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광촉매 효과 극대화 방법 – 광원
광촉매로 현재 실용화되어 있는 것의 거의 대부분이 산화티탄 광촉매이므로 광촉매반응에 사용되는 빛은 자외선이다. 형광등이나 백열전구는 400nm 이하의 파장의 빛이 조금밖에 들어 있지 않기 때문에 광촉매를 위한 광원으로서는 태양광이나 수은램프, 크세논램프, 블랙라이트가 많이 쓰이며 최근 발광 다이오드도 사용되고 있다.
광촉매반응의 속도는 빛이 약하면 빛의 강도에 정비례하며 빛이 강하면 빛의 강도의 1/2승에 비례하는 것으로 알려져 있다. 이는 빛이 강한 경우에는 생성한 전자와 정공이 광촉매반응에 쓰이지 않고 재결합하는 소멸해버리기 때문으로 생각되어진다. 이런 이유로 빛의 이용 효율로 보면 빛이 약한 형광등 타입의 블랙라이트를 사용하는 것이 좋다는 것이 된다. 광촉매 장치를 제작하는 경우 블랙라이트를 많이 사용하는 것이 빛의 이용 효율 측면에서 유리하다.
그러나 블랙라이트는 출력이 작아서 대량의 유기화학물질을 처리하는 경우에는 광촉매 장치가 너무 커질 수 있다. 장치를 소형화하려면 수은 램프 같이 강력한 광원을 사용하여야 된다. 이 경우 광원의 소비전력의 크기와 조사광의 강도가 반드시 비례한다고는 할 수 없다. 소비전력이 큰 광원은 램프의 크기도 커지므로 조사 강도는 작아질 수 있기 때문에 광촉매 표면의 조사 강도가 높은 광원을 사용하여야 한다. 또한 광촉매 표면의 조사 강도가 높도록 디자인하는 것이 중요하다. 광원을 선정할 때는 광원의 수명이 운전비용과 연관된다는 점에서 중요하다.
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광촉매 효과 극대화 방법 – 적용 소재 표면
광촉매를 적용한 섬유, 종이, 시트, 필름, 허니컴, 필터 등의 소재를 만드는 경우에는 광촉매가 표면에 노출되도록 하여야 한다.
광촉매가 표면에 노출되지 않으면 악취물질 등 제거 대상물질이 접촉할 수 없을 뿐 아니라 빛이 쪼여지기 어려워 광촉매반응이 일어나기 어렵다. 그러므로 광촉매 입자를 섬유나 필름에 섞어 만드는 경우 광촉매가 표면에 노출될 수 있도록 표면을 알칼리 용액으로 처리하여 광촉매가 노출되도록 한다. 세척 도중에 떨어지지 않도록 하기 위해서는 기재에 광촉매가 강하게 부착하도록 하여야 한다. 이를 위해서는 기재에 스프레이 코팅 방법으로 부착하는 것보다는 섞어서 제조하는 방법이 효과적이다.
더욱이 유리처럼 투명한 기재에 고정하는 경우에는 투명성이 문제가 된다. 미세입자 광촉매를 사용하여 잘 분산시키려는 노력이 필요하며 입자의 크기가 80nm 이하가 되도록 분산시키면 투명한 상태를 유지할 수 있다.
광촉매 도료를 외벽 등에 칠할 때 밑바르기를 필요로 하는 경우도 있으므로 광촉매 층을 포함하여 3층으로 칠해야 하는 경우도 있는데, 한 번만 칠할 수있는 방법이 있다면 시공 능률 측면에서 가장 좋을 것이다.
실제로 광촉매 적용 소재를 사용하는 경우 광촉매 효과를 최대한으로 끌어내기 위해서는 빛이 잘 쪼여져야 한다. 평판형의 광촉매에 블랙라이트를 비추면 중심부는 빛이 강하지만 바깥쪽은 빛이 약해 광촉매 효과가 발휘되지 않을 수도 있다.
