[논문]광촉매 마이크로 반응기의 내부 형상에 따른 VOC 분해특성에 관한 수치해석적 연구

용정권; 김창녕; 염민규

광촉매 마이크로 반응기의 내부 형상에 따른 VOC 분해특성에 관한 수치해석적 연구
A numerical analysis of the degradation of VOC in the photocatalytic microreactors with different inner geometries 원문보기

용정권 (경희대학교 기계공학과) , 김창녕 (경희대학교 기계공학과) , 염민규 (경희대학교 기계공학과)

A numerical analysis was carried out to investigate the degradation of Volatile Organic Compounds (VOC) in photocatalytic microreactors with different inner geometries. Two different cases of microreactor were considered, namely, one microreactor has bump on the channel and the other has no bump on the channel. The removal efficiency of VOC has been calculated by the Langmuir-Hinshelwood reaction rate equation that was obtained from the experimental results. From the numerical calculations, it was observed that the conversion ratio of VOC for the microchannel with bump is about 4.5% greater than the microchannel without bump. And the mass transfer characteristics in the microreactor are also shown in numerical results. These results can be used effectively for the photocatalytic numerical analysis.

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문제 정의

본 연구에서는 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 이용한 수치해석으로 마이크로반응기의 내부 형상에 따른 VOC 분해특성에 대해 연구하였다. 마이크로반응기의 높은 물질전달 특성이 수치계산 상에서도 얻어졌고 bump가 있는 채널에서 TCEA의 전환율이 bump가 없는 채널에서보다 평균 4.
본 연구에서는 본 연구에서는 이러한 특징을 갖는 마이크로 광촉매 반응기의 내부 형상에 따른 VOC 분해특성을 수치해석적 방법으로 평가하였다. 상용 CFD(Computational Fluid Dynamics) 코드인 FLUENT를 이용하여 광촉매 반응기의 형상과 운전조건에 따른 VOC의 분해특성을 비교 분석하였다.

가설 설정

2를 사용하였다. 계산영역의 유체는 3차원 정상상태, 비압축성, 층류유동으로 가정하였고, simple 알고리즘과 이산화 방식에는 QUICK 방식을 사용하였다. 수치계산에 사용된 격자 형태는 3차원 정렬격자(structured grid)이다.
광촉매 반응에 사용되는 UV-light는 발열량이 미미하고, 광촉매 반응은 상온에서도 잘 일어나기 때문에 각 채널의 계산영역은 등온 (300K)인 것으로 가정하였다. 자외선의 파장은 365 nm이고 각 채널의 크기가 매우 작으므로 자외선의 세기는 5 mW/cm²으로 균일하다고 가정하였다.
광촉매 반응에 사용되는 UV-light는 발열량이 미미하고, 광촉매 반응은 상온에서도 잘 일어나기 때문에 각 채널의 계산영역은 등온 (300K)인 것으로 가정하였다. 자외선의 파장은 365 nm이고 각 채널의 크기가 매우 작으므로 자외선의 세기는 5 mW/cm²으로 균일하다고 가정하였다.

제안 방법

본 연구에서는 본 연구에서는 이러한 특징을 갖는 마이크로 광촉매 반응기의 내부 형상에 따른 VOC 분해특성을 수치해석적 방법으로 평가하였다. 상용 CFD(Computational Fluid Dynamics) 코드인 FLUENT를 이용하여 광촉매 반응기의 형상과 운전조건에 따른 VOC의 분해특성을 비교 분석하였다.

이론/모형

TCEA와 TiO₂의 반응면에서는 Wang이 제시한 다음의 Langmuir-Hinshelwood 반응률식⁽⁷⁾을 사용하였다.
유체유동 및 농도를 해석하기 위해 유한체적법 기반의 사용 CFD 코드인 FLUENT 6.2를 사용하였다. 계산영역의 유체는 3차원 정상상태, 비압축성, 층류유동으로 가정하였고, simple 알고리즘과 이산화 방식에는 QUICK 방식을 사용하였다.

