KR101672623B1 - 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법 - Google Patents

쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101672623B1
KR101672623B1 KR1020150020313A KR20150020313A KR101672623B1 KR 101672623 B1 KR101672623 B1 KR 101672623B1 KR 1020150020313 A KR1020150020313 A KR 1020150020313A KR 20150020313 A KR20150020313 A KR 20150020313A KR 101672623 B1 KR101672623 B1 KR 101672623B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gas
electrolyte
kuett
taylor reactor
inner cylinder
Prior art date
Application number
KR1020150020313A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20160098662A (ko
Inventor
김재정
김광환
김명준
Original Assignee
서울대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울대학교산학협력단 filed Critical 서울대학교산학협력단
Priority to KR1020150020313A priority Critical patent/KR101672623B1/ko
Publication of KR20160098662A publication Critical patent/KR20160098662A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101672623B1 publication Critical patent/KR101672623B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/32—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by electrical effects other than those provided for in group B01D61/00
    • B01D53/326—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by electrical effects other than those provided for in group B01D61/00 in electrochemical cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/32—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by electrical effects other than those provided for in group B01D61/00

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

본 발명은 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 외부 실린더 및 내부 실린더를 포함하는 쿠에트-테일러 반응기에 전해질과 기체를 공급하는 단계; 상기 쿠에트-테일러 반응기의 내부 실린더를 회전시켜 상기 전해질과 기체를 균일하게 혼합시키는 단계; 및 상기 외부 실린더 및 내부 실린더에 정전압 또는 정전류를 인가하여 상기 전해질과 기체의 혼합물을 전기분해시키는 단계;를 포함하는 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법에 관한 것이다.

