부식성 첨가제를 배제한 과산화수소 직접 제조 반응

정영민 한국공업화학회 2015 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2015 No.1

다양한 화학반응에서 산화제로 널리 사용되는 과산화수소는 분자 산소와 견줄 수 있을 만큼 분자 내 산소의 함량이 높고, 반응에 참여 시 부생성물로 물만 생성되므로, 수많은 산화제들 중 가장 청정하고 효율적인 산화제라 할 수 있다. 하지만, 이러한 과산화수소의 청정성과 달리, 현재 대부분의 과산화수소 상업 생산은 여러 가지 독성 물질의 사용 및 생성이 수반되며, 과다한 에너지가 요구되는 다단계 공정으로 구성된 앤트라퀴논 공정(Anthraquinone process)을 통해 이루어지고 있다. 앤트라퀴논 공정과 달리 수소와 산소로부터 과산화수소를 직접 합성하는 방법은, 반응 경로가 간단하고 제조 과정에서 부생성물로 물만 생성되므로, 환경적이나 경제적인 관점 모두에서 앤트라퀴논 공정의 대안 기술로 큰 관심을 끌어왔다. 하지만, 과산화수소 직접 제조 연구는, 기대와는 달리 높은 난이도로 인하여, 지난 수십년간 다양한 촉매에 대한 연구와 공정 개선에도 불구하고 현재까지 여전히 연구 단계에 머물러 있다. 가장 큰 문제점 중 하나는, 과산화수소의 수율을 높이기 위해서는 반응 가스 중 수소의 농도를 높여야 하는데, 수소와 산소의 혼합 시 폭발의 위험으로 인해 수소의 농도를 5% 이하로 유지해야 하므로, 과산화수소의 수율을 높이는데 한계가 있다는 점이다. 또한, 수소와 산소로부터 과산화수소뿐만 아니라 물도 생성될 수 있으며, 생성된 과산화수소는 수소화 반응 또는 분해 반응을 통해 다시 물로 변화될 수 있다. 이러한 다른 반응 경로들은 과산화수소 생성반응 경로와 비교하여 열역학적으로 대등하거나 우세하게 안정하므로, 촉매의 과산화수소 선택도를 높이기가 매우 어렵다. 과산화수소 선택도 향상을 위해 반응 용액에 황산이나 할라이드 화합물을 첨가하는 방법이 널리 알려져 있으나, 이러한 부식성 화합물의 첨가는 반응기의 부식을 야기하는 또 다른 문제점을 수반한다. 따라서, 최근에는 부식성 첨가제의 사용을 배제하면서 과산화수소의 수율을 향상시킬 수 있는 방법으로, 담체 표면에 산 기능을 도입한 산성 담체에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 본 연구에서는 다양한 종류의 산성 담체에 귀금속이 도입된 촉매를 제조하여 부식성 첨가제를 배제한 상태에서 과산화수소 직접 제조 반응을 수행하였으며, 담체 특성이 촉매 활성 및 과산화수소 분해에 미치는 영향을 관찰하였다.

고온수전해 수소극용 Cu/YSZ의 제조 및 특성

홍현선(Hong, Hyun-Seon),김종민(Kim, Jong-Min),신석재(Shin, Seock-Jae) 한국신재생에너지학회 2007 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2007 No.11

700 ?C이상의 온도에서 실시되는 고온수전해는 다가오는 수소경제시대의 주요한 수소제조기 술로 주목되고 있다. 이 연구에서는 Ni보다 전기전도도가 우수하고 가격이 저렴한 Cu를 사용하여 고온수 전해 수소극용 Cu/YSZ 복합체를 기계적합금법에 의해 제조하여 미세구조를 관찰하였고 Cu/YSZ를 수소전극으로 한 반전지를 제조하여 수조제조 실험을 실시하였다. Cu/YSZ 복합체는 Cu와 YSZ를 6:4(vol%)의 조성비로 유성밀을 사용하여 400 rpm으로 24시간 동안 실시하여 제조하였다. 고에너지 볼밀 후 500 nm이하의 나노크기의 복합체가 제조되었으며 Cu입자에 YSZ가 고르게 분포되어 있었다. 수은압입법으로 측정한 기공률은 70%이고 기공크기는 평균 0.5 {mu}m으로 미세한 기공으로 이루어져 있었다. 제조된 Cu/YSZ 복합체를 수소전극으로 한 반전지를 제조하여 수소제조 실험을 실시한 결과 Ni/YSZ 전극보다 수소제조 성능이 우수한 것으로 나타났다. Cu의 높은 열팽창계수와 낮은 녹는점을 보완하면 우수한 고온수전해용 전극재료로 사용될 것으로 판단된다.

