KR20200086981A - Fabrication of photocatalytic concretes having photodecomposition of pollutants and method of increasing its recyclability - Google Patents
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Abstract
Description
오염물질 광분해 기능을 가지는 광촉매 콘크리트 제조방법 및 이의 재생 방법 에 대한 것이다. It relates to a method for manufacturing photocatalytic concrete having a photolysis function of contaminants and a method for regeneration thereof.
일반적으로 콘크리트는 원재료인 골재와 시멘트에 물을 혼합한 후 부재료로 혼화제와 색소 등을 첨가하여 배합하고, 해당제품의 형틀에 배합된 재료를 투입하여 진동과 유압 프레싱을 가하여 제품을 성형하며, 성형된 제품은 양생실에 적재한 후 고온 다습한 수증기를 공급하여 콘크리트의 수화반응을 촉진시켜 제품을 굳히게 하여 완성한다.In general, concrete is mixed by mixing water into aggregates and cements, which are raw materials, and then adding and mixing admixtures and pigments as subsidiary materials, and adding the blended material into the mold of the product to apply vibration and hydraulic pressing to mold the product The finished product is loaded into the curing room and supplied with high-temperature and high-humidity steam to accelerate the hydration reaction of concrete to harden the product.
콘크리트 제조 시 사용 재료에 대한 문제점으로 지적되는 몇 가지 사항을 살펴보면, 콘크리트 주원료인 시멘트 제조 시 다량의 이산화탄소 발생, 시멘트의 원료로써 일부 재활용되고 있는 산업부산물 활용 및 환경유해물질(6가크롬 등)의 검출 등으로 인하여 콘크리트에 대한 인식 저하로 인하여 사회적 불신 현상에 대한 해결 대안이 촉구되고 있는 실정이다.Looking at some points that are pointed out as a problem with materials used in the manufacture of concrete, a large amount of carbon dioxide is generated in the manufacture of cement, which is the main raw material for concrete, and some of the recycled industrial by-products and environmentally harmful substances (such as hexavalent chromium) are used as raw materials for cement. Due to the detection and the like, the solution to the social distrust phenomenon is urging due to a decrease in awareness of concrete.
콘크리트에 광촉매 기능을 부가하여, 각종 환경유해물질을 분해할 수 있는 광활성 콘크리트를 제공하고자 한다.It is to provide a photoactive concrete capable of decomposing various environmentally harmful substances by adding a photocatalytic function to concrete.
본 발명의 일 구현예에서는, 콘크리트 기재; 상기 기재 표면에 위치하는 SiO2 코팅층; 및 상기 SiO2 코팅층 상에 위치하는 TiO2 코팅층;을 포함하는 광촉매 특성을 가지는 콘크리트를 제공한다. In one embodiment of the invention, the concrete substrate; SiO 2 coating layer located on the surface of the substrate; And a TiO 2 coating layer positioned on the SiO 2 coating layer.
상기 TiO2 코팅층 내 TiO2는 아나타제 상일 수 있다. 이 때 대부분의 상이 아나타제 상인 것을 의미하며, 바람직하게는 모든 TiO2 입자가 아나타제 상일 수 있다. The TiO 2 coating layer within the TiO 2 may be anatase sangil. In this case, it means that most of the phases are anatase phases, and preferably, all TiO 2 particles may be anatase phases.
상기 SiO2 층 및 TiO2 층은 층으로 구분되며, 강한 결합을 가지는 복합체(TiO2-SiO2)일 수 있다. The SiO 2 layer and the TiO 2 layer are divided into layers, and may be a composite (TiO 2 -SiO 2 ) having a strong bond.
상기 복합체의 광학 밴드 갭 (Eg)는 2.90eV 이하일 수 있다. 이러한 밴드 갭의 계산 방법에 대해서는 후술하는 실험예를 참조할 수 있다. The optical band gap (Eg) of the composite may be 2.90 eV or less. For the method for calculating the band gap, an experimental example described later may be referred to.
상기 콘크리트는 다공성 특성을 가질 수 있다. 이는 SiO2 층의 역할에 기인하는 것으로 다공성 특성으로 인해 광촉매 효율이 개선될 수 있다. The concrete may have porosity characteristics. This is due to the role of the SiO 2 layer, and the photocatalytic efficiency may be improved due to the porosity characteristics.
상기 콘크리트 내 Si에 대한 Ti의 중량 비율은, 5 내지 6일 수 있다. 다만, 촉매층의 결합 강도 및 광촉매 효율의 제어를 위해 이러한 범위는 변경될 수 있다. The weight ratio of Ti to Si in the concrete may be 5 to 6. However, this range may be changed to control the bonding strength of the catalyst layer and the photocatalytic efficiency.
상기 콘크리트의 톨루엔에 대한 광촉매 반응 속도는 0.05 min-1 이상일 수 있다. 후술하는 실시예에서 알 수 있듯이, 이러한 효과는 SiO2-TiO2의 복합체로부터 달성될 수 있다. The photocatalytic reaction rate of the concrete to toluene may be 0.05 min -1 or more. As can be seen from the examples described below, this effect can be achieved from a composite of SiO 2 -TiO 2 .
본 발명의 다른 일 구현예에서는, 콘크리트 기재를 준비하는 단계; Si 졸 및 Ti 졸을 준비하는 단계; 상기 콘크리트 기재에 상기 Si 졸을 코팅하는 단계; 및 상기 코팅된 Si 졸 표면에 Ti 졸을 코팅하는 단계;를 포함하는 광촉매 특성을 가지는 콘크리트의 제조 방법을 제공한다. In another embodiment of the present invention, preparing a concrete substrate; Preparing a Si sol and a Ti sol; Coating the Si sol on the concrete substrate; And coating the Ti sol on the surface of the coated Si sol.
상기 콘크리트 기재에 상기 Si 졸을 코팅하는 단계; 이후, 코팅된 Si 졸을 건조 및 하소하는 단계;를 더 포함할 수 있다. Coating the Si sol on the concrete substrate; Then, drying and calcining the coated Si sol; may further include.
