바람직하게는 10 내지 30 cm, 바람직하게는 약 15 cm이다. 위에서 언급한 예시적인 파라미터를 사용하여, 우수한 코팅 특성이 달성되었다. 특히 캐리어에 만족스럽케 부착된 코팅은 바람직하게는 알루미늄 허니컴이다.
코팅은 바람직하게는 적어도 50 ㎛, 바람직하게는 적어도 75 ㎛, 특히 적어도 100 ㎛의 총 두께를 갖는다. 이러한 두께의 코팅은 특히 기체 오염 제거를 위한 만족스러운 양의 촉매를 제공한다. 바람직하게는 두께는 500 ㎛를 초과하지 않고, 보다 바람직하게는 350 ㎛를 초과하지 않으며, 특히 250 ㎛를 초과하지 않는다. 바람직한 범위는 100 ㎛ 내지 250 ㎛ 사이이다. 코팅이 너무 두꺼우면, 보다 낮은 층이 충분히 조사되지 않거나 및/또는 오염 제거될 오염 물질에 의해 충분히 도달되지 않을 수 있다. 따라서, 이는 촉매 분자의 낭비를 초래할 수 있다.
제1 촉매는 예를 들어 텅스텐 산화물 및/또는 아연 산화물로 이루어질 수 있다. 하나의 유형의 제1 촉매만이 사용되는 경우가 바람직하나 반드시 그런 것은 아니다. 광촉매 활성을 갖는 일 초과의 촉매 또한 사용될 수 있다.
바람직한 구체예에서, 제1 촉매는 이산화티타늄(TiO2)이다. 이산화티타늄은 광촉매 특성으로 잘 알려져 있다. 이는 반도체이며 100 nm 내지 400 nm 사이의 파장의 UV 방사에 의한 조사에 의해 활성화될 수 있다. 바람직하게는 제1 촉매, 특히 이산화티타늄을 활성화하는데 사용되는 UV 방사선은 365 nm 이하의 파장을 가지며, 보다 바람직하게는 100 nm 내지 280 nm의 UV-C 범위, 가장 바람직하게는 254 nm의 파장을 갖는다. UV-C 범위 내의 UV 방사선의 사용은 UV-C 방사선의 직접 소독 특성을 추가로 사용하는 이점을 갖는다. 따라서 UV-C 방사선은 높은 에너지로 인해 직접적으로 살균 작용을 하고 간접적으로 살균 작용을 할 뿐 아니라 제1 촉매를 활성화하여 비-생물학적 오염 물질에 작용한다. 이산화티타늄은 이미 광-활성화될 수 있다.
제1 촉매의 활성화를 위해, 바람직하게는 임의의 종류의 UV 방사선 방출 소스 또는 광원, 예를 들어 UV 방사선을 방출하는 인공 램프 또는 발광 다이오드 또는 UV 방사선 또는 저온 플라즈마-유형 전극에 의해 형성된 UV 방사선을 방출하는 발광 다이오드 또는 형광 튜브가 사용될 수 있다.
이산화티타늄은 비용 효율적이고 적어도 부분적으로 자체 재생 능력을 갖는 이점을 갖는다. 이는 화학적 및 생물학적 오염 물질을 포함하는 다양한 오염 물질에 대해 매우 활성이다.
예추석의 결정질 형태의 이산화티타늄이 가장 높은 촉매 활성을 갖는 것으로 알려져 있다. 따라서, 이산화티타늄이 완전히 예추석 유형인 것이 본 발명의 일 구체예이다.
반면 출원인의 탐구는 일반적인 견해와 달리 금홍성 유형의 이산화티타늄의 특정 비율이 촉매 장치의 전체 오염 제거 능력을 강화하는 것으로 나타내고 있다. 촉매의 표면 상의 전하의 분리가 증가되고 효율도 증가된다.
제1 촉매가 60/40 내지 99/1의 예추석/금홍석 비를 갖는 예추석 및 금홍석의 혼합물 형태의 이산화티타늄(TiO2)인 것이 본 발명의 바람직한 구체예이다. 바람직하게는 상기 비는 적어도 60/40, 보다 바람직하게는 적어도 70/30 및 특히 적어도 80/20이다. 상기 비는 바람직하게는 99/1를 초과하지 않고, 보다 바람직하게는 95/5를 초과하지 않으며 특히 90/10을 초과하지 않는다. 추가의 바람직한 구체예에서 상기 비는 77/23 내지 83/17, 특히 80/20이다.
바람직한 구체예에서, 제1 촉매, 특히 이산화티타늄은 특히 은 이온 또는 백금 이온으로 도핑된다. 제1 촉매의 도핑은 생물학적 오염 물질에 대한 살균 효과 및 파괴된 오염물질의 가능한 유해 부산물의 파괴에 대한 살균 효과를 증가시킨다. 도핑 이온의 존재는 가능한 산화 및 환원 반응의 수를 증가시킨다.
이산화티타늄은 10-50 nm, 보다 바람직하게는 15-35 nm, 특히 약 25 nm의 소립자 크기를 갖는다. 이러한 소립자는 응집하는 경향이 있다. 이러한 응집체의 평균 입자 크기는 200 내지 600 nm, 보다 바람직하게는 300 내지 500 nm, 특히 약 420 nm 범위이다. 그러나, 이는 1 미크론 이상의 입자 크기를 갖는 일부 응집체를 배제하지 않는다.
바람직한 구체예에서, 제2 촉매는 저-온 촉매이다. 저-온 촉매는 칼로리 에너지에 의해 활성화된다. 따라서 용어 저-온 촉매는 일반적으로 500 ℃ 내지 1200 ℃의 비교적 높은 온도에서 활성화되는 열 촉매로부터, 일반적으로 저온에서 활성화되는 이러한 유형의 촉매를 구별하는데 사용된다. 따라서, 본 발명에 따른 저-온 촉매는 비교적 저온에서 촉매적으로 활성일 뿐 아니라 이러한 비교적 저온에서 칼로리 에너지에 의해 활성화된다. 다시 말해, 주위 온도에서 광-활성화될 수 있는 광촉매는 저-온 촉매가 아니며, 이는 주위 온도에서 칼로리 에너지에 의해 활성화되지 않고 조사에 의해 활성화되기 때문이다. 저온 촉매는 바람직하게는 이미 촉매적으로 활성화되어 100 ℃ 미만의 온도, 바람직하게는 50 ℃ 미만의 온도, 가장 바람직하게는 20 ℃ 미만의 실온에서 이미 촉매적으로 활성인 촉매이다. 그러나 이는 보다 높은 온도에서 비활성화되어야 함을 의미하지는 않는다. 바람직하게는 촉매 활성은 특정 온도 간격, 바람직하게는 20 ℃ 내지 100 ℃ 또는 50 ℃ 내지 100 ℃에 걸쳐 온도가 증가함에 따라 증가된다.
저온 촉매는 예를 들어 산화 니켈 또는 산화 세륨과 같은 금속 산화물이다. 본 발명의 바람직한 구체예에서, 제2 촉매는 효율적인 저-온 촉매인 일산화망간(MnO)이다. 출원인의 탐구는 일산화망간이 촉매 활성이 불충분한 공지된 이산화망간(MnO2)보다 훨씬 더 효율적임을 나타내었다. 따라서 바람직하게는 이 구체예에서 사용되는 일산화망간은 이산화망간으로 오염되지 않거나 실질적으로 오염되지 않는다. 바람직한 구체예에서, 이산화망간의 양은 제2 촉매로서 사용되는 일산화망간의 총 질량의 5% 미만, 바람직하게는 1% 미만, 가장 바람직하게는 0.1% 미만이다. 이산화망간이 일산화망간 제2 촉매의 불순물로서 존재하지 않는 것이 최적이다.