Protonic Manganese Oxide Spinel 제조 및 폐수로 부터 삼중수소 분리 특성 연구

이성호,손우정,임성팔 한국공업화학회 2016 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2016 No.1

다목적 연구용 원자로인 HANARO(High Flux Advanced Neutron Application Reactor)의 반사체 냉각계통은 반사체로 순도 99.85% 이상의 원자로급 중수를 사용한다. 정상 운전중 중수의 중성자 흡수로 중수내 삼중수소가 생성되며 계통으로부터 누수로 인해 삼중수소수가 방사성 폐기물로 발생된다. 우선 삼중수소를 포함하는 방사성폐기물내 삼중수소를 제거하기 위해 고온의 Furnace에서 MnCO₃ 및 LiOH·H₂O를 이용하여 LiMn₂O₄를 합성 제조한 후, 제조된 LiMn₂O₄ 0.5g 을 0.5M HCl 용액 1리터에 혼합시켜 산처리하여 흡착제 결정 구조내 수소이온을 함침시켜 PMOS (Protonic Manganese Oxide Spinel)를 흡착제로 제조하였다. 또한, 제조된 PMOS을 이용하여 HANARO 중수 계통내 누수로 발생되는 삼중수소 포함 실폐수를 이용하여 폐수내 삼중수소를 분리하는 특성을 연구하였다. 실험 결과 20~30분 반응시킨 결과 삼중수소를 포함하는 실폐수내 삼중수소 농도가 감소됨을 확인하였고, 앞으로 PMOS를 이용한 폐수중 삼중수소 제거율 향상을 위한 연구를 수행할 예정이다.

연료전지자동차용 수소제조와 저장·운반기술동향

길상철,황용길,Kil, Sang-Cheol,Hwang, Young-Gil 한국자원리싸이클링학회 2016 資源 리싸이클링 Vol.25 No.1

화석연료를 사용하는 선박이나 자동차는 $CO_2$가스를 과대하게 발생하므로 지구 온난화에 영향을 주기 때문에 화석연료 대신 수소를 사용하는 수소연료전지자동차(FCV)가 크게 각광을 받고 있다. 우리나라는 현대자동차가 FCV자동차를 미국, 일본, 독일 등의 선진국들의 자동차회사와 경쟁적으로 개발하고 있다. 수소는 제철소의 코크스 공장, 서유화학공장의 부산물로 얻으며, 석탄, 메탄가스 등을 고온에서 증기와 반응시켜서 메탄 수증기개질법과 압력스윙흡착법 또는 막분리형멤브레인개질 법을 이용한 수소분리형개질방법으로 고순도 수소를 제조하거나 물을 전기분해하여 제조한다. 수소는 전자공업, 금속 및 화학공업, 로켓 연료 및 공장, 병원, 가정용 등의 연료전지시스템이나 FCV의 연료로 사용하고 있다. 수소의 저장은 수소용기에 수소를 압축하는 방법과 액화수소로 저장하는 방법이 일반적이고, 최근 수소화물이나 유기화학하이드라이드법으로 저장하여 수소스테이션에 운반해서 사용한다. 우리나라는 현재 13개소의 수소스테이션이 가동 중에 있으며, 향후 43개소를 설치할 계획이다. The earth has been warming due to $CO_2$ gas emissions from fossil fuel cars and a ship. So the hydrogen fuel cell vehicle(FCV) using hydrogen as a fossil fuel alternative energy is in the spotlight. Hyundai Motor Company of Korea and a car companies of the US, Japan, Germany is developing a FCV a competitive. Obtained hydrogen as a by-product of the coke plant, oil refineries, chemical plants of steel mill, coal is reacted with steam at high temperatures, methane gas, manufacture of high purity hydrogen Methane Steam Reforming and hydrogen detachable reforming method using the Pressure Swing Adsorption or Membrane Reforming technical or decomposition of water to produce electricity. Hydrogen is the electronic industry, metal and chemical industries, which are used as rocket fuel, etc. are used in factories, hospitals, home of the fuel Ene.Farm system or FCV. And a method of storing hydrogen is to store liquid hydrogen and a method for compressing normal hydrogen to the hydrogen container, by storing the latest hydride or Organic chemical hydride method is used to carry the hydrogen station. Korea is currently 13 hydrogen stations in place and in operation, plans to install a further 43 places.

