고효율 광촉매 모르타르 조성물 및 이의 제조방법{Mortar composition comprising high efficient photocatalyst and preparing method thereof}
본 발명은 고효율 광촉매 모르타르 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 계면활성제, 유동화제 및 분산제에 이산화티탄을 특정비로 혼합하여 이산화티탄의 2차 응집을 해소함으로써 광촉매 입자의 대기 노출 면적을 최대화시킨 고효율 광촉매 모르타르 조성물 및 이의 제조방법을 제공한다.
광촉매는 태양광 또는 형광등에 포함된 자외선광에 의해 강력한 산화 환원 능력을 갖는 물질로써 이중에서도 뛰어난 광활성과 광 및 화학적, 생물학적 안정성, 내구성, 경제성 등의 장점을 갖고 있는 이산화티탄(TiO 2 )가 가장 많이 사용되고 있다. 이산화티탄의 특징은 여기전자가 갖는 환원력보다도 정공이 갖는 산화력이 대단히 세다. 정공의 에너지 위치는 전위로 나타내면 수소기준 전위로 약 +3 V로서 수처리에 사용되는 염소 1.36 V와 오존 2.07 V에 비하여 월등히 센 산화력을 갖고 있다. 이산화티탄은 광촉매 작용에 의해 재료표면의 부착 물질, 공기 중의 물질, 수중의 물질을 살균, 항균, 분해, 방오, 소취, 포집할 수 있다. 따라서 쿨러필터, 유리, 타일, 외벽, 공장내벽, 금속제품, 수조, 해양오염정화, 건자재, 곰팡이 방지, 자외선 차단, 수질정화, 대기정화, 병원내 감염방지 등 넓은 용도에 적합하다. 이와 같은 광촉매를 재료의 표면에 노출시키면, 밝은 곳에 놓아두는 것만으로 더러움이나 냄새 성분이 자연스럽게 분해된다. 콘크리트나 도료에 광촉매인 이산화티탄을 혼합시키면 산성비의 원인이 되는 대기 중의 질소산화물(NOx)이나 황산화물(SOx)을 산화시켜 최종적으로 질산이나 황산으로 변화시켜 제거하는 작용을 한다. 즉, 광촉매가 포함된 블록을 보도에 깐다든지, 건물에 광촉매가 혼합된 도료를 도포해 놓으면, 일광이 닿는 것만으로 VOC, NOx, SOx, O 3 , 아세트알데히드 등 대기 오염 물질이 제거된다. 그러나 이산화티탄은 입자간의 뭉침현상이 발생함에 따라 광촉매 입자의 대기 노출 면적이 감소되며, 이에 따라 광촉매 효율이 줄어들게 된다. 따라서, 이산화티탄의 광촉매 효율을 극대화하기 위한 방법이 시급한 실정이다.
이에, 본 발명자들은 이산화티탄 광촉매의 효율을 향상시킬 수 있는 방법을 연구한 결과, 계면활성제, 유동화제 및 분산제에 이산화티탄을 특정비로 혼합하여 이산화티탄 입자의 2차 응집을 해소하여 광촉매 효율을 극대화할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다. 따라서, 본 발명의 목적은 고효율 광촉매 모르타르 조성물 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 a) 이산화티탄(TiO 2 ); 올레핀 설포네이트계 음이온 계면활성제, 알킬에테르계 음이온 계면활성제, 히드록시스테아르산나트륨, 라우릴술페이트, 알킬벤젠술폰산, 알칸술포네이트, 폴리옥시에틸렌알킬(페닐)에테르, 폴리옥시에틸렌알킬(페닐)에테르황산에스테르 또는 그 염, 알케닐술포숙신산 및 이미다졸린베타인으로 구성되는 군으로부터 선택된 1종 이상의 계면활성제; 폴리멜라민술포네이트계 화합물, 리그닌술포네이트계 화합물 및 폴리카르복실레이트 화합물로 구성되는 군으로부터 선택된 1종 이상의 유동화제; 및 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 에탄올아민, 디에탄올아민 및 트리에탄올아민으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 분산제;를 혼합 분쇄하는 단계; b) 상기 a)의 분쇄물에 시멘트 또는 석고를 혼합하는 단계; 및 c) 상기 b)의 혼합물을 입경 6mm 이하로 분급된 모래와 혼합하는 단계; 를 포함하는 광촉매 모르타르 조성물의 제조방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 이산화티탄(TiO 2 ); 올레핀 설포네이트계 음이온 계면활성제, 알킬에테르계 음이온 계면활성제, 히드록시스테아르산나트륨, 라우릴술페이트, 알킬벤젠술폰산, 알칸술포네이트, 폴리옥시에틸렌알킬(페닐)에테르, 폴리옥시에틸렌알킬(페닐)에테르황산에스테르 또는 그 염, 알케닐술포숙신산 및 이미다졸린베타인으로 구성되는 군으로부터 선택된 1종 이상의 계면활성제; 폴리멜라민술포네이트계 화합물, 리그닌술포네이트계 화합물 및 폴리카르복실레이트 화합물로 구성되는 군으로부터 선택된 1종 이상의 유동화제; 및 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 에탄올아민, 디에탄올아민 및 트리에탄올아민으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 분산제;를 유효성분으로 포함하는 광촉매 모르타르 조성물을 제공한다.
