구리 도핑 이산화티타늄이 활성탄소섬유에 결합된 가시광선 광촉매에 의한 휘발성유기화합물 제거 연구

Abstract

본 연구에서는 가시광선 조사 아래에서 광촉매 산화 반응을 일으키는 광촉매 물질을 합성하여 수질 및 대기 중에서 존재하는 유해성 물질인 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs)의 제거에 적용하고자 하였다. 본 연구에서 사용된 기본 광촉매 물질은 이산화티타늄(TiO2)이며 이 물질은 현재 다양한 분야에서 광촉매제로 사용되고 있다. 하지만 TiO2는 큰 band-gap 에너지(> 3.2 eV)를 가지기 때문에 광촉매 반응을 일으키기 위하여 자외선(Ultraviolet, UV) 영역의 강한 에너지를 가지는 광원을 사용해야함에 따라 경제성 및 적용성이 떨어지는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 본 연구에서는 지구상에 아주 흔하고 쉽게 구할 수 있는 금속 물질인 구리(Cu)를 TiO2 구조 내에 도핑하여 band-gap 에너지를 낮춤으로써 가시광선 영역의 빛 에너지만으로도 광촉매적 활동을 할 수 있는 물질을 개발하였다. 하지만 Cu가 도핑된 TiO2는 가루 형태로 완성되기 때문에 오염물질을 흡착할 수 있는 표면적이 비교적 작고, 실제 현장에 적용하기 힘든 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 본 연구에서는 sol-gel 방식으로 Cu-TiO2를 활성탄소섬유(Activated Carbon Fiber, ACF) 표면에 정착시켰다. 이러한 종합적인 합성으로 인하여 ACF가 가지고 있는 장점인 큰 표면적 및 공극 부피를 통한 VOCs 물질 흡착 효율을 높이고, 섬유 형태를 가지는 ACF의 특성을 바탕으로 수질 및 대기 환경 등 다양한 분야에 쉽게 적용이 가능하도록 하였다. 합성된 Cu-TiO2/ACF의 특성을 파악하기 위하여 BET, SEM, EDX, XRD, XPS, UV-Vis과 같은 다양한 분석을 실시하였으며, Cu-TiO2/ACF의 VOCs 효율에 대한 비교 분석을 위하여 순수한 ACF, Cu/ACF, TiO2/ACF를 함께 합성하여 연구를 진행하였다. BET 분석 결과에서는 각 물질의 표면적 및 공극 부피에 대한 결과를 확인하였으며 Cu-TiO2/ACF는 1,398 ㎡/g의 표면적과 1.12 ㎤/g의 공극 부피를 가지고 있었다. 순수한 ACF와 비교하여 표면적은 약 4 % 감소하였지만 공극 부피가 약 23 % 증가한 결과로써 오염물질들의 흡착 효율을 더욱 높일 수 있는 성질을 확인할 수 있었다. SEM 분석 결과 ACF 표면에 정착된 CuO, TiO2, Cu-TiO2의 형태에 파악을 할 수 있었고 EDX 결과를 통하여 각 물질들의 존재를 확인할 수 있었다. 또한 XRD 분석에서는 Cu-TiO2/ACF에 존재하는 Cu의 존재 여부와 함께 TiO2의 구조적 특징으로 주로 anatse 형태의 TiO2에 대한 피크가 크게 나타났으며 rutile 형태의 피크도 확인할 수 있었다. XPS 결과에서도 Cu와 TiO2의 존재를 확인할 수 있었으며 Cu의 경우 Cu2+ 이온으로 존재함을 알 수 있었고 Ti4+ 및 Ti3+의 형태로 존재하는 Ti 이온 또한 확인할 수 있었다. 주로 Ti4+로 존재하는 Ti 이온은 TiO2에 Cu가 도핑됨으로써 구조적 변화에 의하여 Ti3+ 이온으로 환원이 되는데 이러한 Ti3+는 Ti4+보다 전자를 하나 더 가지기 때문에 광촉매 작용에서 매우 중요한 요소인 여기 전자의 생성에 큰 도움을 준다. UV-Vis 결과에서는 Cu-TiO2/ACF의 광 흡수 범위를 확인할 수 있었다. TiO2 자체가 가지는 band-gap 에너지(3.0 ~ 3.2 eV)는 UV 영역의 광원을 흡수하여 큰 광촉매적 효율을 나타내는데 합성된 Cu-TiO2/ACF의 경우에는 가시광선 영역의 빛을 흡수하는 결과를 확인할 수 있었다. 