[논문]촉매담지 세라믹 필터의 표면 산처리 효과

조을훈; 서광석; 김수효; 신민철; 신병길; 김진성; 이희수

촉매담지 세라믹 필터의 표면 산처리 효과
Efficiency of catalyst-coated ceramic filter with acid treatment 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.18 no.2, 2008년, pp.91 - 95

조을훈 (고려대학교 재료공학과) , 서광석 (고려대학교 재료공학과) , 김수효 (한국산업기술시험원 재료평가팀) , 신민철 (한국산업기술시험원 재료평가팀) , 신병길 (부산대학교 재료공학부) , 김진성 (부산대학교 재료공학부) , 이희수 (부산대학교 재료공학부)

초록
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코디어라이트를 원료로 하여 다공성 세라믹 필터를 제조하였고, 진공함침법으로 $V_2O_5$ 촉매를 코팅하였다. 제조된 세라믹 필터의 기공률은 58%, 압축강도는 10 MPa, 400$^{\circ}C$, 5 cm/sec의 유속에서 압력손실은 1,200 Pa이었다. $V_2O_5$ 촉매의 경우 $NO_x$에 대해 80% 이상의 처리효율을 나타내었고, 산처리에 의한 필터의 비표면적 증가를 통해 처리효율을 약 10%개선할 수 있었다. 이는 필터의 비표면적 증가를 통해 코팅된 촉매의 분산성을 향상시킴으로써 촉매의 활성점이 증대되었기 때문으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Ceramic filter was prepared using cordierite powder and it was coated with $V_2O_5$ catalyst by vacuum impregnation method. The filter had the apparent porosity of 58 %, the compressive strength of 10 MPa and the pressure drop of 1200 Pa at the face velocity of 5 cm/see and 400$^{\circ}C$. $NO_x$ removal efficiency of only $V_2O_5$ coated on cordierite filter showed the removal efficiency of 80 %, and it was improved up to 90 % by increasing specific surface area of filter elements from the acid treatment. The high surface area is due to the removal of Mg and Al ions from the silicate structure and subsequent generation of free amorphous silicate on the surface of the cordierite.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

" data-ocr-fix="">수 있다. 따라서 본 연구에서는 먼지/NQ 동시 처리가 가능한 촉매 코팅 세라믹 필터를 제조하고 필터 표면 개질전후의 NOX 제거효율을 비교함으로서, 표면 개질이 유해가스 제거효율에 미치는 영향과 원인을 분석하였다.
본 연구에서는 배기가스 중에 포함된 미세먼지와 유해가스를 고온에서 동시에 제거할 수 있는 고온용 세라믹 필터 제조하였고, 필터 표면처리가 촉매 효율에 미치는 영향 및 원인을 분석하였다. 제조된 다공성 코디어라이트 필터의 기공률은 58%, 압축강도는 10 MPa, 400℃, 5cm/sec의 유속에서 압력손실은 1, 200 Pa이었다.

