In order to minimize a building energy consumption with ventilation, a development of smart ventilation system is very important. In this study, a dry adsorbent that is main element of smart ventilation system was developed for removing indoor $CO_2$, and evaluate the adsorption performan...
In order to minimize a building energy consumption with ventilation, a development of smart ventilation system is very important. In this study, a dry adsorbent that is main element of smart ventilation system was developed for removing indoor $CO_2$, and evaluate the adsorption performance. Specific surface area, pore characteristic and crystal structure of the modified sorbent was measured to analyze physical properties. From this analysis, it was found that the developed absorbent has a low specific surface area, due to mesopores of substrate was filled with metal contained raw material. Additionally, through analysis of the adsorption properties, the developed adsorbent was shown a adsorption form of mesopore (type IV), which means adsorption amount was rapidly increased at the part of high-pressure. Order to applying for the field, chamber test was performed. Continuous column tests (2,500 ppm) and batch chamber tests ($4m^3$, 5,000 ppm) showed $CO_2$ removal efficiency of 95% and 88% within 1 hour, respectively.
In order to minimize a building energy consumption with ventilation, a development of smart ventilation system is very important. In this study, a dry adsorbent that is main element of smart ventilation system was developed for removing indoor $CO_2$, and evaluate the adsorption performance. Specific surface area, pore characteristic and crystal structure of the modified sorbent was measured to analyze physical properties. From this analysis, it was found that the developed absorbent has a low specific surface area, due to mesopores of substrate was filled with metal contained raw material. Additionally, through analysis of the adsorption properties, the developed adsorbent was shown a adsorption form of mesopore (type IV), which means adsorption amount was rapidly increased at the part of high-pressure. Order to applying for the field, chamber test was performed. Continuous column tests (2,500 ppm) and batch chamber tests ($4m^3$, 5,000 ppm) showed $CO_2$ removal efficiency of 95% and 88% within 1 hour, respectively.
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문제 정의
본 연구는 건물의 환기에 의해 발생하는 에너지 비용을 최소화하기 위한 지능형 환기시스템 개발에 있어 주요 요소기술인 이산화탄소 포집용 건식 흡착제의 특성과 흡착성능을 비교, 평가하였다.
본 연구에서는 건물의 에너지 효율 향상을 위한 지능형 환기시스템 (smart ventilation system)에 흡착소재가 포함된 흡착모듈을 적용함으로써 환기횟수를 줄여 에너지 사용량을 줄이고자 요소기술인 개발 흡착제에 대한 평가를 진행하였다.
제안 방법
또한 이산화탄소에 대한 흡착효율 향상을 위한 LiOH (LiOH·H2O, Daejung)를 포함한 일정비율의 알칼리 금속과 바인더, 물을 이용하여 혼합 및 반죽과정을 거친 후, 사출기를 이용하여 pellet 형태로 제조하였다.
또한 화학적 결정 구조는 XRD (Rigaku Inst., JP/MAX-2500H)를 통해 분석하였고, 측정조건은 40kV, 40mA 출력으로 2θ 범위 10∼60°, 주사속도는 6 °/min으로 측정하였다.
또한 환기시스템의 적용을 위해 한국공기청정 협회 SPS-KACA 002-132 규격의 탈취시험에 의거하여 흡착제의 성능평가를 진행하였다.
또한 흡착제 크기에 따른 영향을 평가함으로써 최적화를 시키고자 하였으며, 흡착 전·후의 흡착소재의 분석을 통해 흡착메카니즘을 확인하였다.
실험에 사용된 챔버 부피는 4m3 (1.4×1.4×2.0m) 으로 탈취시험 규격과 유사한 장치를 구성한 다음, 흡착제가 채워진 필터모듈 형태로 실험을 진행하였다.
이산화탄소 농도는 2,500ppm (혼합가스: N2)을 기준으로 조절하여 초기 농도를 유지한 다음, 흡착제 (30 g)가 충진된 컬럼을 통과시킴으로써 흡착에 의한 이산화탄소 농도변화를 CO2 analyzer (SenseAir, NDIR 방식)를 이용하여 실시간으로 측정하였다.
제조된 흡착제의 비표면적 및 기공특성을 분석 하기 위하여 질소 흡·탈착법을 이용한 BET 측정기 (BEL SORP-mini Ⅱ, Japan)를 사용하였다.
챔버 내 초기 이산화탄소 농도를 5,000 ppm으로 설정한 다음 전열교환기를 가동하였으며, 이산화탄소 농도 저감 패턴은 비분산적외선법을 적용한 이산화탄소 전용 분석기를 사용하여 측정하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 이산화탄소 흡착제로 널리 사용되고 있는 제올라이트 13X (UOP, 2 mm)를 지지체로 선정하였으며, 내구성 향상을 위한 첨가제로 산화알루미나 (UOP, 2 mm)를 일정비율로 혼합하였다.
실내 저농도의 이산화탄소에 대한 선택적 흡착 능을 향상시키기 위해 제올라이트 13X와 산화알루미나를 지지체로 선정하였으며, 표면 염기점 향상을 위한 활성물질로 알칼리 금속을 일정비율 바인더와 혼합하여 제조하였다.
성능/효과
5가지 등온흡착곡선 중 type Ⅳ에 해당하는 것으로, 저압부분에서는 흡착이 거의 일어나지 않지만, P/P0 값이 증가함에 따라 흡착량이 급격히 증가하는 것을 볼 수 있었다.
