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문제 정의
- 본 연구는 건물의 환기에 의해 발생하는 에너지 비용을 최소화하기 위하여 실내공기질의 오염도 척도 기준이 되는 이산화탄소 농도를 제어할 수 있는 지능형 환기시스템을 개발하고자 한다. 이에 주요 요소기술인 저농도 이산화탄소 (2,000 & 5,000 ppm)를 제거하기 위해 개발한 흡착제의 흡착성능을 비교, 평가하였다.
- 본 연구에서는 앞서 설명한 바와 같이 건물의 에너지 효율 향상을 위한 지능형 환기시스템(smart ventilation system) 적용하고자 하며, 주요 요소기술인 이산화탄소 흡착제 및 흡착모듈개발을 통해 실내의 이산화탄소를 저감함으로써 환기횟수를 줄여 에너지 사용량을 최소화하고자하였다. 즉, 저농도 이산화탄소에 대한 흡착성능 향상을 위하여 알칼리 금속을 선정하였으며, 3종류의 상용 흡착제를 이용하여 제조한 흡착제의 물성 및 흡착능 평가를 통해 비교, 분석하였다.
- 본 연구에서는 환기에 의한 에너지 비용을 최소화하기 위한 지능형 환기시스템의 요소기술인 이산화탄소 흡착제 성능향상을 위한 흡착제 제조 및 흡착성능 평가와 덕트 내 적용을 위한 필터모듈의 개발에 관한 것이다.
제안 방법
- Fig. 2와 같이 제조된 흡착제의 성능평가를 위하여 부피 1L의 컬럼을 이용하여 이산화탄소의 흡착곡선 및 흡착량을 확인하였다. 이산화탄소 실내 저농도인 2,000 ppm (혼합가스: N2)을 기준으로 조절하여 초기 농도를 유지한 다음, 흡착제(30g)가 충진된 컬럼을 통과함으로써 흡착에 의한 이산화탄소 농도변화를 CO2 analyzer(SenseAir, NDIR 방식)를 이용하여 실시간으로 측정하였다.
- 흡착성능이 확보된 흡착제의 지능형 스마트환기 요소기술로 300×300 mm의 덕트에 설치하기 위하여 제작된 필터형태 아크릴모듈 내의 흡착층 높이 산정을 위하여 흡착제가 채워진 높이별 차압실험을 진행하였다. 또한 선정된 흡착층 높이로 채워진 흡착제 필터모듈을 부피 4 m3의 챔버에 전열교환기와 연결된 덕트에 장착하여 회분식 실험을 통해 제거율을 확인하였다. 이때 챔버 내 이산화탄소 농도는 5,000 ppm으로 유지한 다음 전열교환기를 가동하였으며, 전열교환기 단수별(유속) 이산화탄소농도 저감 패턴을 비분산적외선법을 적용한 이산화탄소 전용 분석기를 사용하여 측정하였다.
- 또한 화학적 결정 구조는 XRD (Rigaku Inst., JP/MAX-2500H)를 통해 분석하였고, 측정조건은 40 kV, 40 mA 출력으로 2θ 범위 10∼60°,주사속도는 6°/min으로 측정하였다.
- 미세한 분말형태의 시료를 일정비율의 바인더와 물을 이용하여 혼합 및 반죽과정을 거친 후, ball (2∼4mm) 형태로 빚은 후 2단계 (50-100 ℃) 건조 과정을 통해 흡착제를 제조하였다 [9,10].
- 9는 각 흡착층에서 시간변화에 따른 흡착능이다. 선정된 최적의 흡착제 및 이를 충진한 흡착필터 모듈의 성능평가를 위하여 회분식 즉, 4 m3의 챔버 내 덕트 및 전열교환기를 설치한 후전열교환기 유속에 따른 이산화탄소 제거정도를 확인한 것이다. 유속 (단수 강도)이 증가할수록 파과점에 도달하는 시간이 단축되는 것을 확인할 수 있었으며, 각 단수별 1시간 내로 이산화탄소농도가 560 ppm까지 저감되었다.