특히 결정 형태의 일산화망간은 예를 들어 공기로부터 유래된 것과 같은 산소와 접촉할 때 반응성이 높은 라디칼 종의 생성을 허용한다. 바람직하게는 온도는 35 ℃ 초과, 특히 35 ℃ 내지 55 ℃, 보다 바람직하게는 45 내지 50 ℃이다. 바람직하게는 오염 제거될 기체, 특히 공기의 상대 습도는 30 내지 80%, 보다 바람직하게는 50%이다. 이러한 상황에서 라디칼 종의 매우 효율적인 생성이 가능하다. 라디칼 종은 일반적으로 크래킹이 어려운 포름알데히드와 같은 알데히드와 같은 나노 또는 마이크로 스케일의 매우 작은 오염 물질과도 반응할 수 있다. 이는 특히 이러한 작은 분자는 포획되기 어렵기 때문이다. 친수성 촉매는 일반적으로 물 또는 다른 작은 극성 분자로 빠르게 포화되어 작은 오염 물질이 포획되고 이후 산화되도록 하는 임의의 부위가 거의 없도록 한다. 일산화망간은 물과 잘 반응하지 않고 표면에 물 분자를 포획하여 보다 많은 부위가 오염 물질에 대해 이용 가능하도록 하는 특별한 이점을 제공한다. 또한, 일산화망간 내의 공동(cavity)은 바람직하게는 이산화티타늄의 공동보다 작아서 보다 큰 분자가 덜 포획되고, 다시 보다 많은 부위가 작은 오염 물질에 대해 이용 가능하게 남도록 한다. 라디칼 종은 또한 생물학적 오염 물질과 반응한다.
일산화망간의 단점은 이산화망간에 비해 불안정하다는 것이다. 따라서, 일산화망간을 합성할 때, 바람직하게 이산화망간의 형성을 피해야 하는 경우, 반응 파라미터에 특별한 주의가 필요하다. 하나의 중요한 반응 파라미터는 온도이다. 300 ℃ 초과의 소성 온도를 사용할 때, 상당한 양의 이산화망간 또는 단독의 이산화망간이 형성된다.
전구체로부터 이산화티타늄의 형성은 일반적으로 300 ℃ 초과, 예를 들어, 300 ℃ 내지 600 ℃의 온도를 요구하기 때문에, 한편으로는 일산화망간 및 다른 한편으로는 이산화티타늄을 형성하기 위한 일산화망간 전구체 및 이산화티타늄 전구체의 동시 소성은 불가능하다. 이산화티타늄의 형성 동안 600 ℃ 초과의 소성 온도는 금홍석의 과도한 형성을 초래할 수 있으며, 이는 바람직하지 않다. 반면, 전술한 바와 같이, 특정 양의 금홍석은 촉매의 효율을 강화시킨다.
따라서, 제1 촉매가 이산화티타늄이고 제2 촉매가 일산화망간인 경우, 바람직하게는 동시 소성이 발생하지 않는다.
제1 촉매, 제2 촉매 및/또는 흡착제의 합성은 촉매 장치의 제조 방법의 일부인 것이 바람직하나 반드시 그런 것은 아니다. 합성의 바람직한 구체예는 이하에서 상세하게 설명될 것이다. 적어도 제1 촉매로서의 이산화티타늄 및 제2 촉매로서의 일산화망간의 합성이 제조 방법의 일부인 경우, 이들의 전구체의 동시 소성이 바람직하게는 발생하지 않는다. 이는 바람직하게는 서로 떨어져 합성된다.
저온 촉매, 특히 일산화망간을 사용하는 하나의 이점은 UV 방사선 소스의 필연적으로 발생하는 폐열이 저온 촉매를 가온하여 이의 촉매 효율을 증가시키는데 사용될 수 있다는 것이다. 따라서, 시너지는 광촉매 및 저온 촉매를 일 단계에서 조합하고 바람직하게는 이들을 폐열을 효율적으로 사용하기 위해 UV 방사선 소스에 공간적으로 가깝게 배치(arrange)하는 경우 달성될 수 있다. 바람직하게는 최대 40 ℃, 최대 50 ℃ 또는 최대 90 ℃의 온도는 촉매 장치의 표면에서 달성될 수 있다.
바람직하게, 제2 촉매가 일산화망간인 경우, 이의 평균 입자 크기는 50 내지 170 nm, 보다 바람직하게는 95 내지 135 nm, 특히 약 110 nm이다.
흡착제는 바람직하게는 큰 비표면적, 바람직하게는 적어도 300 m2/g, 보다 바람직하게는 적어도 500 m2/g, 가장 바람직하게는 적어도 1000 m2/g, 특히 2000 m2/g 초과의 비표면적을 갖는 화합물이다. 흡착제는 예를 들어 활성탄 또는 활성 코크스일 수 있다.
바람직한 구체예에서, 흡착제는 제올라이트이다. 제올라이트는 자연적으로 발생하거나 인공적으로 발생할 수 있는 미세 다공성 알루미노실리케이트 광물이다. 제올라이트는 합성일 수 있다.
바람직하게는 친수성 제올라이트가 사용되며, 이는 출원인의 탐구가 생물학적 오염 물질이 소수성 제올라이트보다 친수성 제올라이트에 의해 보다 잘 흡착되는 경향이 있음을 나타내기 때문이다. 바람직하게는 타입 A 또는 ZSM-5의 제올라이트가 사용된다. 제올라이트는 바람직하게는 합성 제올라이트이며, 특히 타입 A 또는 ZSM-5의 합성 제올라이트이다. 합성 제올라이트는 합성되기 때문에 순수하고 균일한 구조를 갖는 이점을 갖는다.
본 발명의 바람직한 구체예에서, 제1 촉매는 이산화티타늄이고, 제2 촉매는 일산화망간이며, 및/또는 흡착제는 제올라이트이다. 제올라이트는 바람직하게는 타입 A의 합성 친수성 제올라이트이다. 이러한 배열(configuration)은 본원에 기재된 모든 적용 가능한 구체예에 대해 바람직하다.
출원인은 단일 구성 성분의 특정 비가 효율적인 오염 물질의 제거에 유리하다는 것을 발견하였다. 바람직하게는 타입 A 및 이산화티타늄 사이의 비는 3:1 내지 1:1 범위, 특히 약 2:1이다. 타입 A의 제올라이트 및 일산화망간의 비는 바람직하게는 5:1 내지 3:1의 범위, 특히 약 4:1이다. 이산화티타늄 및 산화 망간의 비는 바람직하게는 §:1 내지 1:1의 범위, 특히 약 2:1이다. 이들 바람직한 비는 또한 제1 촉매, 제2 촉매 및 이산화티타늄, 일산화망간 및/또는 타입 A의 제올라이트 외의 흡착제에 적용된다.
타입 A의 친수성 제올라이트는 화학적 및 생물학적 오염 물질에 대한 높은 친화성을 가지며, 천연 균등물이 없다. 이는 미생물의 세포막에 대한 친화성을 갖는다. 이들은 정전기적 이유로 제올라이트의 표면에 흡착한다. 추가적으로, 타입 A의 친수성 제올라이트는 직접적인 항균 효과를 가지며, 이는 이의 사용을 보다 시너지 효과가 있게 한다. 타입 A의 친수성 제올라이트는 음이온성 알루미노실리케이트 구조로부터 형성된 결정 구조를 가지며, 이는 알칼리 토금속 양이온에 의해 중화된다.
바람직하게는 제올라이트, 특히 타입 A의 제올라이트는 소달라이트 결정 구조를 포함한다.