상기 코팅된 Si 졸 표면에 Ti 졸을 코팅하는 단계; 이후, 코팅된 Ti 졸을 하소하는 단계;를 더 포함할 수 있다. Coating a Ti sol on the coated Si sol surface; Then, calcining the coated Ti sol; may further include.
Si 졸 및 Ti 졸을 준비하는 단계;에서, 상기 Si 졸은, Si 원료 물질을 산(acid)의 존재 하에 알코올 및 물(water)을 가수분해시켜 제조할 수 있다. In the step of preparing a Si sol and a Ti sol; In the Si sol, the Si raw material may be prepared by hydrolyzing alcohol and water in the presence of an acid.
Si 졸 및 Ti 졸을 준비하는 단계;에서, 상기 Ti 졸은, Ti 원료 물질을 산(acid)의 존재 하에 알코올 및 물(water)을 가수분해시켜 제조할 수 있다. In the step of preparing a Si sol and a Ti sol; In the Ti sol, the Ti raw material may be prepared by hydrolyzing alcohol and water in the presence of an acid.
알코올의 존재로 인해 분산성이 개선될 수 있으며, 이는 추후 층(layer)의 균일도에 영향을 줄 수 있다. Dispersibility may be improved due to the presence of alcohol, which may later affect the uniformity of the layer.
본 발명의 또 다른 일 구현예에서는, 콘크리트 기재; 상기 기재 표면에 위치하는 SiO2 코팅층; 및 상기 SiO2 코팅층 상에 위치하는 TiO2 코팅층;을 포함하는 광촉매 특성을 가지는 콘크리트를 준비하는 단계; 상기 광촉매 특성을 가지는 콘크리트를 이용하여 오염 물질을 광분해시키는 단계; 및 상기 광촉매 특성을 가지는 콘크리트를 열처리하여 재생시키는 단계;를 포함하는 광촉매 특성을 가지는 콘크리트 제조방법(또는, 재생 방법)을 제공한다. In another embodiment of the present invention, the concrete substrate; SiO 2 coating layer located on the surface of the substrate; And a TiO 2 coating layer positioned on the SiO 2 coating layer; preparing concrete having photocatalytic properties, including; Photodegrading contaminants using the photocatalytic concrete; It provides a method for manufacturing a concrete having a photocatalytic property (or a regeneration method), including; and regenerating by heat treatment of the concrete having the photocatalytic properties.
상기 광촉매 특성을 가지는 콘크리트를 이용하여 오염 물질을 광분해시키는 단계;이전에, 상기 광촉매 특성을 가지는 콘크리트를 열처리하여 광활성도를 높이는 단계;를 더 포함할 수 있다.It may further include the step of photodegrading contaminants using the concrete having the photocatalytic properties; previously, heat-treating the concrete having the photocatalytic properties to increase the photoactivity.
콘크리트에 광촉매 물질을 코팅하여, 각종 환경유해물질을 광분해할 수 있는 광촉매 콘크리트를 제공할 수 있다.By coating a photocatalytic material on concrete, it is possible to provide a photocatalytic concrete capable of photodegrading various environmentally harmful substances.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 준비된 샘플의 광학 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 준비된 샘플의 XRD 분석 결과이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따라 준비된 샘플의 UV-DRS 분석 결과이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 준비된 샘플의 FE-SEM 분석 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 준비된 샘플의 EDS 분석 결과이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 준비된 샘플의 FTIR 분석 결과이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 준비된 샘플의 광촉매 성능 분석 결과이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 준비된 샘플의 반응 속도 계산 결과이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광촉매의 개략적인 반응 매커니즘을 도시한 것이다.
도 10 및 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 준비된 샘플의 사이클 특성이다.1 is an optical photograph of a sample prepared according to an embodiment of the present invention.
2 is an XRD analysis result of a sample prepared according to an embodiment of the present invention.
3 is a result of UV-DRS analysis of a sample prepared according to an embodiment of the present invention.
4 is a result of FE-SEM analysis of a sample prepared according to an embodiment of the present invention.
5 is an EDS analysis result of a sample prepared according to an embodiment of the present invention.
6 is a result of FTIR analysis of a sample prepared according to an embodiment of the present invention.
7 is a photocatalyst performance analysis result of a sample prepared according to an embodiment of the present invention.
8 is a result of calculating a reaction rate of a sample prepared according to an embodiment of the present invention.
9 shows a schematic reaction mechanism of a photocatalyst according to an embodiment of the present invention.
10 and 11 are cycle characteristics of a sample prepared according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, this is provided as an example, and the present invention is not limited thereby, and the present invention is only defined by the scope of claims to be described later.
실시예Example
재료material
실험에 사용된 시멘트 모르타르는 Hanju PVT, LTD 사의 제품을 사용하였고, Titanium(IV) butoxide (Ti(OBu)4), Tetraethyl Orthosilicate는 Sigma Aldrich 사의 제품을 사용였다. 에탄올, 염산 및 Pluronic P123은, Dukasan Korea에서 입수하였으며, 모두 상태는 A급이었다. The cement mortar used in the experiment was manufactured by Hanju PVT, LTD, and Titanium(IV) butoxide (Ti(OBu) 4 ) and Tetraethyl Orthosilicate were manufactured by Sigma Aldrich. Ethanol, hydrochloric acid, and Pluronic P123 were obtained from Dukasan Korea, and all were in A grade.
제조Produce
콘크리트 샘플 제조Concrete sample manufacturing
한국 Hanju PVT, LTD 사의 시멘트 모르타르 시멘트를 사용하여 콘크리트 샘플 (CS)을 제조하였으며, 시멘트에 대한 모래의 비율은 1:0.6이었다. A concrete sample (CS) was prepared using cement mortar cement from Hanju PVT, LTD, Korea, and the ratio of sand to cement was 1:0.6.
이러한 콘크리트 샘플은, 두께가 1cm인 얇은 콘크리트 기판을 제조하기 위해 특별히 고안되었다.This concrete sample was specifically designed to produce a thin concrete substrate with a thickness of 1 cm.
