KR20110089976A - Inorganic composite fiber having photocatalytic activity and filter made thereof - Google Patents

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KR20110089976A
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inorganic composite
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tio
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이성욱
현동호
김상범
이승구
정원양
김진호
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주식회사 두본
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Abstract

PURPOSE: A photo-catalytic active inorganic composite fiber and a photo-catalytic active filter using the same are provided to improve a decomposing effect and be used with a support by improving flexibility. CONSTITUTION: Composite sol contains a silica precursor, a titania precursor, low-grade alkyl alcohol, and acid concentration controlling acid. Photo-catalytic active SiO_2-TiO_2 composite fiber is obtained by electro-spinning and thermally processing the composite sol. The silica precursor is tetraethyl ortho silicate. The titania precursor is titanium isopropoxide. The low-grade alkyl alcohol is isopropyl alcohol. The acid concentration controlling acid is hydrochloric acid. A photo-catalytic active filter is obtained by electro-spinning and thermally processing inorganic composite sol containing the silica precursor, the titania precursor, the low-grade alkyl alcohol, and the acid concentration controlling acid on a permeable substrate.

Description

광촉매 활성 무기 복합 섬유와 이를 사용하는 광촉매 활성 필터{Inorganic Composite fiber having photocatalytic activity and filter made thereof}Inorganic Composite fiber having photocatalytic activity and filter made

본 발명은 광활성 무기 복합 섬유, 더 상세하게는 광촉매 기능이 있는 SiO2-TiO2 복합 섬유와 이를 사용한 필터에 관한 것이다.The present invention is a photoactive inorganic composite fiber, more specifically SiO 2 -TiO 2 with a photocatalytic function It relates to a composite fiber and a filter using the same.

오늘날 인간의 활동에 의하여 지구 온난화, 오존층 파괴, 광화학 스모그, 산성비 등의 심각한 환경 문제가 대두되고 있으며 따라서 오염을 유발하는 물질에 대한 규제가 강화되고 있다. Today, human activities raise serious environmental problems such as global warming, ozone depletion, photochemical smog, and acid rain, and thus, regulations on pollutants are being tightened.

공해를 일으키는 오염원의 처리에 많은 방법이 강구되고 있으나 설치나 운영 비용의 경제적인 문제, 충분한 처리효과와 처리 후에 농축된 슬러지의 2차 오염 문제 등 해결되지 않은 난제 들이 있다. Many methods have been taken to treat pollutants that cause pollution, but there are unresolved challenges such as economic problems of installation and operating costs, sufficient treatment effects and secondary pollution of concentrated sludge after treatment.

자외선과 같은 빛을 이용한 광활성 오염 분해처리법은 오염물질을 분해하여 원소화하는 것이므로 설치나 운영 비용의 절감과 2차 오염 문제를 저감시키며 생물학적으로 난분해성 물질인 유기염소 화합물에 대한 광분해효과가 높은 등 많은 장점이 있으므로 널리 연구되고 있다. 특히 NOX 및 VOC 제거기술 개발 등에 적용이 이루어지고 있고 액상 오염 물질은 물론, 기상 및 고상 오염 물질의 처리 등 다양한 분야에서 연구가 활발히 진행되고 있다. The photoactive pollution decomposition treatment method using light such as ultraviolet rays is to decompose pollutants and elementalize them, thus reducing the cost of installation and operation, reducing secondary pollution problems, and having a high photodegradation effect on organic chlorine compounds that are biologically difficult to decompose. It is widely studied because of its many advantages. In particular, applications are being made to the development of NO X and VOC removal technologies, and research is being actively conducted in various fields such as the treatment of gaseous and solid pollutants as well as liquid pollutants.

일반적으로 광촉매의 적용은 지지체에 광활성이 있는 티타니아와 같은 광활성 입자를 코팅하여 광촉매 기재를 제조하여 사용하고 있으나 광촉매의 성능을 극대화할 수 있는 새로운 구조체의 제조 및 그 응용 연구는 환경 기술과 에너지 기술의 영역에서 절실히 요구되고 있다.In general, the application of photocatalyst is used to manufacture a photocatalyst substrate by coating photoactive particles such as titania, which is photoactive, on the support. There is an urgent need in the realm.

한편, 전기방사된 나노섬유는 기존 기술에 의한 초극세 섬유보다 훨씬 큰 표면적을 가져 가스나 액체 유체로부터 미세 입자를 분리하는 필터 소재로 활용될 수 있다. 필터에서 작은 입자를 여과하는 여과효율을 높이는 한가지 방법은 필터 매체 중에 적절한 직경의 섬유를 사용하는 것으로, 나노섬유는 이러한 용도에 최적이라 할 수 있다. On the other hand, the electrospun nanofibers have a much larger surface area than the ultrafine fibers according to the conventional technology can be used as a filter material for separating the fine particles from the gas or liquid fluid. One way to increase the filtration efficiency of filtering small particles in a filter is to use fibers of the appropriate diameter in the filter media, and nanofibers are optimal for this application.

대한민국특허등록공보 제 10-0658664에는 폴리비닐아세테이트를 이용하여 전기방사하고 열처리 후 광촉매를 코팅하여 오염물질 처리용 반응체를 제조하는 방법이 개시되어있다. 일본공개특허 제 2007-0016352에는 티탄산 알킬의 혼합물과 유기 용매와 고분자로 이루어진 용액을 전기방사하여 섬유를 제조하는 방법이 개시되어있다. 그러나 종래의 기술은 고분자를 사용하여 광활성을 갖는 섬유를 제조하는 방법이 대부분이며 이는 열처리 시 고분자의 분해로 인해 섬유가 부서지기 쉬운 단점이 있다.Korean Patent Registration Publication No. 10-0658664 discloses a method of preparing a reactant for treating pollutants by electrospinning with polyvinyl acetate and coating a photocatalyst after heat treatment. Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2007-0016352 discloses a method of producing fibers by electrospinning a mixture of alkyl titanate, a solution composed of an organic solvent and a polymer. However, the prior art is mostly a method for producing a fiber having a photoactive activity using a polymer, which has a disadvantage that the fiber is easily broken due to decomposition of the polymer during heat treatment.

본 발명은 별다른 가공 없이 광촉매 반응에 의하여 오염원을 처리할 수 있는 새로운 구조체를 제공하기 위한 것이다.The present invention is to provide a novel structure capable of treating the pollutant by photocatalytic reaction without any special processing.