제올라이트의 구조는 여러 개의 기본 소달라이트 케이지를 연결한다. 소달라이트 케이지는 8개의 육각형 면과 6개의 정사각형 면을 갖는 다중 다면체로 이루어진다. 제올라이트를 형성하는 소달라이트 케이지는 정사각형 면을 통해 상호 연결된다. 소달라이트 케이지의 특정 구조는 제올라이트에 개방형 3D 구조를 제공하며, 이에 의해 특히 총 부피의 47%가 간극에 의해 형성된다. 따라서 제올라이트는 작은 부피 내에서 생물학적 및 화학적 오염 물질의 흡착을 위한 큰 표면을 제공한다. 추가적으로 개방형 3D 구조는 높은 수분 흡수 및 보유 용량을 허용한다. 물이 촉매의 표면 상에 히드록실 라디칼과 같은 고도로 반응성인 라디칼 종을 형성하는데 사용될 수 있기 때문에, 이는 유리할 수 있다. 또한, 수분 보유 능력은 상황에 따라 수막이 촉매 상에 형성되지 않음을 보증하여, 이의 효율을 저하시킬 수 있다. 반면, 매우 많은 양의 흡착제, 특히 제올라이트는 과도한 물을 제공할 수 있으며, 이에 의해 촉매의 효율이 저하된다. 따라서, 바람직하게는 흡착제의 양은 제1 촉매, 제2 촉매 및 흡착제의 총 질량의 80%를 초과하지 않으며, 특히 70%를 초과하지 않는다. 반면, 흡착제의 양이 매우 낮은 경우, 물 보유 용량은 충분하지 않을 수 있다. 따라서, 흡착제의 양은 제1 촉매, 제2 촉매 및 흡착제의 총 질량의 바람직하게는 40% 이상, 특히 30% 이상이다.
출원인은 두 가지 상이한 촉매와 흡착제의 조합은 기체의 오염 제거에 시너지 효과가 있음을 조사하였다. 오염 물질은 흡착제에 흡착된다. 물질 전달 현상을 통해, 이들은 촉매 입자로 이동한다. 이후 촉매의 표면 상의 반응성 종의 생성은 오염 물질의 파괴, 바람직하게는 오염 물질의 완전한 광물화를 초래한다. 또한 오염 물질의 파괴 동안 부산물은 바람직하게는 더욱 파괴되어 유해한 부산물이 오염 제거된 기체로 방출되지 않거나 방출되나 다음의 오염 제거 사이클 중 하나에서 파괴되도록 한다. 따라서 흡착제는 또한 예를 들어 오염 물질을 갖는 기체의 피크 로드 동안 파괴될 오염 물질을 위한 저장소를 형성할 수 있다. 따라서, 시간 단위 당 촉매의 촉매 용량을 초과하는 오염 물질의 양은 바람직하게는 흡착제에 의해 억제될 수 있고 이후 시간 지연을 갖는 촉매로 안내될 수 있다. 이는 또한 흡착제 없이 촉매 자체의 용량을 초과하는 피크 로드를 처리하는 것을 가능하게 한다. 우수한 흡착 특성을 제공하기 위해, 흡착제의 양은 바람직하게는 각 촉매의 양 및/또는 제1 촉매, 제2 촉매 및 흡착제의 총 질량에 대해 누적된 양의 촉매보다 높다.
흡착제는 물질 전달을 통해 촉매로 전달되는 오염 물질을 억제한다. 한편, 이 현상에 의해, 흡착제는 지속적으로 재생되어 이의 흡착 능력이 회복된다. 이는 하나의 혼합물 내에서 이러한 화합물을 제공하는 실제 시너지를 입증한다. 이러한 효과를 최적으로 달성하기 위해, 촉매와 흡착제의 섞음은 바람직하게는 집중적으로 수행되어, 특히 가능한 균질한 혼합물을 제공한다.
제1 촉매의 양은 제1 촉매, 제2 촉매 및 흡착제의 총 질량의 바람직하게는 적어도 10%, 보다 바람직하게는 적어도 20%이며, 바람직하게는 30%를 초과하지 않고, 특히 40%를 초과하지 않는다. 제2 촉매의 양은 제1 촉매, 제2 촉매 및 흡착제의 총 질량의 바람직하게는 적어도 5%, 보다 바람직하게는 적어도 10%, 특히 적어도 15%이며, 바람직하게는 20%를 초과하지 않고, 특히 30%를 초과하지 않는다.
바람직한 구체예에서, 구성 성분은 이의 총 질량에 대한 중량 퍼센트로 다음의 범위로 제공된다: 제1 촉매의 27% 내지 30%, 제2 촉매의 11% 내지 17% 및 흡착제의 55% 내지 59%.
구체적이고 바람직한 구체예는 29%의 양의 제1 촉매, 12%의 제2 촉매 및 59%의 흡착제를 함유한다.
출원인의 조사는 이 비가 우수한 효율을 나타낼 뿐만 아니라 물 보유 용량 및 오염 물질 보유 용량을 만족시키는 것을 나타냄을 보여주었다. 이러한 양으로 특히 매우 우수한 오염 제거 속성 또한 제공하는 지속 가능하고 오래 지속되는 조성물이 제공된다. 추가적으로, 이러한 양에서 이산화티타늄을 활성화하는데 필요한 UV 방사선의 양은 제2 촉매가 저온 촉매일 때 이러한 양의 제2 촉매의 촉매 활성을 증가시키기에 충분하고 유용한 양의 폐열을 제공한다.
또한, 본 발명은 제1 촉매의 양이 27% 미만이고 30% 초과이며, 제2 촉매의 양이 11% 미만이고 17% 초과이며, 흡착제의 양이 55% 미만이고 59% 초과이며, 각각은 중량 퍼센트이고 이들의 총 질량에 대한 것인 구체예에 관한 것이다. 본원에 기재된 모든 추가의 바람직한 배열 및 구체예는 이 특정 구체예에 적용된다.
앞서 언급된 바와 같이, 제1 촉매, 제2 촉매 및/또는 흡착제의 합성은 촉매 장치 제조 방법의 일부인 것이 바람직하나, 필수적인 것은 아니다. 합성은 각각 다른 것과 별도로 수행된다.
제1 촉매가 바람직하게는 이산화티타늄인 경우, 이는 바람직하게는 졸-겔 공정 및 티타늄 테트라클로라이드 또는 부틸 티타네이트와 같은 전구체를 사용하여 합성되며, 이후 300 내지 600 ℃의 온도에서 소성된다. 또한, 열 플라즈마 기술, 레이저 열 분해, 수열 또는 전기화학적 합성과 같은 분말 이산화티타늄을 제조하기 위한 다른 방법이 가능하다.
분말 형태의 이산화티타늄 제1 촉매를 합성하기 위한 바람직한 졸-겔 공정이 이제 상세히 설명된다:
전구체 티타늄 테트라클로라이드(Merck에서 구입, 참조 번호 697079)는 0.5:10 내지 3:10의 비, 바람직하게는 1:10의 비로 실온에서 4시간 동안 무수 에탄올(Merck로부터 구입, 참조 번호 1024282500)과 혼합된다. 형성된 졸은 이후 20 내지 40분, 바람직하게는 30분의 시간 동안 초음파 욕에 위치된다. 연속적으로 졸은 분말을 얻기 위해 1 내지 24시간, 바람직하게는 7시간 동안 100 내지 130 ℃, 바람직하게는 120 ℃의 온도에서 건조된다. 이 분말은 이후 2 내지 3시간, 바람직하게는 2시간 동안 530 내지 570 ℃, 바람직하게는 550 ℃의 온도에서 점진적으로 소성된다. 따라서 온도는 10 내지 12 ℃/분의 단계로 증가한다. 얻어진 분말 이산화티타늄은 이후 탈이온수로 세척되고 연속적으로 90 내지 110 ℃, 바람직하게는 100 ℃의 온도에서 건조된다.
제2 촉매가 바람직하게는 일산화망간인 경우, 이는 바람직하게는 망간 아세테이트, 망간 니트레이트 및/또는 망간 설페이트와 같은 전구체로부터 합성된 후 300 ℃ 미만의 온도에서 소성된다.
분말 형태의 일산화망간 제2 촉매를 합성하기 위한 바람직한 공정은 이제 보다 상세하게 설명된다:
전구체, 바람직하게는 망간 아세테이트(Merck로부터 구입, 참조 번호 330825)는 21 내지 25 ℃의 실론에서 적어도 24시간 동안 1,8/1,2의 mol/l 비로 과망간산칼륨(Merck로부터 구입, 참조 번호 1.09930)과 혼합된다. 이후 이는 여과되고 탈이온수로 헹궈진다. 얻어진 분말은 바람직하게는 280 내지 300 ℃의 온도에 도달할 때까지 6 ℃/분의 온도 증가로 몇 시간, 바람직하게는 72시간 동안 하소된다. 결과는 탈이온수로 헹궈지고 분말화된 일산화망간이 얻어질 때까지 100 ℃에서 연속적으로 건조되며, 이후 사용될 수 있다. 잘 사용 가능한 분말을 얻기 위해, 액체는 바람직하게는 완전히 증발된다.
