[논문]고농도 과산화수소와 수소화물의 지속적인 반응에 대한 연구

서성현

doi:10.7316/khnes.2015.26.3.271

고농도 과산화수소와 수소화물의 지속적인 반응에 대한 연구
Feasibility of Energy Generation from Chemical Reaction between Hydrogen Peroxide/Hydride 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.26 no.3, 2015년, pp.271 - 277

서성현 (국립한밭대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The present paper discusses about noble idea on various reactions including hydrides, hydrogen peroxide and nano-sized metal powders, which do not emit toxic materials as well as carbon dioxide. Here in this paper, the very first-ever concept that heat energy can be generated from the direct reaction between sodium borohydride and hydrogen peroxide is presented. Sodium hydride as fuel can supply hydrogen reacting with oxygen provided by the decomposition of hydrogen peroxide solution. Solid sodium borohydride can be resolved in water and treated as liquid solution for the easy handling and the practical usage although its solid powder can be directly mixed with hydrogen peroxide for the higher reactivity. The thermodynamic analysis was conducted to estimate adiabatic reaction temperatures from these materials. The preliminary experiment on the reactions conducted using sodium borohydride powder and hydrogen peroxide water solution revealed that the self-propagating reaction can occur and that its reactivity increases with an increase of hydrogen peroxide concentration.

주제어

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문제 정의

본 논문에서 관심을 갖는 물질을 Table 2에 정리하였다^12,13). 따라서 본 논문에서는 수소화물(hydride)과 과산화수소를 직접적인 화학반응을 통해 열에너지를 발생시키는 방법에 대해 논하고자 하였다.
1에서 도시한 것과 같이 이산화탄소와 기존의 독성 배기물질을 전혀 배출하지 않는 에너지 발생 메커니즘을 구현할 수 있으며, 이와 같은 메커니즘에 대한 연구는 저자의 확인에 의하면 여태까지 보고된 바가 없다. 본 연구는 수소저장 물질과 산소 저장물질을 액체 상태에서 직접 반응시켜 열에너지를 얻고자 하는 시도로부터 출발하였으며, 촉매 도움 없이 연속적인 반응을 지속시킬 수 있도록 하는 것이 본 연구의 궁극적인 목표이다.

가설 설정

1에 나타내었다. 고체상태의 NaBH₄를 물과 혼합하여 수용액상태로 반응에 참여시켰을 때 공급 등의 취급이 용이하다. 그러나 수용액상태의 NaBH₄는 상온상태에서 자발적으로 수소를 배출하게 되는데 이를 억제하기 위해서 수용액을 알칼리 성질을 띠도록 하면 이를 억제할 수 있다.

제안 방법

열에너지를 생성하며 이산화탄소와 독성배기 가스를 전혀 배출하지 않는 새로운 개념의 반응메커니즘에 대한 아이디어와 관련 내용을 본 논문에서 수록하였다. 수소화물(hydride)의 한 종류인 소듐보로하이드라이드(NaBH₄)를 연료로, 과산화수소를 산화제로 활용하여 무독성 친환경 물질인 NaBO₂와 물만을 배출하는 열에너지 생성 메커니즘에 대한 개념 연구를 실시하였다. 생성물과 반응물의 엔탈피 합계를 이용한 열역학적 분석에 의하면 최대 1795 K를 갖는 생성물이 발생하며, 이와 같은 메커니즘을 활용하여 열에너지 발생에 실제로 활용 가능한지에 대한 정확한 판단을 위해서는 실제 실험을 통한 반응속도 등을 확인하는 추가 연구가 필요하다.
앞에서 언급한 것과 같이 소듐 보로하이드라이드의 수소 배출과 과산화수소의 산소 배출에 따른 발열 반응과 수소 연소를 통한 연소열 발생으로 연속적인 열에너지 생성 메커니즘의 아이디어를 도출하였다. 본 메커니즘의 구성과 관련 반응식을 Fig.
이와 같이 본 논문에서는 가수 분해에 의해 수소를 발생시키는 소듐 보로하이드라이드와 분해 반응을 통해 산소와 물을 배출하는 과산화수소를 직접 반응시켜 동력 생산을 위한 열에너지를 생성하는 메커니즘에 대한 고찰을 수행하였다.