- 또한 선정된 흡착층 높이로 채워진 흡착제 필터모듈을 부피 4 m3의 챔버에 전열교환기와 연결된 덕트에 장착하여 회분식 실험을 통해 제거율을 확인하였다. 이때 챔버 내 이산화탄소 농도는 5,000 ppm으로 유지한 다음 전열교환기를 가동하였으며, 전열교환기 단수별(유속) 이산화탄소농도 저감 패턴을 비분산적외선법을 적용한 이산화탄소 전용 분석기를 사용하여 측정하였다. Fig.
- 2와 같이 제조된 흡착제의 성능평가를 위하여 부피 1L의 컬럼을 이용하여 이산화탄소의 흡착곡선 및 흡착량을 확인하였다. 이산화탄소 실내 저농도인 2,000 ppm (혼합가스: N2)을 기준으로 조절하여 초기 농도를 유지한 다음, 흡착제(30g)가 충진된 컬럼을 통과함으로써 흡착에 의한 이산화탄소 농도변화를 CO2 analyzer(SenseAir, NDIR 방식)를 이용하여 실시간으로 측정하였다.
- 이에 주요 요소기술인 저농도 이산화탄소 (2,000 & 5,000 ppm)를 제거하기 위해 개발한 흡착제의 흡착성능을 비교, 평가하였다.
- 본 연구에서는 앞서 설명한 바와 같이 건물의 에너지 효율 향상을 위한 지능형 환기시스템(smart ventilation system) 적용하고자 하며, 주요 요소기술인 이산화탄소 흡착제 및 흡착모듈개발을 통해 실내의 이산화탄소를 저감함으로써 환기횟수를 줄여 에너지 사용량을 최소화하고자하였다. 즉, 저농도 이산화탄소에 대한 흡착성능 향상을 위하여 알칼리 금속을 선정하였으며, 3종류의 상용 흡착제를 이용하여 제조한 흡착제의 물성 및 흡착능 평가를 통해 비교, 분석하였다.
- 흡착성능이 확보된 흡착제의 지능형 스마트환기 요소기술로 300×300 mm의 덕트에 설치하기 위하여 제작된 필터형태 아크릴모듈 내의 흡착층 높이 산정을 위하여 흡착제가 채워진 높이별 차압실험을 진행하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 지지체인 제올라이트 13X(UOP, 2mm)와 흡착제 강도 및 물리적 특성 향상을 위한 첨가제인 산화알루미나 (UOP, 2mm)및 활성탄 (Cargon, pellet type)은 그라인더를 이용하여 powder 형태로 분쇄하여 사용하였다. 이산화탄소에 대한 흡착선택도 향상을 위한 주요 알칼리 물질인 LiOH (LiOH·H2O, Daejung)는 단계별 (3 step : 50-110-300 ℃)로 일정시간(3h) 건조 및 소성 후 그라인더를 사용하여 powder 형태로 분쇄하였다.
- 5m/s) 차압시험 결과이다. 아크릴 필터에 10 mm 에서 최대 60 mm의 흡착제를 채운 후 유속에 따른 차압시험 결과 2 m/s에서 20 mm H2O의 압력손실 유지를 목표로 하기 때문에 흡착층 높이는 30 mm로 선정하였다.
이론/모형
- 제조된 흡착제의 비표면적 및 기공특성을 분석하기 위하여 질소 흡·탈착법을 이용한 BET 측정기 (BEL SORP-mini Ⅱ, Japan)를 사용하였다.
성능/효과
- Table 2는 첨가물질인 상용 흡착제와 제조된 흡착제의 흡착량을 산정한 것으로 파과곡선 그래프에서도 확인한 바, 상용 흡착제의 경우 1시간내로 포화되는 것을 확인할 수 있다. 또한 활성탄의 경우 문헌연구와 같이 이산화탄소에 대한선택도가 매우 낮으며, 산화알루미나가 0.057mmol/g으로 세 흡착제 중 가장 우수한 흡착량을 보여주었다. 또한 기존 흡착제(AEC-01)의 경우 5.
