금속산화물이 담지된 허니컴 형상의 플라즈마-촉매 반응기를 이용하여 아이소프로필 알코올(isopropyl alcohol, IPA) 저감 및 부산물 생성 거동에 대해 조사하였다. 허니컴 형상의 다공질 세라믹 지지체(주성분: ${\alpha}-Al_2O_3$)에 금속산화물로 산화철($Fe_2O_3$) 또는 산화구리(CuO)를 담지시킨 후, 이 촉매가 동축 원통형 전극구조 내부에 위치하도록 플라즈마-촉매 반응기를 구성하였다. 플라즈마 반응에 의한 IPA 분해속도가 매우 빨랐기 때문에 IPA 분해효율 자체는 금속산화물 담지 여부 및 금속산화물 종류에 관계없이 유사한 것으로 나타났으나, 부산물 생성거동은 촉매종류에 따라 큰 차이를 보여주었다. 아세톤, 폼알데하이드, 아세트알데하이드, 메테인, 일산화탄소 등의 유해 부산물 농도는 $Fe_2O_3/{\alpha}-Al_2O_3$ < $CuO/{\alpha}-Al_2O_3$ < ${\alpha}-Al_2O_3$ 순으로 높게 나타났다. 유량 $1L\;min^{-1}$, IPA 초기농도 5,000 ppm(산소: 10%), 방전전력 47 W의 조건에서 얻어진 $CO_2$선택도는 ${\alpha}-Al_2O_3$, $CuO/{\alpha}-Al_2O_3$, $Fe_2O_3/{\alpha}-Al_2O_3$에 대해 각각 40, 80, 95%로서 $Fe_2O_3/{\alpha}-Al_2O_3$가 플라즈마-촉매를 이용한 IPA의 산화에 가장 효과적인 것으로 나타났다. 플라즈마를 단독으로 사용하여 휘발성유기화합물을 분해할 경우 타르형태의 생성물이 반응기에 퇴적되는 문제점이 있으나, 플라즈마-촉매 공정에서는 이러한 현상이 관찰되지 않았으며 촉매의 활성이 그대로 유지되었다.
금속산화물이 담지된 허니컴 형상의 플라즈마-촉매 반응기를 이용하여 아이소프로필 알코올(isopropyl alcohol, IPA) 저감 및 부산물 생성 거동에 대해 조사하였다. 허니컴 형상의 다공질 세라믹 지지체(주성분: ${\alpha}-Al_2O_3$)에 금속산화물로 산화철($Fe_2O_3$) 또는 산화구리(CuO)를 담지시킨 후, 이 촉매가 동축 원통형 전극구조 내부에 위치하도록 플라즈마-촉매 반응기를 구성하였다. 플라즈마 반응에 의한 IPA 분해속도가 매우 빨랐기 때문에 IPA 분해효율 자체는 금속산화물 담지 여부 및 금속산화물 종류에 관계없이 유사한 것으로 나타났으나, 부산물 생성거동은 촉매종류에 따라 큰 차이를 보여주었다. 아세톤, 폼알데하이드, 아세트알데하이드, 메테인, 일산화탄소 등의 유해 부산물 농도는 $Fe_2O_3/{\alpha}-Al_2O_3$ < $CuO/{\alpha}-Al_2O_3$ < ${\alpha}-Al_2O_3$ 순으로 높게 나타났다. 유량 $1L\;min^{-1}$, IPA 초기농도 5,000 ppm(산소: 10%), 방전전력 47 W의 조건에서 얻어진 $CO_2$ 선택도는 ${\alpha}-Al_2O_3$, $CuO/{\alpha}-Al_2O_3$, $Fe_2O_3/{\alpha}-Al_2O_3$에 대해 각각 40, 80, 95%로서 $Fe_2O_3/{\alpha}-Al_2O_3$가 플라즈마-촉매를 이용한 IPA의 산화에 가장 효과적인 것으로 나타났다. 플라즈마를 단독으로 사용하여 휘발성유기화합물을 분해할 경우 타르형태의 생성물이 반응기에 퇴적되는 문제점이 있으나, 플라즈마-촉매 공정에서는 이러한 현상이 관찰되지 않았으며 촉매의 활성이 그대로 유지되었다.
This work investigated the plasma-catalytic decomposition of isopropyl alcohol (IPA) and the behavior of the byproduct compounds over monolith-supported metal oxide catalysts. Iron oxide ($Fe_2O_3$) or copper oxide (CuO) was loaded on a monolithic porous ${\alpha}-Al_2O_3$ supp...
