포름알데히드 상온산화 촉매의 상용화를 위한 촉매 제조 및 공정 운전조건 최적화 연구 A Study on the Optimization of Process Operation & Catalyst Preparing for Commercialization of Formaldehyde Room Temperature Oxidation Catalyst원문보기
이상현
(Department of Environmental Energy Engineering, Graduate School of Kyonggi University)
,
박인출
(Department of Environmental Energy Systems Engineering, Graduate School of Kyonggi University)
,
김성수
(Department of Environmental Energy Engineering, Kyonggi University)
본 연구에서는 포름알데히드를 상온산화시켜 제거하는 $Pt/TiO_2$ 촉매의 상용화 인자들이 조사되었다. 활성 귀금속 함량 최적화를 위해 촉매의 백금(Pt) 담지량을 변화시켜 제조 후 성능을 평가하였으며, 그 결과 1wt% 함량이 가장 이상적인 함량임을 확인하였다. 또한 활성금속인 Pt를 환원하여 제조한 환원 촉매가 상온에서 우수한 포름알데히드 산화 능력을 나타내었다. 이를 통해 활성금속의 산화가에 따라 성능이 변화될 수 있으며, 백금의 경우 metallic Pt($Pt^0$)로 존재할수록 포름알데히드 상온산화 성능이 증진될 수 있음을 확인하였다. 촉매의 운전인자를 도출하기 위한 공간속도 영향 평가 결과 공간속도가 낮을수록 촉매량 증가에 의해 포름알데히드 전환율이 증진되는 결과를 나타내었다. 또한 공기 내 반드시 존재하는 물질인 수분의 공기 내 공존 시 영향 평가를 실시하였으며, 그 결과 수분이 공존할 때 포름알데히드 산화반응이 수분이 존재하지 않은 조건에서의 활성보다 증진되었다. 상기 결과들을 통해 어떤 추가 에너지원 없이도 포름알데히드를 제거 할 수 있는 상온산화 촉매 상용화를 위한 핵심인자들을 확인하였다.
본 연구에서는 포름알데히드를 상온산화시켜 제거하는 $Pt/TiO_2$ 촉매의 상용화 인자들이 조사되었다. 활성 귀금속 함량 최적화를 위해 촉매의 백금(Pt) 담지량을 변화시켜 제조 후 성능을 평가하였으며, 그 결과 1wt% 함량이 가장 이상적인 함량임을 확인하였다. 또한 활성금속인 Pt를 환원하여 제조한 환원 촉매가 상온에서 우수한 포름알데히드 산화 능력을 나타내었다. 이를 통해 활성금속의 산화가에 따라 성능이 변화될 수 있으며, 백금의 경우 metallic Pt($Pt^0$)로 존재할수록 포름알데히드 상온산화 성능이 증진될 수 있음을 확인하였다. 촉매의 운전인자를 도출하기 위한 공간속도 영향 평가 결과 공간속도가 낮을수록 촉매량 증가에 의해 포름알데히드 전환율이 증진되는 결과를 나타내었다. 또한 공기 내 반드시 존재하는 물질인 수분의 공기 내 공존 시 영향 평가를 실시하였으며, 그 결과 수분이 공존할 때 포름알데히드 산화반응이 수분이 존재하지 않은 조건에서의 활성보다 증진되었다. 상기 결과들을 통해 어떤 추가 에너지원 없이도 포름알데히드를 제거 할 수 있는 상온산화 촉매 상용화를 위한 핵심인자들을 확인하였다.
In this study, the factors affecting commercialization of $Pt/TiO_2$ catalyst, which can oxidize HCHO at room temperature, was investigated. In order to determine the optimum noble metal loading, the catalytic activity was evaluated by varying the Pt loadings; the best catalytic activity ...
In this study, the factors affecting commercialization of $Pt/TiO_2$ catalyst, which can oxidize HCHO at room temperature, was investigated. In order to determine the optimum noble metal loading, the catalytic activity was evaluated by varying the Pt loadings; the best catalytic activity was achieved for 1 wt% of Pt. In addition, the catalyst prepared under the reduction condition showed an excellent HCHO oxidation conversion at room temperature. Based on these results, it was confirmed that the activity could be changed by oxidation state of active metal, and in case of Pt, metallic Pt ($Pt^0$) species was more active on HCHO oxidation at room temperature. As a result of evaluating an effect of space velocity to determine the optimum operating condition, it was found that in the lower space velocity, conversion rate of HCHO was increased due to increase of catalyst bed. Catalytic activity was greater in the presence of moisture than in its absence. Through above results, the key factors for commercialization of oxidation catalyst, which was operated at room temperature even without any additional energy source was confirmed.
