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금속담지 Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>기반 촉매를 이용한 폐냉매의 촉매열분해
정상재 ( Sangjae Jeong ),( Sheraz Mahshab ),김승도 ( Seungdo Kim ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2018 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2018 No.-
HFC-134a는 인위적으로 제조된 물질로 냉매 및 에어로졸 추진제로 주로 사용되며, 화학적으로 매우 안정하여 대기 체류시간이 길어 지구온난화에 큰 영향을 미치는 물질이며 분해하기 위해선 고온의 열에너지(약 750oC 이상)가 필요하다. 본 연구에서는 HFC134a를 효과적으로 분해 위해 5가지 종류 촉매, Ce(20%), Zr(20%), La(3%), Ti(10%), Mg(5%)가 각각 담지된 Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 촉매의 장기성능평가를 수행하였다. 금속이 담지된 촉매에서 촉매지속시간이 증가하였으며, Trifluoroethylene(TrFE) 선택성이 증가하는 것으로 나타났다. 금속담지촉매의 촉매지속시간과 TrFE 생성량을 통해 볼 때 Ce(20)/Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>촉매와 Mg(5)/Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>촉매가 가장 성능이 뛰어난 것으로 나타났다. Zr(20)/Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>는 촉매지속시간이 가장 길었지만, TrFE 선택성이 부족했으며, coke 형성량이 가장 많았다. TrFE 선택성과 coke 생성량은 반비례하는 것으로 나타났다. NH<sub>3</sub>-TPD를 통해 산점의 강도와 양을 확인한 결과, Mg(5)/Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>촉매가 weak acid sites가 가장 많았으며, 이에 따라 coke 형성량이 가장 작고, TrFE 선택성이 가장 높게 나타난 것으로 판단된다. 폐냉매인 HFC-134a의 열분해 측면에서 금속담지 촉매가 순수 Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>에 비해 높은 열분해 효율을 나타냈다. 폐냉매의 단순 촉매열분해를 넘어 유용부산물인 TrFE의 선택성까지 고려할 경우, Mg(5)/Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>촉매와 Ce(20)/Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>촉매가 가장 적합한 촉매로 결정되었다. 사사: 이 논문은 2018년도 환경부의 폐자원에너지화특성화대학원사업(YL-WE-17-001)의 지원을 받아 수행되었습니다.
( Mahshab Sheraz ),( Ali Anus ),정상재 ( Sangjae Jeong ),김승도 ( Seungdo Kim ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2019 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2019 No.-
사불화탄소(CF4)는 이산화탄소의 6,300배의 지구온난화 효과를 가지는 6대 온실가스 중 하나이다. 사불화탄소는 구조가 안정적이며 C-F 결합이 매우 강력해 자연상태에서 수명이 5만 년으로 오랜 시간 잔류하게 된다. 따라서 온실가스 저감을 위해 촉매열가수분해 기술의 도입이 반드시 필요하다. 본 연구에서는 사불화탄소의 분해를 위해 ɣ-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>와 Ti(10)/Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, La(10)/Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>를 이용해 다양한 온도(500℃, 600℃, 700℃, 800℃)에서 촉매열 가수분해를 수행하였다. 사불화탄소는 고온에서 수분과 만나 이산화탄소와 불화수소로 분리되므로 수분함량에 따른 분해 효율을 파악하기 위해 수분 주입량을 0.5 ml/hr, 0.8 ml/hr, 1.0 ml/hr로 구분하여 분해실험을 수행하였다. 촉매는 1.2g 주입하였으며, plug-flow 반응기를 이용해 분해실험을 수행하였다. 가스의 총 유량은 100ml/min으로 사불화탄소 2 ml/min과 질소 밸런스 가스로 구성되었다. ɣ-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 촉매 하에서 반응온도 800℃, 수분주입량 0.5ml/hr인 경우 사불화탄소의 분해효율이 약 80% 이상으로 가장 높게 나타났다. 사용 전과 후 촉매의 물성변화를 파악하기 위해 XRD, TGA, NH<sub>3</sub>-TPD를 수행하였다.
