KR101574903B1 - Apparatus and method for methane oxidation - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 메탄 산화 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a methane oxidation apparatus and a method thereof.
전 세계적으로 에너지원으로 널리 사용되고 있는 석유는 점차 고갈되어 가고 있고, 최대 산유지인 중동의 정치적 불안 등으로 인해 고유가 상태가 앞으로 지속될 전망이다. 이에 비해 천연가스는 메탄이 주성분으로 석유에 비해 매장량이 40% 정도 풍부하며, 세계 각지에 매장되어 있는 값이 싸고 풍부한 에너지원이다. 이러한 천연가스는 현재 열병합 발전소나 대중교통의 연료로 널리 사용되고 있다. Oil, which is widely used as an energy source globally, is getting depleted, and oil prices are expected to remain high due to political unrest in the Middle East, which is the world's largest oil reserves. Compared to petroleum, natural gas is mainly methane, which is 40% richer than petroleum. It is a cheap and rich energy source buried all over the world. These natural gas are now widely used as fuel for cogeneration power plants and public transportation.
그러나 천연가스가 불완전 연소되어 배출되는 메탄은 지구 온난화의 주요 원인으로, 이들은 긴 수명을 가지고 있어 이산화탄소보다 지구온난화에 더 큰 악영향을 미칠 수 있다. 대부분의 산업화 국가는 Euro III 이후 천연가스차량, 특히 중량자동차의 메탄기체 배출 규제를 시행하는 등 메탄의 관리에 힘쓰고 있다. However, methane, which is released by incomplete combustion of natural gas, is a major cause of global warming, and they have a long life, which can have a greater adverse effect on global warming than carbon dioxide. Most industrialized countries have been striving to manage methane since the Euro III, including regulation of methane emissions from natural gas vehicles, especially heavy vehicles.
메탄의 배출을 줄이는 근본적인 방법은 메탄을 완전 연소 하는 것이다. 하지만 메탄은 매우 안정한 C-H 결합을 가지고 있어, 500℃ 이하의 저온에서 완전히 산화시키기 어렵다. 따라서 메탄의 산화 반응은 일반적으로 많은 양의 귀금속을 촉매로 필요로 한다. 그러나 일반적인 촉매 반응에는 일정 수준의 활성화 에너지가 필요한데, 요즘은 에너지를 열에너지로 충당하고 있으며, 이는 비용이 많이 소모된다는 문제점이 있다. A fundamental way to reduce methane emissions is to completely burn methane. However, methane has very stable C-H bonds and is difficult to completely oxidize at low temperatures below 500 ° C. Therefore, the oxidation reaction of methane generally requires a large amount of noble metal as a catalyst. However, a certain amount of activation energy is required for a general catalytic reaction, and nowadays, the energy is supplied by thermal energy, which is a problem in that it is costly.
이에 따라 최근에는 상기의 어려움을 해결하기 위해 플라즈마를 이용한 연구가 진행되고 있다. 플라즈마를 이용하면 플라즈마의 높은 에너지에 의해서 C-H 결합을 쉽게 분해할 수 있으며, 반응에 소모되는 시간이 매우 짧아진다는 장점이 있다. 그러나 플라즈마만을 이용하면, 높은 CO 선택도 때문에 다량의 CO가 발생한다는 문제점이 존재한다. Recently, researches using plasma have been conducted to solve the above difficulties. Plasma can easily decompose C-H bond by high energy of plasma, and the time consumed in reaction is very short. However, if only plasma is used, there is a problem that a large amount of CO is generated due to high CO selectivity.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 메탄을 효율적으로 산화시킬 수 있는 메탄 산화 장치를 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention provides a methane oxidation apparatus capable of efficiently oxidizing methane.
본 발명은 메탄을 효율적으로 산화시킬 수 있는 방법을 제공한다. The present invention provides a method for efficiently oxidizing methane.
본 발명의 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 명확해 질 것이다.Other objects of the present invention will become apparent from the following detailed description and the accompanying drawings.
본 발명의 실시예들에 따른 메탄 산화 장치는, 메탄 산화 반응기, 상기 메탄 산화 반응기 내부에 배치되는 제1 전극과, 상기 메탄 산화 반응기 외부에 배치되는 제2 전극을 포함하는 전극부, 및 상기 메탄 산화 반응기 내부에 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되는 메탄 산화 촉매를 포함할 수 있다.The methane oxidation apparatus according to embodiments of the present invention includes a methane oxidation reactor, an electrode unit including a first electrode disposed inside the methane oxidation reactor and a second electrode disposed outside the methane oxidation reactor, And a methane oxidation catalyst disposed between the first electrode and the second electrode in the oxidation reactor.
본 발명의 실시예들에 따른 메탄 산화 장치는, 메탄 산화 반응기, 상기 메탄 산화 반응기 내부에 배치되는 메탄 산화 촉매, 및 상기 촉매를 관통하는 제1 전극과 상기 메탄 산화 반응기 외부에 배치되는 제2 전극을 포함하는 전극부를 포함할 수 있다.The methane oxidation apparatus according to embodiments of the present invention includes a methane oxidation reactor, a methane oxidation catalyst disposed in the methane oxidation reactor, a first electrode passing through the catalyst, and a second electrode disposed outside the methane oxidation reactor, And an electrode unit including the electrode unit.
상기 메탄 산화 촉매는 팔라듐을 포함할 수 있다.The methane oxidation catalyst may include palladium.
상기 메탄 산화 촉매는 γ-Al2O3, SiO2, 및 TiO2 중에서 선택된 하나 이상의 지지체를 포함할 수 있다.The methane oxidation catalyst may comprise at least one support selected from the group consisting of γ-Al 2 O 3, SiO 2, and TiO 2.
상기 지지체는 γ-Al2O3 일 수 있다.The support may be? -Al 2 O 3 .
상기 메탄 산화 반응기 내에 배치되어 상기 메탄 산화 촉매를 통과한 가스를 필터링하는 필터를 더 포함할 수 있다.And a filter disposed in the methane oxidation reactor for filtering the gas that has passed through the methane oxidation catalyst.
본 발명의 실시예들에 따른 메탄 산화 방법은, 메탄 산화 반응기 내부에 메탄 산화 촉매를 제공하는 단계, 상기 메탄 산화 촉매가 제공된 영역에 플라즈마를 형성하는 단계, 및 상기 메탄 산화 반응기에 메탄 및 산소를 주입하는 단계를 포함할 수 있다.The methane oxidation method according to embodiments of the present invention includes the steps of providing a methane oxidation catalyst inside a methane oxidation reactor, forming a plasma in a region provided with the methane oxidation catalyst, and introducing methane and oxygen into the methane oxidation reactor And injecting.
상기 메탄 산화 촉매는 팔라듐을 포함할 수 있다.The methane oxidation catalyst may include palladium.
상기 메탄 산화 촉매는 γ-Al2O3, SiO2, 및 TiO2 중에서 선택된 하나 이상의 지지체를 포함할 수 있다.The methane oxidation catalyst may comprise at least one support selected from the group consisting of γ-Al 2 O 3, SiO 2, and TiO 2.
상기 지지체는 γ-Al2O3일 수 있다.The support may be? -Al 2 O 3 .
