광섬유 광화학반응기를 이용한 기상중 C2Cl4의 광촉매분해

정희록*, 문 일*, 윤우석**, 윤영진**, 김종순, 주현규, 이태규

연세대학교 화학공학과*, (주)나노팩**,

한국에너지기술연구소, 태양에너지변환연구센터

Gas-phase photocatalytic degradation of C2Cl4 for optical fiber reactor

Hee Rok Jeong*, Il Moon*, Woo Sug Yoon**, Young Jin Yoon**,

Jong Soon Kim, Hunku Joo, Tai Kyu Lee

Department of Chemical Engineering Yonsei University*, NanoPAC Co. Ltd.**,

Photocatalysis and Photoelectrochemistry Research Center,

Korea Institute of Energy Research

서론

최근 지하수, 하천수, 수도수중에 폭넓게 존재하는 유기염소화합물은 심각한 사회문제로 대두대고 있다. 유기염소화합물중에는 발암성등이 있어 인체에 악영향을 미치는 것이 많다. C2Cl4(Tetrachloethylene, PCE)등은 휘발성이 높기 때문에 공기의 오염도 생각될 수 있다.

광섬유활용 광촉매 반응은 1977년 Ollis와 Marinangeli에 의해 처음 보고되었다. 이러한 결과들이 보고된 이후 1990년도 중반부터 Hoffmann그룹에서 개선된 코팅방법과 빛의 입사각도등을 제어하여 OFR시스템의 연구가 활발히 진행되고 있다. TiO2(Degussa P-25)를 광섬유활용 시스템에 적용하여 수중의 4-클로로페놀의 광촉매분해 효율이 크게 향상된다고 보고되고 있다(1).

한편, TCE의 기상중 광촉매 분해반응에 대하여는 많은 연구가 진행되었으나(2, 3) PCE의 경우 보고된 예가 많지 않다. 본 연구에서 광섬유 광촉매시스템의 기상중 VOC처리를 위한 적용 가능성 등을 검토하기 위하여 휘발성 유기염소화합물중의 하나인 PCE의 기상중 광촉매분해를 행하였다. 이 때 TiO2코팅의 두께와 빛의 세기등에 따른 PCE의 분해 특성 등에 대하여 검토하고 광촉매가 코팅된 광섬유시스템의 최적조건을 찾기 위한 연구를 행하였다. 그리고 GC/MS, GC/ECD, FTIR분광기를 이용하여 PCE의 기상중 광촉매분해에 있어서의 반응기구를 검토하였다.

실험방법

실험전 광섬유(3M, O.D 1mm)는 40cm 단위로 준비하였으며, 외부 buffer는 날카로운 칼로서 제거 하였으며, 내부 clad는 아세톤을 이용하여 화학적으로 제거하였다. 반응을 검토하기 위하여 광섬유는 1, 5, 10, 15가닥의 다발로 준비하였다. 광섬유에 광촉매를 코팅하기 위하여 TiO2(Degussa, P25) 1, 5, 10, 15 wt.% slurry을 각반후 1hr동안 sonication을 하였고, 광섬유에 코팅후 상온에서 24hr 건조하였다.

광원으로는 ORIEL instrument사의 200-1200W범위의 Xenon lamp를 사용하였고, ARC lamp power supply로 빛강도(300W, 600W, 900W)를 조절하였다. Fig. 1에 광촉매가 코팅된 광섬유 반응기(optical fiber reactor)시스템을 나타낸다.

반응물과 반응생성물의 확인을 위한 분석에는 GC/ECD(HP 5890 SERIES Ⅱ)와 GC/MS(HP 6890 puls+)를 사용하였다. 또 반응성이 큰 중간 생성물의 확인을 위하여 FTIR분광기(Bomen)를 사용하여 in situ 측정을 행하였다. 광섬유에 코팅된 TiO2의 두께는 SEM(Philips co., XL 30)을 이용하여 분석하였다.

실험결과 및 토론

Fig. 2에 광섬유위에 코팅된 TiO2의 두께에 따른 PCE의 기상중 광촉매 분해반응성에 있어서 분해율을 나타낸다. 이 경우 TiO2의 두께를 변화시키기 위하여  코팅에 사용한 TiO2 slurry의 농도를 변화시켰다. 그림에서와 같이 코팅된 TiO2의 두께가 약 600 nm의 경우, PCE의 광촉매 분해율이 가장 높게 나타났다. 그리고 TiO2의 코팅두께가 200nm 정도에서는 광촉매활성이 검토한 것중 가장 낮았다. 이것은 광섬유에 코팅된 TiO2양이 너무 적었기 때문으로 생각된다. 한편 코팅두께가 1200nm 이상이 되었을 때 그 활성이 떨어지는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 광섬유 core속으로 입사된 빛이 코팅두께가 두껍기 때문에 반응이 일어나는 TiO2표면까지 굴절되어 나오지 못하기 때문으로 판단된다. 그러나 Fig. 3에 나타낸 것과 같이 코팅된 TiO2의 두께가 두꺼워질수록 광섬유에 입사된 빛은 TiO2에 많이 흡수되는 것을 알 수 있었다.

Fig. 4는 빛강도에 따른 PCE의 기상중 광촉매 분해를 나타낸다. 본 실험에서는 Xenon lamp로 300W, 600W, 900W로 빛출력을 조절하여 PCE의 반응에 대한 영향을 조사하였다. 이 경우에는 빛의 강도가 증가할수록 PCE 분해속도가 선형적으로 증가하는 것을 확인하였다. 검토된 빛강도 내에서는 분해속도가 saturation되는 것을 확인할 수 없었다.

Fig. 5은 PCE의 광촉매 분해 반응의 생성물을 GC/MS를 이용하여 분석한 결과를 나타낸다. 이 반응에서 주요한 중간생성물로는 CCl4, COCl2가 확인 되었고FTIR을 이용한 in situ측정에서는 Cl3CCOCl이 확인되었다.

참고 문헌

1. N. J. Peill and M. R. Hoffmann, Environ. Sci. Technol., 30, 2806 (1996).

2. J. S. Kim, H. K. Joo, T. K. Lee, K. Itoh and M. Murabayashi, J. Catal., (2000) in press.

3. 윤재경, 윤우석, 주현규, 전명석, 이태규, 화학공학, 38, 2 (2000).

Fig. 1 Schematic illustration of optical fiber reactor

combined with TiO2 photocatalyst.

Fig. 2 Photocatalytic degradation of PCE          (500ppm) as a function of illumi-           natioon time.

Fig. 3 Change in light intensity depending         on TiO2 films thickness

Fig. 4 Photocatalytic degradation of PCE         (500ppm) as a function of light            intensity.

Fig. 5 Reaction products in the photocat-        alytic degradation of PCE(500ppm).        GC/MS was used for analysis.