본 발명에 의하여 실리카 전구체, 상기 실리카 전구체의 10몰% 내지 100몰%의 티타니아 전구체, 저급 알킬 알코올과 산농도 조절용 산을 포함하는 복합 졸을 전기 방사하고 열처리하여 얻어지는 광촉매 활성 SiO2-TiO2 복합 섬유가 제공된다. Photocatalytically active SiO 2 -TiO 2 obtained by electrospinning and heat treating a composite sol comprising a silica precursor, a 10 to 100 mol% titania precursor of the silica precursor, a lower alkyl alcohol and an acid for acid concentration control Composite fibers are provided.

본 발명에 의하여 부직포 또는 다공성 세라믹판과 같은 통기성 기판에 상기 복합 졸을 골고루 전기방사하여 얻어지는 수 정화용 및 대기 정화용 필터가 제공된다.According to the present invention, a filter for water purification and air purification obtained by electrospinning the composite sol evenly on a breathable substrate such as a nonwoven fabric or a porous ceramic plate is provided.

본 발명에서 실리카 전구체는 테트라알킬 오소실리케이트, 4개 이상의 알콕시 기를 갖는 알콕시실릴알칸 과 알콕시실릴알킬렌과 3개의 알콕시 기를 갖는 알콕시알킬실란, 알콕시알케닐실란, 알콕시아릴실란과 알콕시아르알킬실란으로 이루어지는 군에서 선택되는 무기 실리카 전구체 또는 유, 무기 혼성 실리카 전구체이다. 상기 알킬은 바람직하게는 C1 내지 C5의 알킬이고 상기 알콕시기는 바람직하게는 C1 내지 C5의 치환되거나 치환되지 않은 알콕시이고 가장 바람직하게는 C1 내지 C4의 치환되지 않은 알콕시이고, 예를 들면, 메톡시 또는 에톡시이다. 상기 알칸 또는 알킬렌은 각각 C1 내지 C5의 치환되거나 치환되지 않은 알칸 또는 알킬렌이고 바람직하게는 각각 C1 내지 C3의 치환되지 않은 알칸 또는 알킬렌이고, 예를 들면, 각각 에탄 또는 에틸렌이다. 상기 실리카 전구체는 바람직하게는 테트라메틸 오소실리케이트, TEOS(테트라에틸 오소실리케이트), 테트라프로필 오소실리케이트 또는 테트라부틸 오소실리케이트이고 가장 바람직하게는 테트라메틸 오소실리케이트(TEOS)이다. In the present invention, the silica precursor is composed of tetraalkyl orthosilicate, alkoxysilyl alkane having four or more alkoxy groups, alkoxysilylalkylene and alkoxyalkylsilane having three alkoxy groups, alkoxyalkenylsilane, alkoxyarylsilane and alkoxyaralkylsilane Inorganic silica precursor or oil and inorganic hybrid silica precursor selected from the group. The alkyl is preferably C1 to C5 alkyl and the alkoxy group is preferably C1 to C5 substituted or unsubstituted alkoxy and most preferably C1 to C4 unsubstituted alkoxy, for example methoxy or Ethoxy. Said alkanes or alkylenes are each substituted or unsubstituted alkanes or alkylenes of C1 to C5, respectively, preferably unsubstituted alkanes or alkylenes of C1 to C3, respectively, for example ethane or ethylene, respectively. The silica precursor is preferably tetramethyl orthosilicate, TEOS (tetraethyl orthosilicate), tetrapropyl orthosilicate or tetrabutyl orthosilicate and most preferably tetramethyl orthosilicate (TEOS).

본 발명에서 티타니아 전구체는 탄소수 1 내지 4의 테트라알콕시티탄, 가장 바람직하게는, 티타늄이소프로폭사이드이다.The titania precursor in the present invention is tetraalkoxytitanium having 1 to 4 carbon atoms, most preferably titanium isopropoxide.

상기 저급 알코올은, 탄소수 1 내지 5의 저급알킬 알코올로, 예를 들면 에틸알코올, 이소프로필알코올 또는 프로필알코올이다.The lower alcohol is a lower alkyl alcohol having 1 to 5 carbon atoms, for example, ethyl alcohol, isopropyl alcohol or propyl alcohol.

상기 산농도 조절용 산은 무기산 또는 초산이 사용되는 데 바람직하게는 염산이다. The acid concentration adjusting acid is preferably hydrochloric acid in which an inorganic acid or acetic acid is used.

전기방사를 위한 복합 졸은 산농도 조절용 산 용액에 실리카 전구체과 저급 알킬알코올과 혼합하고 티타니아 전구체를 첨가하면서 격렬하게 교반한 다음 숙성시켜 제조한다. 이러한 실리카 졸은 숙성온도나 숙성시간의 정도에 따라 구조가 달라지고 점도가 변하지만 전기방사를 하기 위하여 점도를 약 60-100cP에서 조정한다.The composite sol for electrospinning is prepared by mixing a silica precursor and a lower alkyl alcohol in an acid solution for adjusting the acid concentration, stirring vigorously while adding a titania precursor, and then aging. The silica sol has a structure and viscosity changes depending on the aging temperature or the degree of aging time, but the viscosity is adjusted at about 60-100 cP for electrospinning.

또한 상기 복합 졸 용액을 상온에서 전기방사를 수행하여 무기 복합 섬유를 제조한다. 방사 시에 부직포 또는 다공성 세라믹 판과 같은 통기성 기판에 이를 골고루 전기방사하여 필터 형태로 제조할 수 있다. 고온의 열처리를 하는 경우에는 1000℃ 정도에서 견딜 수 있는 지지체, 예를 들면, 다공성 세라믹 분말을 소결하여 얻어지는 세라믹 지지판이 사용된다. In addition, the composite sol solution is electrospun at room temperature to prepare an inorganic composite fiber. Upon spinning, it can be produced in the form of a filter by electrospinning it evenly on a breathable substrate such as a nonwoven fabric or a porous ceramic plate. When performing high temperature heat processing, the support body which can endure about 1000 degreeC, for example, the ceramic support plate obtained by sintering a porous ceramic powder is used.