상기 산소는 상기 메탄에 대하여 5~20 배의 몰비율로 주입될 수 있다.The oxygen may be injected at a molar ratio of 5 to 20 times with respect to the methane.
본 발명의 실시예들에 따른 메탄 산화 장치는 촉매가 플라즈마 내부에 형성되어 상대적으로 낮은 온도에서도 효율적으로 메탄을 산화시킬 수 있으며, 일산화탄소의 선택성을 낮출 수 있다.The methane oxidation apparatus according to the embodiments of the present invention can efficiently oxidize methane even at a relatively low temperature because the catalyst is formed inside the plasma, and the selectivity of carbon monoxide can be lowered.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메탄 산화 장치를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 메탄 산화 장치를 포함하는 메탄 산화 시스템을 이용한 메탄 산화 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실험예에 따른 리사주 그림을 나타낸다.
도 4는 일 실험예에 따른 플라즈마 단일 조건 하에서 전압에 따른 메탄 전환율(Conversion)의 온도 함수를 나타낸다.
도 5는 일 실험예에 따른 플라즈마 단일 조건 하에서 메탄 전환율의 비투입 에너지 함수를 나타낸다.
도 6은 일 실험예에 따른 플라즈마 단일 조건 하에서 일산화탄소(CO)의 농도(Concentration)를 나타낸다.
도 7은 일 실험예에 따른 플라즈마 단일 조건 하에서 일산화탄소(CO)의 선택도(Selectivity)를 나타낸다.
도 8은 일 실험예에 따른 플라즈마 단일 조건 하에서 입력 전압 및 결과 전류의 특성을 나타낸다.
도 9는 일 실험예에 따른 플라즈마가 없는 조건 하에서 다양한 팔라듐 기반 촉매의 활성 개시 온도를 나타낸다.
도 10 내지 도 12는 일 실험예에 따른 2중량% Pd/TiO2의 메탄 산화 촉매를 사용했을 때의 반응 결과를 나타낸다.
도 13 내지 도 15는 일 실험예에 따른 2중량% Pd/SiO2의 메탄 산화 촉매를 사용했을 때의 반응 결과를 나타낸다.
도 16 내지 도 18은 일 실험예에 따른 2중량% Pd/γ-Al2O3의 메탄 산화 촉매를 사용했을 때의 반응 결과를 나타낸다.
도 19는 일 실험예에 따른 포스트플라즈마에서 2중량% Pd/γ-Al2O3의 메탄 전환율을 나타낸다.Figure 1 schematically depicts a methane oxidation apparatus according to one embodiment of the present invention.
2 is a view for explaining a methane oxidation method using a methane oxidation system including a methane oxidation apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 shows a Lisa main picture according to an experimental example.
Figure 4 shows the temperature function of the conversion of methane over a voltage under a single plasma condition according to an experimental example.
Figure 5 shows the input energy function of methane conversion under a single plasma condition according to an experimental example.
6 shows the concentration of carbon monoxide (CO) under a single plasma condition according to an experimental example.
FIG. 7 shows the selectivity of carbon monoxide (CO) under a single plasma condition according to an experimental example.
FIG. 8 shows the characteristics of the input voltage and the resultant current under a single plasma condition according to an experimental example.
Figure 9 shows the active starting temperature of various palladium-based catalysts under plasma-free conditions according to an experimental example.
10 to 12 show the reaction results when a methane oxidation catalyst of 2 wt% Pd / TiO 2 according to an experimental example was used.
13 to 15 show the reaction results when a methane oxidation catalyst of 2 wt% Pd / SiO 2 according to an experimental example is used.
16 to 18 show the results of reaction using a methane oxidation catalyst of 2 wt% Pd / γ-Al 2 O 3 according to an experimental example.
19 shows the methane conversion of 2 wt% Pd / γ-Al 2 O 3 in the post plasma according to an experimental example.
이하 실시예들을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예들을 통해 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 이하의 실시예들에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안 된다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. The objects, features and advantages of the present invention will be easily understood by the following embodiments. The present invention is not limited to the embodiments described herein, but may be embodied in other forms. The embodiments disclosed herein are provided so that the disclosure may be thorough and complete, and that those skilled in the art will be able to convey the spirit of the invention to those skilled in the art. Therefore, the present invention should not be limited by the following examples.
메탄 산화 장치Methane oxidation unit
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메탄 산화 장치를 개략적으로 나타낸다. Figure 1 schematically depicts a methane oxidation apparatus according to one embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 메탄 산화 장치(100)는 메탄 산화 반응기(110), 전극부(120), 메탄 산화 촉매(130), 기체 주입부(140), 필터(150), 및 온도계(160)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the
메탄 산화 반응기(110)는 원기둥(Cylinder), 다각기둥(Faceted Cylinder), 및 평판(Plate)의 형상을 가질 수 있다. 메탄 산화 반응기(110)는 유리, 석영(Quartz), 파이렉스(Pyrex), 및 세라믹 중에서 선택된 하나 이상의 소재로 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 메탄 산화 반응기(110)는 내부 지름 10mm, 두께 1.3mm, 길이 500mm의 석영 재질의 원기둥 형상을 가질 수 있다. The
전극부(120)는 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)을 포함할 수 있다. 제1 전극(121)은 메탄 산화 반응기(110) 내부에 배치되어 고전압을 제공할 수 있다. 제1 전극(121)은 메탄 산화 촉매(130)를 관통하도록 배치될 수 있다. 제1 전극(121)은 와이어, 막대(봉), 관, 또는 평판(Plate) 등의 형상을 가질 수 있다. 제1 전극(121)은 스테인리스를 포함한 금속 소재로 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 제1 전극(121)은 두께 3mm의 스테인리스 스틸 막대일 수 있다. 제2 전극(122)은 메탄 산화 반응기(110) 외부에 배치된 접지 전극일 수 있다. 제2 전극(122)은 메탄 산화 반응기(110)의 외벽을 둘러싸는 얇은 금속판일 수 있으며, 상기 금속판은 예를 들어 얇은 구리 및/또는 스테인리스 금속판일 수 있다.The