SMR (Steam Methane Reforming) 수소제조 경제성 분석을 위한 개산견적 모델 개발

이연호,김관우,기세일,서정규 한국자원공학회 2022 한국자원공학회지 Vol.59 No.2

본 연구에서는 대규모 추출(개질)수소 생산을 위하여 수증기 메탄 개질반응(steam methane reforming, SMR) 수소제조 개산견적 모델을 개발하였다. 개발한 모델을 이용하여 수소제조 시설의 규모에 따른연도별 CAPEX(capital expenditure), OPEX(operating expenditure), ABEX(abandonment expenditure) 를 산출하여 경제성 분석에 반영하였고, 경제성 분석의 다양한 입력변수들에 따른 민감도 분석을수행하였다. 그 결과, 수소제조 시설의 규모가 커질 때의 균등화 수소원가(levelized cost of hydrogen, LCOH) 와 순현재가치(net present value, NPV) 의 관계를 확인하였다. 일일 수소생산량 333톤 규모로 가정한 기본모델의 균등화 수소원가를 2.91 US$/kg으로 산출하고, 현실성이 있는 결과로 확인하였다. 이를 통해, SMR방식을 적용한 수소사업의 다양한 시나리오에 대해 신속하고 합리적인 경제성 분석이 가능하고, 효율적 의사결정에 기여할 수 있다.

수소-압축천연가스(HCNG) 자동차 국내외 개발동향 및 향후과제

이영철(Lee, Young-Chul),한정옥(Han, Jeong-Ok),이중성(Lee, Joong-Seong),채정민(Chae, Jeong-Min),홍성호(Hong, Seong-Ho) 한국신재생에너지학회 2010 신재생에너지 Vol.6 No.3

수소경제로 가는 길목에서의 압축천연가스에 수소를 첨가한 수소-압축천연가스(HCNG)는 자동차 연료로서의 뛰어난 효과로 인해 미국, 캐나다, 유럽 등에서는 강화되고 있는 자동차의 배출가스 규제에 대해 만족할 수 있는 차세대 천연가스 자동차의 대안으로서 관련 기술개발과 실증사업에 주력하고 있다. 향후 수소시대의 도래에 즈음하여 HCNG의 사용은 수소사용에 대한 인식 향상과 아울러 수소사용을 안정적으로 공급할 수 있는 토대를 마련하고 수소제조 등 여러 분야에서 기술개발을 할 수 있는 부가적인 효과가 있다고 하겠다. 따라서 최근 국내에서 시내버스와 청소차등에서 천연가스 차량의 보급이 확대되고, 충전소도 점차 확대되고 있는 상황에서 HCNG 연료의 적용가능성을 확인하기 위한 연구가 진행되고 있다. 본 논문에서는 인프라 관점에서의 선진국과 국내의 기술개발 현황을 소개하고 향후 우리에게 필요한 과제가 무엇인지를 생각해보는 기회를 갖고자 하였다.

수소저장용 LOHC 소재 물성 평가 및 분리 기술 개발

장정희,김동우,안민회,한기보,서영웅 한국공업화학회 2020 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2020 No.-

수소에너지를 저장하여 사용하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 수소를 안전하게 저장 및 활용 기술중 하나인 액체유기 수소 수송체(LOHC : Liquid Organic Hydrogen Carrier)는 수소를 수소화가 간편한 액체에 용해시킨 후 탈수소화 과정을 거쳐 수소를 추출하는 방식 이다. 전세계적으로 빠르게 수소사회로 진입하고 있고, 이는 대량의 수소저장체가 필요함을 의미한다. 재사용이 가능하며, 수소저장효율이 높은 LOHC에 대한 수요는 꾸준하게 늘어날 것으로 생각된다. 이러한 수소저장 물질을 고순도로 합성하기 위해서는 많은 노력과 비용이 소요 된다. 이를 극복하기 위하여 상용으로 시판되고 있는 LOHC로 부터 고성능의 수소저장물질만 선택적으로 분리하여 사용한다면 LOHC의 생산단가를 경제적으로 낮출 수 있을 것이다. 본 연구에서는 기존 상용 LOHC소재를 고순도로 분리하여 수소저장체로서의 적용 가능성을 타진하고자 하였다. 이를 위하여 물리화학적 분리방법을 시도 하였으며, 이를 통하여 순도 및 물리화학적 특성을 분석 하였다.