300 ℃ 미만의 저온은 보다 안정하나 바람직하지 않은 이산화망간의 형성을 회피하는데 사용된다.
흡착제가 타입 A의 합성 친수성 제올라이트인 경우, 이는 바람직하게는 다음과 같이 합성된다:
단계 1: 균질한 수산화나트륨 용액을 얻기 위해 110:1의 비율로 증류수에 수산화나트륨, 예를 들어 수산화나트륨의 펠릿(Merck로부터 구입, 참조 번호 567530)을 혼합하여 수산화나트륨 용액을 제공하는 단계.
단계 2: 수산화나트륨 용액을 2등분하여 제1 부피 및 제2 부피의 수산화나트륨 용액을 얻는 단계.
단계 3: 결정질 알루민산나트륨(Merck에서 구입, 참조 번호 13404)은 부피 당 부피로 10 내지 20분 이내에 최대 17%의 제1 부피로 혼합되어 용액 A를 얻음.
단계 4: 결정질 규산나트륨(Na2SiO3)(Merck로부터 구입, 참조 번호 307815)은 부피 당 부피로 증류수에 최대 57%로 용해되어 용액 B를 얻음.
단계 5: 용액 B는 혼합물 C, 바람직하게는 깨끗한(clear) 혼합물 C를 얻기 위해 3.8/1000의 비로 제2 부피와 혼합됨.
단계 6: 바람직하게 깨끗한 혼합물 C는 용액 A에 첨가되어 혼합물 D를 얻음.
단계 7: 혼합물 D는 물이 완전히 증발될 때까지 가열됨.
단계 8: 혼합물 D는 고체 E가 나타날 때까지 온도를 낮추어 냉각됨.
단계 9: 고체 E는 여과되고 헹굼수의 8.5 내지 9.5의 pH-값이 얻어질 때까지 증류수로 헹궈짐.
단계 10: 고체 E를 100 내지 120 ℃, 바람직하게는 110 ℃의 온도에서 8 내지 15시간, 바람직하게는 12시간의 기간 동안 건조하여, 타입 A의 합성 친수성 제올라이트를 얻음.
단계 11: 타입 A의 합성 친수성 제올라이트를 분말로 그라인딩하는 단계.
바람직하게는, 단계 7에서, 온도는 75 내지 130 ℃, 바람직하게는 100 ℃이며, 이는 3 내지 4시간 동안 수행된다. 이는 혼합물 D로부터 물을 완전히 증발시키는 것이 목적이다.
바람직하게는, 단계 8에서, 혼합물 D는 온도를 단계 7에서보다 낮지만 실온 초과인 값으로 낮추어 냉각된다. 이 냉각은 혼합물 D가 처음에 위치되는 용기의 버텀(bottom)에 고체 E의 형성 결정이 달라붙는 것을 방지한다. 단계 8의 하나의 특정 구체예에서, 온도는 실온이 20 내지 25 ℃인 것을 고려하여 30 ℃로 낮춰지며, 이는 고체 E가 버텀에 달라붙지 않고 쉽게 제거되도록 한다.
통상적인 방법으로 단계 9에서 헹굼수의 pH-값은 pH 측정기 또는 pH-값의 결정을 허용하는 본 기술 분야의 기술자에게 공지된 다른 측정 장치로 측정된다. 헹굼수의 pH 값을 간접적으로 측정함으로써, 타입 A의 합성 친수성 제올라이트를 형성할 고체 E의 표면 pH-값이 측정된다.
제올라이트의 표면은 약 알칼리성인 것이 바람직한데, 이는 표면이 약산성인 이산화티타늄 및 일산화망간과의 반데르발스 힘의 형성을 강화하기 때문이다. 이는 균질한 촉매 조성물을 생성하는 것을 용이하게 한다.
단계 10에서 고체 E의 건조 기간 및 온도는 제올라이트의 표면 상의 물 분자의 점진적 제거를 허용한다. 물을 너무 빠르게 제거하는 것은 제올라이트의 표면 상의 크랙 형성의 위험을 초래한다. 이 크랙은 중요한 3D 구조를 약화시킨다. 이는 제올라이트의 구조를 약화시킬 위험 없이 물 분자를 점진적으로 제거하기 위해 100 내지 120 ℃의 온도에서 8 내지 15시간의 건조 시간이 선택된 이유이다.
단계 11에서 타입 A의 합성 친수성 제올라이트는 임의의 그라인딩 장치를 사용하여 그라인딩될 수 있다.
특정 구체예에서, 흡착제, 특히 제올라이트는 0.5 내지 2.5 ㎛의 입자 크기를 달성하기 위해 그라인딩된다. 이 입자 크기는 특정 미생물에 대한 친화도를 증가시킨다.
제1 촉매, 제2 촉매 및 흡착제를 섞는 바람직한 방법은 각각 분말 상태이고 이미 사전-혼합되거나 분리되어 있는 제1 촉매, 제2 촉매 및 흡착제를 액체로 도입하여 슬러리를 형성하는 것이다. 이 슬러리는 이후 바람직하게는 격렬하게 혼합되고 액체는 제1 촉매, 제2 촉매 및 흡착제의 건조 분말 혼합물을 형성하기 위해 증발된다. 이 혼합물은 이후 그 자체로 또는 캐리어 상에 코팅되는 슬러리를 형성하기 위해 사용될 수 있다.
상세하고 바람직한 구체예에서, 액체의 총 질량에 대해 각각 바람직하게는 20% 알코올 및 80% 탈이온수, 5 내지 10%의 이산화티타늄, 2 내지 6%의 일산화망간, 및 10 내지 20%의 제올라이트로 이루어진 액체에서, 이들이 혼합된다. 연속적으로 혼합물은 사용될 수 있는 분말 촉매 조성물을 얻기 위해 액체를 증발시키기 위해 가열된다. 이는 바람직하게는 24 내지 120시간, 바람직하게는 72시간 동안 75 내지 130 ℃의 온도로 가열된다.
본 발명은 또한 구체적으로 제1 촉매, 제2 촉매, 흡착제 및 탈이온수로부터 형성된 슬러리에 관한 것이다.
또 다른 관점에 따르면, 본 발명은 본원에 기재된 바와 같은 제조 방법을 통해 얻을 수 있는 촉매 장치에 관한 것이다.
또 다른 관점에 따르면, 본 발명은 이의 총 질량에 대한 중량 퍼센트로, 각각 분말 상태인, 27 내지 30%의 광촉매 활성을 갖는 제1 촉매, 11 내지 17%의 제2 촉매 및 55 내지 59%의 흡착제를 함유하는 촉매 조성물에 관한 것이다.
촉매 장치와 관련된 본원에 기재된 모든 구체예 및 배열은 또한 촉매 조성물의 바람직한 배열 및 구체예이다.
제2 촉매가 바람직하게 저온 촉매인 경우, 촉매 조성물은 비-열, 저온 또는 무열 촉매로도 불릴 수 있는데, 이는 촉매를 활성화하는데 높은 가열이 필요하지 않기 때문이다. 제1 촉매, 제2 촉매 및 흡착제 각각이 분말 상태로 제공되기 때문에, 촉매 조성물은 또한 분말형 비-열 또는 무열 촉매로도 불릴 수 있다. 일 구체예에서, 광촉매 활성을 갖는 제1 촉매는 광-활성화된다.
촉매 조성물의 특정 및 바람직한 구체예에 따르면, 제1 촉매는 이산화티타늄(TiO2)이고, 제2 촉매는 일산화망간(MnO)이며 흡착제는 제올라이트이다. 제올라이트는 바람직하게는 타입 A의 합성 친수성 제올라이트이다.