Description

쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법{Reduction method of gas using couette-taylor reactor}
본 발명은 쿠에트-테일러 반응기를 이용하여 기체를 환원시키는 방법에 관한 것이다.
최근 전 지구적으로 지구온난화의 주범인 온실가스 감축을 위한 국제적인 협력과 각 국가별 온실가스 규제 및 기후변화 대응 정책이 활발히 시행되고 있다. 2005년 2월 공식 발효된 교토의정서는 6대 온실가스로 CO2 (이산화탄소), CH4 (메탄), N2O (아산화질소), HFC (Hydro Fluoro Carbon: 수소불화탄소), PFC (Per Fluoro Carbon: 과불화탄소), SF6 (육불화황)을 지정하였고, 세계 각국에 온실가스 감축의무를 부과하였다.
6대 온실가스 중 N2O는 CO2의 310배에 해당하는 지구온난화 지수를 가질 뿐만 아니라 오존층 파괴에도 기여한다. N2O는 산업적으로 유동층 연소공정, 질산 제조공정, 아디핀산 제조공정 및 카프로락탐 제조공정에서 주로 발생하며 생물학적 질소순환에 따라 매년 0.5 ~ 0.9 ppb만큼 증가할 것으로 예상된다. 온실가스 저감 및 처리를 위해 CH4, HFCs, PFCs, SF6는 포집회수공정 이후 재활용이 가능하다. 반면 N2O는 다른 질소산화물에 비해 화학적으로 안정한 물질로, CO2 처리와 같이 포집회수 공정이후에 추가적인 공정을 이용한 물질 변환이 필요하다.
현재 다양한 산업분야에서 발생하는 N2O를 저감하기 위해 N2O 열분해, 고온 촉매 분해, 중온 촉매 분해 및 선택적 촉매 환원(SCR) 기술이 대표적으로 개발되었으나, 대부분 고온 공정으로 고에너지 및 고비용 요구된다. 이와 같은 기술은 산업에서 제조공정 과정 중에 발생하는 부가적인 열을 에너지원으로 하여 사용하기에 적합하나, 축산분뇨, 마취가스 등으로부터 상온에서 발생하는 N2O를 분해하기에는 부적합하다. 따라서 상온에서 N2O를 분해할 수 있는 기술이 필수적으로 요구되는 상황이다.
상온의 온도조건에서 N2O를 분해하는 기술은 전기화학 반응을 이용한 전기분해 기술이 대표적이다. 전기화학 반응을 이용한 N2O 환원은 외부의 전기적 에너지를 이용하여 전극에 흡착한 N2O를 N2로 환원시키는 방식으로, 전극과 전해질, 전해질에 용해된 N2O간의 계면이 반응에 중요한 역할을 하며, 전극에 인가하는 전위 또한 큰 영향을 나타낸다. 따라서 많은 연구에서 N2O를 고효율선택적으로 환원할 수 있는 전극 재료(촉매) 및 전해질의 개발, 설정전위 등 최적의 전극계 제어방법의 개발에 초점을 맞추고 있으나, 실질적으로 N2O를 전기분해하기 위한 공정 시스템은 전무한 실정이다.
이와 관련된 선행문헌으로는 대한민국 공개특허 제10-1993-0009637호(1993.06.21. 공개일)에 개시되어 있는 N2O의 접촉 분해 방법이 있다.
따라서, 본 발명은 쿠에트-테일러 반응기를 이용하여 지구온난화의 주범인 온실가스를 감축시킬 수 있는 기체의 환원방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 외부 실린더 및 내부 실린더를 포함하는 쿠에트-테일러 반응기에 전해질과 기체를 공급하는 단계; 상기 쿠에트-테일러 반응기의 내부 실린더를 회전시켜 상기 전해질과 기체를 균일하게 혼합시키는 단계; 및 상기 외부 실린더 및 내부 실린더에 정전압 또는 정전류를 인가하여 상기 전해질과 기체의 혼합물을 전기분해시키는 단계;를 포함하는 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법을 제공한다.
상기 전해질은 황산칼륨(K2SO4), 수산화나트륨(NaOH), 염화나트륨(NaCl), 수산화칼륨(KOH), 염화칼륨(KCl), 질산칼륨(KNO3), 탄산칼륨(KHCO3), 제1 인산나트륨(NaH2PO4), 제2 인산나트륨(Na2HPO4) 및 아스코르브산나트륨(Na-ascorbate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
상기 전해질의 농도는 0.01 ~ 0.5 M인 것을 특징으로 한다.
상기 기체는 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 아산화질소(N2O), 삼산화이질소(N2O3), 사산화이질소(N2O4), 오산화이질소(N2O5), 이산화황(SO2) 및 삼산화황(SO3)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
상기 전해질과 기체는 1 ~ 500 ml/min의 속도로 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 내부 실린더는 20 ~ 10,000 rpm으로 회전되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 쿠에트-테일러 반응기의 외부 실린더가 작동전극인 경우 내부 실린더는 상대전극이고, 상기 외부 실린더가 상대전극인 경우 내부 실린더는 작동전극인 것을 특징으로 한다.
상기 쿠에트-테일러 반응기의 외부 실린더와 내부 실린더는 티타늄(Ti), 철(Fe), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 인듐(In), 주석(Sn) 및 납(Pb)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 포일이 스테인레스 스틸(SUS)의 외부를 감싼 형태인 것을 특징으로 한다.
