KR100974932B1 - 수소 제거용 수소 재결합기 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 원자력 발전소 등에서 사고에 의해 발생되는 수소를 효과적으로 제거해주어 이차적인 피해를 방지하기 위한 것으로, 폼(foam) 형태의 금속폼에 촉매 반응면적을 극대화시키도록 백금을 도포하는 한편 수분의 침투에도 수소제거가 이루어지도록 소수성 물질을 도포하여 이루어지는 수소 제거용 수소 재결합기 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 폼(foam) 형태로 제작된 금속폼을 일정크기로 절단한 표면에 알루미나 등 금속산화물을 침적코팅 한 후 다시 백금을 코팅하고, 탄소나노튜브 등의 소수재를 코팅함으로써 이루어지는 것으로, 원전의 중대사고 시 과포화 수증기 상태의 원전의 격납용기에서도 수소를 효율적으로 제거하게 된다.
니켈 폼. 수소제거, 백금코팅, 알루미나
Description
본 발명은 원자력 발전소 등에서 사고에 의해 발생되는 수소를 효과적으로 제거해주어 이차적인 피해를 방지하기 위한 것으로, 폼(foam) 형태의 금속폼에 촉매 반응면적을 극대화시키도록 금속산화물 입자를 입힌 후 백금을 도포하는 한편 수분의 침투에도 수소제거가 이루어지도록 소수성 물질을 도포하여 이루어지는 수소 제거용 수소 재결합기 제조방법에 관한 것이다.
원자력 발전소의 격납용기 내에는 수소 농도를 낮추어주는 수소제거장치를 설치하여 중대 사고가 발생하는 경우 수소에 의한 연소나 폭발을 방지하고 있는 것으로, 이러한 수소제거장치는 TR(Thermal Recombiner) 방식과, PAR(Passiv Auto-catalytic Recombiner)을 사용하고 있다.
상기 TR방식은 공기를 가열하는 방식으로 수소의 발화점 이상으로 장치내의 온도를 높여 공기 중에 함유된 수소를 연소시키는 것으로, 이 장치를 작동시키기 위해서는 별도의 히터가 필요하고, 중대사고 발생시에도 가스나 전력을 계속 공급해야 하는 등, 유사시의 장치신뢰도에 문제가 있고, 평상시의 유지 및 관리에 어려 움이 따르게 된다.
그리고 PAR방식은 AREVA, NUKEM 등 외국 회사의 백금(Pt) 촉매를 이용한 상용 제품이 있으나 다수의 백금 판(Pt Plate)을 배열하여 이용하게 되는 관계로, 고가일 수밖에 없고, 촉매반응면적이 좁아서 수소제거율이 낮은 관계로 대형화 다수화가 요구되는 문제가 있고, 또한 중대사고시 수소농도가 8% 이상 높은 구역에서는 백금 판의 끝단(Edge)이 점화기(Igniter) 역할을 하게 되어 오히려 수소의 폭발을 유발하게 되는 위험을 내포하고 있다.
한편 세라믹 허니콤을 이용하는 일반 매연제거용 촉매(Ni 등)를 이용하여 수소를 제거할 수 있으나, 상기 세라믹 허니컴 제품은 자동차 등의 매연제거를 위해 개발되어 일부 상용화 되고 있을 뿐, 약한 물성으로 인해 원전의 내진 설계치를 만족하는 데 문제가 있을 수 있고, 수소 전환율이 백금에 비해 크게 낮으며 유사시 갑작스러운 온도상승에 따르는 열응력 혹은 강진 시의 기계적 충격으로 파손될 가능성이 높아 사용에 제한적일 수밖에 없는 것이었다.
본 발명은 기존의 수소제거기장치가 원전의 격납용기 내부에서 유사시 수소를 효율적으로 제거해주지 못할 뿐 아니라 유지 보수에 문제가 있는 점을 감안하여 안출된 것으로, 수소제거 효율을 높이는 한편 열적, 기계적 충격에 견디는 동시에 사고로 인하여 살수가 이루어지는 동안에도 수소 제거가 지속되도록 하는 것이다.