- 7%이상 향상된 것을 확인할 수 있었다. 또한 흡착제의 내구성 및 수명향상을 위해 첨가한 첨가제의 추가 및 혼합비율조건에 따라 1시간 기준 흡착량을 산정한 결과 AEC-06의 경우 AEC-01 대비 약 0.4% 향상된 것을 확인할 수 있었다.
- 057(RAO) mmol/g으로 매우 낮은 흡착량을 보여주었다. 반면 제조된 흡착제의 경우 1시간의 운전시간을 기준으로 흡착량을 산정한 결과, 기존 흡착제 제조 비율을 이용하여 제조한 흡착제(AEC-01, 0.173 mmol/g)에 비해, AEC-02와12를 제외하고는 최대 1.4% (AEC-06, 0.238mmol/g)의 흡착량 향상을 확인할 수 있었다.
- 저농도 이산화탄소를 선택적으로 포집하기 위한 주요물질인 LiOH와 제올라이트 13X, 바인더를 일정비율로 혼합하여 제조한 기존 흡착제(AEC-01)의 경우 초기 907 ppm까지 떨어졌다. 새롭게 제조된 흡착제(AEC-02,03,04,06,07,11,12)는 기존 흡착제인 AEC-01의 흡착 성능개선을 위하여 산화알루미나와 활성탄을 일정비율로 첨가하여 제조한 흡착제로, 02와 12를 제외하고는 이산화탄소 포집에 의한 초기 농도가 900 ppm이하로 흡착성능이 향상된 것을 확인할 수 있었다. 이는 XRD 결과에서도 나타났듯이, 결정구조가 주요물질인 LiOH구조를 유지함으로써 저농도 이산화탄소에 대한 화학적 흡착을 유도함으로써 흡착효율을 향상시킨 것으로 사료된다.
- 선정된 최적의 흡착제를 지능형 환기시스템에 적용하기 위해 300×300 mm의 덕트 내 장착하기 위하여 풍동시험 장치를 이용하여 2 m/s의 유속에서 20 mm H2O의 압력손실을 유지하는 흡착제 충진층 높이를 산정한 결과, 30 mm가 가장 적합하였다.
- 선정된 최적의 흡착제 및 이를 충진한 흡착필터 모듈의 성능평가를 위하여 회분식 즉, 4 m3의 챔버 내 덕트 및 전열교환기를 설치한 후전열교환기 유속에 따른 이산화탄소 제거정도를 확인한 것이다. 유속 (단수 강도)이 증가할수록 파과점에 도달하는 시간이 단축되는 것을 확인할 수 있었으며, 각 단수별 1시간 내로 이산화탄소농도가 560 ppm까지 저감되었다. 즉, 초기 5,000 ppm의 이산화탄소의 회분식 시험 결과 88.
- O의 압력손실을 유지하는 흡착제 충진층 높이를 산정한 결과, 30 mm가 가장 적합하였다. 이를 통해 제조된 흡착제가 충진된 필터 모듈의 회분식의 챔버 실험을 통해 이산화탄소 제거효율을 확인한 결과 전열교환기 단수 즉, 유속에 상관없이 1시간 이내로 88.8 % 의 제거효율을 확보하였다.
- 이는 활성탄 표면의 산화물 그룹으로 약산성인 이산화탄소와의 산-염기 결합을 유도할 수 있는 흡착점이 극히 적음으로써 이산화탄소에 대한 선택도가 매우 낮은 것으로 판단된다 [14,15]. 이산화탄소 초기 농도 변화, 즉 파과점(breakthrough point)에서의 농도는 제올라이트는 1200 ppm, 산화알루미나의 경우 700 ppm까지 저감되는 것을 확인할 수 있었다. 저농도 이산화탄소를 선택적으로 포집하기 위한 주요물질인 LiOH와 제올라이트 13X, 바인더를 일정비율로 혼합하여 제조한 기존 흡착제(AEC-01)의 경우 초기 907 ppm까지 떨어졌다.
