귀금속 촉매와 제올라이트를 이중 코팅한 SCR 촉매의 NOx 제거 특성에 관한 연구 A Study on the Characteristics of NOx Removal by Double Wash-Coat Catalysts with Noble Metal and Zeolites in SCR원문보기
질소산화물(NOx)은 보일러나 발전설비, 소각로와 같은 고정원과 자동차 등의 이동원에서 배출되며 대기 중에서 탄화수소와 반응하여 광학스모그를 유발하고 성층권에서 오존과 반응하여 지구 온난화를 야기하며 산성비의 원인이 되는 유해 물질이다. 이러한 이유로 인해 전 세계적으로 NOx와 관련된 환경법규가 날로 강화되고 있는 실정이다. NOx를 제거하기 위한 방법으로는 촉매 분해법(Catalytic Decomposition), 선택적 촉매환원법(SCR), 선택적 무촉매 환원법(SNCR) 및 ...
질소산화물(NOx)은 보일러나 발전설비, 소각로와 같은 고정원과 자동차 등의 이동원에서 배출되며 대기 중에서 탄화수소와 반응하여 광학스모그를 유발하고 성층권에서 오존과 반응하여 지구 온난화를 야기하며 산성비의 원인이 되는 유해 물질이다. 이러한 이유로 인해 전 세계적으로 NOx와 관련된 환경법규가 날로 강화되고 있는 실정이다. NOx를 제거하기 위한 방법으로는 촉매 분해법(Catalytic Decomposition), 선택적 촉매환원법(SCR), 선택적 무촉매 환원법(SNCR) 및 흡수법 등이 알려져 있다. 본 연구에서는 가장 저감효율이 우수하고 안전성이 뛰어나며 대형설비에 적합한 공정인 SCR방법을 선택하여 실험하였다. SCR 연구대상은 제올라이트, 귀금속 담지 촉매, 금속산화물 담지 촉매를 주로 사용하고 있다. 제올라이트계 촉매는 NO의 분해보다 환원제의 흡착이 유리한 점을 가지고 있으며, 귀금속 촉매는 NO를 NO_(2)로 산화시키는데 높은 활성을 보이는 점을 적절하게 조합, 활용하여 NO의 환원반응에 효과적인 촉매를 제조 할 수 있다. 본 연구에서는 monolith의 제 1층에 Au/Al _(2)O_(3), Pt/Al _(2)O_(3) 또는 Au/SiO_(2), Pt/SiO_(2)를 제 2층에 ZSM_(5), MCM-41, mordenite, ferrierite 등을 각각 이중 wash-coat하여 주사전자현미경, 투과전자현미경을 이용 물성을 조사하였으며, 환원제(C_(3)H_(6), CH_(4))에 대한 NOx의 환원반응을 조사하였다. 주사전자현미경을 통하여 monolith위에 제 1층에는 귀금속 담지 촉매가 제 2층에는 zeolite 촉매가 코팅되어 있음을 확인할 수 있었으며, 투과전자현미경을 통하여 금입자는 3~4 nm, 백금 입자는 5 nm 크기로 균일하게 담지되어 있음을 확인 하였다. 제 2층에 NH_(4)-ZSM_(5)를 코팅한 Au(5 wt%)/Al _(2)O_(3), Pt(1 wt%)/Al _(2)O_(3) 촉매가 NOx 제거 효율이 가장 우수하였으며 temperature window을 넓히는 효과를 보여주었다. 귀금속 담지 촉매의 담지량에 따른 영향은 금의 경우 5 wt%, 백금의 경우 1 wt%가 최적의 담지량임을 알 수 있었다. NOx의 농도를 변화하면서 반응 온도에 따른 NOx 및 C_(3)H_(6) 의 농도 변화를 조사한 결과에서는 농도가 증가함에 따라 NOx의 저감 효과는 떨어졌으며, 모든 농도에서 최대활성을 보인 온도는 300℃였다. 접촉시간에 따른 NOx의 제거 효율은 접촉시간이 증가함에 따라 모든 온도영역에서 NOx의 저감효과가 증가하는 경향을 보였으며, W/F가 846 hr∙g-cat/mol일 때 NOx의 저감효과가 가장 우수함을 알 수 있었다. 이중층 구조의 제 1층에 코팅되는 귀금속 담지 촉매층을 기존 방법과 다르게 알루미나와 귀금속촉매를 동시에 담지 하였을 때에는 활성이 저하하였다. 환원제로 CH_(4)를 선정하여 제조한 촉매의 NOx 제거효과를 조사한 결과 촉매와 반응 조건이 같더라도 제거효율이 낮음을 보였다. 이중층 구조 모노리스 촉매의 메커니즘에 대해 고찰한 결과 NO의 산화력이 뛰어난 귀금속 담지 촉매를 제 1층에 코팅하고, 자체적으로 촉매역할을 하는 zeolite 촉매를 제 2층에 코팅한 이중층 구조의 촉매를 제조하면, 환원제인 C_(3)H_(6)의 흡착이 가능하며, 환원제의 급격한 산화를 막아 temperature window 영역이 넓어지고 최대 활성을 나타내는 반응온도가 낮아지는 이중층 구조 촉매를 제조할 수 있음을 알았다.
