기상 유동층 반응기에서 TiO2/Silica gel 광촉매를

이용한 대기 중의 에탄올 제거연구

남우석, 한귀영

성균관대학교 화학공학과

Photodecomposition of Ethanol in Air

Using the TiO2/Silica gel Photocatalyst

in the Gas-Phase Fluidized Bed

Woo Seok Nam, Gui Young Han

Department of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University

Ⅰ. 서 론

환경에 대한 관심이 날로 증대되면서, 대기 중에 포함된 미량의 오염물질의 처리에 관한 연구도 활발히 이루어지고 있다. 그 동안 대기 중의 유기물질을 처리하는 경우는 주로 활성탄을 이용하여 흡착, 탈기과정의 반복을 통하여 다시 2차 처리를 하는 경우가 대부분이었다[1]. 이와 같은 기존의 방법이 지는 문제점을 해결하기 위하여 최근에는 광촉매를 이용하는 새로운 방법이 연구되어지고 있다. 많이 알려진 바와 같이 광촉매는 상온에서도 Band gap energy에 해당하는 photon을 받아들이면, 촉매에서 광유발된 electron-hole pair의 작용으로 발생한 radical에 의해 유기물질을 분해할 수가 있다. 이러한 광촉매의 뛰어난 분해능력을 이용한 여러 형태의 반응기 형태가 연구되어지고 있으며, 이러한 광분해 시스템 연구에는 광분해능이 우수하고 안정성, 무독성 등에서 우수하다고 알려진 TiO2가 주로 이용되어져 왔다[2].

본 연구에서는 TiO2를 기상 유동층 반응기에 적용하여 실험하였다. 유동층은 각 상간의 접촉이 원활하고 높은 접촉면적을 지니는 반응기 형태이다. 그러나, 미립자인 TiO2 자체는 매우 점착력이 강하고, 작고 가벼운 입자이므로, 유동화 시키면 비말동반되어 배출될 우려가 높다. 따라서 본 연구에서는, TiO2를 Silica gel에 담지시켜서 입경과 무게를 키워 유동이 원활하게  되도록 제조하여 이용하였다[3].

제거 대상물질로 사용한 Ethyl alcohol은 산업용제 및 제빵, 주류업체에서 다량이 방출되는, VOC 물질로 규제되고 있는 물질이며, 비교적 단순한 분자구조를 가지므로, 중간생성물의 파악이 쉽다.

Ⅱ. 실험

본 실험에 사용한 광촉매는 TiO2는 sol-gel method를 이용하여 제조하였다. TiO2의 전구체로 사용한 TTIP(Titanium Tetra-isoproxide)는 일본 (주)Junsei Chemical 사의 특급시약을 이용하였으며, Ethyl alcohol은 Carlo Erba사의 특급시약을 사용하여 제조하였다.

제조한 TiO2 sol을 silica gel에 담지 시키기 전에, silica gel에 흡착된 불순물들을 제거하기 위해서 약 700□에서 30분간 수송시킨 후 사용하였다. Silica gel은 Merck사 제품을 사용하였다. 담체로 사용한 silica gel의 평균입경은 112 □이고 밀도도 약 2 g/cm3인 입자로서, Geldart에 의한 입자 분류에서는 A type으로 분류되는, 매우 유동화가 잘되는 입자이다. 또한, 입자가 다공성이므로, 흡착에 의한 제거 효율을 얻을 수 있다. 제조한 TiO2 sol과 silica gel을 혼합 교반하여서 표면에 담지시켜 건조한 후, 약 500□에서 1시간 정도 결정화시켜서 anatase 상을 제조한 후 실험에 이용한다.