1 Kg의 시멘트 모르타르를 150 ml의 물과 함께 샌드 믹서를 이용하여 20 분 동안 혼합 한 다음, 시멘트 모르타르의 슬러리를 직경 10cm 및 두께 1cm의 원형 플라스틱 몰드에 부었다. 1 Kg of cement mortar was mixed with 150 ml of water for 20 minutes using a sand mixer, and then the slurry of cement mortar was poured into a circular plastic mold having a diameter of 10 cm and a thickness of 1 cm.
그 후, 콘크리트 샘플을 실온에서 건조시키고, 실온 조건에서 28 일 동안 경화 시켰다. Thereafter, the concrete sample was dried at room temperature and cured at room temperature for 28 days.
이렇게 제조된 콘크리트 샘플을 도 1(a)에 나타내었다.The concrete sample thus prepared is shown in Fig. 1(a).
SiOSiO 22 졸의 제조 및 코팅 Preparation and coating of sol
Tetraethyl Orthosilicate를 촉매로서 HCl의 존재 하에 에탄올 및 탈이온수와 함께 가수 분해시켜, SiO2 졸을 제조하였다. 상기 반응은 3 시간 동안 자기 교반 하에 이루어졌다. SiO 2 sol was prepared by hydrolysis of Tetraethyl Orthosilicate with ethanol and deionized water in the presence of HCl as a catalyst. The reaction took place under magnetic stirring for 3 hours.
TEOS : 에탄올 : H2O : HCl의 몰비는 1:3:11.05:0.5이고, Pluronic 123은 매우 소량 첨가 되었다. TEOS: ethanol: H 2 O: HCl molar ratio of from 1: 3: 11.05: 0.5 and, Pluronic 123 was so added in small portions.
교반 후, 안정한 SiO2 졸이 형성되고, 이 졸은 콘크리트 기판에 분무 코팅되고, 실리콘 웨이퍼(SW)를 100℃에서 12 시간 동안 건조시켰다. After stirring, a stable SiO 2 sol was formed, the sol was spray coated on a concrete substrate, and the silicon wafer (SW) was dried at 100° C. for 12 hours.
그 후, 실리콘 웨이퍼 뿐만 아니라 SiO2로 코팅된 콘크리트 기판을 450 ℃에서 2 시간 동안 하소 시켰다.Thereafter, the silicon wafer as well as the concrete substrate coated with SiO 2 were calcined at 450° C. for 2 hours.
TiOTiO 22 졸 제조 및 코팅 Sol production and coating
Titanium(IV) butoxide는 산성 조건 하에서, 에탄올 및 물과 함께 가수 분해되었다. 이때 반응은, 1 시간 동안 자기 교반 조건 하에 수행되었다. Titanium(IV) butoxide hydrolyzed with ethanol and water under acidic conditions. At this time, the reaction was performed under magnetic stirring conditions for 1 hour.
Ti(OBu)4 : 에탄올 : H2O : HCl의 몰비는 1:3:11.05:0.5이었다. The molar ratio of Ti(OBu) 4 : Ethanol: H 2 O: HCl was 1:3:11.05:0.5.
교반 후, 안정한 TiO2 졸이 형성되고, 이 졸을 100 ℃에서 12 시간 동안 건조 된 실리콘 웨이퍼 뿐만 아니라, SiO2 코팅 및 비코팅 콘크리트 기판 상에 각각 코팅하였다. TiO2 코팅된 콘크리트 및 실리콘 웨이퍼 샘플을 450℃에서 하소하였다. 도 1(b)는 TiO2가 코팅된 콘크리트 샘플 사진이다. After stirring, a stable TiO 2 sol was formed, and the sol was coated on a SiO 2 coated and uncoated concrete substrate, as well as a silicon wafer dried at 100° C. for 12 hours. TiO 2 coated concrete and silicon wafer samples were calcined at 450°C. 1(b) is a photograph of a TiO 2 coated concrete sample.
실험예Experimental Example
평가 방법Assessment Methods
톨루엔 가스의 Of toluene gas 광촉매Photocatalyst 분해 실험 방법 Decomposition experiment method
다음과 같은 방법으로 톨루엔 가스의 광촉매 분해 실험을 수행하였다. The photocatalytic decomposition experiment of toluene gas was performed as follows.
TiO2 및 TiO2-SiO2로 코팅된 콘크리트 샘플을 2L Teflon 필름 백에 삽입하고 톨루엔 가스 (10 ppm)를 투입하였다. A concrete sample coated with TiO 2 and TiO 2 -SiO 2 was inserted into a 2L Teflon film bag and toluene gas (10 ppm) was added.
이어서, 톨루엔 가스의 광분해 실험을 위한 흡착 평형을 달성하기 위해 30 분 동안 어둠 속에 유지시켰다. It was then kept in the dark for 30 minutes to achieve adsorption equilibrium for photolysis experiments of toluene gas.
그 후, 2 mWcm-2의 강도 등급을 갖는 2 개의 6W UV광 튜브를 사용하여, 코팅된 콘크리트 샘플이 들어있는 백(Bag)에 자외선을 조사했다. Thereafter, two 6W UV light tubes having an intensity rating of 2 mWcm -2 were used to irradiate ultraviolet rays to a bag containing a coated concrete sample.
특정 시간 간격 후, 조사된 가스 샘플 (1 ml)을 주사기로 회수 하였다. 톨루엔 가스의 광분해 속도는 가스 크로마토 그래피 (GC) 시스템을 사용하여 평가하였다.After a certain time interval, the irradiated gas sample (1 ml) was recovered by syringe. The photolysis rate of toluene gas was evaluated using a gas chromatography (GC) system.
물성 특성 평가 방법Method for evaluating physical properties
상(phase) 및 구조 파라미터는 10°-80°의 2 범위에서 CuKα 선 ( = 1.5418 )을 갖는 X선 회절계 (XRD, Bruker AXS 8 advanced)를 사용하여 평가 하였다. Phase and structural parameters are 10°-80° 2 CuKα line in range ( = 1.5418 It was evaluated using an X-ray diffractometer (XRD, Bruker AXS 8 advanced).
