KR20240043335A - 이산화티타늄을 포함하는 전기 촉매 유닛 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이산화티타늄을 포함하는 전기 촉매 유닛에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 전원 공급부에 의해 이산화티타늄의 밴드갭 이상의 에너지를 흡수하여 높은 촉매 활성을 나타냄으로써 공기 정화 장치, 수처리 장치, 음식물 처리 장치 등 다양한 정화 장치에 활용될 수 있는, 전기 촉매 유닛에 관한 것이다. 이를 위해, 상기 전기 촉매 유닛은, 유입구 및 유출구가 구비되는 하우징; 상기 하우징 내에 구비되는 플레이트; 상기 플레이트 상에 코팅되어 형성된 촉매 코팅층; 및 상기 하우징 내에 구비되어 있으며, 상기 촉매 코팅층을 활성화시키기 위한 전원 공급부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 이산화티타늄을 포함하는 전기 촉매 유닛에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 전원 공급부에 의해 이산화티타늄의 밴드갭 이상의 에너지를 흡수하여 높은 촉매 활성을 나타냄으로써 공기 정화 장치, 수처리 장치, 음식물 처리 장치 등 다양한 정화 장치에 활용될 수 있는, 전기 촉매 유닛에 관한 것이다.
일반적으로, 산업이 발달함에 따라 환경오염 문제는 갈수록 심각해지고 있으며, 이에 따라서 오염물질에 대한 규제도 더욱 강화되고 있는 실정이다. 이러한 추세에 따라 난분해성 물질 등의 오염물질을 분해 및 제거하기 위해 물리적, 생물학적 및 화학적 방법이 다양하게 적용되고 있다. 그러나, 대다수 종류의 유기물에 대해 분해 효율이 낮고, 대부분 방법의 경우 많은 2차 부산물이 생성되는 등 효율적인 처리에 많은 어려움이 있다.
이러한 오염물질과 관련하여, 폐수 또는 악취에 포함된 오염물질을 제거하는 방법으로는 크게 활성탄을 이용한 흡착제거, 응집, 펜톤 등의 화학적 산화처리, 미생물을 이용한 생물학적 처리 등의 방법이 있다. 그러나 이러한 방법들은 근본적인 문제점을 지니고 있다. 즉, 활성탄과 같은 흡착제를 이용하는 흡착처리 방법에 있어서는 이 방법 자체에 의한 완전한 오염물질의 분해가 이루어지지 않을 뿐만 아니라 흡착된 오염물질의 제거를 위한 또 다른 2차 처리과정이 필요하게 된다. 그리고, 화학적 산화처리에 있어서도 일반적으로 유기물질의 완전한 분해가 이루어지지 않거나, 다량의 침전 슬러지를 발생하는 등의 2차 오염을 유발하게 된다. 또한, 오염물질의 처리에 널리 이용되고 있는 생물학적 처리에 있어서도 비교적 처리속도가 느리고 전체 반응계가 생물학적 활성을 나타낼 수 있는 처리조건이 까다롭다는 문제점 등을 나타내고 있다. 따라서 이러한 문제점들로 인하여 기존의 오염물질 처리 방법을 개선 또는 대체할 수 있는 기술의 필요성이 증가하게 되었다.
이에, 최근 새로운 오염물질 처리기술로서 크게 주목을 받고 있는 광촉매 반응을 이용한 방법은 광촉매를 이용하여 오염물질을 직접 분해·처리하는 공정이며, 온도, pH, 오염물질의 농도 등의 영향도 비교적 작게 받게 되므로 처리 조건에 있어서도 제약이 거의 없다. 따라서 광촉매 반응을 이용한 오염물질 처리 기술을 이용하면 2차 오염물질의 생성 없이 유해 유기물질을 이산화탄소와 물 등으로 완전히 분해할 수 있다. 이러한 장점들로 인해 광촉매 반응을 이용한 오염물질의 처리는 기존의 오염물질 처리 기술을 대체할 수 있는 새로운 방법으로서 그 가능성이 매우 크다고 할 수 있다.
