실내 공기 수준 톨루엔과 에틸벤젠 제어를 위한 황 도핑 산화티타늄으로 코팅된
가시광선 유도 연속 광촉매 반응기 활용
김종태⋅김모근1)⋅신명희⋅조완근* 경북대학교 환경공학과, 1)경상북도 보건환경연구원
Application of Continuous Visible-Light Induced Photocatalytic Reactor Coated with Sulfur-Doped TiO 2 for Control of Toluene and Ethyl benzene at Indoor Levels
Jong-Tae Kim⋅Mo-Keun Kim1)⋅Myeong-Hee Shin⋅Wan-Kuen Jo*
Department of Environmental Engineering, Kyungpook National University
1)
GyeongSangBukdo Government Public Institute of Health and Environment, YeongCheon, Kyungpook
Abstract
Most of recent visible-light derived photocatalytic studies have been focused on water applications. Even the less-reported gaseous studies have primarily dealt with chemical process stream concentrations than indoor air quality (IAQ) concentration levels. Accordingly, the current study was conducted to establish the feasibility of applying visible-light-induced TiO
2doped with sulfur (S) element to cleanse toluene and ehtyl benzene at IAQ levels. The S-doped TiO
2was prepared by applying two popular processes and two well-known methods. For both target compounds, the two coating methods exhibited different photocatalytic oxidation (PCO) efficiency. Similarly, the two S-doping processes showed different PCO efficiency. These results indicate that the coating method and doping process are important parameters which can influence PCO efficiency. Meanwhile, it was found that the PCO efficiency of ethyl benzene was higher than that of toluene. In addition, the degradation efficiency of the target compounds increased as the relative humidity (RH) decreased. The PCO efficiency varied from 44% to 74% for toluene and from 68% to 95%, as the RH decreased. Consequently, it is suggested that with appropriate RH conditions, the visible-light-assisted photocatalytic systems can also become an important tool for improving IAQ.
Keywords ：Relative humidity, Photocatalytic oxidation, Toluene, Ethyl benzene, Indoor airn.
1. 서론
휘발성 유기화합물질(volatile organic compounds, VOCs)의 환경적 보편성과 인체 독성 때문에 VOCs 개인 노출이 환경보건적인 관점에서 특별 한 주목을 받고 있기 때문에 국내에서도 일반환경 및 공단지역 실내환경의 VOCs 오염에 대하여 여 러 연구가 수행되고 있다(김윤신 등, 2006; 김조천, 2006; 박지혜 등, 2006; 임문순 등, 2006). 특히, 톨 루엔과 에틸벤젠은 무연 휘발유에 첨가되는 방향 족 화합물 중에서 가장 많은 비율을 차지하고, 인 쇄, 페인트, 접착제 및 희석용제 등으로 상당량 사 용되기 때문에 국내외의 대기 및 다양한 미규모 실내환경에서 다른 VOCs 보다도 높은 농도로 조 사되어 왔다(Brown et al., 2007; 김조천, 2006; 박 지혜 등, 2006; Buzcu and Fraser, 2006; Jo et al., 2003; Na and Kim, 2001). 나아가, 톨루엔에 단기 간 흡기 노출될 때 자극, 구역, 두통, 졸음, 현기증, 기억력 상실, 수면장애, 조정(기능)손실, 동공확장, 신장 이상, 간이상 등이 유발 될 수 있으며 장기간 흡기 노출 시 뇌 이상, 혼수상태까지 유발 될 수도 있다(Revilla et al., 2007; Brautbar and Williams, 2002). 에틸벤젠도 단기간 흡기 노출될 경우에 자 극, 흉통, 호흡곤란, 두통, 졸음, 현기증, 및 혼수상 태 등이 유발될 수 있고 장기간 흡기 노출될 경우 피부자극, 무기력, 및 현기증이 유발될 수 있다 (Costa et al., 2006; Crote et al., 2002). 톨루엔과 에 틸벤젠의 이러한 특성이 이들 오염물질에 대한 개 인 노출을 최소화하기 위한 제어기술을 요구한다.