In this study, the factors affecting commercialization of $Pt/TiO_2$ catalyst, which can oxidize HCHO at room temperature, was investigated. In order to determine the optimum noble metal loading, the catalytic activity was evaluated by varying the Pt loadings; the best catalytic activity was achieved for 1 wt% of Pt. In addition, the catalyst prepared under the reduction condition showed an excellent HCHO oxidation conversion at room temperature. Based on these results, it was confirmed that the activity could be changed by oxidation state of active metal, and in case of Pt, metallic Pt ($Pt^0$) species was more active on HCHO oxidation at room temperature. As a result of evaluating an effect of space velocity to determine the optimum operating condition, it was found that in the lower space velocity, conversion rate of HCHO was increased due to increase of catalyst bed. Catalytic activity was greater in the presence of moisture than in its absence. Through above results, the key factors for commercialization of oxidation catalyst, which was operated at room temperature even without any additional energy source was confirmed.
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문제 정의
촉매의 최적 백금 함량, 환원 여부는 촉매의 경제성을 극대화하여 상용화의 기반을 마련하기 위한 연구로써 수행하였으며, 공간속도, 공기 중 수분이 전환율에 미치는 영향 확인은 상온산화 공정의 운전 조건 최적화를 위함이다. 결론적으로 본 연구 에서는 촉매의 실공정 적용 및 상용화에 반드시 필요한 기반을 확보하기 위한 연구를 수행하였다.
포름알데히드 상온산화반응 촉매와 관련하여 포름알데히드 촉매산화반응 특성, 촉매의 물리･화학적 특성과 성능과의 상관관계 분석 등 현재까지 학술적으로 다양한 연구가 진행되어 있으나, 본 촉매를 실공정에 적용하여 상용화하기 위한 연구, 즉 포름알데히드 상온산화 공정의 운전조건 최적화 및 촉매의 상용화 제조 조건에 관련된 내용은 연구가 부족한 실정이다. 이에 따라 본 연구에서는 상온산화 촉매의 귀금속 함량에 따른 HCHO 전환률 확인을 통한 촉매의 촉매 내 백금 함량 최적화 연구, 촉매 반응기 내 공간속도의 영향, 제조된 촉매의 환원에 의한 활성금속 산화가 변화에 따른 영향 및 공기 내 반드시 존재하는 유입 공기 내 수분에 따른 촉매의 활성도 차이를 조사하였다. 촉매의 최적 백금 함량, 환원 여부는 촉매의 경제성을 극대화하여 상용화의 기반을 마련하기 위한 연구로써 수행하였으며, 공간속도, 공기 중 수분이 전환율에 미치는 영향 확인은 상온산화 공정의 운전 조건 최적화를 위함이다.
이에 따라 본 연구에서는 상온산화 촉매의 귀금속 함량에 따른 HCHO 전환률 확인을 통한 촉매의 촉매 내 백금 함량 최적화 연구, 촉매 반응기 내 공간속도의 영향, 제조된 촉매의 환원에 의한 활성금속 산화가 변화에 따른 영향 및 공기 내 반드시 존재하는 유입 공기 내 수분에 따른 촉매의 활성도 차이를 조사하였다. 촉매의 최적 백금 함량, 환원 여부는 촉매의 경제성을 극대화하여 상용화의 기반을 마련하기 위한 연구로써 수행하였으며, 공간속도, 공기 중 수분이 전환율에 미치는 영향 확인은 상온산화 공정의 운전 조건 최적화를 위함이다. 결론적으로 본 연구 에서는 촉매의 실공정 적용 및 상용화에 반드시 필요한 기반을 확보하기 위한 연구를 수행하였다.
제안 방법
(2) 촉매에 담지된 귀금속의 산화가에 따른 반응 활성도를 확인하기 위하여 본 실험에서 일반적인 제법으로 제조된 Pt 1%/TiO2 (DT58) 400℃ 소성 촉매에 600℃로 환원을 수행하여 촉매의 성능을 비교하였다. Kim et al.
본 연구에서 기 서술된 1% Pt/TiO2(G) 촉매의 경우 약 45% 정도의 HCHO 전환율을 나타냈는데, 촉매의 양에 따라 반응 활성이 증가되는지의 여부를 확인하기 위해 촉매의 공간속도에 관한 영향을 조사하였다. 실험은 공간속도를 10,000～100,000hr-1 까지 변화시키며 그에 따른 반응 활성을 조사하는 것으로 수행하였다.
이에 따라 백금의 함량 즉, 반응 site의 증감이 반응 활성에 미치는 영향을 조사하기 위하여 Pt/TiO2(G) 촉매에 대하여 백금 담지 함량별 반응 활성실험을 수행하였다.
