[논문]바나디아 촉매담지 세라믹 캔들필터를 이용한 질소산화물 제거기술

이동섭; 박진식

doi:10.5322/jes.2007.16.9.1077

바나디아 촉매담지 세라믹 캔들필터를 이용한 질소산화물 제거기술
Removal Technology of NOx Using V2O5/TiO2 Catalyst Impregnated Ceramic Candle Filters 원문보기

한국환경과학회지 = Journal of the environmental sciences, v.16 no.9, 2007년, pp.1077 - 1083

Abstract ▼ AI-Helper

[ $V_2O_5/TiO_2$ ] catalyst impregnated ceramic candle filters are in principle, capable of performing shallow-bed dust filtration plus a catalytic reaction, promoted by a catalytic deposited in their inner structure. Pilot-scale $V_2O_5/TiO_2$ catalyst impregnated ceramic candle filters were prepared, characterized and tested for their activity towards the SCR reaction. The effect on NO conversion of operating temperature, gas hourly space velocity, amount of deposited catalyst, pressure drops and long-term experiment (life of catalytic filter) was determined. The following effects of $V_2O_5/TiO_2$ catalyst impregnated ceramic candle filters in SCR reaction are observed: (1) It increases the activity and widens the temperature window for SCR. (2) When the content of $V_2O_5$ catalyst increases further from 3 to 9wt.%, activity of NO increases. (3) NO conversion at first increases with temperature and then decreases at high temperatures (above $400^{\circ} over), possibly due to the occurrence of the ammonia oxidation reaction.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 섬유형 세라믹 캔들필터에 흡착법을 이용하여 VzOe/TiQ 촉매필터를 제조하고 오염물질에 대한 활성도를 조사하였다.
이러한 연구결과를 토대로 본 연구에서는 TiO₂- Based V2O₅ 촉매필터를 이용한 NOx 처리에 중점을 두어 최적 제거효율을 나타낼 수 있는 영향인 자를 조사하고, 필터제조에 있어 필터가 가지는 물리적 특성을 파악하고자 한다.
이러한 비활성화 반응은 SO₂가 SO₃ 로 산화되어 활성점을 포함하는 미세기공을 막는 것에 의하여 나타나게 되듯이, 석탄의 회분에 포함된 알카리염도촉매표면에 흡착되어 촉매의 활성을 감소시키는 경우도 있다. 이에 SO₂와 입자상 물질인 먼지에 내구성이 있다고 알려진 V2OeTiO₂ 필터를 사용하여 SO₂와 먼지가 공급된 상태에서 NO 제거효율을 측정하여 필터의 기공막힘 현상을 파악하고자 하였다. Fig.
예를 들면, 알루미나는 SCh에 의한 aluminum sulfate의 생성으로 쉽게 비활성화 된다& 주요 산화물로써 ti- tania를 이용한 몇가지 산화물은 NO의 SCR을 위한 support로써 널리 사용되고 있다. 지지체에서 하나 이상의 추가적인 산화물의 혼합은 기계적인 성상과 촉매 성능을 증가시키는 것이 목적이다. 소량의 SiC)2는 titania support 위에 br$nsted acid의 상대적인 농도와 BET 표면적을 증가시킨다〃 또한, SiO₂ 는 촉매 마모(attrition) 에 저항성을 증가시키는데 사용된다.