This work investigated the plasma-catalytic decomposition of isopropyl alcohol (IPA) and the behavior of the byproduct compounds over monolith-supported metal oxide catalysts. Iron oxide ($Fe_2O_3$) or copper oxide (CuO) was loaded on a monolithic porous ${\alpha}-Al_2O_3$ support, which was placed inside the coaxial electrodes of plasma reactor. The IPA decomposition efficiency itself hardly depended on the presence and type of metal oxides because the rate of plasma-induced decomposition was so fast, but the behavior of byproduct formation was largely affected by them. The concentrations of the unwanted byproducts, including acetone, formaldehyde, acetaldehyde, methane, carbon monoxide, etc., were in order of $Fe_2O_3/{\alpha}-Al_2O_3$ < $CuO/{\alpha}-Al_2O_3$ < ${\alpha}-Al_2O_3$ from low to high. Under the condition (flow rate: $1L\;min^{-1}$; IPA concentration: 5,000 ppm; $O_2$ content: 10%; discharge power: 47 W), the selectivity towards $CO_2$ was about 40, 80 and 95% for ${\alpha}-Al_2O_3$, $CuO/{\alpha}-Al_2O_3$ and $Fe_2O_3/{\alpha}-Al_2O_3$, respectively, indicating that $Fe_2O_3/{\alpha}-Al_2O_3$ is the most effective for plasma-catalytic oxidation of IPA. Unlike plasma-alone processes in which tar-like products formed from volatile organic compounds are deposited, the present plasma-catalyst hybrid system did not exhibit such a phenomenon, thus retaining the original catalytic activity.
This work investigated the plasma-catalytic decomposition of isopropyl alcohol (IPA) and the behavior of the byproduct compounds over monolith-supported metal oxide catalysts. Iron oxide ($Fe_2O_3$) or copper oxide (CuO) was loaded on a monolithic porous ${\alpha}-Al_2O_3$ support, which was placed inside the coaxial electrodes of plasma reactor. The IPA decomposition efficiency itself hardly depended on the presence and type of metal oxides because the rate of plasma-induced decomposition was so fast, but the behavior of byproduct formation was largely affected by them. The concentrations of the unwanted byproducts, including acetone, formaldehyde, acetaldehyde, methane, carbon monoxide, etc., were in order of $Fe_2O_3/{\alpha}-Al_2O_3$ < $CuO/{\alpha}-Al_2O_3$ < ${\alpha}-Al_2O_3$ from low to high. Under the condition (flow rate: $1L\;min^{-1}$; IPA concentration: 5,000 ppm; $O_2$ content: 10%; discharge power: 47 W), the selectivity towards $CO_2$ was about 40, 80 and 95% for ${\alpha}-Al_2O_3$, $CuO/{\alpha}-Al_2O_3$ and $Fe_2O_3/{\alpha}-Al_2O_3$, respectively, indicating that $Fe_2O_3/{\alpha}-Al_2O_3$ is the most effective for plasma-catalytic oxidation of IPA. Unlike plasma-alone processes in which tar-like products formed from volatile organic compounds are deposited, the present plasma-catalyst hybrid system did not exhibit such a phenomenon, thus retaining the original catalytic activity.
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문제 정의
본 연구에서는 플라즈마-촉매 공정을 이용한 VOCs 분해 및 부산물 생성거동에 대해 살펴보았다. 아이소프로필 알코올(isopropyl alcohol, IPA)은 용매나 세정제로 전자기기, 종자처리, 코팅, 항균 등 산업 현장 및 실생활에서 광범위하게 사용되고 있다[4,10].
IPA를 분해하기 위한 금속산화물 촉매로는 산화구리(CuO)와 산화철(Fe2O3)을 사용하였다. CuO와 Fe2O3 촉매는 VOCs의 일종인 톨루엔, 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone, MEK) 등의 분해에 대해 높은 활성과 선택성을 보이는 것으로 보고되어 있으므로[11,13], 플라즈마-촉매 복합공정에서도 IPA의 분해에 높은 활성을 보일 것으로 판단되어 이를 확인하고자 하였다. 본 연구에서는 금속산화물을 담지하기 위한 촉매 지지체로 허니컴 형상의 다공질 알루미나 세라믹을 사용하였는데, 펠렛이나 분말은 열전달 저항 및 압력 강하 등의 문제를 유발시킬 수 있기 때문이다[3].