이에 따라 이전 연구에서 사용했던 것과는 다른 성상의 상용 TiO2를 사용하여 Pt 1%/TiO2(DT58) 촉매를 원래 촉매의 제법대로 제조 후 600℃로 재환원하여 활성을 비교하였다. 실험 결과 환원 공정을 거친 촉매의 전환율이 원래 제법 대로만 제조한 촉매의 전환율보다 3배 이상 우수한 것을 확인하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 촉매는 Pt/TiO2계 촉매로서 platinum을 상용 TiO2에 담지하여 제조하였다.
상용 TiO2는 G-5(M社,) DT58(C社)을 지지체로 사용하여 수행하였으며, 이의 물리적 특성 중 타 성분 함유량을 Table 1에 나타내었다. 담지된 활성금속의 함량은 wt%로 나타내었으며, 활성금속이 담지된 촉매는 모두 300℃에서 3시간 환원 후 400℃에서 4시간 소성하여 제조하였다.
이론/모형
본 연구에서 사용한 촉매의 제법은 함침법 중의 하나인 습식 함침법이며, 상세한 과정을 Fig. 1에 나타내었다.
성능/효과
(1) Pt/TiO2 촉매 반응 site의 증감이 반응 활성에 미치는 영향을 조사하기 위하여 Pt/TiO2(G) 촉매에 대하여 백금 담지 함량별 반응 활성실험을 수행한 결과 백금 함량이 1wt% 이상일 때 전환율이 가장 우수한 것으로 관찰되었다. Kim & Hong(2010)의 연구결과와 비교하여 판단한 결과 Pt의 담지량이 1wt% 이상 증가하여도 반응 활성점이 증가하지 않아 성능이 유지되는 것으로 해석되며, 이에 따라 고가의 귀금속인 백금의 함량은 1wt%가 가장 적합한 것으로 확인되었다.
(3) 포름알데히드 상온산화반응의 적합한 운전조건을 도출하기 위하여 공간속도(space velocity)에 따른 포름알데히드의 전환율을 비교한 결과 촉매 충진량이 증가할수록 반응 site가 증가하여 전환율이 증가하는 것을 관찰하였다. 본 결과에 따라 현장에 적용할 경우, 포름알데히드의 농도, 유량, 배출량 규제치 등을 확인하고 적절한 충진량을 적용해야 할 것으로 판단된다.
(4) 유입 공기 내 수분이 촉매의 포름알데히드의 산화 성능에 미치는 영향을 관찰한 결과 수분이 존재할 때 반응 활성이 더욱 우수해지는 현상을 관찰하였다. Kwon et al.
본 연구를 통해 기존 광촉매 산화법, 흡착 등 타 포름알데히드 제거기술 보다 어떤 추가 에너지원 없이도 포름알데히드를 제거할 수 있는 상온산화 촉매 상용화를 위한 핵심 인자들을 확인하였으며, 촉매산화법의 상용화 기반기술을 확보하였다.
본 연구에서도 기존 연구결과와 같이 환원 촉매가 우수한 산화반응을 나타내는 것을 확인하였으며 이는 활성금속이 metallic 형태로 존재하여 나타난 결과로 판단된다. 이에 따라 활성금속의 원자가 상태, 즉 활성금속이 Pt 2+, Pt 4+ 보다는 metal 형태의 Pt0으로 다량 존재할수록 그 활성이 증가 한다고 판단되며, 촉매의 종류에 따라 그 증진 정도는 다를 수 있음을 확인하였다.
(DT58) 촉매를 원래 촉매의 제법대로 제조 후 600℃로 재환원하여 활성을 비교하였다. 실험 결과 환원 공정을 거친 촉매의 전환율이 원래 제법 대로만 제조한 촉매의 전환율보다 3배 이상 우수한 것을 확인하였다.
유입공기 내에 일정량의 수분이 공급된 경우 공급되지 않은 경우에 비해 전환율이 2배 이상 증가하여 포름알데히드가 100% 모두 산화된 것을 확인할 수 있었다.
25wt%이었다. 전반적으로 백금 함량이 증가할수록 반응 활성이 지속적으로 증가하는 경향을 나타내었으나, 백금 담지량이 1wt% 이상으로 증가할수록 거의 일정한 활성을 보임을 확인하였다. Kim & Hong(2010)의 경우 TPR 및 활성실험을 통해 Pt/TiO 2 촉매의 백금 담지량을 1～5wt%로 조절하며 활성금속인 Pt 의 활성을 조사한 결과, 3wt% 이상으로 백금 담지량이 증가하여도 성능이 더 이상 증진되지 않는 것을 확인하였다.