광촉매 중 가장 대표적인 것은 이산화티타늄(TiO2)으로서, 이산화티타늄의 표면에 밴드갭(band gap)보다 큰 에너지 즉, 400 nm이하의 자외선을 조사하게 되면 가전자대(valance band)와 전도대(conduction band)에서 정공(h+)과 전자(e-)가 생성되며, 이때 생성된 전자와 전공은 광촉매 표면으로 이동하게 되고 전도대의 전자들은 중 금속 이온(Mx+) 및 산소(O2)를 전기화학적으로 흡착한 후 중금속 이온을 광환원시키거나, 슈퍼옥사이드 라디칼(superoxide radical)을 생성하게 되며, 슈퍼옥사이드 라디칼은 직접 유기물질을 분해하거나 OH 라디칼을 생성한다. 또한, 가전자대의 양공은 물분자와 반응하여 OH 라디칼을 생성하여, 광촉매 입자 표면에 흡착되어 있는 유기물을 산화시키게 된다.
이러한 광촉매의 효율을 개선하기 위한 방법으로는, 우선 비표면적을 크게 해줄 수 있는 다양한 광촉매 제조 기술, 전자와 친화력이 강한 백금과 같은 비금속의 첨가, 그리고 산화 환원 반응을 선택적으로 유발시키기 위한 다른 메 탈옥사이드의 첨가 등을 들 수 있다.
그러나, 광촉매 반응을 적용한 오염물질 처리시, 가장 큰 제한 요소로 적용하는 것 중 하나는 광촉매 반응을 유발하기 위하여 자외선 램프를 광원으로 사용해야 한다는 점이다. 자외선 램프의 사용에 따른 에너지 비용은 난분해성 오염물질 처리에 사용될 수 있는 다른 오염물질 처리 방법과 비교하여 비용편익 측면에서 광촉매 반응의 가장 큰 단점으로 인식되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 자외선 램프 없이 전원 공급부에 의해 이산화티타늄이 가진 밴드갭 이상의 에너지를 공급함으로써 촉매 활성 기능을 나타내게 할 수 있는, 전기 촉매 유닛을 제공하고자 한다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 분명해질 것이다.
상기 목적은, 유입구 및 유출구가 구비되는 하우징; 상기 하우징 내에 구비되는 플레이트; 상기 플레이트 상에 코팅되어 형성된 촉매 코팅층; 및 상기 하우징 내에 구비되어 있으며, 상기 촉매 코팅층을 활성화시키기 위한 전원 공급부;를 포함하는, 전기 촉매 유닛에 의해 달성될 수 있다.
구체적으로, 상기 촉매 코팅층은, 이산화티타늄, 산화아연, 산화주석, 산화지르코늄, 산화텅스텐, 산화바나듐, 산화니켈, 산화철, 황화아연, 탄화규소, 황화카드뮴, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 산화물을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 전원 공급부는, 상기 촉매 코팅층에 포함된 금속 산화물의 밴드갭(band gap) 이상의 에너지를 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 촉매 코팅층은, 상기 전원 공급부에 의해 밴드갭 이상의 에너지를 흡수하여 촉매 활성 기능을 나타내는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게, 상기 촉매 코팅층은, 이산화티타늄을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게, 상기 이산화티타늄은, 루타일(rutile), 아나타제(antase), 브루카이트(brookite), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 결정 구조를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 유입구로 공급된 물 또는 공기에 포함된 악취, 바이러스, 박테리아, 휘발성 유기 화합물, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 오염물질이 상기 기판 상에 코팅되어 형성된 촉매 코팅층을 통해 제거된 후, 유출구로 배출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 전기 촉매 유닛은, 공기 정화 장치, 수처리 장치, 음식물 처리 장치, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 장치에 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 자외선 광원의 구비 없이 전원 공급부에 의해 이산화티타늄이 가진 밴드갭 이상의 에너지를 전기에너지로 공급하여 촉매 활성 기능을 나타내게 함으로써 물 또는 공기에 포함된 악취, 바이러스, 박테리아, 휘발성 유기 화합물과 같은 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전기 촉매 유닛은 광원을 포함하지 않아 소형화가 가능하고, 광원 탑재에 소요되는 시간 및 비용을 절감할 수 있어 경제적이며, 이에 따라 제한되었던 다양한 산업 분야에 용이하게 활용될 수 있다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.