제안 방법

제조된 필터의 표면개질을 위해 oxalic acid를 이용하였다. Oxalic acid와 증류수를 1 : 1로 혼합하여 끓인 후 필터 시편을 각각 15, 30, 45분 동안 담가 두었다가 꺼내어, 필터내부에 산이 완전히 제거될 때까지 증류수를 이용하여 세척하였다. 본 연구에서는 SCR 공정에서 일반적으로 적용되는 V2O₅ 촉매를 사용하였다.
본 연구에서는 SCR 공정에서 일반적으로 적용되는 V2O₅ 촉매를 사용하였다. V2O₅ 전구체 수용액은 ammonium vanadate를 oxalic acid와 물에 용해시켜 제조하였으며, 세라믹 필터 내부까지 촉매를 균일하게 코팅시키기 위해서 진공함침법을 이용하여 코팅하였다. 함침 시간은 30분 동안 실시하였으며 진공도는 1X10、torr이하 이었으며, 항온항습기에서 건조한 후 600℃에서 1시간 동안 열처리하였다.
기공률은 수은압입법을 이용하여 측정하였고 미세구조는 scanning electron microscope®- 통해서 관찰하였다. 기계적 강도는 UTM(Instron, span speed 5 mm/min)을 사용하여 압축강도를 측정하였고, 압력손실은 상온에서 면속도에 따른 값을 측정하였다. 촉매의 활성점 변화는 FT-IR을 사용하여 분석하였다.
제조된 시편은 상온 및 100°c에서 각각 24시간 동안 건조하였고, 1410℃에서 소결하였다. 먼지제거를 위하여 스프레이 코팅 방법으로 필터 표면에 여과층을 코팅하였다. 제조된 필터의 표면개질을 위해 oxalic acid를 이용하였다.
세라믹 필터의 기본적 특성 평가를 위하여 기공율, 압축강도, 압력손실을 측정하였고, 표면처리 전 후의 미세구조, 성분변화 및 활성점 변화와 NOX 제거효율을 비교하였다. 기공률은 수은압입법을 이용하여 측정하였고 미세구조는 scanning electron microscope®- 통해서 관찰하였다.
제조된 시편은 상온 및 100°c에서 각각 24시간 동안 건조하였고, 1410℃에서 소결하였다. 먼지제거를 위하여 스프레이 코팅 방법으로 필터 표면에 여과층을 코팅하였다.
기계적 강도는 UTM(Instron, span speed 5 mm/min)을 사용하여 압축강도를 측정하였고, 압력손실은 상온에서 면속도에 따른 값을 측정하였다. 촉매의 활성점 변화는 FT-IR을 사용하여 분석하였다.
코디어라이트 분말과 유기첨가제 및 발포제를 혼합하여 일축가압 성형법으로 다공성 세라믹 필터를 제조하였다. 제조된 시편은 상온 및 100°c에서 각각 24시간 동안 건조하였고, 1410℃에서 소결하였다.
필터의 비표면적 증가에 의한 NO 제거효율 변화와 비교하기 위해 SCR 공정에서 일반적으로 상용화 되고있는 VQ/TiQ 촉매를 이용하여 NOx 제거효율을 측정하였으며 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 촉매 코팅량이 5 wt%일 때가 으¥ 91 %로 가장 높은 처리효율을 나타내었는데, 10wt%로 증가시킨 경우 오히려 처리효율이 감소하였다.
필터의 표면처리에 따른 촉매 코팅 특성 및 NO 제거효율을 비교하기 위하여 oxalic acid를 이용하여 산처리를 하였다. Table 2와 Fig.

대상 데이터

Oxalic acid와 증류수를 1 : 1로 혼합하여 끓인 후 필터 시편을 각각 15, 30, 45분 동안 담가 두었다가 꺼내어, 필터내부에 산이 완전히 제거될 때까지 증류수를 이용하여 세척하였다. 본 연구에서는 SCR 공정에서 일반적으로 적용되는 V2O₅ 촉매를 사용하였다. V2O₅ 전구체 수용액은 ammonium vanadate를 oxalic acid와 물에 용해시켜 제조하였으며, 세라믹 필터 내부까지 촉매를 균일하게 코팅시키기 위해서 진공함침법을 이용하여 코팅하였다.
Table 1에는 본 연구에서 제조된 필터의 특성을 나타내었다. 제조된 필터는 기공율 58%, 기계적 강도 10 MPa, 압력손실은 1, 200 Pa(면속도 5 cm/ sec, 400℃)로 측정되었다. 면속도가 같을 경우 상온에서의 압력손실은 약 150 Pa이지만 온도가 증가함에 따라 압력손실도 따라서 증가한다.
먼지제거를 위하여 스프레이 코팅 방법으로 필터 표면에 여과층을 코팅하였다. 제조된 필터의 표면개질을 위해 oxalic acid를 이용하였다. Oxalic acid와 증류수를 1 : 1로 혼합하여 끓인 후 필터 시편을 각각 15, 30, 45분 동안 담가 두었다가 꺼내어, 필터내부에 산이 완전히 제거될 때까지 증류수를 이용하여 세척하였다.