수소생산용 탄화수소 수증기 개질 촉매

강미숙 한국공업화학회 2016 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2016 No.0

경제성을 바탕으로 한 에너지 사용 대비 수소제조량 계산 시 가장 효율적인 수소제조 방법은 화석연료를 수소 원으로 사용하는 개질반응이며, 세계 총 수소 생산의 거의 절반을 이 방법으로 제조하고 있다. 수증기 개질은 높은 흡열반응을 수반하며 고온에서 귀 금속이 함유된 촉매를 첨가하여 반응을 촉진시킨다. 결국 사용한 촉매는 수소의 가격 및 연료전지의 단가를 결정하는데 큰 영향을 미치므로 저가 촉매의 개발이 절실하다. 따라서 본 연구는 저가의 다원 전이금속 종을 최적의 담체에 고 분산시킨 내열·내구성 저가촉매를 개발하여 기존 개질기에 사용되던 귀금속 량을 최대한 줄이고자 하는데 그 핵심이 있다. 특히 본 연구에서 개발하고자 하는 LPG 수증기 개질 촉매가 성공적으로 개발되어 상용화된다면 향후 셰일가스 도입 시 개발된 수증기 개질 촉매 및 장치 인프라에 그대로 적용할 수 있어 다른 대체에너지들 보다 접근성·경제성 측면에서 우위를 점유할 수 있을 것이다.

1P-511 두 타입의 Ni₂FeO₄/Cu₂FeO₄/SiO₂와 Ni-CuFeO₂/SiO₂ 촉매에서의 프로판 수증기 개질반응에 의한 수소제조

조승원,곽병섭,박노국,이태진,이상태,강미숙 한국공업화학회 2015 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2015 No.0

수소를 생산하는 방법에는 여러 가지가 있지만 그중에서 탄화수소 수증기 개질에의한 수소 제조가 가장 경제적이고 효율 면에서 우수하다. 특히 국내에서 범용으로 사용되는 LPG가스(특히 프로판)를 이용한 개질기 개발은 향후 국내의 연료전지 상용화 도입가격과 안전성 및 활용 면을 고려할 때 가장 적절한 연료로 간주된다.현재까지 탄화수소 수증기 개질 반응에는 알루미나나 제올라이트와 같은 고체 산촉매담체에 Pt, Pd과 같은 귀금속을 담지한 촉매가 사용되어 있다. 하지만 가격대비 에너지 효율 측면에서 적합하지 못하다는 평가를 받고 있어 값싸고 효율적인 신촉매 개발이 거론되고 있다. 본 연구에서는 실리카 담체에 열적 내구성이 우수한 스피넬 구조의 촉매를 물리적으로 혼합하거나 담지한 Ni2FeO4/Cu2FeO4/SiO2와 Ni-CuFeO4/SiO2 삼원촉매 계를 합성하여 수소제조용 개질촉매로 사용하고자하였다. 촉매의 물리화학적 특성을 알아보기 위해 XRD, TEM, TG, BET-surfacearea, XPS 등을 분석하였으며, 프로판 수증기 개질 반응은 500도부터 800도까지 50도 간격으로 반응을 실시하여 수소 선택율과 전환율 성능을 평가하였다.

Hydrogen Production from Photocatalytic Splitting of water Solution over Ag_XZn_1-xO

김성일,강미숙 한국공업화학회 2016 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2016 No.1

화석연료의 소비량이 증가하면서 에너지 자원의 한계성과 환경오염 문제가 매우 심각하다. 이러한 이유로 세계적으로 화석 연료를 대체할 새로운 에너지 개발에 주목하며, 특히 차세대 청정 에너지원인 수소에너지가 각광받고 있다. 수소는 지구상에 가장 많이 존재하는 물로 쉽게 제조되어 자원의 제약이 없으며, 연소 생성물이 물밖에 없어 비교적 친환경적인 장점을 갖고 있다. 본 연구에서는 물/메탄올 혼합용액을 사용하여 광 전기화학적 방법으로 수소를 제조하고자 한다. 유기물 분해 능력이 우수한 ZnO는 광촉매로 많이 사용되고 있지만, 3.3eV의 높은 밴드갭을 가지고 있어 가시광선 영역의 빛을 잘 흡수하지 못해 수소 생산 효율이 제한된다는 단점이 있다. 따라서 이를 보완하고자 ZnO에 Ag를 도핑시킴으로써 전자를 잘 안떨어지게 하여 광촉매 활성을 향상시키고자 하였다. 촉매 합성 방법은 솔-젤법을 이용하였고, 촉매의 물리화학적 특성은 XRD, SEM, BET 등으로 확인하였다. 촉매의 물/메탄올 혼합용액 광분해를 통한 수소 제조 성능은 GC의 TCD, FID를 통해 확인하였으며 그 결과 순수한 ZnO에 비해 Ag를 도핑시킨 촉매의 수소 제조 성능이 더 우수하였다.