선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 촉매-플라즈마 복합 공정에서의 IPA 분해특성을 조사하였다. 플라즈마 방전전압이 높을수록 방전전력 증가로 인해 IPA 분해효율이 급격히 증가하였으며, 16 kV 이상의 전압에서 1000 ppm 의 IPA가 100% 제거되었다.
- 본 연구에서는 촉매와 플라즈마 공정 각각의 장점을 그대로 유지하면서 단점을 상호 보완하여 효과적으로 VOCs를 처리할 수 있는 촉매-플라즈마 복합 반응 시스템에 대해 다루었다. 촉매-플라즈마 공정에서는 유기화합물 제거 효율이 크게 향상될 뿐만 아니라, 산화반응의 촉진으로 이산화탄소 선택성이 크게 높아져 유해 부산물 발생이 최소화된다.
제안 방법
- Figure 9는 다양한 조건에서 IPA를 분해하여 얻어진 촉매-플라즈마 반응기 출구의 기체 크로마토그램이다. 기체 크로마토그램은 반응기가 정상상태에 도달한 80 min 후에 측정하였으며, 불꽃 이온화 검출기 (flame ionization detector, FID)를 사용하였다. 이 그림에서 (a)는 반응기를 단열하지 않았으며 CuO를 담지하지 않은 상태, (b)는 반응기를 단열하였으며 CuO를 담지하지 않은 상태, (c)는 반응기를 단열하였으며 CuO를 담지한 상태, (d)는 플라즈마를 생성시키지 않고 촉매 온도를 265 ℃로 유지한 상태를 나타낸다.
- 반응기로 주입되는 기체의 전체 유량은 1 L min-1으로 하였으며, 유량조절기(AFC 500, Atovac, Korea)를 이용하여 산소 10%, 질소 90%가 되도록 하였다. IPA의 농도는 증기압과 유량조절기(AFC 500, Atovac, Korea)를 이용하여 1000 ppm으로 조절하였다.
- Roland 등[17]은 플라즈마와 촉매를 직렬로 배치할 때보다 촉매를 플라즈마 발생 영역 내에 둘 경우 제거효율 및 COx (CO + CO2)로의 전환율이 향상된다고 보고하였다. 본 연구에 사용된 플라즈마 생성 방식은 유전체장벽방전(dielectric barrier discharge, DBD)이었으며, 촉매 표면이 플라즈마에 직접 노출될 수 있도록 촉매를 플라즈마 생성 영역에 설치하였다. VOCs 제거실험은 IPA를 대상으로 수행하였다.
- 산화구리 농도가 Cu 함량 기준으로 0.5% (w/w)가 되도록 Cu(NO3)2⋅3H2O를 증류수에 용해한 후 다공질 세라믹 지지체에 함침시켰다.
- 펠렛 형태의 지지체는 기체유량이 증가할 경우 압력강하에 의한 압력손실이 커진다[18,19]. 주요 운전변수는 반응온도, 방전전압, 반응기 단열여부였으며, 이들 운전변수가 IPA 제거 및 부산물 생성거동에 미치는 영향을 조사하였다.
- 촉매-플라즈마 반응기에서 소비되는 방전전력 측정을 위해 오실로스코프(TDS 3032, Tektronix)와 1000 : 1 고전압 프로브 (P6015, Tektronix)가 사용되었다. 촉매-플라즈마 반응기에 직렬연결된 축전기(1.0 mF) 양단의 전압을 10 : 1 프로브(P6139A, Tektronix)를 이용하여 측정함으로써 전하량을 구하고, 이를 방전전압에 대해 도시한 Lissajous 선도로부터 방전전력을 계산하였다[21].
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 플라즈마 생성 방식은 유전체장벽방전(dielectric barrier discharge, DBD)이었으며, 촉매 표면이 플라즈마에 직접 노출될 수 있도록 촉매를 플라즈마 생성 영역에 설치하였다. VOCs 제거실험은 IPA를 대상으로 수행하였다. 촉매 지지체는 압력강하를 최소화시킬 수 있는 구조인 허니컴 형상의 다공성α-Al2O3 세라믹이었다.
- 촉매 지지체는 압력강하를 최소화시킬 수 있는 구조인 허니컴 형상의 다공성α-Al2O3 세라믹이었다. 이 지지체에 금속산화물의 일종인 산화구리를 담지하여 촉매로 사용하였다. 펠렛 형태의 지지체는 기체유량이 증가할 경우 압력강하에 의한 압력손실이 커진다[18,19].
- 촉매 지지체는 α-Al2O3로 이루어진 허니컴 형상의 다공질 세라믹으로 Atech Innovations GmbH (Germany)에서 구입하였다.
- 촉매 지지체는 압력강하를 최소화시킬 수 있는 구조인 허니컴 형상의 다공성α-Al2O3 세라믹이었다.
- 고전압 전극에는 400 Hz 교류전원(최대전압 20 kV)이 연결되었다. 촉매-플라즈마 반응기에서 소비되는 방전전력 측정을 위해 오실로스코프(TDS 3032, Tektronix)와 1000 : 1 고전압 프로브 (P6015, Tektronix)가 사용되었다. 촉매-플라즈마 반응기에 직렬연결된 축전기(1.
- 촉매-플라즈마 반응기는 단열되지 않은 상태였으며, 반응기 내부의 온도변화는 Figure 3과 같다. 플라즈마에 의한 IPA 분해거동 파악을 위해 산화구리가 담지되지 않은 다공질 세라믹을 사용하였다. 플라즈마 상태에서의 IPA 분해는 크게 두 가지 경로로 나누어 해석할 수 있다.