톨루엔과 에틸벤젠을 포함한 VOCs를 제어하기 위하여 전통적으로 이용되어 온 기술은 활성탄을 이용한 흡착법이다. 활성탄 흡착법의 경우, 가스 상의 오염물질을 활성탄에 흡착시켜 고형화 하는
방법으로서, 오염물질이 활성탄에 계속 흡착하여 활성탄의 흡착능력이 저하되면 활성탄을 교체해 야 하기 때문에, 활성탄의 교체 또는 재생 비용이 많이 요구되는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복 하기 인하여 최근에 새로운 제어기술로서 VOCs 를 이산화탄소와 물로 완전히 산화 시킬 수 있는 고급 산화법(Advanced Oxidation Process：AOP)인 광촉매 산화법(Photocatalytic oxidation：PCO)이 흡 착법의 대안으로서 관심을 받고 있다(Zhao and Yang, 2003; 허경욱 등, 2000). 광촉매 산화법에서, 광촉매에 빛이 조사될 때, 가전자대 (valence band) 에서 전도대(conduction band)로 전자가 여기되고, 이때 가전자대에는 정공(hole, h+)이, 전도대에는 전자(electron, e-)가 생성된다. 광촉매 표면에서 h+ 가 OH-와 반응하여 OH 라디칼이 생성되고, e-가 O2와 반응하여 가 생성된다. 결과적으로 생성된 OH 라디칼과 O2-
가 VOCs를 이산화탄소와 물로 산화시키게 된다. 여러 가지 광촉매들 중에서도 특히 이산화티타늄(TiO2)이 강력한 산화력을 가지 고 있고, 값이 저렴하며, 화학적으로 매우 안정한 물질이기 때문에 PCO법에서 가장 널리 사용되는 대표적인 광촉매이다(Zhao and Yang, 2003). 그러 나, 순수 TiO2 광촉매가 갖는 띠간격(band-gap) 에 너지가 결정상에 따라 각각 3.2 eV(anatase)와 3.0eV(rutile)를 갖는다. 따라서 TiO2 광촉매가 활성 되기 위해서는 3.2eV 이상의 에너지가 필요하다.
이러한 에너지를 갖는 빛의 파장영역이 385nm 근 처인데, 이는 TiO2가 가시광선에서는 활성을 나타 내지 못하게 되어, 환경적 활용에 한계가 있음을 의미한다.
이러한 한계성 때문에, 여러 최근 과학자들이 TiO2의 활성 영역을 확장시켜 환경적 활용 범위를 넓히는 연구를 수행해 오고 있다. TiO2가 가시광
선 영역에서 활성을 갖게 하는 대표적인 방법으로 는, 수소 플라즈마 처리법(Ihara et al., 2001), 염료 감응화법(Hirano et al., 2000), 전이금속 도핑법(Li and Li, 2001) 및 비금속 도핑법(Ohno et al., 2004;
Asahi et al., 2001)을 들 수 있다. 특히, 상대적으로 넓은 가시광선 흡수 영역을 가지기 때문에 비금속 도핑법 중 황 도핑법이 보다 최근의 관심을 받고 있다(Ohno et al., 2003 & 2004). Ohno et al.(2003 &
2004)은 황 도핑 TiO2가 파장이 500 nm 보다 큰 가시광선 영역에서도 아세토니트릴과 부틸니트릴 의 혼합물에 존재하는 메틸렌 블루와 2-프로필 알 코올에 대한 광촉매 분해활성도가 높게 나타난 것 으로 보고하였다. 그럼에도 불구하고, 황 도핑 광 촉매 기술이 수질오염 처리에는 상대적으로 많이 적용되어 온 반면에, 공기오염 처리에는 극히 드 물게 적용되어 왔고, 공기오염 처리에 적용된 경 우에도 연속 반응장치가 아닌 처리용량이 상대적 으로 한정된 배치(batch) 반응장치가 이용되어 왔 다. 따라서 본 연구에서는 가시광선에서 활성을 나 타내는 황 도핑 광촉매가 코팅된 연속 반응기를 활 용하여, 실내 공기오염 수준 조건의 톨루엔과 에틸 벤젠의 광촉매 분해 효능에 대해서 평가하였다.
2. 연구 방법
2.1 가시광선 유도 광촉매 제조
가시광선 유도 광촉매를 이용하여 톨루엔과 에 틸벤젠을 분해시키기 위하여 두 종류의 최근 황 도핑 광촉매 제조방법과 두 종류의 코팅방법을 이 용하였다. TiO2에 황을 도핑시키기 위해서 Ohno et al.(2004)와 Bacsa et al.(2005)이 개발한 방법을 응 용하였다. Ohno 그룹의 황 도핑 광촉매 제조방법
은 다음과 같이 요약된다. 티타늄(Ti) 공급원으로 서 Titanium isopropoxide가 황의 공급원으로서 Thiourea가 사용되었다. 3일 정도 에탄올을 증발시 키게 되면 흰색의 슬러리(slurry) 얻어지게 된다.