제안 방법
0 µF 축전지(DMF-45105, Deadong) 양단에 10:1전압 프로브(P6139A, Tekronix)를 연결하여 측정하였다. IPA의 분해 부산물은 퓨리에변환적외선분광광도계(FTIR, Bruker IFS 66/S, Germany)와 불꽃이온화검출기(FID)가 장착된 기체크로마토그래피(GC, Bruker 450, Germany)를 이용하여 분석하였다. IPA 농도 100~5,000 ppm에 대해 GC 검정곡선을 작성하였다.
본 연구에서는 금속산화물로 이루어진 플라즈마-촉매 반응기를 세정제 및 용매로 널리 사용되는 IPA의 분해에 적용하였다. 금속산화물 종류에 따라 IPA 분해효율 자체는 큰 차이가 없었으나, 부산물의 발생 거동은 금속산화물 담지여부 및 종류에 따라 큰 차이를 보였다.
대상 데이터
아이소프로필 알코올(isopropyl alcohol, IPA)은 용매나 세정제로 전자기기, 종자처리, 코팅, 항균 등 산업 현장 및 실생활에서 광범위하게 사용되고 있다[4,10]. IPA를 분해하기 위한 금속산화물 촉매로는 산화구리(CuO)와 산화철(Fe2O3)을 사용하였다. CuO와 Fe2O3 촉매는 VOCs의 일종인 톨루엔, 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone, MEK) 등의 분해에 대해 높은 활성과 선택성을 보이는 것으로 보고되어 있으므로[11,13], 플라즈마-촉매 복합공정에서도 IPA의 분해에 높은 활성을 보일 것으로 판단되어 이를 확인하고자 하였다.
이론/모형
플라즈마 발생을 위해 주파수 400 Hz, 최대 전압 20 kV인 전원장치를 사용하였다. 반응기에서 소모되는 방전전력은 Lissajous 선도(전압-전하 선도)를 이용하여 측정하였다[16]. 방전전압은 1000:1 고전압 프로브(Probe P6015, Tekronix)와 오실로스코프(TDS 3034, Tekronix)를 이용하여 측정하였으며, 전하량은 1.
플라즈마 방전중에 반응기에서 발생되는 열을 촉매반응에 효과적으로 이용하기 위하여 반응기 외부를 유리섬유로 단열하였다. 산화물 촉매 제조에는 함침법이 이용되었다[15]. CuO/α-Al2O3는 Cu(NO3)2 3H2O를 증류수에 용해한 후 Cu기준으로 0.
성능/효과
본 연구에서는 금속산화물로 이루어진 플라즈마-촉매 반응기를 세정제 및 용매로 널리 사용되는 IPA의 분해에 적용하였다. 금속산화물 종류에 따라 IPA 분해효율 자체는 큰 차이가 없었으나, 부산물의 발생 거동은 금속산화물 담지여부 및 종류에 따라 큰 차이를 보였다. 허니컴 지지체에 금속산화물 촉매를 담지하지 않거나, CuO 촉매를 담지하여 사용했을 때는 IPA의 분해에 이산화탄소나 일산화탄소뿐 만 아니라 아세톤, 폼알데하이드, 메테인, 아세트알데하이드 등 다양한 중간 부산물이 생성되었다.
반면 금속산화물로 Fe2O3를 사용한 경우에는 분해된 IPA 대부분이 이산화탄소로 전환되었다. 또한 Fe2O3가 IPA의 분해에 가장 높은 촉매활성을 보였으며, 촉매를 단독으로 사용한 경우보다 플라즈마와 촉매를 결합한 경우 분해효율이 크게 증가되었다. 플라즈마 기반의 VOC 분해 공정은 타르형태의 생성물이 반응기에 퇴적되는 문제점이 있으나, 본 연구의 플라즈마-촉매 공정에서는 이러한 현상이 관찰되지 않았다.
허니컴 지지체에 금속산화물 촉매를 담지하지 않거나, CuO 촉매를 담지하여 사용했을 때는 IPA의 분해에 이산화탄소나 일산화탄소뿐 만 아니라 아세톤, 폼알데하이드, 메테인, 아세트알데하이드 등 다양한 중간 부산물이 생성되었다. 반면 금속산화물로 Fe2O3를 사용한 경우에는 분해된 IPA 대부분이 이산화탄소로 전환되었다. 또한 Fe2O3가 IPA의 분해에 가장 높은 촉매활성을 보였으며, 촉매를 단독으로 사용한 경우보다 플라즈마와 촉매를 결합한 경우 분해효율이 크게 증가되었다.
