[논문]TGA를 이용한 Fe2O3/ZrO2의 환원/물 분해/공기산화 kinetic 연구

남현우; 강경수; 배기광; 김창희; 조원철; 김영호; 박주식

doi:10.7316/khnes.2011.22.2.168

[국내논문] TGA를 이용한 Fe2O3/ZrO2의 환원/물 분해/공기산화 kinetic 연구
Kinetics Study on the Reduction with Methane, Oxidation with Water and Oxidation with Air of Fe2O3/ZrO2 Using TGA 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.22 no.2, 2011년, pp.168 - 177

남현우 (한국에너지기술연구원 수소에너지연구센터) , 강경수 (한국에너지기술연구원 수소에너지연구센터) , 배기광 (한국에너지기술연구원 수소에너지연구센터) , 김창희 (한국에너지기술연구원 수소에너지연구센터) , 조원철 (한국에너지기술연구원 수소에너지연구센터) , 김영호 (충남대학교 공업화학과) , 박주식 (한국에너지기술연구원 수소에너지연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

A set of kinetics study on the reduction with $CH_4$, oxidation with steam and oxidation with air was performed for $Fe_2O_3/ZrO_2$. $Fe_2O_3/ZrO_2$ was prepared by aerial oxidation method. The reactivity experiments were performed in a thermogravimetric analyzer (TGA) with different reacting gas concentrations and temperatures. The obtained activation energy of reduction by methane, oxidation by water and oxidation by air are 219 kJ/mol, 238 and 20 respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 FeO→Fe3O4의 변화과정에 대한 kinetic data를 얻는 실험이 수행되었다.
8 이상에서 반응속도가 느려지는 것을 알 수 있다. 본 연구에서는 외부 물질전달 영향을 없애기 위해 가스 유량을 충분히 공급하고 시료를 팬에 단층으로 담아 실험하였다. 본 실험의 조건상 gas film diffusion에 영향은 아니며 반응속도를 결정하는 인자로 ash layer diffusion과 chemical reaction을 고려할 수 있다.

제안 방법

%)/ZrO₂에 대한 메탄환원 kinetic 실험을 위하여 메탄의 농도는 Ar 가스와 혼합 하여 5, 10, 15, 20 그리고 25vol.%로 변화시켰고, 반응 온도는 875, 900, 925 그리고 950℃로 변화시켰다. 반응 중 탄소침적을 억제하기 위하여 수증기 농도 22vol.
Cu-Kα tube를 사용하여 40keV/100mA, 20～80°, 2°/min의 조건으로 분석을 실시하였다.
Fe₂O₃(30wt.%)/ZrO₂의 결정구조 분석은 X-선 회절 분석기(Rigaku, DMAX-2500, XRD)을 이용하였다. Cu-Kα tube를 사용하여 40keV/100mA, 20～80°, 2°/min의 조건으로 분석을 실시하였다.
TRCL 공정에서 사용될 유망한 금속산화물로 Fe₂O₃ (30wt.%)/ZrO₂ 에 대한 메탄환원/물 분해/공기산화 반응 시 반응가스의 농도와 반응온도를 변화시켜 반응성 실험을 진행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
공기산화법으로 제조된 Fe₂O₃(30wt.%)/ZrO₂의 표면상태 및 구조분석을 위해 XRD와 SEM을 통하여 분석하였다. Fig.
반응모델로 unreacted shrinking-core model을 적용하였으나 실험결과을 잘 예측하지는 못하였다. 따라서 경험적인 linear model을 사용하였으며 실험결과를 비교적 잘 예측하였다¹⁸⁾. 일반적으로 고체-기체 반응은 일정한 가스농도에서 다음과 같이 표현 될 수 있다.
본 연구에서는 TRCL공정 실험을 위한 매체로써 Fe₂O₃(30wt.%)/ZrO₂을 선정하고 공기산화법으로 제조하여 메탄에 의한 환원과 물 분해 그리고 공기산화반응을 수행하였다. 반응온도, 가스농도 변화를 통한 실험으로부터 kinetic data를 얻을 수 있었다.
Cu-Kα tube를 사용하여 40keV/100mA, 20～80°, 2°/min의 조건으로 분석을 실시하였다. 표면분석은 주사 전자 현미경(HITACHI, S-4700FE-SEM)을 사용하여 반응 전 후의 시료표면을 관찰하였다.
하소 후 유성볼밀(Fritsch사의 planetary mill “pulverisette 5”)로 분쇄 후 표준체를 사용하여 50～125㎛크기의 시료를 회수하였다.

대상 데이터

Fe₂O₃(30 wt.%)/ZrO₂는 Fig. 2와 같이 공기산화법으로 제조하였다^22,23).
시료 합성에 사용된 시약은 FeSO4-7H2O(Aldrich, 99+%)와 ZrO2(Aldrich, 99%, <5㎛)을 사용하였다.

이론/모형

8까지 시간에 따라 일정한 기울기를 유지하고 있다. 따라서 Qamar Zafar 등이 제시한 고체의 전환율에 따른 반응속도의 변화가 없는 아래의 경험식을 적용하였다.