또한 흡광도를 이용하여 band-gap 에너지를 도출한 결과 약 2.4 eV의 band-gap 에너지를 가지는 것을 확인하였으며 이는 가시광선 영역의 광 에너지를 사용하여 Cu-TiO2/ACF의 광촉매적 성능을 기대할 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 기본적인 성상 분석을 바탕으로 하여 수질 및 대기 중에 존재하는 VOCs 물질에 대한 제거 효율 실험을 실시하였다. 수질 속 VOCs 물질 제거 실험에서는 제거 목표 물질로써 벤젠(Benzene), 니트로벤젠(Nitrobenzene), 톨루엔(Toluene)을 사용하였다. VOCs의 효율적인 제거를 위하여 여러 환경 조건을 변화하며 VOCs 제거 효율을 확인하였으며 가시광선 조사 여부, 용액의 pH, 광촉매 물질 사용량, VOCs 물질의 초기 농도 등과 같은 요소를 변화시켰다. VOCs 물질의 제거 효율은 용액의 pH 변화에서 pH 6.0이 가장 높은 효율을 나타내었고 광촉매 물질 사용량에서는 0.1 g의 사용량에서 가장 효율적인 VOCs 제거 효율을 보였으며 VOCs 초기 농도 조건에서는 30 ㎎/ℓ의 조건에서 가장 효율적인 VOCs 제거 효율을 나타내었다. Cu-TiO2/ACF 광촉매를 사용한 VOCs 물질들의 최대 제거 효율은 벤젠 76.4 %, 니트로벤젠 94.1 %, 톨루엔 98.1 %로 매우 높게 나타났다. 이는 가시광선을 조사하지 않았을 때의 VOCs 물질 제거 효율과 비교하여 매우 높은 결과값이며 이를 통하여 Cu-TiO2/ACF가 가시광선 조사 아래에서 높은 광촉매 성능을 나타낸다는 것을 확인하였다. 마지막으로 실제 현장에서의 적용에서 매우 중요한 요소인 Cu-TiO2/ACF 광촉매 물질의 재사용 효율에 대하여 실험하였다. 5 회 반복 실험 후 Cu-TiO2/ACF의 재사용 효율은 첫 실험 결과와 대비하여 벤젠 69.8 %, 니트로벤젠 73.5 %, 톨루엔 82.1 %로 매우 높게 나타났으며 이러한 결과는 Cu-TiO2/ACF의 경제성 및 효율성을 나타내는 결과이다. 대기 중 VOCs 물질 제거 실험에서는 제거 목표 VOCs 물질로 벤젠과 톨루엔을 사용하였으며, VOCs 물질의 초기 농도, 혼합 공기의 유량, 혼합 공기의 습도를 변화 시키면서 VOCs 제거 효율을 확인하였다. VOCs 초기 농도 변화에 따른 VOCs 제거 효율 결과에서는 초기 농도가 낮을수록 제거 효율이 높게 나타났으며 공기 유량 변화에서는 유량이 낮을수록 VOCs 물질의 제거 효율이 높게 나타났다. 혼합 공기 습도의 변화에 따른 VOCs 제거 효율 결과에서는 습도가 높아질수록 점차 높은 제거 효율을 보이다가 40 %의 습도에서 가장 높은 제거 효율을 보였고 이 후 60 %의 습도에서는 다시 제거 효율이 떨어지는 현상을 보였다. 수질 속 VOCs 물질 제거 실험 결과와 같이 광원의 조사하지 않았을 때와 비교하여 가시광선을 조사하였을 때 VOCs 제거 효율이 급속도로 증가하는 경향을 보였다. VOCs 물질들의 최대 제거 효율은 벤젠 82.3 %, 톨루엔 96.5 %로 나타났다. 연구 결과를 종합하여 보면 본 연구에서 합성한 Cu-TiO2/ACF 광촉매는 가시광선 조사 아래에서 VOCs 물질들의 제거를 위한 충분한 광촉매 산화 작용을 활성화 할 수 있고 그 효율 또한 매우 높다는 것을 알 수 있다. 또한 재사용에 의한 VOCs 제거 효율이 크게 떨어지지 않기 때문에 실제 현장에 적용 시 경제성 및 효율성을 기대 할 수 있다. 결과적으로 일반적인 광촉매인 TiO2에 Cu를 도핑하고 ACF를 활용함으로써 광촉매 성능의 향상과 적용성을 높인 본 연구의 광촉매 물질은 수질 및 대기 환경과 같은 다양한 분야에 활용이 가능한 매우 효율적인 광촉매 물질이라고 판단된다.