상기 쿠에트-테일러 반응기의 외부 실린더와 내부 실린더는 스테인레스 스틸(SUS)에 티타늄(Ti), 철(Fe), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 인듐(In), 주석(Sn) 및 납(Pb)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이 혼합된 합금인 것을 특징으로 한다.
상기 정전압은 -5.0 ~ 5.0 V로 인가되는 것을 특징으로 한다.
상기 정전류는 0.1 mA ~ 5.0 A로 인가되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전기분해 후 분해되지 않은 기체는 상기 쿠에트-테일러 반응기에 재공급하여 전기분해시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 쿠에트-테일러 반응기를 이용하여 전해질과 기체를 빠르고 균일하게 혼합시켜 전해질에 용해되는 기체의 용해도를 증가시킬 뿐 아니라, 쿠에트-테일러 반응기의 외부 실린더 및 내부 실린더를 전극으로 이용하여 반응기 내에서 기체를 전기분해시킬 수 있다.
또한, 기체와 전해질의 혼합과 기체의 분해가 동시에 이루어져 공정시간을 단축시킬 수 있고, 기체를 높은 효율로 전기분해시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법에 사용되는 쿠에트-테일러 반응기를 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법에서 전해질에 용해된 기체의 농도에 따른 순환전압전류(CV)의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 도 3을 통해 얻은 N2O 농도와 -0.5 V(vs. SCE) 부근의 전압에서 Ip의 검량선을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법에서 쿠에트-테일러 반응기의 사용 유무에 따른 기체의 용해도를 나타낸 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 외부 실린더 및 내부 실린더를 포함하는 쿠에트-테일러 반응기에 전해질과 기체를 공급하는 단계;
상기 쿠에트-테일러 반응기의 내부 실린더를 회전시켜 상기 전해질과 기체를 균일하게 혼합시키는 단계; 및
상기 외부 실린더 및 내부 실린더에 정전압 또는 정전류를 인가하여 상기 전해질과 기체의 혼합물을 전기분해시키는 단계;를 포함하는 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법을 제공한다.
본 발명에 따른 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법은 쿠에트-테일러 반응기를 이용하여 전해질과 기체를 빠르고 균일하게 혼합시켜 전해질에 용해되는 기체의 용해도를 증가시킬 뿐 아니라, 쿠에트-테일러 반응기의 외부 실린더 및 내부 실린더를 전극으로 이용하여 반응기 내에서 기체를 전기분해시킬 수 있다. 또한, 기체와 전해질의 혼합과 기체의 분해가 동시에 이루어져 공정시간을 단축시킬 수 있고, 기체를 높은 효율로 전기분해시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법을 나타낸 순서도이다. 이하, 도 1을 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법은 외부 실린더 및 내부 실린더를 포함하는 쿠에트-테일러 반응기에 전해질과 기체를 공급하는 단계(S10)를 포함한다.
본 발명에 따른 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법에서 상기 전해질은 전기분해시 전해질 내 전류의 흐름을 보조하면서 부반응을 일으키지 않는 물질을 이용하는 것이 적절하며, 구체적으로 황산칼륨(K2SO4), 수산화나트륨(NaOH), 염화나트륨(NaCl), 수산화칼륨(KOH), 염화칼륨(KCl), 질산칼륨(KNO3), 탄산칼륨(KHCO3), 제1 인산나트륨(NaH2PO4), 제2 인산나트륨(Na2HPO4) 및 아스코르브산나트륨(Na-ascorbate)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
상기 전해질의 농도, pH 및 온도는 전해질의 종류 및 전기분해 조건에 따라 다양할 수 있으나, 본 발명에서는 상기 전해질의 농도가 0.01 ~ 0.5 M인 것이 바람직하다. 상기 전해질의 농도가 0.01 M 미만인 경우에는 전해질의 저항이 높아 전기분해 효율이 낮아지는 문제가 있고, 0.5 M을 초과하는 경우에는 다량의 기체를 포화시킬 수 없는 문제가 있다.
또한, 상기 pH는 1 내지 13일 수 있고, 상기 반응기의 내부 온도는 0 ~ 40 ℃인 것이 바람직하다. 상기 반응기의 온도가 0 ℃ 미만인 경우에는 전해질이 고체화되어 유동이 형성되지 않는 문제가 있고, 40 ℃를 초과하는 경우에는 다량의 기체를 포화시킬 수 없는 문제가 있다.
상기 기체는 전기분해를 통해 환원시키고자 하는 물질로, 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 아산화질소(N2O), 삼산화이질소(N2O3), 사산화이질소(N2O4), 오산화이질소(N2O5), 이산화황(SO2) 및 삼산화황(SO3)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
이때, 상기 전해질과 기체는 1 ~ 500 ml/min의 속도로 공급되는 것이 바람직하다. 상기 공급 속도가 500 ml/min을 초과하는 경우에는 축방향의 빠른 흐름으로 쿠에트-테일러 볼텍스 흐름이 형성되지 않는 문제가 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법은 상기 쿠에트-테일러 반응기의 내부 실린더를 회전시켜 상기 전해질과 기체를 균일하게 혼합시키는 단계(S20)를 포함한다.