또한, 달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가지며, 상충되는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서의 기재가 우선할 것이다.
도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 기술한 "부"란, 특정 기능을 수행하는 하나의 단위 또는 블록을 의미한다.
각 단계들에 있어 식별부호(제1, 제2, 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원의 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 측면은, 유입구 및 유출구가 구비되는 하우징; 상기 하우징 내에 구비되는 플레이트; 상기 플레이트 상에 코팅되어 형성된 촉매 코팅층; 및 상기 하우징 내에 구비되어 있으며, 상기 촉매 코팅층을 활성화시키기 위한 전원 공급부;를 포함하는, 전기 촉매 유닛을 제공한다.
본 발명에 따르면, 자외선 광원의 구비 없이 전원 공급부에 의해 이산화티타늄이 가진 밴드갭 이상의 에너지를 전기에너지로 공급하여 촉매 활성 기능을 나타내게 함으로써 물 또는 공기에 포함된 악취, 바이러스, 박테리아, 휘발성 유기 화합물과 같은 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있다. 또한, 광원을 구비하지 않으므로 상기 전기 촉매 유닛을 이용한 제품 개발 시 소형화가 가능하고, 광원 탑재에 소요되는 시간 및 비용을 절감할 수 있어 경제적이며, 이에 따라 제한되었던 다양한 산업 분야에 용이하게 활용될 수 있다는 장점을 갖는다.
이하, 본 발명에 따른 전기 촉매 유닛을 상세히 설명한다.
일 실시예에 있어서, 상기 유입구로 공급된 물 또는 공기에 포함된 악취, 바이러스, 박테리아, 휘발성 유기 화합물, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 오염물질이 상기 기판 상에 코팅되어 형성된 촉매 코팅층을 통해 제거된 후, 유출구로 배출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 촉매 코팅층은, 이산화티타늄, 산화아연, 산화주석, 산화지르코늄, 산화텅스텐, 산화바나듐, 산화니켈, 산화철, 황화아연, 탄화규소, 황화카드뮴, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 산화물을 포함할 수 있다. 바람직하게, 상기 촉매 코팅층은 이산화티타늄을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 촉매 코팅층이 이산화티타늄을 포함할 경우, 상기 이산화티타늄은 루타일(rutile), 아나타제(antase), 브루카이트(brookite), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 결정 구조를 가질 수 있다. 바람직하게, 상기 촉매 코팅층은 아나타제 결정 구조의 이산화티타늄을 포함하는 것일 수 있다. 상기 이산화티타늄의 결정 구조로서 루타일 결정 구조, 아나타제 결정 구조, 및 브루카이트 결정 구조는 서로 다른 밴드갭 에너지를 가지며, 아나타제 결정 구조를 갖는 이산화티타늄은 가장 낮은 약 3.2 eV의 밴드갭 에너지를 필요로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 전원 공급부는, 상기 촉매 코팅층에 포함된 금속 산화물의 밴드갭(band gap) 이상의 에너지를 공급할 수 있다. 구체적으로, 상기 전원 공급부는 촉매 코팅층에 포함된 금속 산화물, 예를 들어 이산화티타늄이 갖는 밴드갭 이상의 전기에너지를 공급할 수 있으며, 이에 따라 상기 촉매 코팅층에 포함되는 이산화티타늄은 상기 전원 공급부로부터 밴드갭 이상의 에너지를 흡수하여 정공(h+)와 전자(e-)를 생성시키고, 생성된 전자 및 정공에 의해 산소 발생 반응(oxygen evolution reaction)에 대한 촉매적 활성을 나타내어 산소 기체를 생성하거나, 슈퍼옥사이드 라디칼(superoxide radical)을 생성하여 악취, 바이러스, 박테리아, 휘발성 유기 화합물 등을 포함하는 오염물질을 분해하는 효과를 나타낼 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전기 촉매 유닛은, 공기 정화 장치, 수처리 장치, 음식물 처리 장치, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 장치에 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 전기 촉매 유닛은 전원 공급부로부터 이산화티타늄이 갖는 밴드갭 이상의 에너지, 구체적으로는 약 3.2 eV 이상의 에너지를 공급받아 촉매 활성을 나타냄으로써 공기 정화 분야에서 제거가 힘들었던 질소산화물, 황산화물, 휘발성 유기 화합물, 미세먼지 등을 제거할 수 있으며, 수질 정화 분야에서는 물 속의 유기물, 계면활성제를 분해하여 제거할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 촉매 코팅층은 구리 기반 화합물을 추가 포함함으로써 촉매 활성을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 구리 기반 화합물은 구리 산화물을 포함하는 것일 수 있으며, 예를 들어, 산화구리(CuO), 구리페라이트(CuFe2O4), 구리 비스무스 산화물(CuBi2O4), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 구체적으로, 상기 촉매 코팅층은 구리 기반 화합물로서 구리 비스무스 산화물을 포함할 수 있다.