추가적으로, 본 발명은 제1 촉매의 양이 27% 미만 및 30% 초과이고, 제2 촉매의 양이 11% 미만 및 17% 초과이며, 흡착제의 양이 55% 미만 및 59% 초과이며, 이들 각각은 중량 퍼센트이고 이의 총 질량과 관련된 것인 촉매 조성물의 구체예에 관한 것이다. 본원에 기재된 모든 바람직한 배열 및 구체예는 이 특정 구체예에 적용된다.
또 다른 관점에 따르면, 본 발명은 기체, 특히 공기의 오염 제거를 위한 본원에 기재된 바와 같은 촉매 조성물의 용도 및/또는 본원에 기재된 바와 같은 촉매 장치에 관한 것이다. 기체는 바람직하게는 습도를 함유한다.
또 다른 관점에 따르면, 본 발명은 본원에 기재된 바와 같은 촉매 장치 및/또는 캐리어 상에 코팅된 본원에 기재된 바와 같은 촉매 조성물을 포함하는 기체 오염 제거 장치에 관한 것이며, 여기서 촉매 장치 및/또는 촉매 조성물은 적어도 부분적으로 오염 제거될 기체의 지정된 유로 내에 제공된다.
기체 오염 제거 장치는 예를 들어 기체 오염 제거 장치의 파이프 또는 튜브 또는 하우징, 특히 하우징의 내벽에 의해 결정되는 유로를 포함한다. 오염 제거될 기체는 입구 개구를 통해 기체 오염 제거 장치로 들어가고, 유로를 따라 장치를 통해 흐르고, 출구 개구를 통해 장치를 빠져나간다. 바람직하게는 입구 개구는 장치의 버텀 부근에 제공되고 출구 개구는 장치의 탑(top) 부근에 제공되거나 그 반대이다.
입구 필터는 입구 개구에 할당될 수 있거나 흐름 방향으로 흐름의 방향의 입구 개구 뒤에 및 흐름 방향의 촉매 장치 및/또는 촉매 조성물의 앞에 제공될 수 있다. 촉매 조성물 및 촉매 장치는 오염 제거, 특히 기체 화학 오염 물질 및 생물학적 오염 물질을 크래킹하는데 매우 효과적이다. 반면, 미립자 오염 물질은 부분적으로만 크래킹될 수 있다. 따라서 입구 필터로서 미립자 필터의 사용이 도움이 된다.
바람직하게는 입구 필터는 박테리아, 바이러스 등과 같은 생물학적 오염 물질보다 큰 미립자 오염 물질을 여과하도록 설계된다. 이는 두 가지 이유에서 합리적이다. 입구 필터가 생물학적 오염 물질을 통과시킬 때, 이들은 필터 표면에 대량 서식하지 않으며, 이는 불리하고 위험할 수 있다. 반면, 촉매 조성물 및 촉매 장치가 생물학적 오염 물질을 파괴하는데 매우 효율적이기 때문에, 기체 내의 생물학적 오염 물질은 입구 필터에 포획대는 대신 파괴될 수 있도록 이들을 도달시키는 것을 가는하게 하는데 유용하다.
출구 필터는 추가적으로 또는 대안적으로 출구 개구에 할당될 수 있거나 흐름 방향의 출구 개구 전 및 흐름 방향의 촉매 장치 및/또는 촉매 조성물 뒤에 제공될 수 있다. 출구 필터는 촉매 처리에 의해 파괴되지 않은 오염 물질을 포획하는 역할을 한다. 입구 필터 대신 출구 필터를 사용하는 것은 모든 생물학적 오염 물질이 촉매 장치 및/또는 촉매 조성물로 안내된다는 이점을 갖는다. 처리 후 생존한 이들 오염 물질은 이후 출구 필터에 의해 포획될 수 있다. 출구 필터는 바람직하게는 HEPA 필터이다.
기체 오염 제거 장치는 바람직하게는 일 이상의 처리 단계를 함유한다. 각 처리 단계는 적어도 부분적으로 유로 내에 제공되는 일 이상의 촉매 장치 및/또는 촉매 조성물에 의해 정의된다. 가장 간단한 구체예에서, 기체 오염 제거 장치는 정확하게 하나의 처리 단계를 포함하며, 이는 정확하게 하나의 촉매 장치 또는 캐리어 상에 코팅된 촉매 조성물에 의해 정의된다.
바람직하게는 촉매 장치, 촉매 조성물 또는 처리 단계는 유로의 전체 단면에 걸쳐 연장하여, 어떠한 기체도 이를 우회할 수 없으나 이를 통해 또는 이를 따라 연장해야 하도록 한다. 일 초과의 촉매 장치 및/또는 촉매 조성물의 일 처리 단계를 형성할 수 있다. 이 경우, 이들은 흐름 방향으로 나란히 제공되나 서로 흐름 방향으로 뒤에 있지 않다. 촉매 장치 및/또는 촉매 조성물이 차례로 제공될 때, 이들은 별도의 처리 단계를 형성한다.
바람직한 구체예에서, 기체 오염 제거 장치는 일 초과의 처리 단계를 포함하며, 이는 정확히 하나의 장치 및/또는 촉매 조성물로부터 또는 단계마다 나란히 제공되는 일 초과의 촉매 장치 및/또는 촉매 조성물로부터 형성될 수 있다.
기체 오염 제거 장치는 바람직하게는 적어도 하나의 흡입 유닛을 포함하거나, 흡입 유닛이 장치에 할당된다. 흡입 유닛은 오염 제거될 기체를 흡입하고 기체 오염 제거 장치를 통해 기체 흐름을 제공한다. 흡입 유닛은 예를 들어 팬 또는 블로워(blower) 또는 일 이상의 팬 또는 블로워일 수 있다. 기체 오염 제거 장치의 구체예는 시간 단위 당 작은 부피를 오염 제거하여 시간 당 10 리터 이상과 같은 낮은 기체 흐름을 제공하기 위해 사용될 수 있거나 및/또는 설계된다. 다른 바람직한 구체예에서, 기체 오염 제거 장치는 적어도 500 m3/h, 보다 바람직하게는 적어도 1000 m3/h, 더욱 바람직하게는 적어도 1400 m3/h, 특히 적어도 2000 m3/h의 장치를 통한 기체 흐름을 제공하도록 설계된다. 기체 흐름은 유속 및 흐름 단면적의 곱이다. 유속이 일정하게 유지될 때, 기체 흐름은 흐름 단면적의 함수이며 촉매 표면과 상관 관계가 있다. 따라서, 특히 특정 최대 기체 속도가 관측되는 한, 기체 흐름은 단지 흐름 단면적을 증가시킴으로써 확대될 수 있다.
기체 흐름이 너무 빠르면 촉매 표면 상에서의 짧은 체류 시간으로 인해 다양한 오염 물질의 촉매적 파괴의 효율의 감소가 초래될 수 있다. 기체 유속은 바람직하게는 10 m/s를 초과하지 않고, 보다 바람직하게는 7 m/s를 초과하지 않으며, 특히 5 m/s를 초과하지 않는다. 기체 유속은 바람직하게는 오염 제거 공정 동안, 바람직하게는 흡입 유닛을 통해 일정하게 유지된다. 속도는 특히 사용 중 ±20%의 평균값 주변에서만 변화하는 한 일정한 것으로 보인다.
촉매 장치 및/또는 촉매 조성물의 광촉매를 활성화하기 위해, 적어도 하나의 UV 방사선 소스가 또한 제공된다. 적어도 하나의 UV 방사선 소스는 이의 광촉매를 활성화하기 위해 UV 방사선으로의 일 이상의 처리 단계를 조사하도록 배열된다. 예를 들어, 이는 하우징의 측벽 또는 유로를 측면으로 제한하는 구성 요소 내에 제공될 수 있다.
UV 방사선 소스는 바람직하게는 LED 또는 형광 튜브와 같은 UV 방출 램프, 특히 UV 방출 램프의 어레이(array)이다.
바람직한 구체예에서, UV 방사선의 적어도 하나의 소스는 지정된 유로에 정렬되고 제1 촉매를 활성화하기 위해 촉매 조성물 및/또는 촉매 장치를 조사하도록 배열된다.
