보고서 정보
주관연구기관 |
제주대학교 Cheju National University |
연구책임자 |
목영선
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2013-11 |
과제시작연도 |
2012 |
주관부처 |
교육과학기술부 |
사업 관리 기관 |
한국연구재단 |
등록번호 |
TRKO201400008223 |
과제고유번호 |
1345171768 |
사업명 |
기본연구지원사업(유형I) |
DB 구축일자 |
2014-06-07
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초록
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본 연구의 최종목표는 일산화탄소 (CO), 이산화탄소 (CO2), 수소 (H2)를 원료로 하여 메테인(CH4)을 합성하기 위한 전기방전플라즈마 활성화 저온 촉매 기술을 개발하는 것으로서, 1차년도에는 메테인 합성 촉매를 활성화하기 위한 최적의 전기방전 플라즈마 방식 선정 및 촉매/조촉매/지지체 screening, 2차년도에는 메테인 생산 속도 및 선택도를 높이기 위한 전기방전 플라즈마-촉매 공정의 최적 운전조건 도출, 3차년도에는 전기방전 플라즈마-촉매 공정 구조 소형화 및
본 연구의 최종목표는 일산화탄소 (CO), 이산화탄소 (CO2), 수소 (H2)를 원료로 하여 메테인(CH4)을 합성하기 위한 전기방전플라즈마 활성화 저온 촉매 기술을 개발하는 것으로서, 1차년도에는 메테인 합성 촉매를 활성화하기 위한 최적의 전기방전 플라즈마 방식 선정 및 촉매/조촉매/지지체 screening, 2차년도에는 메테인 생산 속도 및 선택도를 높이기 위한 전기방전 플라즈마-촉매 공정의 최적 운전조건 도출, 3차년도에는 전기방전 플라즈마-촉매 공정 구조 소형화 및 최적 공정결합 방안 도출을 연차별 목표로 설정하였다.
주요 연구내용은 최적의 전기방전 플라즈마 방식 선정, 촉매/조촉매/지지체의 스크리닝을 통한 저온 촉매 대상 물질 선정, 촉매조성 및 촉매 제조방법에 따른 특성 분석 및 CO/CO2 환원 성능 평가, 메테인 합성 속도 및 플라즈마 영향 향상을 위한 전기방전 플라즈마-촉매 복합공정 운전조건 탐색, 전기방전 플라즈마에 의한 촉매 활성화 mechanism 해석, 전기방전 플라즈마에 의한 흡착 반응물 해리 및 환원 특성 조사, 전기방전 플라즈마 장치의 전극형상 및 배열에 따른 전압/전류/전력 특성 정량화, 촉매전 플라즈마 방식과 촉매내 플라즈마방식 비교 조사를 통한 적정 구조 선정, 메테인 생산성과 선택도에 미치는 공정 운전 변수 영향 정량화, 플라즈마에 의한 반응물 분자의 여기와 자외선 방출이 메테인 합성 촉매 활성과의 상관관계 조사, 플라즈마 특성 분석, 촉매피독 완화 특성 조사, 메테인 합성을 위한 전기방전 플라즈마-촉매 최적 공정 결합 방안 도출, 공정의 장시간 운전에 따른 신뢰성, 안정성 및 내구성 검증, 전기방전 플라즈마-촉매 복합 공정의 소형화 방안 도출 및 핵심 스케일업 인자 도출이었다.
최적의 플라즈마 발생방법을 결정하기 위해, 문헌고찰 및 기초실험을 통해 유전체 장벽방전을 플라즈마 발생 방법으로 선정하였으며, 지지체로 알루미나 및 제올라이트, 금속활성물질로 니켈과 루테늄, 조촉매로 이산화티타늄을 선정하여 플라즈마에 의한 영향을 평가하였다. 촉매농도를 변경하며 플라즈마/촉매의 적정 농도를 결정하였고, 지지체/조촉매/금속의 조성을 변경하여 플라즈마에 의한 촉매 활성화 메커니즘에 대한 해석을 수행하였다. 인가전압 범위 6-11 kV, 반응온도 범위 160-320℃, 상압 조건에서 CO와 CO2의 메테인 전환율과 선택도를 조사하였으며, 촉매조성의 변화, 전압의 변화, 반응온도의 변화에 대한 실험을 통해 플라즈마가 촉매를 활성화시키는 반응기구에 대해 조사하였다. 제조된 촉매의 BET 비표면적 측정, 문헌 고찰을 통해 기체상 CO, CO2의 결합에너지와 흡착상태의 결합에너지 조사 및 흡착된 CO, CO2의 결합에너지가 플라즈마에 의해 분해될 수준으로 낮아짐 확인하였으며, 전극의 모양, 재질, 전극간 거리 등에 따른 전력특성 분석 및 정량화를 시도하였다. 반응온도, 조성, 전압을 주요 변수로 전환율/선택도에 대한 조사 및 반응물 분자 여기에 따른 효과와 자외선의 영향에 대한 조사를 완료하였다. 또한,촉매조성 변화 및 플라즈마 활용을 통해 코킹을 완화하고 촉매를 재생할 수 있는 방안을 도출하였다. 플라즈마-촉매 복합공정을 최대 10시간까지 운영하며 촉매 피독을 조사하였으며, 플라즈마 방전 및 산화분위기에서의 촉매 재생을 통해 촉매를 원래상태로 복원할 수 있음을 확인하였다. 플라즈마 반응기 설계를 위한 핵심 설계변수 (전압, 전기장 세기, 반응기 공간 속도 등)를 도출하였으며, 플라즈마 방전 주파수를 증가시켜 반응기를 소형화시킬 수 있었다.
본 연구를 통해 얻을 수 있는 기대효과는 1) CO/CO2를 이용한 메테인 합성 공정에 있어서 플라즈마를 적용한 첫 번째 시도로서 연구결과의 학술적 가치가 매우 높으며, 파급 효과가 클 것으로 예상, 2)지구온난화 원인물질인 이산화탄소를 유용한 에너지로 전환시킴으로써 환경보존 및 에너지 문제에 기여,3) 석탄가스화 (합성가스 제조공정)와 연계한 에너지 생산기술 확보이다. 본 연구의 결과는 석탄 가스화에 의한 합성가스의 메탄화 뿐 만 아니라, 연소가스에서 포집된 CO2를 유용한 에너지로 전환하는 기술이나 바이오매스 가스화와 연계한 메테인 제조기술로도 확대적용이 가능할 것으로 판단된다.
목차 Contents
- 일반연구자지원사업 최종(결과)보고서 ... 1
- 목차 ... 2
- Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 3
- Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 4
- 1. 연구과제의 개요 ... 4
- 2. 국내외 기술개발 현황 ... 4
- 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 5
- 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 6
- 5. 연구결과의 활용계획 ... 6
- 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 6
- Ⅲ. 연구성과 ... 7
- 끝페이지 ... 8
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