UV-vis 확산 반사 분광 광도계 (UV-vis DRS, UV3600, Shimadzu, Japan)를 사용하여 코팅된 샘플의 광학 측정을 수행하였다. Optical measurements of coated samples were performed using a UV-vis diffuse reflection spectrophotometer (UV-vis DRS, UV3600, Shimadzu, Japan).
코팅된 콘크리트 샘플의 형태(morphology)는 전계 방출 주사 전자 현미경 (FE-SEM, Hitachi Field Emission S-4300)을 사용하여 평가하였다. The morphology of the coated concrete samples was evaluated using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM, Hitachi Field Emission S-4300).
에너지 분산형 X선 분광법은, 코팅된 콘크리트 샘플의 원소 분석에 사용되었다. Energy dispersive X-ray spectroscopy was used for elemental analysis of coated concrete samples.
톨루엔 가스의 광분해는 가스 크로마토 그래피 (Alginate Technology 7890A GC 시스템)로 모니터링 하였다.The photolysis of toluene gas was monitored by gas chromatography (Alginate Technology 7890A GC system).
평가 결과Evaluation results
X 선 회절 평가 결과X-ray diffraction evaluation result
구체적인 샘플에는 많은 요소가 포함되어 있기 때문에, 그러므로 XRD 피크 분석은 어렵다. 그 결과, 실리콘 웨이퍼에 코팅된 졸의 XRD 분석이 수행되었고, XRD 패턴이 이는 도 2에 있다. XRD peak analysis is therefore difficult because a specific sample contains many elements. As a result, XRD analysis of the sol coated on the silicon wafer was performed, and the XRD pattern is shown in FIG. 2.
실리콘 웨이퍼의 특성 피크를 SiO2 및 TiO2와 비교하기 위해, 비코팅 실리콘 웨이퍼의 XRD 패턴도 기록했다. To compare the characteristic peaks of the silicon wafer with SiO 2 and TiO 2 , the XRD pattern of the uncoated silicon wafer was also recorded.
실리콘 웨이퍼는 10°~25° 범위에서 넓은 피크를 나타낸다. Silicon wafers exhibit broad peaks in the 10° to 25° range.
그러나 SiO2 또는 TiO2 졸로 코팅 한 경우, 도 2와 같이 넓은 피크가 사라진 것을 확인할 수 있다. However, when coated with SiO 2 or TiO 2 sol, it can be seen that the wide peak disappeared as shown in FIG. 2.
SiO2가 코팅된 실리콘 웨이퍼 XRD 패턴은 21.89° 및 24.2°에 특징적인 피크를 나타낸다. The SiO 2 coated silicon wafer XRD pattern shows characteristic peaks at 21.89° and 24.2°.
TiO2로 코팅된 XRD 패턴은 24.5°에서 실리콘 웨이퍼의 특성 피크와 25.6°에서 TiO2의 특성 피크를 나타낸다. The XRD pattern coated with TiO 2 shows the characteristic peak of the silicon wafer at 24.5° and the characteristic peak of TiO 2 at 25.6°.
이는 코팅된 TiO2가 아나타제 상으로 존재하고 TiO2의 루틸 또는 브루 카이트 상의 피크가 관찰되지 않는 것을 의미한다. This means that coated TiO 2 is present in the anatase phase and no peak on the rutile or brookite phase of TiO 2 is observed.
TiO2-SiO2로 코팅된 샘플에서 실리콘 웨이퍼와 SiO2에 대한 매우 작은 피크가 관찰되었지만, TiO2의 피크는 양호한 강도 수준으로 관찰되었으며, 이러한 피크는 표준 JCPDS 카드 21-1272에 매우 가깝게 매칭되는 결과이다. In the TiO 2 -SiO 2 coated sample, very small peaks were observed for the silicon wafer and SiO 2 , but the peaks of TiO 2 were observed with good intensity levels, which peaks matched very closely to the standard JCPDS card 21-1272. Is the result.
피크의 우수한 강도는 이전에 코팅된 SiO2 표면에 대한 TiO2 졸의 강한 결합을 의미한다. 또한, TiO2-SiO2는 TiO2 코팅의 결정 특성을 향상시킨다.The excellent strength of the peak means strong bonding of the TiO 2 sol to the previously coated SiO 2 surface. In addition, TiO 2 -SiO 2 improves the crystal properties of the TiO 2 coating.
유사하게, 콘크리트 샘플의 경우, SiO2 코팅의 첫 번째 층은 광촉매 효율의 개선뿐만 아니라 TiO2 코팅의 안정성 향상에 매우 중요한 역할을 할 것으로 예상된다. Similarly, for concrete samples, the first layer of the SiO 2 coating is expected to play a very important role in improving the stability of the TiO 2 coating as well as improving the photocatalytic efficiency.
UV-UV- visvis DRSDRS 결과 result
SiO2 및 TiO2로 코팅된 콘크리트 샘플의 UV-vis DRS는 광학 특성을 결정하기 위해 분석되었고, 코팅되지 않은 콘크리트 샘플은 DRS 측정을위한 기준으로 사용되었다. The UV-vis DRS of the concrete samples coated with SiO 2 and TiO 2 was analyzed to determine the optical properties, and the uncoated concrete samples were used as a reference for DRS measurement.
흡광도 스펙트럼은 도 3과 같이 200 nm에서 700 nm 범위에서 측정되었다.The absorbance spectrum was measured in the range of 200 nm to 700 nm as shown in FIG. 3.
SiO2로 코팅된 샘플은 200 nm에서 500 nm의 범위에서 브로드한 흡광도를 나타내지만, TiO2로 코팅된 샘플은 200 nm 내지 400 nm의 파장 범위에서 매우 브로드하며, 높은 흡광도를 보인다. Samples coated with SiO 2 show broad absorbance in the range of 200 nm to 500 nm, but samples coated with TiO 2 are very broad in the wavelength range of 200 nm to 400 nm and show high absorbance.
