KR100673089B1

KR100673089B1 - 멀티 가스 분석 장치

Info

Publication number: KR100673089B1
Application number: KR1020050101515A
Authority: KR
Inventors: 류민웅; 나경주
Original assignee: (주)엔티시
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2005-10-26
Publication date: 2007-01-22
Also published as: KR20070003508A

Abstract

본 발명은 멀티 가스 분석 시스템에 관한 것으로서, 상호 독립된 제1 내지 제3 가스 인입관로가 형성된 가스도입관부와, 상호 분리된 제1 및 제2컬럼을 통과한 가스에 대해 열전도차에 대응한 신호를 검출하여 가스를 분석하는 가스분석부와, 인입된 가스에 대해 온도를 가변시키면서 장착된 반응물질과 반응시켜 가스분석부로 송출할 수 있도록 된 승온탈착부와, 미지시료 분석모드에서는 제1 내지 제3 가스 인입관로를 통해 인입된 가스 각각에 대해 설정된 방식에 따라 상호 합류 및 분리되게 한 후 승온탈착부를 경유하지 않고 가스 분석부로 이송되게 하고, 승온탈착모드에서는 제1 내지 제3 가스 인입관로를 통해 인입된 가스 각각에 대해 설정된 방식에 따라 상호 합류 및 분리되게 한 후 적어도 일부 가스가 승온탈착부를 경유하여 가스 분석부로 이송되게 제1 내지 제3 가스 인입관로를 통해 인입된 가스의 이송 경로를 조정할 수 있도록 된 제1 가스경로 전환부를 구비한다. 이러한 멀티 가스 분석 시스템에 의하면, 가스 경로전환부의 밸브 전환조작 및 시료의 종류와 사용하는 가스의 종류에 따라 미지시료의 정성 분석과 정량 분석뿐만 아니라, 촉매 또는 흡착제의 산성도, 염기도, 비표면적, 화학흡착량, 산화력, 환원력 등의 다양한 조사를 하나의 시스템으로 수행할 수 있는 장점을 제공한다.

Description

멀티 가스 분석 장치{multi gas analysis apparatus}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 멀티 가스 분석 장치를 나타내 보인 도면이고,

도 2는 도 1의 멀티 가스 분석 장치를 이용하여 미지시료 분석모드를 수행할 때의 제1가스 경로 전환부의 밸브 구동 및 가스 이동 경로를 나타내 보인 도면이고,

도 3은 도 1의 멀티 가스 분석 장치를 이용하여 승온 탈착모드를 수행할 때의 밸브 구동 및 가스 이동경로를 나타내 보인 도면이고,

도 4는 도 1의 승온 탈착부의 바람직한 실시예를 나타내 보인 도면이고,

도 5는 도 4의 고체 반응기에 장착한 이종의 탄소소재들에 대해 승온탈착실험을 수행한 결과를 나타내 보인 그래프이고,

도 6은 도 4의 액체 증발관 내에 피리딘을 주입하고, 고체 반응기에 상호 다른 제올라이트를 장착한 후 승온탈착 실험을 수행한 결과를 나타내 보인 그래프이고,

도 7은 도 4의 고체 반응기에 상호 다른 제올라이트를 장착하고, 암모니아를 시료가스로 주입하여 승온 탈착실험을 수행한 결과를 나타내 보인 그래프이고,

도 8은 팔라듐이 함유된 알루미나 촉매를 고체 반응기에 장착하고, 온도에 따른 촉매의 환원특성을 측정한 그래프이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

110: 가스 도입관부 130: 제1가스 경로 전환부

180: 가스 분석부 200: 승온 탈착부

본 발명은 멀티 가스 분석 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 미지의 가스에 대한 분석과 촉매의 산성도를 포함한 다양한 화학적 특성을 측정할 수 있도록 된 멀티 가스 분석 장치에 관한 것이다.

고체 촉매화학 반응은 가스 또는 액상의 반응물이 고체 촉매 표면에 흡착하고, 반응 후 생성물이 탈착되는 과정으로 진행된다. 이러한 촉매화학 반응에서 촉매의 비표면적, 흡착점수, 흡착점의 흡착 세기 등에 따라 생성물의 형태와 양이 달라진다.

촉매화학반응에서 반응 후 생성물의 종류와 양을 측정하는 방법은 반응물과 생성물의 종류와 형태에 따라 매우 다양하나, 기화 온도가 약 250℃ 미만으로 비교적 낮은 물질의 정성 및 정량 분석을 위해 가스크로마토그래피(gas chromatography)는 매우 유용하게 사용된다.

한편, 촉매화학 반응에 사용되는 반응 물질의 산성도, 염기도, 화학흡착량 등의 조사를 위해서 승온탈착기(TPD; Temperature Programmed Desorption)를 사용 한다. 또한 촉매 또는 흡착제의 비표면적을 조사하기 위해 표면적 측정장치 즉, 질소흡착량 측정장치를 사용한다. 따라서 종래에는 촉매화학반응에 사용되는 촉매의 표면 특성과 물성, 반응물 또는 생성물의 조성 등과 같이 상호 다른 화학적 특성을 분석하기 위해서는 상호 다른 이종의 장치인 승온탈착기, 표면적 측정장치, 가스크로마토그래피를 각각 개별적으로 구입하여 사용하여야 함으로써 이용상의 불편함이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 촉매화학반응에 사용되는 촉매 또는 흡착제의 특성 분석과 반응물 또는 생성물의 정성 및 정량 분석을 단일 장치로 수행할 수 있으면서도 구조가 단순한 멀티 가스 분석 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 멀티 가스 분석 장치는 상호 독립된 제1 내지 제3 가스 인입관로가 형성된 가스도입관부와; 상호 분리된 제1 및 제2컬럼을 통과한 가스에 대해 열전도차에 대응한 신호를 검출하여 가스를 분석하는 가스분석부와; 인입된 가스에 대해 온도를 가변시키면서 장착된 반응물질과 반응시켜 상기 가스분석부로 송출할 수 있도록 된 승온탈착부와; 미지시료 분석모드에서는 상기 제1 내지 제3 가스 인입관로를 통해 인입된 가스 각각에 대해 설정된 방식에 따라 상호 합류 및 분리되게 한 후 상기 승온탈착부를 경유하지 않고 상기 가스 분석부로 이송되게 하고, 승온탈착모드에서는 상기 제1 내지 제3 가스 인입관로를 통해 인입된 가스 각각에 대해 설정된 방식에 따라 상호 합류 및 분리되게 한 후 적어도 일부 가스가 상기 승온탈착부를 경유하여 상기 가스 분석부로 이송되게 상기 제1 내지 제3 가스 인입관로를 통해 인입된 가스의 이송 경로를 조정할 수 있도록 된 제1 가스경로 전환부;를 구비한다.