제안 방법

출구의 각종 gas 농도분석을 위해 NO, NO₂, O₂, SO₂, CO, CO₂의 분석이 가능한 IMR 3000P gas analyzer를 이용하여 실시간으로 data logging을 통해 자료를 축적하였다. 가스분석기는 가robe와 heating tube를 통해 유해가스를 펌프로 흡입해 오염물질별 센서에 의해 농도를 측정하였다.
장착하였다. 반응기 본체는 환원제로 주입되는 암모니아가 반응기 재질과 반응하여 부반응을 일으키는 것을 최소화하기 위해 SUS310S 재질로 제작하였고, 장착되는 촉매필터는 여과속도가 증가할 시 flange 부분에서의 유동이 문제점으로 예상되므로 필터 flange 하단부에 세라믹 paste와 세라믹 가스켓을 도포하고 weight를 장착해 작동 시 기계적 충격을 완화시켰으며, 본체와 촉매필터 사이에 두께 2~3 mm 정도 세라믹 섬유를 씌워서 집진 또는 탈진 시 상호 마찰에 의한 촉매필터의 마모 손실을 최소화하였다. 분석측정부는 반응기 입 .
본 실험에 사용된 TiO₂/V2O₅ 촉매필터는 집진을 위한 섬유형 세라믹 캔들필터에 촉매기능을 부여하여 먼지 및 유해가스를 동시에 처리할 수 있는 필터로서 개발되었다. 외경 60 mm, 내경 40 mm, 길이 IOOOimi인 섬유형 세라믹 캔들필터에 titanium iso- propoxide와 H₂O와의 축중합반응을 이용하여, TiO₂ 담체는 titanium isopropoxide(Ti[OCH(CH₃)2】4, 98%, Junsei), 에틸알콜 (C₂H₅OH₃₉.
본 연구에서는 세라믹 캔들필터에 TiQ를 담지 하고 여기에 V2O₅ 촉매를 담지시켰다. V2O₅ 촉매 담지를 위해 ammonium vanadate를 담지시킨 결과, 촉매담지 직후에는 노란색을 나타내다가 약 24 시간이 경과된 후 필터표면에 약간의 얼룩이 나타나고 건조시간이 길어짐에 따라 필터는 남색을 나타내는데, 이것은 바나디아 이온의 산화에 의한 것으로 추정된다.
실제 촉매 공정에 적용하기 위해서는 원 물질(촉매와 담체) 자체뿐만 아니라 운전 조건에 따라 활성도가 달라질 수 있으므로 다양한 촉매담지량과 운전변수의 변화를 통한 NO 전환율, 먼지 및 SO₂ 공급 시 촉매 활성도, 2개월간의 유해가스 연속공급 시 촉매 활성 변화 등의 결과를 도출하였다.
분석측정부는 반응기 입 . 출구의 각종 gas 농도분석을 위해 NO, NO₂, O₂, SO₂, CO, CO₂의 분석이 가능한 IMR 3000P gas analyzer를 이용하여 실시간으로 data logging을 통해 자료를 축적하였다. 가스분석기는 가robe와 heating tube를 통해 유해가스를 펌프로 흡입해 오염물질별 센서에 의해 농도를 측정하였다.

대상 데이터

개발되었다. 외경 60 mm, 내경 40 mm, 길이 IOOOimi인 섬유형 세라믹 캔들필터에 titanium iso- propoxide와 H₂O와의 축중합반응을 이용하여, TiO₂ 담체는 titanium isopropoxide(Ti[OCH(CH₃)2】4, 98%, Junsei), 에틸알콜 (C₂H₅OH₃₉.9%, 덕산), 분산제인 diethanolamine(DEA, (CHzCHzOHJzNH, 99%, YAKURI)과 물이 첨가된 혼합용액으로 제조하였다. TiCfe가 담지 된 섬유필터에 ammonium vana- date(NH₄VO₃> 99%, Junsei)를 이용하여 V2O₅ 촉매를 시편무게기준 X wt.