상기 내부 실린더는 20 ~ 10,000 rpm으로 회전되는 것이 바람직하다. 상기 회전이 20 rpm 미만인 경우에는 쿠에트-테일러 볼텍스 흐름이 형성되지 않는 문제가 있고, 10,000 rpm을 초과하는 경우에는 전기분해 효율이 낮아지는 문제가 있다.
본 발명에 따른 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법에서 내부 실린더를 회전시키면 전해질은 회전방향으로 흐름이 생기게 되는데 원심력과 코리올리 힘에 의해 내부 실린더 쪽에 존재하는 유체들이 외부 원통 방향으로 나가려는 힘이 생겨 회전속도가 올라갈수록 점점 불안정하게 되어 축 방향에 따라 규칙적이며 서로 반대방향으로 회전하는 와류가 형성되어 전해질내 기체를 균일하게 혼합시킬 수 있고, 기체의 용해도를 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따른 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법은 상기 외부 실린더 및 내부 실린더에 정전압 또는 정전류를 인가하여 상기 전해질과 기체의 혼합물을 전기분해시키는 단계(S30)를 포함한다.
이때, 상기 쿠에트-테일러 반응기의 외부 실린더가 작동전극인 경우 내부 실린더는 상대전극이고, 상기 외부 실린더가 상대전극인 경우 내부 실린더는 작동전극일 수 있다.
또한, 상기 쿠에트-테일러 반응기의 외부 실린더와 내부 실린더는 티타늄(Ti), 철(Fe), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 인듐(In), 주석(Sn) 및 납(Pb)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 포일이 스테인레스 스틸(SUS)의 외부를 감싼 형태일 수 있고, 상기 쿠에트-테일러 반응기의 외부 실린더와 내부 실린더는 스테인레스 스틸(SUS)에 티타늄(Ti), 철(Fe), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 인듐(In), 주석(Sn) 및 납(Pb)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이 혼합된 합금일 수 있다.
상기 정전압은 -5.0 ~ 5.0 V로 인가되는 것이 바람직하다. 상기 정전압이 -5.0 V 미만인 경우에는 기체뿐만 아니라 전해질이 환원되는 문제가 있고, 5.0 V를 초과하는 경우에는 전해질이 산화되는 문제가 있다.
상기 정전류는 0.1 mA ~ 5.0 A로 인가되는 것이 바람직하다. 상기 정전류가 0.1 mA 미만인 경우에는 전기분해 속도가 느려지는 문제가 있고, 5.0 A를 초과하는 경우에는 전기분해 효율이 낮아지는 문제가 있다.
또한, 펄스를 인가하여 전기분해를 수행할 수 있으며, 펄스를 인가하는 경우 상기 정전압 인가 범위 내지 정전류 인가 범위 내에서 전기분해 시간에 따라 전압 내지 전류를 변경하며 전기분해시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법은 상기 전기분해 후 분해되지 않은 기체는 상기 쿠에트-테일러 반응기에 재공급하여 전기분해시키는 것을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법에서 상기 전기분해 후 분해되지 않은 기체를 배출구에서 회수하여 이를 다시 쿠에트-테일러 반응기에 넣고 전기분해할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법에서 쿠에트-테일러 반응기를 나타낸 모식도이다. 도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 쿠에트-테일러 반응기(100)는 외부 실린더(120), 내부 실린더(130) 및 상기 내부 실린더(130)를 회전하게 하는 구동모터(110)를 포함하고, 상기 외부 실린더(120) 내에는 내부 실린더(130)가 구비된다. 상기 내부가 비어있는 원통형 외부 실린더(120)의 일측에는 주입구(140)가 구비되고 상기 주입구(140)의 반대편 일측에는 말단 배출구(150)가 구비되며 외부 실린더(120)의 장축방향 외측에는 다수의 측면 배출구(151, 152, 153, 154)가 구비된다. 상기 주입구(140), 말단 배출구(150) 및 다수의 측면 배출구(151, 152, 153, 154) 각각에는 밸브가 구비되어 전해질과 기체의 주입과 배출을 조절 및 단속할 수 있다.
전술한 쿠에트-테일러 반응기를 이용하여 기체를 환원시킬 수 있다. 이를 구체적으로 살펴보면, 먼저 외부 실린더(120) 및 내부 실린더(130)를 포함하는 쿠에트-테일러 반응기(100)의 주입구(140)를 통해 전해질과 기체를 공급하면 전해질과 기체는 외부 실린더(120)와 내부 실린더(130) 사이에 구비되고, 상기 쿠에트-테일러 반응기(100)의 내부 실린더(130)를 회전시키면 흐름이 생기게 된다. 내부 실린더(130)의 각속도가 느린 경우 라미날(laminar) 상태의 쿠에트 흐름이 생성되는 반면, 각속도가 증가함에 따라 전해질과 기체가 외부 실린더(120) 방향으로 나가려는 경향 때문에 유체가 불안정해지고 특정 임계 속도 이상에서 테일러 와류가 생기게 된다. 테일러 와류는 장축방향으로 매우 규칙적인 고리모양으로 배열되고, 서로 반대 방향으로 회전하기 때문에 장축방향으로는 섞이지 않아 균일한 혼합을 유도할 수 있다. 쿠에트-테일러 볼텍스 흐름을 형성시키기 위해 내부 실린더의 회전속도는 10,000 rpm까지 조절할 수 있으며, 전술한 바와 같이 20 ~ 10,000 rpm인 것이 바람직하다.
