[논문]다양한 촉매들을 통한 모델 바이오매스-초임계수 촉매 가스화에서 수소 생산 성능에 대한 연구

허동현; 황종하; 이루세; 손정민

doi:10.7316/khnes.2015.26.1.008

다양한 촉매들을 통한 모델 바이오매스-초임계수 촉매 가스화에서 수소 생산 성능에 대한 연구
The Study on of Hydrogen Production Performance by Model Biomass-supercritical Water Gasification with Various Catalysts 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.26 no.1, 2015년, pp.8 - 14

허동현 (전북대학교 자원에너지공학과) , 황종하 (전북대학교 자원에너지공학과) , 이루세 (전북대학교 자원에너지공학과) , 손정민 (전북대학교 자원에너지공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the model biomass was used for hydrogen production by supercritical water gasification (SCWG). Model biomasses were glycerol, glycine, lignin and cellulose. The feed concentration was set to 1 wt%. Experiments were conducted in a reactor at $440^{\circ}C$ and above 26.3 MPa for 30 min. The effects of catalysts such as alkali metal salt ($K_2CO_3$ and $Na_2CO_3$) and transition metal salts ($Ni(NO_3)_2$, $Fe(NO_3)_3$ and $Mn(NO_3)_2$) on the gasification were systematically investigated. No tar or coke was observed in all experiments. The results showed that the gasification efficiency increased with various catalysts. For the cellulose and glycerol, all catalysts were effective for the promoted $H_2$ production compared with no catalyst. The significant decrease of $H_2$ production compared with no catalyst was observed with $Na_2CO_3$ and $Fe(NO_3)_3$ for glycine and lignin. respectively. The highest H2 production, 1.24 mmol was obtained for glycerol-SCWG with $Mn(NO_3)_2$. Conclusively, the addition of $Mn(NO_3)_2$ enhanced all model biomass gasification efficiency and increased the hydrogen production promoting the supercritical water reaction.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 바이오매스의 주요 구성 물질인 글리세롤(glycerol), 리그닌(lignin), 셀룰로오스(cellulose), 글리신(glycerol)을 모델 바이오매스로 사용하여 초임계수 가스화를 수행하였다. 촉매는 알칼리금속인 Na, K와 전이금속인 Ni, Mn, Fe을 사용하였다.

제안 방법

본 연구는 model biomass(셀룰로오스, 글리세롤, 글리신, 리그닌)을 초임계수 가스화를 통해 알칼리 금속염과 전이금속염을 촉매로 이용하여 반응을 실험하였고 생성가스 중 total 생성물과 H₂ 생성물에 대하여 분석하였다. 이에 따른 결과는 다음과 같다.

대상 데이터

O, Aldrich) 을 사용하였다. 증류수와 모델 바이오매스의 질량비율을 100:1, 바이오매스와 촉매의 질량비율을 10:1로 30분 동안 교반기에 혼합하여 준비 하였다.
초임계수 가스화 실험에 쓰인 모델 바이오매스는 글리신(C₂H₅NO₂), 글리세롤(C₃H₅O₃), 셀룰로오스(C₆H₁₀O₅), 리그닌을 사용하였다.

데이터처리

촉매는 알칼리금속인 Na, K와 전이금속인 Ni, Mn, Fe을 사용하였다. 각각의 촉매들을 통해 반응하여 생성되는 기체생성물 중 H₂를 분석하기 위해 열전도 검출기(TCD)가 장착된 가스크로마토그래피를 이용하여 분석하였다.
마지막으로 반응기의 온도와 압력을 확인한 뒤 가스 생성물은 gas collection bag으로 포집하였다. 포집된 가스 생성물중 H₂를 분석하기 위해 열전도 검출기(TCD)가 장착된 가스크로마토그래피(Gas chromatograph, Younglin, 6400GC)를 이용하여 분석하였다.

