[논문]lectrospinning Method 기반 CNF의 물성분석과 전기분해 공정에서 전극으로의 응용

황인혁; 최성열; 이상현; 이예환; 이상문; 김성철; 김성수

doi:10.14478/ace.2017.1012

lectrospinning Method 기반 CNF의 물성분석과 전기분해 공정에서 전극으로의 응용
Electrospinning Method-based CNF Properties Analysis and Its Application to Electrode in Electrolysis Process 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.28 no.2, 2017년, pp.257 - 262

황인혁 (경기대학교 일반대학원 환경에너지공학과) , 최성열 (경기대학교 일반대학원 환경에너지공학과) , 이상현 (경기대학교 일반대학원 환경에너지공학과) , 이예환 (경기대학교 일반대학원 환경에너지공학과) , 이상문 (경기대학교 환경에너지공학과) , 김성철 (경기대학교 환경에너지공학과) , 김성수 (경기대학교 환경에너지공학과)

초록
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본 연구에서는 electrospinning method의 공정변수를 다르게 하여 CNF (carbon nanofiber)를 제조하였다. 제조된 CNF의 섬유의 형태, 직경 등의 변화를 SEM 분석을 통해 관찰하였으며 인가전압, TCD (tip to collecor distance), 고분자 용액의 농도, 열처리 단계가 CNF 물성을 형성함에 있어 주요한 영향인자임을 확인하였다. 또한 서로 다른 물성으로 제조된 CNF를 전기분해 공정의 전극으로 적용하여 toluene의 제거 효율을 비교하였고, 이를 통해 anode 뿐만 아니라 cathode 역시 전기분해 효율에 직접적인 영향을 미침을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, CNF (carbon nanofiber) was prepared with different process variables of electrospinning method. Morphology of CNF was observed by SEM, and main parameters to form the CNF were applied voltage, TCD, polymer concentration and heat treatment condition. Comparison of toluene removal efficiency, as applying the prepared CNF to electrodes of an electrolysis process, showed the direct effect of cathode on electrolysis as well as anode.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 전기분해 공정에서의 전극소재로 사용하기 위하여 electrospinning method를 이용하여 CNF (Carbon NanoFiber)를 제조하였다. 또한 제조 조건에 따른 형태 변화를 분석하였고, 제조된 CNF를 전기분해 공정에서의 전극으로 적용하여 VOCs 전기분해 효율을 비교, 평가하고자 하였다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 전기분해 공정에서의 전극소재로 사용하기 위하여 electrospinning method를 이용하여 CNF (Carbon NanoFiber)를 제조하였다. 또한 제조 조건에 따른 형태 변화를 분석하였고, 제조된 CNF를 전기분해 공정에서의 전극으로 적용하여 VOCs 전기분해 효율을 비교, 평가하고자 하였다.

대상 데이터

전극소재는 electrospinning method를 사용하여 carbon nanofiber를 제조하였다. 고분자물질인 PAN (Polyacrylonitrile)을 탄소원으로 사용하였고, 용매로는 DMF (Dimethylformamide)를 사용하였다. PAN의 함량은 10~15%로 하였으며, 용액의 균일성을 위하여 70 ℃에서 10 min간 가열한 후 사용하였다.

이론/모형

전극소재는 electrospinning method를 사용하여 carbon nanofiber를 제조하였다. 고분자물질인 PAN (Polyacrylonitrile)을 탄소원으로 사용하였고, 용매로는 DMF (Dimethylformamide)를 사용하였다.

