본 논문은 다양한 시설내에 적은 농도의 $CO_2$ 제거를 위한 선택적 $CO_2$ 흡수능력을 향상시킨 흡착제의 효율평가에 관한 것이다. 직경 4mm의 구형 흡착제는 시판용 제올라이트에 첨가제, 물, 바인더, LiOH를 섞어 제조하였다. 칼럼테스트에서 400분 이내에 90% 이상의 $CO_2$흡착효율을 나타내었고, 흡착필터모듈 흡착능력을 평가하기 위해 회분식과 연속식타입의 챔버테스트가 시행되었다. 회분식테스트에서 30분 이내에 약 92%의 $CO_2$가 제거되는 것을 확인하였다. 연속식테스트에서 30분 이내 70%의 $CO_2$가 제거효율을 보였으며, 2,500ppm 이상의 $CO_2$가 제거되는 것을 확인하였다. 재현성테스트를 수차례 수행한 결과 15일동안 1,000ppm 이상의 $CO_2$가 연속적으로 제거됨을 보였다. TGA 분석법을 이용한 흡착량 분석에서 흡착제 g당 5.0mmol의 $CO_2$를 흡착하는 것으로 나타났다. 본 연구에서 개발된 흡착제는 상온에서 저농도 $CO_2$ 실내환경에 적용가능한 것으로 판단된다.
본 논문은 다양한 시설내에 적은 농도의 $CO_2$ 제거를 위한 선택적 $CO_2$ 흡수능력을 향상시킨 흡착제의 효율평가에 관한 것이다. 직경 4mm의 구형 흡착제는 시판용 제올라이트에 첨가제, 물, 바인더, LiOH를 섞어 제조하였다. 칼럼테스트에서 400분 이내에 90% 이상의 $CO_2$흡착효율을 나타내었고, 흡착필터모듈 흡착능력을 평가하기 위해 회분식과 연속식타입의 챔버테스트가 시행되었다. 회분식테스트에서 30분 이내에 약 92%의 $CO_2$가 제거되는 것을 확인하였다. 연속식테스트에서 30분 이내 70%의 $CO_2$가 제거효율을 보였으며, 2,500ppm 이상의 $CO_2$가 제거되는 것을 확인하였다. 재현성테스트를 수차례 수행한 결과 15일동안 1,000ppm 이상의 $CO_2$가 연속적으로 제거됨을 보였다. TGA 분석법을 이용한 흡착량 분석에서 흡착제 g당 5.0mmol의 $CO_2$를 흡착하는 것으로 나타났다. 본 연구에서 개발된 흡착제는 상온에서 저농도 $CO_2$ 실내환경에 적용가능한 것으로 판단된다.
In this study, $CO_2$ adsorbent was developed for removing low concentration of $CO_2$ in multiple-use facilities. The efficiency of the adsorbent which was improved selective $CO_2$ adsorption capabilities was evaluated. The pellet type adsorbent was modified from a...
In this study, $CO_2$ adsorbent was developed for removing low concentration of $CO_2$ in multiple-use facilities. The efficiency of the adsorbent which was improved selective $CO_2$ adsorption capabilities was evaluated. The pellet type adsorbent was modified from a commercial zeolite with mixing LiOH, binder, additives, and $H_2O$. Column tests showed over 90 % of $CO_2$ was adsorbed within 400min. Chamber tests including batch and continuous types were performed for evaluating the adsorbent module. By batch tests, it was evaluated that about 92% of $CO_2$ was removed within 30 min. By continuous tests, 70% of $CO_2$ was removed within 30 min. It was analyzed that over 2,500 ppm of $CO_2$ was continuously removed as shown chamber tests. The reproducibility tests repeatedly performed for 15 days shows that over 1,000 ppm of $CO_2$ was continuously removed. Adsorption capacity of the developed adsorbent was 5.0mmol $CO_2/g$ adsorbent which was analyzed by TGA. It was estimated that the modified adsorbent was applicable to low $CO_2$ concentration and low temperature of indoor environment.