성능/효과

1) 셀룰로오스는 모든 촉매가 초임계수 가스화에서 total 생성물 뿐만 아니라 H₂ 생성물에서도 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 그 중에서 전이금속염인 Mn(NO₃)₂, Fe(NO₃)₃가 total 생성물과 H₂생성물이 높은 경향을 보였다.
2) Model biomass중에서 글리세롤이 평균적으로 높은 total 생성물을 나타내며, H₂ 생성물은 Mn(NO₃)₂에서 1.24 mmol로 높은 촉매활성이 확인 되었다. 글리세롤 초임계수 가스화에서 촉매는 Mn(NO₃)₂> Na₂CO₃ > Fe(NO₃)₃ > Ni(NO₃)₂ > K₂CO₃ 순서로 촉매의 활성을 보였으며 글리세롤 초임계수 가스화에서는 Mn(NO₃)₂좋은 활성을 가졌다고 확인하였다.
4) 리그닌-초임계수 가스화에서는 K₂CO₃와 Fe(NO₃)₃가 메탄화 반응으로 인해 H₂ 생성물이 감소하였지만, Mn(NO₃)₂ 촉매가 0.93 mmol로 초임계수 가스화에서 효과적임을 보였다.
그 중에서 전이금속염인 Mn(NO₃)₂, Fe(NO₃)₃가 total 생성물과 H₂생성물이 높은 경향을 보였다. 따라서 Mn(NO₃)₂에서 H₂ 생성물이 최대값 0.84mmol이 생성되었으며 셀룰로오스 초임계수 가스화에 적합하다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초임계수 가스화를 위한 귀금속 촉매가 사용될 때 생기는 문제는?	초임계수 가스화를 위한 촉매로 Ru 같은 귀금속 촉매, Ni-base 촉매 등이 사용되었으며 초임계수 가스화에 효과가 있는 것으로 알려져 있다19-20). 그러나 귀금속 촉매는 높은 비용으로 인해 공정에 적용이 어려운 경제적 문제가 있으며 Ni-base 촉매는 Ni 입자가 소결현상으로 활성이 저하되며 반응이 진행 될수록 탄소 침적이 발생하여 활성 저하 및 촉매 흐름이 막히는 현상이 일어나게 된다1) .
	바이오매스를 이용한 가스화는 어느 분야에 적용할 수 있는가?	이런 상황에 대응한 대체연료로 바이오매스를 이용하여 에너지 전환이 가능한 열분해, 액화, 가스화 등 주목을 받고 있다2-4). 바이오매스를 이용한 가스화는 열에너지 사용과 부분산화를 통한 전력생산이나 다양한 화학 물질의 합성 등 여러 분야에 적용할 수 있다5-7). 그러나 대부분의 바이오매스는 높은 함수율8)을 가지기 때문에 건조공정의 높은 비용과 가스화 효율이 낮아지는 단점이 있다9).
	대부분의 바이오매스의 단점은?	바이오매스를 이용한 가스화는 열에너지 사용과 부분산화를 통한 전력생산이나 다양한 화학 물질의 합성 등 여러 분야에 적용할 수 있다5-7). 그러나 대부분의 바이오매스는 높은 함수율8)을 가지기 때문에 건조공정의 높은 비용과 가스화 효율이 낮아지는 단점이 있다9). 바이오매스를 이용한 가스화 중 함수율이 높은 바이오매스를 고온고압에서 초임계 상태로 만들어 가스화반응을 진행시키는 초임계수 가스화가 연구 중에 있다.

참고문헌 (24)

Y. Guo, S. Z. Wang, D. H. Xu, Y. M. Gong, H. H. Ma, X. Y. Tang, "Review of catalytic supercritical water gasification for hydrogen production from biomass", Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 14, 2010, p. 334-343.

상세보기
S. J. Yoon, Y. C. Choi, J. G. Lee, "Hydrogen production from biomass tar by catalytic steam reforming", Energy Conversion and Management, Vol. 51, 2010, p. 42-47.

상세보기
S. J. Yoon, J. G. Lee, H. W. Ra, M. W. Seo, "Supercritical Water Gasification of Low Rank Coal with High Moisture Content", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 24, No. 4, 2013, p. 340-346.

원문보기 상세보기
D. I. Kim, J. G. Lee, Y. K. Kim, S. J. Yoon, "The Characteristics of Coal Gasification using Microwave Plasma", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 23, No. 1, 2012, p. 93-99.

원문보기 상세보기
J. Tao, L. Zhao, C. Dong, Qiang Lu, X. Du, E. Dahlquist, "Catalytic Steam Reforming of Toluene as a Model Biomass Gasification Tar Compound using Ni- $CeO_2$ /SBA-15 Catalysts", Energies, Vol. 6, 2013, p. 3284-3296.

상세보기
R. Yin, R. Liu, J. Wu, X. Wu, C. Sun, C. Wu, "Influence of particle size on performance of a pilot-scale fixed-bed gasification system", Bioresource Technol, Vol. 119, 2012, p. 15-21

상세보기
G. Guan, G. Chen, Y. Kasai, E. W. C. Lim, X. Hao, M. Kaewpanh, A. Abuliti, C. Fushimie, A. Tsutsumi, "Catalytic steam reforming of biomass tar over iron- or nickel-based catalyst supported on calcined scallop shell", Applied Catalysis B: Environmental, Vol. 115-116, 2012, p. 159-168.