이 슬러리를 상온에서 이틀 동안 방치하게 되면 노란 빛을 띠는 흰색의 가루가 얻어진다. 이렇게 얻어진 가루를 500℃에서 3시간동안 소성시키면 짙은 노란색의 가루가 얻어진다. 이렇게 얻어진 가루가 황 도핑 TiO2 광촉매이다.
Bacsa 그룹의 황 도핑 TiO2 광촉매 제조방법도 다음과 같이 요약된다. 졸-겔 법에 의한 도핑된 콜 로이드 티타늄을 제조하기 위해 Ti 공급원으로서 Tetraisopropoxide를 황의 공급원으로서 Thiourea가 사용되었다. 이 두 가지 물질을 에탄올에 1:4의 비 로 혼합한다. 생성된 슬러리를 농축기에서 농축시 킨 후 이를 350℃온도의 전기로에 3 시간 동안 넣 는다. 가열하는 동안 이산화황의 두터운 증기와 거품이 관찰되고 최종적으로 노란색 황 도핑 TiO2
광촉매를 얻게 된다.
황 도핑 TiO2를 제조한 후에 이를 Pyrex 광촉매 반응기의 내벽에 코팅하기 위하여 Xagas et al.
(1999)과 Nazeeruddin et al.(1993)이 개발한 방법을 응용하였다. Xagas et al.(1999) 코팅방법에서, 황 도핑 TiO2 광촉매 2g을 막자사발에 곱게 간 뒤, 거 기에 0.1 M의 EDTA 수용액 2ml를 넣고 섞은 후 에 0.1ml의 Triton X-100을 더하여 준다. EDTA용 액의 역할은 TiO2 입자들이 다시 뭉치는 것을 막 아준다.
Nazeeruddin et al.(1993) 방법을 위하여 12g의 황 도핑 TiO2 가루에 4ml의 탈이온수와 아세틸아세 톤 0.4ml를 더하여 녹인다. 이 때 아세틸아세톤은 입자의 뭉침을 방지하는 역할을 한다. 점성이 있 는 반죽상태가 된 가루를 희석시키기 위해 16ml
Fig. 1. Schematic diagram of experimental set-up：
1. zero-grade air, 2. regulator, 3. charcoal filter, 4. flowmeter, 5. water column 6. water bath, 7. mixing chamber, 8. syringe pump, 9, 3-way valve, 10. sampling port or vent system, 11. PCO reactor, 12. lamp, 13. 3-way valve, 14. sampling port 15. vent system.
의 물을 가루를 갊과 동시에 서서히 더하여 준다.
마지막으로 0.2ml의 Triton X-100을 더하여 콜로이 드용액이 기판에 골고루 퍼질 수 있도록 한다.
2.2. 실험 장치 및 절차
가시광선 광촉매의 분해 효율을 평가하기 위한 실험 장치는 크게 유량 및 습도 조절부, 가스 오염 물질 생성장치, 및 반응기 내 광원으로 구성된다 (Fig. 1). 유량 및 습도 조절부는 고 순도 공기(Zero grade air)와 유량계, 항온수조내의 임핀저로 구성 된다. 유량 및 습도 조절부에서, 적정온도로 조절 된 항온수조내의 임핀저를 통과하는 고 순도 공기 량과 일반 건조 공기의 양을 조절함으로써 유입 공기의 유량 및 습도를 원하는 범위로 조절하였 다. 반응기 내의 상대 습도는 광촉매 반응기로의 유입 전 습도센서(Thermo Recorder TR-72S, T&D Co.)를 사용하여 측정 하였다. 가스상 오염물질 생
성장치는 Syringe pump(실린지 펌프, KdScientific Model 210) 와 혼합조(Mixing chamber)로 구성된 다. 대상 오염물질은 실린지 펌프를 이용하여 분 당 일정한 양으로 혼합조로 주입하였다. 또한 혼 합조에는 열선을 감아 표면 온도를 110～120℃로 유지시켜 액상의 대상오염물질이 잘 기화되도록 하였으며, 모든 연결관에도 열선을 감아 60～70℃
의 온도로 유지함으로써 관내를 통과하는 물질이 응축되는 것을 방지하였다. 광원으로서 가시광선 램프(F8T5DL, Younghwa lamp)이 사용 되었다.
