태양광활용 유기물 분해

Theories and Application of Chem. Eng. 2002, vol. 8, No. 1

정희록, 박상은*, 주현규**, 전명석**, 문 일

연세대학교 화학공학과

연세대학교 환경공학과*

한국에너지기술연구원, 태양에너지변환연구센터**

Solar driven organic compound degradation

Heerok Jeong, Sang Eun Park*, Hyunku Joo**, Myung Seok Jeon**, Il Moon

Department of Chemical Engineering, Yonsei University

Department of Environmental Engineering, Yonsei University*

Solar Energy Conversion Research Team,

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2000년

Korea Institute of Energy Research**

서론

현재 환경문제가 국내외적으로 대체에너지 개발과 더불어 필수적인 관심사가 되어있음은 이미 주지의 사실이다. 경제적이고 환경 친화적인 방법으로 광촉매분해 반응이 이용되고 있다(1~4). UV/광촉매는 주로 실내공기오염이나 친수/자정, 그리고 중소형 저농도 특정유해수 등의 처리에 활용 가능성이 매우 높은 것으로 판단되고 있는데, 본 연구에서는 UV/광촉매 시스템의 플라스틱 광섬유(plastic optical fiber, POF)를 활용한 광화학 반응기를 구성하여 태양에너지가 가지고 있는 UV 영역의 빛을 이용한 광섬유 광반응기에 관한 타당성 실험을 하였다. 태양에너지와 광섬유 광반응기를 도입함으로 빛 조사시 고려해야할 반응기의 재질 및 형태에 대한 제약을 극복할 수 있으며, 평면에 대한 코팅에 비해 코팅 면적을 극대화하여 빛을 이용할 수 있으며, 플라스틱 광섬유와 태양에너지를 이용함으로 경제적으로 저렴한 비용으로 반응기를 제작할 수 있다. 본 실험에서는 태양광과 인공램프(xenon lamp)에 대해서 실험을 하였다. 광화학 반응의 효율을 정량적으로 하기 위하여 겉보기 양자수율(quantum yield, □)를 나타내었다.

이론

광섬유는 대용량과 고속 전송에 쓰이는 전송매체이며, 광섬유에는 크게 유리광섬유와 플라스틱 광섬유가 있다. 플라스틱 광섬유는 고순도 아크릴 렌진(PMMA)으로 된 core와 특수 불소 폴리머(F-PMMA)로 만들어진 얇은 clad층으로 구성되어 있다. clad의 굴절율(refractive index)이 core보다 낮으므로 광섬유의 한쪽 끝단으로부터 들어온 빛은 core와 clad의 접속면에서 전반사(total reflection)를 일으켜 core를 통하여 광섬유의 다른 끝단으로 나간다.

외피를 제거한 후 굴절율이 큰 광촉매를 코어에 코팅하였을 때는 빛이 수직 점선 쪽으로 휘어 광촉매에 의하여 흡수가 일어나게 된다. 이러한 원리로 광섬유에 코팅된 광촉매 표면에서 광화학반응을 일어나게 할 수 있다(Fig. 1). 플라스틱 광섬유는 유리 광섬유보다 광학적 특성이 결코 뒤떨어지지 않으며, 가공성이 우수하다. 광촉매 반응 시스템을 위한 광섬유 광특성 조사는 이미 제출한 논문에 자세히 언급되어 있다.(5, 6)

광화학 반응의 효율은 화학양론이 분자의 개수 개념(mole 개념)에 기초를 둔 것 같이, 광반응의 양론은 빛의 입자성에 근거하여 광자 하나를 반응물 분자 하나와 같이 다룬다. 따라서 조사한 빛의 양을 광자의 개수(einstein:광자 1mole)로 표시 하며 광반응의 효율을 양자수율(quantum yield, □)로 나타낸다.

[eqn: □ = {광반응 결과 생성된 분자개수(mole)} over {흡수된 광자개수(einstein) }]

[eqn: = {d[P]/dt (mole·{dm}^{-3}·{s}^{-1}) } over {{I}_{abs}(einstein·{dm}^{-3}·{s}^{-1}) }]

대부분의 반도체 광촉매 반응에 대한 양자수율은 겉보기 양자수율이고 이는 흡수된(Iabs)에 기초하는 것이 아니라 조사된 빛의 양(Iinc)에 기초한다. 흡수된 빛의 양은 조사된 빛의 양보다 항상 작으므로 반도체 광촉매 반응의 겉보기 양자수율은 진짜 양자수율의 하한선(lower limit)이라고 할 수 있다.

