선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 점차 강화되고 있는 선박 환경 규제에 대응하기 위한 기술 개발 및 활용을 위해 기존 NOx 저감기술들이 갖는 취약성을 근본적으로 해결할 수 있는 방안으로 UV/H2O2 산화법을 습식흡수공정에 적용하고자 하였다. 이를 위해 과산화수소의 광분해 속도 및 수산화라디칼 생성속도를 규명하였고, 회분식 반응기를 이용하여 NO의 산화효율을 산정한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- NO/NO2 9:1의 NOx를 30 ℃, 1 L min-1 속도로 초기 농도를 다르게 주입하고, 2M 과산화수소 수용액에 8 W UV 램프를 점등하여 산화 흡수 실험을 수행하였으며, 100, 300, 500, 1000, 1500 ppm 농도의 질소산화물의 60분 반응 후에 나타나는 NO, NO2, NOx 배출농도와 제거효율을 Figure 10에 나타내었다. 그림에서 나타난 바와 같이 100 ppm 65.
- 가스는 질량유량조절기를 이용하여 일정한 농도를 유지시켰으며, 반응조에 반응가스를 1 h 이상 치환하여 일정한 유량으로 가스를 유입 및 유출시키도록 하였다. 가스 농도 보정이 끝나면 실험 조건에 따라 깔때기를 이용하여 산화제를 반응조 내부로 주입하고, 항온조와 2단 워터재킷을 이용하여 반응조 내부의 온도를 실험 조건에 맞게 온도를 설정하였다.
- 2절의 실험장치와 동일하며, Figure 2에 전체 회분식 실험장치를 나타냈다. 가스는 질량유량조절기를 이용하여 일정한 농도를 유지시켰으며, 반응조에 반응가스를 1 h 이상 치환하여 일정한 유량으로 가스를 유입 및 유출시키도록 하였다. 가스 농도 보정이 끝나면 실험 조건에 따라 깔때기를 이용하여 산화제를 반응조 내부로 주입하고, 항온조와 2단 워터재킷을 이용하여 반응조 내부의 온도를 실험 조건에 맞게 온도를 설정하였다.
- 과산화수소 광분해를 이용한 일산화질소의 산화 특성 중, 체류시간에 따른 영향을 살펴보기 위해 MFC를 이용하여 반응기에 주입하는 가스의 농도을 달리하여 각각 체류시간 1, 3, 5, 7 min의 조건에서 산화 실험을 수행하였으며, NO 농도와 체류시간에 따른 NO 산화효율을 Figure 6에 나타내었다. 가스를 UV Lamp (245 nm, 8 W)로 산화하였을 때 산화제의 유무 및 종류와 체류시간에 따른 NO 산화율을 나타낸 그래프로, 산화제는 과산화수소 2 M 수용액과 증류수를 이용하였다.
- 과산화수소 광분해를 통한 NO 산화에 온도가 미치는 영향을 알아보기 위해 최적 흡수제 농도로 선정된 2 M 과산화수소, 가스유량 1 L min-1 조건에서 반응기 온도에 따른 일산화질소 산화효율 측정 실험을 수행하였다. Figure 8은 일산화질소 초기 농도가 각각 100, 300, 500, 1000 ppm일 때, 반응기 온도변화(30, 50, 70 ℃)에 따른 일산화질소 산화효율을 나타낸 그래프로, 모든 초기농도 조건에서 온도가 증가할수록 산화효율이 증가하는 것으로 나타났다.
- 과산화수소의 농도에 따른 광분해 특성을 비교하기 위하여 동일한 온도, 램프 출력 조건에서 산화제인 과산화수소의 농도에 따른 일산화질소의 산화효율 측정 실험을 수행하였으며. 그 결과를 Figure 7에 나타내었다.