In this study, $CO_2$ adsorbent was developed for removing low concentration of $CO_2$ in multiple-use facilities. The efficiency of the adsorbent which was improved selective $CO_2$ adsorption capabilities was evaluated. The pellet type adsorbent was modified from a commercial zeolite with mixing LiOH, binder, additives, and $H_2O$. Column tests showed over 90 % of $CO_2$ was adsorbed within 400min. Chamber tests including batch and continuous types were performed for evaluating the adsorbent module. By batch tests, it was evaluated that about 92% of $CO_2$ was removed within 30 min. By continuous tests, 70% of $CO_2$ was removed within 30 min. It was analyzed that over 2,500 ppm of $CO_2$ was continuously removed as shown chamber tests. The reproducibility tests repeatedly performed for 15 days shows that over 1,000 ppm of $CO_2$ was continuously removed. Adsorption capacity of the developed adsorbent was 5.0mmol $CO_2/g$ adsorbent which was analyzed by TGA. It was estimated that the modified adsorbent was applicable to low $CO_2$ concentration and low temperature of indoor environment.
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문제 정의
본 연구는 실내환경에 노출된 저농도 이산화탄소를 제거하기 위한 방안으로서 이산화탄소의 선택적 흡착률을 향상시킨 흡착제를 개발하고 컬럼테스트와 챔버테스트에 의해 성능을 평가하였다. 흡착제는 제올라이트, LiOH, 바인더 및 물을 혼합하여 펠렛형태로 제조하였다.
본 연구에서 개발한 이산화탄소 흡착제의 성능을 평가하기 위하여 컬럼테스트를 실시하였다. 실험 절차는 Fig.
본 연구에서는 이산화탄소의 선택적 흡착능이 우수한 제올라이트를 기본 흡착제로 개질을 통해 밀폐된 실내 공간에서 배출되는 저농도 이산화탄소를 선택적으로 흡착하는 처리기술을 개발하여 에너지 소비가 적고 유지관리비용이 경제적일 뿐 아니라 쾌적한 실내환경을 유지하는 것을 목표로 하였다.
실험방법은 배치식 챔버테스트와 동일하며 1시간동안 실험을 한 뒤 CO2 filter module를 정지시킨 후 챔버문을 열고 자연상태에서 5시간동안 방치시키면서 1일 2회 반복실험을 하였다. 상기 실험방법은 도시철도차량 또는 광역버스와 같은 차량의 출퇴근 시간대의 이용객이 많은 혼잡 상황에서 발생하는 일시적인 이산화탄소 고농도 환경에서 흡착효율을 평가하기 위한 것이다.
6 %이다. 이 결과는 겨울철 다중이용시설의 실내공기 수준을 구현한 것으로서, 본 연구에서 개발한 흡착제의 실제 환경에 대한 적용 가능성을 평가하기 위한 것이다.
가설 설정
넷째, 1일 2회 반복테스트를 수행하여 측정결과에 대한 신뢰성을 확보한다. 챔버테스트 흡착효율 실험은 용량 4m3인 챔버에서 수행되었으며, 실험조건인 챔버 용적은 다중이용시설 중 철도차량에 대한 적용성을 가정하였으며, Fig. 5와 같이 도시철도차량 내부용적을 시뮬레이션하여 재산정한 값을 따른 것이다. 풍량은 0.
제안 방법
본 연구에서는 Fig. 8에 나타낸 바와 같이 330×260×30 mm 규격의 알루미늄 케이싱의 모듈을 제작하여 챔버테스트를 수행하였다.
흡착제 재료의 혼합비율에 따른 흡착성능을 평가하기 위하여 컬럼테스트를 실시하였다.
LiOH의 소성온도를 저온에서 고온으로 3단계 소성한 후 흡착제를 제조하여 소성온도에 따른 흡착성능을 평가하였다. 흡착비율은 Table 3에 제시한 바와 같이 소성온도는 다양한 조건으로 구성하였으며, 혼합비는 LiOH:zeolite:binder=70:25:5 조건으로 실험을 수행하였다.
개질된 S-4 흡착제의 CO2 흡착량을 측정하기 위해 열중량 분석(TGA)를 실시하였다. 5℃ /min로 온도를 상승시키도록 설정하고, 300℃까지 100분 동안 S-4를 가온시켜 탈착을 위한 전처리를 시행하였다.
