[논문]금속담지 활성알루미나 촉매의 암모니아 저온연소반응

임윤희; 이주열; 박병현

doi:10.12925/jkocs.2013.30.3.371

금속담지 활성알루미나 촉매의 암모니아 저온연소반응
Catalytic Oxidation of Ammonia over Metal Supported on Alumina at Low Temperature 원문보기

한국유화학회지 = Journal of oil & applied science, v.30 no.3, 2013년, pp.371 - 379

임윤희 (경희대학교 환경응용과학과) , 이주열 (경희대학교 환경응용과학과) , 박병현 ((주)애니텍 기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to improve the selective oxidation reaction of gaseous ammonia at a low temperature, various types of metal-impregnated activated alumina were prepared, and also physical and chemical properties of the conversion of ammonia were determined. Both types of metal (Cu, Ag) impregnated activated alumina show high conversion rate of ammonia at high temperature (over $300^{\circ}C$). However, at lower temperature ($200^{\circ}C$), Ag-impregnated catalyst shows the highest conversion rate (93%). In addition, the effects of lattice oxygen of the developed catalyst was studied. Ce-impregnated catalyst showed higher conversion rate than commercial alumina, but also showed lower conversion rate than Ag-impregnated sample. Moreover, 5 vol.% of Ag activation under hydrogen shows the highest conversion rate result. Finally, through high conversion at low temperature, it was considered that the production of NO and $NO_2$, toxic by-products, were effectively inhibited.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 저온 (200 ℃ 이하) 에서 대표적인 악취물질인 암모니아 가스의 암모니아 전환율을 최대화하는 동시에, 고온에서 암모니아 분해시 발생하는 부생성물인 NO와 NO₂와 같은 유해성분의 발생을 최소화하고자 하였다. 담지금속 (Ag, Cu) 종류와 함침농도 (1∼15 wt.
본 연구는 지정악취물질인 암모니아를 저온영역에서 분해할 수 있는 금속담지 활성알루미나 촉매 개발과 동시에 부산물인 질소산화물의 생성을 최소화하고자 하는데 목적을 두고 있다.
본 연구에서는 반도체 공장, 비료공장, 인쇄시설 및 주물공장과 축산시설 등에서 발생하는 대표적인 악취물질인 암모니아 가스의 낮은 온도범위에서의 분해효율을 향상하고 이에 따른 질소산화물로의 전환을 최소화하기 위하여 산화알루미나와 이를 개질한 금속담지 활성알루미나의 기초적인 물성을 평가하고, 각 분해온도에 따른 전환률을 비교, 분석하여 개발된 암모니아 저온 분해 촉매에 대한 적용 가능성에 대해 제시하고자 하였다.

제안 방법

5∼90°, 주사속도는 6°/min으로 측정하였다. SEM (Stereoscan 440, Leica Cambridge)과 XPS(Thermo scientific K-Alpha) 분석을 통해 금속 담지에 의한 활성알루미나 표면형태 및 조성변화를 관찰하였다. XPS 측정에 사용된 X선 광원은 Al K-α이며, 10-11 mbar의 챔버 운전압력에서 분석을 진행하였다.
제조된 금속담지 알루미나 촉매의 활성을 평가하기 위한 실험실 규모의 직경 5.5 cm, 길이 50 cm의 스테인리스강의 반응기를 Fig. 2와 같이 ball-type의 촉매를 충진할 수 있는 평형류의 반응기를 제작하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 지지체인 Activated Alumina는 2mm의 ball-type 형태이며, 금속물질인 Copper(Ⅱ) nitrate (Cu(NO₃)₂, Silver nitrate(AgNO₃), Cerium (Ⅲ) nitrate hexahydrate(CeN₃O₉·6H₂O)를 과잉용액함침법 (excess wet impregnation method)으로 담지하여 분산하였다. Fig.
실험에 사용된 암모니아는 암모니아수 (Ammonia solution, 28∼30%)를 이용하였으며, 혼합가스로 공기 (Air, 99.99%)를 사용하였다. 공급되는 암모니아는 pyrex 재질의 밀폐된 둥근 플라스크에 주입한 후 고순도 Air를 미세하게 흘려 보내 주어 암모니아 용액을 bubbling 시켜준 후 Line Mixer (SUS304, 15A, 20L)를 통하여 압축공기와 일정하게 혼합되도록 하였다.

이론/모형

또한 촉매제의 격자산소 증가에 따른 영향도 확인하였다. 촉매제의 비표면적 및 기공특성을 분석하기 위하여 질소 흡·탈착법을 이용한 BET 측정기(BEL SORP-mini Ⅱ, Japan)를 사용하였다. 금속담지에 의한 활성알루미나의 화학적 결정 구조는 XRD (Rigaku Inst.

성능/효과

% H₂, Air)에 따라 제조된 촉매제의 물리적 특성과 암모니아 전환율 및 부생성물의 발생량을 확인하였다. 그 결과 10 wt.%의 Ag를 5 vol.% H₂, 500 ℃의 환원분위기에서 활성화한 Ag (10)-AO가 200 ℃에서 93.2%의 우수한 암모니아 전환율과 낮은 질소산화물의 생성정도를 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	암모니아를 포함하는 배기가스의 경우 유해성이 높은 까닭은?	또한 암모니아를 포함하는 배기가스의 경우 가연성, 유해성인 점에서 대기 중에 그대로 방출시 그 위험성이나 유해성이 높다. 특히 먼지와 같은 입자에 흡착되어 폐의 심부까지 도달하게 되며, 호흡기, 순화기 및 소화기계통에 영향을 미치며, 수면장애를 유발하게 된다. 고농도의 경우 두통, 구토, 식용부진과 같은 증상을 유발하기도 한다 [2, 3]. 암모니아 처리 방법으로는 생물학적 처리, 흡착, 열 소각, 세정처리 및 촉매를 이용한 처리방법이 있다.
	암모니아 가스의 특성은?	특히, 암모니아를 함유하고 있는 폐수의 경우 부영양화 등 심각한 오염을 일으키는 물질로 환경규제가 점점 엄격해지고 있다. 암모니아 가스는 물에 대한 친화성이 높으며, 비강의 습한 표면에 닿게 되면 자극을 준다 [1]. 또한 암모니아를 포함하는 배기가스의 경우 가연성, 유해성인 점에서 대기 중에 그대로 방출시 그 위험성이나 유해성이 높다.
	암모니아 처리 방법은 무엇이 있는가?	고농도의 경우 두통, 구토, 식용부진과 같은 증상을 유발하기도 한다 [2, 3]. 암모니아 처리 방법으로는 생물학적 처리, 흡착, 열 소각, 세정처리 및 촉매를 이용한 처리방법이 있다. 생물학적 처리방법의 경우 처리용량과 미생물의 관리가 매우 어려우며, 흡착제를 이용한 흡착처리는 흡착제의 재생교환 및 폐 흡착제 처리가 문제가 되고 있다.

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