[논문]플라즈마 충진 촉매 시스템을 이용한 에틸렌 저감 연구

이상백; 조진오; 장동룡; 목영선

doi:10.5572/kosae.2014.30.6.577

플라즈마 충진 촉매 시스템을 이용한 에틸렌 저감 연구
Decomposition of Ethylene using a Hybrid Catalyst-packed Bed Plasma Reactor System 원문보기

한국대기환경학회지 = Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, v.30 no.6, 2014년, pp.577 - 585

이상백 (제주대학교 생명화학공학과) , 조진오 (제주대학교 생명화학공학과) , 장동룡 (제주대학교 생명화학공학과) , 목영선 (제주대학교 생명화학공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A series of experiments using atmospheric-pressure non-thermal plasma coupled with transition metal catalysts were performed to remove ethylene from agricultural storage facilities. The non-thermal plasma was created by dielectric barrier discharge, which was in direct contact with the catalyst pellets. The transition metals such as Ag and $V_2O_5$ were supported on ${\gamma}-Al_2O_3$. The effect of catalyst type, specific input energy (SIE) and oxygen content on the removal of ethylene was examined to understand the behavior of the hybrid plasma-catalytic reactor system. With the other parameters kept constant, the plasma-catalytic activity for the removal of ethylene was in order of $V_2O_5/{\gamma}-Al_2O_3$ > $Ag/{\gamma}-Al_2O_3$ > ${\gamma}-Al_2O_3$ from high to low. Interestingly, the rate of plasma-catalytic ozone generation was in order of $V_2O_5/{\gamma}-Al_2O_3$ > ${\gamma}-Al_2O_3$ > $Ag/{\gamma}-Al_2O_3$, implying that the catalyst activation mechanisms by plasma are different for different catalysts. The results obtained by varying the oxygen content indicated that nitrogen-derived reactive species dominated the removal of ethylene under oxygen-lean condition, while ozone and oxygen atoms were mainly involved in the removal under oxygen-rich condition. When the plasma was coupled with $V_2O_5/{\gamma}-Al_2O_3$, nearly complete removal of ethylene was achieved at oxygen contents higher than 5% by volume (inlet ethylene: 250 ppm; gas flow rate: $1.0Lmin^{-1}$; SIE: ${\sim}355JL^{-1}$).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 γ-Al2O3 에 담지된 전이금속 촉매와 유전체장벽방전을 결합한 플라즈마-촉매 반응기 시스템에서 에틸렌 저감 특성에 대해 조사하였다.
플라즈마 방전 공간 내에 촉매를 충진한 반응기 구조에서는 촉매가 직접 플라즈마에 노출되므로 수명이 짧은 활성성분들도 촉매를 활성화하는 데 기여할 수 있다. 촉매 종류, 산소농도 및 에너지밀도가 에틸렌의 분해에 미치는 영향을 조사하였다.