전극부(120)는 함수 발생기(270)로부터 공급되는 전압을 메탄 산화 반응기(110)에 전달할 수 있다. 메탄 산화 반응기(110)에 전달된 상기 전압은 고전압의 사인파 교류전압 및/또는 펄스파 일 수 있고, 이로 인해 메탄 산화 반응기(110) 내부에 높은 에너지 준위의 플라즈마 영역(111)이 형성될 수 있다. 플라즈마 영역(111)은 메탄 산화 반응기(110)에 인가된 고전압으로 인해 플라즈마가 형성되는 영역이다. 구체적으로는, 고전압의 전기방전을 행하면 상기 방전에 의해 발생된 전자가 내부의 기체 분자와 충돌하면서 상기 기체분자의 외곽 전자상태가 변하게 된다. 이에 따라 반응성이 풍부한 화학적 활성종인 라디칼, 여기분자, 및 이온 등이 양 또는 음으로 하전 되어 전기적으로 중성상태의 기체가 되는데, 이를 플라즈마라 한다. 상기 플라즈마는 전자, 이온, 분자의 온도가 모두 높은 고온 플라즈마와 전자의 온도만 높은 저온 플라즈마로 구분될 수 있다. 상기 고온 플라즈마는 고온을 얻을 수 있어 물질을 용융하거나 폐기물을 처리하는데 활용된다. 상기 저온 플라즈마는 상기 전자의 온도만 높기 때문에 고온을 적용할 수 없는 재료나 조건에 적용할 수 있고 발생 장치가 간단하다는 장점이 있다. 상기 플라즈마는 상기 메탄 산화 반응 중에 생성될 수 있는 일산화탄소의 선택도(Selectivity)를 현저히 감소시킬 수 있다.The
상기 플라즈마는 유전체 장벽 방전으로 형성될 수 있다. 상기 유전체 장벽 방전은 전극부(120)의 한쪽 또는 양쪽의 표면을 유전체로 감싼 상태에서 고전압을 가하는 방법으로 전극부(120)를 유전체로 감싸기 때문에 전극부(120)의 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 간에 직접 방전이 일어나지 않아 안정적이고 에너지 준위가 높은 플라즈마를 형성할 수 있다. 메탄 산화 반응기(110)는 상기 유전체로 기능할 수 있다.The plasma may be formed as a dielectric barrier discharge. The dielectric barrier discharge is generated by the
메탄 산화 촉매(130)는 팔라듐(Palladium, Pd)을 포함할 수 있다. 메탄 산화 촉매(130)는 γ-Al2O3, SiO2, 및 TiO2 중에서 선택된 하나 이상의 지지체를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 지지체는 γ-Al2O3 일 수 있다. 상기 지지체는 400~600℃에서 1~3시간 동안 미리 하소 될 수 있다. 메탄 산화 촉매(130)는 초기 습식 함침법에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, Pd(NO3)2·2H2O 전구체 용액이 상기 지지체에 스며들게 하는 방법으로 메탄 산화 촉매(130)가 형성될 수 있다. 상기 팔라듐의 로딩량은 메탄 산화 촉매(130)의 1~3중량% 일 수 있다. 바람직하게는 2중량% 일 수 있다. 상기 전구체 용액이 상기 지지체에 스며든 후, 메탄 산화 촉매(130)는 공기(N2:O2=85:15) 중에 400~600℃에서 1~3시간 동안 하소(calcination) 될 수 있다. 바람직하게는, 메탄 산화 촉매(130)는 500℃에서 2시간 동안 하소 될 수 있다. 일 실시예에서, 메탄 산화 촉매(130)는 지름 425-600㎛ 크기의 입자로 형성될 수 있다.The
메탄 산화 촉매(130)는 메탄 산화 반응기(110) 내부에 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이에 배치될 수 있다. 즉, 메탄 산화 촉매(130)는 제1 전극(121)과 제2 전극(122)에 의해 형성되는 플라즈마 영역(111) 내에 배치될 수 있다. 플라즈마 영역(111) 내에 배치된 메탄 산화 촉매(130)에 의해 메탄의 산화 반응이 촉진될 수 있다. 이와 같이, 메탄 산화 촉매(130)가 플라즈마 영역(111) 내에 배치됨으로써 상기 플라즈마의 에너지로 인해 활성화에너지에 쉽게 도달할 수 있어 반응성 및 효율이 높아 질 수 있다.The
기체 주입부(140)는 주입 기체(a)를 메탄 산화 반응기(110) 내부로 주입시킬 수 있다. 주입 기체(a)는 메탄, 산소, 및 비활성기체를 포함할 수 있다. 상기 산소는 상기 메탄에 대하여 5~20배의 몰비율을 가질 수 있다. 바람직하게는, 상기 산소는 상기 메탄에 대하여 10배의 몰비율을 가질 수 있다. 이로 인해 상기 메탄은 상대적으로 풍부한 상기 산소에 의해 완전 산화될 수 있다. 상기 비활성기체는 높은 에너지 준위의 플라즈마 영역(111)를 안정적으로 발생 및 유지시키는 기능을 수행할 수 있다. 상기 비활성기체는 헬륨, 아르곤, 및 네온 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.The
필터(150)는 메탄 산화 반응기(110) 내 메탄 산화 촉매(130) 아래에 배치되어 메탄 산화 촉매(130)를 통과한 기체를 필터링할 수 있다. 본 실시예에서, 필터(150)는 석영으로 형성될 수 있고, 2.0mm의 두께를 가질 수 있다. 필터(150)는 제1 전극(121)과 결합하여 제1 전극(122)을 메탄 산화 반응기(110) 내부에 고정시킬 수 있다.The
온도계(160)는 메탄 산화 촉매(130)의 온도를 측정할 수 있다. 온도계(160)는 필터(150) 아래에 배치될 수 있고, 보호관(161)으로 보호된 K 타입 열전지일 수 있다. 보호관(161)은 석영 및/또는 세라믹으로 형성될 수 있고, 온도계(160)와 플라즈마 영역(111) 사이의 간섭을 최소화할 수 있다. 보호관(161)으로 인해, 온도계(160)는 상기 메탄 산화 반응 동안에 플라즈마 영역(111)의 간섭 없이 온도를 측정할 수 있다.
The
메탄 산화 방법Methane oxidation method
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 메탄 산화 장치를 포함하는 메탄 산화 시스템을 이용한 메탄 산화 방법을 설명하기 위한 도면이다. 2 is a view for explaining a methane oxidation method using a methane oxidation system including a methane oxidation apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 메탄 산화 시스템(200)은, 메탄 산화 장치(100), 메탄 저장부(210), 산소 저장부(220), 비활성기체 저장부(230), 질량 유량 제어기(240), 수분트랩(250), 기체 크로마토그래피(260), 함수발생기(270), 전압증폭기(280), 및 커패시터(290)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2, the
상기 메탄 산화 방법은, 메탄 산화 반응기(110) 내부에 메탄 산화 촉매(130)를 제공하는 단계, 메탄 산화 촉매(130)가 제공된 영역에 플라즈마를 형성하는 단계, 및 메탄 산화 반응기(110)에 메탄, 산소, 및 비활성기체를 주입하는 단계를 포함할 수 있다.The methane oxidation method includes the steps of providing a
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 메탄 산화 반응기(110) 내부에 메탄 산화 촉매(130)를 제공한다. 메탄 산화 촉매(130)는 팔라듐을 포함할 수 있다. 메탄 산화 촉매(130)의 지지체는 γ-Al2O3, SiO2, 및 TiO2 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 지지체는 γ-Al2O3 일 수 있다.Referring again to FIGS. 1 and 2, a
메탄 산화 촉매(130)가 제공된 영역에 상기 플라즈마를 형성한다. 상기 플라즈마는 고전압에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 함수발생기(270) 및 전압증폭기(280)를 통해 사인파 교류 고전압 및/또는 펄스파가 생성되고, 상기 사인파 교류 고전압 및/또는 상기 펄스파는 전극부(120)를 통해 메탄 산화 반응기(110)에 전달될 수 있다. 메탄 산화 반응기(110)에 전달된 상기 사인파 교류 고전압 및/또는 상기 펄스파에 의해 메탄 산화 반응기(110) 내부에는 상기 플라즈마가 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 사인파 교류 고전압은 최대 4kVp-p(peak to peak), 최대 피크 전압 20kV, 및 최대 20kHz 진동수를 가질 수 있다. 상기 플라즈마가 형성된 플라즈마 영역(111)은 높은 에너지 준위를 가질 수 있다. 플라즈마 영역(111)은 메탄 산화 촉매(130)가 제공된 영역을 포함할 수 있다. 상기 플라즈마는 저온 플라즈마일 수 있고, 플라즈마 영역(111)의 온도는 200℃ 이하일 수 있다.And forms the plasma in the region where the
상기 메탄, 상기 산소, 및 상기 비활성기체가 플라즈마 영역(111)이 형성된 메탄 산화 반응기(110) 내부로 주입될 수 있다. 메탄 저장부(210), 산소 저장부(220), 및 비활성기체 저장부(230)에 저장된 기체가 질량 유량 제어기(MFC, Mass Flow Controller)(240)를 거쳐 주입될 수 있다. 상기 메탄, 상기 산소, 및 상기 비활성기체를 포함하는 주입 기체(a)는 기체 주입구(140)를 통하여 메탄 산화 반응기(110) 내부에 주입될 수 있다. The methane, the oxygen, and the inert gas may be injected into the
