화염 온도변화에 따른 나노 TiO2 입자 제조

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

최 상 근, 고 민 수, 김 교 선

강원대학교 공과대학 화학공학과

Preparation of Nano-size TiO2 Particles for Various Flame Temperatures

Sang-Keun Choi, Min-Su Ko, Kyo-Seon Kim

Department of Chemical Engineering, College of Engineering,

Kangwon National University

서론

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

나노사이즈 재료의 합성은 일반적으로 고상,액상 그리고 기상법으로 나누어지는데, 최근에는 고순도, 무응집 결정상의 나노 사이즈 재료를 강하게 요구되므로, 이들 재료를 합성하는 최적의 공정은 물론 원자 또는 분자단위에서 클러스터 혹은 입자로 성장하는 기상합성법이 가장 이상적인 차세대의 기술로 부각되고 있다[1,2].

기상합성 공정의 특징은 생성조건에 따라 입도 분포가 좁은 입자를 쉽게 제조할 수 있으며, 기상의 물질농도가 낮으므로 생성되는 입자의 응집이 적고 개입되는 화학물질의 수가 적으며, 액상법에 비해 공정이 간단하고 범용성이 있으며, 제조공정변수의 조절이 쉽고 산화물 이외의 얻기 힘든 질화물, 탄화물, 붕화물, 금속 등의 비 산화물을 얻을수 있다. 휘발성 원료는 정제가 용이하므로 고순도의 생성물을 얻을 수 있고, 고온 공정이 많아 소성이 불필요한 경우가 많다[3-6].

최근 광촉매는 환경오염 문제에 대한 해결책으로 폐수처리 및 미생물 처리에 응용되어지고 있다.  폐수처리방안 중 활성탄을 이용한 흡착법이나 기포제거방법 등을 이용하는 화학적 처리방법은 액체상태의 오염물질을 단순히 고체나 기세상태로 변화시킬 뿐 완전히 분해하지는 못하기 때문에 2차 공정이 필요하다는 문제점을 안고 있고, 생물학적 처리방법은 기술적으로 타당성이 있긴 하지만 폐수나 지하수에 함유되어 있는 유해성분이나 처리과정에서 생성된 2차 부생물이 미생물에 치명적일 수 있다는 문제점을 안고 있다[7-10].

여러 문제점들에 의해 새로운 폐수처리기술에 대한 연구가 요구되었고, 그 중에서 광촉매 반응을 이용한 폐수처리가 2차 부생물의 발생이 없고 상온 및 상압에서 운전이 가능하다는 장점을 가지고 있다.  또한 광촉매를 이용한 문제 해결을 위한 연구가 진행중에 있다. 특히 광촉매중 TiO2 광촉매는 빛이 조사되면 TiO2 상에서 할로겐화 탄화수소가 분해되는 것을 관찰되었다.  이후 포화 및 불포화 지방족 탄화수소, 알코올, 카르복실산, 페놀을 비롯한 방향족 탄화수소, 계면활성제, 제초제, 살충제, 그리고 염료 등의 다양한 화합물을 광촉매 반응으로 분해하려는 연구가 진행되어 오고 있다.  또한 최근에는 미생물의 처리(germs, virus, bacteria, cancer), self-cleaner, 탈취제 등으로도 많은 연구가 이루어지고 있다[6, 11-14].

본 연구에서는 확산형 화염 반응기를 이용하여 제조되는 나노사이즈 TiO2 광촉매를 온도변화에 따른 입자의 크기 변화를 조사하였으며 이를 이용하여 페놀등의 난분해성 물질들의 처리에 응용하고자 하였다.