가시광선램프는 400～720nm의 파장영역을 방사 하는 램프로 일반적으로 실내에서 사용하는 램프 의 파장과 유사하다.
본 연구에서 제어된 주요 여섯 인자는 상대 습 도, 수리역학적 직경, 초기 농도, 유량, 광원, 그리 고 광촉매 코팅량이다. 상대 습도의 경우 실내 환 경에서 가장 안락한 수준으로 알려진 범위인 50～
60%로 제어되었다. 습도 실험은 낮은 습도에서 높은 습도 순서로 수행되었다. 수리역학적 직경은 20 cm로 조절되었다. 유량은 1.0 l/min로서 선진연 구(Stevens et al., 1998)의 유량과 비슷한 수준이다.
본 연구에 이용된 오염물질의 유입농도는 일반 실 내환경에서 측정되는 상위 농도 수준이었다(Jo et al., 2003; Chan et al., 2002). 본 연구에서 측정된 가시광선의 광원으로서 8-W 형광 램프(F8T5DL, Youngwha Lamp Co.).가 이용되었다. 반응기 내벽 에 코팅되는 황 도핑 TiO2의 질량은 약 2.8 mg/cm 로 측정되었다. 또한, 광분해 효율이 적용하고자 하는 환경의 습도에 영향을 받을 수 있기 때문에 (Chen and Zhang, 2008; Zhao and Yang, 2003), 본 연구는 3개의 상대습도 범위에서(10～20, 50～60, 및 80～90%) 광분해 효율도 평가하였다.
황 도핑 광촉매의 오염물질 분해 효능 실험을 수행하기 전에 실험장치 내의 오염과 안정화에 대 한 시험이 먼저 수행되었다. 광촉매의 자정을 위 하여 가시광선 램프를 켠 상태에서 반응기 내로 초고순도 공기만을 통과시켜 촉매 표면 위에 흡착 되어 있을지도 모르는 오염물질을 제거한 후 반응 기 유출구에서 가스 시료를 채취･분석하여 광촉 매 반응기가 오염되지 않았음을 확인하였다. 다음 단계에서, 혼합조의 온도를 120～130℃로 설정하 고 임핀저를 통과한 유입 공기의 상대습도와 유량 이 원하는 값으로 안정화되었는지를 확인하였다.
실린지 펌프를 작동시켜 연구 대상 오염물질을 주 입하기 전에 실린지 펌프 작동 안정화를 위한 절 차를 수행하였다. 실린지 펌프의 안정화 시험 후 에 황 도핑 광촉매의 오염물질 분해는 실험이 수 행되었다. 먼저, 반응기 입구와 출구에 습도센서 를 연결하여 반응 가스의 상대습도를 측정하였다.
세 방향(3-Way) 밸브의 방향을 전환하여 램프가
꺼진 반응기 내로 가스를 통과시켰다. TiO2 촉매 표면에 대상 물질의 흡착평형을 확인하기 위하여 반응기 내로 가스를 통과시킨 후 30분, 60분, 120 분, 180분 시점마다 반응기 유출구에서 가스 시료 를 채취하였다. 흡착 평형을 확인한 후에 가시광 선 램프를 켜고 30분, 60분, 120분, 180분, 300분 시점마다 반응기의 유입구와 유출구에서 가스 시 료를 채취하였다. 또한, 실린지 펌프에 의해 주입 되는 물질이 올바르게 주입되고 있는지 확인하기 위하여 실험 시작 전, 그리고 램프를 켜기 전후에 반응기 유입부에서 시료를 채취하였다.