성능/효과

TiO₂ 담체만 담지 한 필터와 V2O₅ 촉매가 3 wt.% 담지된 필터 비교 시, 촉매가 담지된 시편의 비표면적이 50% 정도 크게 감소하였다.
TiO₂ 담체만 담지 한 필터와 V2O₅ 촉매가 3 wt.% 담지된 필터 비교 시, 촉매가 담지된 시편의 비표면적이 50% 정도 크게 감소하였다.
1) 촉매필터 물성특성을 살펴보면, TiO₂ 담체가 담지 된 필터의 공기투과율은 촉매량이 증가할수록 공기투과율이 감소하였다. TiO₂ 담체만 담지한 필터와 V2O₅ 촉매가 3 wt.
2) 촉매필터의 XRD 측정결과는 V2O/TiO₂ 촉매 필터를 보면 산화전(담체 담지후 열처리)의 피크는 anatase의 피크가 나타났으나, 산화후에는 rutile의 피크가 나타나 TiOz 담체가 anatase에서 rutile로 전이되었음을 알 수 있다.
3) 유체의 온도와 여과속도에 따른 촉매 필터의 차압은 온도와 여과속도 증가에 따라 비례적으로 차압이 증가함을 보였으며, 촉매담지량이 증가할수록(G7-8>G7-1>G4-12) 차압이 증가하였다. 이는 촉매 필터가 섬유형인 다공성구조를 지니고 있음으로 해서 먼지 및 NO가스를 처리하는데 적합함을 보이는 결과이다.
4) 촉매필터의 NO 전환율 결과로써, 300 -350℃ 온도구간에서 가장 좋은 효율을 보였으며 환원제로 주입된 NH₃가 400℃ 이상의 온도구간에서는 암모니아의 산화반웅이 급격하게 진행될 뿐만 아니라 암모니아의 산화로 부가적으로 생성되는 NO의 양이 증가하므로 NO 전환율이 감소하였다. 실험결과 적정 담지량은 5~9wt.
Fig. 4~7은 촉매필터의 NO 전환율 결과로써, 300 ~ 350 ℃ 온도구간에서 가장 좋은 효율을 보였으며 환원제로 주입된 Nik가 400℃이상의 온도 구간에서는 암모니아의 산화반응이 급격하게 진행될 뿐만 아니라 암모니아의 산화로 부가적으로 생성되는 NO의 양이 증가하므로 NO 전환율이 감소하였다. 이들 촉매필터의 NO 저감은 4NO + INH₃ + O₂ —4必 +6H₂O 의 반응 메카니즘을 통해서 이루어 졌다'3"
SO₂와먼지 모두가 공급될 때가 나머지 조건보다 더 낮은 NO 전환율을 보여주지만 활성도가 그리 줄지는 않음을 보여주고 있다. SO₂가 공급시가 먼지만 공급될 때 보다 더 낮은 활성을 보이고 있으며 SO₂가먼지보다는 더 촉매의 활성을 감소시킴을 확인 할 수 있어 연도가스 속에 포함된 오염물질 종류에 따른 활성정도를 파악할 수 있었다.
배가스 처리에 있어서 SCR공정과 촉매물질에 대한 연구가 많이 진행되었는데, TiO₂ 위에 기초된 monolith들이며* anatase 형태의 TiO?는 활성 성분을 지지하기 위해서 높은 표면적 carrier로써 사용되었다 4). TiO₂-based 촉매는 암모니아 합성에서 철산 화물 촉매처럼 SCR DeNOx에 지배적이고 TiCh는 SOx와 반응하지 않고 NO-NHs 반응에 대해 높은 활성도를 보이는 것으로 조사되었다. 특히 TiO₂- Based 촉매가 넓은 온도범위(200 ~600℃)에서 SOx poisoning에 대한 저항성이 크며 TiC)2는 SO₃나 SOz 에 200℃이상의 온도에서 반응하지 않는다.
%, 최적온도구간 300 -350℃, 공간속도는 1969, 2626 hr*으로 나타났다. 또한 공간속도에 따른 NO 전환율을 살펴보면, 공간 속도가 증가하면서 전환율이 감소하는데 이는 모든 촉매 필터의 일반적인 경향으로 가스상 오염물질 처리 필터로서의 가능성을 보였다. 또한 상기의 실험결과를 토대로 촉매필터의 NOx 제거 실 공정 적용 시 온도, 유량, 먼지농도, 가스농도에 따른 NO 전환율을 조절할 수 있는 설계인자로 활용한다.
%, 최적 온도 구간 300~350℃, 공간속도는 1969, 2626 hr-1 으로 나타났다. 또한, 바나듐 담지함량과 상관없이 저온(350℃까지)에서의 활성은 증가하는 반면 400℃ 이상의 고온영역에서의 활성은 감소함을 관찰할 수 있었다. 이는 고온의 영역에서는 NO의 환원 반응보다는 NH₃의 산화반응이 주 반응으로 작용하기 때문이다 戚 공간속도에 따른 NO 전환율을 살펴보면, 공간속도가 증가하면서 전환율이 감소하는데 이는 모든 촉매필터의 일반적인 경향으로 공간속도가 증가함에 따라 반응가스가 촉매와 접촉하는 시간이 짧아져 그만큼 반응이 덜 일어나기 때문이다.
본 실험결과에서는 적정 담지량은 5~9wt.%, 최적 온도 구간 300~350℃, 공간속도는 1969, 2626 hr-1 으로 나타났다.
본 실험결과에서는 적정 담지량은 5~9wt.%, 최적 온도 구간 300~350℃, 공간속도는 1969, 2626 hr-1 으로 나타났다.
3은 유체의 온도와 여과속도에 따른 촉매 필터의 차압자료로써, 온도와 여과속도 증가에 따라 비례적으로 차압이 증가함을 나타내고 있고, 촉매담지량이 증가할수록(G7-8>G7-1>G4-12) 차압이 증가하였다. 이러한 결과는 촉매필터가 섬유형인 다공성 구조를 지니고 있음으로 해서 먼지 및 NO 가스를 동시에 처리하는데 적합함을 나타내는 결과이다. 따라서 대기오염 방지 설비의 필터 차압변화가 생산품의 처리능력에 직접적으로 영향을 미치는 유리 용해로, 비철용해로 등에는 baseline 차압과 집 진과 탈진 시의 차압변화 등을 최소화할 수 있는 자동 제어 시스템이 필요할 것으로 사료된다.

