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기술자료
 UV 광촉매


  *. 작성자 : 퓨리존 대표이사 주재순
  *. 기술적인 know-how에 관한 사항은 **로 표시한 점 양해 바랍니다.

 

1. 개 요

    각종 생산현장에서 발생하는 VOC를 가장 경제적이고 효과적인으로 방법으로 제거하기위하여 첨단나노소재인
    산화티타늄과 강력한 자외선을 응용하여야하는데 응용방법을 도외시한채 실험실효과 만으로 적용하는 사례
    가 많다. 분명 광촉매 소재는 효과가 뛰어난 첨단소재이나 이를 현실에 적용하기 위하여는 정확한 응용방법
    을 알아야한다.

 

2. 제품적용을 위한 기본조건

  (1) 광촉매로서 이산화티타늄 사용
  (2) 오존이 발생하지 않는 범위에서의 가장 강력한 자외선파장
  (3) 이산화티타늄의 최대함량. 적정입자크기.분체량.소성온도 등 고려
  (4) 효율적인 UV LAMP배열 5. 풍량에 따른 접촉자외선량 설치

 

3. 응용원리

 (1) 광촉매(Photocatalyst)

  가. 광촉매란 간단히 설명하면 광반응을 가속시키는 촉매로 사용되는 세라믹물질을 말함.
  나. 광촉매의 분류

   *.균일계광촉매 :분자상태로 용액중에 존재함
   * 불균일계광촉매 : 반도체 물질로서 매질에 입자상 으로 존재함

  다. 광촉매 물질 : TiO₂, ZnO, CdS 등

  라. 광촉매의 조건

   *. 반응에 직접 참여하여 소모되지 않아야하고, 기존의 반응과정에 다른 메카니즘 경로를제공하여 반응속도를
     가속시키는 역할만하여야한다. 또한 계면 전자전이의 열역학적가능성이 있어 한 다. :띠간격이 크면 정공과
     전자의 산화환원반응에 대한 구동력이 커지나 높은에너지의 광자가 요구되므로 태양광을 효율적으로 이용할
     수없고, 띠간격이 작으면 태양광을 많이 흡수할 수있으나 산화환원반응에 대한 구동력이 떨어짐

   *. 화학적.광화학적 안정성이 있어야한다 : 산.염기에 대한 화학적 안정성은 물론이고 광화학적으로 부식되지
     않아야한다. (반도체 격자내에 생성된 정공과 전자가 격자를 루는 양 이온이나 음이온과 결합하여 반도체를
     광화학적으로 부식시킴)

 (2) 광촉매의 원리

 

  가. 개요

    촉매에 빛을 조사하면 촉매가 빛에너지를 받아 촉매내부에서 전자들의 이동이 일어나고 이동된 전자들이 강
    력한 화학작용 (산화.환원)을 일으킨다. 이때 전자들의 강력한 화학작용은 오염된 물질을 산화시켜 무해한 물
    질로 변화를 주는 과정

 

  나. 반응과정

   *. 분자궤도이론 (molecular orbital theory)에 의하면 분자궤도는 원자궤도(atomicorbitals)들의 선형결합에 의해
     표현될수있으며 구성원자의 수가 증가할수록 분자궤도간 의 에너지 차이가 줄어든다

   *. 고체의 경우 구성원자수가 무수히 많으므로 분자궤도간의 에너지차이는 무시할 만큼 작아져서 결국 연속적인
     에너지 띠(band)를 형성한다. 이렇게 형성된 띠와 띠 사이에는 전자가 점유할 수 없는 금지된 에너지 띠간격
     (band gap,Eg)이 존재한다.

   *. 반도체에 빛이 조사될 경우 그 반도체의 띠간격 이상의 에너지를 갖는 광자(hv≥Eg)가 흡수되어 공유띠에서
     전자띠로 전자여기(electron excitation)를 일으키고 이때 공유띠에는 정공(hole)이 전도띠에는 전자가 생성되
     는데 이를 전자-정공쌍 생성 (electron hole pair generation)이라고 한다. 이렇게 생성된 전자-정공쌍이 전류
     의 생산이나 광화학반응을 유도한다.

