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 기존의 상용 제올라이트계 이산화탄소를 개질하여 보다 이산화탄소 흡착성능이 우수한 이산화탄소 흡착제를 개발하였다. 이렇게 개발한 이산화탄소 흡착제를 충진한 소형 이산화탄소 흡착장치에 적용하여 초기 이산화탄소 농도가 5,000 ppm인 전동차 객실의 이산화탄소 농도를 약 45분 만에 2,500 ppm까지 낮출 수 있었다.
- 이에 본 연구에서는 전동차 객실에서 혼잡시에 농도가 가이드라인 기준치를 초과하는 이산화탄소를 저감할 수 있는 제올라이트계 흡착제에 대한 특성을 파악하였다. 그리고 흡착제를 충진한 이산화탄소 흡착 장치를 개발하고, 이를 실제 객차에 적용하는 실험을 통해 전동차 객실의 공기질을 쾌적하게 유지할 수 있는 방안을 모색하였다.
제안 방법
- 이후 이산화탄소 저감장치를 가동시키는 경우와 가동시키지 않는 경우의 이산화탄소 농도 감소 경향을 파악하였다. CO2 monitor 2의 상부 위치에서 이산화탄소 저감장치로 공기가 유입되고 CO2 monitor 1의 상부 위치로 처리된 공기가 나오기 때문에 이에 따른 영향을 알아보고자 CO2 monitor를 두 지점에 설치하였다.
- 실험용 전동차는 수도권 지하철 구간 운행에 사용되었던 전동차로 하였다. 객실은 좌우 대칭 형태이므로 객실 내부의 절반을 비닐로 차단하여 객실의 1/2공간을 대상으로 이산화탄소 저감장치 한 대를 객차의 바닥 면으로부터 2.0 m 높이에 설치하여 실험을 수행하였다. 실제 전동차에 적용할 때에는 저감장치 두 대를 진행방향으로 전동차의 앞부분에 한 대, 뒷부분에 한 대 등 총 두 대를 장착하도록 저감장치의 용량을 설계하였다.
- 이에 본 연구에서는 전동차 객실에서 혼잡시에 농도가 가이드라인 기준치를 초과하는 이산화탄소를 저감할 수 있는 제올라이트계 흡착제에 대한 특성을 파악하였다. 그리고 흡착제를 충진한 이산화탄소 흡착 장치를 개발하고, 이를 실제 객차에 적용하는 실험을 통해 전동차 객실의 공기질을 쾌적하게 유지할 수 있는 방안을 모색하였다.
- 그림 2와 같이 이산화탄소 농도 측정기를 실험용 전동차에 설치하여 이산화탄소 저감장치 가동에 따른 객실에서의 이산화탄소 저감성능을 파악하였다. 실험용 전동차는 수도권 지하철 구간 운행에 사용되었던 전동차로 하였다.
- 본 실험에서는 전동차 객실용 이산화탄소 저감장치를 제작하여 실제 차량에 설치하고 초기 농도를 약 5,000 ppm으로 설정한 후 장치를 가동하였을 때와 가동하지 않았을 때의 이산화탄소 농도 변화를 그림4 (CO2 monitor 1)와 그림 5 (CO2 monitor 2)에 나타내었다.
- 본 실험에서는 전동차의 대칭을 감안하여 전체 체적의 절반을 실험공간으로 사용하였다. 공간의 체적은 66.
- 0 m 높이에 설치하여 실험을 수행하였다. 실제 전동차에 적용할 때에는 저감장치 두 대를 진행방향으로 전동차의 앞부분에 한 대, 뒷부분에 한 대 등 총 두 대를 장착하도록 저감장치의 용량을 설계하였다.
- 7 m3이었다. 여기에 이산화탄소를 인위적으로 넣어주고, 혼합 팬을 이용하여 객실 내에 이산화탄소가 고르게 분포하도록 하였다. 이후 이산화탄소 저감장치를 가동시키는 경우와 가동시키지 않는 경우의 이산화탄소 농도 감소 경향을 파악하였다.
- 4 mL/min으로 하여 초기 이산화탄소의 농도를 5,000 ppm으로 조절하였다. 이산화탄소 흡착제는 70 g을 반응기에 충진하였으며, 반응기를 통과한 후의 이산화탄소 농도를 비분산적외선 (Non-dispersive infrared; ND IR) 방식의 이산화탄소 센서 (SenseAir사, 스웨덴)로 측정하여 흡착제의 이산화탄소 저감성능을 파악하였다.