상기 산소는 상기 메탄에 대하여 5~20배의 몰비율로 주입될 수 있다. 바람직하게는, 상기 산소는 상기 메탄에 대하여 10배의 몰비율로 주입될 수 있다. 상기 비활성기체는 헬륨, 아르곤, 및 네온 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 상기 비활성기체의 농도는 95% 이상으로 주입될 수 있다. 상기 비활성기체는 플라즈마 영역(111)의 안정성에 기여할 수 있다.The oxygen may be injected at a molar ratio of 5 to 20 times with respect to the methane. Preferably, the oxygen can be injected at a molar ratio of 10 times with respect to the methane. The inert gas may be at least one selected from helium, argon, and neon. The concentration of the inert gas may be at least 95%. The inert gas may contribute to the stability of the
플라즈마 영역(111)에 공급된 상기 메탄 및 상기 산소는 분해되어 상기 메탄 산화 반응을 일으킬 수 있다. 상기 플라즈마에 의해 여기된 상기 산소 분자 및 상기 메탄 분자는 메탄 산화 촉매(130)에 의해 산화 반응을 더 쉽게 일으킬 수 있다. The methane and oxygen supplied to the
상기 메탄 산화 반응은 다음과 같다. 플라즈마 영역(111)에서 발생된 전자, 상기 산소 분자, 및 상기 메탄 분자의 충돌에 의해 반응식(1)과 같이 라디칼이 생성될 수 있다. 상기 라디칼에 의하여 상기 메탄 산화 반응이 일어날 수 있다.The methane oxidation reaction is as follows. Radicals can be generated as in the reaction formula (1) by collision of electrons generated in the
반응식(1)에서 e*는 플라즈마 영역(111)에서 발생된 에너지를 가진 전자를 나타내며, e는 에너지를 잃은 전자를 나타낸다. 일 실시예에서, 상기 산소는 상기 메탄에 대하여 10배의 몰비율을 가질 수 있기 때문에, 산소 라디칼은 메탄 라디칼보다 많을 수 있다. 이로 인해, 반응식(2)와 같은 반응이 일어날 수 있다.In the equation (1), e * represents electrons having energy generated in the
반응식(2)에서 생성된 수소와 일산화탄소는 과량의 상기 산소 라디칼에 의해 산화 반응을 일으킬 수 있다. 그 결과 반응식(3)과 같이 물과 이산화탄소가 생성될 수 있다.The hydrogen and carbon monoxide generated in the reaction formula (2) can cause an oxidation reaction by an excessive amount of the oxygen radical. As a result, water and carbon dioxide can be produced as in the reaction formula (3).
메탄 산화 장치(100)는 퍼니스(Furnace) 등 메탄 산화 반응기(110)의 온도를 상승 시킬 수 있는 장치를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 퍼니스는 메탄 산화 반응기(110) 내부의 메탄 산화 촉매(130) 및 플라즈마 영역(111)의 온도를 상승시켜 상기 메탄 산화 반응을 촉진 및 완료시킬 수 있다.
The
메탄 산화 장치(100)의 생성 기체(b)는 상기 물과 상기 이산화탄소를 포함할 수 있다. 생성 기체(b)는 수분 트랩(250)를 통과하면서 상기 물이 제거될 수 있다. 상기 물이 제거된 생성 기체(b)는 기체 크로마토그래피(260)을 통하여 검사될 수 있다.
The product gas (b) of the
[실험예][Experimental Example]
본 명세서에서는, 플라즈마와 촉매를 모두 사용하는 메탄 산화 반응 조건을 '플라즈마-촉매 하이브리드 조건'이라 하고, 플라즈마만 사용하는 반응을 '플라즈마 단일 조건'이라 하며, 촉매만 사용하는 반응을 '촉매 단일 조건'이라 한다.In the present specification, the term "plasma-catalytic hybrid condition" refers to a condition in which a methane oxidation reaction using both a plasma and a catalyst is referred to as a "plasma-catalyst hybrid condition", and a reaction using only a plasma is referred to as a "plasma single condition" '.
아래의 실험예를 통하여, 상기 플라즈마-촉매 하이브리드, 상기 플라즈마 단일, 및 상기 촉매 단일 조건에서의 메탄 산화 정도를 관찰할 수 있다.
Through the following experimental examples, the degree of methane oxidation in the plasma-catalyst hybrid, the plasma single, and the single catalyst condition can be observed.
플라즈마 전력 측정: 리사주 방법(Lissajous Method)Plasma power measurement: Lissajous method
도 3은 입력 전압에 따른 리사주 그림을 나타낸다.Fig. 3 shows a lithography diagram according to an input voltage.
기체 방전 이론에 따르면, 메탄 산화 장치(100)의 부하 특성은 커패시터(290)와 같다. 상기 유전체 장벽 방전의 진행 과정은 커패시터(290)의 충방전 전이(Charge and discharge transitions)와 동일하다. 커패시터(290)는 메탄 산화 장치(100)의 제2 전극(122)과 전하 전달을 측정할 그라운드(ground) 사이에 위치할 수 있다. According to the gas discharge theory, the load characteristic of the
다음의 식 (1), (2), 및 도 3을 참조하면, 플라즈마 영역(111)의 전력은 V-Q 리사주 사이클로그램(Cyclogram)의 면적을 측정함으로써 획득될 수 있다. 방전 전이(Discharge transitions)의 기울기는 유전체의 정전용량과 동일하고, 정전 용량의 전이는 메탄 산화 장치(100)의 총 정전 용량과 동일하다. Referring to the following equations (1), (2) and FIG. 3, the power of the
이때, P = 방전 전력, T = 시간, I = 전류, U = 전압, Q = 전하, CM = 측정용 커패시터, UC = 측정용 커패시터의 전압, f = 주파수, S = 리사주 그림의 면적
In this case, P = discharge power, T = time, I = current, U = voltage, Q = charge, C M = measuring capacitor, U C = voltage of measuring capacitor, f = frequency,
활성 측정 방법How to measure activity
메탄 산화 촉매(130)의 활성은 메탄 산화 장치(100) 내에서 대기압 하에 측정될 수 있다. The activity of the
본 실험예에서, 주입 기체(a)는 상기 메탄 2500ppm 및 상기 O2 2.5% 이며, 상기 헬륨(He)으로 균형이 맞춰질 수 있다. 총 기체 유속은 200cm3/min으로 유지될 수 있다. 공간 속도는 약 24000 h-1 일 수 있다. 주입 기체(a)는 질량 유량 제어기(240)를 사용하여 제어될 수 있다. 플라즈마 영역(111)을 지나면서 유출된 기체들은 열전도성 검출기(TCD) 및 60/80 Carboxen-1000 충전탑이 장착된 기체 크로마토그래피(260)로 분석될 수 있다. 상기 메탄 산화는 정상 상태 조건에서 메탄 산화 촉매(130)가 있을 때와 없을 때로 나누어 이루어질 수 있다. In this experimental example, the injection gas (a) is 2500 ppm of the methane and 2.5% of the O 2 , and the helium (He) can be balanced. The total gas flow rate can be maintained at 200 cm 3 / min. The space velocity can be about 24000 h < -1 >. The injection gas (a) can be controlled using the
본 실험예에서, 상기 산소가 과량으로 존재하기 때문에, 반응 후 생성물은 상기 CO와 상기 CO2가 대부분이라고 가정할 수 있다. 그러므로, 메탄 전환율(Conversion), CO 및 CO2 종들의 선택도(Selectivity)는 다음의 식(3), (4), 및 (5)와 같이 정의될 수 있다.In this experimental example, since the oxygen is present in excess, it can be assumed that the product after the reaction is most of the CO and the CO 2 . Therefore, methane conversion, selectivity of CO and CO 2 species can be defined by the following equations (3), (4), and (5).
