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탄소전극의 질소 및 산소 도핑에 따른 바나듐 레독스-흐름전지 양극 및 음극에서의 촉매화학적 특성 연구
임혜빈(Hyebin Lim),김지연(Jiyeon Kim),이정석(Jung S. Yi),이두환(Doohwan Lee) 한국청정기술학회 2017 청정기술 Vol.23 No.3
본 연구에서는 Graphite Felt (GF) 전극의 표면에 산소와 질소의 도핑을 통하여 전기화학적 특성을 개선하고, 이의 촉매화학적 효과를 바나듐 레독스 흐름전지의 양극과 음극의 특성비교를 통하여 관찰하였다. 탄소전극 표면의 산소와 질소 동시 도핑은 GF 샘플을 773 K에서 암모니아-공기 (NH3 = 50%, O2 = 10%) 혼합가스에 노출시켜 Chemical Vapor Deposition (CVD) 방법으로 제조하였다. 이러한 산소-질소 동시 도핑의 전기화학적 효과는 산소만으로 도핑 처리된 GF 샘플과 비교하여 분석, 평가하였다. 탄소전극 샘플들의 표면 구조와 화학적 조성은 Scanning Electron Microscopy (SEM)와 X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 방법을 통하여 분석하였다. 결과물로 얻어진 탄소전극은 바나듐 레독스-흐름전지의 양극과 음극에 동시 적용하여 충-방전 사이클을 진행하고, 각 전극이 흐름전지의 효율과 양극과 음극에서의 전기화학적 특성에 미치는 효과를 비교하여 분석하였다. 산소와 질소의 동시 도핑으로 처리된 GF 전극은 산소만으로 활성화된 전극에 비하여 흐름전지의 전압 및 에너지 효율에서 2% 이상의 향상 효과를 보여주었다. 특히, 탄소전극 표면의 산소-질소의 동시 도핑은 음극반응에서 우수한 전기화학적 특성을 유도하는 것을 확인하였다. In this study, we investigated the electrocatalytic effects of the N and O co-doping of Graphite Felt (GF) electrode for the vanadium redox flow battery (VRFB) at the cathode and the anode reaction, respectively. The electrodes were prepared by chemical vapor deposition (CVD) with NH3-O2 at 773 K, and its effects were compared with an electrode prepared by an O doping treatment. The surface morphology and chemical composition of the electrodes were characterized by scanning electron microscopy (SEM) and photoelectron spectroscopy (XPS). The electrocatalytic properties of these electrodes were characterized in a VRFB single cell comparing the efficiencies and performance of the electrodes at the cathode, anode, and single cell level. The results exhibited about 2% higher voltage and energy efficiencies on the N-O-GF than the O-GF electrode. It was found that the N and O co-doping was particularly effective in the enhancement of the reduction-oxidation reaction at the anode.
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DAX-8 레진을 이용한 용존유기물(DOM) 분획조건 최적화에 대한 연구
임혜빈(Hyebin Lim),신현상(Hyunsang Shin) 환경독성보건학회 2021 한국독성학회 심포지움 및 학술발표회 Vol.2021 No.5
수계에 존재하는 자연유기물(natural organic matter, NOM)은 생성기원에 따라 다양한 물리화학적 특성을 가진다. 특히 난분해성의 유기물은 환경 중에서 쉽게 분해되지 않고 잔류하면서 수처리 공정에서의 파울링이나 염소 소독부산물(DBPs)의 전구물질로 작용한다. NOM은 다양한 유기물의 불 균일한 혼합체이며 보다 정확한 거동과 환경영향 평가를 위해서 분자량이나 극성도 등에 따른 분리 방법이 적용되고 있다. 레진(DAX-8) 분리 방법은 NOM을 화합물의 극성도에 따라 친수성(hydrophilic, Hi), 소수성(hydrophobic, Ho) 등으로 분리하는데 흔히 사용된다. 그러나 분리방법에 대한 표준화가 되어있지 않아 분리조건에 따라 분획되는 성분함량의 편차가 크게 발생하고 있다. 본 연구에서는 환경시료를 대상으로 DAX 분리조건(농도, 레진부피, 레진 반복사용 등)이 분획 유기물 성분(Hi, 소수성산(HoA), 소수성 중성(HoN) 등)의 함량에 미치는 영향을 조사하였다. 연구결과, 시료 부피에 대한 레진 부피를 나타내는 용량인자(k') 50-100 범위에서 일정한 HoA/Hi 비의 값(약 0.5)이 얻어 짐을 확인하였다. 또한, 시료의 농도가 10 ppm 이상일 때는 HoA/Hi 비가 감소하여 HoA 함량이 과소평가되는 것으로 나타났다. 레진은 2회 반복사용까지는 일정한 Ho/Hi 분포를 나타냈으나, 이후 재사용 시 탈착 효율의 저하로 Ho 함량비가 과대평가되었다. 본 연구를 통해 레진 분리는 기존 문헌에 제시된 분리조건을 단순히 적용하기보다는 해당 실험에서의 적정 분리조건에 대한 검토가 필요하며, 본 연구에서 도출한 용량인자와 농도 조건 등은 다양한 기원의 NOM을 대상으로 신뢰성 있는 분리자료를 확보하는데 유용한 기초자료로 활용 가능하다.