상세보기
A. Kruse, T. Henningsen, A. Sinag, and J. Pfeiffer, "Biomass gasification in supercritical water: influence of the dry matter content and the formation of phenols", Ind Eng Chem Res, Vol 42, No. 16, 2003, p. 3711-3717.

상세보기
X. Xu, Y. Matsumura, J. Stenberg, M. J. Antal, Jr., "Carbon-catalyzed gasification of organic feedstocks in supercritical water", Ind Eng Chem Res, Vol. 35, No. 8, 1996, p. 2522-2530.

상세보기
P. E. Savage, "A perspective on catalysis in suband supercritical water", Journal of Supercritical Fluids, Vol. 47, 2009, p. 407-414.

상세보기
A. A. Peterson, F. Vogel, R. P. Lachance, M. Froling, M. J. Antal, J. W. Tester, "Thermochemical biofuel production in hydrothermal media: a review of suband supercritical water technologies", Energy and Environmental Science, Vol. 1, 2008, p. 32-65.

상세보기
L. J. Guo, Y. J. Lu, X. M. Zhang, C. M. Ji, Y. Guan, A. X. Pei, "Hydrogen production by biomass gasification in supercritical water: a systematic experimental and analytical study", Catalysis Today, Vol. 129, 2007, p. 275-286.

상세보기
Y. Matsumura, T. Minowa, B. Potic, S. R. A. Kersten, W. Prins, PS. Willibrordus, et al, "Biomass gasification in near- and supercritical water: status and prospects", Biomass Bioenergy, Vol. 29, 2005, p. 269-292.

상세보기
Y. Calzavara, C. Joussot-Dubien, G. Boissonnet, S. Sarrade, "Evaluation of biomass gasification in supercritical water process for hydrogen production", Energy Convers Manage, Vol. 46, 2005, p. 615-631.

상세보기
M. Watanabe, H. Inomata, K. Arai, "Catalytic hydrogen generation from biomass (glucose and cellulose) with $ZrO_2$ in supercritical water", Biomass Bioenergy, Vol. 22, 2002, p. 405-410.

상세보기
A. Kruse, D. Meier, P. Rimbrecht, M. Schacht, "Gasification of pyrocatechol in supercritical water in the presence of potassium hydroxide", Ind Eng Chem Res, Vol. 39, 2000, p. 4842-4848.

상세보기
M. Osada, T. Sato, M. Watanabe, T. Adschiri, K. Arai, "Low temperature catalytic gasification of lignin and cellulose with a ruthenium catalyst in supercritical water". Energy Fuels, Vol. 18, 2004, p. 327-333.

상세보기
J. Wang, T. Takarada, "Role of calcium hydroxide in supercritical water gasification of low-rank coal". Energy Fuels, Vol. 15, 2001, p. 356-362.

상세보기
A. J. Byrd, K. K. Pant, R. B. Gupta, "Hydrogen production from glycerol by reforming in supercritical water over Ru/ $Al_2O_3$ catalyst", Fuel, Vol. 87, 2008, p. 2956-2960.

상세보기
N. Ding, R. Azargohar, A. K. Dalai, J. A. Kozinski, "Catalytic gasification of glucose to H2 in supercritical water", Fuel Processing Technology, Vol. 127, 2014, p. 33-40.

상세보기
S. Guo, L. Guo, C. Cao, J. Yin, Y. Lu, X. Zhang, "Hydrogen production from glycerol by supercritical water gasification in a continuous flow tubular reactor", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 37, No. 7, 2012, p. 5559-5568.

상세보기
D. Xu, S. Wang, X. Hu, C. Chen, Q. Zhang, Y. Gong, "Catalytic gasification of glycine and glycerol in supercritical water", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 34, No. 13, 2009, p.5357-5364.

상세보기
L. Zhang, P. Champagne, C. C. Xu, "Screening of supported transition metal catalysts for hydrogen production from glucose via catalytic supercritical water gasification", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 36, No. 16, 2011, p. 9591-9601.

상세보기
G. Schuster, G. Loffler, K. Weigl, H. Hofbauer, "Biomass steamgasification - an extensive parametric modeling study", Bioresource Technology, Vol. 77, 2001, p. 71-79.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증