바람직하게는 상기 제1가스 경로 전환부는 상기 미지시료 분석모드에서는 상기 제1 가스 인입관로를 통해 인입된 표준가스가 제1분석경로를 통해 상기 제1컬럼으로 직접 이송되고, 상기 제2 가스 인입관로를 통해 인입된 시료가스 및 상기 제3 가스 인입관로를 통해 인입된 운반가스는 상호 합류된 후 제2분석 경로를 통해 상기 제2컬럼으로 이송될 수 있게 하고, 상기 승온탈착모드에서는 상기 운반가스는 상기 제2분석경로를 통해 상기 제2컬럼으로 직접 이송되고, 상기 시료가스 및 상기 표준가스는 상호 합류된 후 상기 승온탈착부를 경유하여 상기 제1컬럼으로 이어지는 상기 제1분석경로를 통해 이송될 수 있게 다수의 밸브에 의해 이송경로가 조정될 수 있게 배관된다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1가스 경로 전환부는 상기 제2가스 도입관과 제1 포트가 접속된 6포트 밸브와; 상기 제3가스 도입관으로부터 유입된 가스를 상기 제2컬럼으로 이어지는 상기 제2분석경로와 상기 6포트 밸브의 상기 제1포트와 다른 위치의 제2 포트로 이어지는 제1분할경로 중 어느 하나로 선택적으로 이송시킬 수 있게 설치된 제1쓰리웨이 밸브와; 상기 제2포트와 인접된 상기 6포트 밸브의 제3포트로부터 배출되는 가스를 유입받아 상기 제2분석경로로 합류되게 배관된 제1합류관과 상기 승온탈착부로 이어지는 승온탈착부의 인입관 중 어느 하나의 경로로 선택적으로 배출할 수 있게 설치된 제2쓰리웨이 밸브와; 상기 제1가스 도입관으로부터 유입된 가스를 상기 제1분할경로로 합류되게 형성된 제2합류관과 제1출력관 중 어느 하나의 경로로 선택적으로 배출할 수 있게 형성된 제3쓰리웨이밸브와; 상기 제3쓰리웨이밸브의 제1출력관으로부터 유출된 가스와 상기 승온탈착부의 배출관으로부터 유출된 가스 중 어느 하나를 선택적으로 상기 제1분석경로로 배출할 수 있게 설치된 제4쓰리웨이밸브;를 구비한다.

또한, 상기 승온탈착부는 액체 반응물질을 담을 수 있게 밀폐된 액체 증발관과, 상기 액체 증발관의 온도를 가변할 수 있게 설치된 제1히터를 구비하여 상기 승온탈착부의 인입관을 통해 유입된 가스를 상기 액체 증발관 내로 인입받을 수 있게 되어 있고, 상기 액체 증발관에서 증발된 기체를 설정된 경로를 통해 배출할 수 있도록 설치된 액체 시료 반응부와; 고체 반응물질을 담을 수 있게 내부 유로가 형성된 고체반응기와, 상기 고체 반응기의 온도를 가변할 수 있게 설치된 제2히터를 구비하여 설정된 경로를 통해 배출할 수 있게 설치된 고체 시료반응부와; 이송대상 가스가 냉각코일내를 흐르면서 냉각될 수 있게 설치된 냉각부; 및 상기 승온탈착부의 인입관을 통해 인입된 가스가 상기 액체 증발관과 상기 고체 반응기 및 냉각부 중 적어도 하나를 선택적으로 경유할 수 있도록 밸브와 배관에 의해 이송 경로를 조정할 수 있게 설치된 제2가스 경로 전환부;를 구비한다.

바람직하게는 상기 액체 시료 반응부는 상기 승온탈착부의 인입관을 통해 유입된 가스를 상기 액체 증발관내로 유입할 수 있게 설치된 내관과 상기 내관과 동심상으로 형성되어 상기 액체 증발관에서 증발된 가스를 배출할 수 있게 설치된 외 관을 갖는 이중관;을 구비하여 상기 제2가스 경로 전환부와 접속된다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제2가스 경로 전환부는 상기 승온탈착부의 인입관을 통해 유입된 가스를 바이패스 또는 상기 액체증발관을 경유하여 배출시킬 수 있도록 설치된 제1경로 선택부와; 상기 제1경로 선택부로부터 배출되는 가스에 대해 바이패스 또는 상기 고체 반응기를 경유하여 배출시킬 수 있도록 설치된 제2경로 선택부와; 상기 제2경로 선택부로부터 배출되는 가스를 바이패스 또는 상기 냉각부를 거쳐 상기 승온탈착부의 배출관을 통해 배출시킬 수 있게 형성된 제3경로선택부;를 구비한다.