성능/효과

1. Electrospinning method에서 인가 전압, TCD, 용액의 농도 및 열처리 단계가 섬유의 형태, 직경의 크기에 직접적인 영향을 주며, TCD가 작을수록, 용액의 농도가 높을수록 nanofiber 직경의 크기가 증가한다. 하지만 인가 전압의 경우, 기반으로 하는 고분자물질의 성상에 따라 민감하게 영향을 받는 전압의 범위가 다름을 확인하였고, stabilization과 carbonization을 거치며 열수축이 발생함을 SEM 분석을 통해 확인하였다.
전기분해공정에서 toluene 제거율의 차이를 확인하기 위하여 TCD를 다르게 하여 제조한 CNF를 전극으로 사용하였다. 그 결과 anode로 사용하였을 경우 CNF가 즉시 분해되어 전극으로 사용이 불가능 하므로 anode보다는 cathode로의 적용이 적합할 것으로 판단된다. 또한 cathode로 적용한 경우 제조된 조건에 따라 toluene 제거 성능이 50~90% 범위로 차이가 존재하였다.
수중 VOCs의 대표적인 물질인 toluene은 반응식 (6)에 따라 분해되는데, 이는 anode에서 발생하는 산화제에 크게 영향을 받음을 나타낸다. 하지만 본 연구의 결과에 따르면 cathode의 종류에 따라 toluene의 제거 효율이 크게 달라지는데, 이는 cathode의 종류가 산화제의 생성에 영향을 미치기 때문으로 보여진다. 이와 같은 결과는 anode 뿐만 아니라 cathode 역시 전기분해 공정에서의 효율에 지대한 영향을 미칠 수 있음을 시사한다.
Electrospinning method에서 인가 전압, TCD, 용액의 농도 및 열처리 단계가 섬유의 형태, 직경의 크기에 직접적인 영향을 주며, TCD가 작을수록, 용액의 농도가 높을수록 nanofiber 직경의 크기가 증가한다. 하지만 인가 전압의 경우, 기반으로 하는 고분자물질의 성상에 따라 민감하게 영향을 받는 전압의 범위가 다름을 확인하였고, stabilization과 carbonization을 거치며 열수축이 발생함을 SEM 분석을 통해 확인하였다.

후속연구

또한 cathode로 적용한 경우 제조된 조건에 따라 toluene 제거 성능이 50~90% 범위로 차이가 존재하였다. 따라서 전기분해 공정의 효율에 있어, 산화제를 생성하는 anode 뿐만 아니라 cathode 역시 중요한 영향 인자라고 판단되므로, 향후 cathode의 물성과 전기분해 공정의 효율과의 상관관계 분석에 관한 연구가 필요하다고 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	VOCs는 어느 단계에서 확인되고 있는가?	이 중에서 현재까지 측정 및 검출된 바 있는 VOCs 물질은 약 300여 종이고, 약 70여 종에 대하여 미국 환경보호청(US EPA)과 미국 국립과학아카데미(the national academy of science)에서 평가한 결과, 보건과 관련하여 우선적으로 고려해야 할 물질로 30여 종을 선정하였으며 매년 그 항목 수를 늘려가고 있다. VOCs는 대기, 수질 등 다양한 계 내에서 확인되고 있으며, 생물학적 환경에서 뿐만 아니라 공중보건에서도 VOCs와 VOCs의 2차적인 반응 생성물의 위협이 점차 증가하고 있는 실정이다[4]. 이러한 VOCs를 제거하기 위하여 물리적, 화학적 생물학적 방법 등 다양한 연구가 진행되어왔다.
	산업폐수에는 어떤 유해물질들이 포함되어있는가?	산업이 발달함에 따라 각종 산업현장에서 다량의 산업폐수가 발생하여 수계에 지속적으로 오염부하를 가중시키고 있다. 각종 산업현장에서 발생하는 산업폐수에는 인 화합물, 질소 화합물, 생분해성 유기화합물 등 보편적 인 오염물뿐만 아니라 휘발성유기화합물(VOCs), 프탈레이트류, 다환방향족탄화수소 등의 미량의 유해물질이 포함되어있다[1]. 특히 석유, 페인트, 자동차산업 등 유기용제를 사용하는 산업현장에서는 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌을 포함한 VOCs가 다양한 형태로 배출되고 있다[2].
	VOCs를 제거하기 위하여 물리적, 화학적 생물학적 방법에는 무엇이 있는가?	첫 번째로 VOCs 물질을 제거하기 위한 물리화학적 방법에서는 폐수를 중화시키기 위해 산 또는 알칼리를 사용하고, 일반적으로 응집제를 사용하여 응집, 침전을 거친 후 처리한다. 하지만 물리화학적 방법에서는 약품 첨가의 필요와 더불어 다량 생성된 불용성 슬러지의후처리도 필요하기에 공정이 복잡하고 경제적으로 불리한 단점이 있다.

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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].

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