탈취용 촉매의 종류

[코지부2]

1) 탈취용 촉매의 종류 

1. 광촉매 (Photocatalyst) — 대표적으로 TiO₂(이산화티타늄) 기반. 자외선(또는 도핑을 통해 가시광) 조사로 악취 유발 유기물(VOCs, 황·질소화합물 등)을 산화·분해. 광촉매의 활성과 파장 응답성 개선을 위해 전이금속·비금속(C, N 등) 도핑 또는 탄소/나노복합체가 널리 연구됨. ScienceDirect+1

2. 흡착제 + 촉매 복합체 (활성탄 담지형) — 활성탄이나 다공성 흡착제 표면에 촉매(금속염, 금속산화물 등)를 첨착/담지하여 흡착 후 촉매 산화로 분해시키는 방식(흡착·촉매 병용). 소형 탈취제·필터류에 흔함. 구글 특허+1

3. 금속산화물/귀금속 촉매 (Thermal/catalytic oxidation) — MnOx, CuOx, Pt/Pd 등 전통적 산화촉매로 저온 촉매산화 또는 촉매연소를 통해 VOC/악취물질을 CO₂·H₂O로 전환. 복합지지체(세라믹, 제올라이트 등)에 담지해 사용. ResearchGate

4. 복합소재 (자성·나노복합 등) — 회수·재생을 쉽게 하거나 광흡광 범위를 넓히기 위해 자성입자·탄소나노소재와 복합화. WipsCorp+1

5. 생물촉매(미생물 기반)/생물여과와의 결합 — 미생물 분해를 촉진하는 담체 위에 촉매를 결합한 하이브리드 공법(특히 하수·폐수 처리장의 악취 저감에 사용). 전북지혜

2) 대표적인 제조(합성)·적용 방법 — 단계별(실무 레시피 스타일)

아래는 각 촉매 유형별로 실험실/파일럿 수준에서 흔히 쓰이는 제조 절차입니다. 숫자(농도·온도·시간)는 문헌·특허에서 보고된 대표 범위입니다(구체적 최적화는 목표 악취 성분·장치 조건에 따라 조절).

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A. TiO₂ 광촉매 (기본: 솔-겔 / 수열·열처리)

목적: 고표면적의 아나타제형 TiO₂ 제조, 필요시 도핑으로 가시광 활성화.

일반적 절차 (솔-겔 예):

1. 전구체: 티타늄 이소프로폭사이드(TTIP) 또는 티타늄 알콕사이드 사용. (문헌·특허에서 자주 사용됨). 구글 특허+1

2. 가수분해/졸 형성: 유기용매(예: 아이소프로판올) + 물/산촉매로 천천히 가수분해하여 졸(콜로이드) 형성.

3. 노화(aging) 및 건조: 상온~저온에서 수시간~수일 노화 후 건조.

4. 열처리(소성): 350–500°C 범위에서 2–4시간(문헌에 따라 300–500°C, 시간·속도 다양) — 아나타제 형성 및 결정화. (특정 도핑·재생 조건도 기재됨). 구글 특허+1

5. (선택) 도핑/복합화: 전이금속(구리, 망간 등) 또는 N/C 도핑은 전구체 단계에서 도핑원(염류, 아민, 탄소원 등)을 혼합하거나, 졸/플라즈마·후처리로 도입. 도핑은 밴드갭을 낮추어 가시광 응답성 향상. 구글 특허+1

적용형태: 코팅(유리·세라믹·섬유), 담지(활성탄·다공성 세라믹에 wash-coating) 등으로 필터·패널 제작. 리시트+1

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B. 활성탄에 촉매 첨착(흡착·촉매 복합체)

목적: 우선 흡착으로 농도 감소, 담지된 촉매로 흡착된 악취물질을 분해·재생성 억제.

일반적 절차 (습식첨착법, 특허·산업 공정):

1. 활성탄 준비(입도·표면처리).

2. 금속염(예: Cu, Mn, Ag 등)의 수용액을 조제(농도는 수천 ppm 수준에서 수 wt% 범위까지 다양).

3. 활성탄 침지·교반(흡착/흡착·흡착-건조 반복).

4. 건조 후 소성(예: 200–500°C 범위; 구체 온도는 금속 종류에 따라 다름)로 금속을 고정화(첨착·산화물화). 특허에서는 Cu/TiO₂ 혼합물 등을 담지한 졸형 TiO₂와 과산화수소를 함께 사용한 조성도 제시됨. 구글 특허+1

장점: 기존 활탄 필터를 큰 변경 없이 성능 향상 가능.
주의: 첨착량·열처리 조건이 흡착능·내구성·재생 방식에 큰 영향.