질소산화물(NOx)은 보일러나 발전설비, 소각로와 같은 고정원과 자동차 등의 이동원에서 배출되며 대기 중에서 탄화수소와 반응하여 광학스모그를 유발하고 성층권에서 오존과 반응하여 지구 온난화를 야기하며 산성비의 원인이 되는 유해 물질이다. 이러한 이유로 인해 전 세계적으로 NOx와 관련된 환경법규가 날로 강화되고 있는 실정이다. NOx를 제거하기 위한 방법으로는 촉매 분해법(Catalytic Decomposition), 선택적 촉매환원법(SCR), 선택적 무촉매 환원법(SNCR) 및 흡수법 등이 알려져 있다. 본 연구에서는 가장 저감효율이 우수하고 안전성이 뛰어나며 대형설비에 적합한 공정인 SCR방법을 선택하여 실험하였다. SCR 연구대상은 제올라이트, 귀금속 담지 촉매, 금속산화물 담지 촉매를 주로 사용하고 있다. 제올라이트계 촉매는 NO의 분해보다 환원제의 흡착이 유리한 점을 가지고 있으며, 귀금속 촉매는 NO를 NO_(2)로 산화시키는데 높은 활성을 보이는 점을 적절하게 조합, 활용하여 NO의 환원반응에 효과적인 촉매를 제조 할 수 있다. 본 연구에서는 monolith의 제 1층에 Au/Al _(2)O_(3), Pt/Al _(2)O_(3) 또는 Au/SiO_(2), Pt/SiO_(2)를 제 2층에 ZSM_(5), MCM-41, mordenite, ferrierite 등을 각각 이중 wash-coat하여 주사전자현미경, 투과전자현미경을 이용 물성을 조사하였으며, 환원제(C_(3)H_(6), CH_(4))에 대한 NOx의 환원반응을 조사하였다. 주사전자현미경을 통하여 monolith위에 제 1층에는 귀금속 담지 촉매가 제 2층에는 zeolite 촉매가 코팅되어 있음을 확인할 수 있었으며, 투과전자현미경을 통하여 금입자는 3~4 nm, 백금 입자는 5 nm 크기로 균일하게 담지되어 있음을 확인 하였다. 제 2층에 NH_(4)-ZSM_(5)를 코팅한 Au(5 wt%)/Al _(2)O_(3), Pt(1 wt%)/Al _(2)O_(3) 촉매가 NOx 제거 효율이 가장 우수하였으며 temperature window을 넓히는 효과를 보여주었다. 귀금속 담지 촉매의 담지량에 따른 영향은 금의 경우 5 wt%, 백금의 경우 1 wt%가 최적의 담지량임을 알 수 있었다. NOx의 농도를 변화하면서 반응 온도에 따른 NOx 및 C_(3)H_(6) 의 농도 변화를 조사한 결과에서는 농도가 증가함에 따라 NOx의 저감 효과는 떨어졌으며, 모든 농도에서 최대활성을 보인 온도는 300℃였다. 접촉시간에 따른 NOx의 제거 효율은 접촉시간이 증가함에 따라 모든 온도영역에서 NOx의 저감효과가 증가하는 경향을 보였으며, W/F가 846 hr∙g-cat/mol일 때 NOx의 저감효과가 가장 우수함을 알 수 있었다. 이중층 구조의 제 1층에 코팅되는 귀금속 담지 촉매층을 기존 방법과 다르게 알루미나와 귀금속촉매를 동시에 담지 하였을 때에는 활성이 저하하였다. 환원제로 CH_(4)를 선정하여 제조한 촉매의 NOx 제거효과를 조사한 결과 촉매와 반응 조건이 같더라도 제거효율이 낮음을 보였다. 이중층 구조 모노리스 촉매의 메커니즘에 대해 고찰한 결과 NO의 산화력이 뛰어난 귀금속 담지 촉매를 제 1층에 코팅하고, 자체적으로 촉매역할을 하는 zeolite 촉매를 제 2층에 코팅한 이중층 구조의 촉매를 제조하면, 환원제인 C_(3)H_(6)의 흡착이 가능하며, 환원제의 급격한 산화를 막아 temperature window 영역이 넓어지고 최대 활성을 나타내는 반응온도가 낮아지는 이중층 구조 촉매를 제조할 수 있음을 알았다.
