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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.
정현수(Hyeonsu Jeong),장영희(Younghee Jang),이예환(Ye Hwan Lee),김준오(Jun Oh Kim),최승원(Seungwon Choi),변성제(Seongje Byun),김재헌(Jaeheon Kim),김정현(Junghyun Kim),이상문(Sang Moon Lee),김성수(Sung Su Kim) 유기성자원학회 2022 유기성자원학회 학술발표대회논문집 Vol.2022 No.추계
비소는 반도체, 착색체 등을 만드는데 있어 비소가 꼭 필요한 원료 중 하나이기 때문에 높은위험성에도 불구하고 지속적으로 사용되고 있다. 비소는 유리공장, 농약제조시설 등에서 배출이 되어지며, 이는 자연스럽게 자연과 인간에게 노출되고 있다. 특히 먹는 물로 취급되는 지하수에도 광산등에서 용출된 비소가 포함되어 인간에게 만성적인 질병을 일으키는 독성 중금속으로 알려져 있다. 이러한 비소를 제거하기 위해 활성탄, 음이온 교환, 역삼투 방법등을 이용한다. 그 중 흡착법은 다양한 가스상 오염물질 제거 기술 중 운전비가 저렴하며 대부분의 물질 저감이 가능하다. 특히 잔류 독성 물질이 포함되어 있는 수처리 분야에서 비용을 저감할 수 있는 해결책으로써 제시되고 있다. 본연구에서는 TiO2의 황산처리를 통해 두가지의 sulfated-TiO2를 제조하여 비소 흡착 성능을 확인하였다. 제조된 흡착제는 다양한 분석을 통해 물리화학적 특성을 확인하였고, 흡착제 표면의 황산종과비소는 SO4 2-그룹에 의해 결합됨을 확인하였다. 특히, 전자 밀도를 조절하여 TiO2의 표면 산성도를조절하고, 비소의 흡착 성능을 증진시킬 수 있는 흡착소재 제조 방법을 최적화하였다. 이를 통해 개발된 흡착제로 기존 비소 흡착제 대비 20% 이상 성능 증진된 소재를 제안한다.
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.
n-dodecane 분해를 위한 Ni-ZSM-5 흡열촉매 제조 최적화 연구
정현수 ( Hyeonsu Jeong ),장영희 ( Younghee Jang ),이예환 ( Ye Hwan Lee ),김성철 ( Sung Chul Kim ),정병훈 ( Byung Hun Jeong ),김성수 ( Sung Su Kim ) 한국공업화학회 2023 공업화학 Vol.34 No.6
본 연구는 극초음속 비행체의 열부하로 인한 문제를 해결하기 위해 촉매의 Si/Al 비 최적화 및 니켈 이온교환을 통해 탄화수소 분해반응(흡열반응)의 성능 증진에 관한 연구를 수행하였다. 4 MPa, 550 ℃ 조건에서, Si/Al 비 최적화 및 니켈 이온교환으로 제조된 촉매는 열분해 대비 흡열성능이 약 10% 개선되었음을 확인하였다. 활성 변화에 대한 영향 인자를 확인하기 위하여 FT-IR, NH3-TPD 분석을 수행하였으며, HZSM-5 촉매의 Si/Al 비가 산점 발달 및 촉매 활성에 밀접한 상관성이 있음을 관찰하였다. 또한, 니켈이 첨가된 촉매의 탄소 침적 억제 특성을 관찰하기 위해 TGA, O<sub>2</sub>-TPO 분석을 수행하였다. In order to solve problems caused by the heat load of hypersonic aircraft, this study examined the optimization of the Si/Al ratio of the catalyst and nickel ion exchange to improve the performance of the hydrocarbon decomposition reaction (endothermic reaction). It was confirmed that the catalysts prepared through Si/Al ratio optimization and nickel ion exchange showed about 10% improvement in heat absorption performance compared to thermal cracking at 4 MPa and 550 ℃. FT-IR and NH<sub>3</sub>-TPD analyses were found to identify factors affecting activity changes, and it was observed that the Si/Al ratio of the HZSM-5 catalyst was closely correlated with acid site development and catalytic activity. In addition, TGA and O<sub>2</sub>-TPO analyses were conducted to observe the carbon deposition inhibition properties of the nickel-added catalyst.
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.
정현수(Hyeonsu Jeong),장영희(Younghee Jang),이예환(Ye Hwan Lee),김준오(Jun Oh Kim),최승원(Seungwon Choi),변성제(Seongje Byun),김재헌(Jaeheon Kim),김정현(Junghyun Kim),이상문(Sang Moon Lee),김성수(Sung Su Kim) 유기성자원학회 2022 유기성자원학회 학술발표대회논문집 Vol.2022 No.추계
비소에 의한 지하수의 오염은 전 세계적으로 보고되고 있다. 이는 선진국, 후진국 구별없이 미국, 스위스, 중국, 멕시코, 베트남, 캄보디아 등 다양한 나라에서 발생되고 있다. 비소는 현기증, 두통심하면 중독증상까지 발생시키지만 그럼에도 불구하고 반도체, 착색체 등 제조 시 비소는 필수적인원료이기 때문에 높은 위험성에도 불구하고 지속적으로 사용되고 있다. 본 연구에서는 TiO2를 기반으로 한 중공사형 흡착제 제조와 다양한 금속산화물 첨가에 따른 비소 흡착 특성을 평가하였다. 실험결과 TiO2 중공사형 흡착제가 가장 우수한 비소 흡착 성능을 보였으며, 비표면적 및 기공 크기가 상대적으로 클수록 비소 흡착 성능이 우수하였으며, 루이스 산점과 브뢴스테드 산점이 풍부하게 존재할수록 흡착에 유리한 사이트가 제공됨을 확인하였다. 이를 통해 기존 파우더 형태의 상용 TiO2를담체 형태로도 제조하여 소규모 정수처리 시설에 적용이 가능할 것으로 판단된다.
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.