실험

POF를 활용한 공기정화 실험에는 크게 POF 전처리, 광촉매 코팅, 그리고 반응실험 등으로 구성되어 있다. 이에 대한 상세한 설명은 이미 제출된 논문에 설명되어 있다. TiO2는 분말상태의 Degussa 제품의 P-25를 사용하였으며, 5 wt%로 Milli-Q plus 시스템을 이용하여 제조된 증류수(저항 18 M□cm)에 혼합시켜 졸상태로 만들었다. 사용한 POF의 외피(clad)의 재질은 불소가 치환되어 있는 polymethamethylate(F-PMMA)로서 아세톤을 이용하여 제거하였다. clad가 제거된 POF core에 위에 광촉매를 코팅하였다. 광촉매가 코팅된 광섬유 번들은 태양광을 추적하는 solar tracker에 부착을 하였다.(Fig. 2.). 태양광과 인공램프의 비교를 하였으며, 광의 집광을 위해서 같은 위치에 집광 렌즈를 설치를 하였다.  광섬유 반응기를 설치한 후 반응기에 1 □L의  TCE를 반응조건에 따라 주입 후 확산이 될 때까지 기다렸다. 확산이 다 일어나 평형상태가 되면, 램프를 켜고 광촉매분해 반응 실험을 하였으며, 이 때 반응기 내부의 온도는 28 oC로 일정하게 유지되었다.

반응물과 생성물의 분석은 HP-5 capillary column이 장착된 GC/MSD를 사용하였고 carrier gas로는 초고순도 질소를 이용하였으며, column flow는 약 1  ml/min로 하였다. 경우에 따라 생성물의 확인을 위하여 FT-IR(Bomen)을 사용하였다.

결과 및 토론

1. 실험에 앞서 태양광을 이용한 direct photolysis에서 반응성이 없었음을 확인하였다. 태양자체가 가지는 빛으로서는 직접적으로 TCE를 분해할 수 없으며, 광촉매가 들어감으로 해서 반응성이 일어날 수 있다. 따라서 본 연구의 모든 결과는 광촉매에 의한 반응임을 확인하였다.

2. Fig. 3. 는 태양에너지와 인공램프(xenon lamp)를 이용한 광섬유 광반응기에서의 TCE 분해반응을 나타낸다. 태양에너지를 집광 했을 경우(28 mW/cm2) 인공램프(Xenon lamp - 600 W(32 mW/cm2))의 Intensity와 비슷하게 나타났으며, 분해반응 또한 비슷하게 나왔다.

3. Fig. 4는 태양에너지를 이용한 플라스틱 광섬유와 유리 광섬유를 비교을 나타냈다. 이때 플라스틱 광섬유반응기와 유리 광섬유반응기에서 겉보기 퀀텀 효율은 □(POF) = 0.00899와 □(QOF) = 0.014 로 나타났다.

4. 인공램프(Xenon lamp)를 이용했을 경우 300 W(10 mW/cm2), 600 W(32 mW/cm2), 900 W(56 mW/cm2)의 세기에서 겉보기 퀀텀효율에서는 300 W(10 mW/cm2)에서 3.46*10-7 einstein/s 로 가장 좋았다.

5. 결론적으로 본 연구에서는 plastic optical fiber에 태양에너지를 이용하여 광화학반응을 도모할 수 있는 근거를 실험적으로 제시하였으며, 위와 같이 연구된 POF시스템을 사용하면, 전력소모를 줄여 경제적 손실을 막을 수 있으며, 광촉매반응 시스템의 상용화에 따른 환경정화 및 경제적 파급효과를 기대할 수 있으리라 판단된다.

참고문헌

1. Hoffmann, M. R., Martin, S. T., Choi, W. Y., and Bahnemann, D. W.: Chem. Rev. 95,       69(1995).

2. Ollis, D. F. and Al-Ekabi, H.: □Photocatalytic Purification and Treatment of Water and        Air□, Elsevier (1993).

3. Pellizzetti, E. and Serpone, N.: "Homogeneous and Heterogeneous Photocatalysis", NATO      ASI Series 174, Plenum, New York(1986).

4. Hoffmann, M. R. and Peill, N. J.: Journal of Solar Energy Enginnering, 119, 229(1997).

5. Heerok Jeong, Hyunku Joo et al., Journal of Korean Solar Energy Society, 21, 45, 2001

6. Hyunku Joo, Heerok Jeong et al.,"The Use of Plastic Optical Fibers in Photocatalysis",

Solar Energy Materials and Solar Cells, submitted, July 2001

7. Hoffmann, M. R. and Peill, N. J.: Environ. Sci. Technol., 30, 2806(1996).

8. Hoffmann, M. R. and Peill, N. J.: J. Photochem. and Photobiol. A: Chem., 108,

221(1997).

9. Moon, S. -C., Mametsuka, H., Tabata. S. and Suzuki. E.: Catalysis Today, 58, 125(2000).

Fig. . Schematic diagram of POF-applied photocatalysis

Fig. 2. Reactor attached to solar tracker

Fig. . Photocatalytic degradation of           TCE in POFR irradiated by sun and xenon lamp

Fig. . Comparison of OFs in         solar driven photocatalysis