[논문]균일용액침전법을 이용한 침전제의 농도와 합성 시간에 따른 Mn이 대체된 바륨 헥사알루미네이트의 합성의 영향

박지윤; 정유식; 이영우

doi:10.9713/kcer.2018.56.3.349

균일용액침전법을 이용한 침전제의 농도와 합성 시간에 따른 Mn이 대체된 바륨 헥사알루미네이트의 합성의 영향
Effects of Concentration of Precipitants and Aging Time on Synthesis of Mn-Substituted Barium Hexaaluminates by Homogeneous Precipitation 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.56 no.3, 2018년, pp.349 - 355

박지윤 (충남대학교 에너지과학기술대학원) , 정유식 ((주)지엔티엔에스) , 이영우 (충남대학교 에너지과학기술대학원)

초록
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$BaMnAl_{11}O_{19}$는 요소를 이용한 균일용액침전법으로 제조되었으며, X선 회절분석과 장방출 주사현미경으로 분석되었다. 침전제의 농도가 증가하면서 Al 종은 $Al(OH)_3$에서 AlOOH로 변화되었으며, 소성과정에서 $BaMnAl_{11}O_{19}$ 상으로 쉽게 변화하였다. 합성시간이 증가하면서 $BaMnAl_{11}O_{19}$ 상의 비율은 크게 증가하지 않는 반면 $BaAl_2O_4$ 상의 비율은 급격하게 증가하였다. 금속염 전구체의 반응속도는 Al, Ba, Mn 순으로 빨라, 침전제의 농도와 합성시간에 따라 $BaMnAl_{11}O_{19}$ 상의 비율이 달라진다. $BaAl_2O_4$와 $BaMnAl_{11}O_{19}$는 촉매 연소 성능을 향상시키고, $BaMnAl_{11}O_{19}$ 만이 CO 배출을 억제시키는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

$BaMnAl_{11}O_{19}$ was prepared by urea-induced homogeneous precipitation and characterized by X-ray diffraction and scanning electron microscopy. At increased precipitant concentrations, AlOOH replaced $Al(OH)_3$ as an Al precursor. $BaMnAl_{11}O_{19}$ exhibited enhanced catalytic combustion performance and inhibited CO generation. Catalytic performance was also enhanced by the presence of $BaAl_2O_4$ and $BaMnAl_{11}O_{19}$. Compared to $BaAl_2O_4$, $BaMnAl_{11}O_{19}$ exhibited superior catalytic combustion activity.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

Al(NO₃)₃의 침전 속도를 조절하기 위해 Ba(NO₃)₂과 Mn(NO₃)₂를 0.04 M, 요소 8.00 M로 유지하고 Ba:Al:Mn 비를 1:2:1에서 1:10:1로 변화를 주었다. Fig.
본 연구에서는 기존의 합성법과 달리 요소를 이용한 균일용액 침전법을 이용하여 비귀금속 연소 촉매인 헥사알루미네이트 계열의 고온 연소촉매를 제조하였다. 고온 활성을 높이기 위해 Mn을 치환시켜 BaMnAl₁₁O₁₉촉매를 제조하였고, 균일한 입자 및 대량 생산에 적합한 촉매 합성법 연구 및 제조된 촉매의 물성 및 연소 특성을 파악하였다.
본 연구에서 제조된 고온 연소촉매의 물리화학적 특성을 살펴보기 위하여, X선 회절분석(XRD)과 주사전자현미경(SEM) 사진 분석을 진행하였다. 촉매의 결정상을 분석하기 위해 XRD 측정장비(Smartlab.
본 연구에서는 기존의 합성법과 달리 요소를 이용한 균일용액 침전법을 이용하여 비귀금속 연소 촉매인 헥사알루미네이트 계열의 고온 연소촉매를 제조하였다. 고온 활성을 높이기 위해 Mn을 치환시켜 BaMnAl₁₁O₁₉촉매를 제조하였고, 균일한 입자 및 대량 생산에 적합한 촉매 합성법 연구 및 제조된 촉매의 물성 및 연소 특성을 파악하였다.
세척된 시료는 110 ºC의 오븐에서 하루 동안 건조되었고, 건교체는 1200 ºC의 고온 소성로에서 소성과정을 거쳐 연소촉매로 제조하였다.
알루미나 기반의 연소촉매의 내열성을 향상시키는 시도가 많이 있었다[6,7]. 알루미나 지지체에 다른 금속을 첨가하여 고온 결정 성장 및 상변이를 지연시켜 내열성을 향상 시켰다. Ba 또는 Sr이 첨가된 헥사알루미네이트의 구조는 1200 ºC 이상의 고온에서도 높은 내열성을 가지는 것으로 보고하였다[4,8].
연소특성을 확인하기 위해 촉매 연소는 대기압하에 내경 8 mm 길이 30 mm의 고정층 반응기에서 평가되었다. 제조된 촉매는 분쇄하여 40~60 mesh 크기를 가진 입자 0.
본 연구에서 제조된 고온 연소촉매의 물리화학적 특성을 살펴보기 위하여, X선 회절분석(XRD)과 주사전자현미경(SEM) 사진 분석을 진행하였다. 촉매의 결정상을 분석하기 위해 XRD 측정장비(Smartlab., rikaku)를 이용하였다. 제조된 촉매의 입자를 자세히 관찰하기 위해서 주사전자현미경(SU5000, Hitachi)를 이용하였다.
의 제조에 대한 내용이다. 침전제의 농도와 합성시간, Al 비율에 따른 BaMnAl₁₁O₁₉의 형성 조건과 제조된 촉매의 물성 및 연소 성능을 관찰하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

