광촉매와 저온 탈취촉매를 이용한 실내공기중의 악취의 제거

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

양진욱, 신경이, 양오봉

전북대학교 공과대학 환경화학공학부/공업기술연구센터*

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Removal of ordor in indoor air by using deordorant catalyst and photocatalyst

Jin-Wook Yang, Kyung-Yi Shin, O-Bong Yang

School of Environmental and Chemical Engineering /

Research Center of Industrial Technology, Chonbuk National University*

서론

취기현상이란 여러종류의 성분이  혼합되어 있는 복합적인 냄새가 직접 인간의 감각에 호소하는 것으로 일반적으로 취기란 □냄새□와 □향기□를 모두 나타내는 단어이다. 통상적으로 취기란 악취를 의미하며 황화수소, 메르캅탄류, 아민류, 기타 자극성있는 기체상 물질이 인간의의 후각을 자극하여 불쾌감과 혐오감을 주는 것으로 일반적으로는 다성분 저농도의 혼합기체라고 볼 수 있다. 이러한 취기 농도가 감지될 수 없을 정도로 미량일 때 이 공기는 냄새가 없는 무취라고 말해진다. 따라서 취기를 제거하기 위해서는 불쾌한 악취 농도를 적절히 감소시키던지 냄새를 바꾸어 감지되는 것을 막는 것이 필요하다.[1] 사방이 밀폐된 실내에서 대부분 하루를 보내는 현대인에게 실내공기는 쾌적성 뿐만 아니라 건강 측면에서 아주 중요하다. 오염된 실내공기는 먼지나 세균에 의한 알레르기성 호흡기 질환, 음식물 등에서 발생하는 악취로 인한 신경성 질환, 새로 신축한 건물 등에 입주했을 때 건물 자재나 도료로부터 발생된 VOC(휘발성 유기 화합물) 등으로 인한 구토나 어지러움, 알레르기 등의 증상이 나타나는 빌딩증후군 등을 일으킨다. 이로 인하여 알데히드, 황화메틸, 메틸메르캅탄, 암모니아 및 황화수소의 악취성분과 프로필렌과 톨루엔 등의 VOC의 제거를 통한 쾌적한 환경에 대한 요구가 제기되고 있다. 현재 실내공기 정화 제품들은 활성탄 성분들을 이용한 냄새 흡착제나 향기를 이용한 방향제, 화학적 반응을 이용한 일회성 aerosol 제품들에 머물러 있으며, 일회성 흡착 필터와 전기집진기가 부착된 공기청정기가 주로 시판되고 있는 정도이다.[2] 이중 흡착에 의한 제거를 하는 실내공기 정화기는 수명이 짧아 영구적으로 사용할 수 없을 뿐 아니라 흡착이 되지 않는 악취 가스는 제거할 수 없는 단점이 있어 사용에 한계가 있다. 또한 전기집진기를 사용하여 분진제거를 목적으로 하는 실내공기 정화기는 사용시 전기를 과다하게 사용하여 에너지 효율이 낮고 악취 제거에는 성능이 미약할 뿐 아니라 제품의 가격이 고가인 단점이 있다.

본 연구의 목적은 실내의 실온에서도 악취의 제거능이 우수하고 반영구적으로 사용할 수 있는 저온 탈취촉매 필터에 난분해성 악취와 VOC의 제거능이 우수하고 먼지 등에 안정하며 항균 성능을 가진 광촉매로 악취가스를 제거하고자 함에 있다.

본론

탈취촉매 제조

이 실험에서는 사용한 저온 탈취촉매는 금속산화물계열의 실리카, 활성알루미나, 타이타니아를 사용하였으며 ZSM-5와 Y-제올라이트를 사용하였다. 이들을 담체로 하여 촉매의 전구체로 AgNO3, Cu(NO3)2·3H2O, Mn(NO3)2·5H2O등의 금속염을 weight%로 담지시켰다.[3]  먼저 일정량의 금속전구체를 물에 녹인 다음 담체와 혼합하여 회전증발관을 이용하여 함침법으로 제조한다. 용매가 날라가면 110℃의 oven에서 건조시킨 후 잘 갈아서 얻은 분말을 air분위기하에서 소성하여 탈취촉매를 얻었다.

광촉매의 제조

TiO2,와 Ag/TiO2 및 SiO2/TiO2를 솔-젤법으로 제조하였다. 먼저 촉매의 전구체로는 각각 titanium tetraisopropoxide[TTIP, Ti(OC3H7)3, Junsei, 98%], silver nitrate hydrate[AgNO3·xH2O, Aldrich]와 Tetraethyl orthosillicate[TEOS, Si(OC2H5)4, Junsei, 98%]를 사용하였다. 광촉매 제조하기 위해 공통 용매인 Isopropanol과 물을 혼합한 용액을 격렬히 교반시키면서 이 용액에 TTIP와 IPA를 혼합한 용액을 서서히 첨가하였다. 금속이 첨가된 형태의 광촉매는 금속의 전구체를 소량의 증류수에 녹인 후, TTIP를 H2O에 서서히 떨어뜨려 혼합시킨 용액에 첨가하였다. 이 용액은 숙성(aging) 과정을 거쳐, 건조와 폐쇄된 전기로에서 정해진 열처리 온도에 따라 소성을 실시하였다. 열처리시 승온 속도는 일정하게 5℃/min으로 하여 TiO2 졸을 제조하였다.