2.3. 시료 채취 및 분석
오염물질 시료를 채취하기 위하여 Tenax-TA 0.3g이 충진된 외경 0.64 cm, 길이 17.5㎝의 스테 인레스 스틸 흡착 트랩(adsorbent trap)에 공기 시 료 채취 펌프(Aircheck Sampler, Model 224-PCXR4, SKC Co.)을 연결하였다. 흡착제는 증류장치 (soxhlet) 세척법을 응용하여 전 처리되었으며 트 랩은 중성세제와 초음파 세척기로 세척되었다. 트 랩 취급할 때 손의 지문 또는 화장품으로부터 트 랩이 오염되는 것을 방지하기 위하여 항상 깨끗한 면장갑을 착용하였다. 보관 중에 트랩이 외부 공 기에 노출되어 오염되는 것을 방지하기 위하여 분 석될 때까지 테프론 컨테이너에 넣어 보관되었다. 채취된 물질은 미국의 연방 환경 보호국의 방법 TO-1을 응용하여 대상 오염 물질에 대하여 분석 되었다. 열탈착 장치(Thermal Desorber; TD SPIS-TD™, Donam instrument)와 길이 30m, 내경 0.45㎜의 모세관 컬럼(J & W Scientific)과 불꽃 이 온화 검출기(Flame Ionization Detector, FID)가 장 치된 기체 크로마토그래피(Gas Chromatography, GC: Agilent 4890D)가 전처리 장치 및 분석 장치
Time (min)
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600
Concentration (ppb)
0 5 10 15 20 25 30
Xagas et al.
Nazeeruddin et al.
Time (min)
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600
Concentration (ppb)
0 5 10 15 20 25
Xagas et al.
Nazeeruddin et al.
Fig. 2. Concentrations of toluene measured prior to and after turning on lamp according to S-doping process. Visible-light lamp was turned on after 4 hrs.
Fig. 3. Concentrations of toluene measured prior to and after turning on lamp according to S-coating method. Visible- light lamp was turned on after 4 hrs.
로 각각 이용되었다. 트랩 내에 흡착된 시료는 300℃에서 10분간 열적으로 탈착되어 TD내의 2차 흡착관(저온 농축흡착 트랩)에 흡착되게 된다. 이 때 2차 흡착관의 온도는 -15℃(-30℃까지 조절가 능)이다. 이렇게 흡착된 2차 흡착관을 공기 시료 중 대상오염 물질을 잘 분리하여 GC에서 분석 감 도를 높이기 위해 300℃로 가열하였다. 가열되면 서 탈착된 대상오염물질은 100℃로 설정된 연결 선(Transfer line)을 통하여 GC로 주입되게 된다.
이때 GC로의 주입 시간은 2분으로 설정 하였다.
GC의 온도 프로그래밍은 항온조 초기 온도 40℃
에서 5분간 유지 후, 200℃까지 4℃/min의 속도로 온도를 상승시켰으며 최종 온도인 200℃에서 5분 간 유지시켰다.
정성분석은 각 물질의 보유시간을 이용하였고, 정량 분석은 외부 표준법을 이용하여 농도와 피크 면적과의 검정선을 사용하였다. 분석 기기의 일간 반응정도 변화와 감도를 파악하기 위하여 외부 표 준물질을 매 실험일마다 분석하여 미리 작성한 검 정선과 ±20% 이내의 변화를 나타내는지를 확인하 였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 황 도핑 광촉매 코팅 방법에 따른 광분해 효율 광촉매 코팅 방법에 따라서 광촉매의 VOCs 분 해 효율이 변화하는지를 확인하기 위하여 최근 가 장 많은 연구에서 이용되고 있는 두 가지 광촉매 코팅 방법(Xagas et al.(1999)과 Nazeeruddin et al.(1993)의 방법)을 응용하여 황 도핑 광촉매를 연 속 유량 반응기의 내부 벽에 코팅하였다. 이 실험 을 위해서 이용된 황 도핑 광촉매는 Ohno et al.(2004)의 제조 과정을 응용하여 제조되었다. Fig.