플라즈마 기반의 VOC 분해 공정은 타르형태의 생성물이 반응기에 퇴적되는 문제점이 있으나, 본 연구의 플라즈마-촉매 공정에서는 이러한 현상이 관찰되지 않았다. 이는 플라즈마-촉매 공정을 장시간 사용하였을 경우에도 촉매활성이 그대로 유지되어 분해효율이 안정적으로 유지될 수 있다는 것을 의미한다.
또한 Fe2O3가 IPA의 분해에 가장 높은 촉매활성을 보였으며, 촉매를 단독으로 사용한 경우보다 플라즈마와 촉매를 결합한 경우 분해효율이 크게 증가되었다. 플라즈마 기반의 VOC 분해 공정은 타르형태의 생성물이 반응기에 퇴적되는 문제점이 있으나, 본 연구의 플라즈마-촉매 공정에서는 이러한 현상이 관찰되지 않았다. 이는 플라즈마-촉매 공정을 장시간 사용하였을 경우에도 촉매활성이 그대로 유지되어 분해효율이 안정적으로 유지될 수 있다는 것을 의미한다.
금속산화물 종류에 따라 IPA 분해효율 자체는 큰 차이가 없었으나, 부산물의 발생 거동은 금속산화물 담지여부 및 종류에 따라 큰 차이를 보였다. 허니컴 지지체에 금속산화물 촉매를 담지하지 않거나, CuO 촉매를 담지하여 사용했을 때는 IPA의 분해에 이산화탄소나 일산화탄소뿐 만 아니라 아세톤, 폼알데하이드, 메테인, 아세트알데하이드 등 다양한 중간 부산물이 생성되었다. 반면 금속산화물로 Fe2O3를 사용한 경우에는 분해된 IPA 대부분이 이산화탄소로 전환되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
저온 플라즈마의 단점은 무엇인가?
Besov and Vorontsov[8]는 플라즈마를 이용하여 아세톤을 분해한 결과 오존보다는 산소 함유 라디칼, 전자 충격 반응 등이 분해에 더 큰 영향을 미친다고 보고하였다. 하지만, 저온 플라즈마의 단점은 대상물질의 불완전한 산화 반응에 의해 유해 부산물을 생성할 수 있다는 점이 다. 이러한 이유로 최근에는 촉매공정과 플라즈마 공정의 결합에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다.
VOCs를 저감시키는 방법에는 어떤 것들이 있는가?
특히, 많은 유럽국가에서는 밀폐된 환경에서 발생되는 냄새 및 VOCs의 배출 제한에 대한 관심이 높아지고 있다[5]. 이러한 VOCs를 저감시키는 방법으로 여과/흡착, 열산화 공정, 광촉매 및 촉매공정, 저온 플라즈마, 이온 빔 조사법 등 다양한 방법이 실시 및 연구되고 있다. 하지만, 여과/흡착의 경우 사용된 흡착제를 처리해야 하는 2차적인 문제가 발생하고, 광촉매의 경우는 낮은 오염수준의 실내 공기에는 성능을 보이나, 반응속도가 느려 고농도의 VOCs처리가 어려운 단점이 있다[4].
높은 비용과 피독에 대한 민감성을 보완하기 위한 연구에는 어떤 것들이 있는가?
VOCs의 분해효율은 촉매 활성에 의해 좌우되는데 귀금속 촉매의 경우 낮은 온도에서 우수한 활성이 나타나지만 높은 비용과 피독에 대한 민감성 등으로 인해 실적용에 큰 제한을 받는다. 따라서 최근에는 가격이 저렴하고 피독 저항성이 강한 구리, 망간, 철 등 전이금속 산화물 촉매에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다[2,3,7]. 하지만 촉매 공정의 경우 300~500 ℃ 정도의 온도를 유지하여야 하며, 완전산화가 이루어지지 않을 경우 독성이 있는 부산물이 생성될 수 있다.
참고문헌 (23)
Vandenbroucke, A. M., Morent, R., Geyter, N. D., and Leys, C., "Non-thermal Plasmas for Non-catalytic and Catalytic VOC Abatement," J. Hazard. Mater., 195, 30-54 (2011).
Aguero, F. N., Barbero, B. P., Gambaro, L., and Cadu's, L. E., "Catalytic Combustion of Volatile Organic Compounds in Binary Mixtures over MnOx/ $Al_2O_3$ Catalyst," Appl. Catal. B: Environ., 91, 108-112 (2009).
Leclercq, J., Giraud, F., Bianchi, D., Fiaty, K., and Gaillard, F., "Novel Inductively-Heated Catalytic System for Fast VOCs Abatement, Application to IPA in Air," Appl. Catal. B: Environ., 146, 131-137 (2014).
