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마이크로웨이브 조사에 따른 산화알루미늄이 함유된 실리콘카바이드의 SF6 제거
Removal of SF6 over Silicon Carbide with Aluminium Oxide by Microwave Irradiation 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.35 no.4, 2013년, pp.240 - 246  

최 성 우 (계명대학교 환경과학과)

초록
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$SF_6$지구온난화지수가 가장 높은 중요한 온실가스이다. 본 연구에서는 마이크로파 조사에 따른 산화알루미늄이 혼합된 실리콘카바이드의 SF6 제거실험을 실시하였다. DRE (Decomposition and Removal Efficiencies)실험은 3,000 ppm의 $SF_6$를 사용하여 GC-TCD를 통하여 분석하였다. 산화알루미늄의 함량이 10~30 wt%까지 $SF_6$의 제거효율은 증가하였으나 산화알루미늄의 함량이 40~50 wt%에서 제거효율이 감소하였다. 특히 $900^{\circ}C$ 이상 에서 SiC-$Al_2O_3$ (20 wt%)와 SiC-$Al_2O_3$ (30 wt%)는 99.99%의 $SF_6$ 제거효율을 보여주었으며 SiC-$Al_2O_3$ (30 wt%)가 $700^{\circ}C$에서 96.72%의 제거효율을 보여주었다. 마이크로파 조사량과 산화알루미늄의 함량을 고려시 SiC-$Al_2O_3$ (30 wt%)가 $SF_6$ 제거에 가장 적절하였다. 본 연구의 결과로 마이크로파에 의한 $SF_6$ 제거시 SiC에 $Al_2O_3$의 함량 조절이 중요할 것으로 사료되어진다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

$SF_6$ is the most important greenhouse gas with the highest GWP (global warming potential). The $SF_6$ decomposition study was performed with silicon carbide with aluminium oxide by microwave irradiation. DRE (Decomposition and Removal Efficiencie) of $SF_6$ were ev...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • 의 함량비를 10 wt%에서 50 wt%까지 제조하였다. SiC-Al2O3의 함량비, 마이크로파 조사에너지 및 분해온도에 따라 SF6의 제거특성을 GC-TCD를 사용하여 분석하였다.
  • 본 연구는 SF6를 제거하기 위해 마이크로파를 열원으로 사용하고 SiC에 Al2O3를 함량별로 처리하여 마이크로파 조사량별, Al2O3 함량별, 분해온도별 실험을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
  • 분해온도별 Al2O3 함량별 실험에서도 에너지효율성과 함량을 고려시 SF6제거에 가장 적합한 물질인 SiC-Al2O3 (30)을 대상으로 반복실험을 실시하였다. Fig.
  • 따라서 마이크로파 조사에 따른 급격한 온도상승으로 분해온도와 DRE의 관계를 규명하기 어려웠다. 이를 위해 분해온도를 고정하여 온도별 DRE를 재분석하였으며 이 결과를 Fig. 6에 나타내었다. Fig.
  • 가스봄베로부터 나오는 가스의 유량을 조절하기 위하여 MFC (Mass Flow Meter)를 사용하였으며 마이크로웨이브 오븐 안의 일자형 석영관은 내경이 4 cm 길이 15 cm를 사용하였다. 일자형 석영관에 SiC-Al2O3를 넣고 3,000 ppm의 SF6를 100 mL/min으로 흘려 제거실험을 실시하였다. 마이크로파 가열장치는 2,450 MHz, 최대출력 1.
  • 칼럼(GS-Carbonplot, Agilent)은 길이 30 m, 직경이 0.32 mm, 필름의 두께 3 µm를 사용하였으며, 분석 조건으로 injector 온도를 185℃, detector 온도를 150℃, oven 온도를 35℃를 유지하여 분석하였다.

