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중⋅소규모 산업시설 배출 VOCs 산화를 위한 유도가열형 촉매의 제조 조건 최적화 연구
정현수(Hyeonsu Jeong),장영희(Younghee Jang),이예환(Ye Hwan Lee ),김준오(Jun Oh Kim),최승원(Seungwon Choi),변성제(Seongje Byun),고영서(Youngseo Go),이상문(Sang Moon Lee ),김성수(Sung Su Kim) 유기성자원학회 2022 유기성자원학회 학술발표대회논문집 Vol.2022 No.추계
휘발성 유기화합물(VOCs)는 대표적인 산업공정 발생 대기오염물질이며, 동⋅식물에 유해한 영향을 미치고 미세먼지⋅오존 발생 전구체로써 작용하는 등 지구 환경오염 문제를 야기시킨다. 특히도장산업은 도장 운전 중 VOCs가 간헐적으로 배출됨에 따라 기존의 VOCs 제거 시설(전기로 촉매산화, 흡착탑 등)로는 에너지를 효율적으로 사용하기가 어렵다. 이와 달리 유도가열 시스템은 설치면적이 작고, 촉매가 자가 발열됨에 따라 온도 상승에 소모되는 에너지가 적다. 본 연구에서는 중⋅소규모 VOCs 배출 시설에서 에너지 효율적이고 경제적으로 VOCs를 산화하기 위해 유도가열 시스템에적용할 수 있는 자가발열형 촉매의 제조 조건을 최적화하고자 하였다. 유도가열 시스템의 다양한 제조 조건(열처리 조건) 및 운전 조건(촉매 부피, 조성, 열처리 분위기, 코일 내 위치 등)에 따라 촉매의발열성능과 VOCs 산화 성능에 큰 영향이 있음을 확인하였다. 본 유도가열형 촉매 제조 최적화 연구를 통해 후처리 시설을 구축하기 힘든 중⋅소규모 산업시설에서 경제적이고 효과적으로 대기오염물질을 처리할 수 있는 저에너지 소비형 촉매 산화 시스템 기초 연구가 마련되었다고 판단된다.
VOCs 제거를 위한 제올라이트 흡착탑의 운전 온도 최적화
김준오(Jun Oh Kim),장영희(Younghee Jang),이예환(Ye Hwan Lee ),정현수(Hyeonsu Jeong),최승원(Seungwon Choi),변성제(Seongje Byun),고영서(Youngseo Go),김성수(Sung Su Kim),이상문(Sang Moon Lee ) 유기성자원학회 2022 유기성자원학회 학술발표대회논문집 Vol.2022 No.추계
휘발성 유기 화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs)은 비등점이 낮아 대기 중으로 쉽게휘발되는 특징을 가졌다. 주로 사업장에서 배출되며 사용되는 도료 등에 따라 다양한 종류의 VOCs 가 배출된다. 대기 중에 배출된 VOCs는 화학 반응을 통해 오존과 미세먼지를 생성하는 전구체로 작용하여 인체와 환경에 전반적인 악영향을 미친다. 특히 VOCs 중 벤젠의 경우 1급 발암물질로 분류되는 등 VOCs 자체로도 인체에 유해하다. 이러한 VOCs를 제어하기 위한 방법으로 중⋅소규모 사업장의 경우 주로 흡착탑을 이용한다. 흡착제로는 주로 활성탄이 이용되며, 폭발의 위험, 마모로 인한 재생의 어려움과 같은 문제가 존재한다. 이를 방지하고자 우수한 내구성과 열적 안정성을 갖는 제올라이트를 활성탄의 대체제로써 연구가 수행되었다. 본 연구에서는 10 LPM급 bench-scale에서 온도에따른 흡⋅탈착 특성을 확인하였다. 그 결과, 적절한 온도 범위에서 최적의 VOCs 흡⋅탈착 운전 효율을 확보할 수 있었으며, 산업 공정에서 활성탄을 대체한 연속 제올라이트 흡⋅탈착 시스템 운전이가능할 것으로 판단되었다.