- 전반적으로, 제조된 흡착제는 상용흡착제에 비해 비표면적은 낮고 기공직경이 10∼100 nm로 물리적 흡착점보다 화학적 흡착점이 차지하는 비율이 더 높은 것으로 분석되었다.
- 유속 (단수 강도)이 증가할수록 파과점에 도달하는 시간이 단축되는 것을 확인할 수 있었으며, 각 단수별 1시간 내로 이산화탄소농도가 560 ppm까지 저감되었다. 즉, 초기 5,000 ppm의 이산화탄소의 회분식 시험 결과 88.8%의 제거율을 확보하였다.
- 챔버 시험에 적용한 전열교환기의 단수별(5∼35단) 유속을 측정한 것으로 2 m/s에서 7.2m/s의 유속을 확인할 수 있었다.
- 첨가물질로 사용한 상용 흡착제 (R13X, RAO, RAC) 및 제조된 흡착제의 성능평가를 위한 컬럼시험 결과, 상용 흡착제의 경우, 1시간 내 포화되었으며, 0.002 (RAC), 0.017 (R13X), 0.057(RAO) mmol/g으로 매우 낮은 흡착량을 보여주었다. 반면 제조된 흡착제의 경우 1시간의 운전시간을 기준으로 흡착량을 산정한 결과, 기존 흡착제 제조 비율을 이용하여 제조한 흡착제(AEC-01, 0.
- 상용 산화알루미나와 활성탄은 비결정구조로 피크가 나타나지 않는 것을 확인할 수 있다. 첨가제 종류 및 혼합비율에 따라 피크의 강도 및 형태의 차이가 미세하게 나타나나 전체적으로 주요성분인 LiOH의 결정구조를 유지하는 것으로 분석되었다.
- 6은 흡착제의 반응시간에 따른 흡착능을 나타내었다. 흡착제 별 이산화탄소 흡착에 따른 파과곡선(breakthrough curve)으로 첨가물질인 상용 제올라이트 (R13X), 산화알루미나 (RAO),활성탄 (RAC)을 시험한 결과 활성탄의 경우 저농도 이산화탄소에 대한 선택도가 거의 없으며, 빠른 시간내 포화되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 활성탄 표면의 산화물 그룹으로 약산성인 이산화탄소와의 산-염기 결합을 유도할 수 있는 흡착점이 극히 적음으로써 이산화탄소에 대한 선택도가 매우 낮은 것으로 판단된다 [14,15].
- Table 1은 제조된 흡착제의 성질을 나타내었다. 흡착제의 비표면적 및 체적과 기공의 크기를 분석한 결과로, 제조된 흡착제의 경우 비표면적이 매우 낮은 것으로 분석되었다. 저농도 이산화탄소에 대한 선택도 확보를 위한 화학적 흡착점 향상물질로 염기도가 우수한 LiOH를 주요물질로 선정하고, 이에 첨가물질을 혼합, 반죽한 다음 수작업을 통한 ball 타입으로 제조하는 과정에서 외부적인 힘과 첨가제의 비율이 LiOH에 비해 매우적은 양만 들어감으로써 첨가물질로 사용된 상용흡착소재(제올라이트, 산화알루미나, 활성탄)보다 낮은 비표면적 값을 나타낸 것으로 사료된다.
후속연구
- 또한, 건축법상 건물의 창을 15° 이상 열수 없게 되어서 환기 또한 어려운 현실에 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 임의적인 개별 환기설비를 적용하여 적정 실내온도를 유지하면서 실내공기질에 대한 개선을 유도하고 있으나, 여름철 및 겨울철의 냉난방기 가동시 외부온도차에 의해 환기 시 에너지 손실 및 일정온도 유지를 위한 추가 비용을 유발시킴으로써 에너지 비용을 최소화할 수 있는 고효율 공조시스템의 개발이 필요하다. 이와 더불어 현대 도시인들은 하루 일과의 90% 이상을 실내에서 생활함으로써 실내공기질에 대한 관리기준이 강화되고 있다 [1,2,3].
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