Nitrogen oxides (NOx), a hazardous material that causes acid rain, are emitted from fixed sources like boiler, power generation equipments and incinerator and moving sources like car etc, causing photochemistry smog through reaction with hydrocarbon in air, and ultimately leading to global warming t...
Nitrogen oxides (NOx), a hazardous material that causes acid rain, are emitted from fixed sources like boiler, power generation equipments and incinerator and moving sources like car etc, causing photochemistry smog through reaction with hydrocarbon in air, and ultimately leading to global warming through reaction with ozone in stratosphere. In particular, acid rain, if dropped directly on plant leaves, causes physiological disorder and at times reduces lifespan. In addition, acid rain acidifies soil, and deteriorates soil environment by changing the solubility of inorganic nutrition of soil and instigating leaching. For such reason, NOx related environmental regulations are growing intensified day by day throughout the world. The techniques of the treatment of emission gas including such NOx include catalytic decomposition, selective catalyst reduction (SCR) method, selective non-catalytic reduction (SNCR) method, and absorption method etc. In this study, SCR method the process that demonstrates outstanding safety and the effect of reducing emission gas and suitable for large equipments was selected and used in the experiment. The subjects of SCR study mainly used include zeolite, noble metal supported catalyst and metal oxide supported catalyst. Zeolite catalyst has the advantage that it sticks to NO reducing agent better than dissolution agent, and noble metal catalyst is effective in NO reducing reaction by properly combining and utilizing the fact that it shows high activity in oxidizing NO to NO_(2). In this study, Au/Al_(2)O_(3), Pt/Al_(2)O_(3) or Au/SiO_(2), Pt/SiO_(2) on the 1st layer of monolith were double wash-coated, and then ZSM_(5), MCM-41, mordenite and ferrierite etc on the 2nd layer. And these catalysts for the reduction reaction of NOx with reductants (C_(3)H_(6), CH_(4) were investigated. The physical properties were characterized by scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). SEM results indicated that the 1st layer is coated with noble metal immobilized catalyst and the 2nd layer with zeolite catalyst. In addition TEM results showed that gold particles were uniformly dispersive in 3 to 4 nm size and platinum particles in 5 nm size. It was shown that Au(5wt%)/Al_(2)O_(3) and Pt(1wt%)/Al_(2)O_(3) catalyst coated with NH_(4)-ZSM-5 on the 2nd layer has the highest efficiency of NOx removal with the effect of broadening temperature window. As for the effects of noble metal supported catalyst by the loading amount, optimum loading amount is 5wt% in case of gold and 1wt% in case of platinum. As a result of surveying the changes of the concentrations of NOx and C_(3)H_(6) by the reaction temperatures while changing the concentration of NOx, NOx reduction effects dropped as concentration increases, and the temperature that showed highest activity was 300℃ at all concentrations. As for the NOx removal efficiency by contact time, NOx reducing effect tended to increase in all temperature range with increase in contact time, and NOx reducing effect was most outstanding when W/F is 846 hr∙g-cat/mol. When aluminum and noble metal catalyst are loaded simultaneously, activity was less than when noble metal supported catalyst layer coated on the 1st layer of dual layer structure unlike in existing method. As a result of surveying the NOx removal effect of the catalyst produced with CH_(4) instead of C_(3)H_(6), removal efficiency was lower even if catalyst and reaction condition are the same. As a result of examining the mechanism of dual layer structure monolith catalyst, it was shown that if noble supported catalyst with outstanding NO oxidizing force is coated on the 1st layer and zeolite catalyst that can suck C_(3)H_(6) a reducing agent and serves as catalyst itself is coated on the 2nd layer of dual layer structure, dual layer structure catalyst that widens temperature window area and reduces reduction temperature for maximum activity by preventing abrupt oxidation of reducing agent can be produced.