참고문헌 (15)

Saracco G., 1999, Coupling catalysts and hightemperature resistance filters, High Temperature Gas Cleaning, Edited by Achim D. et al., Institut filr Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik der Universitat Karlsruhe, Germany, 627-640
Ronald M. H., Farrauto R. J, 1995, Catalytic air pollution control - commercial technology, Van Nostrand Reinhold Publishers, New York, 1115
Hums E., Joisten M., Mulller R., Sigling R., Spielmann H., 1996, Innovative lines of SCR catalysis : NOx reduction for stationary diesel engine exhaust gas and dioxin abatement for waste incineration facilities, Catalysis Today, 27, 29-34

상세보기
Forzatti P., Nova I., Beretta A., 2000, Catalytic properties in deNOx and $SO_{2}$ - $SO_{3}$ reactions, Catalysis Today, 56, 431-441

상세보기
Nakajima F., Hamada I., 1996, The stateof- the-art technology of NOx control, Catalysis Today, 29, 109-115

상세보기
Zhu Z., Liu Z., Liu S., Niu H., 1999, A novelcarbon-supported vanadium oxide catalysts for NO reduction with NIh at low temperature, Applied Catalysis B: Environmental, 23, L229-L233
Liu Z., Tabora J., Davis R. J, 1994, Relationships between microstructure and surface acidity of Ti-Si mixed oxide catalysts, J Catalysis, 149,1, 117-126

상세보기
Topsoe N. Y., Dumesic J A, Topsoe H., 1995, Vanadia/titania catalysts for selective catalytic reduction of nitric oxide by ammonia II. studies of active sites and formulation of catalytic cycles, J catalysis, 151, 241-252

상세보기
Handy B. E., Baiker A, Martin M. S., Wokaun A, 1992, Vanadia supported on $TiO_{2}$ - $SiO_{2}$ mixed oxide gels : structure of the dispersed phase and activity for the selective catalytic reduction of NO with $NH_3$ , J Catalysis, 133, 1-20

상세보기
Shikada T., Fujumoto K., Kunugi T., Tominaga H., 1983, Reduction of nitric oxide with ammonia on silica-supported vanadium oxide catalysts, J Chern. Tech. biotechnol., 33A, 446-454
Bosch H., Janssen F., Kerkhof F., Oldenziel J, Ommen J, Ross J., 1986, The activity of supported vanadium oxide catalysts for the selectivity reduction of NO with ammonia, Applied Catalysis, 25, 239-248

상세보기
Blanco J, Bahamonde A, Alvarez E., Avila P., 1998, Two-bed catalytic system for NOx/SOx removal, Catalysis Today, 42, 85-92

상세보기
Blanco J., Avila P., Suarez S., Martin J A, Knapp C., 2000, Alumina- and titiania-based monolithic catalysts for low temperature selective catalytic reduction of nitrogen oxides, Applied Catalysis B: Environmental, 28, 235-244

상세보기
Stefan B., Hammer T., 2000, Selective catalytic reduction of nitrogen oxides by combining a non-thermal plasma and a $V_{2}O_{2}$ - $WO_{3}$ - $TiO_{2}$ catalyst, Applied Catalysis B: Environmental, 28, 101-111

상세보기
Inomata M., Miyamoto A, Murakami Y, 1981, Determination of the number of VO species on the surface of vanadium oxide catalyst 2. $V_{2}O_{2}$ / $TiO_{2}$ catalysts, J. Phys. Chem., 85, 2372-2377

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증