본 발명은 폼(foam) 형태로 제작된 금속폼을 일정크기로 절단한 표면에 알루미나 등 금속산화물을 침적코팅 한 후 다시 백금을 코팅하고, 탄소나노튜브 등의 소수재를 코팅함으로써 이루어지는 것으로, 원전의 중대사고 시 과포화 수증기 상태의 원전의 격납용기에서도 수소를 효율적으로 제거하게 된다.
특히 본 발명은 Ni, Cu, SUS 등 폼 형태의 금속재에 촉매 반응면적을 극대화시킬 수 있는 안정적인 백금(Pt)도포 기술을 개발하고 수분의 침투에도 정상적인 성능을 유지할 수 있는 소수성 물질의 도포와 이 기술을 이용한 고효율의 수소재결합기를 개발하기 위한 것으로, 니켈 폼의 표면에 열적 내구성이 강한 알루미나, 지르코니아 등의 재료를 도포 흡착시키고, 도포된 재료 위로 촉매재인 백금입자를 얇게 입혀 기계적, 열적충격에 강하게 하며, 그 위로 탄소, 불소, 실리콘 등의 성분으로 제조된 나노입자를 도포 혹은 증착시킴으로서 수분으로부터 수소제거 효율을 보장받을 수 있도록 하는 것이다.
본 발명은 판 형태가 아닌 금속재의 폼 형태를 갖게 되어 판 형태의 것보다 수소제거효율을 높이게 되므로, 수소농도가 높은 조건에서도 수소 폭발 가능성이 낮으며, 또한 알루미나 등의 코팅으로 인하여 열적, 기계적 충격이 강한 이점이 있고, 탄소나노튜브의 코팅으로 수소 누출사고 시 살수가 이루어지는 상황에서도 수소제거 기능이 정상적으로 작동하게 되는 효과가 있다.
본 발명은 폼(foam) 형태로 제작된 금속 폼을 일정크기로 절단한 표면에 알루미나 등 금속산화물을 침적코팅 한 후 다시 백금을 코팅하고, 탄소나노튜브 등의 소수재를 코팅함으로써 이루어지는 것으로, 본 발명에서는 금속폼의 실시예인 니켈 폼을 사용하고, 금속산화물도 알루미나를 코팅하도록 한 후 백금코팅과 탄소나노튜브를 코팅하는 수소제거용 촉매체 제조방법에 대하여 설명하기로 한다.
원전의 중대사고 시 과포화 수증기 상태의 원전의 격납용기에서도 수소를 효율적으로 제거하게 된다.
본 발명은 니켈 재질로 제작된 니켈 폼을 일정 폭과 면적을 갖게 절단한 후 니켈 폼의 표면에 알루미나를 니켈 폼 무게의 40% 가 증가되게 침적 코팅하고, 알루미나가 코팅된 니켈 폼의 표면에 백금을 코팅하며, 백금이 코팅된 니켈 폼에 탄소나노튜브를 코팅함으로써 고효율의 수소 재결합기를 제조할 수 있는 것이다.
본 발명은 공지의 방법으로 제조되는 니켈 폼을 이용하여 원전의 격납용기 내부에 설치되어 유사시 살수가 이루어지는 상태에서도 수소를 효율적으로 제거할 수 있도록 하는 것으로, 니켈 폼의 표면에 알루미나, 지르코니아 등을 코팅하여 기 계적, 열적 충격을 강하게 하고, 상기와 같이 알루미나가 코팅된 니켈 폼의 표면에는 수소제거 촉매인 백금을 코팅하여 수소를 효율적으로 제거하도록 하며, 백금이 코팅된 니켈 폼에는 탄소나노튜브를 코팅하여 수분은 백금에 닿지 않고 수소만 백금에 닿도록 함으로써, 원전의 격납용기에서 사고가 발생하여 살수가 이루어지는 상황에서도 효율적으로 수소제거 작업이 진행되도록 한다.
본 발명의 니켈 폼은 그 크기와 두께를 변경시킬 수 있는 한편 설치 개수로 자유로이 선택할 수 있으므로, 원전의 격납용기에 따라 능동적으로 설치하여 사용할 수 있다.
이러한 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 공지의 방법으로 제작되어 표면적을 극대화시킨 니켈 폼의 표면에 알루미나와 백금 그리고 탄소나노튜브를 코팅하게 되는 것으로, 본 발명의 니켈 폼은 일정 크기와 두께를 갖도록 미리 절단하도록 한다.