성능/효과

수치계산에 사용된 격자 형태는 3차원 정렬격자(structured grid)이다. bump가 없는 채널에 대하여 86,700, 180,000, 200,000개의 서로 다른 격자를 사용하여 계산을 수행하였고 결과가 출구의 평균 TCEA 농도에서 유효숫자 3째 자리까지 일치하였다. bump가 있는 채널에 대하여는 250,000, 174,000개의 서로 다른 격자를 사용하여 계산을 수행하였고 이 결과 또한 출구의 평균 TCEA 농도에서 유효숫자 3째 자리까지 일치하였다.
또한 모든 수치계산에 대하여 bump가 있는 채널의 TCEA 전환율이 bump가 없는 채널의 TCEA 전환율보다 더 높은 값이 나타났다. bump가 있는 채널에서 bump가 없는 채널보다 평균 4.5 %의 전환율의 상승이 수치계산으로 얻어졌다. TCEA의 전환율이 상승된 요인 중의 하나는 bump가 있는 채널의 비표면적이 bump가 없는 채널의 비표면적보다 큰 것 때문인 것으로 예상된다.
bump가 있는 채널에 대하여는 250,000, 174,000개의 서로 다른 격자를 사용하여 계산을 수행하였고 이 결과 또한 출구의 평균 TCEA 농도에서 유효숫자 3째 자리까지 일치하였다. 따라서, 본 수치해석에 사용된 격자의 크기에 따른 영향은 무시할 만하며, 본 연구결과는 bump가 설치되지 않은 채널은 180,000개의 격자, bump가 설치된 채널은 174,000개의 격자에 대한 것이다. 해의 수렴판정에서 TCEA 농도의 scaled residual이 10^-⁹일 때 수렴한 것으로 간주하였다.
또한 모든 수치계산에 대하여 bump가 있는 채널의 TCEA 전환율이 bump가 없는 채널의 TCEA 전환율보다 더 높은 값이 나타났다. bump가 있는 채널에서 bump가 없는 채널보다 평균 4.
4에서 확인할 수 있다. 마이크로 반응기의 짧은 분자 확산 거리와 높은 물질전달 특성을 수치계산에서도 얻을 수 있음을 확인하였다.
본 연구에서는 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 이용한 수치해석으로 마이크로반응기의 내부 형상에 따른 VOC 분해특성에 대해 연구하였다. 마이크로반응기의 높은 물질전달 특성이 수치계산 상에서도 얻어졌고 bump가 있는 채널에서 TCEA의 전환율이 bump가 없는 채널에서보다 평균 4.5% 크게 나왔다. 본 연구결과는 향후 광촉매 수치해석 분야에 유용한 자료가 될 것이다.
입구속도가 작을수록 전환율이 상승되는 것을 수치계산으로 얻었다. 입구속도가 작을수록 채널 내에서 TCEA의 분해 반응이 일어나는 시간이 증가되므로 더 큰 전환율을 얻었다고 예상된다.

후속연구

5% 크게 나왔다. 본 연구결과는 향후 광촉매 수치해석 분야에 유용한 자료가 될 것이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

마이크로 반응기는 어떤 특성을 갖는가?

광촉매 반응기 중의 하나인 마이크로 반응기는 반응기 내에서 층류흐름, 짧은 분자 확산 거리, 높은 비표면적 그리고 높은 열전달과 물질전달 특성을 갖는 것으로 알려져 있다.(4)(5) 미량의 기체가 사용되는 실험이나 공정에서 미소한 농도조절이 필요한 상황에서 마이크로 반응기는 유용하게 사용된다.

휘발성유기화합물이란 무엇인가?

제네바 협정(1979년)에서 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds: VOC)은 질소화합물과 공존하면 햇빛의 작용으로 오염물질을 생성할 수 있는 모든 탄화수소화합물이라 정의되었다.

휘발성유기화합물은 사람에게 어떤 상해를 주는 물질인가?

VOC는 사람에게 직접적으로 신경계 장애를 일으킬 수 있고 암을 유발할 수 있는 해로운 물질이며 오존을 파괴하는 원인물질로도 작용한다. 또한 대기 중으로 쉽게 휘발하여 악취를 초래하는 물질이다.

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