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김주영 ( Juyoung Kim ),임수진 ( Sujin Lim ),이한샘 ( Hansaem Lee ),임혜빈 ( Hyebin Lim ),김윤지 ( Yoonji Kim ),신현상 ( Hyunsang Shin ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-
바이오차는 바이오매스의 열분해 과정을 통해 만들어지는 탄화유기물로, 넓은 표면적과 높은 흡착능으로 인해 토양 및 수계 내 오염물질 제거에 많이 활용되고 있으며, 특히, 중금속 흡착능이 높아 중금속 오염도가 높은 도로유출수 처리 및 토양 정화 등에 활발히 적용되고 있다. 최근, 바이오차의 성능 개선을 위해 바이오차의 원료가 되는 바이오매스 다변화 또는 합성 조건 등을 최적화하는 연구가 많이 진행되고 있으며, 기존의 바이오차를 물리화학적으로 변형시켜 개질하는 연구도 활발히 이루어지고 있다. 하지만, 바이오차 개질 방법에 대한 비교 평가가 부족하여 개질 방법별 중금속 제거특성 및 제거효율에 대한 정보가 부족한 실정이다. 본 연구에서는 바이오차를 대상으로 5가지 개질방법에 대한 비교 평가를 수행하였으며, 개질 방법별 중금속 제거 양상 및 효율을 조사하였다. 바이오차에는 왕겨 기원의 바이오차를 사용하였으며, 개질 방법에는 산, 알칼리, 과산화수소를 통한 활성화(activation) 및 철, 망간 물질의 표면 코팅을 통한 개질(modification)을 수행하였다. 개질된 바이오차에 대한 BET, Zeta, potential, 입도 및 SEM-EDS 분석을 실시하였으며 중금속 제거평가는 Cu, Cd, Zn, Pb를 대상으로 하였다. 각 개질 방법별 바이오차의 BET는 원시료와 비교해 산, 과산화수소, 및 망간 개질에 의해 감소하였으며 알칼리에서는 약 3.5배 증가하는 것으로 나타났다. 바이오차의 Zeta potential은 개질 방법과 상관없이 모두 마이너스 전하를 나타내었지만, pH 증가에 따라 마이너스 전하가 감소하였던 원시료와 달리 개질된 바이오차는 pH가 증가할수록 마이너스 전하가 증가하는 것으로 나타났다. SEM-EDS 분석을 통해 Fe(OH)<sub>3</sub> 및 MnO<sub>2</sub> 물질이 바이오차 표면에 코팅됨을 확인하였으며 중금속 제거 실험에서는 원시료에 비해 개질 바이오차의 중금속 제거 성능이 증가됨을 확인하였다. 본 연구를 통해 알칼리 조건 하에 바이오차를 개질함으로 BET 및 마이너스 전하의 증가로 인해 중금속 제거 효율이 상당량 증가함을 확인하였으며 바이오차 표면에 무기물질을 코팅함으로 중금속 제거 양상에 차이가 있음을 확인하였다.