셋째, 1시간 후 CO2 필터모듈을 정지시킨 후 챔버의 문을 열고 자연 상태에서 5시간 동안 방치한다. 넷째, 1일 2회 반복테스트를 수행하여 측정결과에 대한 신뢰성을 확보한다. 챔버테스트 흡착효율 실험은 용량 4m3인 챔버에서 수행되었으며, 실험조건인 챔버 용적은 다중이용시설 중 철도차량에 대한 적용성을 가정하였으며, Fig.
셋째, 일정 풍량을 유지하도록 하며 CO2 저감장치의 팬을 1시간동안 작동한다. 넷째, 비분산적외선법을 적용한 이산화탄소전용분석기를 사용해 초기농도와 1시간 후의 농도를 측정하여 비교분석하여 CO2 저감효율을 산정한다.
분석방법은 비분산적외선법을 사용하며 기기는 MultiRae IR을 사용하였다. 넷째, 흡착제의 이산화탄소 제거효율을 분석한다.
첫째, CO2 gas와 gas를 유량조절의 방식으로 혼합하여 CO2 농도를 5,000 ppm으로 유지한다. 둘째, CO2 농도를 5,000 ppm을 유지하도록 하며 CO2와 N2의 혼합가스를 흡착제가 충진 된 컬럼을 통과하도록 한다. 셋째, CO2 analyzer를 사용하여 이산화탄소 농도를 측정한다.
5L이다. 밀폐된 챔버 안에서 이산화탄소 초기농도를 4,000ppm에 맞춘 후 120분간 배치 테스트를 수행하였다. 실험결과는 Fig.
본 연구에서 개발한 흡착제의 장기간 지속성에 대한 신뢰도를 확인하기 위해 15일간 재현성실험을 실시하였다. 실험방법은 배치식 챔버테스트와 동일하며 1시간동안 실험을 한 뒤 CO2 filter module를 정지시킨 후 챔버문을 열고 자연상태에서 5시간동안 방치시키면서 1일 2회 반복실험을 하였다.
본 연구에서는 제올라이트의 선택적 이온교환 특성을 이용하여 제올라이트와 LiOH를 혼합해 개질하여 펠렛형태로 흡착제를 제조하였으며, 제조 방법은 다음 Fig. 1에 나타낸 순서로 진행하였다. 상용 제올라이트와 알카리 금속염인 LiOH는 그라인더를 사용하여 분쇄⋅혼합하였다.
성능평가는 컬럼테스트와 챔버테스를 수행하여 최적 흡착제를 개발하였다.
둘째, CO2 농도를 5,000 ppm을 유지하도록 하며 CO2와 N2의 혼합가스를 흡착제가 충진 된 컬럼을 통과하도록 한다. 셋째, CO2 analyzer를 사용하여 이산화탄소 농도를 측정한다. 분석방법은 비분산적외선법을 사용하며 기기는 MultiRae IR을 사용하였다.
본 연구에서 개발한 흡착제의 장기간 지속성에 대한 신뢰도를 확인하기 위해 15일간 재현성실험을 실시하였다. 실험방법은 배치식 챔버테스트와 동일하며 1시간동안 실험을 한 뒤 CO2 filter module를 정지시킨 후 챔버문을 열고 자연상태에서 5시간동안 방치시키면서 1일 2회 반복실험을 하였다. 상기 실험방법은 도시철도차량 또는 광역버스와 같은 차량의 출퇴근 시간대의 이용객이 많은 혼잡 상황에서 발생하는 일시적인 이산화탄소 고농도 환경에서 흡착효율을 평가하기 위한 것이다.
혼합기(5)에서 혼합된 가스는 흡착제가 충진 된 반응기(6)로 연속적으로 유입시켜준다. 유입된 가스는 흡착제가 충진된 컬럼을 통과하게 되고 컬럼 통과 전후의 이산화탄소 농도변화를 측정하여 흡착제 성능을 평가하였다. 이 실험은 비분산적외선법(NDIR)이 적용된 이산화탄소전용분석기(MultiRae IR)를 사용해 변화를 측정하였으며 초기 유입된 가스의 농도와 유출된 가스의 이산화탄소 농도 변화를 비교하였다.
