1
다양한 촉매를 이용한 미세먼지 저감 기술 비교 연구

제출문

요약문

목차
Ⅰ. 서 론 18
 1. 연구의 필요성 및 목적 18
  가. 미세먼지의 형성기작 및 미세먼지의 전구체 물질 18
  나. 광촉매의 미세먼지 전구체 분해에 대한 작동 기작 21
  다. 열촉매의 미세먼지 전구체 분해에 대한 작동 기작 23
  라. 서론 요약 27
Ⅱ. 본 론 28
 1. 국내외 연구동향 28
  가. 광촉매 연구동향 28
  나. 열촉매 연구동향 41
  다. 산화철 증착을 이용한 광촉매 및 열촉매 연구 동향 53
   1) 산화철 증착 및 이를 이용한 촉매 제조 53
   2) 산화철 증착을 이용한 광촉매의 연구 57
   3) 가시광 촉매 및 자외선 광촉매의 활성 비교 연구 60
   4) 산화철 증착을 이용한 열촉매의 연구 64
  라. 국내외 연구 동향 요약 69
 2. 광촉매 나노물질 유해성 71
  가. TiO2를 비롯한 나노입자들의 독성(Toxicity) 71
  나. TiO2를 비롯한 나노입자들의 독성에 대한 총설 79
  다. 광촉매 나노물질 유해성 요약 99
 3. 해외 실증사업 추진 사례 101
  가. 광촉매 실증사업 추진 사례 101
  나. 열촉매 실증사업 추진 사례 122
  다. 광촉매 및 열촉매 실증사업 추진 사례 정리 요약 및 제언 126
 4. 국내 실증사업 추진 사례 및 효율 검증 129
  가. 광촉매 효율 측정 국제 규격 및 한계 129
  나. 광촉매 효율의 실제 현장 검증에 대한 실증 사례 130
   1) 실제 현장 검증의 필요한 표면분석 130
    가) X-선 회절법 131
    나) X-선 광전자 분광법 132
    다) FT-적외선(IR) 분광법 133
    라) 세척수의 이온 크로마토그래피 분석 133
   2) 서울시 아파트 광촉매 페인트 시범사업 135
   3) 서울시 자치구 광촉매 보도블록 시범사업 141
  다. 광촉매 보도블록 설치 시 세척수의 산도 및 이를 통한 토양 오염 문제 147
  라. 국내 실증사업 추진 사례 요약 149
 5. 경제성 고찰 151
  가. 광촉매 적용에 대한 경제성 고찰 151
  나. 열촉매 적용에 대한 경제성 고찰 153
  다. 경제성 고찰 요약 155
Ⅲ. 결 론 157
※ 참고문헌 159
그림 목차 13
 (그림 1> 2차 미세먼지의 형성에 대한 간단한 모식도 19
 (그림 2> 한계 시약의 개념도 20
 (그림 3> 광촉매 기작에 대한 개념 모식도 21
 (그림 4> 광촉매가 미세먼지 전구물질을 제거, 분해하는 기작의 모식도 23
 (그림 5> 촉매가 화학반응의 활성화 에너지에 미치는 영향에 대한 모식도 (일산화탄소 산화 반응, 휘발성 유기화합물 산화 반응, 질소산화물 선택적 환원 등등의 화학식 포함) 24
 (그림 6> Diesel Particulate Filter의 모식도 26
 (그림 7> 온도조절식 기상증착법 (TRCVD, temperature-regulated chemicalvapor deposition) 장치 및 작동 모식도. 윗부분은 장치 구성 요소에 대한 개요이며, 아래는 담체의 종류에 따라 공정에서 최종적으로 형성되는 소재의 구조적 특징에 대한 모식도임 54
 (그림 8> TRCVD로 제조된 열촉매 분석 결과로, 주사전자현미경장비를 이용하여 얻은, 각 소재의 원소들의 공간적 분포. (a) 산화철이 증착된 다공성 알루미나 비드 단면의 알루미늄 원소 분포 (b) a와 같은 소재의 철 원소 분포(c) 산화철이 증착된 다공성 실리카 비드 단면의 실리콘 원소 분포 (d) c와 같은 소재의 철 원소 분포 e) 니켈산화물이 증착된 다공성 알루미나 비드 단면의 니켈 분포 55
 (그림 9> TRCVD로 제조된 열촉매의 전자현미경 분석결과. 왼쪽은 담체가 알루미나인 경우의 철 원소 분포. 오른쪽은 실리카 위에 증착된 철산화물의 구조 56
 (그림 10> TRCVD로 제조된 광촉매의 투과전자현미경 분석결과. a) 철 함량이 1.6% 인 시료의 투과전자현미경 사진 b) 철 함량이 0.6%인 경우의 사진c,d) 철 함량이 0.1% 인 경우의 사진들 e) 철 성분에 대한 분포 56