이 구체예에서, 오염 제거될 기체는 UV 방사선 소스를 따라 또는 이를 통해 흐를 수 있고, 이는 바람직하게는 기체가 어레이를 통해 흐를 수 있어 개별 램프를 따라 흐를 수 있는 방식으로 정렬된 UV 방출 램프의 어레이로 형성된다.
바람직한 구체예에서, UV 방사선의 하나의 소스는 지정된 유로에서 정렬되고 하나의 촉매 장치 또는 촉매 조성물은 업스트림에 정렬되며 하나의 촉매 장치 또는 촉매 조성물은 UV 방사선의 소스의 다운스트림에 정렬된다. 이 설계는 UV 방사선 소스가 촉매 장치 및/또는 촉매 조성물 사이에 샌드위치되기 때문에 샌드위치 디자인으로 불릴 수 있다.
명백하게, UV 방사선 소스, 바람직하게는 UV 방출 램프의 어레이로서 형성된 것은 각각 단일 촉매 조성물 또는 촉매 장치 및/또는 복수의 촉매 조성물 및/또는 촉매 장치로부터 형성된 두 처리 단계 사이에 샌드위치될 수 있다.
이 샌드위치 설계는 UV 방사선 소스에 의해 생성된 UV 방사선 및 불가피하게 발생하는 방사선 소스로부터의 폐열 모두가 효율적으로 사용될 수 있다는 이점을 제공한다. 폐열은 바람직하게는 저온 촉매인 경우 제2 촉매의 활성을 증가시키는데 사용된다. 또한, UV 방사선은 UV 방사선 소스의 양면에 광촉매가 존재하기 때문에 효율적으로 사용될 수 있다.
출원인의 탐구는 하나의 촉매 장치, 촉매 조성물 또는 UV 방사선 소스의 처리 단계 다운스트림 및 하나의 촉매 장치의 설계로, 촉매 조성물 또는 UV 방사선 소스의 처리 단계 업스트림이 효율적인 오염 제거를 제공함을 나타낸다. 샌드위치된 것 외의 추가의 UV 방사선 소스가 제공되는 경우는 가능하나 바람직하지 않다. 이 특정 구체예에서, 바람직하게는 샌드위치된 방사선 소스만이 제공된다.
따라서, 바람직하고 특정한 구체예에서, 정확히 하나의 촉매 장치, 촉매 조성물 또는 처리 단계는 업스트림에 제공되거나 및/또는 정확히 하나의 촉매 장치, 촉매 조성물 또는 처리 단계가 UV 방사선 소스의 업스트림에 제공된다. 바람직하게는 추가의 촉매가 기체 오염 제거 장치에 제공되지 않는다.
바람직한 구체예에서, UV 방사선 소스는 일 초과의 UV 방출 램프, 바람직하게는 2 내지 6개, 특히 4개의 UV 방출 램프의 어레이로 제공된다. 램프는 바람직하게는 단위 프레임의 양쪽 상의 각각 적어도 하나의 촉매 장치에 대해, 적어도 하나, 바람직하게는 두 개의 베어링 또는 리셉터클(receptacle)을 제공하는 단위 프레임에 제공된다. 이 구체예에서, 촉매 장치는 어레이가 바람직하게는 적어도 두 개의 촉매 장치에 의해 샌드위치되는 컴팩트 오염 제거 유닛을 형성하기 위해 단위 프레임의 리셉터클 또는 베어링에 도입되거나 이에 적용될 수 있다. 리셉터클은 촉매 장치가 위치되고 특히 부착되는 지지 표면일 수 있다. 리셉터클은 또한 슬라이드-인-모듈(slide-in-module)로서 형성된 촉매 장치가 삽입될 수 있는 슬롯일 수 있다. 본 발명의 일 구체예에서, 오염 제거 유닛은 기체 오염 제거 장치이다.
기체 오염 제거 장치는 다양한 영역에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 이는 병원, 바람직하게는 수술실 또는 검역소에서 공기를 오염 제거하는데 사용될 수 있다. 또한, 장치의 작은 버전은 예를 들어 테이블에서 서로 마주 앉은 사람 사이에서 교환되는 공기의 현장 오염 제거를 위해 식당 또는 사무실의 테이블에 사용될 수 있다.
아래에 설명될 바와 같이, 장치는 공기 중 특정 코로나 바이러스의 양을 감소시키는 데 큰 효율을 나타내었다. 따라서 이는 또한 바이러스를 공기 중/공기로부터 감소시키거나 제거하기 위해 코로나바이러스 SARS-CoV-2를 함유할 수 있거나 확실히 함유하는 공기의 처리에 사용될 촉매 장치, 촉매 조성물 및/또는 기체 오염 제거 장치의 가능한 및 바람직한 용도이다.
실험 프로토콜 및 결과:
출원인은 여러 유기 화합물에 상이한 촉매 조성물을 사용하였다. 다음의 표는 상이한 촉매 조성물을 사용한 시간 당 각 화합물의 탄소 당량의 mg[mgC/h] 단위의 상이한 화합물의 제거율을 나타낸다. 탄소 당량의 사용은 수치의 비교성을 개선하는 역할을 하며, 상이한 화합물이 상이한 수의 탄소 원자를 갖고, 그에 따라 상이한 양의 분해 반응이 초래된다는 사실을 보상한다. 이소프로필 알코올은 IPA로, 부타논은 MEK로 약칭된다. 구성 성분의 상대적인 양은 조성물의 총 질량에 대한 중량 퍼센트로 표시된다. 이산화티타늄은 T로, 일산화망간은 M으로, 타입 A의 친수성 합성 제올라이트는 ZA로 약칭된다.
명칭 E D G I
조성 M 100% M 24%, ZA 76% T 7%, M 53%, ZA 40% T 10%, M 22%, ZA 68%
톨루엔 0 0.16 0.05 0.08
펜탄 0.06 0.22 0.18 0.18
시클로펜탄 0.14 0.31 0.35 0.23
헵탄 0.16 0.19 0.13 0.15
IPA 0.15 0.34 0.34 0.2
에탄올 0.19 1.14 0.58 0.61
MEK 0.21 0.4 0.49 0.36
F A H B C
T 100% T 65%, M 5%, ZA 30% T 50%, M 20%, ZA 30% T 50%, M 16%, ZA 34% T 28%, M 14%, ZA 58%
0.15 0.07 0.21 0.16 0.24
0.4 0.43 0.53 0.66 0.52
0.36 0.4 0.57 0.61 0.55
0.4 0.48 0.63 0.61 0.64
0.35 0.38 0.44 0.53 0.57
0.28 0.28 0.48 0.54 1.07
0.48 0.64 0.53 0.65 0.79
상기 표에서 알 수 있는 바와 같이, 상이한 조성물은 상이한 화합물에 대해 상이한 제거율을 나타내었다. 각각 단독의 이산화티타늄(조성물 F) 및 단독의 일산화망간(조성물 E)은 일반적으로 두 촉매 및 흡착제의 조합보다 덜 효과적임을 알 수 있다. 또한, 조성물 H, B 및 C는 조성물 F 및 E 뿐 아니라 일산화망간과 제올라이트의 조합(조성물 D)에 비해 크거나 동일한 효율을 나타냄을 알 수 있다. 이는 조성물 D에서 보다 높은 효율로 제거되는 에탄올을 제외하고는 사실이다. 따라서, 두 상이한 촉매와 흡착제의 조합은 단독의 촉매 또는 일산화망간과 제올라이트의 조합에 비해 시너지 효과를 나타낸다.
다음의 조사를 위해, 조성물 C가 사용되었으며, 이는 전반적으로 우수한 제거 프로파일을 나타내었으나 특히 친수성 화합물 IPA, 에탄올 및 MEK에 대해 그러하기 때문이다. 이들 친수성 화합물의 효율적인 제거는 대부분의 미생물 오염 물질의 세포벽이 친수성이기 때문에 이러한 조성물이 또한 미생물 오염 물질에도 효율적이라는 가정에 대한 이유를 제공한다.