- 그리고 압력을 대기압과 일치시킨 후 항온조와 2단 워터 재킷을 이용하여 일정 온도로 설정한 후, 과산화수소 2 L를 주입하여 원활한 산화반응이 일어나기 위해 마그네틱 바를 이용하여 50 rpm으로 회전시켰다. 과산화수소의 산화를 위해 반응조 중앙의 석영관에 조건에 맞는 출력의 자외선 램프를 넣고 점등하였다. 이후, 매시간마다 반응기 내부의 과산화수소 1 mL 샘플링 하여 증류수 30 mL, Ti-용액 1 mL를 차례로 섞어 2min 동안 암실에서 방치 후 UV-VIS 분광법으로 잔여 과산화수도 농도를 측정하였다.
- )의 생성속도를 파악하였다. 그리고 lab-scale 공정에 적용하기에 앞서 광분해 및 NO 산화를 위한 최적조건을 선정하고자 하였으며, 선박 배가스와 유사한 농도의 조건에서 체류시간, 과산화수소수 농도, 반응 온도에 따른 NO의 농도 변화를 분석함으로써 산화 효율을 도출하였다. 또한 회분식 반응기를 이용하여 NO 산화의 최적조건을 산출하였으며, UV/H2O2 기술에 의한 수산화라디칼 생성 및 NO 산화효율을 검증하였다.
- 단파장에 의한 과산화수소의 광분해 속도를 계산하기 위해 2 M 과산화수소를 온도 30℃ 조건에서 UV 램프 출력에 따른 시간당 잔여 과산화수소수의 농도를 정량 측정하였다. Figure 3은 램프 출력 4, 6, 8, 10 W에 대해서 시간에 따른 잔여 과산화수소 농도를 매 시간 단위로 나타낸 것으로 그림에서 보는 바와 같이 출력이 증가함에 따라 과산화수소 농도의 감소폭이 증가하는 것으로 나타났다.
- 8626의 양자수율 값을 가지는 것으로 나타났다. 따라서 본 실험조건에서의 광분해 속도와 양자수율을 바탕으로 과산화수소 2 M 농도를 최적조건으로 산정하였으며, 과산화수소 농도에 따른 양자수 및 양자수율, 광분해 속도값을 Table 3에 나타내었다.
- 그리고 lab-scale 공정에 적용하기에 앞서 광분해 및 NO 산화를 위한 최적조건을 선정하고자 하였으며, 선박 배가스와 유사한 농도의 조건에서 체류시간, 과산화수소수 농도, 반응 온도에 따른 NO의 농도 변화를 분석함으로써 산화 효율을 도출하였다. 또한 회분식 반응기를 이용하여 NO 산화의 최적조건을 산출하였으며, UV/H2O2 기술에 의한 수산화라디칼 생성 및 NO 산화효율을 검증하였다.
- 이후 UV lamp를 작동시킨 다음 유입되는 일산화질소를 산화시켰다. 반응 후 배출되는 가스의 경우 NO/NO2 가스 분석기를 이용하여 농도를 분석하였으며 1 min 단위로 측정하여 배출농도가 5 min 이상 동일하게 나타나는 지점을 배출 평형농도로 산정하였다.
- 반응조의 부피는 3,000 mL이며, 반응조 상단으로부터 석영관을 고정시킨 후 내부에 UV lamp 및 안정기를 연결하였다. 반응조의 온도는 증류수 또는 파라핀 오일(paraffin oil)을 항온조에 주입 후 정량펌프를 이용하여 반응조의 이중재킷으로 순환시켰으며, 설치된 온도기록계 를 이용하여 설정된 온도를 유지시킬 수 있도록 하였다. 압력계는 실험 중 시스템의 압력을 측정하기 위하여 압력 변환기 (M.
- 본 실험은 과산화수소에 단파장의 자외선을 조사하여 발생되는 수산화라디칼을 분석하기 위한 실험으로 Figure 1에 반응조를 나타냈다. 반응조의 재질은 파이렉스(pyrex)로 하단에는 마그네틱바를 이용하여 산화제/흡수제의 교반이 원활이 이루어질 수 있도록 하였다. 반응조의 부피는 3,000 mL이며, 반응조 상단으로부터 석영관을 고정시킨 후 내부에 UV lamp 및 안정기를 연결하였다.