예상한대로, TiO2 코팅 샘플은 전자기 스펙트럼의 UV 영역에서만 흡광도를 나타낸다.As expected, TiO 2 coating samples show absorbance only in the UV region of the electromagnetic spectrum.
TiO2-SiO2로 코팅된 콘크리트 샘플은 200 nm에서 500 nm의 파장 범위에서 브로드한 흡광도 피크를 보인다. Concrete samples coated with TiO 2 -SiO 2 show broad absorbance peaks in the wavelength range from 200 nm to 500 nm.
TiO2 및 TiO2-SiO2 복합체의 광학 밴드 갭 (Eg) 값은 Tauc 방정식을 사용하여 추정되었다. SiO2-TiO2로 코팅 된 콘크리트 샘플은 2.90eV의 값을 갖는 반면, TiO2 코팅된 콘크리트 샘플은 3.18eV의 밴드 갭을 갖는다. The optical band gap (Eg) values of the TiO 2 and TiO 2 -SiO 2 composites were estimated using the Tauc equation. A concrete sample coated with SiO 2 -TiO 2 has a value of 2.90 eV, while a concrete sample coated with TiO 2 has a band gap of 3.18 eV.
TiO2-SiO2 코팅의 밴드 갭 에너지의 감소는 TiO2와 SiO2 사이에 형성된 화학적 또는 물리적 결합으로 인한 것일 수 있다. 또한 SiO2는 TiO2 코팅의 안정성을 향상시키고 전자기 스펙트럼의 흡광도를 향상시키는데 도움이 된다. The reduction in band gap energy of the TiO 2 -SiO 2 coating may be due to the chemical or physical bond formed between TiO 2 and SiO 2 . In addition, SiO 2 helps to improve the stability of the TiO 2 coating and improve the absorbance of the electromagnetic spectrum.
형태(morphology) 평가 결과Morphology evaluation results
FE-SEM 분석을 이용하여 TiO2-SiO2로 코팅된 콘크리트 샘플과 실리콘 웨이퍼의 형태 분석을 수행하였으며 결과는 도 4에 나타내었다. The FE-SEM analysis was used to analyze the shape of the TiO 2 -SiO 2 coated concrete sample and the silicon wafer, and the results are shown in FIG. 4.
도 4(a)는 콘크리트 샘플에 대한 것이고, 도 4(b)~(c)는 각각 SiO2와 TiO2로 코팅된 콘크리트 샘플의 현미경 사진을 보여준다. Figure 4 (a) is for a concrete sample, Figure 4 (b) ~ (c) shows a photomicrograph of the concrete sample coated with SiO 2 and TiO 2 , respectively.
SiO2로 코팅된 콘크리트 샘플은 TiO2 코팅된 샘플과 비교하여 높은 다공성을 나타낸다. The concrete sample coated with SiO 2 shows high porosity compared to the sample coated with TiO 2 .
도 4(d)는 TiO2-SiO2로 코팅된 콘크리트 샘플의 FE-SEM 이미지를 보여 준다. 450℃에서 하소하여 작은 미세 균열이 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, TiO2의 균일한 코팅으로 높은 다공성을 보여 주었다. Figure 4 (d) shows a FE-SEM image of a concrete sample coated with TiO 2 -SiO 2 . It can be confirmed that there are small microcracks by calcining at 450°C. In addition, it showed high porosity with uniform coating of TiO 2 .
콘크리트 샘플과 TiO2 코팅 사이에 SiO2 층을 삽입하는 것은 TiO2 나노입자의 순수한 아나타제상 형성뿐만 아니라, 콘크리트 샘플에 대한 TiO2의 접착에 매우 중요한 역할을 한다.The insertion of the SiO 2 layer between the concrete sample and the TiO 2 coating plays a very important role in the formation of a pure anatase phase of the TiO 2 nanoparticles, as well as the adhesion of TiO 2 to the concrete sample.
또한, 콘크리트 샘플은 마그네슘, 칼슘, 알루미늄 및 탄소와 같은 산화물 형태의 많은 원소를 함유한다는 것이 잘 알려져 있다. It is also well known that concrete samples contain many elements in the form of oxides such as magnesium, calcium, aluminum and carbon.
TiO2의 직접 코팅은 금속 산화물과 반응하여 TiO2 층의 광촉매 효율성에 영향을 미칠 수 있다. Direct coating of TiO 2 can react with metal oxides and affect the photocatalytic efficiency of the TiO 2 layer.
도 4 (e) 내지 (f)는 실리콘 웨이퍼 상에 코팅 된 TiO2-SiO2의 현미경 사진을 도시한다. 이로부터 실리콘 웨이퍼 및 TiO2 나노 입자가 부착된 SiO2 층의 균일성을 명확하게 알 수 있다. SiO2와 TiO2 사이의 결합 형성은 TiO2 층의 안정성을 향상시킨다.4(e) to (f) show micrographs of TiO 2 -SiO 2 coated on a silicon wafer. From this, the uniformity of the SiO 2 layer to which the silicon wafer and TiO 2 nanoparticles are attached can be clearly seen. The formation of a bond between SiO 2 and TiO 2 improves the stability of the TiO 2 layer.
에너지 분산 X 선 분광학 평가 결과Energy dispersive X-ray spectroscopy evaluation results
TiO2-SiO2로 코팅된 샘플의 원소 분석은 EDS 스펙트럼을 기반으로 수행하였다. Elemental analysis of samples coated with TiO 2 -SiO 2 was performed based on the EDS spectrum.
도 5 (a)는 콘크리트 샘플에 코팅된 TiO2-SiO2의 EDS 스펙트럼을 보여준다. 이로부터 Ti, O, Si, Ca, Mg, Al, S 및 C와 같은 다양한 원소가 존재 함을 알 수 있다. 5 (a) shows the EDS spectrum of TiO 2 -SiO 2 coated on a concrete sample. From this, it can be seen that various elements such as Ti, O, Si, Ca, Mg, Al, S and C exist.
