[논문]개질 수소 정제용 PSA 공정을 위한 CO 흡착제의 성능 평가

박진남

doi:10.7316/khnes.2016.27.6.628

개질 수소 정제용 PSA 공정을 위한 CO 흡착제의 성능 평가
The Evaluation of CO Adsorbents Used in PSA Process for the Purification of Reformed Hydrogen 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.27 no.6, 2016년, pp.628 - 635

Abstract ▼ AI-Helper

Natural gas reformed hydrogen is used as a fuel of fuel cell vehicle, PSA process is used for the purification of reformed hydrogen. In this study, the performance of CO adsorbent in PSA process was evaluated. Zeolite adsorbents used in the commercial PSA process is used. The physical and chemical properties of adsorbents were characterized using BET apparatus, XRD, and FE-SEM. The breakthrough apparatus modified from GC was used for the CO breakthrough experiment, the quantitative analysis of CO adsorption capacity was performed using CO breakthrough curve. Zeolite 10X and 13X showed superior CO adsorption capacity than activated alumina. The CO adsorption capacity of zeolite 10X is more than twice of zeolite 13X even the BET surface area is low. It seems that the presence of $Ca^{2+}$ cation in zeolite 10X is beneficial to the adsorption of CO.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 개질수소 정제를 위한 상업용 PSA 공정에서 사용되는 각 단의 흡착제의 물리적 화학적 특성을 분석하고, CO 파과 곡선의 측정을 통해 각 흡착제의 CO흡착 능력을 정량적으로 평가하고자 한다. 최종적으로는 CO 흡착능력의 차이가 발생하는 원인에 대해 고찰하고자 한다.

제안 방법

1에 보이듯이 GC (Younglin Instrument, ACME 6100)를 개조하여 사용하였다¹⁰⁾. GC의 칼럼 대신에 흡착탑을 모사하여 흡착제를 채운 흡착칼럼을 장착하여 CO의 흡착 및 탈착성능을 평가하였다.
본 연구에서는 개질수소 정제를 위한 상업용 PSA 공정에서 사용되는 각 단의 흡착제의 물리적 화학적 특성을 분석하고, CO 파과 곡선의 측정을 통해 각 흡착제의 CO흡착 능력을 정량적으로 평가하고자 한다. 최종적으로는 CO 흡착능력의 차이가 발생하는 원인에 대해 고찰하고자 한다.

대상 데이터

CO의 흡탈착 성능 평가를 위해 CO (99.997%)와 He (99.999%) 기체를 사용하였으며, 기체 유량은 MFC(Brooks Instrument, 5850E)를 사용하여 조절하였다. MFC를 통과한 기체는 직접 흡착칼럼으로 연결되며, 흡착칼럼을 통과한 기체의 조성은 TCD (Thermal Conductivity Detector)를 이용하여 분석하였다.
천연가스 개질수소를 대량 생산하기 위해서 수소정제용 PSA 공정이 주로 사용되며, 본 연구에서는 PSA 흡착탑에서 가장 중요한 CO 흡착제의 성능을 평가하였다. 흡착제는 PSA 공정에서 사용되는 상용 흡착제를 대상으로 하였다.

데이터처리

실험을 통해 얻어진 시간에 따른 CO농도 변화를 측정한 파과 곡선 데이터는 Excel 프로그램을 이용하여 적분 등의 계산을 수행하였으며, 이를 통해 CO 흡착 능력을 정량적으로 해석할 수 있었다.

성능/효과

GC를 개조한 CO 파과 실험 장치를 이용하여 흡착제의 CO 흡착 성능을 비교하여, 제올라이트 X 계열이 우수한 CO 흡착 성능을 가짐을 확인하였다. 특히 BET 표면적이 더 작은 제올라이트 10X가 제올라이트 13X에 비해 2배 이상의 CO 흡착능력을 가짐을 확인하였는데, 이는 제올라이트 10X에 존재하는 Ca²⁺ 양이온의 존재 및 이의 제올라이트 내의 위치가 CO 흡착에 유리하게 작용하기 때문으로 생각된다.
이상의 분석을 통해 TOP은 제올라이트 10X, MID는 제올라이트 13X, BTM은 활성 알루미나임을 알 수 있었다.
GC를 개조한 CO 파과 실험 장치를 이용하여 흡착제의 CO 흡착 성능을 비교하여, 제올라이트 X 계열이 우수한 CO 흡착 성능을 가짐을 확인하였다. 특히 BET 표면적이 더 작은 제올라이트 10X가 제올라이트 13X에 비해 2배 이상의 CO 흡착능력을 가짐을 확인하였는데, 이는 제올라이트 10X에 존재하는 Ca²⁺ 양이온의 존재 및 이의 제올라이트 내의 위치가 CO 흡착에 유리하게 작용하기 때문으로 생각된다.

후속연구

향후에 보다 정확한 분석을 통해, 제올라이트 내부에 존재하는 양이온의 양, 위치, 원자가를 파악한다면 이와 CO 흡착량과의 상관관계를 보다 명확히 확인할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	친환경 수소연료전지 자동차의 상용화가 적극적으로 추진되고 있는 이유는?	신재생에너지에 대한 관심의 증대에 따라 기존의 화석연료를 사용하는 자동차를 대체하기 위해 친환경 수소연료전지 자동차의 상용화가 적극적으로 추진되고 있다. 수소연료전지 자동차의 보급을 위해서는 수소충전 인프라 구축이 필수적이다.
	수소연료전지 자동차의 보급을 위해 필수적인 것은?	신재생에너지에 대한 관심의 증대에 따라 기존의 화석연료를 사용하는 자동차를 대체하기 위해 친환경 수소연료전지 자동차의 상용화가 적극적으로 추진되고 있다. 수소연료전지 자동차의 보급을 위해서는 수소충전 인프라 구축이 필수적이다. 국내의 경우 자동차용 연료로 사용되는 수소의 공급은 초기에는 부생수소를 이용하면 충분하겠지만 장기적으로는 부생수소로 그 필요량을 감당할 수 없으며, 별도로 수소를 대량 공급할 수 있는 방안이 마련되어야 한다1).
	별도로 수소를 대량 공급할 수 있는 방안은 무엇인가?	현재 가장 현실적인 대안은 천연가스의 개질을 통한 수소의 생산이며, 그 다음으로는 물의 전기분해를 통한 수소 생산이 있다2,3). 개질에 의한 수소 생산은 화석연료인 천연가스를 원료로 하여 수소를 생산하므로 이산화탄소가 발생하게 되는 단점이 있지만 휘발유를 자동차용 연료로 사용할 경우보다는 이산화탄소 저감 측면에서 유효하다.

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