대상 데이터
- /min 이었다. 객실 내 실험공간의 크기는 길이 10.0 m, 폭 2.9 m, 높이 2.3 m로서 총 부피는 66.7 m3이었다. 여기에 이산화탄소를 인위적으로 넣어주고, 혼합 팬을 이용하여 객실 내에 이산화탄소가 고르게 분포하도록 하였다.
- 본 실험에서는 이산화탄소 흡착제로 13X 제올라이트 (UOP사)와 5A 제올라이트를 구입하여 그대로 사용하거나, 이를 이온교환 방법으로 개질하여 이산화탄소 흡착제 (AK1과 AK2)로 사용하였다 [8]. 흡착제의 개질은 먼저 상용 제올라이트를 200 ℃에서 5 시간 동안 건조 한 후, 이산화탄소의 화학적 흡착이 가능하도록 70 ℃의 NaCl 수용액에 24 시간 씩 3 회에 걸쳐 총 72 시간 동안 담지하였다.
- 이후 700 ℃의 고온에서 2시간 동안 소성한 후 실험에 사용하였다. 상용 제올라이트인 13X와 5A는 모두 지름 2~3 mm의 구형 알갱이 형태였고, 개질한 AK1과 AK2는 가로, 세로, 높이 각각 5~6mm의 정사각형 형태로 소성하여 사용하였다.
- 개질하여 제조한 이산화탄소의 흡착성능을 알아보기 위하여 그림 1과 같은 실험 장치를 구성하였다. 실험 장치에는 순도 99.99 %의 질소와 순도 99 %의 이산화탄소가 유입되도록 하였으며, 이 때 질소의 유량은 1.6 L/min, 이산화탄소의 유량은 8.4 mL/min으로 하여 초기 이산화탄소의 농도를 5,000 ppm으로 조절하였다. 이산화탄소 흡착제는 70 g을 반응기에 충진하였으며, 반응기를 통과한 후의 이산화탄소 농도를 비분산적외선 (Non-dispersive infrared; ND IR) 방식의 이산화탄소 센서 (SenseAir사, 스웨덴)로 측정하여 흡착제의 이산화탄소 저감성능을 파악하였다.
- 그림 2와 같이 이산화탄소 농도 측정기를 실험용 전동차에 설치하여 이산화탄소 저감장치 가동에 따른 객실에서의 이산화탄소 저감성능을 파악하였다. 실험용 전동차는 수도권 지하철 구간 운행에 사용되었던 전동차로 하였다. 객실은 좌우 대칭 형태이므로 객실 내부의 절반을 비닐로 차단하여 객실의 1/2공간을 대상으로 이산화탄소 저감장치 한 대를 객차의 바닥 면으로부터 2.
성능/효과
- 본 실험에서 개질하여 제조한 두 가지 타입의 제올라이트계 이산화탄소 흡착제의 흡착성능을 비교한 결과를 그림 3에 나타내었다. AK1과 AK2는 13X 및 5A와 달리 초기에 이산화탄소를 완전히 흡착하지 못 하였으나, 반면에 흡착 지속시간은 오히려 크게 증가한 것으로 나타났다. 흡착한 이산화탄소의 양은 AK1과 AK2가 각각 1.
- 7 ppm/min이었다. 따라서 전동차에서 이산화탄소 저감장치를 가동할 경우 이산화탄소 농도를 짧은 시간에 낮출 수 있으며, 외기의 유입으로 인한 이산화탄소의 자연감소를 감안할 경우 저감장치에 의한 이산화탄소 저감효과는 52.9 %인 것으로 나타났다. 또한, CO2 monitor 2보다는 CO2 monitor 1에서 저감속도가 더 크게 나타났는데, 이는 CO2 monitor 2의 상부 위치에서 이산화탄소 저감장치로 공기가 유입되고 CO2 monitor 1의 상부 위치로 이산화탄소가 제거된 공기가 나오기 때문이며, 향후 본 저감장치를 전동차 내에 적용할 경우 처리된 공기가 더욱 고르게 객실 내부로 퍼질 수 있도록 하는 시스템이 필요할 것으로 보인다.