후속연구
(3) 포름알데히드 상온산화반응의 적합한 운전조건을 도출하기 위하여 공간속도(space velocity)에 따른 포름알데히드의 전환율을 비교한 결과 촉매 충진량이 증가할수록 반응 site가 증가하여 전환율이 증가하는 것을 관찰하였다. 본 결과에 따라 현장에 적용할 경우, 포름알데히드의 농도, 유량, 배출량 규제치 등을 확인하고 적절한 충진량을 적용해야 할 것으로 판단된다.
본 실험에서의 연구결과 또한 유입공기 내 O2와 H2O의 공존으로 인한 촉매의 성능이 증진된 것으로 판단되며, 본결과는 추후 촉매의 상용화 공정에 있어서 매우 유리한 장점이 될 수 있을 것으로 판단된다.
(2011)에 의하면 귀금속의 산화가가 metal form일수록 반응 활성이 우수하다고 보고하였다. 본연구에서 사용된 촉매는 다양한 상용 TiO2에 백금을 담지하여 제조한 후 반응 활성을 연구하였는데 촉매 제조에 사용된 TiO2는 각각 불순물 함량 및 기초 물성이 달라서 똑같이 제조한 촉매라 하더라도 각기 다른 반응 활성을 나타낼 수 있다. 또한 같은 함량의 백금을 담지하였더라도 촉매에서 산화가의 차이가 다르게 나타날 수 있고, 이에 의해 반응적 특성이 결정될 수 있다.
포름알데히드 상온산화반응 촉매에 활성금속으로 사용되는 귀금속은 산화 성능에 있어 주요한 역할을 하는 고성능 물질이지만 그와 비례하여 고가의 물질이기 때문에 추후 촉매의 상용화를 위해서는 고성능을 유지하며 귀금속 사용량은 최소화 할 수 있도록 활성금속 함량 조건 최적화가 필요하다고 판단되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
포름알데히드란 어떤 물질인가?
실내공기질을 악화시키는 대표적인 물질로써 먼지(PM), 포름알데히드(HCHO), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2 ), 라돈(Rn) 등이 있다. 이 중 새집증후군 및 신축 빌딩 증후군의 주요 원인 물질인 포름알데히드는 무색의 자극적인 냄새가 나고 환원성이 강한 물질로써, 가구, 건자재 등에 쓰이는 합판용 접착제 등의 화학제품 및 비배기형연소기구나 담배등의 연소 시 발생되며(김민영, 2000), 포름알데히드 농도가 1ppm 또는 그 이하에서 눈, 코, 목의 자극증상을 보이고 동물실험에서는 발암성이 있는 것으로 조사된 물질이다. 이러한 실내 오염물질의 경우 실외와 달리 오염될 경우 쉽게 정화되지 않아 하루 중 90% 이상을 실내에서 생활하고 있는 인간에게 단기적으로 또는 장기적으로 인체에 유해한 영향을 끼치고 있다(김윤신, 2004).
실내공기질을 악화시키는 대표적 물질은 무엇이 있는가?
실내공기질을 악화시키는 대표적인 물질로써 먼지(PM), 포름알데히드(HCHO), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2 ), 라돈(Rn) 등이 있다. 이 중 새집증후군 및 신축 빌딩 증후군의 주요 원인 물질인 포름알데히드는 무색의 자극적인 냄새가 나고 환원성이 강한 물질로써, 가구, 건자재 등에 쓰이는 합판용 접착제 등의 화학제품 및 비배기형연소기구나 담배등의 연소 시 발생되며(김민영, 2000), 포름알데히드 농도가 1ppm 또는 그 이하에서 눈, 코, 목의 자극증상을 보이고 동물실험에서는 발암성이 있는 것으로 조사된 물질이다.
공기정화설비(흡착설비)의 흡착이 진행될수록 발생하는 단점은 무엇인가?
공기정화설비(흡착설비)는 상용화되어 있는 방법 중의 하나로써 흡착제의 성능에 따라 포름알데히드의 제어 효율의 차이가 크다. 또한 흡착이 진행될수록 흡착제가 파과점에 도달함으로써 성능이 점차적으로 감소하여, 여재의 교체가 필요하다는 단점이 있다. 현재 활발히 연구 중인 촉매산화법의 경우 촉매반응을 통해 포름알데히드를 CO2와 H 2 O로 완전산화하는 방법으로써, 오염물질의 근본적인 제어가 가능하며, 흡착과는 달리 처리할 수 있는 양이 한정되어 있지 않다는 장점이 있다.
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