제조된 (1-x)SiO2-(x)TiO2 무기 복합 섬유는 400nm이하의 자외선영역의 에너지를 이용하면 그 특성이 나타남으로써 위 에너지 범위에 해당되는 다양한 형태의 램프를 에너지원으로서 사용할 수 있으며, LED 램프등도 이에 포함될 수 있으며, 특히 자외선범위가 일부 포함되는 에너지 영역을 갖는 축광체(예, MAl2O4(M:Sr,Mg,Ba)계) 복합산화물 등도 가능하다.Prepared (1-x) SiO 2- (x) TiO 2 Inorganic composite fibers are characterized by using the energy in the ultraviolet region of 400nm or less, so that various types of lamps corresponding to the above energy range can be used as energy sources, and LED lamps can be included therein. A photoluminescent body (eg, MAl 2 O 4 (M: Sr, Mg, Ba) -based) composite oxide having a partially contained energy region is also possible.

본 발명의 전기방사된 (1-x)SiO2-(x)TiO2 무기 복합 섬유는 무기섬유 내의 Ti가 Si 자리에 치환된 형태의 무정형 졸용액 및 무기섬유로 존재하였으며, 열처리 후에는 아나타제 상의 TiO2가 분리되어 나와 복합체를 형성함을 FTIR, TEM 등을 이용하여 확인하였다. 제조된 (1-x)SiO2-(x)TiO2 무기 복합 섬유는 깨지거나 부러지지 않는 유연성을 가지고 있기 때문에 그 자체적으로나 지지체와 함께 사용을 하는데 전혀 문제가 없는 장점이 있으며, 이를 이용하여 아세트알데히드의 기상 분해처리와 메틸렌블루와 포름알데히드의 액상처리 등에 광촉매 분해시험을 시행한 결과 모두 광활성에 따른 분해효과가 우수한 것으로 나타났다. 따라서 본 발명의 SiO2-TiO2 무기 복합 섬유는 대기처리뿐만 아니라 수처리 분야에서 광촉매 분해 필터로서 사용될 수 있다.Electrospun (1-x) SiO 2- (x) TiO 2 of the Invention Inorganic composite fibers were present as amorphous sol solution and inorganic fibers in which Ti in the inorganic fibers was substituted at Si sites, and after heat treatment, TiO 2 was separated to form a composite using FTIR and TEM. It was. Since the prepared (1-x) SiO 2- (x) TiO 2 inorganic composite fiber has flexibility that is not broken or broken, there is no problem in using it by itself or with a support, and acetaldehyde is used. The photocatalytic decomposition test of the gas phase decomposition treatment and the liquid treatment of methylene blue and formaldehyde showed excellent decomposition effects according to photoactivity. Therefore, the SiO 2 -TiO 2 inorganic composite fiber of the present invention can be used as a photocatalytic decomposition filter in the field of water treatment as well as air treatment.

도1은 본 발명에서 사용한 전기방사 장치의 모식도이다.
도2 TiP 몰 비율에 따른 열처리 전의 무기 복합 섬유의 XPS 스펙트럼
도3 TiP 몰비율에 따른 무기 복합 섬유의 1000℃ 열처리 후의 IR 스펙트럼
도4 무기 복합 섬유의 TiP 몰 비율의 변화에 따른 메틸렌 블루의 광촉매 분해반응의 농도 변화
도5 아세트알데히드 광촉매 분해반응기 모식도
도6 0.8 SiO2-0.2TiO2 무기 복합 섬유의 아세트알데히드 광촉매 분해반응 농도 변화
도7 포름알데히드 광촉매 분해 반응기 모식도
도8 0.8 SiO2-0.2TiO2 무기 복합 섬유의 포름알데이드 농도 변화
도9 0.8 SiO2-0.2TiO2 무기 복합 섬유의 열처리 온도에 따른 메틸렌 블루의 광촉매 분해반응 농도 변화
도10 0.5 SiO2-0.5TiO2 무기 복합 섬유의 1000℃ 열처리 후의 SEM이미지
도11 0.5 SiO2-0.5TiO2 무기 복합 섬유의 100℃ 열처리 후의 SEM이미지
도12a 0.5 SiO2-0.5TiO2 무기 복합 섬유의 1000℃ 열처리 후의 TEM 이미지(10만배 배율)
도12b 0.5 SiO2-0.5TiO2 무기 복합 섬유의 1000℃ 열처리 후의 TEM (50만배 배율)
도13 0.5 SiO2-0.5TiO2 무기 복합 섬유의 1000℃ 열처리 후의 전자회절 이미지
1 is a schematic diagram of an electrospinning apparatus used in the present invention.
XPS Spectrum of Inorganic Composite Fibers Before Heat Treatment According to TiP Mole Ratio
3 IR spectrum after 1000 ° C. heat treatment of the inorganic composite fiber according to the TiP molar ratio
Fig. 4 Concentration change of photocatalytic decomposition of methylene blue with varying TiP mole ratio of inorganic composite fibers
Schematic diagram of acetaldehyde photocatalytic decomposition reactor
6 Changes in Acetaldehyde Photocatalytic Decomposition of 0.8 SiO 2 -0.2TiO 2 Inorganic Composite Fibers
7 is a schematic diagram of a formaldehyde photocatalytic decomposition reactor
Figure 8 Formaldehyde concentration change of 0.8 SiO 2 -0.2TiO 2 inorganic composite fiber
9 Photocatalytic Decomposition of Methylene Blue with Heat Treatment Temperature of 0.8 SiO 2 -0.2TiO 2 Inorganic Composite Fibers
10 SEM image after 1000 ° C. heat treatment of 0.5 SiO 2 -0.5TiO 2 inorganic composite fiber
11 SEM image after 100 ° C. heat treatment of 0.5 SiO 2 -0.5TiO 2 inorganic composite fiber
12a TEM image (1000-fold magnification) after 1000 ° C. heat treatment of 0.5 SiO 2 -0.5TiO 2 inorganic composite fiber
Figure 12b 0.5 SiO 2 -0.5TiO 2 TEM after 1000 ° C heat treatment of inorganic composite fiber (500,000 times magnification)
Fig. 13 Electron diffraction image after 1000 ° C. heat treatment of 0.5 SiO 2 -0.5TiO 2 inorganic composite fiber

이하 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by examples. The following examples are merely illustrative of the invention and should not be construed as limiting the invention.

