[논문]수분이 NaKZn-Chloride의 녹는점과 고온안정성에 미치는 영향

이정환; 김영; 윤석호; 이공훈; 최준석

doi:10.9713/kcer.2018.56.4.555

수분이 NaKZn-Chloride의 녹는점과 고온안정성에 미치는 영향
Effect of Moisture on the Melting Point and High-Temperature Stability of NaKZn-Chloride 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.56 no.4, 2018년, pp.555 - 560

이정환 (과학기술연합대학원대학교 플랜트기계공학과) , 김영 (과학기술연합대학원대학교 플랜트기계공학과) , 윤석호 (과학기술연합대학원대학교 플랜트기계공학과) , 이공훈 (한국기계연구원 열시스템연구실) , 최준석 (한국기계연구원 열시스템연구실)

초록
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$NaCl-KCl-ZnCl_2$ 혼합물(NaKZn-Chloride)의 열물성을 조사하여 열저장 매체로서의 잠재성을 평가하였다. 고온용 축열물질로 이용하기 위해서는 축열온도 범위에서 안정된 열물성을 유지하여야 하는데, 사전실험 결과 해당 혼합물은 알려진 고온안정온도인 $850^{\circ}C$ 보다 훨씬 낮은 온도에서 급격한 분해가 진행되었다. 이에 본 연구에서는, 흡수된 수분에 의해 축열물질의 열적 성질이 변화되는지 확인하고자 하였다. 혼합물의 수분함량에 따라 열물성이 변화되는 지를 열물성 장비로 측정하였으며, 가열-냉각 반복실험을 통해 다시 한 번 확인하였다. 그 결과 녹는 점의 경우 흡수된 수분에 관계없이 일정하지만, 고온 안정성의 경우 흡습한 샘플에서 다소 낮아지는 것을 알 수 있었다. 본 연구결과에 따라 흡습성을 가지는 고온 축열물질을 사용하는 시스템에서 수분과의 접촉을 줄임으로써 축열물질의 손실을 줄일 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The high temperature stability of a chloride mixture, $NaCl-KCl-ZnCl_2$ (NaKZn-Chloride), is investigated to evaluate its potential as a thermal storage material. A thermal storage media should maintain a stable thermal properties within the temperature range of heat storage. Results from an a priori experiment showed that the NaKZn-chloride is stable only up the much lower temperature, while its stability limit is reported to be $850^{\circ}C$ in the literature. This study aims to investigate if the thermal property is changed by the moisture absorbed in the heat storage material. The effect of moisture content on the thermal properties was measured. The results show that the melting point remains the same regardless of the amount of moisture absorbed. Meanwhile, the high temperature stability is lower for the moisture treated samples. The results of this work infer that the loss of a hygroscopic thermal storage media can be reduced by avoiding its contacts to moisture in designing high temperature thermal storage systems.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 흡습이 NaKZn-Chloride 물질의 축열재로써의 물성과 녹는점에 미치는 영향을 확인하고, NaKZn-Chloride 물질의 고온안정온도가 적절히 측정되었는지를 확인하고자 하였다.
본 연구에서는 NaKZn-chloride 혼합물의 녹는점에 수분이 미치는 영향을 살펴보았다. DSC를 이용한 측정과 고온가열로를 이용한 실험에서 흡습된 수분에 의해 녹는점이 낮아지고 450 ℃ 부근에서 발열 반응이 존재한다는 것을 밝혔다.