이들 요소의 중량 백분율 값은 표 1에 나타내었다.The weight percentage values of these elements are shown in Table 1.
[표 1][Table 1]
TiO2-SiO2로 코팅된 실리콘 웨이퍼 샘플의 EDS 스펙트럼은 도 5(b)에 나타내었다. 이 스펙트럼은 Ti, Si, O 및 C의 존재만을 보여 주었다. The EDS spectrum of the silicon wafer sample coated with TiO 2 -SiO 2 is shown in FIG. 5(b). This spectrum only showed the presence of Ti, Si, O and C.
푸리에 변환 적외선 분광법 평가 결과Fourier transform infrared spectroscopy evaluation results
도 6은 400-2000 cm-1의 파수 범위에서 콘크리트 샘플에 코팅된 TiO2, SiO2 및 TiO2-SiO2의 FTIR 스펙트럼을 보여준다. 6 shows FTIR spectra of TiO 2 , SiO 2 and TiO 2 -SiO 2 coated on concrete samples in a wavenumber range of 400-2000 cm -1 .
900-1200 cm-1 사이에서 관찰된 Si-O-Si의 특성 피크는 금속 산소 결합에서도 일반적으로 관찰되었다. The characteristic peaks of Si-O-Si observed between 900-1200 cm -1 were also generally observed in metallic oxygen bonds.
870 cm-1에서 관찰된 피크는 Si-O-Si 대칭 스트레칭으로 인한 것이다. 1635 cm-1에서 관찰된 피크는 OH 굴곡 진동(vending vibration)으로 인한 것이며, 화학 흡착된 물 분자에 기인한다. The peak observed at 870 cm -1 is due to the Si-O-Si symmetrical stretching. The peak observed at 1635 cm -1 is due to OH vending vibration and is due to the chemically adsorbed water molecules.
3450 cm-1에서 관찰된 넓은 흡수 피크는 OH 스트레칭 진동을 보여준다. 450 cm-1에서 관찰된 밴드는 Ti-O 스트레칭 때문이다. The broad absorption peak observed at 3450 cm −1 shows the OH stretching vibration. The band observed at 450 cm -1 is due to Ti-O stretching.
900-1200 cm-1에서 관찰된 브로드 피크는 TiO2-SiO2로 코팅된 콘크리트 샘플의 경우 970 cm-1에서 Ti-O-Si의 특성 피크가 관찰 되었기 때문에 증가했다. The broad peak observed at 900-1200 cm -1 increased because the characteristic peak of Ti-O-Si was observed at 970 cm -1 for the concrete samples coated with TiO 2 -SiO 2 .
3200-3600 cm-1 범위의 하이드록실 라디칼은 브로드화된 정도 및 강도의 감소를 보여 주며, SiO2 코팅된 시료에 존재하는 자유 하이드록실 라디칼이 코팅의 안정성을 증가시키는 TiO2와 강한 결합을 형성하고 간접적으로 광촉매를 향상시키는 데 도움이 된다는 것을 알 수 있다. Hydroxyl radicals in the range of 3200-3600 cm -1 show a decrease in the degree and strength of broadening, and free hydroxyl radicals present in the SiO 2 coated sample form a strong bond with TiO 2 which increases the stability of the coating. And indirectly it helps to improve the photocatalyst.
광촉매Photocatalyst 성능 평가 Performance evaluation
TiO2 및 TiO2-SiO2로 코팅된 샘플의 광촉매 성능은 UV 광조사 하에서 톨루엔 가스의 광분해에 의해 평가하였다. The photocatalytic performance of the samples coated with TiO 2 and TiO 2 -SiO 2 was evaluated by photolysis of toluene gas under UV light irradiation.
도 7은 조사 시간의 함수로서 TiO2 및 TiO2-SiO2 코팅된 샘플의 광촉매 성능을 도시한다. 7 shows the photocatalytic performance of TiO 2 and TiO 2 -SiO 2 coated samples as a function of irradiation time.
UV 광의 톨루엔 가스에 대한 영향을 결정하기 위해, 동일한 조건 하에서 코팅층이 없는 순수 샘플 실험을 수행하였고, 그 결과로 코팅된 샘플 또는 광 조사가 없는 경우 활성이 없음을 확인하였다. In order to determine the effect of UV light on toluene gas, a pure sample experiment without a coating layer was performed under the same conditions, and as a result, it was confirmed that there was no activity when there was no coated sample or light irradiation.
따라서 TiO2-SiO2로 코팅된 샘플은 UV 광조사 하에서 톨루엔 가스의 광촉매 분해를 위해 광촉매 활성을 갖는 것으로 밝혀졌다. Therefore, it was found that the sample coated with TiO 2 -SiO 2 has photocatalytic activity for photocatalytic decomposition of toluene gas under UV light irradiation.
샘플의 광분해 효율성은 식 (1)을 사용하여 계산되었다.The photolysis efficiency of the sample was calculated using equation (1).
TiO2-SiO2로 코팅된 콘크리트 샘플은 69 %의 광분해 효율을 보여 주지만 TiO2 콘크리트 샘플은 57 %의 광분해 효율을 나타냈다. The concrete sample coated with TiO 2 -SiO 2 showed a photolysis efficiency of 69%, while the TiO 2 concrete sample showed a photolysis efficiency of 57%.
이 결과는 콘크리트 샘플 위에 SiO2 첫 번째 층이 TiO2의 광촉매 효율성을 향상 시킨다는 것을 의미한다. 또한, 전술한 UV-vis DRS 결과는 TiO2 코팅의 광촉매 효율성이 향상되었음을 뒷받침한다.This result means that the first layer of SiO 2 on the concrete sample improves the photocatalytic efficiency of TiO 2 . In addition, the above-described UV-vis DRS results support that the photocatalytic efficiency of the TiO 2 coating is improved.
톨루엔의 광분해 반응은 pseudo-first order kinetics를 따랐다. The photolysis reaction of toluene followed pseudo-first order kinetics.