실험 결과Experiment result
1. 플라즈마 단일 조건에서의 메탄 산화1. Methane oxidation in a single plasma condition
플라즈마 영역(111) 단일 조건과 플라즈마 영역(111) 및 메탄 산화 촉매(130)가 모두 존재하는 조건일 때, 상기 메탄 산화 반응을 비교한 실험은 다음과 같이 수행될 수 있다.When the
플라즈마 영역(111) 투입 에너지는 상기 메탄 산화에서 중요한 파라미터 중 하나이다. 비투입 에너지(Specific input energy)는 상기 리사주 그림에 의해 측정되었고, 이는 도 3에 나타나 있다. The input energy of the
같은 입력 전압 및 주파수에서, 플라즈마 파워는 온도에 따라 조금씩 달라질 수 있는데, 이는 온도가 높을 수록 전자 및 이온과 같은 활성 라디칼들이 쉽게 생성될 수 있기 때문이다. 상기 플라즈마 파워는 온도의 상승과 함께 높아질 수 있다. 상기 비투입 에너지는 2kVp-p 입력 전압에서 32 내지 41 J/L, 3kVp-p 입력 전압에서 91 내지 104 J/L, 및 4kVp-p 입력 전압에서 165 내지 231 J/L 일 수 있다.
At the same input voltage and frequency, the plasma power can vary slightly with temperature, since the higher the temperature, the easier the active radicals such as electrons and ions can be generated. The plasma power can be increased with an increase in temperature. The non-injected energy may be 32 to 41 J / L at 2 kVp-p input voltage, 91 to 104 J / L at 3 kVp-p input voltage, and 165 to 231 J / L at 4 kVp-p input voltage.
도 4는 플라즈마 단일 조건 하에서 다양한 전압에 따른 메탄 전환율(Conversion)을 온도의 함수로 나타낸다. Figure 4 shows the conversion of methane over various voltages under a single plasma condition as a function of temperature.
도 4를 참조하면, 5kVp-p에서 전기 에너지는 아크 방전으로 인하여 메탄 산화 장치(100)의 손상을 유발할 수 있기 때문에, 입력 전압은 4kVp-p 보다 작게 설정될 수 있다.
Referring to FIG. 4, the input voltage may be set to be less than 4 kVp-p, since electrical energy at 5 kVp-p can cause damage to the
도 5는 플라즈마 단일 조건 하에서 메탄 전환율을 비투입 에너지의 함수로 나타낸다. Figure 5 shows methane conversion as a function of the input energy under plasma single conditions.
도 5를 참조하면, 상기 메탄 전환율은 상기 비투입 에너지의 상승과 함께 증가하였다. 이 결과는 상기 라디칼과 같은 활성종들이 높은 비투입 에너지에서 더 생성되는 현상에 의해 설명될 수 있다.
Referring to FIG. 5, the methane conversion rate increased with the increase of the non-input energy. This result can be explained by the phenomenon that active species such as the radicals are further generated at high non-input energies.
도 6은 일산화탄소(CO)의 농도(Concentration)를 나타낸 것이고, 도 7은 일산화탄소(CO)의 선택도(Selectivity)를 나타낸다. FIG. 6 shows the concentration of carbon monoxide (CO), and FIG. 7 shows the selectivity of carbon monoxide (CO).
도 6 및 도 7을 참조하면, CO의 농도 및 선택도는 200℃ 이후로 떨어지기 시작한다. 상기 CO의 CO2로의 기체상 산화가 이 조건에서 작동되기 시작하기 때문이다. 그러나 상기 유전체 장벽 방전 플라즈마 하에서, 상기 입력 전압이 증가할 수록 더 많은 양의 CO가 메탄의 부분 산화로 인해 우세적으로 생성될 수 있기 때문에 CO2 로의 완전 CO 산화는 300℃ 정도까지는 정체될 수 있다.Referring to FIGS. 6 and 7, the concentration and selectivity of CO begins to fall after 200 ° C. This is because the gas phase oxidation of CO to CO 2 begins to operate under these conditions. However, under the dielectric barrier discharge plasma, the complete CO oxidation to CO 2 can be stagnated to about 300 ° C, as the higher the input voltage, the more amount of CO can be predominantly produced by the partial oxidation of methane .
상기 플라즈마 단일 조건의 경우에, CO 선택도는 100℃ 아래에서 약 50% 일 수 있다. 이는 다음의 플라즈마 화학에 의해 설명될 수 있다. 플라즈마 조건 하에서 가장 풍부한 상기 비활성 기체가 에너지를 충돌로 상기 메탄이나 상기 산소와 같은 분자들에게 전달해줄 수 있다. 그러나 전체 반응에서 상기 비활성 기체의 기여는 무시될 수 있는데, 상기 비활성 기체의 분자 수는 플라즈마 하의 반응 과정에서 변하지 않기 때문이다. 반면, 상기 메탄 및 상기 산소는 에너지가 풍부한 플라즈마 영역(111) 전자와 접촉함으로써 분리되어, 상기 메탄, 상기 수소, 상기 산소 라디칼을 각각 형성할 수 있다. 이 조건에서 상기 산소 라디칼은 상기 메탄보다 더 반응성이 높고, 그 양도 10배 풍부할 수 있다. 상기 산소 라디칼은 상기 메탄, 상기 수소, 또는 하이드록실 라디칼과 반응할 수 있으며, 상기 CO, 상기 CO2, 및 상기 H2O 를 형성할 수 있다. 상기 CO는 저온에서 더 선택적으로 생성될 수 있다. 온도가 올라갈 수록, 상기 CO2는 상기 CO의 CO2로의 상기 기체상 산화를 통하여 더 풍부하게 생성될 수 있다. 상기 저온 조건에서, 다음의 반응이 일어날 수 있다.In the case of the plasma single condition, the CO selectivity may be about 50% below 100 < 0 > C. This can be explained by the following plasma chemistry. Under the plasma condition, the most abundant inert gas can transfer energy to molecules such as methane or oxygen by collision. However, the contribution of the inert gas in the overall reaction can be neglected, since the number of molecules of the inert gas does not change during the course of the reaction under the plasma. On the other hand, the methane and the oxygen can be separated by contact with the energy-
상기 반응에서, 온도가 증가할 수록 마지막 반응이 더욱 두드러질 수 있다. 따라서 CO 선택도는 도 7에서 나타난 바와 같이 갑자기 감소될 수 있다.