Barakat, C., Gravejat, P., Guaitella, O., Thevenet, F., and Rousseau, A., "Oxidation of Isopropanol and Acetone Adsorbed on $TiO_2$ Under Plasma Generated Ozone Flow: Gas Phase and Adsorbed Species Monitoring," Appl. Catal. B: Environ., 147, 302-313 (2014).
Everaert, K., and Baeyens, J., "Catalytic Combustion of Volatile Organic Compounds," J. Hazard. Mater., B109, 113-139 (2004).
Chang, C.-L., Lin, Y.-C., Bai, H., and Liu, Y.-H., "Applying Spray Pyrolysis to Synthesize MnOx for Decomposing Isopropyl Alcohol in Ozone- and Thermal-Catalytic Oxidation," Korean J. Chem. Eng., 26, 1047-1052, (2009).
Besov, A. S., and Vorontsov, A. V., "Acceleration of Acetone Destruction Process Under Synergistic Action of Photocatalytic Oxidation and Barrier Discharge," Plasma Chem. Plasma Process., 27, 624-634 (2007).
Schmidt-Szalowski, K., Krawczyk, K., Sentek, J., Ulejczyk, B., Gorska, A., and Mlotek, M., "Hybrid Plasma-Catalytic Systems for Converting Substances of High Stability, Greenhouse Gases and VOC," Chem. Eng. Res. Des., 89, 2643-2651 (2011).
L. Sivachandiran, F. Thevenet, P. Gravejat, and A. Rousseau, Isopropanol saturated $TiO_2$ surface regeneration by nonthermal plasma: Influence of air relative humidity, Chem. Eng. J. 214, 17-26 (2013).
Tidahy, H. L., Siffert, S., Wyrwalski, F., Lamonier, J. -F., and Aboukais, A., "Catalytic Activity of Copper and Palladium Based Catalysts for Toluene Total Oxidation," Catal. Today, 119, 317-320 (2007).
Picasso, G., Quintilla, A., Pina, M. P., and Herguido, J., "Total Combustion of Methyl-Ethyl Ketone over $Fe_2O_3$ Based Catalytic Membrane Reactors," Appl. Catal. B: Environ., 46, 133-143 (2003).
Jung, W. Y., Song, Y. I., and Hong, S. S., "Complete Combustion of Benzene over CuO/ $CeO_2$ Catalysts Prepared by Various Methods," Clean Technol., 19, 128-133 (2013).
Tsuru, T., Kan-no, T., Yoshioka, T., and Asaeda, M., "A Photocatalytic Membrane Reactor for VOC Decomposition Using Pt-modified Titanium Oxide Porous Membranes," J. Membr. Sci., 280, 156-162 (2006).
Jo, J. -O., Lee, S. B., Jang, D. L., and Mok, Y. S., "Plasma-Catalytic Ceramic Membrane Reactor for Volatile Organic Compound Control," IEEE Trans. Plasma Sci., 41, 3021-3029 (2013).
Takaki, K., Chang, J. -S., and Kostov, K. G., "Atmospheric Pressure of Nitrogen Plasmas in a Ferro-electric Packed Bed Barrier Discharge Reactor Part I: Modeling," IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., 11, 481-490 (2004).
Jarrige J., and Vervisch, P., "Plasma-enhanced Catalysis of Propane and Isopropyl Alcohol at Ambient Temperature on a $MnO_2$ -based Catalyst," Appl. Catal. B: Environ., 90, 74-82 (2009).
Trinh, H. Q., and Mok, Y. S., "Plasma-Catalytic Oxidation of Acetone in Annular Porous Monolithic Ceramic-Supported Catalysts," Chem. Eng. J., 251, 199-206 (2014).
Jarrige, J., and Vervisch, P., "Decomposition of Three Volatile Organic Compounds by Nanosecond Pulsed Corona Discharge: Study of By-product Formation and Influence of High Voltage Pulse Parameters," J. Appl. Phys., 99, 113-303 (2006).
Wang, H., Li, D., Wu, Y., Li, J., and Li, G., "Removal of Four Kinds of Volatile Organic Compounds Mixture in Air Using Silent Discharge Reactor Driven by Bipolar Pulsed Power," J. Electrost., 67, 547-553 (2009).
Medina-Valtierra, J., Frausto-Reyes, C., Camarillo-Martinez, G., and Ramıirez-Ortiz, J. A., "Complete Oxidation of Isopropanol over $Cu_{4}O_{3}$ (Paramelaconite) Coating Deposited on Fiberglass by CVD," Appl. Catal., A: General, 356, 36-42 (2009).
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