시간에 대해 ln(C0/C)을 플로팅함으로써, 광촉매 반응의 속도 상수를 결정하였고, 여기에서 C0는 톨루엔 가스의 초기 농도이고, C는 콘크리트 샘플의 조사 후 톨루엔 가스의 농도이고, 대응하는 시간 간격에 따라 UV 광 조사 하에서 TiO2와 TiO2-SiO2 콘크리트 샘플의 반응 속도 상수는 각각 0.048 min-1과 0.052 min- 1 이었다. By plotting ln(C0/C) over time, the rate constant of the photocatalytic reaction was determined, where C0 is the initial concentration of toluene gas, C is the concentration of toluene gas after irradiation of the concrete sample, and the corresponding time interval. The reaction rate constants of TiO 2 and TiO 2 -SiO 2 concrete samples under UV light irradiation were 0.048 min -1 and 0.052 min - 1 , respectively.
TiO2-SiO2로 코팅된 콘크리트 샘플은 TiO2로 코팅된 콘크리트 샘플보다 광촉매 효율이 높다는 사실이 밝혀졌다. It has been found that concrete samples coated with TiO 2 -SiO 2 have higher photocatalytic efficiency than concrete samples coated with TiO 2 .
콘크리트 기판은 다공성이며 표면에 톨루엔 가스를 흡수하기 때문에 TiO2와 콘크리트 샘플은 매우 중요한 역할을 한다. Because the concrete substrate is porous and absorbs toluene gas on the surface, TiO 2 and concrete samples play a very important role.
이후 TiO2 및 TiO2-SiO2로 코팅된 시료에 자외선이 조사되면 톨루엔의 페닐 고리 및 페놀, 벤즈알데히드, 벤조산과 같은 다양한 중간 생성물과 반응하는 OH 라디칼이 생성되어 반응하게 된다. 최종적으로 이들 화합물은 CO2와 H2O로 전환되었다. 이러한 개략적인 매커니즘을 도 9에 나타내었다. Subsequently, when a sample coated with TiO 2 and TiO 2 -SiO 2 is irradiated with ultraviolet rays, OH radicals that react with phenyl rings of toluene and various intermediate products such as phenol, benzaldehyde, and benzoic acid are generated and reacted. Finally these compounds were converted to CO 2 and H 2 O. Fig. 9 shows this schematic mechanism.
TiOTiO 22 -SiO-SiO 22 로 코팅된 콘크리트 샘플의 안정성Stability of concrete samples coated with
TiO2-SiO2로 코팅된 콘크리트 샘플의 안정성 및 수명은 환경 오염물질 저감을 위해 이러한 광촉매 콘크리트를 산업 현장에 적용하는데 매우 중요한 변수이다. The stability and lifetime of concrete samples coated with TiO 2 -SiO 2 are very important variables for applying these photocatalytic concrete to industrial sites to reduce environmental pollutants.
TiO2-SiO2로 코팅된 콘크리트의 안정성 및 수명을 결정하기 위해, 동일한 실험 장치 하에서 광촉매 콘크리트 시편이 톨루엔 가스의 광분해에 반복적으로 사용되었고, 상기 실험은 세 번 반복되었으며 그 결과는 도 10에 나타내었다. In order to determine the stability and lifetime of concrete coated with TiO 2 -SiO 2 , photocatalytic concrete specimens were repeatedly used for photolysis of toluene gas under the same experimental apparatus, the experiment was repeated three times and the results are shown in FIG. 10. Did.
반복적으로 3 회 사용한 시료의 광분해 효율은 69에서 58%로 감소하는 것을 알 수 있다. 광촉매 효율의 감소는 수화(hydration)에 의한 콘크리트 표본의 내부 미세 구조의 변화 때문일 수 있다. It can be seen that the photolysis efficiency of the sample repeatedly used 3 times decreased from 69 to 58%. The decrease in photocatalytic efficiency may be due to changes in the internal microstructure of the concrete specimen due to hydration.
광촉매 활성의 손실 가능성에 대한 또 하나의 이론적 근거는 수화 콘크리트 샘플의 지속적인 수화 작용 때문에 활성 사이트의 수를 줄이기 때문일 수 있다. Another rationale for the potential loss of photocatalytic activity may be due to the reduced number of active sites due to the continued hydration of the hydrated concrete sample.
형성된 수화 생성물인 규산 칼슘 수화물은 톨루엔 가스와 TiO2 활성 부위의 상호 작용 및 광자의 확산을 방해하여 광촉매 활성을 억제할 수 있다. The formed hydration product, calcium silicate hydrate, can inhibit the photocatalytic activity by interfering with the toluene gas and the TiO 2 active site interaction and preventing photon diffusion.
따라서 이 제한을 극복하기 위해 열처리로 재생된 광촉매 콘크리트 샘플을 사용할 수 있다. Therefore, to overcome this limitation, a photocatalytic concrete sample regenerated by heat treatment can be used.
매 사이클마다 광촉매 콘크리트 샘플을 120℃에서 2 시간 동안 가열하고, 톨루엔 가스의 광분해에 사용한다. Each cycle, the photocatalytic concrete sample is heated at 120° C. for 2 hours and used for photolysis of toluene gas.
열처리 공정에서 콘크리트 샘플 증발 및 활성 부위의 활성 사이트에 증착된 중간체가 다시 반응 분자와 상호 작용하도록 노출되었으며, 이 현상으로 광촉매 활성이 회복되었다. In the heat treatment process, the intermediate sample evaporated on the concrete sample and deposited on the active site of the active site were exposed to interact with the reactive molecules again, and this phenomenon restored the photocatalytic activity.
열처리는 물론 열화되지 않은 톨루엔 가스 및 분해된 생성물을 제거할 수 있다. It is possible to remove toluene gas and decomposed products that are not deteriorated as well as heat treatment.