이론/모형
- 플라즈마 방전 전압 및 단열 여부에 따른 촉매-플라즈마 반응기의 내부 온도 변화를 관찰하기 위하여, 최대 500 ℃까지 측정 가능한 수은온도계를 촉매에 삽입하였다. IPA 및 분해 부산물 농도 측정에는 기체크로마토그래프(Bruker 450 GC)와 Fourier변환 적외선분광광도계(FTIR, Bruker IFS 66/S, Germany)가 이용되었다.
- 2 mm이며, 7개의 구멍(6 mm)이 단면에 균일하게 분포되어 있다. 산화구리를 지지체에 담지하기 위하여 습윤 함침법을 이용하였다[20]. 산화구리 농도가 Cu 함량 기준으로 0.
성능/효과
- 비표면적 분석기(Surface Area & Pore Size Analyzer, Autosorb-1-mp, USA)를 이용한 측정 결과, 산화구리 담지 전후의 비표면적은 각각 1.6 m2 g-1과 3.6 m2 g-1으로 산화 구리 담지에 의해 비표면적이 2배 이상 증가되었음을 알 수 있었다.
- 반응기가 단열되지 않았을 때는 산화구리 담지 여부에 관계없이 IPA 분해부산물들의 농도가 큰 차이를 보이지 않았으나(Figure 6), 반응기를 단열했을 때는 Figure 8과 같이 산화구리 담지 여부에 따라 CO 및 CO2의 농도가 큰 차이를 보였으며 아세톤이 거의 사라졌다. 산화구리를 담지하지 않았을 경우 IPA가 부분 산화되어 약 1200 ppm의 CO가 생성된 반면, 산화구리를 담지한 경우에는 반응기가 충분히 가열되지 않은 운전초기에 약 800 ppm의 CO가 생성되었으나, 40 min 이후 농도가 점차 감소하여 80 min에는 CO가 거의 사라진 대신 CO2 농도가 크게 증가하였다. 이 결과는 반응 40 min 이후에 산화구리의 촉매 활성이 나타났기 때문으로 해석된다.
- 반응시간이 경과함에 따라 아세톤의 농도가 점차 감소하여 반응 시간 40 min 이후에 약 330 ppm이 되었다. 이 결과로 보아 상당량의 IPA가 우선 안정한 물질인 아세톤으로 전환되고, 전력을 증가시켜 플라즈마 밀도를 더욱 높이면 아세톤이 차츰 산화되어 일산화탄소와 이산화탄소로 전환된다고 해석할 수 있다. 문헌에 보고된 아세톤과 산소 라디칼의 반응속도상수는 7.
- 또한 플라즈마를 이용한 경우에 발생되지 않았던 프로페인(C3H8)과 아세트알데하이드 피크가 나타났다. 이 결과로부터 촉매만 단독으로 사용할 경우 여러 분해 부산물이 생성되며, IPA의 완전산화를 위해서는 더욱 높은 온도가 요구된다는 것을 알 수 있다.
- 선행연구에서 살펴본 바와 같이[19,20], 전압을 증가시킴에 따라 플라즈마 생성이 방사방향으로 전개되어 나가며 플라즈마 밀도가 높아지고 촉매 전체가 플라즈마에 노출된다. 전압이 15 kV였을 때는 허니컴 형상의 다공질 세라믹 중심 구멍에서만 강하게 플라즈마가 생성되어 방전 전력이 낮았으나, 전압을 증가시킴에 따라 다공질 세라믹 전체에 플라즈마가 생성되어 플라즈마가 차지하는 부피가 크게 증가되었고, 이에 따라 방전전력도 크게 증가되었다. 또한, 운전시간이 증가함에 따라 방전전력이 증가하는 현상이 발생하였는데, 이와 같은 현상은 플라즈마 반응기 내부의 온도상승에 의해 기체의 밀도가 낮아져 기체의 이온화 과정이 용이해졌기 때문으로 해석된다.
- IPA는 산소 라디칼과 반응하여 아세톤을 생성하거나, 탄소-탄소 결합이 해리된 후 일련의 산화 반응을 거쳐 아세트알데하이드, 포름알데하이드, CO, CO2 등의 부산물을 생성한다. 촉매-플라즈마 반응기를 단열하지 않았을 때는 CuO 촉매 담지 전후에 부산물 농도에 큰 변화가 없었으나, 반응기를 단열했을 때는 CuO 담지에 따라 IPA가 대부분 CO2로 전환되었음을 기체 크로마토그램과 FTIR 스펙트럼을 통해 확인할 수 있었다. 플라즈마 생성 없이 265 ℃ 의 온도에서 촉매를 단독으로 사용했을 때는 IPA가 완전 제거되지 않았을 뿐 아니라, IPA의 대부분이 단순히 다른 유기화합물인 아세톤으로 전환되었다.
- 본 연구에서는 촉매-플라즈마 복합 공정에서의 IPA 분해특성을 조사하였다. 플라즈마 방전전압이 높을수록 방전전력 증가로 인해 IPA 분해효율이 급격히 증가하였으며, 16 kV 이상의 전압에서 1000 ppm 의 IPA가 100% 제거되었다. IPA는 산소 라디칼과 반응하여 아세톤을 생성하거나, 탄소-탄소 결합이 해리된 후 일련의 산화 반응을 거쳐 아세트알데하이드, 포름알데하이드, CO, CO2 등의 부산물을 생성한다.
후속연구
- 플라즈마 생성 없이 265 ℃ 의 온도에서 촉매를 단독으로 사용했을 때는 IPA가 완전 제거되지 않았을 뿐 아니라, IPA의 대부분이 단순히 다른 유기화합물인 아세톤으로 전환되었다. 본 연구에서 다룬 촉매-플라즈마 공정은 IPA를 완전히 분해하여 무해한 CO2로 전환시키는 완전 산화 시스템으로 이용될수 있다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.