In this reaction, the higher the temperature, the more pronounced the final reaction. Therefore, the CO selectivity can be suddenly reduced as shown in FIG.
도 8은 플라즈마 단일 조건 하에서 입력 전압 및 결과 전류의 특성을 나타낸다. Figure 8 shows the characteristics of the input voltage and resulting current under a single plasma condition.
도 8을 참조하면, 대부분의 방전 전류 피크가 인가 전압 곡선(검은 선)의 상승 및 하강 파트에 존재한다는 것을 나타낸다. 상기 입력 전압이 증가함에 따라 결과 전류 피크 또한 더 커질 수 있다. 이는 상기 전자, 이온, 및 라디칼과 같은 상기 활성종들이 대량으로 생성되었기 때문이다.
Referring to FIG. 8, it is shown that most of the discharge current peaks exist in the rising and falling parts of the applied voltage curve (black line). As the input voltage increases, the resulting current peak can also be larger. This is because the active species such as electrons, ions, and radicals are generated in large quantities.
2. 팔라듐 기반의 촉매 단일 조건에서의 메탄 산화2. Palladium-based catalysts Methane oxidation at single conditions
다양한 메탄 산화 촉매(130)들의 비표면적(Specific surface area)과 팔라듐 분산(Dispersion)은 아래의 표 1에 나타나있다. 팔라듐을 포함하면서 지지체는 γ-Al2O3 인 Pd/γ-Al2O3은 메탄 산화 촉매(130)들 중 가장 넓은 표면적을 가지고 있다. XRD 결과(기재되지 않음)에서, 상기 지지체에 할당된 단일 피크는 팔라듐이 관계된 피크와 상관없이 존재하는 것으로 나타나, 팔라듐이 잘 분산된다는 것을 알 수 있다. 상기 팔라듐이 잘 분산되는 정도는 Pd/γ-Al2O3, Pd/SiO2, Pd/TiO2의 순서이지만, 이들 간에 큰 차이는 없다.
Specific surface area and palladium dispersion of the various
도 9는 촉매 단일 조건의 메탄 산화에서 상기 팔라듐 기반 메탄 산화 촉매(130)의 활성 개시 온도를 나타낸다. Figure 9 shows the active starting temperature of the palladium-based
도 9를 참조하면, 플라즈마 영역(111)이 없을 때, 모든 메탄 산화 촉매(130)는 200℃ 이상에서 반응을 시작할 수 있다. 상기 Pd/SiO2는 상기 메탄 산화에서 가장 좋은 성능을 보여주었고, 그 다음으로는 Pd/γ-Al2O3 및 Pd/TiO2이었다. 상기 메탄의 산화는 상기 CO2의 단일 생산에 의해 증명되었듯 모든 촉매에서 진행될 수 있다.Referring to FIG. 9, when there is no
3. 플라즈마-촉매 하이브리드 조건에서의 메탄 산화3. Methane oxidation in plasma-catalytic hybrid conditions
상기 플라즈마-촉매 하이브리드의 효과를 입증하기 위해, 메탄 산화 촉매(130)는 플라즈마 영역(111) 플라즈마 영역(111) 내에 준비될 수 있다. 상기 메탄의 감소, 상기 CO형성, 및 상기 CO2 형성의 시너지 효과를 평가하기 위한 시너지 효과 인자 f는 다음의 식 (6) 내지 (8)과 같다. In order to demonstrate the effect of the plasma-catalyst hybrid, a
상기 시너지 효과 인자는 상기 플라즈마-촉매 하이브리드 반응, 상기 플라즈마 단일 반응, 및 상기 촉매 단일 반응 사이의 상호 관계를 나타낸다. f메탄 값이 1을 초과하면 상기 플라즈마-촉매 하이브리드 반응의 시너지 효과가 존재한다는 것을 나타낸다. The synergistic factor represents the correlation between the plasma-catalyst hybrid reaction, the plasma single reaction, and the catalyst single reaction. If the f- methane value exceeds 1, it indicates that there is a synergistic effect of the plasma-catalyst hybrid reaction.
아래의 표 2는 상기 플라즈마-촉매 하이브리드 시스템에서 상기 촉매들의 상온에서의 상기 시너지 효과 인자를 요약한 것이다. 표 2는 상기 플라즈마-촉매 시스템이 2중량% Pd/Al2O3 의 경우를 제외하고는 상기 메탄 전환에 대하여 뚜렷한 상기 시너지 효과가 없다는 것을 보여준다. 그러나 상기 CO 또는 상기 CO2에 관하여, 대부분의 경우에서 상기 CO에 대한 시너지 효과 인자는 감소하였고, 상기 CO2에 대한 인자는 증가하였다. 따라서 상기 팔라듐 기반의 촉매는 상기 지지체에 상관없이 상기 CO2 선택도를 향상시킬 수 있다.Table 2 below summarizes the synergy factors at room temperature of the catalysts in the plasma-catalyst hybrid system. Table 2 shows that the above plasma-catalyst system has no significant synergistic effect on the methane conversion except in the case of 2 wt% Pd / Al 2 O 3 . However, with regard to the CO or the CO 2 , in most cases the synergy factor for the CO has decreased and the factor for the CO 2 has increased. Thus, the palladium-based catalyst can improve the CO 2 selectivity regardless of the support.
Input voltage
상기 촉매 단일 조건, 상기 플라즈마 단일 조건, 및 팔라듐 촉매를 사용한 상기 플라즈마-촉매 하이브리드 메탄 산화 조건에 대한 비교는 온도와 입력 전압의 함수로 나타낼 수 있다. 상기 CO 선택도는 0%에 가까울 수록 좋다. 상기 CO 선택도는 상기 플라즈마 단일 조건에서보다 상기 플라즈마-촉매 하이브리드 조건에서 훨씬 낮은 것으로 나타나, 메탄 산화 촉매(130)가 상기 메탄 산화 반응에서 긍정적인 역할을 한다는 것을 보여준다.
The comparison of the catalyst single conditions, the plasma single conditions, and the plasma-catalytic hybrid methane oxidation conditions using a palladium catalyst can be expressed as a function of temperature and input voltage. The CO selectivity closer to 0% is better. The CO selectivity is much lower in the plasma-catalyst hybrid condition than in the plasma single condition, indicating that the
도 10 내지 도 12는 2중량% Pd/TiO2의 메탄 산화 촉매를 사용했을 때의 반응 결과를 나타낸다. 10 to 12 show the reaction results when a methane oxidation catalyst of 2 wt% Pd / TiO 2 was used.