이론/모형

기공률은 수은압입법을 이용하여 측정하였고 미세구조는 scanning electron microscope®- 통해서 관찰하였다. 기계적 강도는 UTM(Instron, span speed 5 mm/min)을 사용하여 압축강도를 측정하였고, 압력손실은 상온에서 면속도에 따른 값을 측정하였다.

성능/효과

48m2/g이었으나, 45분 동안 산처리를 한 후에는 5.21 m?/g로 약 10배 이상 증가하는 것을 알 수 있었으며, 비표면적 증가에 의하여 촉매가 필터 기공 표면에 보다 균일하게 코팅됨으로써 필터 내부에 형성되었던 VQy의 침상형 결정도 감소함을 확인할 수 있었다. 산처리에 의한 비표면적 증가는 코디어라이트의 실리케이트 구조로부터 A1 및 Mg 이온이 oxalic acid에 의해 제거되었기 때문인 것으로 판단된다(Table 3)[10].
Fig. 2에는 산처리 전후의 NOX 처리효율을 비교한 결과를 나타내었는데, 45분 동안 산처리를 한 필터의 NOX 에 대한 처리효율이 90%로 산처리를 하지 않은 필터보다 처리효율이 약 10% 개선되는 효과를 보였다. 또한 Fig.
이는 유리 용해로, 소각로 등 고온, 상압 공정에서 먼지/유해가스 동시제거용 촉매처리 세라믹필터로 적용 가능한 값이다. V2O₅ 촉매의 경우 NQ에 대해 80% 이상의 처리효율을 나타내었고, 산처리에 의한 필터의 비표면적 증가를 통해 처리효율을 약 10% 개선함으로써 SCR 공정에서 상용화되고 있는 V2O₅/TiO₂ 촉매의 NOX 제거효율과 대등한 결과를 얻을 수 있었다. 이는 필터의 비표면적 증가를 통해 코팅된 촉매의 분산성을 향상시킴으로써 촉매의 활성점이 증대되었기 때문으로 판단된다.
3(a)에서와 같이 촉매 코팅 필터에서는 단지 Lewis acid site만 나타나고 있었으며, 이 결과로 필터의 주된 활성점은 Lewis 산점이고 그 결합력의 세기는 코팅된 VQs의 함량과 밀접한 관계가 있음을 알 수 있다. 반면 산처리를 한 필터에서는 Bronsted acid site peak가 1425 cm~'에서 나타나 Lewis acid site와 Bronsted acid site가 모두 존재함을 확인할 수 있었다. 이것은 NOk 제거 효율에도 영향을 미치는 것으로 판단된다.
Darcy's law에 의하면 온도가 증가함에 따라 기체의 점도 또한 증가하게 되고 따라서 압력손실도 증가하는 것이다[8]. 일반적으로 고온 , 상압공정에서 적용 가능한 필터의 압력손실은 본 연구에서 측정한 조건과 동일한 경우에 약 3, 000 Pa 이하이면 적용이 가능하다고 보고되고 있으므로[9] 제조된 필터의 특성은 일반적인 고온가스 정화 공정에서 사용하기에 적합하다고 판단된다.
4에 나타내었다. 촉매 코팅량이 5 wt%일 때가 으¥ 91 %로 가장 높은 처리효율을 나타내었는데, 10wt%로 증가시킨 경우 오히려 처리효율이 감소하였다. 이는 앞에 언급한 바와 같이 과량의 촉매가 코팅되었을 경우에 촉매 활성점의 분산을 약화시키고, 촉매의 일부분이 미세결정으로 존재하여 오히려 촉매활성을 저해하기 때문이다.

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N. Economidis, R.F. Coil and P.G. Smirniots, "Catalytic performance of $Al_2O_3/SiO_2/TiO_2$ loaded with $V_2O_5$ for the selective catalytic reduction of $NO_x$ with ammonia", Cat. Today 40 (1998) 27

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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].

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