본 발명에 따라 제조된 광촉매 모르타르 조성물은 광촉매 물질인 이산화티탄의 2차 뭉침현상을 효과적으로 해소할 수 있다. 이에 따라, 모르타르 조성물에 적용 시 모르타르 표면에 광촉매 입자의 대기 노출 면적을 최대화시킴으로써 광촉매의 효능을 극대화시킴과 동시에 시멘트, 석고 경화체에 의한 광촉매물질의 고정화에 의해 광촉매의 지속성을 높일 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따라 제조된 TiO 2 를 포함하는 모르타르 조성물(비교예)의 2차 응집 상태 사진이다.
도 2는 본 발명에 따라 이산화티탄 광촉매 입자 응집을 해소한 상태 사진이다(실시예).
도 3은 종래 기술에 따라 제조된 TiO 2 를 포함하는 모르타르 조성물(비교예)과 본 발명에 따라 제조된 광촉매 모르타르 조성물(실시예)의 광촉매 활성 비교 실험 결과를 도시한 그래프이다.
도 4는 종래 기술에 따라 제조된 TiO 2 를 포함하는 모르타르 조성물(비교예)과 ㅂ노 발명에 따라 제조된 광촉매 모르타르 조성물(실시예)의 NO 제거율을 비교하는 실험 결과를 도시한 그래프이다.
본 발명의 광촉매 모르타르 조성물의 제조방법은 a) 이산화티탄(TiO 2 ); 올레핀 설포네이트계 음이온 계면활성제, 알킬에테르계 음이온 계면활성제, 히드록시스테아르산나트륨, 라우릴술페이트, 알킬벤젠술폰산, 알칸술포네이트, 폴리옥시에틸렌알킬(페닐)에테르, 폴리옥시에틸렌알킬(페닐)에테르황산에스테르 또는 그 염, 알케닐술포숙신산 및 이미다졸린베타인으로 구성되는 군으로부터 선택된 1종 이상의 계면활성제; 폴리멜라민술포네이트계 화합물, 리그닌술포네이트계 화합물 및 폴리카르복실레이트 화합물로 구성되는 군으로부터 선택된 1종 이상의 유동화제; 및 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 에탄올아민, 디에탄올아민 및 트리에탄올아민으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 분산제;를 혼합 분쇄하는 단계; b) 상기 a)의 분쇄물에 시멘트 또는 석고를 혼합하는 단계; 및 c) 상기 b)의 혼합물을 입경 6mm 이하로 분급된 모래와 혼합하는 단계; 를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 광촉매 모르타르 조성물은 이산화티탄(TiO 2 ); 올레핀 설포네이트계 음이온 계면활성제, 알킬에테르계 음이온 계면활성제, 히드록시스테아르산나트륨, 라우릴술페이트, 알킬벤젠술폰산, 알칸술포네이트, 폴리옥시에틸렌알킬(페닐)에테르, 폴리옥시에틸렌알킬(페닐)에테르황산에스테르 또는 그 염, 알케닐술포숙신산 및 이미다졸린베타인으로 구성되는 군으로부터 선택된 1종 이상의 계면활성제; 폴리멜라민술포네이트계 화합물, 리그닌술포네이트계 화합물 및 폴리카르복실레이트 화합물로 구성되는 군으로부터 선택된 1종 이상의 유동화제; 및 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 에탄올아민, 디에탄올아민 및 트리에탄올아민으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 분산제;를 유효성분으로 포함한다. 이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
상기 계면활성제, 유동화제 및 분산제를 0.02~0.10:0.02~0.10:0.02~0.10 중량%로 혼합하며, 보다 바람직하게는 상기 계면활성제, 유동화제 및 분산제를 1:1:1로 혼합한다. 이산화티탄 100중량부에 대해 상기 계면활성제, 유동화제, 분산제 1:1:1 혼합물을 0.06~0.30중량% 첨가하여 혼합분쇄한다. 상기 b)의 혼합물 총 중량에 대하여 시멘트 또는 석고는 95~99중량%로 혼합된다. 상기 광촉매 모르타르 조성물 총 중량에 대하여 모래는 55~85중량%로 혼합된다. 모래는 입경 6mm 이하로 분급된 모래를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 시멘트는 1종 보통 포틀랜드 시멘트 또는 백색 포틀랜드 시멘트이며, 석고는 α형 반수석고 또는 β형 반수석고이다. 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 광촉매 모르타르 조성물을 제공한다. 이하, 실시예 및 실험예를 들어 본 발명의 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명이 이들 예로만 한정되는 것은 아니다.