일정크기와 두께를 갖게 절단된 니켈 폼에는 알루미나를 코팅하게 되는 것으로, 여기서 알루미나는 니켈 폼 무게의 40%가 증가될 때까지 침적 코팅이 이루어지게 한다.
이때 니켈 폼의 표면에 코팅되는 알루미나는 다음의 과정에 의하여 제조되게 된다.
즉 알루미나 코팅 용액은 증류수 175g을 85℃로 가열하고, 증류수에 알루미나 이소프록폭사이드(Alumina Iso Propoxide) 20g를 볼밀(ball-mill)로 갈아서 첨가하고, 다시 폴리비닐알콜(Poly Vinyl Alcohol) 7g를 첨가하고, 질산 0.5cc를 첨가한 후 알루미나 파우더 47g과 물 98g를 혼합하여 상온에서 혼합용액을 첨가하며, 다시 질산 0.2cc를 첨가하고 pH를 3.5~4로 조절하고, 볼밀로 80시간 정도 혼합하며, 사용 시까지 지속적으로 저어줌으로써 알루미나 코팅 용액을 준비하도록 한다.
여기서 알루미나는 니켈 폼의 표면에 코팅되는 것으로, 니켈 폼의 실제 표면적을 넓히게 되며, 알루미나 외에 지르코니아 등을 사용하여도 무방하다.
다음으로 니켈 폼의 표면에 준비된 알루미나를 코팅하는 과정에 대하여 살펴본다.
준비된 알루미나 코팅 용액에 니켈 폼이 충분히 잠기도록 하고, 알루미나 코팅 용액이 니켈 폼 표면에 균일하게 분포되도록 분사 도포하며, 100℃까지 20분 동안 상승시킨 후 30분 유지 후 서냉 건조시킨다.
상기 코팅 과정을 니켈 폼의 40%의 무게 증가가 있을 때까지 10회 이상 반복하고, 상온에서 500℃까지 2시간 동안 상승시키고 12시간 유지 후 서냉 시킴으로써 니켈 폼의 표면에 알루미나를 하소의 방식으로 코팅시키도록 한다.
한편 본 발명은 알루미나가 표면에 코팅된 니켈 폼에 촉매인 백금을 코팅하게 되는 것으로, 염화백금산 4g를 아세톤 용액 350cc에 용해시켜 백금용액을 만든 후 알루미나로 코팅된 니켈 폼을 상기 백금용액에 담가 충분히 흡수되도록 하고, 니켈 폼을 백금용액에 꺼내어 니켈 폼에 묻어있는 백금산(거품)을 상온의 바람으로 불어내어 제거하며, 이때 드라이어를 사용하여 더운 바람으로 촉매제를 건조시키도록 하고, 이상의 과정을 3회 이상 반복하여 충분한 량의 백금이 니켈 폼의 표면에 코팅될 수 있도록 한다.
이와 같이 백금이 코팅된 니켈 폼을 그대로 사용하는 경우 물이 분사되면 표면에 물이 수막을 형성하여 수소가 백금에 닿지 않게 되어, 수소를 제거하는 본래의 목적을 달성할 수 없게 된다.
본 발명은 상기된 점을 감안하여 소수성 물질인 탄소나노튜브를 백금이 코팅된 니켈 폼에 코팅함으로써 물은 백금에 닿지 않고, 수소만 백금에 닿도록 한다.
즉 본 발명은 원전에서 사고가 발생하는 경우 다량의 포화수증기에 노출되게 되는데, 이 경우에도 지체 없이 촉매반응이 개시 되어야 함으로, 탄소나노튜브를 백금이 코팅된 니켈 폼에 분사, 도포, 증착 등의 방법으로 소수성 물질을 입히도록 한다.
여기서 소수성 물질은 탄소, 불소, 실리콘 등의 나노입자를 의미하는 것으로, 상기 소수성 물질인 탄소나노튜브가 표면에 도포되게 되면, 입자가 큰 수증기는 백금과 접촉하지 못하고 탄소나노튜브에서 차단되게 되고, 입자가 적은 수소만 탄소나노튜브를 통과하여 백금과 접촉하게 되므로써, 사고 발생시 물이 분사되는 상황에서도 효율적으로 수소를 제거하게 된다.
