광섬유에 지지된 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물의 제거

고정윤, 최원용,정종식

포항공과대학교 환경공학부/화학공학과

Photocatalytic Removal of VOCs using an optical fiber reactor

Joung Yun Ko , Won Yong Choi, Jong Shik Chung

School of Environmental Engineering/Dept. of Chemical Engineering

Pohang University of Science and Technology(POSTECH)

서 론

최근 환경문제에 대한 사회적 관심이 높아지면서 작업장 내의 악취나 산업체의 각종 저장탱크로부터의 휘발성 유기물질이 심각한 문제로 대두되고 있다. 이런 시스템으로부터의 휘발성 유기물질의 제거는 안정상 상온, 상압의 조건에서 이루어져야 하기 때문에 고온의 반응 조건을 요구하는 촉매 분해나 연소 등의 방법은 적절하지 않다. 그리하여, 본 연구는 광촉매 반응을 이용한 악취 및 VOC제거 실험을 수행하였다. 특히 광섬유표면에 지지된 광촉매를 이용한 광반응기의 특성과 아세톤의 광분해를 연구하였다.

이 론

광촉매 반응은 촉매에 의하여 광화학 반응이 가속화되는 일련의 촉매반응을 의미한다. 반응물은 빛을 흡수하지 않고, 광촉매가 band gap이상의 빛에너지를 흡수하여 conduction band와 valence band에 각각 전자/전공쌍을 생성한 뒤 뒤따르는 계면에서의 반응에 의하여 광촉매 반응이 개시된다.

Dibbe와 Raup는 TiO2 광촉매를 이용하여 삼염화에틸렌(TCE)을 광분해하였다. 그 후 많은 연구  그룹들에 의해 다른 유기화합물에 대한 연구가 활발하게 진행되어 왔다.

광섬유에 광촉매를 coating시키면, 광섬유를 통해 전달되는 빛이 광촉매에 도달하여 이를 활성화시키므로 광섬유를 이용한 광촉매 반응기의 설계가 가능하다.[1,2]

광섬유는 refractive index, n1(core) >n2(ambient)일 때, 임계각 이상의 빛이 조사되면 전반사가 일어나는 원리로 여러 분야에 응용되고 있다. 광섬유 표면에 refractive index(n2)가  더 큰 물질을 코팅시키면 빛은 아래의 Snell's law에 따라 코팅층을 통해 산란된다.

Snell's  law  :  n1sin□1 =  n2sin□2

TiO2의 refractive index 는 광섬유의 1.5보다 더 커서(약 2.5-5.5, 380-400nm에서 2.4-2.6이고 파장이 짧아질수록 증가하여 300nm에서는 약5.5)[3] 광섬유/TiO2 계면에서 전반사가 일어나지 않고, 광의 일부분은 TiO2코팅층으로 굴절되어 나간다. 굴절된 광은 TiO2층을 활성화시키고 광섬유표면으로 확산되어온 유기분자는 TiO2표면에서 분해된다. 반사된 광은 뒤따르는 여러 차례의 반사/굴절 과정을 반복하면서 점차적으로 세기가 감소하면서 광섬유 축을 따라 전달된다.

실 험

직경 1mm의 quartz optical fiber(3M Power-Core FT-1.0-UMT)가 substrate로 사용되었다. TiO2(Degussa P25)에 증류수를 넣어 5wt%의 현탁액을 만들었다. 광섬유의 보호 buffer와 cladding을 벗기고, 잔류 cladding을 완전히 제거한 후 증류수로 세척하여 사용하였다. 현탁액을 스포이드를 사용해 코팅층을 만든 후, 공기중에서 건조시킨 후, 100-200℃로 열처리하였다. 300W Xe lamp(Oriel Model 66028)을 광원으로 사용하였고, 단일 광섬유와 4가닥 광섬유 반응기를 제작하여 반응실험을 수행하였다. 실험변수로는 체류시간, 광의 세기, 수증기의 영향, 촉매층의 두께에 따른 반응성 등을 변화시켜 보았다.  VOC 분해 분석 및 측정은 GC FID(HP 6890)을 이용하여 수행하였다.

결과 및 고찰

TiO2가 코팅된 광섬유를 따라 전달되는 빛의 분포를 알아보기 위하여 광섬유 말단까지 투과되어 나오는 빛의 세기를 power  meter를 사용하여 광섬유의 길이를 변화시키며 측정하였다. Fig 2에서 보듯이 30cm 에서 약 90%의 흡수 및 굴절율을 보였고, 코팅횟수에 따라 코팅층의 두께가 증가함에 따라 광의 흡수 및 산란은 조금은 증가하였으나 큰 차이는 보이지 않았다. 감쇠상수는 코팅횟수에 따라 4.3 ~5.6(m-1)으로 조금 증가하였다. 광섬유의 길이는 30cm로 정하고 반응기를 제작하였다. 단일 광섬유로 아세톤의 광분해도는 정상상태 전화율이 9%로 관찰되었다.(Fig 3) 이는 기존의 annular reactor 보다 단위표면적당 전화율이 약 1.5배 더 높은 것이다.[4]

4가닥 광섬유 반응기를 제작하여 체류시간이 증가함에 따라 정상상태의 전화율이 증가함을 볼수 있다.(Fig 4) 광의 세기에 따른 광분해율을 관찰하였더니 광의 세기가 감소할수록 전화율도 더불어 감소함이 관찰되었다. 연속적인 아세톤의 광분해 실험에서 광활성의 저하는 관찰되지 않았다.(Fig 6) 수분이 많이 첨가되면 될수록 광활성이 저하되는 것이 관찰되어 다른 기상 광촉매반응의 결과와 일치하였다. (Fig 7)

본 연구에서 광섬유 반응기를 제작하여 기상에서 아세톤을 분해시켜 보았더니, 기존의 annular 반응기보다 더 효율적인 것으로 나타났다. 작업장이나 저장탱크 등에서 발생하는 다양한 휘발성 유기화합물을 광섬유 반응기를 이용하여 분해 처리할 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌

[1] D.F. Ollis, ; Marinangeli, R.E. AIChE Journal 23, 415(1977)

[2] Nicola j. Peill and  Michael R. Hoffmann, Environ. Sci. Technol.

30, 2806-2812(1996)

[3] Hecht, E. Optik ; Addison- Wesley Verlag(Deutschland) GmbH:

Bonn(1989) 179-186

[4] Rosana M. Alberici. Wilson F. Jardim, Appleid Catalysis B:

Environ.14, 55(1997)