한편, 균일하게 혼합된 전해질과 기체는 상기 외부 실린더(120) 및 내부 실린더(130)에 정전압 또는 정전류를 인가하여 전기분해시킬 수 있다. 이때, 각각의 실린더 중 하나가 작동전극인 경우 다른 하나는 상대전극으로 이용될 수 있는데, 상기 쿠에트-테일러 반응기(100)의 외부 실린더(120)가 작동전극인 경우 내부 실린더(130)는 상대전극이고, 상기 외부 실린더(130)가 상대전극인 경우 내부 실린더(120)는 작동전극으로 이용될 수 있다.
쿠에트-테일러 반응기(100)의 주입구(140)에 유입되는 기체를 두 개의 실린더(120, 130)를 전극으로 이용하여 전기분해할 경우 쿠에트-테일러 반응기(100)의 배출구(150)는 외부 실린더(120)에 존재하는데, 말단 배출구(150)를 위치별(151, 152, 153, 154)로 추가하여 쿠에트-테일러 반응기(100)의 위치에 따른 전기분해 정도를 확인할 수 있다. 말단 배출구(150)에서 배출한 전해질 내에 분해되지 못한 기체가 존재한다면 쿠에트-테일러 반응기(100)의 주입구(140)에 재공급하여 전기분해를 수행할 수 있다.
실시예 1: 기체의 환원
N2O를 100 ml/min의 속도로 쿠에트-테일러 반응기에 공급하고 pH가 12로 조절된 0.3 M의 K2SO4 수용액을 250 ml/min의 유속으로 공급하였다. 이때 반응기의 내부 온도는 25 ℃로 조절하였으며, 25 ℃에서 N2O를 녹일 경우 포화 농도는 24.3 mM이었다. 쿠에트-테일러 볼텍스 흐름 형성을 위해 내부 실린더를 20 rpm의 각속도로 회전시켜 K2SO4 용액에 N2O를 용해시켰다. 다음으로 쿠에트-테일러 반응기의 외부 실린더 및 내부 실린더에 정전압을 인가하였으며, 작동전극의 전압을 기준전극 대비 -0.5 V가 되도록 전압을 인가하여 N2O를 전기분해시켰다. 상기 전기분해로 인해 N2O는 N2로 환원되었다.
실험예 1: 전해질에 용해된 기체의 농도에 따른 순환전압전류 변화 분석
본 발명에 따른 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법에서 전해질에 용해된 기체의 농도에 따른 순환전압전류의 변화를 알아보고 그 결과를 도 3에 나타내었다.
0.3 M의 K2SO4 전해질에 녹아있는 N2O 농도에 따라 Pd 전극(면적 0.196 ㎠)에서의 순환전압전류(cyclic voltammetry, CV) 거동을 분석하였다. pH가 12로 조절된 0.3 M의 K2SO4 수용액에 N2O를 포화시키기 위해 99.9 부피%의 N2O 기체를 100 ml/min로 30분간 용해시켰다. 대기압 하에서 용액의 온도를 25 ℃로 조절하여 N2O를 녹일 경우 포화 농도는 24.3 mM이고, 포화용액을 희석하여 전해질 내 N2O의 농도를 조절하여 순환전압전류를 분석하였다. 순환전압전류 변화를 살펴보기 위해 작동전극으로는 Pd를 사용하였으며, 상대전극으로 Pt 메쉬(mesh)를 사용하였고, 기준전극으로 SCE(saturated calomel electrode)를 각각 사용하였다. 작동전극의 전압을 기준전극 대비 1.0 V에서 -1.2 V로, 다시 -1.2 V에서 1.0 V로 50 mV/s의 주사속도로 주사하여 전류의 변화를 관찰하였다.
도 3에 나타난 바와 같이, 약 -0.5 V(vs. SCE) 부근의 전압에서 N2O의 농도에 따라 피크전류밀도(peak current density, Ip)가 변화하는 것을 확인할 수 있었다.
도 4는 도 3을 통해 얻은 N2O 농도와 -0.5 V(vs. SCE) 부근의 전압에서 Ip의 검량선을 나타낸 그래프이다. 도 4를 참고하면, Pd 전극 위에서 0.3 M의 K2SO4 전해질 내에 녹아있는 N2O의 농도와 Ip 사이에 선형적 상관관계가 있음을 확인하였다.
실험예 2: 쿠에트-테일러 반응기 사용 유무에 따른 기체의 용해도 분석
본 발명에 따른 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법에서 쿠에트-테일러 반응기의 사용 유무에 따른 기체의 용해도를 알아보고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
N2O의 용해를 위해 N2O를 100 ml/min로 공급하였으며, 0.3 M의 K2SO4 전해질을 250 ml/min의 유속으로 흘려주었고, 쿠에트-테일러 볼텍스 흐름 형성을 위해 20 rpm의 각속도로 내부 실린더를 회전시켰다.
도 5에 나타난 바와 같이, 쿠에트-테일러 반응기에서 내부 실린더를 회전시키지 않고 N2O를 용해시킨 경우 단순 교반을 통해 N2O를 포화시킨 경우와 유사한 포화농도 값을 보이는 것을 알 수 있다. 반면, 쿠에트-테일러 반응기에서 내부 실린더를 20 rpm의 각속도로 회전시켜 쿠에트-테일러 볼텍스 흐름을 형성하며 용해시킨 경우 포화된 용액의 Ip가 10.49 mA/㎠로, 내부 실린더를 회전시키지 않은 경우보다 약 19.1% 높은 값으로 나타났다. 이를 도 4의 검량선을 이용해 N2O의 농도로 환산하면 30.1 mM로 기존 포화농도보다 23.9% 높은 용해도 값을 나타내는 것을 알 수 있다.
또한, 쿠에트-테일러 볼텍스 흐름을 형성시켜 N2O를 용해시킨 경우 N2O가 포화될 때까지의 시간이 볼텍스 흐름을 형성시키지 않은 경우보다 약 8분 단축할 수 있음을 알 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.
그러므로 본 발명의 범위에는 설명된 실시예에 국한되어 전해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 쿠에트-테일러 반응기
110: 구동모터 120: 외부 실린더
130: 내부 실린더 140: 주입구
150: 말단 배출구
151, 152, 153, 154: 측면 배출구