 (그림 11> 산화철이 담지된 산화철- 이산화티탄의 산화철 담지량에 따른 광촉매 활성 차이 비교. 아세트알데하이드 분해 반응에 대한 연구 결과이며, 왼쪽은시간에 따른 아세트알데하이드 제거량, 오른쪽은 완전산화 반응의 생성물인이산화탄소 발생량 58
 (그림 12> 다양한 광촉매 소재 및 광촉매를 콘크리트 표면강화제에 배합하여 도포한 시료의 질소산화물 제거 가시광 촉매 활성 연구 결과 59
 (그림 13> 광촉매를 콘크리트 표면강화제와 배합한 경우, 시공 방법에 따른 질소산화물 제거 활성 차이 비교. 각 시료는 거의 같은 양의 가시광촉매와 이를포함한 코팅액으로 제조되었음 60
 (그림 14> 실험에 사용된 자외선 광원의 파장별 빛 세기 분포 61
 (그림 15> 실험에 사용된 가시광선 광원의 460 nm 에서의 거리 별 세기 및 청색광원의 파장별 세기 분포 62
 (그림 16> 자외선 광촉매 활성에 대한 결과. 아세트알데하이드 제거 및 이산화탄소발생량 63
 (그림 17> 가시광 광촉매 활성에 대한 결과. 아세트알데하이드 제거 및 이산화탄소발생량 63
 (그림 18> 백금 나노촉매와 산화철/알루미나 촉매의 일산화탄소 산화 반응성 비교결과. 반응기의 온도를 바꿔가며 일산화탄소의 제거 및 이산화탄소의 발생량을 측정하였으며, 그림에서는 온도에 따른 일산화탄소 제거 효율이 나타남 64
 (그림 19> 습도가 있는 조건과 건조한 조건에서의 산화철/알루미나 촉매의 톨루엔산화 반응성 연구 결과. 왼쪽은 반응기 온도에 따른 이산화탄소 발생량이며, 오른쪽은 톨루엔 제거량임 65
 (그림 20> 산화철/알루미나 촉매의 아세트알데하이드 상온 흡착/후열처리시의 산화연구 결과. 왼쪽은 다양한 습도에서 아세트알데하이드를 상온에서 흡착시킨뒤 열처리하면서 얻은 아세트알데하이드의 분자 탈착과 이산화탄소 탈착량을 정리한 것이며, 오른쪽은 공정에 대한 모식도임 66
 (그림 21> 일산화탄소와 일산화질소의 산화철/알루미나 촉매와 산화철/실리카를 이용한 화학 반응에 대한 연구 결과. a-d는 각기 다른 물질의 반응기 온도에따른 소비량 또는 생성량을 정리한 것임 67
 (그림 22> 산화철/알루미나 촉매를 이용한 담배연기 분해 연구 장치의 모식도 및 연구 결과. 왼쪽은 고기를 굽는 동안 발생하는 연기의 촉매 장치를 이용한 분해 효과를 확인한 결과의 개략적 설명임. 오른쪽은 톨루엔과 담배연기에 존재하는 유해성분을 열촉매 장치 통과 전후로 분석하여, 유해물질이 열촉매장치에 의해 대부분 분해됨을 보여주는 결과 68
 (그림 23> 산화철/알루미나 촉매를 이용한 악취 성분인 암모니아 분해 연구 결과.촉매가 포함되어 있는 반응기의 온도에 따른 암모니아 제거량 및 암모니아산화 반응의 생성물인 질소 발생량이 반응의 습도 조건에 따라 정리되어 있음 69
 (그림 24> [논문 제목: Recent photocatalytic applications for air purification in Belgium, 51] 연구 결과 중 도심에 설치된 광촉매 보도블록 위에 반응기를 설치하고 질소산화물로 오염된 공기를 주입시켜주면서 자연광 하에서 광촉매 활성을 측정하는 모습 103
 (그림 25> [논문 제목 : Photocatalytic de-pollution in the Leopold II tunnel in Brussels: NOX abatement results, 148] 터널내 광촉매, 자외선 램프 설치 및 대기 시료 포집 및 분석에 대한 실험의 개요도 104
 (그림 26> [논문제목 : NOx photocatalytic degradation on active concrete road surface - from experiment to real-scale application,145] 본 연구에 사용된 광촉매가 적용된 보도블록과 적용되지 않은 쪽의대기 샘플링에 대한 모식도를 수정한 그림 107
 (그림 27> [논문 제목 : Photocatalytic performances in a city tunnel in Rome: NOx monitoring results, 258] 연구 결과 중 광촉매가 설치된 경우의 공기질과 설치되지 않은 경우의 공기질 비교 결과 112