2와 3은 코팅 방법에 따른 톨루엔과 에틸벤젠의 광분해 효율을 각각 나타낼 수 있는 시간대별 오 염물질의 농도변화를 나타낸다. 이 그림들에서 나 타난 광촉매 분해 전후의 유사 평형 농도를 이용 하여 각 오염물질에 대한 광분해 효율을 계산하였 다. 톨루엔의 경우, Xagas et al.(1999)의 코팅 방법 을 이용하였을 때 광분해 효율이 63%로서 Nazeeruddin et al. (1993)의 코팅 방법을 이용하였 을 때 광분해 효율인 37%보다 훨씬 높게 나타났 다. 에틸벤젠의 경우에도, Xagas et al.(1999)의 코
팅 방법을 이용하였을 때 광분해 효율이 95%이고 Nazeeruddin et al. (1993)의 코팅 방법을 이용하였 을 때 광분해 효율이 93%로서 두 코팅 방법 사이 에 약간의 차이가 있는 것으로 나타났다. Xagas et al.(1999)의 코팅 방법을 이용하였을 때는 모세관 작용이 발생하여 수분의 표면장력 감소시키고, 이 에 의한 표면활성 작용으로 입자의 공극으로부터 증발하는 액체의 모세관 힘에 의해 발생하는 박막 의 균열을 방지하는 작용을 하기 때문으로 사료된 다. 나아가, 오염물질에 따른 광촉매의 친화도 차 이가 광촉매 방법에 따른 광분해 효율 차이를 유 발한 주요 메커니즘 중에 하나인 것으로 추정된다 (Zhao and Yang, 2003). 나아가, 톨루엔 코팅방법 에서 높은 광분해 효율을 나타낸 Xagas et al.
(1999)의 코팅 방법만을 다음의 황 도핑 광촉매 제 조과정에 따른 광 분해효율 평가를 위해서 이용하 였다.
3.2 황 도핑 광촉매 제조 과정에 따른 광 분해 효율
황 도핑 제조 과정에 따른 광분해 효율의 변화 를 확인하기 위하여 최근 가장 많은 연구에서 이 용되고 있는 두 가지 광촉매 제조 과정(Bacsa et al.(2005)과 Ohno et al.(2004)의 제조 과정)을 응용 하여 황 도핑 광촉매를 제조하였다. 광촉매 제조 과정에 따른 톨루엔과 에틸벤젠의 광분해 효율을 계산할 수 있게 하는 시간대별 오염물질의 농도 변화를 각각 Figs. 4와 5에 나타내었다. 이 그림들 에서 나타난 광촉매 분해 전후의 유사 평형 농도 를 이용하여 각 오염물질에 대한 광분해 효율을 계산하였다. 톨루엔의 경우, Ohno et al.(2004)의 광촉매 제조 과정을 이용하였을 때 광분해 효율이
63%로서 Bacsa et al.(2005)의 코팅 방법을 이용하 였을 때 광분해 효율인 46%보다 높게 나타났다.
이와 유사하게, 에틸벤젠의 경우에도 Ohno et al.(2004)의 광촉매 제조 과정을 이용하였을 때 광 분해 효율이 95%로서 Bacsa et al.(2005)의 코팅 방 법을 이용하였을 때 광분해 효율인 82%보다 높게 나타났다. Ohno et al.(2004)의 광촉매 제조 과정을 이용하였을 때는 소성온도가 550℃이었고, Bacsa et al.(2005)의 코팅 방법을 이용하였을 때 소성온 도가 350℃이었으므로 소성온도 차이가 촉매의 활성도 차이를 유발하여 결과적으로 광분해 효율 차이를 유발시킨 것으로 사료된다. 결과적으로 본 연구 결과는 코팅 과정이 광분해 효율에 미치는 주요 인자들 중에 하나임을 시사한다. 한편, 두 가 지 광촉매 과정 모두에서 에틸벤젠의 광분해 효율 이 톨루엔의 광분해 효율보다 높게 나타났다. 이 러한 결과는 d’Hennezel와 Olli (1997)의 속도론 연 구 결과와 일치하는 것으로 나타났다. 이 선행연 구는 에틸벤젠의 광촉매 분해 속도가 톨루엔 보다 빠른 것으로 보고하였다. 나아가, 두 가지 오염물 질 모두에서 높은 광분해 효율을 나타낸 Xagas et al.(1999)의 코팅 방법과 Ohno et al.(2004)의 코팅 방법을 이용하여 다음의 상대습도에 따른 광분해 효율을 평가하였다.
3.3 상대습도에 따른 황 도핑 광촉매의 분해 효율 실제 환경에서는 공기가 매우 건조한 경우부터 매우 습한 경우까지 다양하므로, 광촉매 장치를 실제 환경에 적용하기 위해서는 습도에 따른 광분 해 효율이 평가되어야만 한다. 따라서, 이와 같이 실제 환경에서의 넓은 습도를 포함하는 조건을 반 영하기 위하여, 세 가지 상대 습도 조건(10～20%,
Time (min)
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600
Concentration (ppb)
0 5 10 15 20 25 30
Ohno et al.
Bacsa et al.