이태호 ( Taeho Lee ),정상재 ( Sangjae Jeong ),김승도 ( Seungdo Kim ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2018 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2018 No.-
지구온난화와 화석연료의 고갈로 인해 대체에너지에 대한 수요가 급격히 증가하고 있다. 가스화는 폐기물 혹은 바이오매스의 불완전 연소를 통해 가스상 연료를 생산하는 기술이다. 가스화 기술의 적용 시 수소와 일산화탄소의 함량이 높아야 부생가스의 발열량이 높으며, 타르의 생성량이 작아야 가스화기와 발전기의 막힘을 방지할 수 있다. 본 연구에서는 유동상 가스화 장치를 이용해 왕겨의 촉매가스화를 진행하였다. 가스수율의 향상과 타르의 저감을 위해 석탄재와 소각재를 유동사 대체재로 도입하였다. 가스화는 600℃, 700℃, 800℃에서 진행되었다. 유동사는 규사, dolomite, 석탄재 바닥재, 소각재 바닥재를 이용하였다. 완전연소대비 산소 공급비중인 ER(Equivalence ratio)는 0.3으로 설정하였다. 모든 유동사에서 온도가 높아짐에 따라 가스 수율이 증가하며, 수소와 일산화탄소 농도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 온도 증가에 따라 부생가스 내 타르의 함량이 감소하였다. 대체유동사를 적용한 결과, Al2O3 함량이 높은 석탄재는 규사에 비해 큰 차이를 나타내지 않았지만, dolomite와 소각재는 수소 수율 향상과 타르 저감에 효과적인 것으로 나타났다. 이는 dolomite와 소각재 내 높은 알칼리토금속(Ca, Mg) 함량에 따른 것으로 판단된다. 따라서 소각재 바닥재를 dolomite를 대체하는 촉매 유동상으로 활용할 수 있을 것으로 예상된다. 사사: 이 논문은 2018년도 환경부의 폐자원에너지화특성화대학원사업(YL-WE-17-001)의 지원을 받아 수행되었습니다.
슬러지 혐기소화조를 포함한 하수부문 온실가스 배출계수 개발
홍승범 ( Seungbum Hong ),정상재 ( Sangjae Jeong ),김승도 ( Seungdo Kim ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2019 한국폐기물자원순환학회 심포지움 Vol.2019 No.2
현재 목표 관리에서 사용되는 하수부문 국가 배출계수 중 슬러지 혐기소화조를 포함한 하수처리 공정의 경우 CH<sub>4</sub> 배출계수를 현재 0.48kgCH<sub>4</sub>/kgBOD를 사용하여 실질적인 배출에 비해 높은 배출량을 사용하고 있다. 본 연구에서는 슬러지 혐기소화조를 포함한 하수처리장의 CH4의 배출계수를 현장 측정을 통한 개발을 수행하였다. 현장의 하수처리공정에서는 Dynamic Flux Chamber 방식을 통해 온실가스를 측정하였으며, 소화조에서 발생하는 CH<sub>4</sub>의 경우에는 GC(Gas Chromatography)의 FID(Flame Ionization Detector)를 통해 측정을 진행하였다. 측정을 진행할 하수처리장은 슬러지 혐기소화조를 보유한 하수처리장 중 공정별 처리 유기물 부하량이 가장 높은 총 5곳의 하수처리장에서 현장측정을 진행하였으며 총 배출계수는 가중평균을 통해 계산을 진행하였다. A 하수처리장을 제외한 대부분의 하수처리장의 경우 소화조에서 발생하는 CH<sub>4</sub>이 대부분을 차지하였다. A 하수처리장의 경우 최초침전지에서 슬러지 계면이 높이 쌓여 혐기적 조건이 형성되어 다량의 CH4이 발생하는 현상이 발생하였다. 총 배출계수는 0.19828kg CH<sub>4</sub>/kg BOD로 나타났다. 구해진 배출계수의 경우 현재 적용중인 0.48kgCH<sub>4</sub>/kgBOD에 비해 1/2정도로 낮은 배출계수를 보이고 있다.