4(b)와 같이 이 실험방법은 이산화탄소 4,000 ppm을 실험하는 동안 연속적으로 주입해주고 펌프를 사용하여 가스를 배출시키면서 실험을 수행하였다. 이 실험 방법 역시 비분산적외선법이 적용을 한 이산화탄소전용분석기를 사용해 초기농도와 30분 후의 농도를 측정하여 비교 분석 하였다.
유입된 가스는 흡착제가 충진된 컬럼을 통과하게 되고 컬럼 통과 전후의 이산화탄소 농도변화를 측정하여 흡착제 성능을 평가하였다. 이 실험은 비분산적외선법(NDIR)이 적용된 이산화탄소전용분석기(MultiRae IR)를 사용해 변화를 측정하였으며 초기 유입된 가스의 농도와 유출된 가스의 이산화탄소 농도 변화를 비교하였다.
최초 적용되는 제올라이트는 convection oven에 넣고 180℃까지 승온시킨다. 이와 같은 환경에 3시간 적용 후 대류열에 의해서 발생되는 자연압 및 공기 세정을 통해 내부의 이물질을 외부로 배출하였다. 건조 후 이물질과 수분이 제거된 제올라이트는 분쇄하여 미세입자의 파우더 형태로 제조한다.
챔버테스트는 배치형과 연속형으로 나누어 수행하였다. 본 실험에 사용된 챔버의 부피는 4 m3이며, 실험에 사용된 흡착제는 1.
5℃ /min로 온도를 상승시키도록 설정하고, 300℃까지 100분 동안 S-4를 가온시켜 탈착을 위한 전처리를 시행하였다. 초기 공기중에 방치된 흡착제 시료의 중량을 구하고 탈착처리 후의 흡착제 중량을 구한 후 탈착된 상태의 흡착제를 필터모듈에 장착하여 챔버테스트의 배치실험과 동일한 조건으로 60분간 CO2 흡착실험을 시행하였다. 분석에 사용된 TGA(thermogravimetry analyzer)는 SCINCO사의 TGA S-1000이다.
8에 나타낸 바와 같이 330×260×30 mm 규격의 알루미늄 케이싱의 모듈을 제작하여 챔버테스트를 수행하였다. 컬럼테스트에서 최고의 CO2 흡착능력을 보인 S-4 흡착제의 흡착효율을 평가하였다.
흡착제의 컬럼테스트 결과 400분 이내 90 % 이상의 흡착율을 나타내어 본 연구에서 개발한 흡착제의 최적 제조인자를 찾을 수 있었다. 흡착제 모듈의 성능테스트는 배치형과 연속형 챔버테스트 방법으로 실험하였다. 배치테스트 결과 30분 후 약 92 %의 제거효율을 보였으며 2시간 이내 93%의 효율을 유지하였다.
대상 데이터
0 mmol로 산정되었다. TGA 분석은 2010년 10월 20일 한서대학교 화학공학과 분석실험실에서 수행되었다.
챔버테스트는 배치형과 연속형으로 나누어 수행하였다. 본 실험에 사용된 챔버의 부피는 4 m3이며, 실험에 사용된 흡착제는 1.5L이다. 밀폐된 챔버 안에서 이산화탄소 초기농도를 4,000ppm에 맞춘 후 120분간 배치 테스트를 수행하였다.
초기 공기중에 방치된 흡착제 시료의 중량을 구하고 탈착처리 후의 흡착제 중량을 구한 후 탈착된 상태의 흡착제를 필터모듈에 장착하여 챔버테스트의 배치실험과 동일한 조건으로 60분간 CO2 흡착실험을 시행하였다. 분석에 사용된 TGA(thermogravimetry analyzer)는 SCINCO사의 TGA S-1000이다. TGA는 시료의 질량변화를 시간이나 온도의 함수로 측정하는 방법으로 질량의 감소를 가져오는 증발과 같은 분해/산화반응과 시료에 대한 탈착 등과 같은 물리적인 값을 측정하기위한 장비이다.