도 10 내지 도 12를 참조하면, 다른 팔라듐 기반의 촉매들과 비교했을 때, 상기 2중량% Pd/TiO2 의 성능은 상대적으로 낮다. 낮은 입력 전압에서, 플라즈마 영역(111)과 메탄 산화 촉매(130)의 시너지 효과는 거의 찾아볼 수 없다. 4kVp-p에서도, 상기 플라즈마-촉매 하이브리드 반응은 상기 플라즈마 단일 반응의 것과 유사한 상기 메탄 전환율을 나타냈다. 상기 TiO2는 상기 SiO2 또는 상기 Al2O3보다 더 높은 유전율을 가지므로, 더 나은 상승 효과를 가질 것으로 기대되었다. 그러나 TiO2는 일반적인 강유전체 물질보다 낮은 유전율을 가지고 있어, 상기 Pd/TiO2는 상대적으로 높은 유전율에도 불구하고 상기 메탄 산화 반응에서 상승 효과를 나타내지 않았다.
Referring to Figures 10-12, the performance of the 2 wt% Pd / TiO 2 is relatively low compared to other palladium-based catalysts. At low input voltages, synergy between the
도 13 내지 도 15는 2중량% Pd/SiO2의 메탄 산화 촉매를 사용했을 때의 반응 결과를 나타낸다. 13 to 15 show the reaction results when a methane oxidation catalyst of 2 wt% Pd / SiO 2 is used.
도 13 내지 도 15를 참조하면, 상기 SiO2 의 비공극율(non-porosity) 및 낮은 유전율 때문에 전류 및 결과 비투입 에너지는 낮은 입력 전압(2kVp-p 및 3kVp-p)에서 상당히 낮다. 그러므로, 상기 플라즈마-촉매 하이브리드 조건은 길항 효과를 갖는 것으로 나타난다. 이는 또한 표 2에 나타난 바와 같이, 상기 플라즈마-촉매 하이브리드 조건에서 f메탄 이 낮은 값으로(0.40 및 0.62) 확인되었다. 상기 2중량% Pd/SiO2 는 낮은 입력 전압에서 상대적으로 낮은 플라즈마 에너지를 가지고, 상기 입력 전압이 상기 플라즈마 단일 반응의 값으로 회복된 플라즈마 에너지를 증가시키기 때문이며, 이는 표 3에 나타나있다.When 13 to refer to FIG. 15, since the non-void ratio (non-porosity) and low dielectric constant of the SiO 2 and the resulting current input energy ratio is significantly lower at a lower input voltage (2kVp-p and 3kVp-p). Therefore, the plasma-catalyst hybrid condition appears to have an antagonistic effect. It was also confirmed that f- methane was low (0.40 and 0.62) in the plasma-catalyst hybrid conditions, as shown in Table 2. The 2 wt% Pd / SiO 2 has a relatively low plasma energy at low input voltage, which increases the plasma energy recovered to the value of the plasma single response, as shown in Table 3.
(비투입에너지(J/L))Input voltage (Vp-p)
(Non-applied energy (J / L))
Pd/TiO2
Pd / TiO 2
80
80
Pd/SiO2
Pd / SiO 2
3.9
3.9
Pd/γ-Al2O3
Pd / γ-Al 2 O 3
9
9
도 16 내지 도 18은 2중량% Pd/γ-Al2O3의 메탄 산화 촉매를 사용했을 때의 반응 결과를 나타낸다. 16 to 18 show the reaction results when a methane oxidation catalyst of 2 wt% Pd / γ-Al 2 O 3 was used.
도 16 내지 도 18을 참조하면, 2kVp-p 및 3kVp-p의 경우에서, 그래프의 기울기는 상기 Pd/TiO2 및 상기 Pd/SiO2의 경우에서처럼 촉매가 작동하기 시작하는 곳인 활성개시 온도(Light-off Temperature)의 범위에서 변했다. 낮은 전력 유전체 장벽 방적 플라즈마(2kVp-p 및 3kVp-p)는 반응의 같은 종료온도에 의해 증명된 것과 같이 반응 전체를 변화시킬 수 없다. 그러나 4kVp-p에서 상기 메탄 산화의 플라즈마 영역(111)과 2중량% Pd/γ-Al2O3 촉매 사이에 강한 시너지 효과가 분명하게 관측되었다. 상온에서도 상기 플라즈마-촉매 하이브리드 반응의 상기 메탄 전환율은 상기 플라즈마 단일 반응의 값을 넘어섰다. 상기 플라즈마-촉매 하이브리드 조건의 상기 시너지 효과 인자는 1을 넘었다(1.67). 상기 반응 후에 모든 촉매의 XRD(X-선회절분석) 및 BET 분석 결과는 변하지 않았다. 따라서 상기 유전체 장벽 방전 플라즈마는 이 작동 조건 하에서 메탄 산화 촉매(130)의 텍스트 속성(Textual property)에 영향을 미치지 않을 수 있다.16 to 18, in the case of 2 kVp-p and 3 kVp-p, the slope of the graph is the same as the Pd / TiO 2 and Pd / SiO 2 , -off Temperature). Low power dielectric barrier spin plasma (2kVp-p and 3kVp-p) can not change the entire reaction as evidenced by the same termination temperature of the reaction. However, at 4 kVp-p, a strong synergy effect was observed between the above-mentioned methane
낮은 활성개시 온도(Light-off Temperature)를 가지는 상기 Pd/γ-Al2O3 및 상기 Pd/SiO2의 경우, 상기 입력 전압 4kVp-p 이상에서 활성화될 수 있다. 이는 이들이 낮은 활성화 에너지를 가지고 있어, 플라즈마 영역(111) 에너지가 쉽게 상기 활성화 에너지 장벽을 극복할 수 있기 때문이다. 그러나 상기 Pd/γ-Al2O3의 경우를 제외하고, 상기 플라즈마와 메탄 산화 촉매(130)의 조합은 상기 플라즈마 단일 반응과 유사하거나 더 낮을 수 있다. 즉, 촉매 지지체인 상기 γ-Al2O3 가 상기 유전체 장벽 방전 플라즈마와 결합했을 때 더 높은 메탄 전환율을 가질 수 있다. 이는 상기 γ-Al2O3 가 높은 표면적을 갖는 다공성이기 때문에, 상기 플라즈마를 사용하여 상기 메탄 산화의 상기 시너지 능력을 향상시킬 수 있기 때문이다.
In the case of the Pd / γ-Al 2 O 3 and the Pd / SiO 2 having a low light-off temperature, the input voltage can be activated at 4 kVp-p or more. This is because they have low activation energies, so that the
4. 유전체 장벽 방전 플라즈마와 Pd/γ-Al4. Dielectric barrier discharge plasma and Pd / γ-Al
22
OO
3 3
촉매 하이브리드의 효과Effect of catalyst hybrids
상기 Pd/γ-Al2O3 촉매가 메탄 산화 반응기(110) 내부에 준비되면, 상기 메탄 전환은 특정 조건 하에서 발현될 수 있다. 그러나 플라즈마 영역(111)의 길이는 메탄 산화 촉매(130)의 층보다 더 길 수 있기 때문에, 상기 플라즈마로 인해 메탄 산화 촉매(130)의 상기 시너지 효과가 발생하는 것인지 불분명하다. 따라서 메탄 산화 촉매(130)를 플라즈마 영역(111) 내에 배치시킨 인플라즈마(In-plasma) 방법과 메탄 산화 촉매(130)를 플라즈마 영역(111)과 다른 영역에 배치시킨 포스트플라즈마(Post-plasma) 방법을 비교하여 상기 시너지 효과의 근원을 밝힐 수 있다.