더욱 바람직하게는 상기 승온탈착부의 인입관에 합류될 수 있게 설치된 전처리가스 도입관과; 상기 승온탈착부의 인입관과 상기 전처리 가스 도입관 중 어느 하나의 관으로부터 유입된 가스를 선택하여 상기 제1경로선택부로 인입시킬 수 있도록 설치된 제5쓰리웨이밸브;를 더 구비한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 멀티 가스 분석 장치를 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 멀티 가스 분석 장치를 나타내 보인 도면이다.

도면을 참조하면, 멀티 가스 분석 장치(100)는 가스도입관부(110), 승온탈착부(200), 제1가스경로 전환부(130) 및 가스분석부(180)를 구비한다.

가스 도입관부(110)는 상호 독립되게 배관된 제 1 내지 제3 가스 인입관로(111)(112)(113)가 형성되어 있다.

이하에서는 제1가스 인입관로(111)를 통해 유입되는 가스를 표준가스, 제2가스 인입관로(112)를 통해 유입되는 가스를 시료가스, 제3가스 인입관로(113)를 통해 유입되는 가스를 운반가스로 명명하여 설명한다.

제1가스 경로 전환부(130)는 가스 도입관부(110)를 통해 인입된 이종의 가스를 선택적으로 상호 합류 또는 단독으로 가스 분석부(180)로 이송시키거나, 승온탈착부(200)를 거쳐 가스 분석부(180)로 인입될 수 있게 가스의 이송 및 혼합을 조정할 수 있도록 되어 있다.

이러한 제1가스 경로 전환부(130)는 미지의 시료가스에 대해 정량 및 정성 분석을 하고자 할 경우 제1가스 인입관로(111)를 통해 유입된 표준가스는 타 가스와 섞이지 않은 상태로 제1분석경로(161)를 통해 그대로 가스 분석부(180)의 제1컬럼(181)으로 유입되게 하고, 제1 및 제3가스 인입관로(112)(113)를 통해 유입된 시료가스와 운반가스는 상호 합류된 후 제2분석경로(162)를 통해 가스 분석부(180)의 제2컬럼(182)을 통과하게 하는 미지시료 분석모드를 수행할 수 있도록 밸브 및 배관이 형성되어 있다.

또한, 제1가스 경로 전환부(130)는 가스도입관부(110)를 통해 유입된 가스 중 적어도 일부를 승온탈착부(200)를 경유시켜 승온탈착부(200)에 장착된 반응물질 예를 들면 촉매 또는 흡착제에 대한 산성도, 염기도, 비표면적, 화학흡착량, 산화력, 환원력 등을 각각 측정하고자 할 경우 운반가스는 제2컬럼(182)으로 그대로 이송되고, 시료가스 및 표준가스는 상호 혼합된 후 승온탈착부(200)를 경유하여 제1컬럼(181)으로 이송될 수 있게 각 밸브 및 배관이 형성되어 있다.

이러한 제1가스 경로 전환부(200)의 각 밸브 및 배관 구조를 더욱 상세하게 설명한다.

제1가스 경로 전환부(100)는 6포트(6-port) 밸브(131), 제1 내지 제4 쓰리웨이 밸브(141 내지 144) 및 T형 밸브(145)(146)가 배관상에 설치되어 있다.

6포트 밸브(131)는 6개의 포트를 갖으며 각 포트는 3방향에 대해 개폐를 조정할 수 있도록 되어 있고, 그 구조는 공지되어 있어 상세한 설명은 생략한다. 각 포트에 대해서는 설명의 편의상 임의적으로 포트번호를 부여하여 설명한다.

제1포트(131a)는 제2가스 도입관로(112)와 접속되어 있다. 제2포트(131b)는 후술되는 제1분할경로(151)와 접속되어 있고, 제3포트(131c)는 후술되는 제2쓰리웨이밸브(142)와 접속되어 있다. 제4포트(131d)는 가스 방출용으로 적용하였다. 제5포트(131e)와 제6포트(131f)는 상호 연통되게 시료 채집용 배관(131g)이 연결되어 있다.

제1쓰리웨이 밸브(141)는 제3가스 도입관로(113)로부터 유입된 운반가스를 제2포트(131b)로 이어지는 제1분할경로(151)와, 제2분석경로(162) 중 어느 하나로 선택적으로 시킬 수 있도록 설치되어 있다.

제2쓰리웨이 밸브(142)는 제3포트(131c)로부터 배출되는 가스를 유입받아 제2분석경로(162)로 합류되게 T형 밸브(145)에 의해 배관된 제1합류관(152)과 승온탈착부(200)로 이어지는 승온탈착부(200)의 인입관(153) 중 어느 하나의 경로로 선택적으로 배출할 수 있게 설치되어 있다.

제3쓰리웨이밸브(143)는 제1가스 도입관로(111)로부터 유입된 표준가스를 제1분할관(151)으로 T형 밸브(146)에 의해 합류되게 형성된 제2합류관(154)과, 제1출력관(155) 중 어느 하나의 경로로 선택적으로 배출할 수 있게 형성되어 있다.

제4쓰리웨이 밸브(144)는 제3쓰리웨이밸브(143)의 제1출력관(155)으로부터 유출된 가스와 승온탈착부(200)의 배출관(156)으로부터 유출된 가스 중 어느 하나를 선택적으로 제1분석경로(161)로 배출할 수 있게 설치되어 있다.

이러한 제1가스 경로 전환부(130)는 미지의 시료가스에 대해 정량 및 정성 분석을 하고자 할 경우 도 2에 도시된 바와 같이 표준가스는 그대로 제1컬럼(181)으로 이송되게 하고, 시료가스와 운반가스는 6포트밸브(131)를 거친 다음 상호 공통경로를 경유하여 제2컬럼(182)으로 이송될 수 있게 각 밸브를 제어하면 된다.

