[논문]광미(鑛尾)를 활용(活用)한 다공성 세라믹 비드 제조(製造) 및 촉매(觸媒) 변환기(變換機)로의 응용(應用)

서준형; 김성민; 한요셉; 김유득; 이준한; 박재구

doi:10.7844/kirr.2013.22.4.38

광미(鑛尾)를 활용(活用)한 다공성 세라믹 비드 제조(製造) 및 촉매(觸媒) 변환기(變換機)로의 응용(應用)
Preparation of Porous Ceramic Bead using Mine Tailings and Its Applications to Catalytic Converter 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.22 no.4, 2013년, pp.38 - 45

서준형 (한양대학교 자원환경공학과) , 김성민 (한양대학교 자원환경공학과) , 한요셉 (한양대학교 자원환경공학과) , 김유득 (한양대학교 자원환경공학과) , 이준한 (한양대학교 자원환경공학과) , 박재구 (한양대학교 자원환경공학과)

초록
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광미를 이용하여 다공성 세라믹 비드를 제조한 후 NOx/SOx 제거용 촉매 변환기로 응용하였다. 변환기 표면에 코팅처리된 촉매 지지체는 합성한 메조포러스 실리카(SBA-15)를 사용하였다. 다공성 세라믹 변환기의 내부 구조는 기공과 기공이 서로 연결되어 있는 3차원 망상구조이며 기공율은 80%로 나타났다. 또한, 촉매 변환기의 비표면적은 SBA-15 코팅 전 0.8 $m^2/g$에서 코팅처리 후에는 55 $m^2/g$으로 크게 증가하였다. NOx/SOx 제거 실험은 다공성 세라믹 촉매 변환기 표면에 $V_2O_5$와 $V_2O_5$, CuO를 함께 담지한 것으로 실시하였다. NOx 전환율은 $V_2O_5$/CuO 변환기가 $V_2O_5$ 변환기에 비해 약 10% 정도 높게 나타났다. 또한, $V_2O_5$/CuO 변환기는 반응온도 $350^{\circ}C$, 공간속도 10000 $h^{-1}$, 산소농도 5%에서 NOx 95%, SOx 90% 이상의 전환율을 각각 나타냈다.

Abstract ▼ AI-Helper

The porous ceramic beads using mine tailing were prepared and applied to catalytic converter for NOx/SOx removal. Catalytic support was used synthesized mesoporous silica (SBA-15) which coated on surface. Internal structure for porous ceramic beads was composed of three-dimensional network structure and porosity was about 80%. In addition, the specific surface area for mesoporous silica(SBA-15) coated on converter was significantly increased 55 $m^2/g$ compared with 0.8 $m^2/g$ before coating. NOx/SOx removal experiment was performed using $V_2O_5$ and $V_2O_5$/CuO converter. NOx conversion ratio for $V_2O_5$/CuO converter was approximately increased 10% compared to $V_2O_5$ converter. In addition, catalytic converter of $V_2O_5$/CuO was shown to remove 95% of NOx and 90% of SOx at reaction temperature of $350^{\circ}C$, space velocity of 10000 $h^{-1}$ and $O_2$ concentrations of 5%, respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

^1-2) 따라서 광미와 같이 환경오염원이 되는 물질의 무해화 및 재활용은 환경학적 측면에서 매우 의미가 있다. 따라서 광미를 순환자원화 하기 위해 여러 방법이 모색되고 있으며 본 연구실에서도 광미를 출발원료로 한 메조포러스 실리카의 흡·방습 특성 평가를 연구하였다³⁾.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 광미를 활용하여 제조한 PCB 를 촉매 변환기로 응용하기 위해 직접 합성한 메조포러스 실리카(이하, SBA-15)를 표면 처리하여 NOx/SOx 동시제거 실험을 진행하였다.
촉매변환기 다공성 세라믹 비드는 발포 슬러리 제조, 겔-케스팅, 건조, 그리고 소성의 과정으로 제조하였다^13-17). 발포용 슬러리는 원료 광미를 평균입도 3 µm 이하로 습식분쇄한 후 분산제(Sodium hexametaphosphate, Duksan, Na(PO₃)₆)를 첨가하여 제조하였다.