대상 데이터

  • 또한 마이크로파는 선택가열 및 급속가열이 가능함으로 유해가스 처리 및 마이크로파 플라즈마를 이용한 SF6의 제거 연구 등 환경 분야에 대한 응용 연구가 진행되고 있다.7,8) 본 연구에서는 SF6의 제거를 위해 세라믹산화물은 Al2O3를 선정하였으며 열원 공급을 위해 마이크로파 가열장치를 이용하였다. 특히 Al2O3, MgO 등과 같은 세라믹 재료는 상온에서 마이크로파를 투과시키며 임계온도 이상의 고온이 되면 마이크로파와 결합하여 효과적으로 흡수 및 가열되기도 한다.
  • SF6의 제거 실험은 GC-TCD (HP 6890A GC, Agilent)을 이용하여 분석하였다. 칼럼(GS-Carbonplot, Agilent)은 길이 30 m, 직경이 0.
  • 1은 SF6 제거 실험 장치를 나타내었다. 가스봄베로부터 나오는 가스의 유량을 조절하기 위하여 MFC (Mass Flow Meter)를 사용하였으며 마이크로웨이브 오븐 안의 일자형 석영관은 내경이 4 cm 길이 15 cm를 사용하였다. 일자형 석영관에 SiC-Al2O3를 넣고 3,000 ppm의 SF6를 100 mL/min으로 흘려 제거실험을 실시하였다.
  • SiC는 인장강도가 강하고 일정한 도전성과 도열성을 갖고 있으며 높은 경도, 고내화성, 화학적 안정하여 마이크로파 유전가열의 재료로 많이 활용된다. 또한 SF6의 촉매적 활성반응을 유도하기 위해 Al2O3 (Acros Organics, Belgium: 이하 Al2O3)를 사용하였다. SiC 와 Al2O3는 사용 전 24시간 100℃ 이상에서 하루 건조하고 실험을 실시하였다.
  • 일자형 석영관에 SiC-Al2O3를 넣고 3,000 ppm의 SF6를 100 mL/min으로 흘려 제거실험을 실시하였다. 마이크로파 가열장치는 2,450 MHz, 최대출력 1.2 kW의 마그네트론이 장착된 마이크로 발진관을 사용하였다. 마이크로파는 도파관을 통하여 반응기에 도입되도록 하였으며 반응기 내부는 알루미늄을 사용하였다.
  • 2(a)는 마이크로파 조사에 따른 SiC와 Al2O3의 시간 대별 온도변화이다. 마이크로파 조사량은 500, 700, 900 W를 사용하였다. SiC의 경우 5분까지는 급격하게 온도가 상승 후 완만한 증가 경향을 보여주었으며 Al2O3는 마이크로파 조사에 따른 온도상승효과가 매우 적었다.
  • 마이크로파 조사를 위한 발열체는 Silicon Carbide (LTS Inc., U.S.A: 이하 SiC)를 사용하였다. SiC는 인장강도가 강하고 일정한 도전성과 도열성을 갖고 있으며 높은 경도, 고내화성, 화학적 안정하여 마이크로파 유전가열의 재료로 많이 활용된다.
  • 2 kW의 마그네트론이 장착된 마이크로 발진관을 사용하였다. 마이크로파는 도파관을 통하여 반응기에 도입되도록 하였으며 반응기 내부는 알루미늄을 사용하였다.
  • 발열체인 SiC는 40 g으로 일정하게 사용하였으며 SiC와 Al2O3의 물리적 혼합을 위해 SiC - Al2O3 (x) = Al2O3(g) / [SiC(g) + Al2O3(g) × 100의 혼합비율식을 이용하였다.
  • 본 연구는 마이크로파를 열분해 에너지원으로 사용하였으며 마이크로파 발열체로는 SiC를 이용하였으며 촉매산화제로는 산화알루미늄을 선정하여 SiC와 Al2O3의 함량비를 10 wt%에서 50 wt%까지 제조하였다. SiC-Al2O3의 함량비, 마이크로파 조사에너지 및 분해온도에 따라 SF6의 제거특성을 GC-TCD를 사용하여 분석하였다.