효율성을 입증하기 위해, 다음의 실험은 생물학적 오염 물질로 수행되었고, 이는 다음을 사용하여 수행되었다:
- 104 내지 106 집락-형성 단위(CFU)/m3 공기 농도의 고초균(Bacillus subtilis)의 박테리아 포자,
- 104 내지 106 CFU/m3의 농도의 레지오넬라 뉴모필라(Legionella pneumophila),
- 103 내지 104 플라크 형성 단위(PFU)/m3 농도의 T2-박테리오파지.
실험은 전술한 바와 같은 샌드위치 설계를 갖는 장치가 정렬되는 0.8 m3의 클래스 A 아이솔레이터(isolator)에서 수행되었다. 캐리어는 허니컴 형상의 알루미늄으로 제조되었다. UV 방사선 소스는 18 W의 UV-방출 램프였다.
에어로졸 생성기는 아이솔레이터 내에서 공기 흐름을 제공하는데 사용된다. 매번 공기는 언급된 오염 물질 중 하나만을 포함한다. 오염된 공기는 이후 장치로 처리된다.
처리의 효율성을 입증하기 위해, 바이오 컬렉터(bio collector)가 처리 전후에 공기로부터 샘플을 수집하여 비교를 제공하는데 사용된다. 샘플은 사용된 오염 물질에 해당하는 배지에서 배양물을 제조하는데 사용된다.
레지오넬라 뉴모필라의 경우 한천 및 L-시스테인을 함유하는 Biomerieux에서 얻은 BYCE 배지가 사용된다.
고초균의 경우, LB Luria Bertani 배지가 사용된다.
T2-박테리오파지의 경우, E. Coli BAM을 포함하는 배지가 사용되고 활성 바이러스로부터 유래하는 용해 플라그의 수가 조사되었다.
결과는 처리 전의 공기와 비교하여 처리 후의 레지오넬라 뉴모필라에 대해 2 log(99.45%), 고초균에 대해 1 log(96.67%), 및 박테리오파지 T2에 대해 3 log(99.98%)의 감소를 나타낸다.
또한 추가의 유사한 실험은 다른 생물학적 및 화학적 오염 물질을 사용하여 수행되었다. 이들은 0.537 m3의 부피를 갖는 미생물학적 안전 캐비닛 내에서 수행되었다. 장치는 10분 동안 가동되었다. 이후 및 이전에, 샘플은 비교를 위해 수집되었다. 출구 필터는 사용되지 않았다.
인간 코로나바이러스 균주 229E(H-CoV-229E)의 감소는 > log2.2(> 99.4%)였다.
15분의 가동 시간 후 황색 포도구균 CIP 4.83의 감소는 log 1.3(94.9%)였다.
또다른 유사한 세트의 테스트가 다른 생물학적 오염 물질을 사용하여 수행되었다. 이는 샌드위치 설계 및 HEPA 출구 필터를 갖는 장치로 수행되었다. 유속은 1000 또는 1400 m3/h였고, 지속 시간은 6분이었다.
표피 포도상구균(ATCC 14 990)을 제거하는 효율은 1400 m3/h에서 > 99.88%였고 aspergillus brasiliensis(ATCC 16 404)의 제거 효율은 1400 m3/h에서 > 99.75%였다. 표피 포도상구균(ATCC 14 990)의 제거 효율은 1000 m3/h에서 > 99.91%였고 aspergillus brasiliensis(ATCC 16 404)의 제거 효율은 1000 m3/h에서 > 99.82%였다.
동일한 테스트는 HEPA 필터의 사용 없이 수행되었다.
표피 포도상구균(ATCC 14 990)의 제거 효율은 1400 m3/h에서 92.94%였고 aspergillus brasiliensis(ATCC 16 404)의 제거 효율은 1400 m3/h에서 93.59%였다. 표피 포도상구균(ATCC 14 990)의 제거 효율은 1000 m3/h에서 96.32%였고 aspergillus brasiliensis(ATCC 16 404)의 제거 효율은 1000 m3/h에서 90.00%였다.
추가적으로 공기 중 고양이 알레르겐(Fel d 1)의 제거는 HEPA 필터 및 1400 m3/h의 유속을 사용하여 조사되었다. 효율은 > 99.80% 내지 > 99.86%였다.
1000 m3/h의 공기 흐름을 적용하고 필터를 사용한 경우(A) 및 필터를 사용하지 않은 경우(B), 및 1400 m3/h에서 필터를 사용한 경우(C) 및 필터를 사용하지 않은 경우(D)에 VOC의 감소 또한 조사되었다.
아세트알데히드의 제거 효율은 31.5% ± 20%(A), 39.4% ± 11.1%(B), 45.5% ± 11.0%(C) 및 56.2% ± 8.2%(D)였다.
아세톤의 제거 효율은 98.1% ± 1.7%(A), 94.5% ± 0.5%(B), 90.5% ± 1.3%(C) 및 100% ± 2.3%(D)였다.
산성 산(acidic acid)의 제거 효율은 99.7% ± 0.1%(A), 99.3% ± 0.2%(B), 99.5% ± 0.10%(C) 및 99.4% ± 0.1%(D)였다.
헵탄의 제거 효율은 98.0% ± 0.2%(A)였고 톨루엔은 98.4% ± 0.1%(A)였다.
도 1에서, 고체 격자형 캐리어(2)에 대한 사시도가 도시된다. 점선은 전체 캐리어의 일 섹션만이 도시됨을 나타낸다. 캐리어(2)는 바람직하게는 빗(4)을 형성하도록 주름진 시트로부터 형성된 허니컴 패널로서 설계된다. 시트는 바람직하게는 알루미늄과 같은 비활성 물질로 제조된다. 각각의 빗(4)은 관통 홀(6)을 형성하며, 이는 기체가 캐리어(2)를 통해 흐르도록 한다.
캐리어(2)는 빗(4)의 길이가 연장하는 길이 방향 축(L)을 갖는다. 빗(4) 각각은 육각형 단면을 갖고, 이는 바람직하게는 이의 길이를 따라 일정하게 유지된다. 상응하게, 관통 홀(6)은 또한 육각형 단면을 갖는다.
도 2에서, 도 1에 도시된 바와 같은 캐리어(2)의 일 섹션은 코팅된 상태로 도시되어, 촉매 장치(8)를 형성한다. 하나의 빗(4)은 인접한 빗(4)의 두 개의 힌트된(hinted) 측벽으로 도시된다. 코팅된 상태에서, 캐리어(2)의 표면은 제1 촉매, 제2 촉매 및 흡착제로 대부분, 바람직하게는 완전히 코팅된다.
그러나, 도 2에서, 코팅(10)은 명확성을 이유로 빗(4)의 에지에만 도시된다. 그럼에도 불구하고, 코팅(10)은 또한 빗(4)의 내부 표면(12) 및 빗(4)의 외부 표면(14)에 적용되며, 이는-캐리어(2)의 측면 단부를 제외하고-인접한 빗(4)의 내부 표면(12)을 형성한다. 표면은 바람직하게는 100 ㎛ 내지 250 ㎛의 두께를 갖는 결과 층을 형성하기 위해 다중 층으로 코팅된다.
도 3은 기체 오염 제거 장치의 구체예의 오염 제거 유닛(16)의 부분적으로 조립된 구체예를 도시한다. 본 발명의 일 구체예에서, 오염 제거 유닛(16)은 기체 오염 제거 장치이다. 또 다른 바람직한 구체예에서, 기체 오염 제거 장치는 오염 제거될 기체에 대해 지정된 유로를 정의하는 하우징을 포함한다. 오염 제거 유닛(16)은 이후 이 지정된 유로 내에서 정렬된다.
오염 제거 유닛(16)은 제1 촉매, 제2 촉매 및 흡착제로 코팅된 캐리어(2)를 갖는 두 촉매 장치(8)를 포함하며, 그 중 하나만이 도 3에 도시된다. 캐리어(2)는 각각 측면 단부에서 캐리어 하우징(18)에 의해 둘러싸인 허니컴 패널로부터 형성된다. 캐리어(2)가 캐리어 하우징(18)에 둘러싸일 때, 이들 빗(4) 및/또는 캐리어(2)의 빗의 표면만이 코팅되며, 이는 환경에 노출되고 캐리어 하우징(18)에 의해 커버되지 않을 수 있으나 반드시 그런 것은 아니다.