실시예Example 1  One

이소프로필알코올 (iso-Propylalcohol, i-PrOH, Aldrich, 99%)에 테트라에틸오르소실리케이트 (Tetraethyl orthosilicate, TEOS, ACRO, >98%), 물과 진한 염산을 0.9:1.0:0.3의 몰 비율로 혼합한 용액에 티타늄이소프로폭사이드 (Titanium(Ⅳ) isopropoxide, TiP, ACRO, >98%)를 0.1몰 비율로 서서히 넣어주면서 격렬하게 교반하였다. 모든 반응물이 혼합된 용액은 70℃에서 숙성시킨 실리카/티타니아 졸 용액을 제조하였다. 상기 졸 용액을 상온에서 전기방사를 수행하여 무기 복합 섬유를 제조하였다. 전기방사 조건은 주사기와 주사바늘(Needle size = 0.81), 바닥전극(회전 속도를 조절할 수 있는 스테인레스 강판의 드럼, d = 21.5 cm), 고전압 공급장치로 구성되어 있는 전기방사 장치를 사용하였으며, 바늘의 끝과 드럼 사이의 거리는 12 cm로 하였고, 방사전압은 25 kV, 시린지 펌프의 방사 용액의 유량은 3 mL/h로 하였다. 실리카 졸은 숙성온도나 숙성시간의 정도에 따라 구조가 달라지고 점도가 변하지만 전기방사를 하기 위한 점도를 약 60-100cP가 되도록 조정하였다.Tetraethyl orthosilicate (TEOS, ACRO,> 98%) to isopropyl alcohol ( iso -Propylalcohol, i -PrOH, Aldrich, 99%), water and concentrated hydrochloric acid in a molar ratio of 0.9: 1.0: 0.3 Titanium isopropoxide (Titanium (IV) isopropoxide, TiP, ACRO,> 98%) was slowly added to the mixed solution at 0.1 molar ratio, followed by vigorous stirring. The mixed solution of all reactants produced a silica / titania sol solution aged at 70 ° C. The sol solution was electrospun at room temperature to prepare an inorganic composite fiber. The electrospinning condition was an electrospinning device consisting of a syringe, a needle (Needle size = 0.81), a bottom electrode (stainless steel drum with adjustable rotation speed, d = 21.5 cm), and a high voltage supply device. The distance between the tip and the drum was 12 cm, the radiation voltage was 25 kV, and the flow rate of the spinning solution of the syringe pump was 3 mL / h. Silica sol was adjusted to a temperature of about 60-100 cP, but the structure was changed and the viscosity was changed depending on the aging temperature or the degree of aging time.

열처리 전의 무기 복합 섬유에서 Si 또는 Ti의 결합 환경을 알아보고자 XPS 분석을 수행하여 그 결과를 도1에 나타내었다. 제조된 SiO2-TiO2 복합 무기섬유의 구조를 확인하기 위해서 전기방사된 무기 복합 섬유를 1000℃에서 열처리한 후 FT-IR 스펙트럼으로 분석한 결과를 도2에 나타냈다.XPS analysis was performed to determine the bonding environment of Si or Ti in the inorganic composite fiber before heat treatment, and the results are shown in FIG. 1. In order to confirm the structure of the prepared SiO 2 -TiO 2 composite inorganic fiber, the result of heat-treating the electrospun inorganic composite fiber at 1000 ℃ and analyzed by FT-IR spectrum is shown in FIG.

제조한 무기 복합 섬유는 1000℃에서 열처리하였다. 오염물을 전처리(UV lamp(30W black light blue lamp)를 2시간 조사) 과정을 통해 제거하고 1mmol/L의 메틸렌 블루 수용액에 화학 흡착할 수 있도록 1시간 정도 충분히 흡착 및 건조시킨 후 광활성을 분석하였다. 자외선 분광기(UV-visible /DRS, UV-2401 PC)를 이용하여 상기 웹 시료에 조사하여 광촉매 평가장치(Photocatalysis evaluation checker, PCC-2)에 넣어 광활성 분해반응을 효과를 시험하였다. 푸른색을 띄는 유기물인 메틸렌 블루가 광촉매에 분해되어 탈색되는 정도를 측정함으로서 광촉매 재료의 자정(self cleaning) 성능을 평가한다. 광촉매 무기 복합 섬유의 표면에 자외선을 연속 조사 및 측정하여 메틸렌 블루가 분해됨에 따라 발생하는 착색막의 흡광도 변화에 따른 농도의 변화를 측정한 결과를 도3에 나타내었다.The prepared inorganic composite fiber was heat-treated at 1000 ° C. Contaminants were removed by pretreatment (UV lamp (30W black light blue lamp) for 2 hours ) and adsorbed and dried for 1 hour to allow chemical adsorption to 1mmol / L methylene blue aqueous solution. The web sample was irradiated with an ultraviolet spectrometer (UV-visible / DRS, UV-2401 PC) and placed in a photocatalysis evaluation checker (PCC-2) to test the photoactive decomposition reaction. The self-cleaning performance of the photocatalyst material is evaluated by measuring the degree to which the blue organic substance methylene blue decomposes and decolorizes the photocatalyst. 3 shows the results of measuring the change in concentration according to the change in absorbance of the colored film generated by decomposing methylene blue by continuously irradiating and measuring ultraviolet rays on the surface of the photocatalyst inorganic composite fiber.

비교예Comparative example

TiP x몰 비율을 0.1 대신에 TiP를 전혀 사용하지 않는 것을 제외하고는 실시예1과 같이 수행하였다. 열처리 전의 무기섬유에 XPS 분석을 수행하여 그 결과를 도1에 나타내었다. 제조된 무기 섬유의 구조를 확인하기 위해서 전기방사된 무기섬유를 1000 ℃에서 열처리한 후 FT-IR 스펙트럼으로 분석한 결과를 도2에 나타냈다.The TiP x molar ratio was performed as in Example 1 except that TiP was not used at all instead of 0.1. XPS analysis was performed on the inorganic fibers before heat treatment, and the results are shown in FIG. 1. In order to confirm the structure of the prepared inorganic fiber, the electrospun inorganic fiber was heat-treated at 1000 ° C., and the result of FT-IR spectrum analysis was shown in FIG. 2.

자외선을 연속 조사 및 측정하여 메틸렌 블루가 분해됨에 따라 발생하는 착색막의 흡광도 변화에 따른 농도의 변화를 측정한 결과를 도3에 나타내었다.3 shows the results of measuring the change in concentration according to the change in absorbance of the colored film generated as methylene blue is decomposed by continuously irradiating and measuring ultraviolet rays.