[실시예 및 비교예] 이산화티탄 100중량%에 대해 올레핀 설포네이트계 음이온 계면활성제 0.04중량%, 폴리멜라민술포네이트계 유동화제 0.04중량%, 에틸렌글리콜 분산제 0.04중량%를 1:1:1로 혼합하여 이산화티탄과 분쇄한 후, 상기 이산화티탄 분쇄물 5중량%와 시멘트 95중량%를 혼합하였다. 상기 혼합물 20중량%를 분취하여 여기에 입경 6mm 이하로 분급된 모래 80중량%와 혼합하여 고효율 광촉매 모르타르 조성물(실시예)을 제조하고, 광촉매 입자 분산 상태를 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 촬영하였다(도 2). 도 2에 도시되는 바와 같이 본 발명에 따라 제조된 광촉매 모르타르 조성물은 이산화티탄 광촉매의 2차 뭉침현상이 개선되어 고루 분산된 상태임을 알 수 있었다. 종래 기술에 따라 제조된 TiO 2 를 포함하는 모르타르 조성물(비교예)의 경우 도 1에 도시되는 바와 같은 TiO 2 의 2차 뭉침현상이 발생하는데 비해, 본 발명의 일 실시예에 따른 광촉매 모르타르 조성물의 경우 도 2에 도시되는 바와 같이 분산제에 의해 TiO 2 의 2차 뭉침 현상이 상당 수준으로 해소되어 있음을 확인할 수 있다.
[실험예 1] 아세트알데히드 분해를 통한 광촉매 효율 평가 실험 상기 실시예 및 비교예를 유기물(아세트알데히드) 분해 실험을 이용하여 광촉매 활성 비교 실험을 진행하였다. 도 3은 이와 같이 진행한 광촉매 활성 비교 실험 결과를 도시한다. 아세트알데히드 분해 실험은 다음과 같이 진행한다. 직접 제작한 고정식 반응기(220 × 125 × 80 mm)와 기체크로마토그래프(Gas-chromatograph, HP-5900)를 이용하여 아세트알데히드 흡착/분해 성능을 측정한다. 기체크로마토그래프는 FID (Flame Ionization Detector) 검출기와 HP-5 컬럼으로 구성된다. 모르타르 조성물(100 mm x 50 mm x 10 mm)을 반응기 내에 넣고 대상 기체인 아세트알데히드(Fox-chemicals, 99.9%)를 완전히 흡착시킨 후, 아세트알데히드를 2,000 ppmv 주입하고, 시간에 따른 아세트알데히드 특성 피크의 감소 정도로 흡착과 분해를 결정한다. 흡착은 반응기 내의 아세트알데히드가 더 이상 감소하지 않을 때까지(1시간 정도), 분해는 흡착이 끝난 후 UV 램프(10 W blacklight 2개, Sankyo Denki)를 켠 후 200분 동안 측정한다. 이와 같이 진행한 실험의 결과를 도 3을 참조하여 살펴보면, 본 발명에 따른 실시예의 경우 자외선에서 아세트알데히드 70%의 분해율을 나타냈고, 비교예의 경우 자외선에서 아세트알데히드 48%의 분해율을 보였다. 즉, 자외선에서는 본 발명에 따른 실시예가 비교예보다 유기물에 대한 광촉매 분해 활성이 크게 개선되었음을 확인할 수 있다.
[실험예 2] 일산화질소(NO)의 제거를 통한 광촉매 효율 평가 실험 본 발명의 실시예의 NO 제거 효율과 비교예의 NO의 제거 효율을 비교하기 위해 NO 제거율을 비교하는 실험을 진행하였다. 도 4는 이와 같은 NO 제거율을 비교하는 실험의 결과를 도시한다. 자외선에 의한 광촉매의 NOx 제거 성능은 ISO 22197-1에 제시되어 있는 장치 개요에 따라 제작된 유통식 반응기와 측정법에 따라 조사한다. 먼저, 모르타르 조성물(100 mm x 50 mm x 10 mm)을 반응기 내에 넣고 실험을 진행한다. 이들 샘플은 UV 램프(10 W blacklight 2ea, Sanyo-dennki)를 이용하여 조도가 10 W/m 2 이상인 조건에서 5시간 동안 전처리한 것이다. 이후 상대습도가 50%이며 NO가 1 ppmv 섞여 있는 공기를 3 L/min으로 흘려준다. 정상상태에 도달한 후 UV 램프(10 W blacklight 2ea, Sanyo-dennki)를 조도가 10 W/m 2 인 조건에서 5시간 동안 조사하여 NOx의 제거 거동을 조사한다. NOx 제거 거동은 반응기 말단에 장착된 NOx 분석기(CM2041 NOx, CASELLA)로 측정한다. 도 4에 도시되는 바와 같은 측정 결과를 살펴보면, 본 발명에 따른 실시예는 8.3%의 NO 제거율을, 비교예는 4.2%의 NO 제거율을 보였다. 이는 광촉매의 분산도가 월등히 향상되어 모르타르 표면에 광촉매의 노출 정도가 높아져 나타나는 현상으로 판단된다. 이와 같은 실험 결과들을 볼 때, 본 발명에 따른 실시예가 비교예보다 자외선 및 가시광선 영역 모두에서 광분해 효율이 더 우수하다는 것을 확인할 수 있다. |