석유화학단지에서 발생하는 고형폐기물의 자원화 방안 연구
강예진 ( Yejin Kang ),정상재 ( Sangjae Jeong ),김승도 ( Seungdo Kim ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2019 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2019 No.-
석유화학단지에서 원유를 수입하여 보관, 정제하는 과정에서 다양한 형태의 폐기물이 발생한다. 원유를 보관하는 원유저장탱크는 11년에 한 번 안전진단을 위해 청소를 해야하며, 이 과정에서 다량의 원유왁스가 발생한다. 또한 원유정제과정에서의 발생한 폐수를 처리하는 과정에서 오일 건조슬러지와 바이오 건조슬러지인 두 종류의 슬러지가 발생한다. 여기서 오일 건조슬러지는 바이오슬러지와 원유왁스성분의 혼합을 말한다. 원유 왁스의 열분해 질량분석결과(TG Analysis)에서 300℃이전에 크게 피크가 나타나는 것으로 보아 수분과 다량의 휘발분이 원유 왁스에 포함되어 열분해시 분해되는 것으로 보인다. 500℃이전에 작은 피크가 나오는 것은 원유 왁스의 고분자의 wax성분이 분해되는 것으로 보인다. 오일 건조슬러지의 경우 100℃에서 550℃까지 넓은 온도범위에서 분해가 되었다. 그에 반해 바이오 건조슬러지는 3개의 피크로 나뉘어져 분해가 일어났다. 분해구간은 200℃이전과 200~400℃구간, 400℃이후로 3구간에서 분해가 일어났다. 열분해 질량분석의 결과 300℃전후로 높은 피크가 나오는 것은 다량의 휘발분과 고정탄소가 포함되어 있는 것을 의미하므로 향후 원유 왁스와 오일 건조슬러지, 바이오 건조슬러지가 열분해를 통한 연료생산 혹은 활성탄 제조에 장점을 가지고 있음을 알 수 있다.
오일 슬러지와 정유폐수 슬러지, 돈분의 병합소화 시너지 효과
이주희 ( Joo Hee Julia Lee ),이창민 ( Changmin Lee ),정상재 ( Sangjae Jeong ),김재영 ( Jae Young Kim ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2019 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2019 No.-
석유 사용 증가로 인해 석유정제공정에서 매년 방대한 양의 오일 슬러지가 발생한다. 오일 슬러지는 소각, 열분해, 생물학적 처리, 매립 등의 방법으로 처리되지만, 이 방법들은 공정의 효율성이나 경제적인 측면의 한계가 있다. 오일 슬러지는 다량의 탄소로 이루어져 있지만, 효과적인 혐기 소화를 위한 다른 원소와 영양소들이 부족하여 단독소화에는 한계가 있다. 오일 슬러지와 유기성 폐기물의 병합 소화를 통해 높은 바이오가스 배출량를 기대할 수 있다. 일반적으로 혐기소화에서 하나의 기질에 대해 소화를 실시하는 단독소화보다 두 가지 이상의 기질을 함께 처리하는 병합 소화 방식은 결핍 영양물질 첨가, 저해물질 희석, C/N 비 조절 등의 여러 가지 장점을 갖는다. 본 연구의 목적은 오일 슬러지와 정유폐수 슬러지, 그리고 대표적인 유기성 폐기물인 돈분의 병합 소화 시너지 효과를 평가하는 것이다. 이를 위해 오일 슬러지, 정유폐수 슬러지, 그리고 돈분을 기질로 병합 비율을 달리해서 Biochemical methane potential (BMP) test를 실시했다. 오일 슬러지에 정유폐수 슬러지 또는 돈분을 각각 25%, 50%, 75% (by VS wt.) 혼합한 기질을 사용했다. 오일슬러지, 정유폐수 슬러지, 돈분의 단독소화 시 잠재메탄발생량은 각각 60, 129, 406 mL-CH<sub>4</sub>/g-VS로 나타났다. 또한 혼합 비율을 가중평균한 값과 혼합 시료의 메탄 발생량을 비교하였을 때, 그 결과 정유폐수 슬러지를 25%와 75% 혼합한 시료에서 메탄발생량이 가중평균값보다 각각 17%, 10% 높게 나타났다. 오일 슬러지와 정유폐수 슬러지를 병합 소화 했을 시, 시너지효과가 있다.