실시예Example 2  2

TiP x몰 비율을 0.1 대신에 0.2로 달리하여 첨가하는 것을 제외하고는 실시예1과 같이 수행하였다. 준비된 졸 용액 및 열처리 전의 무기 복합 섬유에서 Si 또는 Ti의 결합 환경을 알아보고자 XPS 분석을 수행하여 그 결과를 도1에 나타내었다. 제조된 SiO2-TiO2 복합 무기섬유의 구조를 확인하기 위해서 전기방사된 복합 무기 섬유를 1000 ℃에서 열처리한 후 FT-IR 스펙트럼으로 분석한 결과를 도2에 나타냈다.The TiP x mole ratio was added in the same manner as in Example 1 except that 0.2 was added instead of 0.1. XPS analysis was performed to determine the binding environment of Si or Ti in the prepared sol solution and the inorganic composite fiber before heat treatment, and the results are shown in FIG. 1. In order to confirm the structure of the prepared SiO 2 -TiO 2 composite inorganic fiber, the result of heat-treating the electrospun composite inorganic fiber at 1000 ℃ and analyzed by FT-IR spectrum is shown in FIG.

광촉매 무기 복합 섬유의 표면에 자외선을 연속 조사 및 측정하여 메틸렌 블루가 분해됨에 따라 발생하는 착색막의 흡광도 변화에 따른 농도의 변화를 측정한 결과를 도 3에 나타내었다. 3 shows the results of measuring the change in concentration according to the change in absorbance of the colored film generated as methylene blue is decomposed by continuously irradiating and measuring ultraviolet rays on the surface of the photocatalyst inorganic composite fiber.

다공성 알루미나 지지체 위에 전기방사 한 뒤에 열처리한 무기 복합 섬유를 광촉매 복합섬유의 효과를 확인하기 위하여 도4과 같이 0.2 L 부피를 가진 폐순환계를 제작하고, 일정시간 간격으로 가스크로마토그래피-밸브 시스템을 통해 가스크로마토그래피(GC-FID, SHIMAZU GC-2010) 검출기로 실시간 분석하였다. 광촉매 반응에 필요한 광원은 365 nm의 파장범위를 갖는 자외선 램프를 사용하였으며, 자외선 램프는 공기정화시스템의 양쪽에 설치하여 무기 복합 섬유에 조사될 수 있도록 하였다. 여기에 산화반응에 필요한 산소를 일정하게 공급하며 아세트알데히드의 정량변화를 측정하였다. 본 실험에 사용한 아세트알데히드 표준가스는 100 ppm의 농도로 조절하였으며, 이송가스는 질소이며 사용된 컬럼은 RESTEK RTX-624 (30 m×0.32 mm×18 ㎛)이었다. 또한 산화반응에 필요한 산소를 일정하게 공급하여 아세트알데히드의 표준농도인 100ppm의 정량변화를 측정하여 도5에 도시하였다. 도5 에서 보는 바와 같이 1시간 만에 약 60%의 감소율이란 매우 우수한 결과를 나타났으며, 5시간 만에 약 80%가 분해됨을 확인할 수 있었다. In order to confirm the effect of the photocatalytic composite fiber on the inorganic composite fiber heat-treated after electrospinning on the porous alumina support, a waste circulation system having a volume of 0.2 L is manufactured as shown in FIG. Real time analysis was performed with a gas chromatography (GC-FID, SHIMAZU GC-2010) detector. As a light source for the photocatalytic reaction, an ultraviolet lamp having a wavelength range of 365 nm was used, and the ultraviolet lamp was installed on both sides of the air purification system to irradiate the inorganic composite fiber. The oxygen required for the oxidation reaction was constantly supplied, and the quantitative change of acetaldehyde was measured. The acetaldehyde standard gas used in this experiment was adjusted to a concentration of 100 ppm, the feed gas was nitrogen and the column used was RESTEK RTX-624 (30 m × 0.32 mm × 18 μm). In addition, by constantly supplying the oxygen required for the oxidation reaction to measure the quantitative change of 100ppm, which is the standard concentration of acetaldehyde, it is shown in FIG. As shown in FIG. 5, the reduction rate of about 60% in 1 hour was very excellent, and about 80% was decomposed in 5 hours.

또한 수처리에서 광활성을 측정하기 위하여 도6의 2 L 부피를 갖는 반응장치에 포름알데히드 37% 용액 20ppm에다 열처리한 무기 복합 섬유를 1g을 파쇄하여 첨가한 혼합액을 넣었다. 포름알데히드를 액체크로마토그래피로 정량하기 위해서 포름알데히드-아세틸아세톤 유도체화법을 이용하였다. 1시간 간격으로 채취한 시료 5 ml에 발색시약 5 ml을 가한 후 40℃, 30분 가열한 후 냉각하여 액체크로마토그래피로 주입하였다. 이때, 발색시약은 암모늄 아세테이트, 초산, 아세틸아세톤, 물로 준비하였다. 액체크로마토그래피에서의 분리조건은 Allure C18 컬럼 (RESTEK, 4.6㎜ I.D., 150 ㎜ length, particle size 5 ㎛)을 사용하고 아세토니트릴(acetonitrile, AN)과 물(ACN:water=8:2)을 이동상으로 사용하고, 자외선 검출기(UV-vis detector)로 415 nm에서 측정 및 정량분석을 하였다. 포름알데이드 농도 변화를 도7에 도시하였다.In addition, in order to measure the photoactivity in water treatment, a mixed solution obtained by crushing and adding 1 g of the inorganic composite fiber heat-treated to 20 ppm of formaldehyde 37% solution was added to a 2 L volume reactor. Formaldehyde-acetylacetone derivatization was used to quantify formaldehyde by liquid chromatography. 5 ml of the color developing reagent was added to 5 ml of the sample collected at 1 hour intervals, heated at 40 ° C. for 30 minutes, cooled, and injected into the liquid chromatography. At this time, the color reagent was prepared with ammonium acetate, acetic acid, acetylacetone, water. Separation conditions in liquid chromatography were performed using an Allure C18 column (RESTEK, 4.6 mm ID, 150 mm length, particle size 5 μm), and acetonitrile (AN) and water (ACN: water = 8: 2). It was used as a UV-vis detector (UV-vis detector) was measured and quantified at 415 nm. Formaldehyde concentration change is shown in FIG.