또한, 제1가스 경로 전환부(130)는 앞서 설명된 승온탈착모드를 수행할 경우 도 3에 도시된 바와 같이 운반가스는 그대로 제2컬럼(182)으로 이송되게 하고, 시료가스와 표준가스는 6포트밸브(131)를 거친 다음 상호 공통경로를 경유하여 승온탈착부(200)를 거쳐 제1컬럼(181)으로 이송될 수 있게 각 밸브를 제어하면 된다.

승온탈착부(200)는 인입된 가스에 대해 반응물질인 촉매 또는 흡착제와 반응시킬 수 있으면서 온도를 가변시킬 수 있도록 되어 있다.

고체 반응물질과 액체 반응물질 모두를 선택적으로 적용할 수 있는 바람직한 실시 예에 따른 승온탈착부(200)에 대해 도 4를 참조하여 설명한다.

도 4를 참조하면, 승온탈착부(200)는 액체시료반응부(210), 고체 시료반응부(230), 냉각부(250) 및 제2가스 경로 전환부(260)(270)(280)를 구비한다.

액체시료 반응부(210)는 액체 증발관(211), 이중관(213) 및 제1히터(215)를 구비한다.

액체 증발관(211) 내부에는 액체 반응물질(216)이 채워져 있고, 이중관(213)의 내관(213a)이 액체반응물질(216)에 침적될 수 있게 설치되어 있다. 또한 이중관(213)의 외관(213b)은 액체 반응물질(216)에 잠기지 않는 높이까지 액체 증발관(211)에 삽입되어 있다. 따라서 내관(213a)을 통해 유입된 가스는 액체 반응물질과 반응하고, 제1히터(215)의 가열에 의해 증발된 기체는 외관(213b)을 통해 배출된다.

이러한 이중관(213)은 동심상으로 형성된 내관(213a)과 외관(213b)을 갖는 구조로 되어 있다. 본 실시예에서는 내관(213a)은 가스 유입관으로, 외관(213b)은 액체증발관(211)에서 증발된 가스의 배출관으로 적용하였으나 이와는 다른 구조가 적용될 수 있음은 물론이다.

고체시료 반응부(230)는 내부에 유로가 형성되어 있고 고체 반응물질(233)을 삽입할 수 있게 형성된 고체 반응기(231)와, 고체 반응기(231)를 가열하는 제2히터(235)를 구비한다.

냉각부(250)는 냉각용기(255)내에 담긴 냉각매체(253)와, 냉각매체(251)를 경유할 수 있게 설치된 냉각코일(251)로 되어 있다. 냉각매체(251)는 얼음물이나 액체질소와 같이 온도가 낮은 물질을 적용하면 된다. 이러한 냉각부(250)는 냉각코일(251)을 흐르는 가스 중 기화온도가 낮은 반응물질을 선택적으로 응축시키는데 사용하면 된다.

제2가스경로 전환부(260)(270)(280)는 제1경로선택부(260), 제2경로선택부 (270) 및 제3경로선택부(280)로 되어 있다.

참조부호 291은 승온탈착부(200)의 인입관(153)에 합류될 수 있게 설치된 전처리가스 도입관(292)과 승온탈착부(200)의 인입관(153) 중 어느 하나의 관로를 선택하여 유입된 기체를 제1경로 선택부(260)로 이송시킬 수 있도록 설치된 제5쓰리웨이 밸브이다.

제1경로선택부(260)는 두개의 제6 및 제7쓰리웨이밸브(261)(263)와 T형 밸브(265)에 의해 배관되어 제5쓰리웨이 밸브(291)에서 배출된 가스를 그대로 바이패스 시켜 제2경로선택부(270)로 배출하거나, 액체 증발관(211)을 거쳐 제2경로선택부(270)로 배출할 수 있도록 되어 있다. 참조부호 268은 제2경로 선택부(270)로 이어지는 배관상에 설치된 주사주입부이다. 주사주입부(268)는 액상의 시료를 주입하고자 할 때 이용할 수 있게 주사기로 액체시료를 주입할 수 있게 형성되어 있고, 주입된 액체시료를 기화시킬 수 있는 기화기가 내장되어 있다. 주사주입부(268)은 생략될 수 있다.

제2경로선택부(270)는 두개의 제8 및 제9쓰리웨이밸브(271)(273)에 의해 배관되어 제1경로선택부(260)를 경유하여 인입된 가스를 그대로 제3경로선택부(280)로 바이패스시켜 배출하거나, 고체 반응기(231)를 거쳐 제3경로선택부(280)로 배출할 수 있도록 되어 있다. 참조부호 278은 제3경로 선택부(280)로 이어지는 배관상에 설치되어 유입된 가스를 배출관(279)를 통해 배출하거나 제3경로 선택부(280)로 이송할 수 있도록 설치된 제10 쓰리웨이 밸브이다.

제3경로선택부(280)는 두개의 제11 및 제12쓰리웨이밸브(281)(283)에 의해 배관되어 제2경로선택부(270)를 경유하여 인입된 가스를 그대로 바이패스 시켜 승온탈착부(200)의 배출관(156)으로 배출하거나, 냉각코일(251) 내를 거쳐 승온탈착부(200)의 배출관(156)으로 배출할 수 있도록 되어 있다.

이러한 승온탈착부(200)에서 고체반응물질(233)의 장착 후 고체반응물질 표면의 물이나 흡착되어 있는 오염물질의 제거를 위한 전처리를 수행할 때는 제5쓰리웨이밸브(291)를 제어하여 전처리가스가 전처리가스 도입관(191)을 통해 주입되게 하고, 전처리 가스가 액체증발관(211)을 통하지 않고 고체반응물질(233)을 통과한 후, 냉각부(250)를 통과하지 않고 제10 쓰리웨이밸브(278)을 통해 외부로 배기될 수 있도록 각 밸브를 제어하면 된다.