제안 방법

Ag/ γ-Al2O3 촉매는 Ag 함량이 2 wt%가 되도록 질산은 (AgNO3, Sigma-Aldrich, USA)을 증류수에 용해한 후 γ-Al2O3 에 함침 시켜 제조하였으며, V2O5/γ-Al2O3 촉매는 V 함량이 2 wt%가 되도록 ammonium vanadate (V) (NH4 VO3 , Junsei, Japan)를 중류수에 용해한 후 γ-Al2O3 에 함침시켜 제조하였다.
기체크로마토그래프의 검출기는 불꽃이온화검출기(FID), 컬럼은 BR-624 ms (60 m, 0.32 mm, 1.80 μm, Bruker, USA)였으며, 오븐조건은 초기 온도 50℃에서 9 min 후 60℃(온도상승 속도: 1.11℃min-1)로 설정하였다.
촉매의 에틸렌 분해효율을 산소농도의 함수로 측정한 결과이다. 모든 조건은 동일한 상태로 유지하면서 산소농도를 1~20%로 변화시키며 실험을 수행하였다. 산소가 없는 분위기에서는 고에너지전자, 질소원자, 여기 상태의 질소분자가 주로 에틸렌의 분해에 관여하지만, 산소가 존재하면 오존, 산소 라디칼 등의 산화성 활성성분들이 추가적으로 생성된다.
석영관 내부의 플라즈마 발생영역에 촉매를 30 g 충진하였다. 방전전극에는 60 Hz의 교류 고전압을 인가하였는데 인가된 고전압은 19.2 kV~28.8 kV로 변화시키며 실험을 수행하였다. 반응기 양쪽에 기체 유입구와 유출구를 설치하였다.
반응기 양쪽에 기체 유입구와 유출구를 설치하였다. 유입구에는 산소, 질소, 에틸렌 혼합 기체가 유입되며, 기체의 총 유입 유량은 유량조절기(AFC 500, Atovac, Korea)를 이용하여 전체유량이 1.0 L min^-1 이 되도록 조절하였다.
유입기체의 에틸렌 농도는 250 ppm으로 고정하였으며, 산소농도는 0~20%로 가변하며 실험을 수행하였다. 플라즈마-촉매 반응을 거친 기체는 기체크로마토그래프(GC, Bruker 450, Germany)와 오존 분석기 (Porta Sens II, Analytical Technology, Inc.
전압 측정에는 오실로스코프(TDS 3032, Tektronix)와 1000 : 1 고전압 프로브(P6015, Tektronix) 가 사용되었고, 반응기에 직렬로 연결된 축전기(1.0 μF) 양단의 전압을 10 : 1 전압 프로브(P6139A, Tektronix)로 측정함으로써 전하를 구하였다.
11℃min^-1)로 설정하였다. 플라즈마 방전에 의해 촉매반응 기의 온도가 증가되므로 알코올온도계를 반응기 내에 설치하여 플라즈마 방전에 따른 온도 변화를 관찰하였다.
플라즈마-촉매 반응기에는 γ-Al2O3 가 충진되었으며, 반응기 운전이 시작된 후 약 10 min이 경과한 다음 온도를 측정하였다.
플라즈마-촉매 반응기에서 소모되는 전력(방전전력)은 전압-전하 선도를 이용하여 측정하였다(Jo et al., 2013). 전압 측정에는 오실로스코프(TDS 3032, Tektronix)와 1000 : 1 고전압 프로브(P6015, Tektronix) 가 사용되었고, 반응기에 직렬로 연결된 축전기(1.
유입기체의 에틸렌 농도는 250 ppm으로 고정하였으며, 산소농도는 0~20%로 가변하며 실험을 수행하였다. 플라즈마-촉매 반응을 거친 기체는 기체크로마토그래프(GC, Bruker 450, Germany)와 오존 분석기 (Porta Sens II, Analytical Technology, Inc., USA)를 이용하여 분석하였다. 기체크로마토그래프의 검출기는 불꽃이온화검출기(FID), 컬럼은 BR-624 ms (60 m, 0.

대상 데이터

본 연구에 사용된 촉매지지체는 길이 3.2~3.5 mm, 지름 3.2 mm인 원통형 모양의 γ-Al2O3 (Alfa Aesar, USA)였다.
본 연구에서는 에틸렌 분해를 위해 γ-Al2O3 에 담지 된 전이금속 촉매(Ag, V2O5)를 플라즈마와 결합하여 사용하였다.

이론/모형

)를 플라즈마와 결합하여 사용하였다. 플라즈마 발생 방식으로는 유전체장벽방전(dielectric barrier discharge)을 사용하였다. 플라즈마 방전 공간 내에 촉매를 충진한 반응기 구조에서는 촉매가 직접 플라즈마에 노출되므로 수명이 짧은 활성성분들도 촉매를 활성화하는 데 기여할 수 있다.