- 본 실험에 사용된 산화제는 30% 과산화수소(hydrogen peroxide, oci company, korea)로 초순수 증류수를 이용하여 실험에 사용될 수용액을 제조하였으며, 수산화라디칼 분석을 위해 24% (W/W) 황산티타늄(titanium sulfate, junsei chemical, JPN) 과 산화제를 반응시켜 UV 흡광도 분석을 수행하였다. 기체흡수에 사용된 NO 및 NO2의 순도는 1, 0.
- 산화 후 발생하는 수산화라디칼의 총괄 제거효율을 살펴보기 위해 반응조 내부의 증류수와 2 M 과산화수소에 선박 배가스를 모사하여 NO의 유입농도 1000 ppm로 흡수시키면서 내부온도 30 ℃, 가스유량 1 L min-1을 기준으로 하여 UV 램프(8 W) 점등 유무에 따른 NO 제거효율을 살펴보았으며, Figure 9에 앞선 실험에서 도출한 최적의 가스유량조건과 과산화수소 농도를 바탕으로 매 10분마다 배출되는 NO농도를 측정하여 계산한 제거효율의 변화를 나타내었다.
- 실험을 위해 주입되는 NO, NO2, N2 가스의 경우 이를 일정한 비율로 공급해 줄 수 있는 질량유량조절기(MFC, Brooks, 5850E, USA)를 이용하여 일정한 농도를 유지시켰으며, 반응 후 배출되는 가스의 경우 NO/NO2 가스 분석기(MAMOS-200, Madur, EU)를 이용하여 농도를 분석하였다.
- 산화법을 습식흡수공정에 적용하고자 하였다. 이를 위해 과산화수소의 광분해 속도 및 수산화라디칼 생성속도를 규명하였고, 회분식 반응기를 이용하여 NO의 산화효율을 산정한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 이를 위해 본 연구에서는 과산화수소에 단파장(254 nm)의 자외선을 조사하여 과산화수소의 광분해 속도와 수산화라디칼(OH-)의 생성속도를 파악하였다. 그리고 lab-scale 공정에 적용하기에 앞서 광분해 및 NO 산화를 위한 최적조건을 선정하고자 하였으며, 선박 배가스와 유사한 농도의 조건에서 체류시간, 과산화수소수 농도, 반응 온도에 따른 NO의 농도 변화를 분석함으로써 산화 효율을 도출하였다.
- 과산화수소의 산화를 위해 반응조 중앙의 석영관에 조건에 맞는 출력의 자외선 램프를 넣고 점등하였다. 이후, 매시간마다 반응기 내부의 과산화수소 1 mL 샘플링 하여 증류수 30 mL, Ti-용액 1 mL를 차례로 섞어 2min 동안 암실에서 방치 후 UV-VIS 분광법으로 잔여 과산화수도 농도를 측정하였다.
대상 데이터
- 과산화수소 광분해를 이용한 일산화질소의 산화 특성 중, 체류시간에 따른 영향을 살펴보기 위해 MFC를 이용하여 반응기에 주입하는 가스의 농도을 달리하여 각각 체류시간 1, 3, 5, 7 min의 조건에서 산화 실험을 수행하였으며, NO 농도와 체류시간에 따른 NO 산화효율을 Figure 6에 나타내었다. 가스를 UV Lamp (245 nm, 8 W)로 산화하였을 때 산화제의 유무 및 종류와 체류시간에 따른 NO 산화율을 나타낸 그래프로, 산화제는 과산화수소 2 M 수용액과 증류수를 이용하였다.
성능/효과
- 1000 ppm 기준으로, 산화제의 농도가 0, 1, 2, 3 M 일 때, 산화효율은 16.2, 28.8%, 39.6%, 41.8%로 2 M 과산화수소 농도조건이 가장 효율적인 것으로 판단된다. 이는 앞서 과산화수소 광분해 실험에서 측정한 양자수율이 2 M의 농도에서 가장 높기 때문에 분해를 통한 수산화 라디칼 생성과 NO 산화가 가장 잘 일어나는 것으로 판단되며, 반응기 내 NO 산화 를 위한 흡수제의 최적 농도는 2 M로 선정하였다.