실험방법

본 연구에서 나노크기 TiO2 광촉매를 제조하기 위하여 Fig.1과 같은 확산 화염 반응기를 제작하여 사용하였으며, 전체적인 실험장치의 개략도를 Fig.2에 나타냈다.  확산 화염반응기는 5개의 동심원으로 제작하였으며 최외경이 직경 약 2.5cm로서 실험에 따라서 연료와 산소, TiCl4를 각각의 동심원으로 공급하였으며, 연소반응에 필요한 연료는 도시가스(프로판 59.25%, 질소 30.45%, 산소 8.09%, 부탄 1.47%, 열량 15000□/m3)를 사용하였다.  확산 화염 반응기에서 생성된 TiO2 입자는 실험장치 상부 약 50cm부근에 둥근 플라스크를 설치하여 열영동 현상을 이용하여 포집하였으며, 외부 온도 변화에 따른 입자의 포집 사이즈를 조사하기 위하여 같은 크기의 둥근 플라스크를 설치하여 열영동 현상만을 이용하여 입자를 포집하였다.

화염 반응기의 안정을 위해 열적으로 안정한 정상상태에 도달한 이후에 TiCl4를 공급하여 나노 사이즈 TiO2 입자를 제조하였다.  불꽃에서 산소와 반응하여 생성된 TiO2 미립자는 고온의 유체와 함께 플라스크 내부로 유입되게 되고 고온의 기체가 둥근 플라스크 벽면을 통한 열전달에 의해 냉각되므로 고온의 기체와 둥근 플라스크 벽면 사이에 온도구배가 존재하여 TiO2 미립자가 계속하여 열영동 현상에의해 둥근 플라스크 안쪽 내벽에 포집된다.  또한, 화염은 주위 대기의 흐름 및 온도에 의하여 화염의 형태와 온도가 민감하게 변화하므로 본 연구에서는 화염을 파이렉스 실린더를 이용하여 주위의 대기와 차단하였고, 화염내의 온도는 R-type 열전대와 방사열 온도계로 측정하였다.

이렇게 제조한 TiO2 광촉매를 BET (Micomeritics, ASAP2000), Laser Light Scattering (BROOKHAVEN, 90Plus))등의 분석장비를 이용하여 비표면적과 입자 크기분포를 측정하였다.

Fig.1 Schematic of flame reactor	Fig.2 Schematic of experimental setup to prepare nano-sized TiO2 particle

실험결과

본 실험에서 사용한 확산화염반응기의 온도 분포를 아래 Fig.3과 Fig.4에 나타내었다. 아래 온도 분포표의 공정조건은 연료/산소비를 0.1을 기준으로 연료를 200ml/min,

Fig.3. Temperature profiles of reactor along the radial distance (Fuel=200ml/min, O2=2000 ml/min).	Fig.4. Temperature profiles of reactor along the radial distance (Fuel=100ml/min, O2=1000 ml/min).

	Table.1 Experimental conditions
	No.	Fule/O2 ratio	Fule(ml/min)	O2(ml/min)	High Temp.(℃)
	1	0.1	200	2000	1154
	2	0.2	200	1000	1083
	3	0.15	150	1000	1129
	4	0.2	100	500	1082
	5	0.1	100	1000	1105
	6	0.2	150	750	1087
	7	0.15	112	750	1102
	8	0.15	100	667	1081
							Fig.5. Temperature profiles of reactor at y=5mm along the radial distance for various process conditions.

100ml/min으로 산소의 공급유량을 2000ml/min에서 1000ml/min으로 변화시켰을 때의 온도분포 표이다.  Fig.3과 Fig.4의 5mm에서의 최대 온도는 1154℃와 1105℃의 차이를 나타나는데 이는 연료/산소비가 같더라도 공급되는 연료의 양이 차이가 나므로 온도차가 발생하며, 특히 20mm 부근의 온도변화는 903℃와 892℃로 온도의 변화차이가 큰 변화를 보이지 않는데 이는 온도의 확산에 의해 온도의 분포가 20mm지점에서 크게 변화지 않는 것을 알 수 있었다.  또한 본 실험에서 입자를 제조하기 위한 공정변수는 Table.1에 나타내었으며, 각각의 공정 조건에 따른 5mm에서의 최대 온도 분포를 Fig.5에 나타내었다.

공정변수변화에 따른 flame의 온도 변화를 측정하였으며, 이러한 온도변화에 따라 여러 TiO2 입자가 제조가 되었다.  제조된 TiO2 입자의 특성분석을 하였으며, 온도변화 및 Particle collector(A,B)에 포집된 입자의 특성을 분석하였다.

참고문헌

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