이러한 제2가스경로 전환부(260)(270)(280)는 승온탈착부(200)의 인입관(153)을 통해 유입된 가스를 분석 목적에 따라 액체 증발기(211), 고체 반응기(233) 및 냉각코일(251) 중 적어도 어느 하나를 경유하게 하여 원하는 실험을 수행하면 된다.

가스 분석부(180)는 상호 분리된 제1 및 제2컬럼(181)(182)과 열전도도 검출기(185)가 적용되었다.

여기서 열전도도 검출기(185)는 휘스톤브리지 회로를 이용하여 열전도도 검출기(185)로 유입되는 두 가스의 열손실 차를 보전하는 전기적 신호를 이용하여 흐르는 가스의 양을 조사할 수 있도록 된 공지의 것으로 상세한 설명은 생략한다.

가스 분석부(180)는 도시된 열전도도 검출기(185) 이외에 질량분석기 등 공지된 분석기가 더 구비될 수 있음은 물론이다.

이하에서는 이러한 멀티 가스 분석 장치(100)를 이용하여 미지의 시료가스에 대한 정성 및 정량분석, 촉매 또는 흡착제에 대한 산성도, 염기도, 비표면적, 화학흡착량, 산화력, 환원력 등을 측정하는 방법을 설명한다.

먼저 미지의 시료가스에 대한 정량 및 정성분석을 수행하기 위해서는 도 2에 도시된 바와 같은 가스 이동경로가 형성되도록 각 밸브를 제어한다.

시료가스는 초기에는 시료 채집용 배관(131g)를 거쳐 제4포트(131d)로 배출되게 유로를 형성시킨 후, 시료 채집용 배관(131g)내에 체류된 가스를 시험에 이용할 수 있도록 6포트 밸브(131)를 제어한다.

이후에는 시료 채집용 배관(131g)내에 체류된 시료가스가 운반가스와 함께 이송될 수 있게 6포트 밸브(131)를 제어한다. 즉, 시료가스는 시료 채집용 배관(131g), 제2쓰리웨이밸브(142) 및 제2주사주입부(172)를 거쳐 제2컬럼(182)으로 이송되게 한다.

표준가스는 제1주사주입부(171) 및 제1가스경로 전환부(130)의 제3 및 제4 쓰리웨이 밸브(143)(144)를 거쳐 제1컬럼(181)으로 이송시킨다.

한편, 운반가스는 제1쓰리웨이 밸브(141), 6포트 밸브(131)의 제2 및 제3포트(131b)(131c) 및 제2쓰리웨이 밸브(142)를 거쳐 시료가스와 함께 제2주사주입부(172) 및 제2컬럼(182)으로 이송된다.

이와 같이 6포트 밸브(131)를 거치는 과정에서 운반가스와 시료 채집용 배관(131g)에 체류된 시료가스가 함께 흐르도록 유도하면 제2컬럼(182)에 유입된 시료가스는 가스의 종류별로 분리가 이루어져 순차적으로 열전도도 검출기(185)로 유입 된다. 따라서 열전도도 검출기(185)에 도입된 가스의 종류는 제2컬럼(182)을 통과하여 나오는 순서에 의해 표준시료와 비교하여 시료가스의 가스종류를 분석할 수 있고, 열전도도 검출기(185)에 도입되는 표준가스와 시료가스를 동반한 운반가스의 열전도도 차에 의해 시료가스의 양이 조사됨으로써 미지의 시료가스에 대한 정성과 정량을 분석할 수 있다.

한편, 승온탈착부(200)를 이용하여 원하는 화학적 특성을 측정하는 방법을 설명한다. 먼저 제1가스 경로 절환부(130)는 도 3에 도시된 바와 같이 유로의 이송경로를 조정한다.

도시된 유로경로에 의해 시료가스는 6포트 밸브(131)의 제1포트(131a)로부터 시료 채집용 배관(131g), 제2쓰리웨이밸브(142) 및 승온탈착부(200)의 인입관(153)을 거쳐 이송된다.

표준가스는 제1주사주입부(171) 및 제3쓰리웨이밸브(143), 제2포트(131b) 및 제2쓰리웨이밸브(142)를 거쳐 승온탈착부(200)의 인입관(153)으로 이송된다.

한편, 운반가스는 제1쓰리웨이 밸브(141)를 거쳐 그대로 제2컬럼(182)으로 이송된다.

따라서, 시료가스와 표준가스는 상호 합류된 후 승온탈착부(200) 및 제4쓰리웨이 밸브(144)를 거쳐 제1컬럼(181)으로 이송된다.

이러한 과정에서 시료가스와 표준가스는 도 4의 액체 증발관(211) 또는 고체 반응기(231)에 장착된 액체 또는 고체 반응물질을 통과하는 과정에서 흡착이 이루어진 후 흡착되지 않은 시료가스가 표준가스와 함께 열전도도 검출기(185)까지 도 입되게 된다. 이때 반응물질로 적용된 촉매 또는 흡착제에 흡착된 시료가스의 양은 처음 도입한 시료가스의 양 즉, 시료 채집용 배관(131g)에 수용시킨 양에서 열전도도 검출기(185)에서 검출된 시료가스의 양의 차를 계산하면 된다.

또한, 시료가스의 반응물질과의 흡착은 제2가스 경로전환부(260)(270)(280)의 경로를 적절하게 전환시키면 된다.

한편, 6포트 밸브(131)를 적절하게 조작하여 가스 흡착 횟수를 반복함으로써 반응물질인 고체 촉매 또는 흡착제에 흡착되는 기체시료의 펄스 흡착량 또는 화학흡착량을 조사할 수 있다.