제안 방법

그런 다음 가열 처리과정에서 흡습 처리하지 않은 샘플과 흡습 처리한 샘플의 초기 질량을 측정한 후 두 샘플을 고온가열로에 넣고 300 ℃에서 1시간 유지한 후 꺼내어 질량을 측정하였다. 가열 후 샘플은 고온가열로에서 꺼내어 상온에서 약 60분 이상 두어 냉각시켰으며, 냉각시킨 두 샘플 중 흡습 샘플을 다시 항온항습조에 넣고 흡습을 시켰다.
따라서 정확한 질량 손실의 양을 알기 위하여 대용량에 대하여 고온가열로(Furnace)를 이용한 실험을 추가로 실시하였으며, TGA 측정 결과 약 430 ℃ 이후까지가 고온안정온도로 보았기 때문에 그보다 낮은 300 ℃를 기준으로 실험을 진행하였다.
따라서 정확한 질량 손실의 양을 알기 위하여 대용량에 대하여 고온가열로(Furnace)를 이용한 실험을 추가로 실시하였으며, TGA 측정 결과 약 430 ℃ 이후까지가 고온안정온도로 보았기 때문에 그보다 낮은 300 ℃를 기준으로 실험을 진행하였다. 또한, 고온 축열재로서의 안정성이란 축열-방열의 Cycle이 반복되어도 물성이 변하지 않고 손실이 없는 것을 의미하므로, 각 Cycle 마다 샘플의 질량변화를 측정하여 비교해보았다.
수분 함유는 실제 상용 플랜트에서 흡습이 있는 경우를 고려하여, 6% 수분 함유된 물질은 온도 약 19 ℃, 습도 약 45%의 상온에서 3시간 동안 수분에 노출시켜 제조하였으며, 24% 수분 함유된 물질도 같은 온도, 습도에서 6시간 동안 노출하여 얻었다.
흡습의 영향을 알아보기 위하여 같은 질량으로 조합된 물질을 서로 다른 시간 동안 상온에 노출시켜 흡습시켜 수분함량이 다른 샘플을 제조하였다. 수분함량 0%의 건조 샘플은 대정화금의 Silicagel Blue 제품을 넣은 DURAN사의 일반 데시케이터에서 6시간 동안 건조시켜 제조하였다. 수분 함유는 실제 상용 플랜트에서 흡습이 있는 경우를 고려하여, 6% 수분 함유된 물질은 온도 약 19 ℃, 습도 약 45%의 상온에서 3시간 동안 수분에 노출시켜 제조하였으며, 24% 수분 함유된 물질도 같은 온도, 습도에서 6시간 동안 노출하여 얻었다.
수분함량의 샘플에 대하여 DSC로 녹는점을 같은 샘플을 3번 반복하여 확인하였다. Fig.
1에 제시된 1번의 가열-냉각 Cycle로 정하였다. 약 60시간 동안 18번 반복 실험을 하였다. 흡습시킨 샘플의 한 사이클당 수분 함량에 따른 질량 변화는 Fig.
준비된 각 샘플에 대해 Differential Scanning Calorimetry (DSC), Thermogravimetric Analysis (TGA)를 이용하여 Table 2에서 제시한 조건 하에서 녹는점과 고온에서의 질량변화를 측정하여 열 물성이 변화하였는지를 평가하였다.
흡습의 영향을 알아보기 위하여 같은 질량으로 조합된 물질을 서로 다른 시간 동안 상온에 노출시켜 흡습시켜 수분함량이 다른 샘플을 제조하였다. 수분함량 0%의 건조 샘플은 대정화금의 Silicagel Blue 제품을 넣은 DURAN사의 일반 데시케이터에서 6시간 동안 건조시켜 제조하였다.

대상 데이터

Cycle 반복실험을 위해 NaKZn-Chloride을 각각 100 g 두 개의 샘플을 스테인레스 스틸 304 재질의 용기에 담아 준비하였다. 두 개의 샘플 중 하나의 샘플은 흡습시키지 않은 샘플이며, 다른샘플은 흡습 처리 한 샘플이었다.
기존 문헌에 나와있는 최적 조성의 NaKZn-Chloride 혼합물[7]의 열물성을 확인하기 위해 NaCl 7.5 wt%, KCl 23.9 wt%, ZnCl₂ 68.6 wt%의 조성을 가지는 혼합물을 제조하여 실험에 사용하였다. 시약은 모두 대정화금[23] 으로부터 공급받아 사용하였으며, NaCl과 KCl은 순도 99%, ZnCl₂은 순도 98%의 제품을 사용하였다.
6 wt%의 조성을 가지는 혼합물을 제조하여 실험에 사용하였다. 시약은 모두 대정화금[23] 으로부터 공급받아 사용하였으며, NaCl과 KCl은 순도 99%, ZnCl₂은 순도 98%의 제품을 사용하였다.