8. Catalytic combustion of methane over Al2, Al4, Al6, Al8, Al10 and Mn-free Al8 catalysts.
금속 전구체로는 질산바륨, 질산 알루미늄, 질산 망간을 사용하였다. 각 금속염의 몰비는 BaMnAl₁₁O₁₉ 촉매의 양론비에 맞춰 몰비를 1:11:1로 사용하였다. 금속염을 침전시킬 침전제로 요소를 사용하였다.
고온 연소 촉매를 제조하기 위한 합성방법으로 균일용액침전법(homogeneous precipitation)을 사용하였다. 금속 전구체로는 질산바륨, 질산 알루미늄, 질산 망간을 사용하였다. 각 금속염의 몰비는 BaMnAl₁₁O₁₉ 촉매의 양론비에 맞춰 몰비를 1:11:1로 사용하였다.

이론/모형

고온 연소 촉매를 제조하기 위한 합성방법으로 균일용액침전법(homogeneous precipitation)을 사용하였다. 금속 전구체로는 질산바륨, 질산 알루미늄, 질산 망간을 사용하였다.
본 연구는 요소를 이용한 균일용액침전법을 사용하여 BaMnAl₁₁O₁₉의 제조에 대한 내용이다. 침전제의 농도와 합성시간, Al 비율에 따른 BaMnAl₁₁O₁₉의 형성 조건과 제조된 촉매의 물성 및 연소 성능을 관찰하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
, rikaku)를 이용하였다. 제조된 촉매의 입자를 자세히 관찰하기 위해서 주사전자현미경(SU5000, Hitachi)를 이용하였다.