또한, 반응물질인 고체촉매 또는 흡착제에 가스의 흡착이 완료된 후 고체 시료에 흡착된 가스는 제2히터(235)의 온도를 일정한 속도로 상승시킴으로써 점진적으로 탈착된다. 즉, 고체 반응물질(233)에 약하게 흡착된 가스는 낮은 온도에서 탈착되어 열전도고 검출기(185)에서 검출되고, 강하게 흡착된 가스는 고체 시료의 온도가 높아지면 탈착되어 열전도도 검출기(185)에서 검출되므로, 가스의 탈착되는 온도로부터 탈착에 필요한 에너지를 구할 수 있다. 또한 탈착되는 가스의 양으로부터 촉매 또는 흡착제의 가스 흡착량을 조사할 수 있다.

환원특성을 측정하는 경우에는 고체 반응물질(233)로 적용된 고체 촉매 또는 흡착제를 통과하는 표준가스로 2-15% 정도 수소를 포함하는 가스를 사용하여 연속 흡착을 유도하고, 제2히터(235)의 온도를 일정하게 상승시키면 고체 반응물질(233)의 온도에 따른 수소 소모량을 알 수 있어, 고체반응물질(233)의 환원 특성을 조사할 수 있다. 또한, 표준가스로 2-15% 정도의 산소를 포함하는 가스를 표준가스로 사용하면 고체반응물질(233)의 산화특성을 조사할 수 있다.

질소 흡착 비표면적을 구하고자 하는 경우에는 고체 반응물질(233)이 들어있는 고체 반응기(231)를 액체질소가 들어있는 통에 담아 고체 반응물질(233)의 온도를 -196℃로 낮춘 후 약 30%의 질소(N₂)를 포함하는 가스를 표준가스로 사용하여 고체반응물질(233)에 질소가 응축되도록 한 후, 액체질소 통을 제거하여 흡착된 질소가 탈착되도록 유도하여 측정된 질소 흡착량으로부터 고체 반응물질(233)의 질소흡착 비표면적을 구할 수 있다.

<제 1 실시예>

앞서 도 3에 도시된 바와 같이 제1가스경로 전환부(130)를 조정하고, 도 4의 승온탈착부(200)의 고체 반응기(231) 종류가 다른 탄소소재 4종을 0.5g 넣고 조사한 탄소소재의 승온탈착 실험 결과가 도 5에 도시되어 있다. 여기서 탄소소재는 질소흡착 비표면적이 약 3000 m²/g인 코크계 활성탄소, 1500 m²/g인 셀룰로우스계 활성 탄소섬유, 2000 m²/g인 페놀레진계 활성 탄소천, 500 m²/g인 포름알데하이드레진계 에어로겔탄소를 각각 고체 반응물질로 사용하였다. 표준가스 및 운반가스로는 헬륨가스를 100 cc/min의 유속으로 흘리며, 제2히터(235)를 이용하여 고체반응기(231)의 온도가 150℃가 되도록 5 ℃/min의 속도로 온도를 올린 후 150℃로 고체 반응기(231)의 온도를 1시간동안 유지한다.

이때, 승온탈착부(200)의 인입관(153)으로 유입된 가스는 액체증발관(211)을 거치지 않고 고체 반응기(231)로 흐르도록 하고, 고체 반응기(231)를 거친 가스는 냉각코일(251)을 거치지 않고 배출관(156)으로 배출되게 밸브를 구동한다.

이 과정에서 고체 반응물질로 장착된 탄소소재 표면에 묻어있는 물이나 이산화탄소 등 오염물질이 배기된다. 고체 반응기(231)의 온도가 930℃가 될 때까지 제2히터(235)의 온도를 5℃/min의 속도로 천천히 올리며 열전도도검출기(185)에서 측정된 값을 도 5에 도시되었다.

탄소소재 비표면적을 크게 하기 위한 활성화 과정에서 탄소소재 표면에 형성된 페놀기(-OH), 퀴논기(=O), 카르복실산기(-COOH) 등의 산소 관능기는 헬륨과 같은 불활성가스를 흘리며 온도를 올리면 일산화탄소, 이산화탄소, 물 등의 형태로 분해되어 가스로 탈착된다. 탄소소재를 흡착제로 사용할 때 산소 관능기의 양이나 형태는 흡착되는 물질의 종류에 따라 흡착 능력이 달라진다. 따라서 앞서 설명된 실험방법에 의해 탄소소재의 표면 산소관능기의 양을 조사하여 탄소소재의 성능을 평가할 수 있다.

도 5의 실험결과를 보면, 비표면적이 큰 활성탄소는 고체반응기(231)의 온도가 상승함에 따라 열전도도 검출기(185)에서 검출되는 신호가 증가하고 있고, 이러한 결과로부터 활성탄소 표면에는 산소관능기가 많이 있음을 알 수 있다. 반면 탄소천과 에어로겔탄소는 온도 상승후에도 검출되는 신호가 적어 산소 관능기의 수가 적음을 알 수 있다.

< 제 2실시예 >

도 6은 실리카(Si)와 알루미나(Al) 비가 다른 제올라이트(Z30, Z50, Z90, Z250)에 염기성 물질인 피리딘을 흡착시킨 후 일정한 속도로 고체 반응기(231)의 온도를 10 ℃/min의 속도로 올리며 탈착되는 가스의 온도에 따른 변화량을 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이다. 이러한 실험에서 승온탈착부(200)의 인입관(153)을 통해 유입된 가스는 순도 99%의 피리딘이 채워진 액체증발관(211)을 통과하도록 밸브를 제어하였고, 제1히터(215)의 온도는 100℃가 되도록 하였다. 탈착시에는 가스흐름이 액체증발관(211)을 통과하지 않도록 하였으며, 피리딘의 흡착과정 중 제2 히터(235)의 온도를 120℃로 유지하여 제올라이트 시료에 흡착된 피리딘이 응축되지 않도록 하였으며, 흡착이 완료된 후 약 1시간 동안 120℃를 1시간 동안 유지하여 물리적으로 흡착된 피리딘을 제거하였다.