실시예Example 3 내지 6 3 to 6

실시예 3 내지 6을 실시함에 있어 무기 복합 섬유를 전기방사한 후에 열처리 온도를 1000℃ 대신에 각각 100℃, 300℃, 500℃와 700℃ 로 달리하는 것을 제외하고는 실시예2와 같이 실시하였다. 광촉매 무기 복합 섬유의 표면에 자외선을 연속 조사 및 측정하여 메틸렌 블루가 분해됨에 따라 발생하는 착색막의 흡광도 변화에 따른 농도의 변화를 측정한 결과를 도 8에 나타내었다. Example 3 to 6 was carried out as in Example 2, except that the heat treatment temperature after electrospinning the inorganic composite fiber was changed to 100 ℃, 300 ℃, 500 ℃ and 700 ℃ respectively instead of 1000 ℃ . The results of measuring the change in concentration according to the change in absorbance of the colored film generated as methylene blue is decomposed by continuously irradiating and measuring ultraviolet rays on the surface of the photocatalyst inorganic composite fiber are shown in FIG. 8.

실시예7Example 7

TiP x몰 비율을 0.1 대신에 0.3로 달리하여 첨가하는 것을 제외하고는 실시예1과 같이 수행하였다. 열처리 전의 무기 복합 섬유에서 Si 또는 Ti의 결합 환경을 알아보고자 XPS 분석을 수행하여 그 결과를 도1에 나타내었다. 제조된 SiO2-TiO2 복합 무기섬유의 구조를 확인하기 위해서 전기방사된 복합 무기 섬유를 1000℃에서 열처리한 후 FT-IR 스펙트럼으로 분석한 결과를 도2에 나타냈다.The TiP x molar ratio was performed in the same manner as in Example 1 except for adding 0.1 instead of 0.1. XPS analysis was performed to determine the bonding environment of Si or Ti in the inorganic composite fiber before heat treatment, and the results are shown in FIG. 1. In order to confirm the structure of the prepared SiO 2 -TiO 2 composite inorganic fiber, the result of heat-treating the electrospun composite inorganic fiber at 1000 ° C. and analyzed by FT-IR spectrum is shown in FIG. 2.

광촉매 무기 복합 섬유의 표면에 자외선을 연속 조사 및 측정하여 메틸렌 블루가 분해됨에 따라 발생하는 착색막의 흡광도 변화에 따른 농도의 변화를 관측하였다. 측정한 결과를 도3에 나타내었다.Ultraviolet rays were irradiated and measured on the surface of the photocatalyst inorganic composite fiber to observe a change in concentration according to changes in absorbance of the colored film generated as methylene blue was decomposed. The measured result is shown in FIG.

실시예8Example 8

TiP x몰 비율을 0.1 대신에 0.4로 달리하여 첨가하는 것을 제외하고는 실시예1과 같이 수행하였다. 열처리 전의 무기 복합 섬유에서 Si 또는 Ti의 결합 환경을 알아보고자 XPS 분석을 수행하여 그 결과를 도1에 나타내었다. 제조된 SiO2-TiO2 복합 무기섬유의 구조를 확인하기 위해서 전기방사된 무기섬유를 1000℃에서 열처리한 후 FT-IR 스펙트럼으로 분석한 결과를 도2에 나타냈다.The TiP x mole ratio was added in the same manner as in Example 1 except for adding 0.1 instead of 0.1. XPS analysis was performed to determine the bonding environment of Si or Ti in the inorganic composite fiber before heat treatment, and the results are shown in FIG. 1. In order to confirm the structure of the prepared SiO 2 -TiO 2 composite inorganic fiber, the result of heat-treating the electrospun inorganic fiber at 1000 ℃ and analyzed by FT-IR spectrum is shown in FIG.

광촉매 무기 복합 섬유의 표면에 자외선을 연속 조사 및 측정하여 메틸렌 블루가 분해됨에 따라 발생하는 착색막의 흡광도 변화에 따른 농도의 변화를 관측하였다. 측정한 결과를 도3에 나타내었다. Ultraviolet rays were irradiated and measured on the surface of the photocatalyst inorganic composite fiber to observe a change in concentration according to changes in absorbance of the colored film generated as methylene blue was decomposed. The measured result is shown in FIG.

실시예9Example 9

TiP x몰 비율을 0.1 대신에 0.5로 달리하여 첨가하는 것을 제외하고는 실시예1과 같이 수행하였다. 열처리 전의 무기 복합 섬유에서 Si 또는 Ti의 결합 환경을 알아보고자 XPS 분석을 수행하여 그 결과를 도1에 나타내었다. 제조된 SiO2-TiO2 복합 무기섬유의 구조를 확인하기 위해서 전기방사된 무기섬유를 1000℃에서 열처리한 후 FT-IR 스펙트럼으로 분석한 결과를 도2에 나타냈다. 또한 1000℃에서 열처리한 후의 SEM 이미지를 도9에 TEM 이미지는 도11a(10만배 배율)과 도11b(50만배 배율)에 나타내었다. 도11a과 도11b의 TEM 이미지에서 검정색 부분은 TiO2 결정을 의미한다. 도12은 각 회절선에 거리를 이용하여 결정구조분석을 한 후 밀러지수를 부여한 결과를 나타내었다. 각 회절선은 아나타제(anatase)상의 TiO2가 생성되었음을 확인하였다. The TiP x molar ratio was performed in the same manner as in Example 1 except for adding 0.1 instead of 0.1. XPS analysis was performed to determine the bonding environment of Si or Ti in the inorganic composite fiber before heat treatment, and the results are shown in FIG. 1. In order to confirm the structure of the prepared SiO 2 -TiO 2 composite inorganic fiber, the result of heat-treating the electrospun inorganic fiber at 1000 ℃ and analyzed by FT-IR spectrum is shown in FIG. The SEM image after heat treatment at 1000 ° C. is shown in FIG. 9, and the TEM images are shown in FIGS. 11A (100,000 times magnification) and 11B (500,000 times magnification). In the TEM images of FIGS. 11A and 11B, the black portion is TiO 2. It means a decision. FIG. 12 shows the result of applying Miller index after analyzing the crystal structure using distance to each diffraction line. Each diffraction line confirmed that TiO 2 on anatase was generated.