반응장치는 아크릴수지로 제조하였다. 전장 1.0 m 내경 0.06m이고, 비말동반되는 입자의 포집을 위해서 cyclone을 설치하였다. UV-lamp는 UV-A 30W BL lamp와 UV-C 60W Germicidal lamp(Sankyo Denki Co., LTD JAPAN)의 두 가지를 조건에 따라서 반응기 내부에 설치하였으며, 전체적으로 반응기는 이중관형 유동층으로 설계하였다. 반응에 투여될 Ethyl alcohol은 bubbler를 통해서, 유동화 기체와 혼합된 후, 반응기 하부를 통해서 공급, 광촉매와 반응하도록 하였다. 반응정도는 GC/TCD, FID (Younglin instrument Co., LTD. M600D)와 Mass spectrometer(Pfeiffer Germany)를 이용하여 in-situ로 측정하였다. Detecter의 column은 Carboxen 1004와 Carbowax 20M을 사용하여 측정하였다.

실험은 Ethyl alcohol vaper를 기준으로 고농도 세가지(10,000, 30,000, 50,000ppm)와 저농도 세가지(1,000, 3,000, 5,000ppm)조건에서 실험하였으며 각각 lamp는 각각 30W와 60W조건으로 실험하였다. 또한, 반응기에 투여할 TiO2/silica gel 촉매량 변수를 800g과 500g의 두 가지로 하였으며, TiO2를 기준으로 하면, 각각 96g과 60g이다.

Fig. 2. SEM pictures of TiO2/Silica gel : (a) 1,000X (b) 20,000X

Ⅲ. 결과 및 고찰

본 실험에 들어가기 앞서, 반응기의 흡착능을 점검하고, lamp에 의한 반응기 가열정도와 각각의 lamp가 방출하는 광량을 측정하였다.

Fig. 3∼6에 나타난 바와 같이 기본적   인 운전조건을 얻었다. 반응기의 온도는   약 40□ 정도로 유지되어 유입된 물질   들의 응결을 막을 수 있었다. 하지만,    SiO2에 흡착된 물질들의 탈착을 유발하   게 된다. 그러므로, 흡착과 동시에 광반   응을 시켜야만, 40□에서의 흡착평형과   함께 반응기에서 by-pass되는 물질들에   대한 처리 시간을 늘리고, 보다 좋은 광   반응 효율을 얻을 수 있다. 이와 같은    결과를 다음의 Fig. 7에 나타냈다.

30W의 UV-A BL lamp를 사용한 경우에는 유입되는 광분해 물질의 높은 유량과 약한 광량으로 인하여, 전체적으로 낮은 광분해 효율을 나타내는데, 반응기로 처리물질의 유입이 시작됨과 동시에 광반응을 시작하는 경우는 . 또한 반응기 내부의 온도상승으로 인하여, SiO2에 흡착된 반응물이 탈착 배출되면서, 유동상 기체 내부에서 농도가 오히려 높아지게 된다. 따라서 낮은 광분해 효율이 나타나게 된다. 그러므로, 초기 유입되는 광분해 물질의 농도를 낮추고, 광량을 높인 60W UV-C 살균램프의 경우에는 같은 농도에서 실험한 결과 Ethanol의 농도 변화율에서는 30W UV-A lamp를 사용한 경우와 비슷한 결과를 나타내지만, 중간생성물의 농도변화 및 CO2 gas의 농도가 현저하게 증가됨을 확인하였다. 이는 약한 광량에서 중간생성물로 변환된 물질들이 높은 광량에서는 보다 빠르게 CO2로 진행됨을 의미한다. 현재의 시스템보다 높은 효율의 광반응 system을 구축하기 위해서는 one-pass process 보다는 cycling system 혹은 multi-bed system이 요구된다. 본 연구를 통해 광반응 system의 기본적인 운전 조건을 확인하였다.

Ⅴ. 참고 문헌

[1] A. P. Davis and D. L. Green, Environ. Sci. Technol., 33, 609 (1999)

[2] A. Mills and S. Le Hunte, J. Photochem. Photobiol. A: Chemistry,      108 (1997)

[3] X. Gao and I.E. Wachs, Catalysis Today, 51, 233 (1999)