오염 제거 유닛(16)은 4개의 UV 방사선 방출 램프(22)의 어레이로 설계된 UV 방사선 소스(20)를 더욱 포함한다. 바람직하게는 이들은 UV-C 방사선을 방출하는 램프이다. 램프(22)는 단위 프레임(24) 내에 정렬된다. 단위 프레임(24)은 바람직하게는 UV 방출 램프(22)를 제거 가능하게 장착하기 위한 소켓(26)을 포함한다. 바람직하게는 단위 프레임(24)은 UV 방출 램프(22)를 위한 적어도 하나의 전원을 더욱 포함한다.
단위 프레임(24)은 또한 촉매 장치(8)를 수용하기 위한 2개의 리셉터클(receptacle)을 포함한다. 도 3에서, 리셉터클(28)은 지지 표면(30)에 의해 형성되고, 지지 표면(30)에 대해 캐리어(2) 및 캐리어 하우징(18)이 대응하여 설계된다. 이들은 지지 표면(30)에 단순히 놓이도록 위치되거나 클램프 등을 통해 단위 프레임(24)에 부착되도록 위치된다. 또 다른 구체예에서, 리셉터클(28)은 슬라이드-인-모듈로 설계되는 촉매 장치(8)에 대응하는 슬롯으로 설계된다.
오염 제거될 기체는 캐리어(2) 및 흐름(F)의 방향을 따른 UV 방사선 소스(20)를 통해 흐른다. 명백하게, 기체 오염 제거 장치의 설계에 따라 흐름(F)의 방향은 반대 방향으로 진행할 수 있다. 흐름(F)의 방향은 특히 길이 방향 축(L)을 따라 진행한다.
도시된 바와 같이 설계된 오염 제거 유닛(16)의 하나의 이점은 촉매 장치(8) 및 이에 대응하는 캐리어(2)의 코팅(10) 내의 촉매는 UV 방사선 소스(20)에 공간적으로 매우 근접하다는 점이다. 따라서, UV 방사선은 특히 UV 방사선 소스(20)의 양 면에 촉매 장치(8)가 존재하기 때문에 광촉매를 활성화하는데 잘 사용될 수 있다. 또한, 램프(22)의 폐열은 바람직하게는 저온 촉매인 제2 촉매의 촉매 활성을 강화하는데 사용될 수 있다.
도 4는 단위 프레임(24)에 부착된 두 촉매 장치(8)와 함께 조립된 상태의 오염 제거 유닛(16)을 나타내며, 이들 각각은 리셉터클(28)의 지지 표면(30)에 인접하다. 이는 촉매 장치(8)의 치수가 단위 프레임(24)의 치수와 대응한다는 것을 나타낼 수 있다.
2 캐리어
4 빗
6 관통 홀
8 촉매 장치
10 코팅
12 내부 표면
14 외부 표면
16 오염 제거 유닛
18 캐리어 하우징
20 UV 방사선 소스
22 UV 방출 램프
24 단위 프레임
26 소켓
28 리셉터클
30 지지 표면

Claims (18)

  1. 다음의 단계를 갖는 촉매 장치(8)를 제조하기 위한 방법:
    a) 광촉매 활성을 갖는 제1 촉매, 제1 촉매와 상이한 분자인 제2 촉매, 및 흡착제를 각각 분말 상태로 제공하는 단계,
    b) 촉매 조성물을 형성하기 위해 제1 촉매, 제2 촉매 및 흡착제를 섞는(mingling) 단계 및 슬러리를 형성하기 위해 촉매 조성물을 현탁액에 현탁하는 단계, 및
    c) 슬러리를 기체가 캐리어(2)를 통해 유동하도록 배열(configure)된 복수의 관통 홀(through hole)(6)을 갖는 고체 격자-형 캐리어(2) 상에 반복적으로 코팅하는 단계, 및 현탁액을 증발시키는 단계.
  2. 청구항 1에 있어서,
    관통 홀(6)은 캐리어의 부피의 적어도 80%를 차지하는 것을 특징으로 하는, 촉매 장치(8)를 제조하기 위한 방법.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    슬러리는 바인더가 없는 것을 특징으로 하는, 촉매 장치(8)를 제조하기 위한 방법.
  4. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    슬러리는 스프레이-코팅을 통해 캐리어(2) 상에 코팅되는 것을 특징으로 하는, 촉매 장치(8)를 제조하기 위한 방법.
  5. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 촉매는 이산화티타늄(TiO2)인 것을 특징으로 하는, 촉매 장치(8)를 제조하기 위한 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    제1 촉매는 60/40 내지 99/1의 예추석(anatase)/금홍석(rutile) 비를 갖는 예추석 및 금홍석의 혼합물의 형태의 이산화티타늄(TiO2)인 것을 특징으로 하는, 촉매 장치(8)를 제조하기 위한 방법.
  7. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 촉매는 저-온 촉매인 것을 특징으로 하는, 촉매 장치(8)를 제조하기 위한 방법.
  8. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    흡착제는 제올라이트인 것을 특징으로 하는, 촉매 장치(8)를 제조하기 위한 방법.
  9. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    구성 요소가 이의 총 질량에 대한 중량 퍼센트로 다음의 범위:
    27% 내지 30%의 제1 촉매, 11% 내지 17%의 제2 촉매 및 55% 내지 59%의 흡착제로 제공되는 것을 특징으로 하는, 촉매 장치(8)를 제조하기 위한 방법.
  10. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 따른 방법을 통해 얻을 수 있는 촉매 장치(8).
  11. 총 중량에 대한 중량 퍼센트로, 각각 분말 상태의:
    27% 내지 30%의 광촉매 활성을 갖는 제1 촉매, 11% 내지 17%의 제2 촉매 및 55% 내지 59%의 흡착제를 함유하는, 촉매 조성물.
  12. 청구항 11에 있어서,
    제1 촉매는 이산화 티타늄(TiO2)이고, 제2 촉매는 일산화 망간(MnO)이며, 흡착제는 제올라이트인, 촉매 조성물.
  13. 청구항 11 또는 12에 있어서,
    흡착제는 타입 A의 합성 친수성 제올라이트인, 촉매 조성물.
  14. 청구항 11 또는 12에 있어서,
    제1 촉매는 광-활성화된, 촉매 조성물.
  15. 청구항 11 내지 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매 조성물은 분말화된 비-열(non-thermal) 촉매이고, 이의 총 질량에 대한 중량 퍼센트로:
    27% 내지 30%의 광-활성화된 이산화티타늄(TiO2),
    11% 내지 17%의 일산화망간(MnO),
    55% 내지 59%의 타입 A의 합성 친수성 제올라이트를 포함하는, 촉매 조성물.
  16. 청구항 10에 따른 촉매 장치(8) 및/또는 캐리어(2) 상에 코팅된 청구항 11 내지 15 중 어느 한 항에 따른 촉매 조성물을 포함하는 기체 오염 제거 장치로서,
    여기서 촉매 장치(8) 및/또는 촉매 조성물은 오염 제거될 기체의 지정된 유로 내에 적어도 부분적으로 제공되는, 기체 오염 제거 장치.
  17. 청구항 16에 있어서,
    적어도 하나의 UV 방사 소스(20)가 지정된 유로 내에 배치(arrange)되고 제1 촉매를 활성화하기 위해 촉매 조성물 및/또는 촉매 장치를 조사하도록 배열되는 것을 특징으로 하는, 기체 오염 제거 장치.
  18. 청구항 17에 있어서,
    하나의 UV 방사 소스(20)가 지정된 유로 내에 배치되고 하나의 촉매 장치(8) 또는 촉매 조성물이 업스트림(upstream)에 배치되며, 하나의 촉매 장치(8) 또는 촉매 조성물이 UV 방사 소스(20)의 다운스트림(downstream)에 배치되는 것을 특징으로 하는, 기체 오염 제거 장치.
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