구리 비스무스 산화물은 스피넬 구조의 p-type 반도체로서, 낮은 밴드갭 에너지를 나타내며 물 분해에 적절한 전도대 위치를 나타내고, 지표 상에 풍부한 원소로 구성되어 경제성 측면에서 유리할 뿐만 아니라 유해성이 낮다는 장점을 갖는다. 이에, 상기 촉매 코팅층으로서 이산화티타늄과 함께 구리 비스무스 산화물을 추가 포함할 경우, 촉매 활성을 향상시키면서도 높은 경제성을 갖는 전기 촉매 유닛을 제조할 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
Claims (8)
- 유입구 및 유출구가 구비되는 하우징;
상기 하우징 내에 구비되는 플레이트;
상기 플레이트 상에 코팅되어 형성된 촉매 코팅층; 및
상기 하우징 내에 구비되어 있으며, 상기 촉매 코팅층을 활성화시키기 위한 전원 공급부;
를 포함하는, 전기 촉매 유닛.
- 제1항에 있어서, 상기 촉매 코팅층은,
이산화티타늄, 산화아연, 산화주석, 산화지르코늄, 산화텅스텐, 산화바나듐, 산화니켈, 산화철, 황화아연, 탄화규소, 황화카드뮴, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 산화물을 포함하는, 전기 촉매 유닛.
- 제1항에 있어서, 상기 전원 공급부는,
상기 촉매 코팅층에 포함된 금속 산화물의 밴드갭(band gap) 이상의 에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는, 전기 촉매 유닛.
- 제1항에 있어서, 상기 촉매 코팅층은,
상기 전원 공급부에 의해 밴드갭 이상의 에너지를 흡수하여 촉매 활성 기능을 나타내는 것을 특징으로 하는, 전기 촉매 유닛.
- 제2항에 있어서, 상기 촉매 코팅층은,
이산화티타늄을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 촉매 유닛.
- 제2항에 있어서, 상기 이산화티타늄은,
루타일(rutile), 아나타제(antase), 브루카이트(brookite), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 결정 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 전기 촉매 유닛.
- 제1항에 있어서,
상기 유입구로 공급된 물 또는 공기에 포함된 악취, 바이러스, 박테리아, 휘발성 유기 화합물, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 오염물질이 상기 기판 상에 코팅되어 형성된 촉매 코팅층을 통해 제거된 후, 유출구로 배출되는 것을 특징으로 하는, 전기 촉매 유닛.
- 제1항에 있어서, 상기 전기 촉매 유닛은,
공기 정화 장치, 수처리 장치, 음식물 처리 장치, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 장치에 사용되는 것을 특징으로 하는, 전기 촉매 유닛.
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| KR1020220122300A KR20240043335A (ko) | 2022-09-27 | 2022-09-27 | 이산화티타늄을 포함하는 전기 촉매 유닛 |
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|---|---|---|---|---|
| KR100808343B1 (ko) | 2003-06-19 | 2008-02-27 | 캐리어 코포레이션 | 2기능성 망간 산화물/티타늄 이산화물 광촉매/열촉매 |
-
2022
- 2022-09-27 KR KR1020220122300A patent/KR20240043335A/ko unknown
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