성능/효과

(2)침전제의 농도가 증가할수록 Al 전구체는 Al(OH)₃에서 AlOOH로 전환된다.
(3) Al 전구체의 침전 속도는 Ba와 Mn 전구체의 침전 속도보다 빠르며, Mn의 침전속도가 BaMnAl₁₁O₁₉에 율속단계로 작용한다.
(4)메탄의 연소활성은 BaMnAl₁₁O₁₉와 BaAl₂O₄가 높여주며, CO 배출을 억제하는 것은 BaMnAl₁₁O₁₉로 확인되었다.
6은 다양한 Al 비율에 따른 소성 촉매의 XRD 패턴을 나타내었다. Al 비율이 2에서 6으로 증가하면서 BaMnAl₁₁O₁₉상의 회절강도는 증가하였고, Al 비율이 6 이상에서는 BaMnAl₁₁O₁₉상의 회절강도는 비슷한 크기를 보였다. Al 비율이 증가하면서 Al₂O₃상의 회절강도는 증가하였고, BaAl₂O₄상의 회절강도는 감소하였다.
농도가 A24에서 B24로 증가할 때 Al₂O₃ 상의 회절면들의 강도는 증가하고 C24 이상의 농도에서는 낮은 회절강도를 보였다. D24이상의 고농도에서 BaAl₂O₄ 상과 Al₂O₃상의 함량이 줄고 주로 헥사알루미네이트 상으로 존재하게 되는 것을 확인하였다.
Mn-free Al8의 완전 연소온도는 900 ºC인 반면 Mn이 첨가된 모든 시료의 완전 연소 온도는 낮아졌으며 Al8는 650 ºC로 매우 낮은 값을 가졌다.
균일용액침전법을 이용하여 제조된 BaMnAl₁₁O₁₉촉매는 고온 연소 촉매로서 사용 될 수 있으며, BaAl₂O₄보다 더 강한 CO 배출을 억제하는 결과를 얻었다.
BaAl₂O₄상의 회절면들의 강도는 농도가 A24에서 C24로 증가하면서 급속도로 증가하다 D24에서 감소하였다. 농도가 A24에서 B24로 증가할 때 Al₂O₃ 상의 회절면들의 강도는 증가하고 C24 이상의 농도에서는 낮은 회절강도를 보였다. D24이상의 고농도에서 BaAl₂O₄ 상과 Al₂O₃상의 함량이 줄고 주로 헥사알루미네이트 상으로 존재하게 되는 것을 확인하였다.
요소 용액 250 ml와 금속염 용액 250 ml를 1 L 반응기에 넣고 합성온도를 90 ºC로 유지하면서 일정 시간동안 교반하였다. 모든 시료들은 합성 1 ~ 2 시간 사이부터 pH 2에서 급격히 올라가고 합성 4 시간부터 pH 7을 유지하며 겔화가 진행되었다. 일정시간동안 유지하고 합성이 완료된 겔은 여과후 반응물의 3배의 증류수로 세척하였다.
Mn-free Al8은 온도가 증가하면서 CO 배출량은 급격하게 증가하는 것을 보였다. 반면 Mn이 대체된 시료들의 경우 최대 CO 배출량은 88~18 ppm 범위의 매우 낮은 농도를 나타냈으며, Al 비율이 증가하면서 최대 CO 배출 농도가 감소하는 정도가 BaMnAl₁₁O₁₉의 회절강도가 증가하는 경향과 일치하였다. 모든 촉매에서 NOx 배출량은 1-2 ppm으로 낮은 수치를 나타내었다.
XRD 패턴은 두 가지 종류의 변화로 나타났다. 저농도의 샘플인 A24와 B24에서는 주로 Al(OH)₃ 상과 함께 BaCO₃ 상이 나타났으며, 농도가 A에서 B로 증가하면서 Al(OH)₃상의 주 피크들의 회절강도가 증가하고, BaCO₃ 상의 주 피크의 회절강도가 감소하는 것을 보였다. 이와 대조적으로 고농도의 샘플인 C24와 D24에서는 고농도의 Al 침전물의 형성에도 불구하고 Al(OH)₃상의 패턴이 나타나지 않았다.
D36의 이미지에서 보이는 바와 같이 헥사알루미네이트 입자와 함께 사각형 막대 모양의 BaAl₂O₄ 입자들이 보였다. 합성시간이 증가하면서 Al₂O₃ 입자는 감소한 반면 BaAl₂O₄ 입자는 증가하였고, 이들 결정 입자의 크기는 감소하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	촉매 연소에 사용되는 촉매의 종류와 특징은 무엇인가?	질소산화물 저감기술 중 하나인 촉매 연소는 기존의 연소물질을 화염연소보다 낮은 온도에서 안정적으로 완전 산화시키는 촉매를 이용한 기술이다. 상용화된 촉매는 백금과 같은 귀금속 촉매를 기반으로한다. 우수한 저온 활성을 가지고 있는 백금 촉매는 600 ºC이상의 고온에서 비활성화가 급격히 일어나게 되며 가격 또한 고가이다. 망간과 코발트를 기본으로 한 페로브스카이트 산화물은 높은 완전 산화 활성을 나타내는 대체 연소 촉매로 주목받고 있다[1,2]. 하지만 페로브스카이트 산화물은 고온에서 sintering으로 인한 표면적의 급격한 감소를 보인다고 보고되었다[3].
	질소산화물이 일으키는 문제는 무엇인가?	석유, 석탄, 천연가스, 탄화수소, 휘발성유기화합물 등이 연소되면서 NOx와 CO 및 미연 가스가 배출되고 있다. 대기환경 관리 대상 물질 중 하나인 질소산화물은 인체에 유해할 뿐만 아니라 광화학적 반응으로 대기 중의 오존 농도를 증가시키고, 다른 오염물질인 휘발성 유기화합물과 반응하여 광화학스모그를 발생시키는 등 환경적인 문제를 일으킨다. 예를 들어 1100 ºC이상에서 운전되는 메탄의 연소공정은 고온으로 인해 주로 thermal NOx가 배출된다.
	촉매 연소는 어떤 기술인가?	예를 들어 1100 ºC이상에서 운전되는 메탄의 연소공정은 고온으로 인해 주로 thermal NOx가 배출된다. 질소산화물 저감기술 중 하나인 촉매 연소는 기존의 연소물질을 화염연소보다 낮은 온도에서 안정적으로 완전 산화시키는 촉매를 이용한 기술이다. 상용화된 촉매는 백금과 같은 귀금속 촉매를 기반으로한다.

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저자의 다른 논문 :

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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