열처리 후 톨루엔 가스 분해에 대한 재활용 가능성 테스트를 수행하였으며, 그 결과는 도 11에 나타내었다. 콘크리트 샘플 재생 후 광촉매 효율성은 무시할 정도로 낮았다. 즉, 콘크리트 샘플은 매우 안정적이었으며, 재사용이 가능한 것을 확인할 수 있었다. After heat treatment, a recyclability test for toluene gas decomposition was performed, and the results are shown in FIG. 11. The photocatalytic efficiency after concrete sample regeneration was negligibly low. That is, it was confirmed that the concrete sample was very stable and reusable.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.The present invention is not limited to the above embodiments, but may be manufactured in various different forms, and a person having ordinary skill in the art to which the present invention pertains may have other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. It will be understood that can be carried out as. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.
Claims (13)
상기 기재 표면에 위치하는 SiO2 코팅층; 및
상기 SiO2 코팅층 상에 위치하는 TiO2 코팅층;
을 포함하는 광촉매 특성을 가지는 콘크리트.
Concrete substrate;
SiO 2 coating layer located on the surface of the substrate; And
A TiO 2 coating layer located on the SiO 2 coating layer;
Concrete having a photocatalytic property comprising a.
상기 TiO2 코팅층 내 TiO2는 아나타제 상인 것인 광촉매 특성을 가지는 콘크리트.
According to claim 1,
The TiO 2 coating TiO 2 in the concrete with the photocatalytic property will anatase merchant.
상기 SiO2 층 및 TiO2 층은 층으로 구분되며, 강한 결합을 가지는 복합체(TiO2-SiO2)인 것인 광촉매 특성을 가지는 콘크리트.
According to claim 1,
The SiO 2 layer and the TiO 2 layer are divided into layers, and concrete having a photocatalytic property that is a composite (TiO 2 -SiO 2 ) having a strong bond.
상기 복합체의 광학 밴드 갭 (Eg)는 2.90eV 이하인 것인 광촉매 특성을 가지는 콘크리트.
According to claim 1,
Concrete having a photocatalytic property that the optical band gap (Eg) of the composite is 2.90 eV or less.
상기 콘크리트는 다공성 특성을 가지는 것인 광촉매 특성을 가지는 콘크리트.
According to claim 1,
The concrete is a concrete having a photocatalytic property that has a porous property.
상기 콘크리트 내 Si에 대한 Ti의 중량 비율은, 5 내지 6인 것인 광촉매 특성을 가지는 콘크리트.
According to claim 1,
The weight ratio of Ti to Si in the concrete is concrete having a photocatalytic property of 5 to 6.
상기 콘크리트의 톨루엔에 대한 광촉매 반응 속도는 0.05 min-1 이상인 것인 광촉매 특성을 가지는 콘크리트.
According to claim 1,
The concrete has a photocatalytic property that the photocatalytic reaction rate to toluene is 0.05 min -1 or more.
Si 졸 및 Ti 졸을 준비하는 단계;
상기 콘크리트 기재에 상기 Si 졸을 코팅하는 단계; 및
상기 코팅된 Si 졸 표면에 Ti 졸을 코팅하는 단계;
를 포함하는 광촉매 특성을 가지는 콘크리트의 제조 방법.
Preparing a concrete substrate;
Preparing a Si sol and a Ti sol;
Coating the Si sol on the concrete substrate; And
Coating a Ti sol on the coated Si sol surface;
Method for producing concrete having a photocatalytic property comprising a.
상기 콘크리트 기재에 상기 Si 졸을 코팅하는 단계; 이후,
코팅된 Si 졸을 건조 및 하소하는 단계;를 더 포함하는 것인 광촉매 특성을 가지는 콘크리트의 제조 방법.
The method of claim 8,
Coating the Si sol on the concrete substrate; after,
Drying and calcining the coated Si sol; further comprising a method for producing concrete having photocatalytic properties.
상기 코팅된 Si 졸 표면에 Ti 졸을 코팅하는 단계; 이후,
코팅된 Ti 졸을 하소하는 단계;를 더 포함하는 것인 광촉매 특성을 가지는 콘크리트의 제조 방법.
The method of claim 8,
Coating a Ti sol on the coated Si sol surface; after,
Calcining the coated Ti sol; The manufacturing method of the concrete having a photocatalytic property further comprising a.
Si 졸 및 Ti 졸을 준비하는 단계;에서,
상기 Si 졸은, Si 원료 물질을 산(acid)의 존재 하에 알코올 및 물(water)을 가수분해시켜 제조하는 것인 광촉매 특성을 가지는 콘크리트의 제조 방법.
The method of claim 8,
In the step of preparing the Si sol and Ti sol; In,
The Si sol is a method for producing concrete having photocatalytic properties, which is produced by hydrolyzing alcohol and water in the presence of an acid as an Si raw material.
Si 졸 및 Ti 졸을 준비하는 단계;에서,
상기 Ti 졸은, Ti 원료 물질을 산(acid)의 존재 하에 알코올 및 물(water)을 가수분해시켜 제조하는 것인 광촉매 특성을 가지는 콘크리트의 제조 방법.
The method of claim 8,
In the step of preparing the Si sol and Ti sol; In,
The Ti sol is a method for producing concrete having photocatalytic properties, wherein the Ti raw material is produced by hydrolyzing alcohol and water in the presence of an acid.
상기 광촉매 특성을 가지는 콘크리트를 이용하여 오염 물질을 광분해시키는 단계; 및
상기 광촉매 특성을 가지는 콘크리트를 열처리하여 재생시키는 단계;
를 포함하는 광촉매 특성을 가지는 콘크리트 재생 방법.
Concrete substrate; SiO 2 coating layer located on the surface of the substrate; And a TiO 2 coating layer positioned on the SiO 2 coating layer; preparing concrete having photocatalytic properties, including;
Photodegrading contaminants using the photocatalytic concrete; And
Heat treating and regenerating the concrete having the photocatalytic properties;
Concrete regeneration method having a photocatalytic property comprising a.
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KR102266706B1 (en) | 2020-10-23 | 2021-06-21 | (주) 제이스글로텍 | Photocatalytic composite composition containing titanium dioxide |
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