성능/효과

V2O5 /γ-Al2O3 촉매는 에틸렌 제거효율이 높은 반면, 배출 오존 농도도 높은 것으로 나타났다.
에틸렌 분해에 미치는 산소함량의 영향을 살펴보면, 산소함량에 따라 에틸렌 분해에 관여하는 주 활성성분이 다른 것으로 판단된다. 본 연구의 실험조건에서 플라즈마 방전 후에도 반응기 온도가 60℃를 넘지 않았는데, 이 결과는 플라즈마에 의한 촉매 활성화가 열보다는 산소 라디칼, 오존 등 활성성분에 의해 일어난다는 것을 의미한다.
에너지 밀도를 변화시켜 에틸렌 제거효율을 측정한 결과 V2O5 /γ-Al2O3 촉매를 사용한 경우 355 JL-1 에서 에틸렌 분해효율이 100%로 나타났으며, Ag/γ-Al2O3 촉매를 사용한 경우에는 동일한 에너지밀도에서 92.5%, γ-Al2O3 촉매를 사용한 경우에는 82%로 V2O5 /γ-Al2O3¤Ag/γ-Al2O3 ¤γ-Al2O3 순으로 플라즈마-촉매활성이 높게 나타났다.
V₂O₅ /γ-Al₂O₃ 촉매를 사용한 경우 Ag/γ-Al₂O₃ 촉매에 비해 10배 가량 더 많은 오존이 생성되었지만, V₂O₅ /γ-Al₂O₃ 촉매에 의한 에틸렌 분해효율 증가 폭은 그다지 크지 않았다. 이 결과는 오존 이외에도 다른 활성성분들이 에틸렌의 분해 반응에 참여하였고, 에틸렌의 분해가 다양한 경로에 의해 일어났음을 의미한다. 한편, V₂O₅ 촉매를 사용했을 때 오존 생성농도가 증가한 이유는 플라즈마에 의한 촉매의 산화-환원과정으로 해석된다:

후속연구

이와 같은 이유는 앞에서 언급한 바와 같이 에틸렌을 분해하는 데 충분한 활성산화종이 생성되어 반응에 소모되지 않은 오존이 그대로 배출되는 것으로 판단된다. 선행연구에서(Jo et al., 2013) 이산화망간 촉매에 의해 배출 오존이 효과적으로 제어됨을 확인한 바 있으며, 본 연구의 플라즈마-촉매 반응기 후단에 오존 제어를 위한 촉매반응기가 도입될 수 있다.
실험결과를 종합해보면 에틸렌 분해에 V2O5 /γ-Al2O3 촉매가 가장 우수하였으나, 배출 오존 농도 제어를 위해서는 배출 오존 제어 촉매의 도입이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	후숙(after-ripening)과 관련된 품질의 변화 발생 예시는 무엇인가?	, 2012; Saltveit, 1999). 특히, 농산물의 호흡과정에서 발생하는 에틸렌은 종자발아, 성장, 숙성 등 식물의 생장 과정을 제어하는 식물 호르몬으로 작용하며, 일단 생성되면 스스로 합성을 촉진하는 자가 촉매적 특성을 갖고 있어 저장시설 내의 지속적인 에틸렌 농도 증가로 인해 농산물의 상품성이 크게 떨어진다. 에틸렌은 과일, 야채, 화훼작물 등 농산물을 숙성시키는 데 유용하게 이용될 수도 있지만, 아주 낮은 농도(수 ppb~수 ppm)에서도 농작물에 부정적인 영향을 미치므로 장기저장이 필요한 경우에는 반드시 제거되어야 한다(Guo et al., 2014; Ye et al.
	에틸렌을 제어할 수 있는 기술은 무엇이 있는가?	에틸렌을 제어할 수 있는 기술에는 에틸렌 합성에 관여하는 각종 효소 및 전구물질을 차단하는 생물학적 방법, 흡착이나 흡수와 같은 물리적 방법, 오존처리, NO 처리,ClO2 처리, 촉매분해, 열소각, 플라즈마 처리 등과 같은 화학적인 방법이 알려져 있다(Guo et al., 2014; Njagi et al.
	생물학적 방법의 문제점은?	, 2012; Zaharah and Singh, 2011; Zhu and Zhou, 2007). 생물학적 방법은 에틸렌 합성을 적절히 조절하기가 매우 까다로우며 비용이 많이 드는 문제점이 있고, 화학적인 방법들은 에틸렌 저감에는 효과적이나 사용되는 화학물질의 농도가 높으면 농작물의 품질이 변화될 수 있고 무해한 수준의 적정한 농도를 유지시키기가 어렵다(Jang et al., 2012; Skog andChu, 2001).

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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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