이론/모형

  • SF6의 제거 및 제거효율은 DRE (Destruction and Removal Efficiencies)를 이용하여 계산하였다. DRE는 소각성능평가에 많이 활용되며11) 다음 식에 의해 계산하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
SF6는 무엇인가? SF6는 대기 중 이산화탄소에 비해 1% 미만으로 매우 적지만 지구온난화지수가 이산화탄소에 비해 23,900배 높으며 대기 중 체류기간의 3200년으로 중요한 온실가스중 하나이다. SF6는 불활성 기체로 무색, 무취, 무해, 불연성을 특성을 가지며 열적으로 매우 안정한 물질이다. 주로 반도체 생산 공정의 식각(etching)가스로 이용되며 LCD 모니터제조 및 자동차 생산공정, 마그네슘 정련업계가 대표적인 발생원이다.
열분해기술로는 무엇이 있는가? SF6를 제거하는 기술은 열분해기술과 촉매산화기술로 나누어진다.2) 열분해기술로는 전기 RTO (Regenerative Thermal Oxidation), 순산소 연소기술, 플라즈마 제거 등이 있다. RTO 방식은 초기 승온과 감온 및 히터 및 축열재의 수명단축의 문제가 있으며 순 산소 연소기술의 경우 후단에 HF를 처리하는 습건식 HF처리 장치가 필요하다.
SF6는 어디에 주로 이용되는가? SF6는 불활성 기체로 무색, 무취, 무해, 불연성을 특성을 가지며 열적으로 매우 안정한 물질이다. 주로 반도체 생산 공정의 식각(etching)가스로 이용되며 LCD 모니터제조 및 자동차 생산공정, 마그네슘 정련업계가 대표적인 발생원이다.1)
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참고문헌 (12)

  1. Haughton, J. T., Meira Filho, L. G., Gallander, B. A., Harris, N., Kattenberg, A. and Maskel, K., Climate change 1995- the science of climate change, 1st ed., Cambridge University Press, New York, 121(1996). 

  2. Kwon, J. S., Choi, S. S., Yoon, M. S. and Kim, S. l., "Reduction technology trend of CCS and $SF_{6}$ ," KEITI, 68-70 (2010). 

  3. Radoiu, M. and Hussain, S., "Microwave plasma removal of sulphur hexafluoride," J. Hazard. Mater., 164, 39-45(2009). 

  4. Park, H. G., Park, N. K., Lee, T. J., Chang, W. C. and Kwon, W. T., "Catalytic decomposition of $SF_{6}$ by hydrolysis over ${\gamma}-Al_{2}O_{3}$ supported metal oxide catalysts," Clean Technol., 18 (1), 83-88(2012). 

  5. Lee, Y. C. and Jeon, J. K., "A study on catalytic process in pilot plant for abatement of PFC emission," Clean Technol., 18(2), 216-220(2012). 

  6. Padma, D. K. and Vasudeva Murthy, A. R., "Thermal decomposition of sulphur hexafluoride," J. Fluorine. Chem., 5, 181-184(1975). 

  7. Cho, W. I., Baek, Y. S. and Kim, Y. C., "Manufacture of hydrogen and C2+ chemical from methane using microwave plasma and catalyst," J. Kor. Inst. Gas, 5(1), 15-20(2001). 

  8. Chang, Y. C. and Carlistle, C. T., "Microwave process for volatile organic compound abatement," J. Air Waste Manage. Assoc., 36, 599-608(2001). 

  9. Berteasu, A. J. and Badot, J. C., "High temperature microwave heating in refractory material," J. Microwave Power, 11, 315-320(1976). 

  10. Tinga W. R., "Fundamentals of microwave material interactions and sintering," MRS symp. Proc., 124, 33-44(1994). 

  11. Pandompatam, B., Liem, A. J., Frenette, R. and Wilson, M. A., "Effect of refractory on the thermal stability of $SF_{6}$ ," J. Air Pollut. Control Assoc., 39, 310-316(1989). 

  12. Lee, S. H., Park, N. K., Yoon, S. H., Chang, W. C. and Lee, T. J., "Catalytic decomposition of $SF_{6}$ by hydrolysis and oxidation over ${\gamma}-Al_{2}O_{3}$ ," Clean Technol., 15(4), 273-276(2009). 

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