위와 같이 백금이 코팅된 니켈 폼의 표면에 소수성물질을 도포한 후에는 상온에서 500℃까지 2시간 동안 상승시키고, 12시간 유지 후 서냉 시키며, 다시 수소 4vol%, 질소 96vol%의 혼합가스 분위기에서 상온에서 500℃까지 2시간동안 상승시키고 5시간 유지 후 서냉 시킴으로써 소수성 물질의 도포를 완료하도록 한다.
이와 같이 본 발명은 다공질의 폼(foam) 형태로 제작된 니켈 폼을 일정 폭과 면적을 갖게 절단하여, 알루미나 도포로 금속재의 표면적을 향상시킴으로써 수소와 접촉하는 접촉면적을 넓혀 촉매 반응면적을 극대화시키도록 하고, 상기 니켈 폼의 표면에는 기계적 특성과 열적 내구성을 강하게 하기 위하여 알루미나나 지르코니아 등의 금속재를 침적 코팅하되 상기 알루미나는 니켈 폼의 표면에 충분한 두께로 코팅될 수 있도록 한다.
여기서 니켈 폼의 표면에는 알루미나 코팅 용액을 균일하게 분사 도포하되 100℃까지 20분 동안 상승시켜 30분 유지 후 서냉 건조시키는 과정을 니켈 폼의 40%의 무게 증가가 있을 때까지 10회 이상 반복하도록 한다.
위와 같이 알루미나가 표면에 코팅된 니켈 폼은 백금을 코팅하도록 하되 상기 백금은 니켈 폼의 표면에 15㎛의 평균두께를 갖도록 코팅이 이루어지도록 함으로써, 수소와 넓은 면적에서 반응될 수 있도록 하고, 상기 백금이 코팅된 니켈 폼의 표면에는 탄소나노튜브를 코팅함으로써 살수가 이루어지는 상황에서도 수소의 효율적인 제거가 가능하여, 고효율의 수소 재결합기를 제공할 수 있는 것이다.
도 1은 알루미나가 코팅된 니켈 폼 사진
도 2는 백금이 코팅된 니켈 폼 사진
Claims (2)
- 니켈 금속 폼을 일정 면적과 두께를 갖게 절단한 후 상기 금속 폼의 표면에는 알루미나 금속산화물의 코팅 용액을 균일하게 분사 도포하되 100℃까지 20분 동안 상승시켜 30분 유지 후 서냉 건조시키는 과정을 니켈 폼의 40%의 무게 증가가 있을 때까지 10회 이상 반복하고,상기 알루미나 금속산화물이 코팅된 금속 폼은 염화백금산 4g를 아세톤 용액 350cc에 용해시켜 만든 백금용액에 담근후 금속 폼에 묻어있는 백금산(거품)을 상온의 바람으로 불어내고 더운 바람으로 건조시키는 과정을 3회 이상 반복하여 백금이 15㎛의 두께로 코팅되게 하며,상기 백금이 코팅된 금속 폼에는 탄소나노튜브를 도포하여 상온에서 500℃까지 2시간 동안 상승시켜 12시간 유지 후 서냉 시키고, 다시 수소 4vol%, 질소 96vol%의 혼합가스 분위기에서 상온에서 500℃까지 2시간동안 상승시키고 5시간 유지 후 서냉시켜 소수성 물질의 도포하는 것을 특징으로 하는 수소 제거용 수소 재결합기 제조방법.
- 제1항에 있어서, 니켈 금속 폼에 코팅되는 알루미나 금속산화물 코팅 용액은 증류수 175g을 85℃로 가열하고, 증류수에 알루미나 이소프록폭사이드(Alumina Iso Propoxide) 20g를 볼밀로 갈아서 첨가하고, 다시 폴리비닐알콜(Poly Vinyl Alcohol) 7g를 첨가하고, 질산 0.5cc를 첨가한 후 알루미나 파우더 47g과 물 98g를 혼합하여 상온에서 혼합용액을 첨가하며, 다시 질산 0.2cc를 첨가하고 pH를 3.5~4로 조절하고, 볼밀로 80시간 정도 혼합하며, 사용 시까지 지속적으로 저어주는 것을 특징으로 하는 수소 제거용 수소 재결합기 제조방법.
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