허니컴에서는 바로 위에서 빛을 쪼여도 허니컴 내부까지 빛이 도달하기 어려워 광촉매 효과가 미약한 경우가 있다. 그러므로 허니컴 세공 내부까지 빛이 도달할 수 있도록 광원을 배치하여야 한다. 광섬유 등을 사용하여 내부까지 빛을 쪼여주는 방법이 제안되고 있다.
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광촉매 효과 극대화 방법 – 수처리에는 빛과 산소 필요
광촉매를 이용한 수처리의 경우 물이 투명하고 유해물질의 농도가 낮은 상수 처리는 비교적 쉽지만, 물이 불투명하며 유해물질의 농도가 상대적으로 높은 하수 처리는 간단하지 않다. 물이 불투명하면 광촉매에 빛이 쪼여지지 않아 광촉매반응이 일어나기 어렵고 또 유해물질의 농도가 높으면 빛을 필요로 하기 때문이다.
효율이 100%라고 가정하였을 때 이론적으로는 밴드갭보다 큰 에너지를 갖는 광자가 1개 광촉매에 충돌하면 전자와 정공이 만들어지고, 이들로 인해 활성산소가 2개 만들어지므로 유해물질 분자 속의 결합이 2개 절단된다. 이런 이유로 유해물질 분자가 크거나 분자 수가 많으면 많은 빛이 필요하다. 따라서 광원의 선정이나 빛이 닿기 쉽도록 광촉매를 배치하는 등 시스템 디자인이 대단히 중요해진다.
활성산소를 발생시키려면 물 속에 산소가 존재하여야 한다. 산소가 없으면 광촉매에 전자가 쌓여 정공과 재결합하여 소멸되므로 광촉매반응이 멈춰버린다. 공기로부터 물로 산소가 녹아 들어가는 속도는 늦기 때문에 광촉매반응 초기에 산소가 충분히 있다고 하더라도 반응이 진행됨에 따라 산소가 소모되어 광촉매반응이 멈추어버린다.
광촉매를 이용한 수처리가 효율적으로 진행되기 위해서는 물에 산소를 집어넣어 용존 산소 양을 늘릴 필요가 있다. 처리하고자 하는 물 속에 오존이나 과산화수소를 넣으면서 광촉매를 사용하면 이들이 전자와 반응하여 활성산소를 효율적으로 발생시킬 수 있으므로 처리 속도를 빠르게 할 수 있다.
폐수처리에서 물이 검게 착색되어 있는 경우에는 빛이 거의 투과하지 못하기 때문에 미생물로 먼저 물을 투명하게 할 수 있는 미생물 처리 등을 수행한 다음에 광촉매로 처리하는 방법도 고려해 볼 수 있다.
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광촉매 효과 극대화 방법 – 탈취, 공기정화
악취물질을 광촉매로 처리하는 경우 완전히 이산화탄소와 물로 산화되지 않고 부분산화물인 아세트알데히드나 초산이 생성되는 경우가 있다. 이러면 악취가 더 심해질 수도 있으니 완전히 산화시킬 필요가 있다.
이를 위하여 다공성의 표면적이 큰 광촉매를 이용하여 악취물질이 완전히 이산화탄소와 물로 산화될 때까지 흡착하여 잡아두는 방법이 제안되고 있다. 다공성의 표면적이 큰 광촉매를 이용하면 악취물질이 표면에 농축되므로 분해가 용이하여 반응효율이 높아진다. 빛을 쪼이지 않을 때는 흡착으로 악취물질을 제거할 수 있으며 빛이 쪼여지면 흡착한 물질이 분해 되므로 광촉매는 재생되어 계속 사용할 수 있다.
이 경우에 실리카겔에 산화티탄을 코팅한 광촉매 실리카겔처럼 광촉매 소재가 투명하면 빛이 내부까지 들어가 광촉매반응이 일어나게 되므로 흡착한 악취물질을 쉽게 분해할 수 있다.
거주 실내공간의 공기를 정화할 수 있는 광촉매 벽지, 커튼, 인공조화 등이 개발되어 있다. 그러나 실내에서는 자외선이 적으므로 이들을 효과적으로 사용하기 위해서는 빛이 잘 닫는 곳 뿐 아니라 공기 흐름이 좋은 곳에 설치하여 공기중의 유해 화학물질이 광촉매에 잘 접촉하도록 할 필요가 있다.