광촉매 무기 복합 섬유의 표면에 자외선을 연속 조사 및 측정하여 메틸렌 블루가 분해됨에 따라 발생하는 착색막의 흡광도 변화에 따른 농도의 변화를 관측하였다. 측정한 결과를 도7에 나타내었다. Ultraviolet rays were irradiated and measured on the surface of the photocatalyst inorganic composite fiber to observe a change in concentration according to changes in absorbance of the colored film generated as methylene blue was decomposed. The measured result is shown in FIG.

실시예10Example 10

전기방사 후에 열처리 온도를 1000℃ 대신에 100℃로 달리하는 것을 제외하고는 실시예9와 같이 실시하였다. 100 ℃에서 열처리한 후의 SEM 이미지를 도10에 나타내었다.After the electrospinning was carried out as in Example 9 except that the heat treatment temperature was changed to 100 ℃ instead of 1000 ℃. The SEM image after heat-processing at 100 degreeC is shown in FIG.

평가 분석Assessment analysis

준비된 졸 용액 및 열처리 전의 무기 복합 섬유에서 Si 또는 Ti의 결합 환경을 알아보고자 한 도1의 XPS 분석 결과에서 Ti의 양이 증가함에 따라 점차적으로 겔화 시간이 늦어지는 것으로 판단된다. 첨가되는 Ti의 양이 많을수록 점차적으로 Si의 결합에너지가 줄어드는 모습을 보여주고 있다. 이러한 현상은 Si 자리에 Ti가 치환되어 Si의 결합 환경에 영향을 주는 것으로 판단할 수 있다. 결국, SiO-TiO계는 Si 자리에 Ti이 치환되어 있는 것으로 볼 때 Ti의 존재는 축합반응을 방해하는 원인으로 작용하여, Ti의 양이 많아질수록 상대적으로 적은 양의 Si가 존재하게 되므로 용액의 농도가 낮아지며, 용액의 농도가 낮은 경우 겔화가 되는 시점이 점차 늦어지게 된다.In the XPS analysis of FIG. 1 to determine the bonding environment of Si or Ti in the prepared sol solution and the inorganic composite fiber before heat treatment, the gelation time gradually decreased as the amount of Ti increased. As the amount of Ti added increases, the binding energy of Si gradually decreases. This phenomenon can be judged that Ti is substituted in place of Si affects the bonding environment of Si. After all, since the SiO-TiO system is considered that Ti is substituted at the Si site, the presence of Ti acts as a cause to interfere with the condensation reaction, so that a relatively small amount of Si is present as the amount of Ti increases. When the concentration of is lowered, when the concentration of the solution is low, the time of gelation is gradually delayed.

티타니아의 몰 비율에 따른 활성 변화에 대해서는 실험시작 15분 후에 메틸렌 블루의 농도가 약 80%의 감소율이 나타난 x = 0.2일 때 광활성이 가장 좋았으며, 합성 및 열처리 과정에서 무기 복합 섬유의 표면으로 결정화를 통해 확산된 TiO2의 분포 정도와 그의 활성화 및 결정화된 TiO2의 분포에 따른 결정의 모양과 그 배향성이 가장 양호한 것으로 믿어진다.For the change of activity according to the molar ratio of titania, the photoactivity was the best when x = 0.2 where the methylene blue concentration decreased about 80% after 15 minutes of the experiment, and crystallized to the surface of the inorganic composite fiber during the synthesis and heat treatment. It is believed that the shape and orientation of crystals according to the degree of distribution of TiO 2 diffused through and the activation and distribution of crystallized TiO 2 are best.

1000℃ 열처리한 경우를 제외하고 나머지 온도에서 광활성 분해효과가 비슷한 경향을 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 현상은 열처리로 인한 표면의 활성화는 약 700℃까지 특별한 영향을 주지 않는 것으로 판단되며, 1000℃ 열처리한 경우만이 좋은 특성을 나타나는 것은 TEM분석과 일치하는 결과로서 무정형 실리카 내부에 존재하는 티타니아의 결정화와 밀접한 관계를 갖는다고 할 수 있다. 즉, 높은 온도에서 열처리 했을 경우 무기 복합 섬유 내부에서 TiO2의 유리화를 통하여 복합화 및 결정화가 잘 이루어졌음으로 인하여 메틸렌 블루의 광활성 분해효과가 가장 좋은 결과를 나타낸 것으로 판단된다.Except when heat-treated at 1000 ℃ it was confirmed that the photoactive decomposition effect showed a similar tendency at the remaining temperature. This phenomenon is considered that the surface activation due to heat treatment does not have a special effect up to about 700 ℃, and only good heat treatment at 1000 ℃ is in agreement with the TEM analysis results of titania in the amorphous silica as a result It can be said that it is closely related to crystallization. That is, when the heat treatment at high temperature, the composite and crystallization was well achieved through the vitrification of TiO 2 in the inorganic composite fiber, it is considered that the photoactive decomposition effect of methylene blue showed the best result.

실시예9와 실시예10에서 얻어진 복합 웹을 사용하여 SEM, TEM을 이용한 형태학적 특성평가 결과를 도9 내지 도12에 나타내었다. 열처리 전의 상온 전기방사를 한 경우와 100에서 1000℃ 범위 내에서 각각 열처리를 한 모든 경우에서 복합섬유의 표면은 매우 깨끗했으며 열처리 온도가 증가했음에도 불구하고 일정한 섬유직경을 유지하게 된다. 따라서 섬유직경 및 섬유의 형태는 열처리에 영향을 받지 않음을 알 수 있다. 무기섬유의 직경은 대략 0.5에서 2 μm 정도의 넓은 범위임을 알 수 있다.The results of morphological characterization using SEM and TEM using the composite web obtained in Example 9 and Example 10 are shown in FIGS. 9 to 12. In the case of room temperature electrospinning before heat treatment and in each case of heat treatment within the range of 100 to 1000 ° C, the surface of the composite fiber was very clean and the fiber diameter was maintained even though the heat treatment temperature was increased. Therefore, it can be seen that the fiber diameter and the shape of the fiber are not affected by the heat treatment. It can be seen that the diameter of the inorganic fiber is in a wide range of about 0.5 to 2 μm.