XRD 분석결과, 제조한 흡착제는 P/4nmm 공간군을 갖는 tetragonal 구조의 LiOH 결정구조를 유지하였으며, 이산화탄소 흡착 후 알칼리 금속과의 반응에 의해 C2/c 공간군을 갖는 monoclinic 구조의 Li2CO3 가 공존하는 것을 확인할 수 있었다.
연속식 컬럼테스트를 통한 흡착성능을 분석한 결과, 상용 흡착제인 제올라이트 13X와 산화알루미나 보다 우수한 성능을 보였으며, 입자가 작을수록 초기 제거효율 (95%)이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
이산화탄소 초기 농도 변화, 즉 파과점 (breakthrough point)에서의 농도는 제올라이트 13X의 경우 1,459ppm, 산화알루미나의 경우 814ppm까지 저감되는 것을 확인할 수 있었다.
입자크기가 최적화된 제조 흡착제를 환기시스템에 적용하기 위해 흡착필터 모듈형태로 제작하였으며, 4m3 의 시험챔버를 통한 성능 평가 결과, 총 5회 반복실험을 하는 동안 1시간 이내 593 ppm으로 88%의 제거율을 얻었다.
제조한 흡착제의 경우 크기에 상관없이 micropore보다 mesopore가 존재하는 것을 확인할 수 있었다.
즉, 일반 적인 제올라이트의 흡·탈착 곡선 형태로 P/P0=0.1, P/P0=0.8∼1.0 영역에서 기울기의 변화를 보이는 모세관 응축 (capillary filing)에 해당되는 것임을 알 수 있었다.
즉, 제올라이트와 알루미나에 의한 물리적 흡착과 더불어 식(2)와 같이 화학적 반응에 의한 이산화탄소의 포집을 확인할 수 있었다.
즉, 초기 5,000ppm의 이산화탄소 농도에 대한 회분식 시험 결과, 88%의 제거율을 얻었다.
5mm의 흡착제가 충진된 흡착필터 모듈의 성능평가를 위하여 회분식 즉, 4m3의 챔버내 덕트 및 전열교환기를 설치한 후 2m/s의 유속에서 이산화탄소 제거성능 및 흡착제의 수명테스트를 진행한 결과이다. 총 5회의 테스트 결과, 1시간 내로 이산화탄소 농도가 593ppm까지 저감되었다. 즉, 초기 5,000ppm의 이산화탄소 농도에 대한 회분식 시험 결과, 88%의 제거율을 얻었다.
흡착제 종류에 따른 이산화탄소 흡착 파과곡선 (breakthrough curve)으로 지지체인 상용 제올라이트 13X와 산화알루미나의 경우, 저농도 이산화탄소에 대한 선택도가 거의 없으며 빠른 시간 내에 포화되는 것을 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 실험에서 상용 제올라이트 13X와 산화알루미나는 저농도 이산화탄소에 대한 선택도가 거의 없고 빠른 시간 내에 포화되었는데 그 이유는 무엇으로 추측할 수 있는가?
흡착제 종류에 따른 이산화탄소 흡착 파과곡선 (breakthrough curve)으로 지지체인 상용 제올라이트 13X와 산화알루미나의 경우, 저농도 이산화탄소에 대한 선택도가 거의 없으며 빠른 시간 내에 포화되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 약산성인 이산화탄소와의 산-염기 결합을 유도할 수 있는 흡착점이 극히 적기 때문에 이산 화탄소에 대한 선택도가 매우 낮은 것으로 판단 된다 [16,17]. 이산화탄소 초기 농도 변화, 즉 파과점 (breakthrough point)에서의 농도는 제올라 이트 13X의 경우 1,459 ppm, 산화알루미나의 경우 814 ppm까지 저감되는 것을 확인할 수 있었다.
이산화탄소 포집을 위한 흡착법에 적용되는 상용 흡착제로는 어떤 것이 있는가?
이산화탄소의 포집기술로는 흡수법, 막분리법, 흡착법 등이 있으나, 저농도 이산화탄소에 대한 상온제어 방법으로는 고체의 흡착제를 이용한 건식흡착법이 가장 효과적인 공정으로, 다양한 흡착제 개발 연구가 진행되고 있다 [7,8,9,10,11]. 이산화탄소 포집을 위한 흡착법에 적용되는 상용 흡착제로는 활성탄, 제올라이트, 활성알루미나 등이 있으며, 최근 흡착량을 증가시키기 위한 다양한 흡착제 개질 연구가 활발하게 진행되고 있다. Kim 등 (2010)은 상업용 제올라이트 4A와 알칼리 금속 수산화물 (LiOH, NaOH, KOH)을 첨가한 후 유기바인더를 혼합하여 제조한 흡착제를 이용하여 저농도 이산화탄소에 대한 흡착능을 평가한 결과, 최대 0.
저농도 이산화탄소에 대한 상온제어 방법으로 가장 효과적인 공정은 무엇인가?
이산화탄소의 포집기술로는 흡수법, 막분리법, 흡착법 등이 있으나, 저농도 이산화탄소에 대한 상온제어 방법으로는 고체의 흡착제를 이용한 건식흡착법이 가장 효과적인 공정으로, 다양한 흡착제 개발 연구가 진행되고 있다 [7,8,9,10,11]. 이산화탄소 포집을 위한 흡착법에 적용되는 상용 흡착제로는 활성탄, 제올라이트, 활성알루미나 등이 있으며, 최근 흡착량을 증가시키기 위한 다양한 흡착제 개질 연구가 활발하게 진행되고 있다.
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