도 6에 보인 바와 같이 알루미나의 양이 상대적으로 많은 제올라이트에서는 피리딘의 탈착 피크가 두 개이나, 알루미나의 양이 적은 제올라이트(Z90와 Z250)의 탈착 피크는 한 개이다. 즉, 제올라이트에 알루미나 양이 많으면 최소한 두 종류 이상의 다른 종류의 산점이 존재하나, 알루미나 양이 적으면 한 종류의 산점만 존재함을 알 수 있다. 또, 실리카/알루미나 비가 30에서 250으로 커짐에 따라, 즉 제올라이트에 알루미나의 양이 적어질수록 탈착과정에서 검출된 피리딘의 양이 적고, 250℃ 부근의 피크의 최고점 온도가 높은 온도쪽으로 이동하나, 330℃부근의 피크의 최고점 온도는 크게 바뀌지 않는다. 이로부터 제올라이트의 실리카/알루미나 비가 커짐에 따라 낮은 산세기가 낮은 산점 즉 약산점의 산세기는 조금씩 세지나, 강산점의 산세기는 크게 변화가 없음을 알 수 있다. 이러한 결과는 석유화학공업에서 많이 사용하는 제올라이트 촉매의 화학반응 특성을 이해하고 반응 결과물의 예측과 해석에 많은 도움을 준다.

< 제3실시예 >

도 7에는 앞서 제2실시 예에서 사용한 제올라이트와 동일한 고체시료를 고체 반응기(231)에 장착하고, 암모니아(순도 99.5% 이상)를 흡착시킨 후 일정한 속도로 고체 반응기(231)의 온도를 10℃/min의 속도로 올리며 탈착되는 가스의 온도에 따른 변화량을 보였다. 여기서 암모니아 가스는 제2 가스 주입관(112)을 통하여 주입하였으며, 6포트 밸브(131)의 제1포트(131a)의 주입 밸브를 5분 간격으로 10회 작동시켜 시료 채집용 배관(131g)에 채워진 암모니아 가스를 고체 반응기(231)에 장착된 시료(233)에 흡착시켰다. 이때 시료(233)와 고체 반응기(231)의 온도는 80℃가 되도록 제2히터(235)를 구동하였다. 암모니아 흡착 완료 후 앞서 제2실시예의 탈착 과정과 동일한 방법으로 시료에 흡착된 암모니아의 탈착을 유도하였다.

도 7을 통해 알 수 있는 바와 같이 제올라이트의 실리카/알루미나 비가 커짐에 따라 탈착되는 암모니아의 양이 적어 산점의 수가 줄어듬을 알 수 있다. 이와 같이 강염기인 암모니아를 제올라이트의 산성도 평가에 사용했을 때 산세기별 산량을 조사할 수 있으며, 동일한 방법으로 시료가스를 염기성가스인 암모니아 가스 대신 이산화탄소와 같은 산성 가스를 사용하면 측정대상 시료의 염기도를 조사할 수 있다.

<제 4 실시예>

도 8은 팔라듐이 5 wt% 담지된 알루미나 촉매의 환원특성을 측정한 그래프이다. 이러한 실험은 고체 반응기(231)내에 상기 촉매 0.5 g을 고정하고, 제2 히터(235)의 온도를 50℃로 유지하였다. 또한, 제1가스인입관로(111)를 통해 아르곤 가 스를 주입하여 고체 반응기(231)에 흐르도록 30분 동안 유지하여 시료 표면의 오염물질을 제거한 후, 표준가스 및 운반가스는 수소가 약 10 vol% 희석된 아르곤 가스를 주입하고, 아르곤 가스가 고체 반응기(231)를 통하여 열전도도 검출기(185)로 가스가 유입되도록 밸브를 제어하고, 제2히터(235)의 온도를 분당 5℃/min의 속도로 500℃까지 상승시키며 촉매의 환원특성을 조사하였다. 본 실시 예에 사용된 팔라듐 담지 알루미나 촉매는 약 270℃에서 가장 많은 수소 흡착량(소모량)을 보여, 이 온도영역에서 팔라듐의 환원이 주로 일어남을 알 수 있다.

지금까지 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 멀티 가스 분석 장치에 의하면, 가스 경로전환부의 밸브 전환조작 및 시료의 종류와 사용하는 가스의 종류에 따라 미지시료의 정성 분석과 정량 분석뿐만 아니라, 촉매 또는 흡착제의 산성도, 염기도, 비표면적, 화학흡착량, 산화력, 환원력 등의 다양한 조사를 하나의 장치로 수행할 수 있는 장점을 제공한다.