성능/효과

5는 메탄 농도 20vol.%에서 온도별로 나타낸 그림으로 온도가 높아짐에 따라 기울기가 빨라지는 것을 확인 하였고, 반응속도는 반응 온도 및 반응 농도에 의존 하는 것을 알 수 있었다. Fig.
2vol.%와 낮은 온도인 750℃에서 반응이 30초 이내에 종료 됨을 확인 하였다.
1) 메탄환원/물 분해/공기산화 반응 시 각 반응농도와 반응온도가 높아짐에 따라 기울기가 커져 반응속도가 빨라짐을 확인하였고 물 분해의 경우 수증기 농도가 동일한 30vol.%일지라도 반응온도 750-900℃에 따라 반응 속도가 3배 이상 차이가 나는 것을 확인하였다.
1) 메탄환원/물 분해/공기산화 반응 시 각 반응농도와 반응온도가 높아짐에 따라 기울기가 커져 반응속도가 빨라짐을 확인하였고 물 분해의 경우 수증기 농도가 동일한 30vol.%일지라도 반응온도 750-900℃에 따라 반응 속도가 3배 이상 차이가 나는 것을 확인하였다.
2) 공기산화반응은 온도와 농도에 의해 반응속도가 달라짐을 확인하였으나, 낮은 농도인 3.2vol.%와 낮은 온도인 750℃에서 반응이 30초 이내에 종료 됨을 확인 하였다.
3) 메탄환원, 물 분해 그리고 공기산화반응에 대한 반응차수를 얻을 수 있었고 메탄환원 219, 물 분해 238 그리고 공기산화 20kJ/mol의 활성화에너지 값을 얻을 수 있었다.
4) 각 반응이 종료된 후 XRD 분석을 통하여 메탄환원(Fe2O3→Fe), 물 분해(Fe→Fe3O4) 그리고 공기산화(Fe3O4→Fe2O3)의 상변화를 확인 할 수 있었다.
%로 고정하고 반응온도를 변화시켰을 때의 결과이다. 동일한 농도에서 반응온도의 증가 시 기울기가 커지는 것을 알 수 있었고, 공기산화의 경우도 기울기가 커지면 반응속도 또한 빨라지고, 반응속도는 반응 온도와 반응 농도에 의존함을 알 수 있었다.
의 상변화를 확인 할 수 있었다. 따라서 Fe₂O₃(30 wt.%)/ZrO₂가 환원, 물분해 그리고 공기산화의 cycle을 통해 원래의 산 화가로 복원됨을 알 수 있었다.
제조된 시료의 초기상태를 보면 ZrO₂와 Fe₂O₃의 형성을 확인 할 수 있다. 메탄 환원 반응 후의 구조 상을 확인해 보면 지지체를 제외하고 Fe 상으로 전환되어졌음을 확인 할 수 있었고, 물 분해 후에는 Fe₃O₄ 상으로 산화된 것을 알 수 있다. 공기산화 후에는 Fe₂O₃상으로 분석되어 초기 출발물질로 전환되었음을 알 수 있다.
%로 하였을 때 반응온도를 각각 변화시켰을 때의 결과이다. 반응온도가 증가함에 따라 기울기가 커지는 것을 알 수 있었고, 기울기가 커지면서 반응속도가 빨라짐을 알 수 있었고, 반응속도는 반응온도와 반응농도에 의존하는 것을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공정내 CO2를 원천 분리 할 수 있는 공정에는 어떤 것이 있는가?	공정 내에서 CO2를 원천 분리 할 수 있는 공정으로 chemical-looping combustion(CLC), chemical-looping reforming(CLR) 그리고 three-reactor chemical looping (TRCL) 공정이 있다. 이 공정들은 화석연료의 연소나 개질에 필요한 산소 공급에 금속산화물입자를 이용하는 기술로 금속산화물의 환원/산화 쌍을 이용하여 연료와 공기의 직접적인 접촉 없이 금속산화물입자에 의해 연료가 연소된다.
	TRCL 공정에서 사용될 유망한 금속산화물로 Fe2O3 (30wt.%)/ZrO2 에 대한 메탄환원/물 분해/공기산화 반응 시 반응가스의 농도와 반응온도를 변화시켜 반응성 실험을 진행한 결과는 어떠했는가?	1) 메탄환원/물 분해/공기산화 반응 시 각 반응농도와 반응온도가 높아짐에 따라 기울기가 커져 반응속도가 빨라짐을 확인하였고 물 분해의 경우 수증기 농도가 동일한 30vol.%일지라도 반응온도 750-900℃에 따라 반응 속도가 3배 이상 차이가 나는 것을 확인하였다. 2) 공기산화반응은 온도와 농도에 의해 반응속도가 달라짐을 확인하였으나, 낮은 농도인 3.2vol.%와 낮은 온도인 750℃에서 반응이 30초 이내에 종료됨을 확인 하였다. 3) 메탄환원, 물 분해 그리고 공기산화반응에 대한 반응차수를 얻을 수 있었고 메탄환원 219, 물 분해 238 그리고 공기산화 20kJ/mol의 활성화에너지 값을 얻을 수 있었다. 4) 각 반응이 종료된 후 XRD 분석을 통하여 메탄환원(Fe2O3→Fe), 물 분해(Fe→Fe3O4) 그리고 공기산화(Fe3O4→Fe2O3)의 상변화를 확인 할 수 있었다. 따라서 Fe2O3(30 wt.%)/ZrO2가 환원, 물분해 그리고 공기산화의 cycle을 통해 원래의 산 화가로 복원됨을 알 수 있었다.
	TRCL 공정이란?	TRCL 공정은 환경적으로 문제가 되는 CO2를 별도의 분리공정 없이 공정 내에서 수소와 분리하여 포집할 수 있는 공정이다. TRCL 공정은 연료반응기, 수증기반응기, 공기반응기 3개의 반응기로 구성되어 있다.

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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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