성능/효과

이러한 변화는 두 번째 Cycle부터는 나타나지 않으므로 불순물에 의한 급격한 감소로 추정된다. 18회 Cycle 반복 실험한 결과 흡습 처리한 샘플이 흡습 처리하지 않은 샘플에 비해 약 0.1%가량 질량 손실률이 적은 것을 알 수 있었다. Fig.
TGA를 이용하여 물질의 고온안정성을 측정하는 방법은 물성평가에 가장 많이 이용되는 방법이지만, 매우 소량에 대한 측정이며 특히 본 연구의 대상물질인 NaKZn-Chloride의 경우 측정값이 불안정한 양상을 보였으므로 TGA 결과만으로는 정확한 질량 손실량을 측정하기 힘들다고 판단하였다. 따라서 정확한 질량 손실의 양을 알기 위하여 대용량에 대하여 고온가열로(Furnace)를 이용한 실험을 추가로 실시하였으며, TGA 측정 결과 약 430 ℃ 이후까지가 고온안정온도로 보았기 때문에 그보다 낮은 300 ℃를 기준으로 실험을 진행하였다.
TGA를 이용한 질량손실 측정에서는 수분량에 관계 없이 450 ℃부근에서 급격한 질량 감소를 보이는 것을 확인하였으며, 이는 주성분인 ZnCl₂성분의 산화 또는 휘발성에 의한 것으로 추정된다.
각 0%, 6%, 24% 수분함량의 샘플에 대하여 TGA로 고온 안정성을 확인하였다. Fig.
피크 3은 물질의 녹는점으로 수분에 의한 영향이 사라진 두 번째와 세 번째 측정시 동일한 온도에서 나타났다. 따라서, 첫 번째 가열에서는 해당 물질이 녹는점이 변하였더라도 수분이 제거된 후에는 다시 본래의 녹는점을 유지함을 확인할 수 있다. 피크 2, 4, 5, 6은 첫 번째 측정에서는 나타나지 않았고, 피크의 위치가 변하는 특성을 보였다.

후속연구

본 연구로부터 축열물질의 고온 안정성에 수분의 함량이 미치는 영향을 알 수 있었으며, 이는 추후 흡습성을 가지는 다른 축열물질의 특성 평가 및 활용시에 유용한 자료가 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열저장매체로서 용융염의 장점은?	다양한 저장매체 중에서 용융염은 높은 온도에서도 액체상태를 유지하여 밀도가 높고 열적 안정성을 가지는 장점이 있다. 용융염을 고온 열저장 매체로 이용하기 위하여 낮은 녹는점을 가지며, 높은 열적 안정성을 가지는 Nitrate/nitrite계, Carbonate계, Chloride계 용융염의 열전도도, 열용량, 부식, 전기화학적 특성 등에 대한 연구가 많이 진행되고 있다[7-11].
	열의 이용효율이 좋아지는 조건은 무엇인가?	용융염을 고온 열저장 매체로 이용하기 위하여 낮은 녹는점을 가지며, 높은 열적 안정성을 가지는 Nitrate/nitrite계, Carbonate계, Chloride계 용융염의 열전도도, 열용량, 부식, 전기화학적 특성 등에 대한 연구가 많이 진행되고 있다[7-11]. 열의 이용효율을 높이기 위해서는 사용 가능한 온도범위가 넓을수록, 즉 고온에서 안정성을 가지면서도 녹는점이 낮을수록 좋으므로[12], 고온 안정성이 높은 물질의 공융혼합물에 대한 연구가 주로 이루어졌다. 적절한 조성의 공융혼합물이 형성되면, 분자간힘을파괴하여엔탈피의변화를줄이거나상변화시발생하는 무질서도를 증가시켜 녹는점이 크게 감소하게 된다[13].
	NaCl-KCl-ZnCl2 혼합물에 대한 사전 실험의 결과가 선행 연구와 달랐던 이유는?	6),이 때 녹는점이 204 oC, 고온 안정온도(Stability limit)가 850 oC 라고 발표하였다[7,13,16]. 그러나사전실험결과선행연구와다른결과를얻었는데, 원료물질인 ZnCl2과 KCl이 모두 흡습성이 높은 특성을 가짐에 따라 NaKZn-Chloride 혼합물도 높은 흡습성을 가지게 되어, 보고된 물성과 측정된 물성의 차이에 흡습성이 미치는 영향에 대한 평가가 필요하였다.

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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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