광섬유를 활용한 광화학반응기 (Optical Fiber Reactor) 구성 및 응용

윤재경, 강준원*, 주현규, 전명석, 이태규

연세대학교 환경과학과*, 한국에너지기술연구소 태양에너지응용연구팀

Preparation and Application of Optical Fiber Reactor for Photocatalysis

J. K, Yoon, J. W. Kang*, H. K. Joo, M. S. Jeon, T. K. Lee

Dept. of Environmental Health and Science, Yonsei University*

Applied Solar Energy Research Team, Korea Institute of Energy Research

서론

최근에 관심이 고조되고 있는 광촉매를 활용한 유독물 처리시스템에서는 효율증대를 위하여 고효율의 광촉매 및 시스템 제조와 가시광선 활용을 위한 새로운 광촉매 제조 등의 연구가 진행되고 있다. 일례로 전체적인 시스템 효율증대를 위하여 촉매회수 단계가 생략되는 광촉매 고정화가 연구되어지고 있는데 이는 물질전달 제악에 따른 반응효율 감소를 동반하는 것이 일반적이다. 이러한 이유로 고정화된 상태에서 효율감소가 억제되는 시스템이 필요하게 되었으며 광섬유를 활용한 광화학반응기(optical fiber reactor, OFR)가 그 역할을 할 수 있을 것으로 기대되었다. 이러한 형태의 반응기는 기존의 빛이 조사되는 면적단위 반응을 광섬유가 분포된 부피단위 반응으로 전환하여 효율 감소를 억제하는 동시에 빛의 수송도 가능하여 빛이 존재하지 않거나 미약한 장소에서도 인공램프/태양빛의 활용으로 유독물을 처리할 수도 있을 것이다.

실험

우선 구입한 광섬유(1mm OD, 3M)를 80cm 단위로 60가닥을 자른 후 외부 폴리머 피복을 50cm 칼로 벗기고 내부 cladding 또한 완전히 없앤다. 그 다음에 광촉매 코팅을 위하여 silica core 부분을 아세톤과 에탄올을 사용하여 에칭(etching)시키며, 이 때 아세톤 → 증류수 → 에탄올 → 증류수 → 아세톤...의 순으로 3 ~ 4회 반복한다. 이러는 과정과 동시에 광촉매(Degussa P25)를 약 15wt%로 수용액(물+알코올)에 넣고 마그네틱바(magnetic bar)를 이용하여 하루정도 슬러리를 교반시킨다. 이때에 슬러리의 pH는 약 3-4를 유지하여 실리카와 광촉매 간의 전기적 인력을 증가시킨다. 에칭이 끝난 후 광섬유다발을 광촉매가 혼합된 용액에  약 10분 정도 담그고, 꺼내어 한시간 정도 300 oC에서 열처리를 하며, 이런 과정을 5 ~ 10회 반복하여 원하는 광촉매 코팅양과 안정성을 얻는다. 이렇게 광촉매가 코팅 된 광섬유 다발을 제조한 후 Fig.1과 같이 반응기를 구성하였다. 반응기는 기상/액상용으로 구분될 수 있는데, 우선 기상용은 Fig.1에서 보듯이 기상물질이 들어가는 반대쪽에 나사형식의 캡을 씌워 유지/보수가 용이하게 하였으며, 캡의 내부에는 광섬유다발 holder의 외경 크기로 구멍을 뚫고 고무packing을 이용하여 다발을 지지할 수 있게 하였다. 액상의 경우에는 오염수가 들어가는 입구 바닥면에 frit을 끼워 공기를 불어넣을 수 있게 하였으며 수직으로 사용할 때에는 캡이 필요하지 않는다. 이러한 반응기는 처리용량에 따라 직렬연결이 용이하며, 태양광과 인공광의 병용이 가능하여 경제적 효과를 극대화 할 수도 있다.

제작된 OFR반응기, UV램프(1KW Xenon lamp, Oriel), 그리고 각종 필터와 렌즈를 사용하여 TCE, PCE, 그리고 Toluene 분해실험을 수행하였으며, GC-ECD와 FTIR을 활용하여 농도변화 추이를 분석하였다. 이에 대한 결과를 다음에 나타내었다.

실험결과 및 검토

우선 Xenon lamp를 세기별로 출력세기별로 실험하여 300W사용시 600W와 1KW와 비교하여 상대적으로 느린 반응을 관찰함으로써 600W를 실험에 계속 적용하였다(250~420nm영역에서 400mW/cm2, 313nm에서 4mW/cm2). Fig. 2에서 보듯이 150ppm의 경우 TCE가 PCE보다 빠르게 나타났으며, 약 2~2.5시간에 TCE가 90%, PCE가 70%정도의 분해율을 나타내었다. 그러나 Toluene의 경우는 2시간 이후의 반응에서도 최고 40%정도만이 분해되어 상당히 느린 분해율을 나타내었다. 이 밖에 FTIR을 이용한 생성물 분석을 수행 중에 있으며, 다발 내의 광섬유 수, 광섬유 길이 등의 변수별 실험도 병행하고 있다.

참고문헌

1. N. J. Peill and M. R. Hoffmann, Environ. Sci. Technol., 29, 1995.

2. N. J. Peill and M. R. Hoffmann, Environ. Sci. Technol., 30, 1996.

3. 윤재경, 강준원, 이태규, 전명석, 주현규, J. of KSEE, 21(5). 1999.

4. 주현규, 전명석, 이태규, 21(6), 1999.

Fig.  The Schematic Diagram of Optical Fiber Reactor

Fig.  The comparison of optic fibers reaction for chlorinated hydrocarbon (TCE, PCE initial conc. : 150 ppm, O2 50%, relative humidity : 50%, Xenom lamp intensity 0.6 KW, optic fiber bundlle coated P-25 0.5g)

Fig.  Photocatalytic degradation trend of Toluene by Optic fiber repeating reaction (Toluene 150 ppm, O2 50%, relative humidity 50%, treated Vol. 20 L)