- 실험결과 이산화탄소 저감장치를 가동하지 않은 경우에도 이산화탄소 농도가 자연적으로 감소하는 것을 볼 수 있었는데, 초기 이산화탄소 농도가 4,988 ppm이었던 CO2 monitor 1에서는 2,500 ppm에 도달하기까지 103분이 소요되어 이산화탄소 농도 저감속도는 24.2 ppm/min이었고, 초기 이산화탄소 농도가 4,690 ppm이었던 CO2 monitor 2에서는 2,500 ppm에 도달하기까지 101분이 소요되어 이산화탄소 농도 저감속도는 21.7 ppm/min이었다. 이처럼 이산화탄소 농도가 자연적으로 감소하는 것은 전동차 객차의 특성상 출입문, 연결막 등의 틈을 통하여 외기가 유입되어 객실의 이산화탄소 농도가 희석되어 저감되기 때문이다.
- 상용 제올라이트계 이산화탄소 흡착제의 흡착성능을 비교한 결과를 그림 2에 나타내었다. 실험결과, 13X는 초기 약 100분간, 5A는 초기 약 120분간은 반응기로 유입되는 모든 이산화탄소를 흡착하는 것을 볼 수 있었다. 그러나 이후에는 흡착성능이 급격히 감소하기 시작하여, 13X는 3시간, 5A는 5시간 후에는 더 이상 이산화탄소를 흡착하지 못 하는 것으로 나타났다.
- 32 mmol을 흡착함을 알 수 있었다. 이는 13X에 비하여 약 2배, 5A에 비하여 약 1.3배가량 이산화탄소 흡착량이 증가한 것으로 개질한 제올라이트의 흡착성능이 더욱 우수함을 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서는 기존의 상용 제올라이트계 이산화탄소를 개질하여 보다 이산화탄소 흡착성능이 우수한 이산화탄소 흡착제를 개발하였다. 이렇게 개발한 이산화탄소 흡착제를 충진한 소형 이산화탄소 흡착장치에 적용하여 초기 이산화탄소 농도가 5,000 ppm인 전동차 객실의 이산화탄소 농도를 약 45분 만에 2,500 ppm까지 낮출 수 있었다. 따라서 전동차에서 이산화탄소 저감장치를 가동할 경우 이산화탄소 농도를 짧은 시간에 낮출 수 있으며, 외기의 유입으로 인한 이산화탄소의 자연감소를 감안할 경우 저감장치에 의한 이산화탄소 저감효과는 52.
- 여기에 이산화탄소를 인위적으로 넣어주고, 혼합 팬을 이용하여 객실 내에 이산화탄소가 고르게 분포하도록 하였다. 이후 이산화탄소 저감장치를 가동시키는 경우와 가동시키지 않는 경우의 이산화탄소 농도 감소 경향을 파악하였다. CO2 monitor 2의 상부 위치에서 이산화탄소 저감장치로 공기가 유입되고 CO2 monitor 1의 상부 위치로 처리된 공기가 나오기 때문에 이에 따른 영향을 알아보고자 CO2 monitor를 두 지점에 설치하였다.
- AK1과 AK2는 13X 및 5A와 달리 초기에 이산화탄소를 완전히 흡착하지 못 하였으나, 반면에 흡착 지속시간은 오히려 크게 증가한 것으로 나타났다. 흡착한 이산화탄소의 양은 AK1과 AK2가 각각 1.92 L, 2.06 L이었으며, 이를 질량으로 환산하면 3.80 g, 4.08 g이고 이는 각각 89.0 mmol과 92.7 mmol에 해당하므로, 흡착제 1 g 당 각각 1.27 mmol과 1.32 mmol을 흡착함을 알 수 있었다. 이는 13X에 비하여 약 2배, 5A에 비하여 약 1.
후속연구
- 9 %인 것으로 나타났다. 또한, CO2 monitor 2보다는 CO2 monitor 1에서 저감속도가 더 크게 나타났는데, 이는 CO2 monitor 2의 상부 위치에서 이산화탄소 저감장치로 공기가 유입되고 CO2 monitor 1의 상부 위치로 이산화탄소가 제거된 공기가 나오기 때문이며, 향후 본 저감장치를 전동차 내에 적용할 경우 처리된 공기가 더욱 고르게 객실 내부로 퍼질 수 있도록 하는 시스템이 필요할 것으로 보인다.
- 향후 흡착제의 성능개선 및 유동해석을 통한 저감장치의 개량으로 실제 운행되는 전동차의 이산화탄소 농도를 ‘대중교통수단 실내공기질 가이드라인’에서 정한 비첨두시간의 3,500 ppm, 첨두시간의 2,500 ppm 이하로 유지할 수 있을 것으로 예상된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.