 (그림 28> [논문제목: Photocatalytic abatement results from a model street canyon, 149] 광촉매 현장 활성을 측정하기 위한 실험 설계의 모식도 114
 (그림 29> [논문제목 : Photocatalytic degradation of NOX in a pilot street canyon configuration using TiO2-mortar panels, 230] 광촉매 현장 활성을 측정하기 위한 실험 설계의 모식도 117
 (그림 30> [논문 제목 : Cold-start emissions of modern passenger carsat different low ambient temperatures and their evolution over vehicle legislation categories, 169]. 연구결과 중 Euro 4 규제 기준을 만족하는 휘발유 자동차의 CSEE 측정 결과 125
 (그림 31> [논문 제목 : Robust and well-controlled TiO2?Al2O3 binary nanoarray-integrated ceramic honeycomb for efficient propanecombustion, 125] 연구 결과 중 바이너리 나노니들 구조의 형상 및 프로판 산화 반응의 촉매 활성 측정 결과 126
 (그림 32> 광촉매 활성에 사용되는 ISO 22197-1에 상응하는 반응 시스템 모식도 130
 (그림 33> XRD의 원리에 대한 모식도 (Bragg 조건) 132
 (그림 34> X-선 광전자 분광법의 원리에 대한 모식도 132
 (그림 35> FT-IR의 원리에 대한 모식도 134
 (그림 36> 실제 빗물을 이용한 이온 크로마토그래피 및 pH meter 분석 방법 제안에 대한 모식도 134
 (그림 37> 서울주택도시공사의 실증 예 관련 FT-IR 데이터. 광촉매 페인트의 현장거치 전후 결과 136
 (그림 38> 서울주택도시공사의 실증 예 관련 FT-IR 데이터. 일반 페인트의 현장 거치 전 후 얻은 결과 136
 (그림 39> 서울주택도시공사의 실증 예 관련 FT-IR 데이터. 광촉매 유무에 따른 결과 차이 137
 (그림 40> 서울주택도시공사의 실증 예 관련 x-선 광전자 분광법 결과 138
 (그림 41> 서울주택도시공사의 실증 예 관련 x-선 광전자 분광법 결과 139
 (그림 42> 분석 결과를 토대로 제안하는 15일 현장 거치 뒤의 광촉매 페인트 표면구조 140
 (그림 43> 광촉매 페인트의 대기 유해물질 저장 기작에 대한 모식도 140
 (그림 44> 중랑구 광촉매 보도블록 시범사업 결과 중 x-선 회절법 분석 결과 142
 (그림 45> 중랑구 광촉매 보도블록 시범사업 결과 중 FT-IR 분석 결과 142
 (그림 46> 중랑구 광촉매 보도블록 시범사업 결과 중 x-선 광전자 분광법 결과. 광촉매 보도블록과 일반 블록의 비교 143
 (그림 47> 중랑구 광촉매 보도블록 시범사업 결과 중 x-선 광전자 분광법 결과. 일반 보도블록의 현장 노출 시간별 결과 비교 144
 (그림 48> 중랑구 광촉매 보도블록 시범사업 결과 중 x-선 광전자 분광법 결과. 광촉매 보도블록의 현장 노출 시간별 결과 비교 145
 (그림 49> 빗물의 광촉매 콘크리트 및 페인트 세척 전후의 산도 변화에 대한 모식도 148
 (그림 50> 열촉매를 이용한 공기 정화 장치 시작품 사진 154
표목차 17
 (표 1> 소재, 활성 반응에 관한 국내외 주요 광촉매 연구 동향 29
 (표 2> 소재, 활성 반응에 관한 국내외 주요 열촉매 연구 동향 42
 (표 3> 광촉매 화학 반응에 대한 활성의 정량적 확인을 위한 다양한 국제 표준 방법들 131
 (표 4> 중랑구 광촉매 보도블록 시범사업 결과 중 세척수 분석 결과 145
 (표 5> 전국 빗물의 지역별 산도 147
 (표 6> 중랑구 실증 연구 결과를 토대로 한 해당 지역 빗물의 광촉매 콘크리트 세척에 의한 산도 변화에 대한 계산 과정 및 결과 148
 (표 7> 콘크리트 보도블록에 광촉매를 전체 중량 대비 10% 넣었을 경우의 물질의 배합 비율 152