TECHNICAL ETC.
ETC
UV와 광촉매
작성자 : 퓨리존 대표이사 주재순
기술적인 know-how에 관한 사항은 **로 표시한 점 양해 바랍니다.
1. 개 요
각종 생산현장에서 발생하는 VOC를 가장 경제적이고 효과적인으로 방법으로 제거하기위하여 첨단나노소재인 산화티타늄과 강력한 자외선을 응용하여야하는
데 응용방법을 도외시한채 실험실효과 만으로 적용하는 사례가 많다.
분명 광촉매 소재는 효과가 뛰어난 첨단소재이나 이를 현실에 적용하기 위하여는 정확한 응용방법을 알아야한다.
2. 제품적용을 위한 기본조건
① 광촉매로서 이산화티타늄 사용 .
② 오존이 발생하지 않는 범위에서의 가장 강력한 자외선파장.
② 오존이 발생하지 않는 범위에서의 가장 강력한 자외선파장.
③ 이산화티타늄의 최대함량. 적정입자크기.분체량.소성온도 등 고려.
④ 효율적인 UV LAMP배열.
⑤풍량에 따른 접촉자외선량 설치.
3. 응용원리
① 광촉매(Photocatalyst)
가. 광촉매란 간단히 설명하면 광반응을 가속시키는 촉매로 사용되는 세라믹물질을 말함.
나. 광촉매의 분류
· 균일계광촉매 :분자상태로 용액중에 존재
· 불균일계광촉매 : 반도체 물질로서 매질에 입자상 으로 존재
다. 광촉매 물질 : TiO₂, ZnO, CdS 등
라. 광촉매의 조건
· 반응에 직접 참여하여 소모되지 않아야하고, 기존의 반응과정에 다른 메카니즘 경로를제공하여 반응속도를 가속시키는 역할만하여야한다.
또한 계면 전자전이의 열역학적가능성이 있어 한다 : 띠간격이 크면 정공과 전자의 산화환원반응에 대한 구동력이 커지나 높은에너지의 광자가 요구되므로
태양광을 효율적으로 이용할 수 없고, 띠간격이 작으면 태양광을 많이 흡수할 수있으나 산화환원반응에 대한 구동력이 떨어짐
· 화학적.광화학적 안정성이 있어야한다 : 산.염기에 대한 화학적 안정성은 물론이고 광화학적으로 부식되지 않아야한다.
(반도체 격자내에 생성된 정공과 전자가 격자를 루는 양 이온이나 음이온과 결합하여 반도체를 광화학적으로 부식시킴)
② 광촉매의 원리
가. 개요
촉매에 빛을 조사하면 촉매가 빛에너지를 받아 촉매내부에서 전자들의 이동이 일어나고 이동된 전자들이 강력한 화학작용 (산화.환원)을 일으킨다.
이때 전자들의 강력한 화학작용은 오염된 물질을 산화시켜 무해한 물질로 변화를 주는 과정
나. 반응과정
· 분자궤도이론 (molecular orbital theory)에 의하면 분자궤도는 원자궤도(atomicorbitals)들의 선형결합에 의해 표현될수있으며 구성원자의 수가 증가
할수록 분자궤도간 의 에너지 차이가 줄어든다
· 고체의 경우 구성원자수가 무수히 많으므로 분자궤도간의 에너지차이는 무시할 만큼 작아져서 결국 연속적인 에너지 띠(band)를 형성한다.
이렇게 형성된 띠와 띠 사이에는 전자가 점유할 수 없는 금지된 에너지 띠간격(band gap,Eg)이 존재한다.
· 반도체에 빛이 조사될 경우 그 반도체의 띠간격 이상의 에너지를 갖는 광자(hv≥Eg)가 흡수되어 공유띠에서 전자띠로 전자여기(electron excitation)를
일으키고 이때 공유띠에는 정공(hole)이 전도띠에는 전자가 생성되는데 이를 전자-정공쌍 생성 (electron hole pair generation)이라고 한다.
이렇게 생성된 전자-정공쌍이 전류의 생산이나 광화학반응을 유도한다.
(참고)
· 전도띠(conduction band,CB) :전자에 의해 점유되지 않은 가장 낮은 에너지의 띠
· 공유띠(valence band,VB) : 전자에 의해 점유된 가장 높은 에너지의 띠
· 띠간격에너지 : 공유띠 가장자리와 전도띠 가장자리간의 차이
③ 광촉매의 응용
대기정화 ( 자동차배기가스.VOC)/ 가전기기 (공기청정기, 에어콘)/도로설비( 터널조명기구, 도로표지판,방음벽, 가드레일,반사경) /주택설비 ( 주방욕실자재,
타일,항균벽지,바닥 재,유리) /소비재( 위생도기.조리기구, 의료기구)/폐수처리 (하수,지하수,염료페수,침출수) /해양오염방지, 음용수 정화
4. 이산화티타늄(TiO₂)과 UV의 응용
① 광촉매로서의 TiO₂선택
가. 이산화티타늄의 장점 : 화학적,광학적으로 안정 / 인체무해/ 광활성우수/ 가격저렴
나. 반응원리
· 산화티타늄은 n형 반도체로서 자외선을 조사하여 주면 전자, 정공대가 형성되어 강한 산화력을 가진 하이드록시 래디칼(OH)과 O₂-를 생성한다.
이 산화력이 유기물을 CO₂와 H₂O로 분 해시켜 수중이나 공기중의오염물질을 제거, 살균, 부패방지, 탈취등의 용도로 사용된다.( 공기 청정기, 에어컨,
주방기기,폐수처리등)
· 산화티타늄은 표면이 옥소콤파운드 (Oxo Compound)에서 빛을 받으면 하이드록 시기로 변환되어 친수성이 되는데 이 원리를 이용한 것이 차량밀러의
김서림방, 욕실거울, 건물내외벽, 교통 표지판등이다.
② VOC제거를 위한 UV와 TiO₂의 응용
가. 띠 간격에너지 (3.0-3.2eV)가 비교적 크기 때문에 가시광선을 흡수하지 못하므로 짧은 파장의 자외선(400nm이하)을 필요로한다.
나. 강력한 UV와 TiO를 합성하면 엄청난 산화력을 지니게 되는데, 벤젠, 톨루엔.크실렌등 VOC와 다이옥신, NOx, SOx 등 을 제거할 수 있다.
다. 자외선의 조건/ 자외선파장과 산화티타늄을 포함한 산화물계 반도체는대체로 띠간격이 넓어 짧은 파장의 자외선을 필요로하는데 98%이상의 고순도의
산화티타늄이라 할지라도 최대한 짧은 파장의 자외선(고에너지)를 필요로한다.
***nm의 파장이 70% 이상
현장여건상 오존이 발생하지않는 파장이어야한다.***nm이상 자외선량은 *****㎼/sec이상이어야한다. 자외선과 광촉매와의 이격거리가 가장 중요함
(**cm이내 자외선파장별.광촉매별 교차실험 필요)
라. 광촉매조건
TiO₂함량 : ** % 이상 1차입자크기 : **-**nm 2차입자크기 : ***-***nm 결정성 : anatase 비표면적 : **-**
5. 제작기준
① **w이상의 고효율 UV LAMP 사용
② **M/sec 풍량기준. *초이상 반응장치와 접촉하도록 설계 (직열순환구조)
③ **형으로 광촉매 배열
④ quartz sleeve 비적용
⑤ 특수전자식안정기사용
⑥ STS 304 사용(광촉매plate는 별도재질)
⑦ 야간용 저용량 오존램프 겸용 검토(0.01ppm이하)
⑧ 고압방전방식 겸용검토