Time (min)
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600
Concentration (ppb)
0 5 10 15 20 25
Ohno et al.
Bacsa et al.
Fig. 4. Concentrations of ethyl benzene measured prior to and after turning on lamp according to S-doping process. Visible-light lamp was turned on after 4 hrs.
Fig. 5. Concentrations of ethyl benzene mea- sured prior to and after turning on lamp according to S-coating method. Visible -light lamp was turned on after 4 hrs.
Table 1. Comparison of PCO efficiencies of toluene and ethyl benzene according to RH.
Chemical PCO efficiency (%)
10～20% 50～60% 80～90%
Toluene Ethyl benzene
74 95
63 93
44 68
Notes：S-doped photocatalyst prepared by Ohno et al.'s (2004) doping process and Nazeeruddin et al.'s (1993) coating method was employed for obtaining these data.
50～60% 그리고 80～90%)하에서 광분해 효율을 평가하였다. Table 1에 상대 습도에 따른 톨루엔과 에틸벤젠의 광분해 효율을 나타내었다. 두 가지 오염물질 모두에 대하여, 상대습도가 감소함에 따 라 광촉매 분해 효율은 증가하는 것으로 나타났 다. 톨루엔의 경우, 광촉매 분해 효율이 상대 습도 감소에 따라 44%에서 74%로 증가하였고, 에틸벤 젠의 경우, 광촉매 분해 효율이 상대 습도 감소에 따라 68%에서 95%로 증가하였다. 처리하고자 하 는 공기 중에 수증기가 전혀 없는 상태에서는 광 촉매 표면에 부착되는 수산화기가 결핍되어 광촉 매 분해 속도가 현저하게 감소하게 된다(Zhao and Yang, 2003). 반면에, 공기 중에 수증기가 과다하
게 포함되는 조건에서는 과잉 수증기가 처리하고 자 하는 오염물질과 촉매 표면에 경쟁적으로 부착 되므로 오염물질이 촉매표면에 부착될 확률이 낮 아지게 되어 광촉매 효율이 급격하게 감소하게 된 다. 따라서, 상대 습도에 증가 따라 광분해 효율 이 감소하는 본 연구 결과는 수산화기의 부족 보 다는 과잉 수증기와 오염물질의 촉매 표면에 대한 경쟁 결과에 따른 것으로 추정된다. 이러한 습도 영향은 Luo and Ollis(1992)에 의해서도 보고된 적 이 있다. 따라서, 본 연구 결과는 극히 습한 환경 이 아닌 경우에는 가시광선 유도 광촉매가 실내 환경의 공기질을 개선시키기 위해서 사용될 수 있 다는 것을 나타낸다.
4. 결론
본 연구는 어떤 환경 조건, 특히 매우 습한 환경 조건이 아닌 경우에, 자외선이 아닌 가시광선 유 도 광촉매가 실내공기 중 VOCs를 제어하기 위하 여 활용될 수 있다는 것을 확인하였다. 또한 VOCs 제어 효율은 광촉매 제조 과정, 코팅 방법 과 오염물질 종류에 따라 차이가 나타날 수 있음 을 확인하였다. 모세관 작용을 활용한 코팅 방법 이 광촉매 분해능을 증대시킬 수 있는 것으로 나 타났고, 소성온도가 높은 조건에서 제조된 광촉매 가 보다 높은 광촉매 활성도를 나타내었다. 나아 가, 습도와 같은 광촉매 운전 조건이 광촉매 분해 능에 미칠 수 있는 주요 인자이므로 본 연구의 광 촉매를 적절하게 활용하기 위해서는 이들 인자들 을 신중히 고려해야 할 것이다. 한편, 자외선 이용 에 대한 가시광선 이용의 편리성, 그리고 광촉매 장치의 상온 작동성과 낮은 압력 강하를 함께 고 려할 때, 가시광선 유도 광촉매 장치는 실내 환경 의 공기질을 개선하기 위한 주요 도구로서 활용도 가 확대될 수 있을 것으로 기대된다. 그러나, 본 연구에서는 광촉매 사용에 따른 촉매 비활성화 문 제가 다루어지지 않았으므로, 본 연구의 가시광선 유도 광촉매 장치의 효율적 활용을 위해서는 장시 간 운전시 야기될 수 있는 촉매 비활성화에 대한 특성이 규명되어야 할 것이다.
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