이론/모형

본 연구에서는 THERMO¹⁷⁾라는 상용 프로그램을 사용하여 열역학적 분석을 수행하였다. 우선 본 프로그램을 활용하기 위해서는 비열을 온도의 함수로 나타낸 정보가 필요하다.

후속연구

생성물과 반응물의 엔탈피 합계를 이용한 열역학적 분석에 의하면 최대 1795 K를 갖는 생성물이 발생하며, 이와 같은 메커니즘을 활용하여 열에너지 발생에 실제로 활용 가능한지에 대한 정확한 판단을 위해서는 실제 실험을 통한 반응속도 등을 확인하는 추가 연구가 필요하다. 또한 수소발생율을 높이기 위해 고체상태의 하이드라이드를 반응에 직접 투입할 시에 고체 가루를 원활하게 공급할 수 있는 방법에 대한 연구 또한 필요할 것으로 판단된다.
수소화물(hydride)의 한 종류인 소듐보로하이드라이드(NaBH₄)를 연료로, 과산화수소를 산화제로 활용하여 무독성 친환경 물질인 NaBO₂와 물만을 배출하는 열에너지 생성 메커니즘에 대한 개념 연구를 실시하였다. 생성물과 반응물의 엔탈피 합계를 이용한 열역학적 분석에 의하면 최대 1795 K를 갖는 생성물이 발생하며, 이와 같은 메커니즘을 활용하여 열에너지 발생에 실제로 활용 가능한지에 대한 정확한 판단을 위해서는 실제 실험을 통한 반응속도 등을 확인하는 추가 연구가 필요하다. 또한 수소발생율을 높이기 위해 고체상태의 하이드라이드를 반응에 직접 투입할 시에 고체 가루를 원활하게 공급할 수 있는 방법에 대한 연구 또한 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄화수소로 이루어진 화석연료의 연소 반응 시 어떤 환경오염물질이 배출되는가?	또한 급격한 에너지 소비 증가로부터 기인한 환경오염 문제 또한 심각하다. 탄화수소로 이루어진 화석연료의 연소 반응 시 미연 탄화수소, 일산화탄소, 산화질소 등의 환경오염 물질이 배출된다. 게다가 화석연료 연소 시 필히 발생하는 이산화탄소는 지구 온난화의 주범이 되는 가스로 이를 줄이기 위해서는 근본적으로 탄화수소 연소반응을 줄여나가는 것이 필요하다.
	수소의 저장 밀도를 높이기 위해, 압력을 높이거나 저장 온도를 낮춰서 수소를 액화상태로 만들어야 하는 어려움이 따르는 이유는 무엇인가?	7배 크며 일반적인 탄화수소 연료에 비해 약 3배 정도의 단위 질량 당 에너지 발생량을 보인다1). 그러나 수소는 상압에서 끓는점(-252.87°C)과 밀도(0.08988 g/liter)가 매우 낮아, 탄화수소 연료와 비교했을 시 동일한 총 에너지 생성량에 필요한 연료 저장 부피가 매우 크다2). 따라서 수소의 저장 밀도를 높이기 위해서는 압력을 높이거나 저장 온도를 낮춰서 수소를 액화상태로 만들어야 하는 어려움이 따른다.
	에너지원으로서 수소의 장점은 무엇인가?	탄화수소와 달리 독성 배기가스와 이산화탄소를 발생시키지 않으면서 연소반응을 통해 에너지를 발생할 수 있는 연료는 연소생성물로 물을 배출 하는 수소가 유일하다. 수소는 단위 킬로 그램당 에너지 발생량이 143 MJ로서 천연가스가 53.6 MJ인 것에 비해 2.7배 크며 일반적인 탄화수소 연료에 비해 약 3배 정도의 단위 질량 당 에너지 발생량을 보인다1). 그러나 수소는 상압에서 끓는점(-252.

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