Claims

상호 독립된 제1 내지 제3 가스 인입관로가 형성된 가스도입관부와;

상호 분리된 제1 및 제2컬럼을 통과한 가스에 대해 열전도차에 대응한 신호를 검출하여 가스를 분석하는 가스분석부와;

인입된 가스에 대해 온도를 가변시키면서 장착된 반응물질과 반응시켜 상기 가스분석부로 송출할 수 있도록 된 승온탈착부와;

미지시료 분석모드에서는 상기 제1 내지 제3 가스 인입관로를 통해 인입된 가스 각각에 대해 설정된 방식에 따라 상호 합류 및 분리되게 한 후 상기 승온탈착부를 경유하지 않고 상기 가스 분석부로 이송되게 하고, 승온탈착모드에서는 상기 제1 내지 제3 가스 인입관로를 통해 인입된 가스 각각에 대해 설정된 방식에 따라 상호 합류 및 분리되게 한 후 적어도 일부 가스가 상기 승온탈착부를 경유하여 상기 가스 분석부로 이송되게 상기 제1 내지 제3 가스 인입관로를 통해 인입된 가스의 이송 경로를 조정할 수 있도록 된 제1 가스경로 전환부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 멀티 가스 분석 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1가스 경로 전환부는

상기 미지시료 분석모드에서는 상기 제1 가스 인입관로를 통해 인입된 표준가스가 제1분석경로를 통해 상기 제1컬럼으로 직접 이송되고, 상기 제2 가스 인입관로를 통해 인입된 시료가스 및 상기 제3 가스 인입관로를 통해 인입된 운반가스는 상호 합류된 후 제2분석 경로를 통해 상기 제2컬럼으로 이송될 수 있게 하고,

상기 승온탈착모드에서는 상기 운반가스는 상기 제2분석경로를 통해 상기 제2컬럼으로 직접 이송되고, 상기 시료가스 및 상기 표준가스는 상호 합류된 후 상기 승온탈착부를 경유하여 상기 제1컬럼으로 이어지는 상기 제1분석경로를 통해 이송될 수 있게 다수의 밸브에 의해 이송경로가 조정될 수 있게 배관된 것을 특징으로 하는 멀티 가스 분석 장치.
제2항에 있어서, 상기 제1가스 경로 전환부는

상기 제2가스 도입관로와 제1 포트가 접속된 6포트 밸브와;

상기 제3가스 도입관로로부터 유입된 가스를 상기 제2컬럼으로 이어지는 상기 제2분석경로와 상기 6포트 밸브의 상기 제1포트와 다른 위치의 제2 포트로 이어지는 제1분할경로 중 어느 하나로 선택적으로 이송시킬 수 있게 설치된 제1쓰리웨이 밸브와;

상기 제2포트와 인접된 상기 6포트 밸브의 제3포트로부터 배출되는 가스를 유입받아 상기 제2분석경로로 합류되게 배관된 제1합류관과 상기 승온탈착부로 이어지는 승온탈착부의 인입관 중 어느 하나의 경로로 선택적으로 배출할 수 있게 설치된 제2쓰리웨이 밸브와;

상기 제1가스 도입관로로부터 유입된 가스를 상기 제1분할경로로 합류되게 형성된 제2합류관과 제1출력관 중 어느 하나의 경로로 선택적으로 배출할 수 있게 형성된 제3쓰리웨이밸브와;

상기 제3쓰리웨이밸브의 제1출력관으로부터 유출된 가스와 상기 승온탈착부의 배출관으로부터 유출된 가스 중 어느 하나를 선택적으로 상기 제1분석경로로 배출할 수 있게 설치된 제4쓰리웨이밸브;를 구비하는 것을 특징으로 하는 멀티 가스 분석 장치.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 승온탈착부는

액체 반응물질을 담을 수 있게 밀폐된 액체 증발관과, 상기 액체 증발관의 온도를 가변할 수 있게 설치된 제1히터를 구비하여 상기 승온탈착부의 인입관을 통해 유입된 가스를 상기 액체 증발관 내로 인입받을 수 있게 되어 있고, 상기 액체 증발관에서 증발된 기체를 설정된 경로를 통해 배출할 수 있도록 설치된 액체 시료 반응부와;

고체 반응물질을 담을 수 있게 내부 유로가 형성된 고체반응기와, 상기 고체 반응기의 온도를 가변할 수 있게 설치된 제2히터를 구비하여 설정된 경로를 통해 배출할 수 있게 설치된 고체 시료반응부와;

이송대상 가스가 냉각코일내를 흐르면서 냉각될 수 있게 설치된 냉각부; 및

상기 승온탈착부의 인입관을 통해 인입된 가스가 상기 액체 증발관과 상기 고체 반응기 및 냉각부 중 적어도 하나를 선택적으로 경유할 수 있도록 밸브와 배관에 의해 이송 경로를 조정할 수 있게 설치된 제2가스 경로 전환부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 멀티 가스 분석 장치.
제4항에 있어서, 상기 액체 시료 반응부는

상기 승온탈착부의 인입관을 통해 유입된 가스를 상기 액체 증발관내로 유입할 수 있게 설치된 내관과 상기 내관과 동심상으로 형성되어 상기 액체 증발관에서 증발된 가스를 배출할 수 있게 설치된 외관을 갖는 이중관;을 구비하여 상기 제2가스 경로 전환부와 접속된 것을 특징으로 하는 멀티 가스 분석 장치.
제5항에 있어서, 상기 제2가스 경로 전환부는

상기 승온탈착부의 인입관을 통해 유입된 가스를 바이패스 또는 상기 액체증발관을 경유하여 배출시킬 수 있도록 설치된 제1경로 선택부와;

상기 제1경로 선택부로부터 배출되는 가스에 대해 바이패스 또는 상기 고체 반응기를 경유하여 배출시킬 수 있도록 설치된 제2경로 선택부와;

상기 제2경로 선택부로부터 배출되는 가스를 바이패스 또는 상기 냉각부를 거쳐 상기 승온탈착부의 배출관을 통해 배출시킬 수 있게 형성된 제3경로선택부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 멀티 가스 분석장치.
제6항에 있어서,

상기 승온탈착부의 인입관에 합류될 수 있게 설치된 전처리가스 도입관과;

상기 승온탈착부의 인입관과 상기 전처리 가스 도입관 중 어느 하나의 관으로부터 유입된 가스를 선택하여 상기 제1경로선택부로 인입시킬 수 있도록 설치된 제5쓰리웨이밸브;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 멀티 가스 분석 장치.