- 이산화질소의 경우, 100, 300 ppm의 질소산화물에서는 전량 흡수되어 배출량이 없는 것으로 나타났으며, 500, 1000, 1500 ppm 질소산화물에서 각각 5, 10, 12 ppm으로 이 산화질소의 용해도 값이 높아 거의 전량 흡수제거 되는 것으로 판단된다. 1500 ppm 기준으로 일산화질소의 배출농도는 467 ppm으로 초기 1350 ppm에 비해 65.4% 제거된 것으로 나타났으며, 선행실험의 39% 보다 높은 제거효율을 가지는 것으로 나타났다.
- 광분해 속도와 양자수율을 바탕으로 램프 출력 8 W일 때, 가장 효율적으로 산화 반응을 일으킬 수 있을 것으로 판단된다. 각 램프 출력 조건에서 생성되는 양자수의 증가량에 비해 양자수율의 증가량은 낮은 것으로 나타났다. 특히 4 ~ 8 W 출력 범위까지의 양자수율은 선형으로 꾸준하게 증가하였으나, 10 W 출력 범위에서는 8 W 출력의 양자수율과 큰 차이는 없는 것으로 나타났으며, 본 실험에서 사용된 농도 범위의 과산화수소의 광분해를 위한 자외선 램프의 출력은 8 W의 범위에서 수산화 라디칼 생성량이 가장 우수한 것으로 판단된다.
- 과산화수소에 자외선을 투사하여 생성되는 수산화라디칼의 생성반응은 초기 과산화수소 농도에 의존하는 1차 반응으로 나타났으며, 본 실험장치의 조건에서는 8 W 자외선램프와 2 M의 과산화수소의 조건에서 최적 양자수율은 0.8798으로 나타났다. 또한 과산화수소의 광분해를 통해 형성된 수산화라디칼이 2차 반응에 의해 지속적으로 과산화수소 분해를 촉진시키는 것으로 나타났으며, 온도에 영향을 받지 않기 때문에, 저온 영역에서 취약한 기존 SCR 공정의 단점을 보완하는 새로운 공정으로 유리할 것으로 판단된다.
- 8852의 양자수율 값을 가지는 것으로 나타났다. 광분해 속도와 양자수율을 바탕으로 램프 출력 8 W일 때, 가장 효율적으로 산화 반응을 일으킬 수 있을 것으로 판단된다. 각 램프 출력 조건에서 생성되는 양자수의 증가량에 비해 양자수율의 증가량은 낮은 것으로 나타났다.
- 그래프에 나타난 바와 같이, 모든 체류시간조건에서 초기 농도가 낮을수록 NO 산화율이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 과산화수소가 자외선에 광분해 되면서 수산화 라디칼을 생성하게 되고 NO와 연쇄반응을 통해 NO2로 산화시키면서 높은 산화율을 가지는 것으로 판단된다[19].
- 배출농도와 제거효율을 Figure 10에 나타내었다. 그림에서 나타난 바와 같이 100 ppm 65.0%, 300 ppm 65.7%, 500 ppm 66.4%, 1000 ppm 67.3%, 1500 ppm 68.1%로 농도가 증가함에 따라 제거효율이 증가하는 것으로 나타났다.
- 그림에서 나타난 바와 같이, 모든 초기농도 조건에서 산화제인 과산화수소의 농도가 증가함에 따라 산화율이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 Table 3에 언급한 과산화수소 농도에 따른 양자수율 및 광분해속도가 증가하면서 Equation (4) ~ (5) 반응이 일어나기 때문에 NO 산화효율이 증가한 것으로 판단된다.
- 1%로 제거효율이 증가하였으며, 산화로 생성된 이산화질소는 과산화수소에 전량 흡수되어 배출량이 거의 없는 것으로 나타났다. 따라서 본 실험에서 제안하는 UV/H2O2 일산화질소 산화흡수 공정은 기존 습식흡수법의 제거효율인 40 ~ 50%보다 높고, 첨가물이 비싸 경제성이 떨어지는 기존 공정의 단점을 보완할 수 있으며, 1000 ppm 농도의 NOx가 배출되는 중규모 디젤선박의 후처리 장치로 효과적으로 사용할 수 있다.