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김주영 ( Juyoung Kim ),임수진 ( Sujin Lim ),이한샘 ( Hansaem Lee ),임혜빈 ( Hyebin Lim ),김윤지 ( Yoonji Kim ),신현상 ( Hyunsang Shin ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-
바이오차는 바이오매스의 열분해 과정을 통해 만들어지는 탄화유기물로, 넓은 표면적과 높은 흡착능으로 인해 토양 및 수계 내 오염물질 제거에 많이 활용되고 있으며, 특히, 중금속 흡착능이 높아 중금속 오염도가 높은 도로유출수 처리 및 토양 정화 등에 활발히 적용되고 있다. 최근, 바이오차의 성능 개선을 위해 바이오차의 원료가 되는 바이오매스 다변화 또는 합성 조건 등을 최적화하는 연구가 많이 진행되고 있으며, 기존의 바이오차를 물리화학적으로 변형시켜 개질하는 연구도 활발히 이루어지고 있다. 하지만, 바이오차 개질 방법에 대한 비교 평가가 부족하여 개질 방법별 중금속 제거특성 및 제거효율에 대한 정보가 부족한 실정이다. 본 연구에서는 바이오차를 대상으로 5가지 개질방법에 대한 비교 평가를 수행하였으며, 개질 방법별 중금속 제거 양상 및 효율을 조사하였다. 바이오차에는 왕겨 기원의 바이오차를 사용하였으며, 개질 방법에는 산, 알칼리, 과산화수소를 통한 활성화(activation) 및 철, 망간 물질의 표면 코팅을 통한 개질(modification)을 수행하였다. 개질된 바이오차에 대한 BET, Zeta, potential, 입도 및 SEM-EDS 분석을 실시하였으며 중금속 제거평가는 Cu, Cd, Zn, Pb를 대상으로 하였다. 각 개질 방법별 바이오차의 BET는 원시료와 비교해 산, 과산화수소, 및 망간 개질에 의해 감소하였으며 알칼리에서는 약 3.5배 증가하는 것으로 나타났다. 바이오차의 Zeta potential은 개질 방법과 상관없이 모두 마이너스 전하를 나타내었지만, pH 증가에 따라 마이너스 전하가 감소하였던 원시료와 달리 개질된 바이오차는 pH가 증가할수록 마이너스 전하가 증가하는 것으로 나타났다. SEM-EDS 분석을 통해 Fe(OH)<sub>3</sub> 및 MnO<sub>2</sub> 물질이 바이오차 표면에 코팅됨을 확인하였으며 중금속 제거 실험에서는 원시료에 비해 개질 바이오차의 중금속 제거 성능이 증가됨을 확인하였다. 본 연구를 통해 알칼리 조건 하에 바이오차를 개질함으로 BET 및 마이너스 전하의 증가로 인해 중금속 제거 효율이 상당량 증가함을 확인하였으며 바이오차 표면에 무기물질을 코팅함으로 중금속 제거 양상에 차이가 있음을 확인하였다.
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김주영 ( Juyoung Kim ),임수진 ( Sujin Lim ),이한샘 ( Hansaem Lee ),임혜빈 ( Hyebin Lim ),김윤지 ( Yoonji Kim ),신현상 ( Hyunsang Shin ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-
바이오차는 바이오매스의 열분해 과정을 통해 만들어지는 탄화유기물로, 넓은 표면적과 높은 흡착능으로 인해 토양 및 수계 내 오염물질 제거에 많이 활용되고 있으며, 특히, 중금속 흡착능이 높아 중금속 오염도가 높은 도로유출수 처리 및 토양 정화 등에 활발히 적용되고 있다. 최근, 바이오차의 성능 개선을 위해 바이오차의 원료가 되는 바이오매스 다변화 또는 합성 조건 등을 최적화하는 연구가 많이 진행되고 있으며, 기존의 바이오차를 물리화학적으로 변형시켜 개질하는 연구도 활발히 이루어지고 있다. 하지만, 바이오차 개질 방법에 대한 비교 평가가 부족하여 개질 방법별 중금속 제거특성 및 제거효율에 대한 정보가 부족한 실정이다. 본 연구에서는 바이오차를 대상으로 5가지 개질방법에 대한 비교 평가를 수행하였으며, 개질 방법별 중금속 제거 양상 및 효율을 조사하였다. 바이오차에는 왕겨 기원의 바이오차를 사용하였으며, 개질 방법에는 산, 알칼리, 과산화수소를 통한 활성화(activation) 및 철, 망간 물질의 표면 코팅을 통한 개질(modification)을 수행하였다. 개질된 바이오차에 대한 BET, Zeta, potential, 입도 및 SEM-EDS 분석을 실시하였으며 중금속 제거평가는 Cu, Cd, Zn, Pb를 대상으로 하였다. 각 개질 방법별 바이오차의 BET는 원시료와 비교해 산, 과산화수소, 및 망간 개질에 의해 감소하였으며 알칼리에서는 약 3.5배 증가하는 것으로 나타났다. 바이오차의 Zeta potential은 개질 방법과 상관없이 모두 마이너스 전하를 나타내었지만, pH 증가에 따라 마이너스 전하가 감소하였던 원시료와 달리 개질된 바이오차는 pH가 증가할수록 마이너스 전하가 증가하는 것으로 나타났다. SEM-EDS 분석을 통해 Fe(OH)<sub>3</sub> 및 MnO<sub>2</sub> 물질이 바이오차 표면에 코팅됨을 확인하였으며 중금속 제거 실험에서는 원시료에 비해 개질 바이오차의 중금속 제거 성능이 증가됨을 확인하였다. 본 연구를 통해 알칼리 조건 하에 바이오차를 개질함으로 BET 및 마이너스 전하의 증가로 인해 중금속 제거 효율이 상당량 증가함을 확인하였으며 바이오차 표면에 무기물질을 코팅함으로 중금속 제거 양상에 차이가 있음을 확인하였다.
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