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C. 금속산화물 촉매(촉매산화용) — 담지법/침지-건조-소성

목적: 저온 촉매 산화(VOC/악취성분 → CO₂,H₂O).

일반 절차:

1. 지지체(알루미나·제올라이트·활성탄 등) 준비.

2. 전구체(금속염; 예: Mn(NO₃)₂, Cu(NO₃)₂ 등) 수용액으로 침지(incipient wetness impregnation 또는 반응성 침지).

3. 건조(80–120°C) → 소성(300–600°C, 촉매·지지체에 따라 상이).

4. (필요시) 후처리(유도식 산화/환원 처리)로 활성 상태 확보. 관련 연구들은 Mn/TiO₂/활성탄 복합체가 산소·오존 처리와 병용하여 성능을 높이는 사례를 보고합니다. ResearchGate

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D. 도핑·복합화·표면개질 기법(밴드갭 조절·흡착성 개선)

• 비금속 도핑(N, C 등): 전구체 혼합 또는 암모니아·탄소원 열처리로 도입(열처리 350–500°C 범위 권장 문헌 있음). 구글 특허+1

• 전이금속 도핑: 졸-겔 단계나 플라즈마 처리를 통해 전이금속 이온을 TiO₂ 결정구조에 분산시켜 가시광 활성 개선. 특허·논문으로 여러 공정(대기압 플라즈마 등)이 보고되어 있음. 구글 특허

• 탄소/나노복합체 결합: 표면적·흡착성 개선 위해 카본나노튜브/그래핀/활성탄과 복합화. 리시트

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3) 설계·운용 시 고려사항 (실무 포인트)

• 목표 악취성분 파악: 암모니아·황화수소·아민류·VOCs 등 성분별로 적합한 촉매·공법이 다름(예: 황화수소는 흡착+산화 조합, VOC는 광촉매나 촉매산화). 전북지혜

• 광원 조건: TiO₂는 자외선에서 활성화되므로 실내·실외 조건에 따라 UV(또는 가시광 응답형 촉매 필요). ScienceDirect

• 촉매의 재생성·내구성: 흡착형은 포화 시 재생(열·증기) 필요, 금속성 촉매는 중독(poisoning)에 취약하므로 전처리 필요. 특허·논문에서 재생 온도·조건이 제시됨. 구글 특허

• 안전·환경: 일부 촉매 전구체(금속염, 용매)의 취급·배출 규제 준수 필요.

4) 실무 예시(간단한 레시피) 예1 — N-doped TiO₂ 코팅(가시광 응답 목표, 실내 탈취기판용)

1. 티타늄 이소프로폭사이드 1몰, 에탄올(혹은 i-PrOH) 용매에 용해.

2. 암모니아수(또는 우레아) 물용액을 소량 첨가해 N 도핑 전구체 형성(교반 30–60분).

3. 기판(유리/세라믹 섬유)에 dip-coating.

4. 건조(80–120°C, 1–2시간).

5. 소성: 350–450°C, 2–4시간(문헌 범위). (특허 문헌의 구체 범위 참고 가능). 구글 특허+1

예2 — 활성탄에 Cu 담지(악취제거 필터)

1. 활성탄을 증류수로 세척·건조.

2. Cu(NO₃)₂ 수용액(담지량 목표 0.1–1 wt% 기준으로 조정)에 활성탄 침지·교반 1–4시간.

3. 건조(100°C) → 소성(200–400°C, 2시간)으로 금속을 산화물로 고정. (특허에 유사 조성 보고). 구글 특허+1

5) 참고 문헌·자료(빠른 출처)

• TiO₂ 광촉매 리뷰 및 VOC 탈취 관련 총설: Shayegan et al., 2018; Zhang et al., 2022(광촉매 VOC 산화 리뷰). ScienceDirect+1

• 활성탄에 촉매 첨착한 탈취제 특허(한국 특허 KR20090047161A 등). 구글 특허

• 구리 담지형 TiO₂ 졸 조성 특허(악취 제거용 조성). 구글 특허

• 전이금속 도핑 TiO₂ 복합체 및 제조방법 특허(플라즈마 처리 등). 구글 특허

• Mn/TiO₂/활성탄 복합체 연구(촉매 산화·VUV 보조 등). ResearchGate