Claims (12)

  1. 외부 실린더 및 내부 실린더를 포함하는 쿠에트-테일러 반응기에 전해질과 기체를 공급하는 단계;
    상기 쿠에트-테일러 반응기의 내부 실린더를 회전시켜 상기 전해질과 기체를 균일하게 혼합시키는 단계; 및
    상기 외부 실린더 및 내부 실린더에 정전압 또는 정전류를 인가하여 상기 전해질과 기체의 혼합물을 전기분해시키는 단계;를 포함하되,
    상기 전해질은 황산칼륨(K2SO4)이고,
    상기 기체는 아산화질소(N2O)이며,
    상기 전해질의 농도는 0.01~ 0.3M이고,
    상기 전해질을 250 ~ 500 ml/min으로 상기 기체를 100 ~ 500 ml/min의 속도로 공급하며,
    상기 내부 실린더는 20 rpm으로 회전시키고,
    상기 정전압은 -5~ 5 V로 인가되는 것을 특징으로 하는 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 쿠에트-테일러 반응기의 외부 실린더가 작동전극인 경우 내부 실린더는 상대전극이고, 상기 외부 실린더가 상대전극인 경우 내부 실린더는 작동전극인 것을 특징으로 하는 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 쿠에트-테일러 반응기의 외부 실린더와 내부 실린더는 티타늄(Ti), 철(Fe), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 인듐(In), 주석(Sn) 및 납(Pb)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 포일이 스테인레스 스틸(SUS)의 외부를 감싼 형태인 것을 특징으로 하는 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 쿠에트-테일러 반응기의 외부 실린더와 내부 실린더는 스테인레스 스틸(SUS)에 티타늄(Ti), 철(Fe), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 인듐(In), 주석(Sn) 및 납(Pb)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이 혼합된 합금인 것을 특징으로 하는 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 정전류는 0.1 mA ~ 5.0 A로 인가되는 것을 특징으로 하는 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전기분해 후 분해되지 않은 기체는 상기 쿠에트-테일러 반응기에 재공급하여 전기분해시키는 것을 특징으로 하는 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법.
KR1020150020313A 2015-02-10 2015-02-10 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법 KR101672623B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150020313A KR101672623B1 (ko) 2015-02-10 2015-02-10 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150020313A KR101672623B1 (ko) 2015-02-10 2015-02-10 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160098662A KR20160098662A (ko) 2016-08-19
KR101672623B1 true KR101672623B1 (ko) 2016-11-17