실험을 위해 제조된 흡착제는 제올라이트에 이온교환법을 적용하여 개질해 펠렛 형태로 제조된 것이며, 펠렛의 크기는 직경은 약 4 mm 정도이다.
제올라이트는 Al2O3와 SiO2 사면체로 구성된 삼차원 입체구조이며 내부의 열린 pore와 channel로 구성되어있고, 구형의 시료 크기는 2 mm∼5 mm이다[11].
이론/모형
셋째, CO2 analyzer를 사용하여 이산화탄소 농도를 측정한다. 분석방법은 비분산적외선법을 사용하며 기기는 MultiRae IR을 사용하였다. 넷째, 흡착제의 이산화탄소 제거효율을 분석한다.
성능/효과
S-6는 200분 까지 S-5와 유사한 흡착효율을 보였으나 400분 이내 82% 효율을 보인 후 유지되는 경향을 보였다. 3단계 소성온도에 따른 흡착효율 시험에서는 50℃-110℃-300℃ 소성한 LiOH로 제조한 흡착제 S-4의 흡착성능이 가장 우수함을 확인하였다.
흡착제 모듈의 성능테스트는 배치형과 연속형 챔버테스트 방법으로 실험하였다. 배치테스트 결과 30분 후 약 92 %의 제거효율을 보였으며 2시간 이내 93%의 효율을 유지하였다. 연속실험의 결과 30분 이내 70% 이상의 흡착효율을 평가할 수 있었다.
연속실험의 결과 30분 이내 70% 이상의 흡착효율을 평가할 수 있었다. 본 연구에서 개발한 흡착제의 지속성에 관한 신뢰도를 확인하기 위하여 15일 동안 재현성 테스트를 실시한 결과 지속적으로 1,000 ppm이상 제거효율이 있는 것으로 분석되었으며, TGA 분석법을 이용한 흡착량 분석에서 5.0mmol/g으로 평가되어 상온 실내 다중이용시설의 저농도 이산화탄소 저감을 목적으로 적용성이 있는 것으로 판단되었다.
제올라이트의 구조 단위인 (Si, Al)O4 사면체 내에서 Si-4의 일부가 Al-3로 치환됨으로써 발생하는 전하결손을 보상하기 위하여 양이온들이 구조 내에 개입된다[12]. 본 연구에서 금속이온으로 사용한 LiOH는 대기중에 노출이 되면 대기중의 이산화탄소 일부를 분말에 흡착 고정화 시킬 정도로 이산화탄소의 흡착, 고정화로부터 선택성이 매우 우수하다.
S-3은 200분 이후 약 60%의 흡착효율을 지속적으로 유지하는 형태를 나타내었다. 상기 컬럼테스트에서 흡착비율 LiOH:zeolite:binder=70:25:5일 때 흡착효율이 가장 높은 것을 확인하였다.
밀폐된 챔버 안에서 이산화탄소 초기농도를 4,000ppm에 맞춘 후 120분간 배치 테스트를 수행하였다. 실험결과는 Fig. 9(a)에 제시된 바와 같이 30분 이내 4,068ppm의 CO2 농도가 312ppm으로 저감되어 92%의 효율을 보였으며, 60분 이내 270ppm으로 저감되어 93%의 효율을 보였다. 이후 120분까지 93%의 효율을 유지하였다.
배치테스트 결과 30분 후 약 92 %의 제거효율을 보였으며 2시간 이내 93%의 효율을 유지하였다. 연속실험의 결과 30분 이내 70% 이상의 흡착효율을 평가할 수 있었다. 본 연구에서 개발한 흡착제의 지속성에 관한 신뢰도를 확인하기 위하여 15일 동안 재현성 테스트를 실시한 결과 지속적으로 1,000 ppm이상 제거효율이 있는 것으로 분석되었으며, TGA 분석법을 이용한 흡착량 분석에서 5.