탈취촉매 반응

여러 가지 담체로 만든 금속담지 탈취촉매를 0.15g를 넣고 CH3SH와 (CH3)3N를 200ppm을 흘려주었다. 반응온도는 상온에서 시작하여 5℃/min로 승온하여 100∼250℃로 하여 25℃간격으로 촉매반응이 충분히 일어나도록 40분간온도를 일정하게 유지시켰다. 반응후 가스의 농도변화를 질량분석기(Balzers QMS 200)와 가스크로마토그래피(GC, DONAM system Inc. DS6200)을 사용하여 실시간으로 제거율을 측정하였다.

광촉매 반응

반응장치는 Fig. 1와 같으며 제조된 졸상태의 광촉매를 iron mesh에 dip-coating을 실시 하였다. 일정량의 촉매 3mg/cm2이 되도록 여러번의 dip-coating을 한 후 상온의 공기중에서 자연 건조시켰다. 이렇게 건조시킨 촉매를 coatinggks iron mesh를 건조와 폐쇄된 전기로에서 원하는 열처리온도에 따라  5℃/min로 일정하게 승온시켜 소성을 실시하였다. 코팅한 iron mesh를 광촉매반응기에 넣은후 Black Light Blue(BLB) lamp와 공기살균램프(UV-C)의 조사하에 CH3SH와 (CH3)3N를 200ppm을 흘려주어 질량분석기(Balzers QMS 200)와 가스크로마토그래피(GC, DONAM system Inc. DS6200)을 사용하여 실시간으로 제거율을 측정하였다. 실험중 온도는 상온인 18∼20℃로 유지하여 주었다.

결과 및 토론

탈취촉매 결과

여러 가지 담체에 Ag, Cu, Mn을 1, 2, 5wt%로 담지한 후 400℃에서 소성한 분말의 저

온탈취촉매로 메틸메르캅탄의 제거실험을 실시한 결과로 Fig 2.을 보면 일반적으로 제올

라이트계열을 담체로 한 HY-제올라이트와 ZSM-5가 높은 제거능을 보였다. Fig 3.는 트

리메틸아민의 제거실험 결과로 ZSM-5를 담체로 하였을 때 가장 좋은 제거율을 나타냈

으며 알루미나를 담체로 하였을때보다 제올라이트계열을 담체로 사용하였을 때 보다 좋

은 효율을 나타내었다.

광촉매 결과

금속을 담지한 졸 상태의 TiO2를 iron mesh에 Dip-coating한 것을 광촉매반응기에 넣은

후 악취가스의 제거실험을 실시한 결과 Fig 4.는 UV파장에 따른 메틸메르캅탄의 제거실

험이다. 이때 BLB lamp를 사용했을 때 보다 UV-C lamp를 사용했을 때 더 좋은 제거율

을 나타내었다. Fig 6.은 여러 가지 졸의 TiO2로 메틸메르캅탄의 제거실험을 실시한 결과

실리카를 넣은 TiO2와 Ag를 넣은 TiO2가 높은 제거율을 보였다. 이는 순수한 TiO2(P25)

보다 금속을 담지한 것이 더 좋은 제거를 보였으며 실리카를 담지한 TiO2는 실리카자체

가 다공성물질이여서 흡착을 잘하여 좋은 결과를 나타내었다.

참고문헌

[1] 명현국, 공기청정기술, 6, 2(1993).

[2] 환경관리연구소, 첨단환경기술, 기술보고문, 8(1996).

[3] Noriko Watanabe, Hisao Yamashita, Hiroshi Miyadera and Shgeru Tominaga,

Applied Catalysis B, 8, 405(1996).

[4] Jose Peral, Xavier Domenech and David F. Ollis, J. Chem. Technol. Biotechnol,

70, 117(1997).

[5] Andrew Mills and Stephen Le Hunte, J. Photochem. Photobio. A: Chem., 108,          1(1997).

[6] Zhijiang Li and Maria Flytzani-Stephanopoulos, Journal of Catalysis, 182,

313(1999).

Fig 1. 실험장치

		Condition
Gas Composition	Air	Balance
	CH3SH /(CH3)3N	200ppm
Total flowrate		150ml/min
Gas Hourly Space Velocity(GHSV)		40,000h-1
Reaction Temperature		25∼250℃
Analyzer		Massspectrometer /GC
Table 1. 탈취촉매 반응 실험 조건

		Condition
Gas Composition	Air	Balance
	CH3SH /(CH3)3N	200ppm
UV lamp		UV-A((BLB)
		UV-C
Amount of catalyst		3mg/cm2
Reaction Temperature		실온(18∼20℃)
Analyzer		Mass spectrometer /GC
Table 2. 광촉매 반응 실험 조건

Fig 2. Removal of methylmercaptan over Ag(1)-Cu(2)-Mn(5)/support. ZSM-5(■), Na Y-Zeolite(●), 활성알루미나(▲), HY-Zeolite(▼)	Fig 3. Removal of trimethylamine over Ag(1)-Cu(2)-Mn(5)/support. ZSM-5(■), Na Y-Zeolite(●), 활성알루미나(▲), HY-Zeolite(▼)

Fig 4. Removal of methylmercaptan over Ag/TiO2 for UV intensity. UV-A(BLB) (■), UV-C (●)	Fig 5. Removal of methylmercaptan using photocatalyst. Ag-TiO2(▲), SiO2-TiO2(●), P-25(■)