대상 데이터

다공성 세라믹 비드 제조용 출발원료는 전라남도 해남군 금광에서 채취한 광산 부산물이다. 시료의 XRF 분석 결과, SiO₂ 84.
반응기 내부에 공급되는 가스관은 내경 25 mm, 길이는 300 mm인 석영관으로 되어 있다. 실험에 사용되는 가스는 NO 1000 ppm, NH₃ 1000 ppm, SO₂ 1000 ppm, O₂ 5%, 그리고 carrier gas로 N₂를 사용 하였다. 가스의 유량은 MFC(Mass Flow Controller, M.

이론/모형

%의 졸 용액으로 제조하였다. 진공함침 농축법(Vacuum evaporation impregnation method: VEI method)¹⁸⁾으로 지지체 표면에 SBA-15 졸을 함침시켰으며, 90^oC에서 24시간 동안 건조하였다.

성능/효과

1. 광미로 제조된 다공성 세라믹 비드는 NOx/SOx 제거용 촉매 변환기로 사용할 수 있는 것으로 나타났다.
4. V₂O₅/CuO 촉매 변환기의 NOx/SOx 전환율의경우, 반응온도 350^oC, 공간속도 10000 h−1 , 산소농도5 %에서 V₂O₅ 5 wt.%, CuO 10 wt.%로 담지했을 때 NOx 95%, SOx 90% 이상의 전환율을 각각 나타냈다.
3. V₂O₅/CuO 촉매 변환기의 경우, 350⁰C에서 약 95%의 NOx 전환율을 나타냈으며, 반응온도 300 ~350^oC 범위 내에서 V₂O₅ 변환기에 비해 약 10% 정도 높은 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 CuO가 V₂O₅/CuO 변환기 상에 코팅되면서 V₂O₅의 분산도를 증가시켜 NOx 전환율이 더 높아진 것이라 판단되었다.
2. 메조포러스 실리카 SBA-15로 코팅 처리한 촉매변환기의 비표면적은 55 m²/g로 매우 높게 나타났다. 이는 TEOS로 합성된 메조포러스 물질이 많은 실리케이트 이온 양의 응축 및 가수분해로 인해 메조기공이 발달하여 비표면적이 증가한 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	질소산화물(NOx)을 제거하는 방법으로 경제적으로 우수하다고 알려진 것은?	또한, 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 그리고 분진 등의 대기오염물질은 지구 온난화, 산성비, 오존층 파괴의 원인이 되고 있다4-6). 질소산화물(NOx)을 제거하는 방법으로는 암모니아, 우레아, 탄화수소 등의 환원제를 사용하는 선택적 촉매 환원법(SCR, Selective Catalytic Reduction)이 기술적, 경제적인 면에서 가장 우수하다고 알려져 있다.7-8) 한편, 황산화물(SOx)을 제거하는 방법은 석회석 슬러리를 이용한 습식 탈황공정이 널리 사용 되고 있으며 이외에 반건식법 혹은 활성탄을 이용한 건식법 등의 방법이 이용되고 있다9).
	선택적 촉매 환원법으로 질소산화물 제거시 보편적으로 쓰이는 변환기와 그 변환기의 단점은?	SCR 반응에 대해서는 TiO2를 담체로 하여 V2O5, WO3 또는 MoO3를 첨가한 촉매가 주로 사용되어 왔다. 이러한 질소산화물 제거에 사용되는 변환기는 내열성, 내구성이 있어야 하므로 하니컴형의 세라믹 변환기가 보편적으로 사용되고 있다10). 그러나 하니컴형 세라믹 변환기는 벌집모양의 구조로 제조단가가 높고 대부분 수입에 의존하고 있다. 또한, 열충격과 같은 이상연소현상에 의해 쉽게 파손되며 변환기의 장기적인 사용이 곤란한 실정이다.11)
	황산화물(SOx)을 제거하는 방법은?	질소산화물(NOx)을 제거하는 방법으로는 암모니아, 우레아, 탄화수소 등의 환원제를 사용하는 선택적 촉매 환원법(SCR, Selective Catalytic Reduction)이 기술적, 경제적인 면에서 가장 우수하다고 알려져 있다.7-8) 한편, 황산화물(SOx)을 제거하는 방법은 석회석 슬러리를 이용한 습식 탈황공정이 널리 사용 되고 있으며 이외에 반건식법 혹은 활성탄을 이용한 건식법 등의 방법이 이용되고 있다9). 그러나 이러한 질소산화물과 황산화물을 모두 제거하려면 설비가 복잡해지고 경제적으로도 바람직하지 못하기 때문에 이러한 문제점을 개선하여, 질소산화물과 황산화물을 동시에 제거하려는 노력이 진행되고 있다.

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저자의 다른 논문 :

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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