- 3%로 Table 4의 온도에 따른 과산화수소 광분해 특성의 양자수율의 변화량이 낮은 것처럼, 산화효율의 변화폭도 미미하여 크게 차이는 나지 않았다. 또한 반응기 내부의 온도가 증가할수록 기체의 반응속도가 증가하여 산화율이 증가하게 되지만, 흡수액의 온도도 증가시켜 과산화수소 수용액으로 흡수되는 NO의 용해도를 낮춰 NO 제거 효율이 증가한 것으로 판단된다.
- Figure 8은 일산화질소 초기 농도가 각각 100, 300, 500, 1000 ppm일 때, 반응기 온도변화(30, 50, 70 ℃)에 따른 일산화질소 산화효율을 나타낸 그래프로, 모든 초기농도 조건에서 온도가 증가할수록 산화효율이 증가하는 것으로 나타났다. 또한 초기농도에 따라 산화효율의 증가폭은 거의 일정한 것으로 나타났으며, 1000 ppm 일산화질소 기준으로, 30, 50, 70 ℃에서의 산화효율은 각각 39.6%, 40.9%, 41.3%로 Table 4의 온도에 따른 과산화수소 광분해 특성의 양자수율의 변화량이 낮은 것처럼, 산화효율의 변화폭도 미미하여 크게 차이는 나지 않았다. 또한 반응기 내부의 온도가 증가할수록 기체의 반응속도가 증가하여 산화율이 증가하게 되지만, 흡수액의 온도도 증가시켜 과산화수소 수용액으로 흡수되는 NO의 용해도를 낮춰 NO 제거 효율이 증가한 것으로 판단된다.
- 일산화질소 산화 특성 실험 결과, 가스 체류시간이 높을수록, 과산화수소 농도가 높을수록 산화효율이 증가하였으며, 온도에 따른 영향은 수산화라디칼 생성속도와 마찬가지로 거의 없는 것으로 나타났다. 본 실험장치에서 일산화질소 산화의 최적조건은 2M 과산화수소 산화제와 가스 체류시간 3 min으로 나타났으며, 선박모사가스 농도인 1000 ppm NO 가스의 산화효율은 최적조건에서에서 약 40%로 나타났다. 따라서 자외선 과산화수소 산화법을 적용하면 습식흡수공정의 낮은 NO 흡수효율을 개선할 수 있다.
- 3 M 까지는 선형으로 감소하는 추세를 나타내다가 이후 감소폭이 점차적으로 줄어드는 것으로 나타났다. 선형으로 감소하는 구간까지의 1, 2, 4 M 과산화수소의 제거속도는 각각 0.21, 0.23, 0.28, 0.4 mol h-1로 농도가 높을수록 광분해 속도가 증가하는 것으로 나타났으며, 과산화수소 분해반응의 차수는 1차인 것을 알 수 있다. 따라서 과산화수소가 광분해되어 생성된 수산화 라디칼이 계속적으로 과산화수소를 분해시키는 연쇄반응이 일어나기 때문에 과산화수소의 분해속도는 과산화수소 농도에 의존하게 되는 것으로 판단된다[19].
- Equation (2) ~ (3)를 바탕으로 양자수율을 계산하였으며, 각 조건에서 생성된 양자수율과 광분해속도를 Table 2에 나타내었다. 선형으로 감소하는 구간까지의 각 농도별에 따른 2 M 과산화수소의 제거속도는 각각 4, 6, 8, 10 W에서 0.16, 0.4, 0.6, 0.65 mol h-1로 램프 출력이 높을수록 광분해 속도가 증가하는 것으로 나타났다. 이는 과산화수소 광분해는 빛의 파장이 물질의 이온화 포텐셜보다 강할 때 산화속도가 증가하고, 램프의 출력이 강할수록 자외선 파장대 광자의 산화력이 증가하기 때문에 분해속도가 증가하는 것으로 판단된다.