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광촉매 효과 극대화 방법 – 신선도 유지는 밀봉
신선도 유지 용도로는 광촉매를 코팅한 팩이나 봉지, 시트 등을 이용하여 대상물질을 밀봉하여 사용하는 경우가 많으며 광촉매 기능을 효과적으로 나타내기 위해서는 밀봉된 공간에 존재하는 공기의 양을 줄여야 한다.
공기의 양을 줄이면 그 속에 들어있는 균이나 곰팡이의 양도 줄일 수 있으므로 그들의 번식을 쉽게 억제할 수 있어 부패를 막을 수 있다. 균이나 곰팡이를 흡착하는 아파타이트와 광촉매의 복합화, 에틸렌 가스를 흡착하는 물질과 광촉매의 복합화, 광촉매 표면의 다공성화 또는 광촉매에 탈산소 기능을 부여하면 효과적인 신선도 유지가 가능해진다.
아파타이트처럼 균이나 곰팡이와 친화성이 좋은 물질을 광촉매 표면에 붙여 두면 빛이 없을 때에는 부유하고 있는 균이나 곰팡이를 흡착하여 균이나 곰팡이의 번식을 억제할 수 있다. 빛이 있으면 아파타이트는 공기 중의 균이나 곰팡이를 흡착하여 붙잡아두고 최종적으로는 광촉매가 이를 분해하므로 부패를 더 효과적으로 막을 수 있다.
에틸렌 가스를 흡착하는 물질과 광촉매를 복합화하거나 표면을 다공성으로 하여 에틸렌 가스가 흡착되기 쉽게 하면 과일이나 곡물의 숙성이 억제되어 오래 보존이 가능해 진다.
신선한 유지 용도로 사용하는 팩이나 봉지, 시트 등의 재료로부터 광촉매가 떨어지지 않도록 강하게 고정시킬 필요가 있으며, 광촉매를 코팅한 시트 등은 빛이 잘 통과할 수 있는 투명성이 요구된다.
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광촉매 효과 극대화 방법 – 대기정화에는 반응성 유지에 주의
산화티탄 광촉매를 이용하면 대기오염 원인물질인 질소산화물과 황산화물을 질산과 황산으로 산화시킬 수 있지만 광촉매 표면이 광촉매반응 생성물인 질산이나 황산으로 덮이면 광촉매반응이 멈춰버린다. 그러므로 정기적으로 빗물에 의한 세척이 필요하다.
광촉매 표면을 다공성으로 울퉁불퉁하게 하면 질소산화물이나 황산화물을 흡착하여 효율적으로 처리할 수 있으며 광촉매에 의해 생성된 질산이나 황산이 광촉매 표면에서 내부로 스며들게 되어 표면이 쉽게 피독 되지 않아 빗물로 씻어주는 횟수가 적어도 된다.
광촉매 표면에 알칼리를 붙여 질산이나 화산을 중화하거나, 아파타이트 등과 같이 질소산화물이나 황산화물과 친화성이 좋은 물질을 표면에 붙여 두면 질소한화물이나 황산화물의 제거 효과를 높일 수 있다.
산화티탄 광촉매를 이용한 대기정화에서 주의할 점은 오염물질인 일산화질소가 질산이온까지 완전 산화되지 않고 이산화질소에서 반응이 멈춰버리고 이것이 대기 중에 방출되는 경우이다. 이러면 일산화질소보다 이산화질소가 더 유해하므로 오히려 대기오염이 심각해 질수 있다. 이 때문에 산화티탄 광촉매의 반응성이나 흡착성을 향상시켜 일산화질소가 질산이온으로 완전 산화될 때까지 이산화질소를 방출하지 않도록 잡아둘 필요가 있다.
광촉매반응으로 생성된 질산이온이나 황산이론을 씻어준 물은 공기 중의 부유 분진 등에 들어있는 알칼리 성분으로 중화되어 거의 중성이 되지만, 산성이 강한 경우에는 광촉매에 알칼리를 첨가해서 중화시킬 필요도 있다.
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