유기성 탄화수소 연료 분해를 위한 관벽 코팅 촉매의 흡열 반응에 관한 연구
장영희(Younghee Jang),최승원(Seungwon Choi),정현수(Hyeonsu Jeong),김준오(Jun Oh Kim),이예환(Ye Hwan Lee),변성제(Seongje Byun),고영서(Youngseo Go),정병훈(Byung Hun Jeong),이상문(Sang Moon Lee),김성수(Sung Su Kim) 유기성자원학회 2022 유기성자원학회 학술발표대회논문집 Vol.2022 No.추계
극초음속 비행체는 공기 마찰, 엔진 및 각종 장비 작동으로 인해 열에너지가 발생하며, 이는비행 시스템의 열적 부하로 이어진다. 이에 따라 장치의 효율 저하를 방지하기 위해 높은 효율의 냉각 기술이 요구되어 고분자의 액체탄화수소 연료에 촉매 분해 반응을 통해 열을 흡수하는 냉각 기술을 적용하고 있다. 저분자량의 연료가 생성될수록 많은 열을 흡수할 수 있음에 따라, 제올라이트 계열의 고체산을 이용하는 것이 효과적이라고 보고되고 있다. 최근에는 흡열량을 증진시키기 위해 촉매 산점 조절, 활성금속 담지 등의 촉매 고도화 연구가 수행되고 있으며, 반응기 내 촉매 충진으로인해 압력 강하의 문제가 지속적으로 제기됨에 따라 압력 강하를 낮출 수 있는 촉매 관벽 코팅을시도하고 있다. 본 연구에서는 흡열 촉매의 성능 증진을 위하여 연료가 흐르는 stainless steel tube 내벽에 촉매를 코팅하는 레시피를 확보하였고, 관과 촉매 사이에는 Al2O3을 코팅하여, 부착 강도를증진시킬 수 있는 방안을 고려하였다. 대상 물질로는 실제 비행체에 많이 사용되는 케로신 연료에 포함되어 있는 주요 물질들 중 n-dodecane을 모델연료로 선정하였다. 그 결과, 액체탄화수소 연료의 흡열분해 반응에서 coke 생성은 stainless steel tube reactor를 냉각채널로 사용하게 됨에 따라 Fe, Ni 금속이 filamentous coke 생성을 유발했음을 SEM분석을 통해 확인하였다. 이에 따라 stainless steel에H-ZSM-5를 코팅함으로써, Fe과 Ni 금속이 액체탄화수소 연료에 직접 노출되는 것을 방지하고filamentous coke 생성을 억제함을 확인하였다.
황산 처리를 통해 개질된 TiO2 흡착제의 비소 흡착 특성에 관한 연구
장영희(Younghee Jang),정현수(Hyeonsu Jeong),김준오(Jun Oh Kim),이예환(Ye Hwan Lee),최승원(Seungwon Choi),변성제(Seongje Byun),고영서(Youngseo Go),정연호(Yeon Ho Jung),정민교(Min Kyo Jeong),이상문(Sang Moon Lee),김성수(Sung 유기성자원학회 2022 유기성자원학회 학술발표대회논문집 Vol.2022 No.추계
비소는 산업폐수와 화학적 합금, 살충제, 화석연료이 연소, 채광 작업 등 다양한 경로를 통해자연과 인간에게 노출되고 있다. 특히 먹는물로 취급되는 지하수에도 광산 등에서 용출된 비소가 포함되어 인간에게 만성적인 질병을 일으키는 독성 중금속으로 알려져 있다. 이러한 비소를 제거하기위해 상수도, 우물, 정수기 등에 흡착제를 적용하여 중금속을 제거하곤 한다. 흡착법은 다양한 가스상오염물질 제거 기술 중 운전비가 저렴하며 대부분의 물질 저감이 가능하다. 특히 잔류 독성 물질이포함되어 있는 수처리 분야에서 비용을 저감할 수 있는 해결책으로써 제시되고 있다. 본 연구에서는TiO2의 황산처리를 통해 두가지의 sulfated-TiO2를 제조하여 비소 흡착 성능을 확인하였다. 제조된흡착제는 TEM, XRD, XPS 및 FTIR 분석을 통해 물리화학적 특성을 확인하였고, 흡착제 표면의 황산종과 비소는 SO4 2-그룹에 의해 결합됨을 확인하였다. 특히, 전자 밀도를 조절하여 TiO2의 표면 산성도를 조절하고, 비소의 흡착 성능을 증진시킬 수 있는 흡착소재 제조 방법을 최적화하였다. 본 연구를 통해 개발된 흡착제로 기존 비소 흡착제 대비 20% 이상 성능을 증진시킨 소재를 제안할 수 있다.
