[논문]플라즈마/촉매 공정을 이용한 n-헵테인과 일산화탄소 동시제거

이상백; 조진오; 목영선

doi:10.7842/kigas.2016.20.2.1

플라즈마/촉매 공정을 이용한 n-헵테인과 일산화탄소 동시제거
Combined Removal of n-heptane and CO using Plasma-catalytic Process 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.20 no.2, 2016년, pp.1 - 9

이상백 (제주대학교 생명화학공학과) , 조진오 (제주대학교 생명화학공학과) , 목영선 (제주대학교 생명화학공학과)

초록
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본 연구는 플라즈마/촉매 공정을 이용하여 n-헵테인과 일산화탄소의 동시제거에 대해 조사하였다. n-헵테인과 일산화탄소의 분해특성을 파악하기 위해 플라즈마/촉매 공정과 촉매공정의 분해효율을 비교하였고, 촉매의 종류, 온도, 전력 등을 변화시켜 실험을 진행하였다. n-헵테인의 분해효율은 반응기 내부의 온도보다는 에너지밀도에 더 영향을 많이 받는 것으로 확인되었으며, 일산화탄소는 에너지밀도와 반응기 내부 온도 모두의 영향을 받는 것으로 나타났다. 촉매의 종류를 달리하며 n-헵테인의 분해효율을 조사한 결과 $Pd/{\gamma}-Al_2O_3$ > $Ru/{\gamma}-Al_2O_3{\approx}Ag/{\gamma}-Al_2O_3$순으로 나타났다. 특히, $Pd/{\gamma}-Al_2O_3$를 사용한 경우 n-헵테인 분해 과정에서 일산화탄소가 거의 발생하지 않았으며, $CO_2$ 선택도가 100%에 가까웠다. 일산화탄소 분해효율은 $Pd/{\gamma}-Al_2O_3$ > $Ru/{\gamma}-Al_2O_3$ > $Ag/{\gamma}-Al_2O_3$ 순으로 나타났으며, $180^{\circ}C$이하의 온도에서는 플라즈마/촉매 공정의 효율이 높고, $180^{\circ}C$이상에서는 촉매 공정의 분해효율이 높았다.

Abstract ▼ AI-Helper

Combined removal of n-heptane and carbon monoxide (CO) using a plasma-catalytic process was investigated. The performance of the plasma-catalytic process was compared with that of the catalyst-alone process to characterize the decomposition of n-heptane and CO with the operation parameters such as the type of catalyst, reaction temperature, and discharge power. From several sets of experiments, it was found that the decomposition efficiency of n-heptane mainly depended on the specific input energy rather than the reactor temperature, whereas the oxidation of CO on both the energy density and the reaction temperature. The results conducted over several metal oxide catalysts exhibited that the decomposition efficiency of n-heptane was in the order: $Pd/{\gamma}-Al_2O_3$ > $Ru/{\gamma}-Al_2O_3{\approx}Ag/{\gamma}-Al_2O_3$. Especially, $Pd/{\gamma}-Al_2O_3$ catalyst did hardly generate CO as a byproduct during the decomposition of n-heptane under an appropriate condition, revealing $CO_2$ selectivity of nearly 100%. The CO oxidation efficiency was largely affected by the type of catalyst ($Pd/{\gamma}-Al_2O_3$ > $Ru/{\gamma}-Al_2O_3$ > $Ag/{\gamma}-Al_2O_3$). At temperatures below $180^{\circ}C$, the plasma-catalytic process was more effective in the oxidation of CO, while above $180^{\circ}C$, the catalytic process resulted in slightly higher CO oxidation efficiency.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 저온 플라즈마/촉매 공정을 이용하여 휘발성 유기화합물과 일산화탄소의 분해 특성에 대해 조사하였다. 촉매로는 Pd/γ-Al₂O₃, Ru/γ-Al₂O₃, Ag/γ-Al₂O₃ 를 사용하였고, 휘발성 유기화합물로는 n-헵테인을 선정하였다.