When the Pd / γ-Al 2 O 3 catalyst is prepared in the
도 19는 상기 포스트플라즈마에서 상기 2중량% Pd/γ-Al2O3 촉매에 대한 상기 메탄 전환율을 나타낸다. 19 shows the conversion of methane to the 2 wt% Pd / γ-Al 2 O 3 catalyst in the post-plasma.
도 19를 참조하면, 상기 CO 선택도는 상기 인플라즈마와 마찬가지로 낮은 수준에서 유지되었다. 그러나 상기 포스트플라즈마에서 상기 메탄 전환율의 상기 시너지 효과는 찾기 힘들다. 따라서, 상기 메탄 산화 반응에서 상기 시너지 효과를 증진시키기 위해서는 플라즈마 영역(111) 및 메탄 산화 촉매(130)가 같은 영역에 존재하는 것이 바람직하다. 상기 포스트플라즈마는 상기 플라즈마에 의해 형성된 상기 활성 라디칼들이 메탄 산화 촉매(130)에 도달 못할 수도 있기 때문이다.
Referring to FIG. 19, the CO selectivity was maintained at a low level similar to that of the phosphorous plasma. However, the synergy of the methane conversion in the post-plasma is hard to find. Therefore, it is preferable that the
이제까지 본 발명에 대한 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention have been described. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.
100: 메탄 산화 장치 110: 메탄 산화 반응기
111: 플라즈마 영역 120: 전극부
121: 제1 전극 122: 제2 전극
130: 메탄 산화 촉매 140: 기체 주입부
150: 필터 160: 온도계
161: 보호관 200: 메탄 산화 시스템
210: 메탄 저장부 220: 산소 저장부
230: 비활성기체 저장부 240: 질량 유량 제어기
250: 수분트랩 260: 기체 크로마토그래피
270: 함수발생기 280: 전압증폭기
290: 커패시터 a: 주입 기체
b: 생성 기체 C+P: 촉매+플라즈마
C: 촉매 P: 플라즈마100: methane oxidizer 110: methane oxidation reactor
111: plasma region 120: electrode portion
121: first electrode 122: second electrode
130: methane oxidation catalyst 140: gas injection unit
150: filter 160: thermometer
161: Protection tube 200: Methane oxidation system
210: methane storage part 220: oxygen storage part
230: inert gas storage unit 240: mass flow controller
250: Moisture trap 260: Gas chromatography
270: Function generator 280: Voltage amplifier
290: Capacitor a: Injection gas
b: product gas C + P: catalyst + plasma
C: Catalyst P: Plasma
Claims (9)
상기 메탄 산화 반응기 내부에 배치되는 제1 전극과, 상기 메탄 산화 반응기 외부에 배치되는 제2 전극을 포함하는 전극부; 및
상기 메탄 산화 반응기 내부에 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되는 메탄 산화 촉매를 포함하며,
상기 메탄 산화 촉매는 팔라듐을 포함하고,
상기 메탄 산화 촉매는 γ-Al2O3, SiO2, 및 TiO2 중에서 선택된 하나 이상의 지지체를 포함하는 것을 특징으로 하는 메탄 산화 장치.Methane oxidation reactor;
An electrode unit including a first electrode disposed inside the methane oxidation reactor and a second electrode disposed outside the methane oxidation reactor; And
And a methane oxidation catalyst disposed between the first electrode and the second electrode in the methane oxidation reactor,
Wherein the methane oxidation catalyst comprises palladium,
The methane oxidation catalyst is methane oxidation apparatus characterized in that it comprises at least one support selected from the group consisting of γ-Al 2 O 3, SiO 2, and TiO 2.
상기 메탄 산화 반응기 내부에 배치되는 메탄 산화 촉매; 및
상기 메탄 산화 촉매를 관통하는 제1 전극과 상기 메탄 산화 반응기 외부에 배치되는 제2 전극을 포함하는 전극부를 포함하며,
상기 메탄 산화 촉매는 팔라듐을 포함하고,
상기 메탄 산화 촉매는 γ-Al2O3, SiO2, 및 TiO2 중에서 선택된 하나 이상의 지지체를 포함하는 것을 특징으로 하는 메탄 산화 장치.Methane oxidation reactor;
A methane oxidation catalyst disposed in the methane oxidation reactor; And
And an electrode unit including a first electrode passing through the methane oxidation catalyst and a second electrode disposed outside the methane oxidation reactor,
Wherein the methane oxidation catalyst comprises palladium,
The methane oxidation catalyst is methane oxidation apparatus characterized in that it comprises at least one support selected from the group consisting of γ-Al 2 O 3, SiO 2, and TiO 2.
상기 지지체는 γ-Al2O3인 것을 특징으로 하는 메탄 산화 장치. 3. The method according to claim 1 or 2,
The support methane oxidation device, characterized in that γ-Al 2 O 3.
상기 메탄 산화 반응기 내에 배치되어 상기 촉매를 통과한 기체를 필터링하는 필터를 더 포함하는 메탄 산화 장치.3. The method according to claim 1 or 2,
And a filter disposed in the methane oxidation reactor for filtering gas passing through the catalyst.
상기 메탄 산화 촉매가 배치된 영역에 플라즈마를 형성하는 단계; 및
상기 메탄 산화 반응기에 메탄 및 산소를 주입하는 단계를 포함하며,
상기 메탄 산화 촉매는 팔라듐을 포함하고,
상기 메탄 산화 촉매는 γ-Al2O3, SiO2, 및 TiO2 중에서 선택된 하나 이상의 지지체를 포함하는 것을 특징으로 하는 메탄 산화 방법.Placing a methane oxidation catalyst in the methane oxidation reactor;
Forming a plasma in a region where the methane oxidation catalyst is disposed; And
And injecting methane and oxygen into the methane oxidation reactor,
Wherein the methane oxidation catalyst comprises palladium,
The methane oxidation catalyst is methane oxidation method which is characterized in that it comprises at least one support selected from the group consisting of γ-Al 2 O 3, SiO 2, and TiO 2.
상기 지지체는 γ-Al2O3인 것을 특징으로 하는 메탄 산화 방법.The method according to claim 6,
The support methane oxidation, characterized in that γ-Al 2 O 3.
상기 산소는 상기 메탄에 대하여 5~20 배의 몰비율로 주입되는 것을 특징으로 하는 메탄 산화 방법.The method according to claim 6,
Wherein the oxygen is injected at a molar ratio of 5 to 20 times with respect to the methane.
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KR20190091764A (en) | 2018-01-29 | 2019-08-07 | 동국대학교 산학협력단 | Methane oxidation apparatus for removing oxygen in Land Fill Gas and method for removing oxygen in Land Fill Gas using the same |
JP2019155242A (en) * | 2018-03-09 | 2019-09-19 | 大阪瓦斯株式会社 | Removal system of methane in gas to be treated and removal method of methane in gas to be treated |
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