유도가열 시스템 적용에 따른 Nickel계 디스크형 촉매의 발열 특성 연구
정현수(Hyeonsu Jeong),장영희(Younghee Jang),이예환(Ye Hwan Lee ),김준오(Jun Oh Kim),최승원(Seungwon Choi),변성제(Seongje Byun),고영서(Youngseo Go),이상문(Sang Moon Lee ),김성수(Sung Su Kim) 유기성자원학회 2022 유기성자원학회 학술발표대회논문집 Vol.2022 No.추계
본 연구에서는 탄소 중립을 위한 국가 비전에 발맞춰 온실가스가 배출되지 않는 메탄 분해 기술연구를 수행하였다. 메탄 분해는 흡열 반응으로써 지속적인 열에너지가 공급되어야 하며, 일반적인촉매 산화 시스템인 간접 가열의 경우 반응 온도를 유지하기 위한 에너지 소모 및 간접 온실가스배출이 다량 관찰될 수 있다. 유도가열 시스템의 경우 목표 물질이 직접 가열됨에 따라 소모되는 에너지가 매우 작아 차세대 시스템으로써 제시되고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 기존의 촉매 가열방식이 아닌 에너지 효율이 우수하고 간헐적 운전이 가능한 유도가열 시스템을 적용하였다. 특히 유도가열 방식에 직접 이용하기 위해 발열과 메탄 분해 반응이 동시에 발생할 수 있는 자성 촉매 적용이 필수임에 따라, nickel을 기반으로 촉매 조성 별 발열 및 성능 평가를 수행하였다.
수소 상온 산화를 위한 Pd/TiO2 촉매의 최적 제조 조건 연구
정현수(Hyeonsu Jeong),장영희(Younghee Jang),이예환(Ye Hwan Lee ),김준오(Jun Oh Kim),최승원(Seungwon Choi),변성제(Seongje Byun),고영서(Youngseo Go),이상문(Sang Moon Lee ),김성수(Sung Su Kim) 유기성자원학회 2022 유기성자원학회 학술발표대회논문집 Vol.2022 No.추계
본 연구에서는 수소 경제 사회에서 수소연료전지 후단에 발생되는 6% 이하의 누출⋅농축 수소를 안정적으로 제거하기 위한 촉매 산화 시스템을 개발하고자 하였다. 개발된 촉매는 열에너지 없이상온에서 수소를 즉시 산화할 수 있어 대응하지 못한 수소 누출 사고에 1차적으로 대응할 수 있는안전 시스템으로 활용할 수 있다. 본 연구에서는 대응하지 못할 수소 안전 사고를 예방하기 위하여 미반응 수소를 열원 없이 제거할 수 있는 상온 산화 촉매를 개발하고자 하였다. 세부적으로는 수소 산화에 우수한 성능을 갖는 Pd를 활성물질로 선정하였으며, 액상환원 또는 기상환원법을 기반으로 촉매를 제조 및 활성을 평가하였다. 그 결과, 액상환원 촉매는 1% 수소 농도 조건에서 99.9%의 산화 성능을 나타내었으며, 액상 환원 시 촉매 활성이 향상될 수 있던 근거를 확인하기 위하여 다양한 분석을수행하였다. 특히 촉매의 표면 결합 등을 분석하기 위하여 동일한 상온 산화 물질인 HCHO를 이용해FT-IR분석을 수행한 결과, H2O 물질이 흡착 사이트 역할을 하는 하이드록실 그룹으로 복원시키는역할로써 활용되었음을 밝혀내었다. 또한, 제조된 촉매는 수소 산화 중 발생한 발열에 노출되어 성능이 감소할 수 있는 가능성이 존재함에 따라, 촉매의 열내구성을 비교하기 위해 600 ℃의 온도에서24시간 열충격을 준 후 산화 성능을 비교하였다. 본 연구에서 도출된 최적 촉매 제조 방법은 예측되지 못한 수소 농축 및 안전사고에 대비할 수 있는 기술로 활용될 수 있으며, 특히 수소에너지 인프라를 구축하고 있는 현 기술 수준에서 저농도의 수소 환경에도 안전성을 확보할 수 있는 대표기술로자리잡을 수 있다고 판단하였다.