Nitrogen oxides (NOx), a hazardous material that causes acid rain, are emitted from fixed sources like boiler, power generation equipments and incinerator and moving sources like car etc, causing photochemistry smog through reaction with hydrocarbon in air, and ultimately leading to global warming through reaction with ozone in stratosphere. In particular, acid rain, if dropped directly on plant leaves, causes physiological disorder and at times reduces lifespan. In addition, acid rain acidifies soil, and deteriorates soil environment by changing the solubility of inorganic nutrition of soil and instigating leaching. For such reason, NOx related environmental regulations are growing intensified day by day throughout the world. The techniques of the treatment of emission gas including such NOx include catalytic decomposition, selective catalyst reduction (SCR) method, selective non-catalytic reduction (SNCR) method, and absorption method etc. In this study, SCR method the process that demonstrates outstanding safety and the effect of reducing emission gas and suitable for large equipments was selected and used in the experiment. The subjects of SCR study mainly used include zeolite, noble metal supported catalyst and metal oxide supported catalyst. Zeolite catalyst has the advantage that it sticks to NO reducing agent better than dissolution agent, and noble metal catalyst is effective in NO reducing reaction by properly combining and utilizing the fact that it shows high activity in oxidizing NO to NO_(2). In this study, Au/Al_(2)O_(3), Pt/Al_(2)O_(3) or Au/SiO_(2), Pt/SiO_(2) on the 1st layer of monolith were double wash-coated, and then ZSM_(5), MCM-41, mordenite and ferrierite etc on the 2nd layer. And these catalysts for the reduction reaction of NOx with reductants (C_(3)H_(6), CH_(4) were investigated. The physical properties were characterized by scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). SEM results indicated that the 1st layer is coated with noble metal immobilized catalyst and the 2nd layer with zeolite catalyst. In addition TEM results showed that gold particles were uniformly dispersive in 3 to 4 nm size and platinum particles in 5 nm size. It was shown that Au(5wt%)/Al_(2)O_(3) and Pt(1wt%)/Al_(2)O_(3) catalyst coated with NH_(4)-ZSM-5 on the 2nd layer has the highest efficiency of NOx removal with the effect of broadening temperature window. As for the effects of noble metal supported catalyst by the loading amount, optimum loading amount is 5wt% in case of gold and 1wt% in case of platinum. As a result of surveying the changes of the concentrations of NOx and C_(3)H_(6) by the reaction temperatures while changing the concentration of NOx, NOx reduction effects dropped as concentration increases, and the temperature that showed highest activity was 300℃ at all concentrations. As for the NOx removal efficiency by contact time, NOx reducing effect tended to increase in all temperature range with increase in contact time, and NOx reducing effect was most outstanding when W/F is 846 hr∙g-cat/mol. When aluminum and noble metal catalyst are loaded simultaneously, activity was less than when noble metal supported catalyst layer coated on the 1st layer of dual layer structure unlike in existing method. As a result of surveying the NOx removal effect of the catalyst produced with CH_(4) instead of C_(3)H_(6), removal efficiency was lower even if catalyst and reaction condition are the same. As a result of examining the mechanism of dual layer structure monolith catalyst, it was shown that if noble supported catalyst with outstanding NO oxidizing force is coated on the 1st layer and zeolite catalyst that can suck C_(3)H_(6) a reducing agent and serves as catalyst itself is coated on the 2nd layer of dual layer structure, dual layer structure catalyst that widens temperature window area and reduces reduction temperature for maximum activity by preventing abrupt oxidation of reducing agent can be produced.
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