실험은 다음과 같은 절차로 수행되었다. 첫째, 챔버 내부 이산화탄소 농도를 4,000 ppm으로 유지한다. 컬럼테스트의 농도유지 방법과 동일하게 CO2 gas와 N2 gas를 유량조절의 방식으로 혼합하여 CO2 농도를 유지한다.
초기 CO2 농도 4,000 ppm은 5일까지 약 2,500 ∼3,000ppm까지 감소하였고 6일 이후 15일까지 약 3,000 ppm 전후로 측정되어 15일간 실험을 수행한 결과 지속적으로 1,000 ppm 저감능력이 있는 것을 보여준다.
실험용 챔버 내 환경조건에 대한 모니터링 결과는 Table 4에 정리된 바와 같다. 측정은 25일간 실시되었으며 데이터 분석결과 오전 평균 온도 13.8℃, 습도 20.8 %, 오후 평균 온도 23. 2℃, 습도 18.
흡착제는 제올라이트, LiOH, 바인더 및 물을 혼합하여 펠렛형태로 제조하였다. 흡착제의 컬럼테스트 결과 400분 이내 90 % 이상의 흡착율을 나타내어 본 연구에서 개발한 흡착제의 최적 제조인자를 찾을 수 있었다. 흡착제 모듈의 성능테스트는 배치형과 연속형 챔버테스트 방법으로 실험하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이산화탄소는 무엇의 기준이 되는 물질인가?
일반적으로 이산화탄소(CO2)는 실내공기질과 환기상태를 점검하는 기준척도가 되는 기체상 물질로 실내공간에서 이산화탄소의 농도가 증가하면 호흡에 필요한 산소의 농도가 상대적으로 부족하게 되므로 인체에 악영향을 미치게 되어 일산화탄소(CO)와 함께 중요한 실내공기 오염물질 중 하나로 분류되고 있으며, 실내오염의 주요 지표로 사용된다[3, 4]. 이산화탄소의 대기분포는 0.
펠렛형태로 제작한 흡착제의 컬럼테스트 결과는?
흡착제는 제올라이트, LiOH, 바인더 및 물을 혼합하여 펠렛형태로 제조하였다. 흡착제의 컬럼테스트 결과 400분 이내 90 % 이상의 흡착율을 나타내어 본 연구에서 개발한 흡착제의 최적 제조인자를 찾을 수 있었다. 흡착제 모듈의 성능테스트는 배치형과 연속형 챔버테스트 방법으로 실험하였다.
산업혁명 이후 이산화탄소의 대기분포농도는?
이산화탄소의 대기분포는 0.03 %이나 산업혁명 이후 급속히 증가하여 1960년 320 ppm에서 2010년 390 ppm을 초과하였으며 실내에서의 환기조건은 미국에서는 2,000 ppm, 우리나라와 일본은 1,000 ppm이하를 권장하고 있다[5, 6]. 실내공기 중의 이산화탄소는 사람의 호흡에 의해 주로 배출되지만 부엌에서 요리 시에도 발생하는 대기배출물로서 대기 중의 이산화탄소는 대기의 자정작용에 의해 희석되거나 제거되지만, 실내공기환경에서는 환기장치를 설치하거나 또는 공기정화기와 같은 별도의 제거장치를 하지 않고는 저절로 없어지지 않는다.
참고문헌 (12)
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Ministry of Environment, Guideline of Indoor Air Auality (http://www.me.go.kr/).
C. S. Sim, Sink Analysis with Satellite Sensing for Exploring Global Atmospheric $CO_2$ Distributions, Kor. Environ. Institute (2010).
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Y. Zou, M. Vera, and A. E. Rodrigues, Adsorption of Carbon Dioxide at High Temperature-a Review, Separation and Purification Technology, 26, 195 (2002).
K. M. Lee and Y. M. Jo, Ambient Adsorption of Low-level Carbon Dioxide by Metal Treated Activated Carbon, Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, 4, 316 (2009).
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J. M. Goo, The Study on Adsorption/Desorption Characteristics and the Development of Optimized Adsorbent Manufacturing Process for $CO_2$ Selective Adsorption in Waste Synthesis Gas Ingredient, Master Thesis, A-Jou University (2011).
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