황화수소 자원화를 위한 선택적 산화 촉매 제조 최적화 및 실증 연구
김준오(Jun Oh Kim),장영희(Younghee Jang),이예환(Ye Hwan Lee),정현수(Hyeonsu Jeong),최승원(Seungwon Choi),변성제(Seongje Byun),고영서(Youngseo Go),김성수(Sung Su Kim),이상문(Sang Moon Lee) 유기성자원학회 2022 유기성자원학회 학술발표대회논문집 Vol.2022 No.추계
황화수소는 유황을 포함한 유기물이 분해될 때 발생되는 유독성 물질이다. 대표적인 황화수소발생 시설로 폐기물 제어 시설인 매립지가 있다. 매립지에서는 고농도의 황화수소가 배출되며, 황화수소 자체로도 악취를 유발하고 부식 특성을 가지고 있으므로 제어가 필요한 물질이다. 하지만 황화수소 분자 내의 황(S)성분을 추출하여 고부가가치로써 활용할 수 있으므로, 본 연구에서는 황화수소의선택적 산화를 통해 황(S) 성분을 추출할 수 있는 선택적 산화 촉매의 제조법을 최적화하고, 제조된촉매의 scale up을 위하여 최적 코팅방법을 검토하였다. 또한, 촉매의 내구성 향상 및 황의 효율적인 추출을 위한 재생 방법을 검토하였다. 이를 통해 황화수소의 제어 및 부가가치화 가능성을 확인하였다.
슬러지 건조 발생 악취 제어를 위한 활성탄 흡착탑의 최적 유동특성 선정 연구
장영희(Younghee Jang),정현수(Hyeonsu Jeong),김준오(Jun Oh Kim),이예환(Ye Hwan Lee),최승원(Seungwon Choi),변성제(Seongje Byun),고영서(Youngseo Go),이상문(Sang Moon Lee),김성수(Sung Su Kim) 유기성자원학회 2022 유기성자원학회 학술발표대회논문집 Vol.2022 No.추계
본 연구에서는 슬러지 건조 과정에서 발생할 수 있는 악취를 제어하기 위해 흡착탑의 유동분석을 수행하였다. 다양한 환경 공정에서 발생하는 대기오염물질 및 악취물질은 심미적인 이유 외에도고농도 누출 시 인체에 유해한 영향을 미침에 따라 반드시 완전 제거를 목표로 삼아야 한다. 활성탄을 이용한 흡착법은 황화수소의 농도 및 각종 부하에 대한 유연성 그리고 낮은 처리비용으로 다양한흡착제들 중 가장 많이 이용되고 있다. 그러나 크게 두 가지의 문제점을 가지고 있어 이를 보완하고자 하는 연구가 다수 수행되고 있다. 첫째, 탈착물을 포함한 2차 오염물의 발생이다. 모든 흡착제의숙명이기는 하나 흡착법은 흡착제가 흡착할 수 있는 절대량이 존재하고, 특히 활성탄(Activated carbon, AC)은 재생 사용의 어려움이 있기 때문에 흡착효율을 증진시키기 위한 소재 개질 연구가 계속적으로수행되어야 한다. 둘째, 활성탄이 충진된 흡착탑은 과다한 압력손실, 높은 분진 발생률 등의 문제가있으므로 실 공정에서의 흡착탑의 효율을 극대화하기 위해 압력손실을 최소화하고 높은 접촉면접을갖는 최적 운전조건을 선정해야 한다. 활성탄별 압력손실 특성을 분석한 결과, 형태 및 크기에 따른압력손실 변화를 확인하였으며, 원통형 조립이 각형 활성탄 대비 약 28% 감소하였으며, 각 활성탄의압력 손실 특성은 특정 입자 크기와 모양을 가질 때 가장 낮은 압력 손실이 관찰되었다. 따라서 2~4 mesh 크기의 Carbon 범위와 불규칙한 모양이 흡착탑의 성능을 향상시키고 경제적 효율성을 확보할수 있다고 제안하였다.