Family

ID=56874757

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150020313A KR101672623B1 (ko) 2015-02-10 2015-02-10 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101672623B1 (ko)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7292744B2 (ja) * 2018-12-26 2023-06-19 エム・テクニック株式会社 連続撹拌装置
JP7228920B2 (ja) * 2018-12-26 2023-02-27 エム・テクニック株式会社 流体処理装置
WO2020136780A1 (ja) * 2018-12-26 2020-07-02 エム・テクニック株式会社 流体処理装置
CN114655940A (zh) * 2022-04-20 2022-06-24 北京万机汇机电工程技术有限公司 一种氧化亚氮的制备方法及系统装置

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100754274B1 (ko) * 2007-03-21 2007-09-03 주식회사 덕영엔지니어링 사이클론형 전기분해용 전해조

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101451630B1 (ko) * 2012-12-05 2014-10-23 금오공과대학교 산학협력단 이산화탄소 환원방법 및 이를 이용한 이산화탄소 환원장치
KR101468782B1 (ko) * 2012-12-27 2014-12-09 금오공과대학교 산학협력단 이산화탄소 환원방법 및 이를 이용한 무격막형 이산화탄소 환원장치

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100754274B1 (ko) * 2007-03-21 2007-09-03 주식회사 덕영엔지니어링 사이클론형 전기분해용 전해조

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
한국화학공학회(2000)*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20160098662A (ko) 2016-08-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101672623B1 (ko) 쿠에트-테일러 반응기를 이용한 기체의 환원방법
US20140183038A1 (en) Carbon Dioxide Capture and Conversion to Organic Products
Wang et al. Electrochemical urea oxidation in different environment: From mechanism to devices
CN112264004B (zh) 基于钨酸盐的催化材料及其在水氧化产过氧化氢中的应用
KR102250321B1 (ko) 질소 산화물로부터 암모니아를 제조하는 전기화학 시스템 및 제조방법
WO2010009273A1 (en) Co2 utilization in electrochemical systems
AU2010201005A1 (en) Low-voltage alkaline production using hydrogen and electrocatlytic electrodes
Gutiérrez-Sánchez et al. The inhibition of the proton donor ability of bicarbonate promotes the electrochemical conversion of CO2 in bicarbonate solutions
Wu et al. Electrochemically-mediated amine regeneration of CO2 capture: From electrochemical mechanism to bench-scale visualization study
CN110983357A (zh) 一种电解二氧化碳制一氧化碳同时副产氯气、碳酸氢盐的三室隔膜电解方法
JP2023544854A (ja) プラズマアシスト電極触媒変換
KR100683961B1 (ko) 전해생성된 염소를 이용한 침출과 이를 위한 전해침출장치
Ramu et al. Sustainable generation of homogeneous Fe (VI) oxidant for the room temperature removal of gaseous N2O by electro-scrubbing process
Chen et al. Removal of carbon disulfide from air stream by absorption combined with electrochemical oxidation
Hopsort et al. Progress toward a better understanding of the urea oxidation by electromediation of Ni (III)/Ni (II) system in alkaline media
Liu et al. Electrochemical mineralization of uric acid with boron-doped diamond electrode: Factor analysis and degradation mechanism
CN105327601A (zh) 一种工业有机废气的净化处理装置
KR20190017475A (ko) 철-에틸렌다이아민테트라아세트산을 이용한 질소산화물 및 황산화물 동시 처리방법
CN113122864B (zh) 一种二氧化硫电化学还原制备硫化氢的方法
CN103334122A (zh) 还原石墨烯-钯复合物修饰电极的制备及其应用
CN114524493B (zh) 一种电化学处理硝酸盐废水的氨回收装置及方法
KR20200095953A (ko) 질소산화물로부터 질산암모늄 제조를 위한 전기화학 반응기 및 제조방법
Jin et al. Study on cooperative removal of NOx in simulated flue gas by paired electrolysis
KR102029103B1 (ko) 아산화질소의 매개 전기화학적 환원 방법, 및 그 시스템
Xu et al. Emerging green catalytic synthesis of biomolecules from CO2 and/or nitrogenous small molecules

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20191001

Year of fee payment: 4