본 발명에서 SiO2-TiO2 계의 열적 안정성은 일반적으로 알려진 고온 안정상인 루타일(rutile) 구조를 갖지 않으며, 1000℃에서 열처리한 경우라도 아나타제의 안정상이 형성됨을 확인하였다. 이와 같은 현상은 열처리에 의하여 TiO2 결정상의 생성과 유리됨에 의하여 복합체를 형성하는데 있어 비정질 실리카의 방해로 인한 상전이 온도를 더욱 높게 하는 효과를 주는 것으로 생각된다. 각 섬유 내부와 표면에 분포되어 있는 입자의 크기는 약 5-10 nm 정도의 매우 작은 아나타제상 TiO2가 형성되었다. In the present invention, the thermal stability of the SiO 2 -TiO 2 system does not have a rutile structure, which is a generally known high temperature stable phase, and it is confirmed that a stable phase of anatase is formed even when heat-treated at 1000 ° C. This phenomenon is caused by heat treatment by TiO 2 It is thought that the formation and release of the crystalline phase have an effect of further increasing the phase transition temperature due to the interference of amorphous silica in forming the composite. Anatase TiO 2 with a very small particle size of about 5-10 nm was formed on the inside and the surface of each fiber.

티타니아 몰비율을 달리하여 제조된 SiO2-TiO2 복합 무기섬유를 1000℃에서 열처리한 후 FT-IR 스펙트럼으로 분석한 결과인 도2에서 TiP 농도 증가에 따라 1100 cm-1 부근의 Si-O 피크와 950 cm-1 부근의 Si-O-Ti 피크가 점차적으로 증가하고, 약 600 cm-1 부근의 Ti-O 피크가 40%, 50% 등의 고농도에서 다소 약하게 나타나는 것을 관찰할 수 있다. 이와 같은 결과는 Si 위치에 Ti 원자가 치환되어 존재하고 있음을 나타내는 증거이다. 고온으로 열처리를 했을 경우 SiO2와 TiO2 입자가 복합체 형태로 존재함으로서 Si-O-Ti에 상응하는 피크가 점차 사라지며, Ti-O피크가 증가하는 것을 예측할 수 있으며 이것은 TEM 분석 결과와 일치하고 있음을 알 수 있다. Manufactured by varying the titania mole ratio SiO 2 -TiO 2 composite inorganic fiber after the heat treatment at 1000 ℃ in Figure 2 the results of analysis by FT-IR spectrum in accordance with the TiP concentration increase in the vicinity of 1100 cm -1 peak SiO It can be observed that the Si-O-Ti peaks around 950 cm −1 gradually increase, and the Ti-O peaks around 600 cm −1 appear slightly weak at high concentrations such as 40% and 50%. This result is evidence indicating that the Ti atom is substituted at the Si position. When heat-treated at high temperature, SiO 2 and TiO 2 particles are present in the form of a composite, and the peak corresponding to Si-O-Ti disappears gradually, and the Ti-O peak increases, which is in agreement with the TEM analysis result. It can be seen that.

도7는 포름알데히드의 광활성 무기섬유의 시간에 따른 농도변화를 나타낸 액체 크로마토그래피 결과를 보여주는데 자외선 광원을 조사하지 않았을 경우 포름알데히드의 분해가 전혀 일어나지 않으며, 자외선을 조사하자 분해가 일어나며 포름알데히드의 농도가 지속적으로 감소함을 보여주고 있다. 약 20시간이 지난 후 100%의 완벽한 분해효율을 나타내었다. Figure 7 shows the liquid chromatography results showing the change in concentration of formaldehyde photoactive inorganic fibers over time. When no ultraviolet light source is irradiated, no decomposition of formaldehyde occurs, and the decomposition occurs when irradiated with ultraviolet rays and the concentration of formaldehyde Shows a steady decline. After about 20 hours, it showed a perfect decomposition efficiency of 100%.

이로서 제조된 SiO2-TiO2 계는 우수한 광촉매 활성을 지니고 있다는 것을 알 수 있었으며, 또한 공기청정기 및 수처리 필터의 광촉매 소재로서 사용가능성을 확인하였다.It was found that the SiO 2 -TiO 2 system thus prepared had excellent photocatalytic activity, and also confirmed the possibility of use as a photocatalyst material for air cleaners and water treatment filters.

Claims (4)

실리카 전구체, 상기 실리카 전구체의 10몰% 내지 100몰%의 티타니아 전구체, 저급 알킬알코올과 산농도 조절용 산을 포함하는 복합 졸을 전기 방사하고 열처리하여 얻어지는 광촉매 활성 SiO2-TiO2 복합 섬유Photocatalytically active SiO 2 -TiO 2 obtained by electrospinning and heat-treating a silica precursor, a composite sol comprising 10 mol% to 100 mol% of the silica precursor, a lower alkyl alcohol and an acid concentration adjusting acid Composite fiber 제1항에 있어서, 상기 실리카 전구체는 테트라에틸오르소실리케이트이고, 상기 티타니아 전구체는 티타늄이소프로폭사이드이고, 상기 저급 알킬 알코올은 이소프로필알코올이고, 상기 산농도 조절용 산은 염산인 광촉매 활성 SiO2-TiO2 복합 섬유The photocatalytically active SiO 2 -of claim 1, wherein the silica precursor is tetraethylorthosilicate, the titania precursor is titanium isopropoxide, the lower alkyl alcohol is isopropyl alcohol, and the acid for adjusting the acid concentration is hydrochloric acid. TiO 2 Composite fiber 통기성 기판에 실리카 전구체, 상기 실리카 전구체의 10몰% 내지 100몰%의 티타니아 전구체, 저급 알킬알코올과 산농도 조절용 산을 포함하는 무기 복합 졸을 골고루 전기 방사하고 열처리하여 얻어지는 수 정화용 또는 대기 정화용 광촉매 활성 필터Photocatalytic activity for water purification or air purification obtained by uniformly electrospinning and heat treating an inorganic composite sol comprising a silica precursor, a 10 mol% to 100 mol% titania precursor of the silica precursor, a lower alkyl alcohol and an acid for controlling acid concentration. filter 제3항에 있어서, 상기 통기성 기판이 부직포 또는 다공성 세라믹판인 수 정화용 또는 대기 정화용 광촉매 활성 필터The photocatalytic active filter for water purification or air purification according to claim 3, wherein the breathable substrate is a nonwoven fabric or a porous ceramic plate.
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