제안 방법

촉매로는 Pd/γ-Al₂O₃, Ru/γ-Al₂O₃, Ag/γ-Al₂O₃ 를 사용하였고, 휘발성 유기화합물로는 n-헵테인을 선정하였다. 또한, 반응기 내부온도 및 에너지밀도를 변화시켜 n-헵테인과 일산화탄소의 분해특성을 파악하였으며, 퓨리에 변환 적외선 분광광도계(FTIR)를 이용하여 n-헵테인, 일산화탄소, 이산화탄소 등의 농도를 측정하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 저온 플라즈마/촉매 공정을 이용하여 휘발성 유기화합물과 일산화탄소의 분해 특성에 대해 조사하였다. 촉매로는 Pd/γ-Al₂O₃, Ru/γ-Al₂O₃, Ag/γ-Al₂O₃ 를 사용하였고, 휘발성 유기화합물로는 n-헵테인을 선정하였다. 또한, 반응기 내부온도 및 에너지밀도를 변화시켜 n-헵테인과 일산화탄소의 분해특성을 파악하였으며, 퓨리에 변환 적외선 분광광도계(FTIR)를 이용하여 n-헵테인, 일산화탄소, 이산화탄소 등의 농도를 측정하였다.

데이터처리

즉, 방전 전력은 Lissajous 전압-전하 선도를 이용하여 계산하였다. 반응기 내부의 온도는 적외선온도계 (측정범위: 0~500℃)를 반응기 내부에 삽입하여 측정하였으며, n-헵테인과 CO의 농도는 퓨리에 변환 적외선 분광광도계(FTIR-7600, lambda, Australia)를 이용하여 분석하였다. FTIR의 기체 셀 (gas cell) 길이는 16 cm이며, 기체 셀의 윈도우 (window) 재질은 CaF₂였다.

성능/효과

n-헵테인과 일산화탄소를 동시에 주입하여 분해 실험을 수행한 결과 단독으로 주입하여 실험한 결과와 비슷한 분해효율을 나타냈으며, 에너지밀도 280 J L^-1일 때 n-헵테인은 95%, 일산화탄소는 90%이상의 분해효율을 나타내었다. 즉 촉매의 종류, 플라즈마 강도 및 플라즈마 방전에 의해 발생되는 열은 대기오염물질의 분해과정에 중요한 인자로 작용하였다.
플라즈마 발생 형태는 스트리머 형태로 나타났으며, 에너지밀도 220 J L^-1일 때 반응기 내부의 온도는 30~230℃(반응기 내부 평균온도 160℃)의 넓은 분포를 나타내었다. n-헵테인의 분해특성을 살펴본 결과 촉매 공정에 비해 플라즈마/촉매 공정에서 분해효율이 약 50%이상 높게 나타났으며, 분해효율은 Pd/γ-Al₂O₃ > Ru/γ-Al₂O₃ ≈ Ag/γ-Al₂O₃ 순으로 나타났다. 특히, Pd/γ-Al₂O₃를 사용한 경우 n-헵테인의 분해과정에서 일산화탄소가 발생하지 않았다.
일산화탄소의 분해특성을 살펴본 결과 촉매 종류에 따른 분해효율은 Pd/γ-Al₂O₃> Ru/γ-Al₂O₃> Ag/γ-Al₂O₃순으로 나타났으며, Pd/γ-Al₂O₃의 경우 반응기 내부의 온도가 상승함에 따라 분해효율이 최대 40% 이상 증가하였다. 플라즈마/촉매 공정과 촉매 공정을 비교한 결과 반응기 내부 온도가 180℃이하에서는 플라즈마/촉매 공정에서, 180℃ 이상에서는 촉매 공정에서 분해효율이 높게 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	휘발성 유기화합물의 특징은?	휘발성 유기화합물(VOCs)은 대기오염을 일으키는 주요 인자 중 하나로써, 증기압이 높고 광화학 반응에 의해 스모그를 형성시킨다. 미국 환경 보호국 (EPA)에 따르면 대기 중으로 방출되는 VOCs의 약 70%에서 독성이 의심된다고 하였다.
	저온 플라즈마의 단점은?	저온 플라즈마는 전기방전에 의해 쉽게 생성시킬 수 있고, 시스템이 소형이며, 운용이 용이한 장점이 있다. 하지만 처리물질이 비 선택적이며, 원치 않는 부산물을 생성시킬 뿐만 아니라 CO2 선택도가 낮아 실제 산업에 적용하기가 쉽지 않다. 이에 따라 최근에는 저온 플라즈마와 촉매, 광촉매, 흡착공정 등을 결합한 하이브리드 시스템을 이용한 연구가 수행되고 있다 [2,11,12].
	VOCs를 제거하는 방법은?	VOCs를 제거하는 방법에는 흡착, 흡수, 자외선 산화, 생물학적 여과, 촉매산화, 열소각 등 여러 가지 기술이 알려져 있다. 흡착제를 사용할 경우 흡착제 재생과정에 에너지가 필요하며 흡착제의 폐기시 2차 오염을 일으킬 수 있다.

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