- 양자수율의 경우 과산화수소 2 M 이상의 조건에서 오히려 감소하는 것으로 나타났으며, 0.5, 1, 2, 4 M 일때 각각 0.8183, 0.8696, 0.8798, 0.8626의 양자수율 값을 가지는 것으로 나타났다. 따라서 본 실험조건에서의 광분해 속도와 양자수율을 바탕으로 과산화수소 2 M 농도를 최적조건으로 산정하였으며, 과산화수소 농도에 따른 양자수 및 양자수율, 광분해 속도값을 Table 3에 나타내었다.
- 또한 과산화수소의 광분해를 통해 형성된 수산화라디칼이 2차 반응에 의해 지속적으로 과산화수소 분해를 촉진시키는 것으로 나타났으며, 온도에 영향을 받지 않기 때문에, 저온 영역에서 취약한 기존 SCR 공정의 단점을 보완하는 새로운 공정으로 유리할 것으로 판단된다. 일산화질소 산화 특성 실험 결과, 가스 체류시간이 높을수록, 과산화수소 농도가 높을수록 산화효율이 증가하였으며, 온도에 따른 영향은 수산화라디칼 생성속도와 마찬가지로 거의 없는 것으로 나타났다. 본 실험장치에서 일산화질소 산화의 최적조건은 2M 과산화수소 산화제와 가스 체류시간 3 min으로 나타났으며, 선박모사가스 농도인 1000 ppm NO 가스의 산화효율은 최적조건에서에서 약 40%로 나타났다.
- 각 램프 출력 조건에서 생성되는 양자수의 증가량에 비해 양자수율의 증가량은 낮은 것으로 나타났다. 특히 4 ~ 8 W 출력 범위까지의 양자수율은 선형으로 꾸준하게 증가하였으나, 10 W 출력 범위에서는 8 W 출력의 양자수율과 큰 차이는 없는 것으로 나타났으며, 본 실험에서 사용된 농도 범위의 과산화수소의 광분해를 위한 자외선 램프의 출력은 8 W의 범위에서 수산화 라디칼 생성량이 가장 우수한 것으로 판단된다.
- 따라서 자외선 과산화수소 산화법을 적용하면 습식흡수공정의 낮은 NO 흡수효율을 개선할 수 있다. 회분식 반응기에서 일산화질소 가스의 제거효율은 100, 300, 500, 1000, 1500 ppm으로 초기농도가 증가함에 따라 65, 65.67, 66.4, 67.3, 68.1%로 제거효율이 증가하였으며, 산화로 생성된 이산화질소는 과산화수소에 전량 흡수되어 배출량이 거의 없는 것으로 나타났다. 따라서 본 실험에서 제안하는 UV/H2O2 일산화질소 산화흡수 공정은 기존 습식흡수법의 제거효율인 40 ~ 50%보다 높고, 첨가물이 비싸 경제성이 떨어지는 기존 공정의 단점을 보완할 수 있으며, 1000 ppm 농도의 NOx가 배출되는 중규모 디젤선박의 후처리 장치로 효과적으로 사용할 수 있다.
후속연구
- 8798으로 나타났다. 또한 과산화수소의 광분해를 통해 형성된 수산화라디칼이 2차 반응에 의해 지속적으로 과산화수소 분해를 촉진시키는 것으로 나타났으며, 온도에 영향을 받지 않기 때문에, 저온 영역에서 취약한 기존 SCR 공정의 단점을 보완하는 새로운 공정으로 유리할 것으로 판단된다. 일산화질소 산화 특성 실험 결과, 가스 체류시간이 높을수록, 과산화수소 농도가 높을수록 산화효율이 증가하였으며, 온도에 따른 영향은 수산화라디칼 생성속도와 마찬가지로 거의 없는 것으로 나타났다.
- 그러나 선박 추진용 대형 디젤 엔진의 경우 배가스 온도가 200 ~ 250 ℃ 수준으로 일반적인 촉매 활성 범위보다 낮아 Tier 3 달성의 걸림돌이 되고 있는 실정이다. 반면 습식스크러버의 경우 SOx 뿐만 아니라 PM까지 저감할 수 있고, 향후 추가 기술개발을 통해 NOx도 제거할수 있는 잠재성이 있다[6-8].
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.