 (참고)

   *.전도띠(conduction band,CB) :전자에 의해 점유되지 않은 가장 낮은 에너지의 띠*.공유띠(valence band,
    VB) : 전자에 의해 점유된 가장 높은 에너지의 띠
   *.띠간격에너지 : 공유띠 가장자리와 전도띠 가장자리간의 차이

 

 (3) 광촉매의 응용

    대기정화 ( 자동차배기가스.VOC)/ 가전기기 (공기청정기.에어콘)/도로설비( 터널조명기구.도로표지판.방
    음벽.가드레일.반사경) /주택설비 ( 주방욕실자재.타일.항균벽지.바닥 재.유리) /소비재( 위생도기.조리기구
    .의료기구)/폐수처리 (하수.지하수.염료페수.침출수) /해양오염방지. 음용수 정화

 

4. 이산화티타늄(TiO₂)과 UV의 응용

 

 (1) 광촉매로서의 TiO₂선택

   가. 이산화티타늄의 장점 : 화학적,광학적으로 안정 / 인체무해/ 광활성우수/ 가격저렴

   나. 반응원리

   *. 산화티타늄은 n형 반도체로서 자외선을 조사하여 주면 전자.정공대가 형성되어 강한 산화력을 가진 하이드
     록시 래디칼(OH)과 O₂-를 생성한다. 이 산화력이 유기물을 CO₂와 H₂O로 분 해시켜 수중이나 공기중의
     오염물질을 제거.살균.부패방지.탈취등의 용도로 사용된다.( 공기 청정기.에어컨.주방기기.폐수처리등)

   *. 산화티타늄은 표면이 옥소콤파운드 (Oxo Compound)에서 빛을 받으면 하이드록 시기로 변환되어 친수성이
     되는데 이 원리를 이용한 것이 차량밀러의 김서림방.욕실거울.건물내외벽.교통 표지판등이다.

 

 (2) VOC제거를 위한 UV와 TiO₂의 응용

   가. 띠 간격에너지 (3.0-3.2eV)가 비교적 크기 때문에 가시광선을 흡수하지 못하므로 짧은 파장의 자외선(400
      nm이하)을 필요로한다.

   나. 강력한 UV와 TiO를 합성하면 엄청난 산화력을 지니게 되는데, 벤젠.톨루엔.크실렌등 VOC와 다이옥신,NOx,
      SOx등을 제거할 수있다.

   다. 자외선의 조건/ 자외선파장과 산화티타늄을 포함한 산화물계 반도체는대체로 띠간격이 넓어 짧은 파장의
      자외선을 필요로하는데 98%이상의 고순도의 산화티타늄이라할지라도 최대한 짧은 파장의 자외선(고에너
      지)를 필요로한다.

    ***nm의 파장이 70% 이상

    현장여건상 오존이 발생하지않는 파장이어야한다.***nm이상 자외선량은 *****㎼/sec이상이어야한다.
    자외선과 광촉매와의 이격거리가 가장 중요함 :**cm이내 자외선파장별.광촉매별 교차실험 필요

   라. 광촉매조건

    TiO₂함량 : ** % 이상 1차입자크기 : **-**nm 2차입자크기 : ***-***nm 결정성 : anatase 비표면적 : **-**

 

5. 제작기준

  (1) **w이상의 고효율 UV LAMP 사용
  (2) **M/sec 풍량기준. *초이상 반응장치와 접촉하도록 설계 (직열순환구조)
  (3) **형으로 광촉매 배열
  (4) quartz sleeve 비적용
  (5) 특수전자식안정기사용
  (6) STS 304 사용(광촉매plate는 별도재질)
  (7) 야간용 저용량 오존램프 겸용 검토(0.01ppm이하)
  (8) 고압방전방식 겸용검토